電接觸是電子與汽車系統(tǒng)中不可或缺的組件。隨著汽車行業(yè)向電動化轉(zhuǎn)型，傳感器與數(shù)據(jù)采集所需的電連接器數(shù)量大幅增加。接觸故障可能導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至危及生命安全，而高接觸電阻是引發(fā)故障的主要因素之一。為精確量化接觸電阻特性，本研究結(jié)合數(shù)值模擬與解析方法，并依托Xfilm埃利TLM接觸電阻測試儀的實驗驗證能力，對多觸點系統(tǒng)的電阻分布規(guī)律展開分析。

解析模型與數(shù)值模型構(gòu)建

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本文研究兩個金屬導(dǎo)體（圓盤形式）之間的電接觸電阻計算問題，結(jié)合基于 COMSOL Multiphysics的有限元法（FEM）數(shù)值模型與解析模型（Holm方程和Greenwood 方程）。模型由兩個銅盤通過多個規(guī)則圓形接觸點（a-spots）連接構(gòu)成，接觸點的電阻率（ρcs）高于銅盤（ρCu），以模擬接觸老化現(xiàn)象。

• Holm模型

Holm接觸電阻模型

假設(shè)兩個無限大圓柱體通過單一圓形接觸點連接，忽略界面氧化膜的影響，接觸電阻公式為：其中，ρ?和ρ?為導(dǎo)體電阻率，a為接觸點半徑。

• Greenwood模型

Greenwood接觸電阻模型：多接觸點示意圖

考慮多接觸點間的相互作用，假設(shè)兩導(dǎo)體材料相同（ρ?=ρ?=ρ），公式為：

其中，sij為接觸點間距，ai和aj為接觸點半徑。

• 數(shù)值模型

(a) 銅盤接觸結(jié)構(gòu) (b) 流經(jīng)多接觸點的電流線收縮效應(yīng)

幾何與材料參數(shù)：

• 銅盤：半徑5mm，厚度1mm,ρCu=1.72×10?8Ω?m
• 接觸點：28個圓形a-spots，半徑0.1mm 至0.5mm
• 絕緣層：聚乙烯（PE），厚度30μm

計算域離散化示意圖

有限元分析：使用COMSOL Multiphysics求解穩(wěn)態(tài)電動力學(xué)問題，邊界條件包括電流連續(xù)性和絕緣邊界。網(wǎng)格劃分包含2,938,081個單元。

電流收縮與電壓分布

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接觸點半徑0.1 mm時的電壓分布計算結(jié)果

二維/三維視圖顯示電流在接觸點處發(fā)生收縮效應(yīng)，僅通過28個圓形接觸點導(dǎo)電，周圍絕緣層限制電流泄漏。接觸點中心電壓最高，邊緣逐漸降低，驗證接觸點作為電流收縮與電阻集中核心區(qū)域的物理機制。

接觸點半徑對接觸電阻的影響

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(a)不同接觸點半徑下的電壓降特性；(b)接觸電阻對比分析

分析顯示電壓降隨半徑增大呈指數(shù)衰減（0.1mm到0.5mm時降幅96%），理想工況（接觸點電阻率與銅一致ρCu=ρCs=1.72×10-8Ω·m）的電阻對比，發(fā)現(xiàn)：

• 數(shù)值模擬電阻最低：多觸點并行導(dǎo)電優(yōu)化電流分布，而Holm/Greenwood模型因單點等效假設(shè)或忽略三維效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)果偏高。
• 核心規(guī)律驗證：接觸面積越大，電阻越小；多觸點設(shè)計（如 28 個小點）比單點更優(yōu)。

接觸點電阻率對接觸電阻的影響

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接觸電阻對比分析（銅基體與接觸點異質(zhì)電阻率工況）接觸電阻分析（極端電阻率工況）

模擬接觸點因氧化/污染導(dǎo)致電阻率升高的老化工況（如ρcs較銅高1010倍）：

• 電阻隨ρcs升高呈指數(shù)級增長（對數(shù)坐標下呈線性關(guān)系）。以 ρcs=1.72×102Ω?m 為例，0.1mm半徑接觸點電阻達 5.25×104Ω，較理想工況增大超108倍。
• 增大接觸點半徑仍可顯著降低電阻（如 0.1mm→0.5mm，電阻降低233倍），證明保持接觸點清潔（降低ρcs）和增大接觸面積是抗老化的關(guān)鍵。

混合電阻率工況模擬

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混合電阻率接觸點的電阻分布

當28個接觸點中部分電阻率不同（覆蓋 1.72×10?8Ω?m 至 1.72×102Ω?m）時：

• 整體電阻分布于2.58×10?6Ω（最優(yōu)）至 0.6Ω（最差）。
• 局部高阻主導(dǎo)現(xiàn)象：少數(shù)高阻接觸點顯著影響整體性能，與實際連接器中“單點失效導(dǎo)致系統(tǒng)故障”一致，強調(diào)接觸界面均勻性與污染物控制的重要性。

數(shù)值模擬優(yōu)勢：所有工況下，COMSOL結(jié)果比Holm和Greenwood模型低至少一個量級，因其考慮實際接觸界面離散分布、絕緣層限制及三維電流收縮效應(yīng)。Greenwood模型vs. Holm模型：Greenwood模型因額外考慮接觸點間互阻，其電阻值高于Holm模型；但當接觸點密集時，兩者差異縮小。

Xfilm埃利TLM電阻測試儀

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Xfilm埃利TLM接觸電阻測試儀用于測量材料表面接觸電阻或電阻率的專用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電子元器件、導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體、金屬鍍層、光伏電池等領(lǐng)域。■靜態(tài)測試重復(fù)性≤1%，動態(tài)測試重復(fù)性≤3%■ 線電阻測量精度可達5%或0.1Ω/cm■ 接觸電阻率測試與線電阻測試隨意切換■ 定制多種探測頭進行測量和分析通過Xfilm埃利TLM接觸電阻測試儀對接觸點電阻率進行標定并結(jié)合解析方法和數(shù)值模擬研究了低電流多觸點接觸電阻計算問題。未來工作將集中在電熱耦合模型的研究上，以更好地理解熱效應(yīng)對接觸電阻的影響。

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

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