低电流接触电阻机理研究：汽车电动化中多触点接触电阻的实验验证

电接触是电子与汽车系统中不可或缺的组件。随着汽车行业向电动化转型，传感器与数据采集所需的电连接器数量大幅增加。接触故障可能导致设备损坏甚至危及生命安全，而高接触电阻是引发故障的主要因素之一。为精确量化接触电阻特性，本研究结合数值模拟与解析方法，并依托Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪的实验验证能力，对多触点系统的电阻分布规律展开分析。

解析模型与数值模型构建

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本文研究两个金属导体（圆盘形式）之间的电接触电阻计算问题，结合基于 COMSOL Multiphysics的有限元法（FEM）数值模型与解析模型（Holm方程和Greenwood 方程）。模型由两个铜盘通过多个规则圆形接触点（a-spots）连接构成，接触点的电阻率（ρcs）高于铜盘（ρCu），以模拟接触老化现象。

• Holm模型

Holm接触电阻模型

 

假设两个无限大圆柱体通过单一圆形接触点连接，忽略界面氧化膜的影响，接触电阻公式为：其中，ρ₁和ρ₂为导体电阻率，a为接触点半径。

• Greenwood模型

Greenwood接触电阻模型：多接触点示意图

 

考虑多接触点间的相互作用，假设两导体材料相同（ρ₁=ρ₂=ρ），公式为：

其中，sij为接触点间距，ai和aj为接触点半径。

• 数值模型

(a) 铜盘接触结构 (b) 流经多接触点的电流线收缩效应

 

几何与材料参数：

• 铜盘：半径5mm，厚度1mm,ρCu=1.72×10−8Ω⋅m
• 接触点：28个圆形a-spots，半径0.1mm 至0.5mm
• 绝缘层：聚乙烯（PE），厚度30μm

计算域离散化示意图

 

有限元分析：使用COMSOL Multiphysics求解稳态电动力学问题，边界条件包括电流连续性和绝缘边界。网格划分包含2,938,081个单元。

电流收缩与电压分布

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接触点半径0.1 mm时的电压分布计算结果

 

二维/三维视图显示电流在接触点处发生收缩效应，仅通过28个圆形接触点导电，周围绝缘层限制电流泄漏。接触点中心电压最高，边缘逐渐降低，验证接触点作为电流收缩与电阻集中核心区域的物理机制。

接触点半径对接触电阻的影响

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(a)不同接触点半径下的电压降特性；(b)接触电阻对比分析

 

分析显示电压降随半径增大呈指数衰减（0.1mm到0.5mm时降幅96%），理想工况（接触点电阻率与铜一致ρCu=ρCs=1.72×10-8 Ω·m）的电阻对比，发现：

• 数值模拟电阻最低：多触点并行导电优化电流分布，而Holm/Greenwood模型因单点等效假设或忽略三维效应导致结果偏高。
• 核心规律验证：接触面积越大，电阻越小；多触点设计（如 28 个小点）比单点更优。

接触点电阻率对接触电阻的影响

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接触电阻对比分析（铜基体与接触点异质电阻率工况）接触电阻分析（极端电阻率工况）

 

模拟接触点因氧化/污染导致电阻率升高的老化工况（如ρcs较铜高1010倍）：

• 电阻随ρcs升高呈指数级增长（对数坐标下呈线性关系）。以 ρcs=1.72×102Ω⋅m 为例，0.1mm半径接触点电阻达 5.25×104Ω，较理想工况增大超108倍。
• 增大接触点半径仍可显著降低电阻（如 0.1mm→0.5mm，电阻降低233倍），证明保持接触点清洁（降低ρcs）和增大接触面积是抗老化的关键。

 

混合电阻率工况模拟

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混合电阻率接触点的电阻分布

 

当28个接触点中部分电阻率不同（覆盖 1.72×10−8Ω⋅m 至 1.72×102Ω⋅m）时：

• 整体电阻分布于2.58×10−6Ω（最优）至 0.6Ω（最差）。
• 局部高阻主导现象：少数高阻接触点显著影响整体性能，与实际连接器中“单点失效导致系统故障”一致，强调接触界面均匀性与污染物控制的重要性。

数值模拟优势：所有工况下，COMSOL结果比Holm和Greenwood模型低至少一个量级，因其考虑实际接触界面离散分布、绝缘层限制及三维电流收缩效应。Greenwood模型vs. Holm模型：Greenwood模型因额外考虑接触点间互阻，其电阻值高于Holm模型；但当接触点密集时，两者差异缩小。

Xfilm埃利TLM电阻测试仪

/Xfilm

 

 

Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪用于测量材料表面接触电阻或电阻率的专用设备，广泛应用于电子元器件、导电材料、半导体、金属镀层、光伏电池等领域。■ 静态测试重复性≤1%，动态测试重复性≤3%■ 线电阻测量精度可达5%或0.1Ω/cm■ 接触电阻率测试与线电阻测试随意切换■ 定制多种探测头进行测量和分析通过Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪对接触点电阻率进行标定并结合解析方法和数值模拟研究了低电流多触点接触电阻计算问题。未来工作将集中在电热耦合模型的研究上，以更好地理解热效应对接触电阻的影响。

原文出处：《Computation of the Electrical Resistance of a Low Current Multi-Spot Contact》

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