电接触电阻对混合动力和电动汽车锂离子电池组外部能量损失的影响

Peyman Taheri*，加拿大不列颠哥伦比亚省萨里市西蒙·弗雷泽大学工程科学学院机电系统工程，V3T 0A3，电子邮件：

Scott Hsieh，加拿大不列颠哥伦比亚省本拿比市西蒙·弗雷泽大学工程科学学院电子工程系，V5A 1S6，电子邮件：

马吉德·巴赫拉米，加拿大不列颠哥伦比亚省萨里市西蒙·弗雷泽大学工程科学学院机电系统工程，V3T 0A3，电子邮件：

摘要

锂离子（Li-ion）电池因其出色的动力特性而受到混合动力汽车和电动汽车的青睐。本文首次研究了锂离子电池组件中电极与集电棒界面的接触电阻（ECR）引起的能量损失。ECR是接触表面缺陷的直接结果，在电极-集电极接头处起欧姆电阻的作用。在样品锂离子电池的电极连接处测量ECR，并给出了直接分析以评估相关能量损失。通过实验，观察到ECR是锂离子电池能量管理中的一个重要问题。重点介绍了表面缺陷、接触压力、接头类型、集电棒材料和界面材料对ECR的影响。所获得的数据表明，在所考虑的电池中，ECR引起的能量损失可能高达正常运行条件下进出电池的总能量流的20%。然而，当使用适当的接头压力和/或表面处理时，ECR损失可以减少到6%。电极集电体界面处的不良连接会导致界面处产生的热量导致电池能量的显著损失。在恶劣条件下，ECR产生的热量可能会导致严重的安全问题、热失控、火花，甚至电极熔化。

术语

1.简介

混合动力电动汽车（HEV）和电动汽车（EV）正在成为近期可持续交通最有前景的解决方案[1，2]。传统内燃机（ICE）[3]、4]的环境影响，例如温室气体和空气污染排放，以及与石油基燃料[3]相关的经济问题，例如需求增加和供应有限导致的价格波动，是发展混合动力传动系的主要动机之一。

而电动汽车完全依靠蓄电系统（电池）供电；在混合动力汽车中，ICE和电池动力的结合为混合动力传动系统提供了动力。与传统车辆相比，HEV中的ICE更小[5]，在严酷条件下使用，具有接近最大的效率，即用于高功率加速和为电池充电。另一方面，电池在低电力需求下负责供电，而ICE的效率将很低。此外，车辆制动过程中的能量（在传统制动系统中作为热量耗散）被储存在HEV电池中，以供再次使用，即再生[6]。因此，HEV和EV的性能在很大程度上取决于电池的效率和可靠性。

最近电池技术的飞跃[7，8]使HEV的电气化程度显著提高。在新一代电池中，聚合物基锂离子电池引起了极大的兴趣。锂是最轻的金属；它漂浮在水上，并且具有最大的电化学电势，这使它成为最具活性的金属之一[8]。根据这些特性，锂基电池提供了高能量和功率密度。此外，它们的高电压、低自放电率和良好的稳定性使它们适合于汽车和备用电源应用。先进的锂离子电池提供150 Wh·kg-1的储能密度，2000W·kg-1，能量转换效率为95%及更高[2]。

HEV中电池组的能量管理和优化是所有混合动力系统中的一项关键任务，因为它直接影响混合动力系统的成本、重量、安全性、效率和可靠性[9]。通常，高功率密度电池的能量管理问题分为两类：；电气和热力。尽管热管理和电管理是不同的场景，但电池的热和电特性是高度耦合的[10]。这种耦合将整个电池能量管理变成一项具有挑战性的任务，特别是在极端工作条件下。众所周知，在涉及快速电化学反应的高放电速率下，电池容易发生过度升温，从而引发电解液起火、热失控，在最坏的情况下还会发生爆炸热失控，在最坏的情况下发生爆炸[11，12]。此外，在低于冰点的低温下，锂离子电池的能量和功率输送会减少[11]。

在先进电池的能量管理背景下，最小化电池组件中的能量损失可以发挥重要作用。这些能量损失可分为内部损失和外部损失。

由于电流流过电极[13]，一部分内部损失与欧姆加热有关，其余部分是由于电极/电解质界面处的电荷转移而产生的热量，即电化学反应[10，14]。

电池组件中电极和集电条之间的接触界面处的电接触电阻（ECR）是一种重要的外部损耗，据作者所知，在混合动力和电动汽车的能量管理中，这一点被忽视了。除了潜在的重大能量损失外，在极端情况下，ECR还会导致温度升高，导致电池电极和集电条熔化，这一现象类似于点焊。

在本论文中，我们致力于研究并阐明ECR在电动汽车和混合动力汽车锂离子电池能量管理中的重要性。已经建立了一个定制设计的试验台，以测量样品锂离子电池的电极和集电棒界面处的ECR。本研究中考虑的接头为螺栓接头。深入研究了集电棒材料、表面特性（表面粗糙度和不平整度）、接触压力、接头类型以及界面导电材料（IECM）的应用对ECR的影响。我们的实验结果表明，对于接触压力相对较低的典型裸电极集电极接头，ECR损失可能高达进出电池的总能量流的20%。然而，通过选择适当的表面处理、接头压力和应用IECM（电气润滑脂），ECR造成的损失将减少到7%以下。

2理论背景

现代工程中热/电接触电阻（T/ECR）的多学科研究具有重要意义[15，16]。触点被定义为设备的载流部件之间的接口。触点的主要目的是允许热/电流不间断地通过触点界面。在本文中，考虑到所考虑的问题，只研究了可分离的固定触点，即螺栓和螺母类型的机械接头。

尽管热过程和电过程的性质不同，但它们表现出相似的界面现象，特别是接触电阻[17，18]。然而，本研究的重点是接触电阻。为了突出接触电阻的重要性，我们考虑两个导电体，它们在施加的力F下接触，见图1（a）。在图1（b）中，接触界面的放大部分示意性地显示了表面不规则性。由于表面粗糙度及其不平坦度，两个物体之间的接触仅发生在由两个表面上的凹凸的机械接触形成的离散点处[19]。因此，界面处的实际接触面积Ar，即分散接触点的总和，仅形成表观（或标称）接触面积Aa的一小部分，通常小于2%。

图1

图1：固定电触点的示意图。

（a） 具有不同电压的接触体的宏观表示。

（b） 接触表面特征（即。，

粗糙度和不平整度。

远离界面，主体1和主体2中的电压为V1和V2。电压差导致电流从高压主体流向低压主体。在界面处，电流线束在一起，通过离散的微接触点，见图2（a）。微接触点导致的电流汇聚减少了用于导电的材料的体积，并导致电接触电阻（ECR）。参考文献[20]表明，接触点上的体电流分裂取决于接触点的大小（面积）和相对距离。图2（b）显示了相应的电阻网络。接触点处的接触电阻Rc用作并联电阻，并联电阻与体电阻Rbu串联。主体1和2中的体电阻由于其材料的电阻率而产生。

图2:

图2.（a）电气传导路径示意图

粗糙表面接触界面中的电流。收缩和

电流线的扩展增加到界面处的接触电阻。（b）

总电阻是体电阻和接触电阻的组合。在一般情况下，当存在n个接触点时，总电阻读数

公式1

电接触电阻分析包括三个主要部分：（i）表面拓扑结构，（ii）接触力学和（iii）电传输。部件（i）和（ii）是耦合的，因为接触力学分析强烈依赖于表面拓扑和施加的力[19]。此外，在界面处产生大量热量的情况下，材料特性会发生变化，从而改变表面拓扑结构和接触力学。

电接触电阻可以通过几种方法降低，包括：

通过i）增加接触压力，或ii）减少接触表面的粗糙度和不平整度，

界定（例如钎焊）接触表面，

使用界面导电材料（IECM），也称为电润滑脂或电接触润滑剂，可符合配合表面的不完美表面特征。这些材料通常用于电力行业，以减少接头中的电接触电阻。它们还可能包括一些材料，以防止电连接器中的腐蚀沉积物，从而便于维护。

由于成本限制，制造高度精加工的表面并不实用。钎焊会产生一个永久性接头，使维护变得困难。此外，由于车辆振动，钎焊接头容易松动，最终导致疲劳失效。接头故障将显著增加ECR和火花的机会，最终导致蓄电池系统不工作。此外，负载限制使得使用高接触压力不可行。因此，在中等接触压力下使用界面导电材料（IECM）似乎是HEV和EV应用中电池组件的合适选择。

3.电池组件

EV和HEV中的电池组通常分为电池模块，每个模块包含并联和/或串联的多个电池单元。聚合物锂电池（EIG C020，韩国）如图所示。3（A）。为了进行电池连接，将黄铜（c2680成分）支架连接到电池电极接线片上，见图3（b）。图3（c）所示的集电棒设计用于通过支架连接电池电极。使用喷水切割机制造了厚度为3.15 mm的铜（由铜110制成）汇流条（由加拿大Future Vehicle Technologies Inc.提供），而黄铜汇流条（从韩国EIG购买）的厚度为1.5 mm。厚铜汇流条设计用于高电流连接，因为它们允许更多的电流并且导致更少的欧姆电阻和发热。

图3

图3.（a）裸电池的EIG C020锂离子电池单元

电极接线片。（b） 连接到电池电极的黄铜支架。（c）

由不同厚度的铜和黄铜制成的集电棒

用于使用螺栓和螺母连接电极支架。

螺栓和螺母用于将集电棒组装在电极支架上。为方便起见，电极支架和集电棒将分别称为电极和集电体。在图4中，显示了电极和铜收集器之间的螺栓连接。在电动汽车和混合动力汽车的电池组件中，存在数百个这样的接头。

图4

图4：电极支架和铜集电棒之间的螺栓和螺母连接。

该电池使用Li[NiCoMn]O2基阴极和石墨基阳极。电池的标称电压和容量为3.65 V，20 Ah=72000 C，比能量为175 Wh·kg-1。电池重量约为425 g，电池的功率约为73 W。制造商报告的不同放电速率下电池电势随电池容量变化的实验结果如图5所示。

图5

图5：1 C、3 C和5 C放电速率下电池放电曲线的实验数据。

4.实验研究

进行了一项实验研究，以测量电池组件的ECR。为此，设计并建造了试验台，并制定了试验程序。研究了接触参数对ECR的影响。测量电极和收集器的表面粗糙度。此外，使用压敏膜定性地研究了表面不平整度以及螺栓和螺母连接对接触压力分布的影响。以下小节提供了所进行实验研究的更多细节。

4.1表面粗糙度测量

表面粗糙度是工程表面纹理的度量。粗糙度在确定表面接触时如何相互作用方面起着关键作用，参见图2。

使用触针测量电极和收集器的表面轮廓使用触针轮廓仪（Mitutoyo SJ-400，Japan）测量电极和收集器的表面轮廓。图6显示了二维表面轮廓的示例。该图表示铜收集器的真实表面轮廓；注意垂直和水平刻度的差异。测量长度为5 mm，z（x）表示实际表面与其平均平面的垂直偏差，即z（x）=0。

图6

图6：样品铜集电棒的表面轮廓测量。

表示表面粗糙度的一个广泛使用的参数是测量轮廓高度偏差的算术平均值，由[19]定义

公式2

在实际测量中，通过1>i>N获得xi和z（xi）的离散值，其中N是测量读数的总数。电极和集电体的Ra值根据表面测量值计算，这允许对电池组件中接触表面的粗糙度进行定量比较。

我们使用了八个收集器，四个铜和四个黄铜，还有一对电极来进行表面测量。收集器的表面通过手工抛光和研磨处理。在具有不同方向的多个位置随机地对一对电极和收集器进行表面测量。表1列出了集电棒和电极支架表面粗糙度的平均测量值（高斯分布）。在表面测量过程中，注意到粗糙度不是完全各向同性的，在特定方向上的值略有不同。

表面测量表明，黄铜集电体比铜集电体粗糙，电极通常比集电体光滑得多。

表1

4.2接触区域内的压力分布

除了微观表面不规则性（粗糙度）外，宏观曲率（不平整度）在工程表面中也很常见，主要是由于制造工艺造成的。图7描述了铜收集器的表面轮廓。收集器上有孔[参见图3（c）]，如图7所示，在孔附近可以观察到约为10/mum的不平坦度。该样品通过水射流切割工艺制造。一般来说，在生产/组装过程的不同阶段，由于钻孔、切割、弯曲和扭转等各种工艺，可能会产生不平整。

图7

图7：铜集电棒的表面轮廓测量为

展示。孔附近部分表面的不平整度约为10µm。

当电极支架和集电棒接触时，不平整会导致界面接触区域不合格。在不合格区域，压力分布不均匀。在这种情况下，压力分布很大程度上取决于宏观表面的位置和尺寸以及配合表面的弹性和塑性[19]。

如图4所示，电极-集电体界面为螺栓连接，产生不均匀的压力分布；压力在孔附近达到最大值。图8（a）显示了黄铜和铜样品收集器夹在电极和收集器之间的压敏膜（Pressurex，美国）上的定性接触压力分布。红色（暗）点/区域表示实际接触点。图8（a）清楚地显示了螺栓接头的不符合性。请注意，即使在高度拧紧的接头处，标称接触面积的很大一部分（白色/明亮区域）也没有接触。使用压敏膜结果，即二维压力分布，可以建议近似的一维压力分布，见图8（b）。该近似压力分布可用于为螺栓连接开发更真实的接触力学模型。

图8

图8.（a）电极间接触的压力分布

支架和集电棒采用压敏材料定性显示

电影颜色强度与压力的大小直接相关。

（b） 中心线上压力分布示意图

螺栓接头的接触面。最大压力pmax

发生在孔附近。

4.3电接触电阻（ECR）测量

图9显示了设计用于测量电池电极集电极接头处ECR的电路。我们使用直流电源（GW Instek，GPS-4303，Taiwan）代替实际电池，该直流电源被调谐为提供恒定电流I=1.5 a。用恒定电流供应器替换实际电池符合实际电池运行条件，如实验获得的放电曲线所示，见图5。电流供应器连接到电极（支架），如图所示。其中一个电极通过已知的（分流）电阻Rsh接地Rsh=2.5 O.使用集电棒桥接电极支架。由于电流通过集电极，在电极支架之间建立并测量了电压降。该电压差的一小部分与电极和集电极中的体电阻有关，但其界面处的ECR是该电压降的主要原因。

图9

图9：设计用于测量的电路示意图

电极支架和

电池（电池）组件中的集电棒。

通过在测力传感器上施加力F或使用螺母和螺栓来维持电极和收集器之间的接触。接触面积随着力F的增加或螺栓的拧紧而改善。

对应于测量电压降的总电阻几乎等于接触电阻，读数为

公式3

式中，ΔVe是电极两端测得的电压降，I是供应的电流。为了确保提供的电流正确，测量了分流电阻两端的电压ΔVsh，然后将电流评估为I=ΔVsh/Rsh。

实际的测试设备如图10所示。在测量中，在使用称重传感器测量的施加力下，将收集器对准电极上方[参见图9]，或将其栓接到电极上。试验台侧面的厚支撑架用于加强结构并防止在较高载荷下弯曲。

图10

图10：电接触电阻测量试验台。

连接端子位于背面。

4.4功率损耗评估

测得的电接触电阻Rc和从电池汲取的电流Ib与界面处的欧姆损失相关

公式4

这种电能损失表现为在电极-收集器界面处产生的热量。根据等式（4），较大的电池电流导致较高的发热率。因此，在大的放电/充电速率下，电极处的热分析是重要的。

5.结果和讨论

测量了铜和黄铜收集器在不同压力下的电接触电阻，并评估了相应的欧姆损失。测量在两种条件下进行，i）裸接触或“干”接触；和ii）“湿”接触，即在界面处施加界面导电材料（IECM）。采用Koper屏蔽接头化合物（Thomas&Betts，USA）作为IECM，它是纯抛光胶体铜的均匀混合物，以提高电接头的导电性。它还包括润滑接头和防止生锈和腐蚀的部件。

5.1不确定性分析

如等式（3）所示，ΔVe和I是我们实验中测量的电参数。此外，接触载荷F和表观接触表面Aa是为确定接触压力而测量的相关量。

我们的ECR测量的总精度根据所用仪器的精度进行评估。电压和电流读数的精度分别为0.5%和2.5%（Extech 430万用表）。称重传感器的精度为2.5%（传感器技术LB0-500）。上述精度值是根据仪器读数给出的，而不是读数的最大值。与接触面积测量相关的误差非常小，因此不包括在分析中。

由于ECR作为ΔVe、I和F的显式函数不可用，ECR测量的最大不确定度可从[21]近似得出

公式5

对于本研究，估计为±3.6%。关于等式（4），功率损耗测量的不确定性为

公式6

这导致±6.2%。表2列出了与测量参数相关的不确定度。

表2

5.2电气接触电阻结果

图（11）中的顶图显示了总标称接触面积为364 mm²（两个电极上）的铜收集器的ECR测量结果。下图是总标称接触面积为354 mm²的黄铜收集器。通过在称重传感器上施加力来施加接触压力（以均匀压力接触）。施加的压力从0变化到约0.3MPa。由于每个收集器在表面特性方面的独特性，使用不同收集器的实验产生的结果略有不同。所呈现的结果对应于所选择的收集器和电极。实验中使用的收集器和电极的表面粗糙度见表1。为了确保测量的一致性，进行了几次测试，并对值进行了平均。

图11

图11不同温度下的电接触电阻测量

铜（上图）和黄铜（下图）集电棒的压力

如图所示。进行了测量