动力电池模组系统安全设计（四）模组电芯间隙设计

前面两章分别阐述了电芯膨胀力与预紧力的测试方法，在动力电池模组设计中，电芯全生命周期的初始阶段的BOL 预紧力和结束阶段的EOL 阶段的膨胀力之间的平衡，是决定模组安全可靠性与使用寿命的关键。

通常，模组设计会预留电芯间隙并填充缓冲材料，以此抵御膨胀力带来的影响。当电芯集成至模组后，需通过 “电芯间隙计算 – 缓冲材料适配 – 力值校核” 的流程，实现三者的动态匹配。

下面结合赣锋动力的专利CN202411893165 《一种电池模组的设计方法》，介绍模组的电芯间隙、预紧力及膨胀力的校核方法。

一、电芯间隙计算

电芯间隙是平衡膨胀力与预紧力的基础，根据模组电芯、端板、泡棉参数计算。

式中，N_a为模组数量，N_b为端板数量，N_c为电芯数量，N_x为缓冲材料数量。

实例计算

N_a=1，L_a=667mm，T_a=±1.5mm；N_b=2，L_b=14mm，T_b=±0.2mm；N_c=20，L_c=50mm，T_c=±0.3mm；N_x按模组结构匹配。

代入公式计算得： 

模组间隙X=3±1.35mm，即间隙范围为 1.65mm-4.35mm

二、缓冲材料适配预紧力

缓冲材料一般采用泡棉、MPP 和气凝胶等，是传递预紧力、吸收膨胀力的关键介质，有了电芯间隙范围，就可以计算缓冲材料的压缩率区间，使用压缩率与应力匹配关系，再反推预紧力范围并校核调整，确保 BOL 阶段预紧力复合要求。

（一）压缩率区间计算

缓冲材料压缩率反映其初始受压程度，需结合自身厚度公差与模组间隙公差计算：

压缩率上限E₂：

E₂= (L_d + T_d – L_x + T_x)/（L_d + T_d）

压缩率下限E₁：

E₁=  (L_d – T_d – L_x – T_x)/（L_d – T_d）

式中，L_d为缓冲材料理论厚度，T_d为缓冲材料厚度公差，L_x为模组理论间隙，T_x为模组间隙公差。

（二）压缩率应力区间匹配

一般可以问供应商要泡棉或者其他缓冲材料的压缩率应力曲线，根据压缩率区间[E1,E2]，就能匹配得到对应的应力区间 [F1,F2]。

（三）实例计算

以泡棉为例，设定参数：

Ld=4mm，Td=±0.4mm；Lx=3mm（模组理论间隙），Tx=1.35mm（模组间隙公差）。

压缩率上限E₂=(4+0.4 – 3+1.35)/(4+0.4)=30%；

压缩率下限E₁=(4-0.4 – 3-1.35)/(4-0.4)=20%；

使用泡棉压缩率应力曲线，压缩率区间 [20%,30%] 对应压缩反弹应力区间为 [0.03MPa,0.9MPa]。

（四）预紧力计算与校核调整

预紧力是模组初始装配时对电芯的约束力，计算公式为G=F×S，其中F为压缩反弹应力，S为缓冲材料与电芯接触面积。

由此可得预紧力区间[G1,G2]：

预紧力下限G₁=F₁×S；

预紧力上限G₂=F₂×S。

校核与调整规则

校核标准：若目标预紧力区间[H₁,H₂]满足H₁     <G< span>₁且H₂>G₂，则预紧力达标；      </G<>

调整规则：优先调整物料参数（先理论值、再公差值、最后接触面积），物料参数调整无效时，再调整模组装配体尺寸，调整后重复上面计算核对直至达标。

实例计算

实例中设定：

缓冲材料与电芯接触面积S=40000mm²=0.04m²，目标预紧力区间[H₁,H₂]=[1000N,5000N]。

预紧力下限G₁=0.03×10^6Pa×0.04m²=1200N；

预紧力上限G₂=0.9×10^6Pa×0.04m²=3600N；

预紧力区间 [1200N,3600N] 落在目标区间内，预紧力设计达标。

若目标预紧力区间改为 [2000N,5000N]，原预紧力不达标：

调整缓冲材料理论厚度L_d=4.5mm，重新计算得压缩率区间 [29%,37%]，对应压缩反弹应力区间 [0.08MPa,0.12MPa]；

新预紧力G₁=0.08×10^6×0.04=3200N，G2=0.12×10^6×0.04=4800N，落在目标区间，调整后达标。

三、缓冲材料适配膨胀力

进入 EOL 阶段，电芯膨胀量达到峰值，需通过计算缓冲材料压缩增加率、EOL 压缩率上限及对应应力，校核模组膨胀力是否在结构承载范围内，避免结构件变形或失效。

（一）计算缓冲材料压缩增加率 P

压缩增加率P反映电芯膨胀对缓冲材料压缩量的额外贡献，

计算公式为：P=(L_c×K)/ L_d 

式中，L_c为电芯理论厚度，K为电芯膨胀率，L_d为缓冲材料理论厚度。

实例计算

实例中设定：L_c=50mm，K=1%（电芯膨胀率），L_d=4mm。

电芯膨胀尺寸M=L_c×K=50×1%=0.5mm；

压缩增加率P= 0.5/4 = 12.5%，即电芯膨胀会使缓冲材料压缩率额外增加 12.5%。

（二）计算 EOL 压缩率上限并匹配对应压缩反弹应力

1. EOL 压缩率上限计算

EOL（寿命终点）压缩率上限Q是缓冲材料在电芯全生命周期膨胀后的最大压缩率，计算公式为：Q=P+E₂

式中，P为压缩增加率，E2为缓冲材料初始压缩率上限。

2. 压缩反弹应力匹配

根据 EOL 压缩率上限Q，调用缓冲材料压缩率应力曲线，即可找到对应的压缩反弹应力R，为后续膨胀力计算提供依据。

3. 实例计算

实例中已知：P=12.5%，E₂=30%。

EOL 压缩率上限Q=12.5%+30%=42.5%；

调用泡棉压缩反弹应力曲线，42.5% 压缩率对应的 CFD 压缩反弹应力R=0.5MPa。

（三）计算膨胀力并校核调整

1. 膨胀力计算

膨胀力是电芯寿命终点时因膨胀产生的作用力，计算公式为：U=R×S 式中，R为 EOL 压缩率对应的泡棉压缩反弹应力，S为缓冲材料与电芯接触面积。

2. 校核与调整规则

校核标准：若膨胀力U小于电芯膨胀力上限J，则设计达标；

调整规则：优先调整物料参数（端板、电芯、缓冲材料的理论值、公差值及接触面积），物料参数调整无效时，调整模组装配体尺寸，调整后重复计算，并重新核验预紧力，确保双指标达标。

3. 实例计算

实例中设定：S=0.04m²，电芯膨胀力上限J=40000N。

膨胀力U=0.5×10^6Pa×0.04m²=20000N；

20000N<40000N，膨胀力设计达标，且重新核验预紧力仍满足要求，整体设计通过验证。