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对电力Discover蓄电池螺栓连接中影响电接触电阻因素的实验分析
在极端条件下，如快速充放电，电动汽车需求的增加导致电流升高，导致电池电气连接器温度显著上升并引发安全隐患。本研究聚焦于锂钛酸电池模块的螺栓连接件，以探讨影响电接触电阻（ECR）性能的因素。在不同条件下，如不同接触面积、螺栓预紧扭矩、表面粗糙度和振动应力等条件下，建立了一个实验平台进行测试和分析。这些参数对ECR的影响模式会基于既定的接触理论和实验观察进行分析和解读。基于结果和实际应用，提出了通过电池充放电测试（测量表面温度变化）来提升ECR性能的优化措施。研究结果支持电气连接器的可靠性研究，并为实际工程提供指导。
能源短缺和传统燃料车辆带来的环境污染日益引人关注。因此，纯电动车的推广已成为不可避免的，而纯电动汽车以其高效、节能和可持续性著称[1]。然而，采用受到动力电池性能（尤其是快速充放电）、安全性和续航等因素的限制[2]、[3]。电气连接器[4]是电池组中的关键部件，连接模块和组件，确保母线和电极接口的电流稳定流动，维持电路运行。接触不良可能导致过热、热失控、安全风险和能量损失[5]。
研究表明，除了电池组电气特性的改变外，电接触电阻（ECR）升高还会增强局部加热功率，可能导致电池和连接器的异常温度上升。这反过来又加速了电池的老化过程。在严重情况下，可能导致电极板熔化，进一步演变为电池热失控。例如，锂钛酸盐电池在极端条件下运行时，其放电速率可达30摄氏度，伴随600安克的放电电流[8]。ECR产生的大量热量使母线表面的绝缘套筒软化并脱落，如图1所示。绝缘套管[9]对于电池组内的电气绝缘至关重要。脱落可能损坏其他部件或引发短路，带来重大安全风险。
提升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一项重大挑战。电气连接包括可拆卸机械连接和不可拆卸焊接[10]。虽然激光和超声波焊接可以降低ECR[11]，但产生的热量可能影响电池安全，增加生产复杂性，并阻碍拆解和维护。因此，这些焊接技术主要用于电池单元连接[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。螺栓连接因其简单、易于维护、成本低且对电池影响最小，尤其是在大型系统中仍然普遍存在[12]。表1对这些连接技术进行了比较分析，详细说明了其使用特性、适用场景及典型电阻范围。
尽管螺栓连接的ECR高于焊接，但通过调整接触压力、表面粗糙度和接触面积等因素，ECR可降低30%至50%[14]。Ta 和 Capelli 等人 [15]、[16] 通过模拟和测试发现，接触压力、表面微硬度、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]利用压敏薄膜分析铜母线压力分布，发现ECR估计存在线性扭矩-接触面积关系，并得到模拟支持。此外，ECR与环境因素相关。在恶劣环境中，ECR常显著升高[19]，导致接触性能下降，严重影响电气系统的可靠性和使用寿命。例如，电气连接可能因故障模式下的电击而失效[20]。在这些故障中，振动占所有电子元件故障的28%[21]。机械振动引起的品丝是恶劣的工作环境之一[20]，是性能下降或电气连接失效的主要原因，且无电弧。
为了探讨按丝环境对接触电阻的影响，张和任等人[22]、[23]构建了一个按丝测试平台，用于研究电气连接器在振动下的ECR并分析影响因素。结论是，振动应力引起的按丝磨损会瞬间且不规则地增加接触电阻。然而，电气连接结构对ECR在实际应用中的影响，是环境因素和内部接触因素共同作用的结果。
当前研究主要集中在测试和分析单个或局部多因素，缺乏系统性调查和全面分析整体多影响因子。此外，对于实际工程应用，优化和结果验证工作也非常稀缺。
本文聚焦于锂钛酸电池组模块的螺栓电气连接器，如图2所示。我们构建了一个实验测试平台，以研究其在多种因素下的电接触性能。这些因素包括接触面积、螺栓预紧扭矩、表面粗糙度和振动应力。基于实验观察，我们将输入参数与ECR性能相关，并利用经典接触力学理论讨论可能的物理解释。随后，我们提出优化措施，以提升ECR性能，并通过充放电测试验证其可行性。实施这些措施预计将提升电动汽车的安全性和经济效率。