对影响动力电池螺栓连接电气接触电阻的因素的实验分析

《Journal of Energy Storage》：Experimental analysis of factors affecting electrical contact resistance in the bolted electrical connections of power batteries

锂钛酸电池模块螺栓连接电气接触电阻影响因素及优化研究。通过实验平台分析接触面积、预紧扭矩、表面粗糙度、振动应力对接触电阻的影响，结合经典接触力学理论揭示机理，提出优化措施并验证其有效性。

　　

贾秀贤|杨帅|孙学雷|杨晔|刘新宇|江睿|熊青

四川西华大学汽车与交通学院，中国成都，610039

摘要

随着对电动汽车在极端条件下的需求增加，例如快速充放电，电池电气连接器中电流也随之增大，导致温度显著上升并引发安全问题。本研究重点关注钛酸锂电池模块的螺栓连接方式，探讨影响电气接触电阻（ECR）性能的因素。我们建立了一个实验平台，在不同条件下进行测试与分析，包括不同的接触面积、螺栓预紧扭矩、表面粗糙度和振动应力等。基于已建立的接触理论及实验观察结果，分析了这些参数对ECR的影响模式。根据研究结果和实际应用，提出了提高ECR性能的优化措施，并通过电池充放电测试验证了其有效性。本研究的结果为电气连接器的可靠性研究提供了支持，并具有实际的工程指导意义。

引言

传统燃油车辆带来的能源短缺和环境污染问题日益严重。因此，推广以高效、节能和可持续性著称的纯电动汽车已成为必然趋势[1]。然而，其普及受到动力电池性能（尤其是快速充放电能力）、安全性和续航里程等因素的限制[2]、[3]。电气连接器[4]是电池组中的关键组件，负责连接各个模块和部件，确保电流通过母线和电极接口的稳定流动，维持电路正常运行。接触不良可能导致过热、热失控、安全隐患和能量损失[5]。 研究表明[6]、[7]，除了电池组的电气特性外，较高的电气接触电阻（ECR）会加剧局部加热，可能引起电池和连接器温度异常升高，从而加速电池老化过程。在极端情况下，例如钛酸锂电池在30°C的温度下放电时，放电电流可达到600 A[8]，由此产生的大量热量会使母线表面的绝缘套软化甚至脱落（见图1）。绝缘套[9]对电池组内的电气绝缘至关重要，其脱落可能损坏其他部件或引发短路，带来重大安全隐患。 提高连接器的电气接触性能和可靠性是电池组和电动汽车设计中的重要挑战。电气连接方式包括可拆卸的机械连接和不可拆卸的焊接[10]。虽然激光焊接和超声波焊接可以降低ECR[11]，但产生的热量可能危及电池安全，增加生产复杂性，并妨碍拆卸和维护。因此，这些焊接技术主要用于电池单体之间的连接[12]。M.J. Brand等人[13]和C. Bolsinger等人[11]研究了压接接触电阻的影响因素，发现与焊接连接相比，优化夹紧力和表面粗糙度可以降低可拆卸电池系统的接触电阻。由于螺栓连接方式结构简单、易于维护、成本低且对电池影响小，尤其在大型系统中更为普遍[12]。表1对这些连接方式进行了比较分析，详细介绍了它们的使用特点、适用场景和典型电阻范围。 尽管螺栓连接的ECR通常高于焊接连接，但通过调整接触压力、表面粗糙度和接触面积等参数，可以将其降低30%至50%[14]。Ta和Capelli等人[15]、[16]通过模拟和测试发现，接触压力、表面硬度、表面粗糙度和材料选择是影响ECR的关键因素，最终由实际接触面积决定[17]、[18]。Wassiliadis和Taheri等人[2]、[14]利用压敏薄膜分析了铜母线的压力分布，发现ECR估计存在线性扭矩-接触面积关系，这一关系得到了模拟结果的验证。此外，ECR还受环境因素影响，在恶劣环境中ECR通常会显著增加[19]，从而降低接触性能，严重影响电气系统的可靠性和使用寿命。例如，在故障模式下，电气连接可能因电击而失效[20]。在这些故障中，振动占电子元件故障的28%[21]。机械振动引起的摩擦磨损是恶劣工作环境之一[20]，是电连接在没有电弧的情况下性能下降或失效的主要原因。 为了研究摩擦环境对接触电阻的影响，张和任等人[22]、[23]构建了一个摩擦测试平台，用于检测振动条件下电气连接器的ECR并分析影响因素。研究表明，振动应力引起的摩擦磨损会瞬间且不规则地增加接触电阻。然而，在实际应用中，电气连接结构对ECR的影响是环境因素和内部接触因素共同作用的结果。

目前的研究主要集中在单独因素或局部多因素的测试与分析上，缺乏对整体多影响因素的系统性研究和综合分析。此外，在实际工程应用方面的优化措施和结果验证也较为缺乏。

本文聚焦于图2所示的钛酸锂电池组模块的螺栓连接方式。我们构建了一个实验平台，研究其在不同因素下的电气接触性能，包括接触面积、螺栓预紧扭矩、表面粗糙度和振动应力。基于实验观察结果，我们将输入参数与ECR性能关联起来，并利用经典接触力学理论进行物理解释。随后提出了提高ECR性能的优化措施，并通过充放电测试验证了其可行性。实施这些措施有望提升电动汽车的安全性和经济效率。

部分内容摘要

理论背景

本文研究了一种采用螺栓连接结构的电气连接器。尽管其设计简单、组装和拆卸方便，但由于接触表面的高ECR会导致严重的局部发热。为了理解ECR对电气接触性能的影响，我们需要分析接触电阻的基本概念和机制。在理想情况下（如图3所示），当两个光滑导体压在一起时，电流会...

ECR测试平台的建立

研究表明，电气连接器的ECR值通常在微欧姆（μΩ）到毫欧姆（mΩ）范围内。为了准确测量这些电阻，本研究采用了国际公认的“四端”方法（图6），以最小化误差。仪器依次连接，铜母线和电极通过螺栓牢固地固定在酚醛板上。由于ECR值很小，所使用的仪器必须具有高灵敏度...

不同预紧扭矩下接触面积对ECR的影响

在3.2节中，我们发现接触硬度主要影响大名义接触面积电气连接器的ECR。为了进一步探讨实际接触面积对电气性能的影响，本节使用了名义接触面积较小的垫圈。这些垫圈提供了更好的表面精度和更低的平整度误差，从而提高了接触硬度。因此，在螺栓预紧扭矩下的变形被最小化，使得实际接触面积...

结论

电气连接器的高ECR会降低电池组的安全性并增加能量损失。本文提出了一个实验平台，用于分析受螺栓预紧扭矩、表面粗糙度、接触面积和振动应力影响的ECR。系统地研究了这些因素的影响，并提出了优化方案以改善接触性能，通过充放电测试验证了其有效性。关于扭矩和表面粗糙度的研究结果可为...

作者贡献声明

贾秀贤：撰写——原始稿件、方法论、实验设计。杨帅：撰写——原始稿件、方法论、正式分析。孙学雷：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金申请。杨晔：撰写——审稿与编辑、概念构思。刘新宇：数据可视化、数据管理。江睿：撰写——原始稿件、数据管理。熊青：撰写——审稿与编辑、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了四川省科技计划（2024ZDZX0035）、四川省轨道交通线路智能运维工程技术研究中心基金会、成都工业职业技术学院（2024GD-Z01）以及四川省车辆测量、控制与安全重点实验室开放研究课题（编号QCCK2023-003）的部分资助。