1.介紹

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）和電動(dòng)汽車（EV）正在成為近期可持續(xù)交通最有前景的解決方案[1,2]。常規(guī)內(nèi)燃機(jī)（ICE）[3,4]的環(huán)境影響，例如溫室氣體和空氣污染排放，除了與石油基燃料相關(guān)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題[3]，例如，由于需求增加和供應(yīng)有限的價(jià)格波動(dòng)，是混合動(dòng)力電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)訖C(jī)之一。

雖然EV完全依賴于來(lái)自電存儲(chǔ)系統(tǒng)（電池）的電源;在HEV中，ICE和電池的功率的組合在​​混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中提供推進(jìn)。與傳統(tǒng)車輛相比，HEV中的ICE較小[5]，其在具有接近最大效率的切斷條件下使用，即用于高功率加速和用于對(duì)電池充電。另一方面，電池負(fù)責(zé)在低功率需求下的電力供應(yīng)，其中ICE的效率將很差。此外，在制動(dòng)車輛期間的能量，其在常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)中作為熱耗散，被存儲(chǔ)到HEV電池中以便重新使用，即再生[6]。因此，HEV和EV的性能強(qiáng)烈地取決于電池的效率和可靠性。

最近的電池技術(shù)的飛躍[7,8]允許HEV的電氣化程度的顯著增加。在新一代電池中，基于聚合物的鋰離子電池引起了極大的興趣。鋰是最輕的金屬;它漂浮在水上，并具有最大的電化學(xué)勢(shì)，使其成為最活潑的金屬之一[8]。參考這些性質(zhì)，鋰基電池提供高能量和功率密度。此外，它們的高電壓，低自身放電率和良好的穩(wěn)定性使它們適合于汽車和待機(jī)功率應(yīng)用。高級(jí)鋰離子電池的能量存儲(chǔ)密度為150 Wh·kg-1，功率密度為2,000W·kg-1，能量轉(zhuǎn)換效率為95％以上[2]。

HEV中的電池組的能量管理和優(yōu)化是所有混合動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵任務(wù)，因?yàn)槠渲苯佑绊懟旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的成本，重量，安全性，效率和可靠性[9]。一般來(lái)說(shuō)，具有高功率密度的電池中的能量管理問(wèn)題分為兩類：電和熱。雖然熱管理和電氣管理是不同的情況，但電池的熱和電特性是高度耦合的[10]。這種耦合將整個(gè)電池能量管理轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑魬?zhàn)性的任務(wù)，特別是在極端操作條件下。已知在涉及快速電化學(xué)反應(yīng)的高放電速率下，電池易于過(guò)度升溫，這可能引起電解質(zhì)火災(zāi)，熱失控，并且在最壞的情況下爆炸[11,12]。此外，在寒冷的溫度，低于冰點(diǎn)，鋰離子電池的能量和功率傳遞減少[11]。

在用于高級(jí)電池的能量管理的背景下，最小化電池組件中的能量損失可以起到顯著的作用。這些能量損失可以分為內(nèi)部和外部損耗。

由于電流流過(guò)電極[13]，一部分內(nèi)部損耗與歐姆加熱相關(guān)，其余部分是由于在電極/電解質(zhì)界面處的電荷轉(zhuǎn)移，即電化學(xué)反應(yīng)[10,14] ]。

在電池組件中的電極和電流收集棒之間的接觸界面處的電接觸熱電偶（ECR）是顯著的外部損失，對(duì)于作者的知識(shí)，在混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛的能量管理中已被忽略。除了潛在的顯著能量損失之外，在極端情況下ECR可能導(dǎo)致可以熔化電池電極和集電棒的溫度，這是類似于點(diǎn)焊的現(xiàn)象。

在本文中，我們參與調(diào)查和闡明ECR在電動(dòng)汽車和HEV中鋰離子電池能量管理的重要性。已經(jīng)建立了定制的測(cè)試臺(tái)以測(cè)量樣品鋰離子電池的電極和集電器棒的界面處的ECR。在本研究中考慮的關(guān)節(jié)是螺栓連接。徹底研究了集電棒材料，表面特性（表面粗糙度和平面度），接觸壓力，接頭類型和界面導(dǎo)電材料（IECM）在ECR上的應(yīng)用的影響。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于在相對(duì)低的接觸壓力下的典型裸電極 - 集電極接頭，ECR損失可以高達(dá)電池的總能量流入和流出的20％。然而，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚�，接頭壓力和應(yīng)用IECM（電潤(rùn)滑脂），由于ECR的損失將降低到小于7％。

2理論背景

現(xiàn)代工程中熱/電接觸熱電偶（T / ECR）的多學(xué)科研究是顯著的[15,16]。接觸被定義為裝置的載流構(gòu)件之間的界面。接觸的主要目的是允許熱/電流不間斷地通過(guò)接觸界面。在本文中，考慮到所考慮的問(wèn)題，僅研究了可分離的固定觸點(diǎn)，即螺栓和螺母類型的機(jī)械接頭。

盡管熱和電過(guò)程的性質(zhì)不同，但它們表現(xiàn)出類似的界面現(xiàn)象，特別是接觸熱電偶[17,18]。然而，本研究的重點(diǎn)是電接觸熱電偶。為了突出接觸熱電偶的重要性，我們考慮在施加的力F下接觸的兩個(gè)導(dǎo)電體，參見(jiàn)圖1。如圖1（a）所示。 。圖1（b）中，在接觸界面的放大部分中示意性地示出了表面不規(guī)則性。由于表面粗糙度和它們的不平坦性，兩個(gè)物體之間的接觸只發(fā)生在由兩個(gè)表面上的凹凸的機(jī)械接觸形成的離散點(diǎn)處[19]。因此，界面處的實(shí)際接觸面積Ar，散射接觸點(diǎn)的總和僅形成通常小于2％的表觀（或標(biāo)稱）接觸面積Aa的小百分比。

圖1
圖1.靜態(tài)電觸點(diǎn)的示意圖。
（a）具有不同電壓的接觸體的宏觀表示。
（b）接觸表面特性的微觀表示，
粗糙度和不平坦度。

遠(yuǎn)離界面，主體1和主體2中的電壓為V1和V2。電壓差導(dǎo)致從高電壓體到低電壓體的電流。在接口處，電流線捆在一起以通過(guò)離散的微接觸點(diǎn)，參見(jiàn)圖1。如圖2（a）所示。作為微接觸點(diǎn)的結(jié)果的電流收斂減小了用于電傳導(dǎo)的材料的體積，并且導(dǎo)致電接觸熱電偶（ECR）。它顯示在參考文獻(xiàn)中。 [20]，接觸點(diǎn)上的體電流的分離取決于接觸點(diǎn)的尺寸（面積）以及相對(duì)距離。 。在圖2（b）中示出了相應(yīng)的熱電偶網(wǎng)絡(luò)。接觸點(diǎn)處的接觸熱電偶Rc用作串聯(lián)的與體熱電偶Rbu對(duì)準(zhǔn)的并聯(lián)熱電偶。主體1和2中的體熱電偶由于它們的材料的熱電偶率而產(chǎn)生。

圖2
圖2.（a）電氣導(dǎo)電路徑示意圖
電流在粗糙表面的接觸界面。收縮和
電流線的擴(kuò)展上升到界面處的接觸熱電偶。 （b）
總熱電偶是體熱電偶和接觸熱電偶的組合。

在一般形式中，當(dāng)存在n個(gè)接觸點(diǎn)時(shí)，總熱電偶讀數(shù)

公式1

電接觸熱電偶分析包括三個(gè)主要部分：（i）表面拓?fù)�，（ii）接觸力學(xué)和（iii）電傳輸。組件（i）和（ii）耦合，因?yàn)榻佑|力學(xué)分析強(qiáng)烈依賴于表面拓?fù)浜褪┘拥牧�[19]。此外，在界面處產(chǎn)生顯著的熱的情況下，材料性質(zhì)改變，因此表面拓?fù)浜徒佑|機(jī)制改變。

可以通過(guò)幾種方法降低電接觸熱電偶，包括：

增加實(shí)際接觸面積通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：i）增加接觸壓力，或ii）減小接觸表面的粗糙度和外部不平坦度，
結(jié)合（例如，銅焊）接觸表面，
使用界面導(dǎo)電材料（IECM），也稱為電潤(rùn)滑脂或電接觸潤(rùn)滑劑，其可以符合配合表面的不完美表面特征。這些材料通常用于電力工業(yè)中以降低接頭中的接觸熱電偶。它們還可以包括一些材料以防止電連接器中的腐蝕沉積物，從而更容易維護(hù)。
由于成本限制，制造高度精加工的表面是不實(shí)用的。銅焊創(chuàng)建了一個(gè)永久的接頭，使維護(hù)困難。此外，由于車輛振動(dòng)，釬焊接頭容易松動(dòng)，并且最終易于疲勞失效。接頭的故障將顯著增加ECR和火花的機(jī)會(huì)，這最終導(dǎo)致不起作用的電池系統(tǒng)。此外，負(fù)載約束使得使用高接觸壓力不可行。因此，在中等接觸壓力下使用界面導(dǎo)電材料（IECM）似乎是HEV和EV應(yīng)用中的電池組件的合適選擇。

3.電池組件

EV和HEV中的電池組通常被劃分為電池模塊，并且每個(gè)模塊包含并聯(lián)和/或串聯(lián)連接的若干電池單元。聚合物鋰離子電池（EIG C020，韓國(guó)）在圖1中示出。圖3（a）。為了進(jìn)行電池連接，將黃銅（c2680組合物）支架連接到電池電極接頭，參見(jiàn)圖。 3（b）。集電極棒，如圖1所示。如圖3（c）所示，被設(shè)計(jì)成通過(guò)支架連接電池電極。使用水噴射切割機(jī)制造具有3.15mm厚度的銅制（來(lái)自銅110）集電棒（由Future Vehicle Technologies Inc.，Canada提供），而黃銅集電棒（購(gòu)自EIG，South Korea）的厚度為1.5mm 。厚銅集電條設(shè)計(jì)用于大電流連接，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S更多的電流，并導(dǎo)致更少的歐姆熱電偶和發(fā)熱。

圖3
圖3.（a）EIG C020鋰離子電池的裸電池
電極接頭。 （b）連接到電池電極的黃銅支架。 （C）
由銅和黃銅制成的不同厚度的集電棒
用于使用螺栓和螺母連接電極支架。

螺栓和螺母用于將電極支架上的集電棒組裝。為了方便起見(jiàn)，電極支架和集電棒將分別稱為電極和集電器。 。在圖4中，示出了電極和銅集電體之間的螺栓連接。在用于EV和HEV的電池組件中，存在幾百個(gè)這樣的接頭。

圖4
圖4：電極支架和銅集電棒之間的螺栓和螺母連接。

該電池使用Li [NiCoMn] O 2基陰極和基于石墨的陽(yáng)極。電池的額定電壓和容量為3.65V和20Ah = 72000℃，比能量為175Wh·kg-1。電池重量約425g，則電池的功率為約73W。由制造商報(bào)告的關(guān)于在不同放電速率下作為電池容量的函數(shù)的電池電勢(shì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在圖1中。 5。

圖5
圖5. 1C，3C和5C放電率下電池放電曲線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.實(shí)驗(yàn)研究

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究以測(cè)量電池組件處的ECR。為此，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)測(cè)試臺(tái)，并開(kāi)發(fā)了一個(gè)測(cè)試程序。研究了接觸參數(shù)對(duì)ECR的影響。測(cè)量電極和集電器的表面粗糙度。此外，使用壓敏膜定性地檢查表面不平坦度和螺栓 - 螺母接頭對(duì)接觸壓力分布的影響。以下小節(jié)提供了進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究的更多細(xì)節(jié)。

4.1表面粗糙度測(cè)量

表面粗糙度是工程表面的紋理的度量。粗糙度在確定當(dāng)接觸時(shí)表面如何相互作用起關(guān)鍵作用，參見(jiàn)。圖。 2。

使用觸針輪廓儀（Mitutoyo SJ-400，Japan）測(cè)量電極和集電體的表面輪廓。 。在圖6中示出了樣品二維表面輪廓。該圖表示銅集電器的真實(shí)表面輪廓;注意垂直和水平刻度的差異。測(cè)量長(zhǎng)度為5mm，z（x）表示實(shí)際表面與其平均平面的垂直偏差，即z（x）= 0。

圖6
圖6.樣品銅集電棒的表面輪廓測(cè)量。

用于表示表面的粗糙度的廣泛使用的參數(shù)是測(cè)量的輪廓高度偏差的算術(shù)平均值，由[19]

公式2

在實(shí)際測(cè)量中，利用1> i> N獲得xi和z（xi）的離散值，其中N是測(cè)量讀數(shù)的總數(shù)。從表面測(cè)量計(jì)算電極和集電器的Ra的值，其允許定量比較電池組件中的接觸表面的粗糙度。

我們使用八個(gè)收集器，四個(gè)銅和四個(gè)黃銅，以及一對(duì)電極來(lái)執(zhí)行表面測(cè)量。收集器的表面通過(guò)手動(dòng)拋光和研磨進(jìn)行處理。一對(duì)電極和集電器的表面測(cè)量在具有不同方向的幾個(gè)位置隨機(jī)進(jìn)行。在表1中列出了集電棒和電極支架的表面粗糙度的平均測(cè)量值（高斯分布）。在表面測(cè)量期間，注意到粗糙度不是完全各向同性的，并且在特定方向上具有略微不同的值。

表面測(cè)量顯示，黃銅收集器比銅收集器更粗糙，并且電極通常比收集器更光滑。

圖8
圖8（a）電極之間接觸處的壓力分布
支架和收集棒使用壓力敏感性定性顯示
電影。顏色強(qiáng)度與壓力的量直接相關(guān)。
（b）穿過(guò)中心線的壓力分布的示意圖
的螺栓接頭的接觸表面。最大壓力pmax
發(fā)生在孔附近。

4.3電氣接觸熱電偶（ECR）測(cè)量

圖9顯示了設(shè)計(jì)用于測(cè)量電池電極 - 集電極接頭處的ECR的電路。我們使用調(diào)諧為提供恒定電流I = 1.5A的直流電源（GW Instek，GPS-4303，臺(tái)灣）代替實(shí)際電池。用恒定電流供應(yīng)商更換實(shí)際電池與實(shí)際電池操作條件一致，如實(shí)驗(yàn)獲得的放電曲線所示，參見(jiàn)圖1。 5.當(dāng)前供應(yīng)商連接到電極（支架），如圖所示。電極之一通過(guò)已知的（分流）熱電偶Rsh =2.5Ω連接到地。使用集電器棒來(lái)橋接電極托架。由于通過(guò)集電器的電流，在電極支架之間建立并測(cè)量電壓降。該電壓差的小部分與電極和集電極中的體熱電偶有關(guān)，但是在它們的界面處的ECR是對(duì)該電壓降的主要貢獻(xiàn)。

圖9
圖9.設(shè)計(jì)用于測(cè)量的電路的示意圖
電極支架之間的電接觸熱電偶
電池（電池）組件中的集電棒。

通過(guò)在測(cè)力傳感器上施加力F或使用螺母和螺栓來(lái)維持電極和收集器之間的接觸。接觸面積隨著力F增大或螺栓擰緊而改善。

對(duì)應(yīng)于測(cè)量的電壓降的總熱電偶（其幾乎等于接觸熱電偶）讀取

公式3

其中，ΔVe是跨電極測(cè)量的電壓降，I是所提供的電流。為了確保提供的電流正確，測(cè)量分流熱電偶兩端的電壓ΔVsh，然后將電流評(píng)估為I =ΔVsh/ Rsh。

實(shí)際的測(cè)試裝置如圖1所示。在測(cè)量中，在使用負(fù)載傳感器測(cè)量的施加力下，在電極上對(duì)準(zhǔn)集電器[圖。 9]，或螺栓連接到電極。試驗(yàn)臺(tái)側(cè)面的厚支撐托架用于強(qiáng)化結(jié)構(gòu)并防止在較高負(fù)載下彎曲。

圖10
圖10.用于電接觸熱電偶測(cè)量的測(cè)試臺(tái)。
連接端子位于背面。

4.4功率損耗評(píng)估

測(cè)量的電接觸熱電偶Rc和從電池Ib汲取的電流與界面處的歐姆損耗相關(guān)聯(lián)

方程4

這種電能損失表現(xiàn)為在電極 - 集電極界面處產(chǎn)生的熱�；�于式（4），較大的電池電流導(dǎo)致較高的發(fā)熱率。因此，在大的放電/充電速率下，電極處的熱分析是重要的。

5.結(jié)果與討論

對(duì)于銅和黃銅收集器測(cè)量不同壓力下的接觸熱電偶，并且評(píng)估相應(yīng)的歐姆損耗。測(cè)量在兩個(gè)條件下進(jìn)行，i）裸露或“干燥”接觸;和ii）“濕”接觸，即在界面處施加界面導(dǎo)電材料（IECM）。 Koper-shield接合劑（Thomas＆Betts，USA）用作IECM，其是純的，拋光的膠體銅的均勻混合物，以改善電接頭處的導(dǎo)電性。它還包括潤(rùn)滑接頭并防止生銹和腐蝕的組件。

5.1不確定性分析

由公式（3），ΔVe和I是我們的實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的電參數(shù)。此外，接觸載荷F和表觀接觸表面Aa是被測(cè)量以限定接觸壓力的相關(guān)量。

根據(jù)所使用儀器的精度評(píng)估我們的ECR測(cè)量的總精度。電壓和電流讀數(shù)的精度分別為0.5％和2.5％（Extech 430萬(wàn)用表）。稱重傳感器的精度為2.5％（傳感器技術(shù)LB0-500）。上述精度值是相對(duì)于儀器讀數(shù)給出的，而不是讀數(shù)的最大值。與接觸面積的測(cè)量相關(guān)的誤差非常小，因此它不包括在分析中。

由于ECR作為ΔVe，I和F的顯式函數(shù)不可用，ECR測(cè)量的最大不確定性可以近似于[21]

方程5

其對(duì)于所呈現(xiàn)的研究估計(jì)為±3.6％。關(guān)于等式（4），功率損耗測(cè)量的不確定性

公式6

導(dǎo)致±6.2％。與測(cè)量參數(shù)相關(guān)的不確定性列于表2。

表2

5.2接觸熱電偶結(jié)果

圖1中的頂部曲線。 （11）示出了總標(biāo)稱接觸面積為364mm 2（在兩個(gè)電極上）的銅集電器的ECR測(cè)量。底部圖是用于黃銅收集器的總公稱接觸面積為354平方毫米。通過(guò)在稱重傳感器上的力施加接觸壓力（以均勻壓力接觸）。施加的壓力從0變化到約0.3MPa。由于每個(gè)收集器在表面特性方面的唯一性，使用不同收集器的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生具有略微不同的量值的結(jié)果。所呈現(xiàn)的結(jié)果對(duì)應(yīng)于所選擇的收集器和電極。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中使用的集電極和電極的表面粗糙度見(jiàn)表1。為了確保測(cè)量的一致性，進(jìn)行了幾個(gè)測(cè)試，并且將值平均。