技术：宝马i3模组端板及固定形式解析

电池模组是电池到电池包之间的结构桥梁。一套电池包，少则几个，多则由几十个模组构成。模组成本的微小变化可以通过数量进行放大，从而较大程度的影响到电池包的成本。同时，由于模组数量较多，我们对模组的可靠性也有更高的要求。解析一款模组，去了解设计工程师的意图不是很容易的事。所以，我们今天只分析模组的端板，及模组的固定形式。我们都知道，宝马I3的模组采用方壳电芯，是宝马自主开发的模组。其中，模组的端板采用铝合金型材，并加工出各种特征，从而与侧面板配合，并提供模组的固定方式。这里插播一下，谈到宝马，容易让人们想到同在德国的大众。大众MQB平台模组则只规定模组的外形尺寸，有方壳电芯，也有软包电芯。国内的很多整车厂，已慢慢采用后者尺寸进行电池包的设计，这种尺寸大有成为标准尺寸之一。然而，笔者认为，通用化的模组有其好处，也有其天然缺陷，限制了系统设计的灵活性，不利于工程师们系统上对电池包的降成本设计。我们看到，宝马I3的端板有一个特点，就是高。为什么端板不可以做的矮一点呢？做矮一点不会更便宜吗？直接用一个钣金零件岂不是更便宜？分析1:高的模组端板提供更多的粘接面积也许很多人都看过I3模组的生产视频，I3模组的电芯间与及电芯和端板间采用涂胶的形式，端板固定在电池包壳体上。通过较高的端板高度，提高更多的胶粘面积，从而保证端板和电芯间要有足够的粘接力去承受电芯在不同工况受到的冲击、振动载荷。分析2:高的模组端板提供了模组间相互抱紧的方式，改善pack的刚度我们看一看宝马I3的pack图片。在并排的两个模组之间，有一个白色的压板，通过螺栓固定的形式使两个模组端板的顶部绑在一起。pack振动时，模组通过压条相互拉扯，限制了每一个模组的振动，大大改善了pack的振型。对于乘用车，电池包的高度影响离地间隙，要求严格。其底部的模组固定梁高度有限，通过顶部的压板，可以较大幅度提高其主共振频率，消除部分振型，提高pack的强度，这种情况尤其试用于钣金壳体，模组端板越高，效果越明显。有兴趣的话不妨做做仿真进行对比。大众MQB模组的端板也有类似特点。需要提的是，以Tesla为代表的一些铝合金pack壳体，由于壳体上有较高的型材筋，采用模组压板的设计，则效果不要会太明显。端板的设计是灵活的，最终要匹配pack的设计。分析3:通过端板与侧面板的焊接，提供较大的焊接强度，保证电芯膨胀时模组不散架我们都知道，方壳电芯具有膨胀的问题，其膨胀力可能会很大(具体要看电芯的材料体系，结构与模组框架等)。焊缝长度越长，则焊接更加老靠，更容易避免电芯膨胀引起的模组结构破坏。我们再谈一谈模组的固定方式，刚看到I3的模组图片，为什么其端板两边要长出脚，岂不是很浪费pack的空间，而且还要大量的机加工？这里面与铝合金型材的挤压方向有关，也与pack布置有关。抛开这一点，宝马的工程师是否还有别的想法？我们对比一下，I3与大众MQB平台模组在pack上的固定方式其实是不同的。1.大众MQB平台模组，采用长螺栓固定在电池包壳体的方式，其螺栓的安装位置位于模组的两个侧面板内侧，安装螺栓的孔距小于模组的宽度。2.宝马I3采用的则是短螺栓的固定方式，安装位置位于模组侧面板外侧，其固定孔距大于模组侧面板间距。这里我们引出两点思考，可以直观的猜想:1.由于I3模组的固定位置位于侧面板外侧，由于电芯中间最易膨胀。当电芯膨胀时，膨胀力率先由侧面板与端板间的焊缝承受，作用在模组上的固定螺栓是否承受很少的膨胀力？2.大众MQB平台模组的固定螺栓位于侧面板内测，电芯的膨胀是否会率先破坏模组安装螺栓与端板的连接界面，从而使螺栓失效的风险更高。另外一点数据：我们知道，M6螺栓的预紧力大概在10000N+，其能够提供的界面摩擦力差不多3000N，端板的焊缝破坏拉力动则10000+，电芯膨胀力也差不多10000+。也就是说，焊缝相对于螺栓，具有更强的抵抗膨胀力破坏。深入一点分析，从材料力学上看，模组安装螺栓、端板侧板间的焊接结构与及电芯的膨胀力载荷三者构成了一个力学的静不定问题。那么，电芯膨胀时，螺栓、焊缝受到的载荷需要根据其在电芯膨胀工况下的刚度模型进行匹配分解。那么问题来了，膨胀时，螺栓界面的变形如何分析？螺栓连接以何种的刚度形式存在？结合振动工况，这里面的仿真、实验怎么做。宝马的工程师是否考虑这种风险而有意把模组安装孔放在模组外侧？