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摘 要 针对大功率动力电池的铜导电条温升现象，对接触电阻的产生机理进行了阐述，利用开尔文电桥四端子法进行了接触电阻的测试与分析，测试结果表明：铜导电条的接触电阻与施加的力矩大小、镀层材料、尺寸规格等有关。
关键词 接触电阻 导电条 开尔文电桥四端子法
Abstract：In the light of temperature rise for copper bus bar of the power cell with high-power， the generation mechanism of the contact resistance was described， and the its test was done and analyzed by using the Kelvin bridge four terminal method. It was showned that the contact resistance had something to do with the torque value， coating material， dimension and so on.
Key words：contact resistance bus bar Kelvin bridge four terminal method
1前言
导电条（Bus bar）是大功率动力电池组（cell pack）中不或缺的电气连接元件。当导电条通过大电流时，会产生发热（温升）现象。解决导电条温升问题对于提高其使用性能、延长使用寿命、减少损失等有着非常重要的实用价值和经济意义。为此，笔者针对大功率动力电池的温升现象，对铜导电条的接触电阻进行了分析研究。
2接触电阻产生机理及计算公式
电流在流经两金属导体的电接触区域时，从原来截面较大的导体突然转入截面很小的接触点，电流发生剧烈收缩现象，此现象所呈现的附加电阻称为收缩电阻。在电接触的接触面上，由于接触表面膜层及其他污染而覆盖着一层导电性很差的物质，这就是接触电阻的另一部分——膜电阻。综上所述，真实的接触电阻Rj由收缩电阻Rs及膜电阻Rf两部分组成。
而实际测量电连接器接触件的接触电阻时，都是在接点引出端进行的，故实际测得的接触电阻还包含接触表面以外接触件和引出导线本身的导体电阻。将实际测得包含有导体电阻的称为总接触电阻Rc。
Rj=Rs+Rf?………………1）
Rc=Rn+Rj?………………2）
………………3）
Rn=ρL/s=ρ/t………………4）
Rc=+ρ/t +Rf……………5）
式中：
ρ为电阻率；k为与材料变形情况有关的系数，一般情况为0.3～1，当接触面较平，弹性变形是主要的，则取小值，接触点全部是塑性变形时取k=1；HB为导体材料的布氏硬度；n为实际接触点数，反映接触面积的大小；F为接触面的正压力；Rn为导体固有电阻；L为导体长度；
T为铜导体的横截面厚度；s为横截面面积。
对于一个设计定型产品，其导体固有电阻是相对固定的，导体的总接触电阻因接触电阻的变化而变化，而接触电阻又因收缩电阻和膜电阻的变化而变化。由公式5可知：一旦导体材料选定，则其收缩电阻大小由加于接触面的正压力和实际接触点数 （即接触面积大小）决定。
大功率动力电池导电条则往往由于以上因素而引起接触电阻增大，从而使温升升高。
3接触电阻试验研究分析
本次铜导电条接触电阻试验从力矩大小、镀层材料、接触面积3个方面着手进行研究。
在测量接触电阻时，使用按开尔文电桥四端子法原理设计的接触电阻测试仪，其专用夹具夹在被测接触件端接部位两端，采用螺母将上下两块铜导电条进行锁紧，施加在螺母上的力矩范围为1～10Nm，试验共分16组。接触电阻测试图如图1所示。
3.1力矩对接触电阻的影响
图2为力矩与接触电阻的变化关系图。
由图2可知：随着力矩的增加，总接触电阻逐渐减小。当力矩增加到一定程度时，接触电阻趋于平稳。
原因：当力矩增加时，接触正压力增大，接触点增加，根据公式5，收缩电阻减少。在接触正压力增加到一定值时，可使触头表面气体分子层等吸附膜减少到2～3个分子层，此时超过材料屈服点强度，产生塑性形，表面膜被压碎，增大了两铜导电体的接触面，使得接触点迅速增加，从而引起接触电阻迅速下降，并能得到较稳定的值。因此，力矩的增加能增加接触点的有效接触面积以及有效地抑制了表面膜对接触电阻的影响。
3.2 镀层材料对接触电阻的影响
图3为镀层材料与接触电阻的变化关系图。
由图3可知：镀锡的导电条在3Nm时总接触电阻达到平衡，镀镍的导电条在8Nm总接触电阻才能达到平衡，镀锡的导电条接触电阻基本在10μΩ以内，而镀镍的导电条接触电阻基本都在20μΩ以外。因此，同等条件下，镀镍的导电条产生的接触电阻要大于镀锡的导电条，同时，从图3中两条曲线的斜率来看，力矩的变化对镀锡的导电条产生的接触电阻影响很小，对镀镍的导电条则很大。
原因：尽管锡的电阻率大于镍的电阻率，但锡的硬度比镍的硬度大很多，而且在一定的扭矩下镀层锡相比镀层镍更容易发生塑性变形，这样便增加了上下层铜导电条的点点接触，即增加了接触点，依据公式5，在力矩相同情况下，镀锡的收缩电阻相对较小，因此，镀锡的总接触电阻相对较小。
3.3尺寸规格对接触电阻的影响
图4为不同尺寸规格下力矩与接触电阻的变化关系图。
由图4可知：铜导电条长度尺寸为15mm的接触电阻最小，40mm的接触电阻最大。
原因：尽管铜导电体尺寸增加，接触点有所增加，根据公式3收缩电阻会减小，但因试验用的铜存放环境等因素会使表面留有污渍且表面极易氧化生成致密的氧化铜膜层，此时将铜导电条进行装配，会导致整个导电条的膜电阻变大。因此，根据公式5，表面受污染及氧化的铜导电体长度尺寸越大，总接触电阻越大。
3.4温升计算
设环境温度为25℃，通过导电条的电流大小为60A通电后达到稳态时导电条的温升ΔT<5 ℃，以此标准来评估16组铜导电条的合格情况。
假设接触电阻产热仅依靠接触部分的导电条散热，而非依靠整个导电条散热，根据温升计算公式计算各型号铜导电条接触电阻阀值如表1。
表1 不同导电条规格下的电阻阀值
导电条规格mm2 电阻阀值（μΩ）
15 <8.1
20 <12.8
30 <25.2
40 <41.6
在环境温度下，用10Nm力矩测得16组铜导电条的接触电阻值如图5所示。
根据图5并结合表1可判断出尺寸规格大于20mm的铜导电条能满足温升ΔT<5 ℃。
4结论
根据以上试验分析可得出如下结论：
（1）接触电阻的变化对铜导电条的温升有影响，而接触电阻又与所施加的力矩、镀层材料、铜导电条的尺寸规格等因素有关系。
（2）在同等条件下，镀锡的铜导电条大约在3Nm的时接触电阻就达到平衡，而镀镍的铜导电条大约在8Nm的时候才达到平衡。而且随着力矩的增加，接触电阻减小。
（3）若控制铜导电条的温升应小于5℃，则铜导电条的长度尺寸规格应大于20mm。
总之，在设计大功率动力电池的铜导电条时应综合考虑各种因素，建议使用锡作为镀层材料以防铜表面氧化，所施加的力矩在锁紧力矩范围内尽可能大。另外，文章没有同时考虑以上因素来试制铜导电体样件，并对其接触电阻进行试验分析，这方面还有待进一步研究。
参考文献：
[1]姚文华.电触点材料接触电阻分析[J].电工材料，2005（3），22-23.
[2]张劳、张登科.接触电阻对塑料外壳式断路器温升的影响及减小措施[J].甘肃电器技术，1995（2），27.
[3]臧春艳 何俊佳.密封继电器接触电阻与表面膜研究[J].中国电机工程学报 2008（28），125-127.
[4]郭卫凡 黄文建.力矩法控制螺栓预紧力的准确度分析[J].科技信息，2011（25），1-6.
作者简介：
金标：男，湖北武汉人，教师，硕士研究生，从事汽车产品的CAD/CAE方面的研究。
关键词 接触电阻 导电条 开尔文电桥四端子法
Abstract：In the light of temperature rise for copper bus bar of the power cell with high-power， the generation mechanism of the contact resistance was described， and the its test was done and analyzed by using the Kelvin bridge four terminal method. It was showned that the contact resistance had something to do with the torque value， coating material， dimension and so on.
Key words：contact resistance bus bar Kelvin bridge four terminal method
1前言
导电条（Bus bar）是大功率动力电池组（cell pack）中不或缺的电气连接元件。当导电条通过大电流时，会产生发热（温升）现象。解决导电条温升问题对于提高其使用性能、延长使用寿命、减少损失等有着非常重要的实用价值和经济意义。为此，笔者针对大功率动力电池的温升现象，对铜导电条的接触电阻进行了分析研究。
2接触电阻产生机理及计算公式
电流在流经两金属导体的电接触区域时，从原来截面较大的导体突然转入截面很小的接触点，电流发生剧烈收缩现象，此现象所呈现的附加电阻称为收缩电阻。在电接触的接触面上，由于接触表面膜层及其他污染而覆盖着一层导电性很差的物质，这就是接触电阻的另一部分——膜电阻。综上所述，真实的接触电阻Rj由收缩电阻Rs及膜电阻Rf两部分组成。
而实际测量电连接器接触件的接触电阻时，都是在接点引出端进行的，故实际测得的接触电阻还包含接触表面以外接触件和引出导线本身的导体电阻。将实际测得包含有导体电阻的称为总接触电阻Rc。
Rj=Rs+Rf?………………1）
Rc=Rn+Rj?………………2）
………………3）
Rn=ρL/s=ρ/t………………4）
Rc=+ρ/t +Rf……………5）
式中：
ρ为电阻率；k为与材料变形情况有关的系数，一般情况为0.3～1，当接触面较平，弹性变形是主要的，则取小值，接触点全部是塑性变形时取k=1；HB为导体材料的布氏硬度；n为实际接触点数，反映接触面积的大小；F为接触面的正压力；Rn为导体固有电阻；L为导体长度；
T为铜导体的横截面厚度；s为横截面面积。
对于一个设计定型产品，其导体固有电阻是相对固定的，导体的总接触电阻因接触电阻的变化而变化，而接触电阻又因收缩电阻和膜电阻的变化而变化。由公式5可知：一旦导体材料选定，则其收缩电阻大小由加于接触面的正压力和实际接触点数 （即接触面积大小）决定。
大功率动力电池导电条则往往由于以上因素而引起接触电阻增大，从而使温升升高。
3接触电阻试验研究分析
本次铜导电条接触电阻试验从力矩大小、镀层材料、接触面积3个方面着手进行研究。
在测量接触电阻时，使用按开尔文电桥四端子法原理设计的接触电阻测试仪，其专用夹具夹在被测接触件端接部位两端，采用螺母将上下两块铜导电条进行锁紧，施加在螺母上的力矩范围为1～10Nm，试验共分16组。接触电阻测试图如图1所示。
3.1力矩对接触电阻的影响
图2为力矩与接触电阻的变化关系图。
由图2可知：随着力矩的增加，总接触电阻逐渐减小。当力矩增加到一定程度时，接触电阻趋于平稳。
原因：当力矩增加时，接触正压力增大，接触点增加，根据公式5，收缩电阻减少。在接触正压力增加到一定值时，可使触头表面气体分子层等吸附膜减少到2～3个分子层，此时超过材料屈服点强度，产生塑性形，表面膜被压碎，增大了两铜导电体的接触面，使得接触点迅速增加，从而引起接触电阻迅速下降，并能得到较稳定的值。因此，力矩的增加能增加接触点的有效接触面积以及有效地抑制了表面膜对接触电阻的影响。
3.2 镀层材料对接触电阻的影响
图3为镀层材料与接触电阻的变化关系图。
由图3可知：镀锡的导电条在3Nm时总接触电阻达到平衡，镀镍的导电条在8Nm总接触电阻才能达到平衡，镀锡的导电条接触电阻基本在10μΩ以内，而镀镍的导电条接触电阻基本都在20μΩ以外。因此，同等条件下，镀镍的导电条产生的接触电阻要大于镀锡的导电条，同时，从图3中两条曲线的斜率来看，力矩的变化对镀锡的导电条产生的接触电阻影响很小，对镀镍的导电条则很大。
原因：尽管锡的电阻率大于镍的电阻率，但锡的硬度比镍的硬度大很多，而且在一定的扭矩下镀层锡相比镀层镍更容易发生塑性变形，这样便增加了上下层铜导电条的点点接触，即增加了接触点，依据公式5，在力矩相同情况下，镀锡的收缩电阻相对较小，因此，镀锡的总接触电阻相对较小。
3.3尺寸规格对接触电阻的影响
图4为不同尺寸规格下力矩与接触电阻的变化关系图。
由图4可知：铜导电条长度尺寸为15mm的接触电阻最小，40mm的接触电阻最大。
原因：尽管铜导电体尺寸增加，接触点有所增加，根据公式3收缩电阻会减小，但因试验用的铜存放环境等因素会使表面留有污渍且表面极易氧化生成致密的氧化铜膜层，此时将铜导电条进行装配，会导致整个导电条的膜电阻变大。因此，根据公式5，表面受污染及氧化的铜导电体长度尺寸越大，总接触电阻越大。
3.4温升计算
设环境温度为25℃，通过导电条的电流大小为60A通电后达到稳态时导电条的温升ΔT<5 ℃，以此标准来评估16组铜导电条的合格情况。
假设接触电阻产热仅依靠接触部分的导电条散热，而非依靠整个导电条散热，根据温升计算公式计算各型号铜导电条接触电阻阀值如表1。
表1 不同导电条规格下的电阻阀值
导电条规格mm2 电阻阀值（μΩ）
15 <8.1
20 <12.8
30 <25.2
40 <41.6
在环境温度下，用10Nm力矩测得16组铜导电条的接触电阻值如图5所示。
根据图5并结合表1可判断出尺寸规格大于20mm的铜导电条能满足温升ΔT<5 ℃。
4结论
根据以上试验分析可得出如下结论：
（1）接触电阻的变化对铜导电条的温升有影响，而接触电阻又与所施加的力矩、镀层材料、铜导电条的尺寸规格等因素有关系。
（2）在同等条件下，镀锡的铜导电条大约在3Nm的时接触电阻就达到平衡，而镀镍的铜导电条大约在8Nm的时候才达到平衡。而且随着力矩的增加，接触电阻减小。
（3）若控制铜导电条的温升应小于5℃，则铜导电条的长度尺寸规格应大于20mm。
总之，在设计大功率动力电池的铜导电条时应综合考虑各种因素，建议使用锡作为镀层材料以防铜表面氧化，所施加的力矩在锁紧力矩范围内尽可能大。另外，文章没有同时考虑以上因素来试制铜导电体样件，并对其接触电阻进行试验分析，这方面还有待进一步研究。
参考文献：
[1]姚文华.电触点材料接触电阻分析[J].电工材料，2005（3），22-23.
[2]张劳、张登科.接触电阻对塑料外壳式断路器温升的影响及减小措施[J].甘肃电器技术，1995（2），27.
[3]臧春艳 何俊佳.密封继电器接触电阻与表面膜研究[J].中国电机工程学报 2008（28），125-127.
[4]郭卫凡 黄文建.力矩法控制螺栓预紧力的准确度分析[J].科技信息，2011（25），1-6.
作者简介：
金标：男，湖北武汉人，教师，硕士研究生，从事汽车产品的CAD/CAE方面的研究。