本合集旨在深入剖析PACK设计相关技术，从基础理论到典型案例，提供干货满满、实用的独家电池包设计秘籍。

传统电池包的模组一般包含"电芯-模组-电池包"的三级结构，逐步向"无模组化"方向发展，未来进一步向CTC、CTB方案进化。本文主要介绍传统方案的模组结构设计。

动力电池模组是连接电芯与电池包的"承上启下"环节，处于电池系统三级结构的中间层级：

下层：直接对接电芯，负责电芯的串并联组合、固定与保护

上层：通过标准化接口与电池包连接，支持整包的热管理、电气连接和机械固定

模组的设计直接影响着整包的能量密度、热管理效率和安全性能。例如，宁德时代麒麟电池采用第三代CTP技术，通过模组结构创新将体积利用率从传统设计的40%提升至72%，能量密度达到255Wh/kg，这直接源于其模组设计的突破。

动力电池模组的核心功能：能量存储与传输、机械固定与支撑、热管理支持、安全防护与隔离、电气连接与管理

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需求边界

模组边界尺寸需求来源：电芯，电箱，标准规范

1、电芯：模组的基本单元

电芯直接影响模组边界尺寸的以下几个方面：机械接口、电气接口和外轮廓的尺寸和形式。

2、箱体：或者说来源于整车，电箱的尺寸边界直接由整车决定

商用车模组大多比较“高大”；

乘用车模组比较矮小，Z向高度尺寸一般都在150mm以下；

油车改电车：后备箱凸起区域（Z向300mm+）常需双层模组或旋转固定，避免增加模组种类。

3、标准规范：模组尺寸标准化是降本增效的关键

降低生产成本（减少模具种类）；

便利售后维修（替换模组即插即用）；

支持电池梯次利用（回收后用于储能，延长寿命）。

确定模组需求边界后进行的详细设计

其中，机械部分实际表现出来的是：模组的固定和连接；连接可靠性在模组层级主要是关注模组电连接设计；温用、电气、其他主要体现在安全设计中；能量密度贯穿整个设计当中；热管理在模组层级，主要体现的是传热路径的建立以及保温设计。

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模组的固定与连接

模组的核心任务是将电芯“固定成整体”，同时保证电力畅通。固定方式包括：焊接、粘结、螺栓紧固、捆扎。

无论是圆柱、软包还是方形电芯模组，本质是都是使用一些结构件，将多个电芯通过串并联组合成模组。

作用：

1、固定电芯：固定和连接电芯自身，使之成为一个整体，并且具备足够的结构强度和刚度；

2、固定模组：预留模组对外的连接、固定方式和位置

固定和连接，从使用功能上可简单分为：

机械固定和连接：主要发挥的是机械承载的作用，在设计时主要考虑机械固定和连接的强度、刚度；

电气固定和连接：不单需要考虑固定和连接的强度，还需要考虑过电流能力、是否有电化学腐蚀现象等。

（1）圆柱电芯模组1）圆柱电芯模组相比软包电芯和方壳电芯固定难度更大，因为还要防止电芯自身转动

一般使用带有圆柱形凹槽的电芯固定架，为防止圆柱电芯转动，一般会使用胶水粘接电芯。

2）圆柱电芯模组电芯的连接技术比较成熟，主要有传统的电阻焊接和新工艺的铝丝超声焊接

3）对外的连接和固定方式及位置，主要有两类：

内固定式：在电芯固定架上直接设计对外连接固定的孔位

可减少零件数量和成本，固定孔位置会承受较大的载荷

传导式外固定：使用框架或者夹板，通过固定电芯固定架来固定圆柱电芯

载荷分散，电芯固定架局部受力较小，但框架或者夹板承受载荷较大

（2）方形电芯模组

结构分解：内部卷绕、叠片后的结构、外部金属或者塑胶防护结构、安全设置结构

1）固定：大都使用外围框架式固定（指多个方形电芯使用胶水或者带黏接性能的材料，通过压力先固定起来或者通过胶水、带黏接性能的材料固定到外框架上去）

外框架一般只固定X、Y、Z两个方向的自由度，剩下一个方向由电芯自身的传导或者胶粘方式固定

固定方式：无间隙成组、有间隙成组（根据安全性选择）

2）连接：螺栓连接、焊接

螺栓连接：容易实现，但接触阻抗较大、一致性较差、容易有电化学腐蚀

焊接：激光焊接或者超声波焊接，接触阻抗小、易批量生产、、不会产生电化学腐蚀

（3）软包电芯模组

1）固定：一般会增加一个保护外壳来弥补软包电芯自身较弱的结构强度。

另一种固定方式：把软包电芯装在王一个只有一面开口的盒子当中，然后再填充一些有黏接性能的填充物，以达到保护和固定电芯的左右。（与铅酸电池成组方式类似）

2）连接方式：螺栓连接和焊接

螺栓连接：容易压溃极耳（极耳较薄）或者接触不良，连接一致性差，容易发生电化学腐蚀

焊接：激光焊接或者超声波焊接

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模组的膨胀力缓冲设计

电芯在充放电过程中会产生膨胀力，同时电池包又需承受整车振动和冲击，如何平衡这两者是关键。

电芯膨胀力的缓冲材料多采用泡棉类材料（硅泡棉、CR、PU、MPP、EVA等），其"软而韧"的特性，既能吸收膨胀产生的机械能，又能通过形变释放内部压力。

（1）缓冲材料的力学性能

泡棉的弹性模量需与电芯的膨胀力相匹配。目前的一些数据显示，电芯的膨胀力大小从几KN到20+KN都有，因此需要泡棉具有较高的弹性模量，避免被压溃失效。

对于电芯间的缓冲材料的压缩曲线，我们希望其具备一些特性：

低初始刚度（弹性模量0.1-0.5MPa）：平缓压力上升，避免电芯瞬时过载；

宽平台区（30%-70%应变）：稳定吸收膨胀力，适应非均匀形变；

高回弹率（＞90%）：卸载后快速复原，压缩永久变形率＜5%，保障长期缓冲效能。

（２）缓冲材料的结构设计

缓冲材料一般需要通过背胶粘贴在电芯大面，分为单面背胶和双面背胶两种。双面背胶可以实现更高的模组结构刚度，即电芯之间的夹紧力更大，适用于模组长度较大的场合。

目前，泡棉材料的主流结构有3种：回型框、两条竖框、大面

实际上，通过原位压力映射、CT扫描、有限元仿真等方法，可以发现电芯产生的膨胀力往往不是均匀分布的。

1）电芯中间区域区域的膨胀力一般大于边缘的膨胀力，因此某些电池包模组为了均匀分散膨胀力，采用“回型框”形状的缓冲材料（即泡棉材料中间开孔）。

2）一些更激进的方案可能会采用“两条竖框”形式的泡棉，即只在电芯的大面的两侧贴两个竖条形的泡棉。

不过这种方案存在一定的潜在风险，激光焊接过程可能残留焊渣（存在一定概率），飞溅落入电芯之间（该方案电芯上边缘没有遮挡）。

3）此外，在一些膨胀力较小的场景下，也可能直接采用整块泡棉粘贴于电芯大面作为缓冲材料。

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       原文标题 : PACK产品开发与设计(17)：模组结构设计（固定与连接、膨胀力缓冲设计）