新能源汽车动力电池碰撞安全及高效优化仿真浅析
导读：汽车设计仿真应用广泛，贯穿整车及零部件研发全程，在空气动力学优化、碰撞安全模拟、底盘操控性能分析、热管理与 NVH 性能提升等场景发挥关键作用。它不仅能大幅缩短研发周期、降低开发成本，还能基于数据优化设计提升产品性能，支持创新设计并确保产品符合法规要求，是现代汽车工业提升竞争力的核心利器。
而超单元技术在汽车行业中，通过将汽车复杂结构拆解为可独立计算分析的超单元模块，极大提升了整车级仿真计算效率，使大规模仿真时间大幅缩短，加速设计迭代进程。它还能精准模拟各部件间的动态耦合效应，助力工程师优化汽车的 NVH 性能、结构强度与轻量化设计，在保证汽车安全性与可靠性的同时降低研发成本。
5月21日20时，笔者受邀在仿真秀做《超单元技术应用——汽车动力电池集成技术及整车侧柱碰仿真》公开课，详情见后文，以下是正文。
一、动力电池碰撞安全的严峻挑战
在新能源汽车产业蓬勃发展的今天，电动汽车凭借环保、高效等优势逐渐成为市场主流。然而，随之而来的安全问题也备受关注，其中，动力电池的碰撞安全性更是重中之重。一次严重的碰撞事故若引发动力电池起火、爆炸，后果不堪设想。因此，如何提升电动汽车动力电池的碰撞安全性，成为行业亟待解决的关键问题，而建模仿真技术则为这一难题提供了有效的解决方案。
电动汽车的动力电池系统结构复杂，由多个电芯、模组、电池管理系统以及冷却系统等组成。在碰撞过程中，动力电池不仅要承受巨大的冲击力，还可能面临电芯变形、短路、热失控等风险。据统计，在电动汽车的火灾事故中，因碰撞引发的占比相当高，这凸显了提升动力电池碰撞安全性的紧迫性。例如，侧面碰撞时，车身结构变形可能直接挤压电池包，导致电芯破损，内部正负极直接接触，引发短路，进而产生大量热量，最终导致热失控。而正面碰撞时，虽然电池包通常有一定的缓冲空间，但强烈的冲击仍可能破坏电池包的固定结构，使电池包移位，造成线路断裂或模组损坏。
二、动力电池碰撞建模仿真优化
建模仿真技术通过构建虚拟的动力电池模型，模拟不同碰撞工况下的响应，能够在产品设计阶段提前发现潜在的安全隐患，优化设计方案，大幅降低研发成本和时间。
1、动力电池碰撞模型的构建
动力电池碰撞模型的构建需要考虑多个因素。首先是几何建模，要精确还原电池包、电芯、模组等部件的形状和尺寸；其次是材料特性的定义，不同材料在碰撞过程中的力学行为差异很大，如电池外壳的金属材料需要准确设定其弹性模量、屈服强度等参数，电芯的电极材料和隔膜材料则要考虑其变形特性和电性能变化；最后是连接关系的模拟，包括电芯与电芯之间、模组与模组之间的连接方式，如焊接、螺栓连接等，这些连接关系在碰撞时的可靠性直接影响电池系统的安全性。
汽车动力电池系统级CAE模型简化方法和技巧
2、碰撞工况的模拟
常见的碰撞工况模拟包括正面碰撞、侧面碰撞、柱碰、翻滚等。例如电动汽车侧面柱撞下，电池包构型显著影响碰撞安全性。清华大学周青老师的研究团队通过台车碰撞试验与有限元模型仿真，对比 15 种不同电池尺寸、方向和排布形式的电池包构型。
结果显示，15 种构型中电池卷芯能量耗散差异显著，薄电池单体横向排布（构型 5）卷芯能量耗散最低，仅为基准模型 59%；最长刀片电池单体横向排布（构型 15）最高，达基准模型 191%，而电池包总能量耗散变化较小。横向排布比纵向排布更安全，因前者能分散冲击；小尺寸电池较安全，因其刚性弱、易分散能量。此外，无模组的 Cell - to - pack 设计虽提升能量密度，但会增加电池单体能量耗散。
研究证实，侧面柱撞时电池损伤集中于碰撞接触区，优化电池包构型需平衡整体与局部刚度强度 ，以提升碰撞安全性。以下图表来自清华大学周青老师团队的科研成果。
图1 电池包侧面柱撞台车试验设置
图2 电池包结构及电池在侧面柱撞下的变形和破坏
图3 电动汽车电池包、三维数字模型及有限元模型和边界条件
3、仿真结果的分析与优化
仿真结果分析是建模仿真的关键环节。工程师通过查看电池包的变形量、应力分布、电芯的电压变化、温度变化等数据，判断电池系统在碰撞过程中的安全性。如果发现某个部位的应力过大，可能导致结构损坏，就需要对该部位的设计进行优化，如增加加强筋、改变材料厚度等；若电芯的温度在碰撞后急剧上升，存在热失控风险，则需要优化电池的散热结构或热管理系统。通过不断地仿真 - 分析 - 优化循环，逐步提升动力电池的碰撞安全性。
三、动力电池集成及整车侧柱碰仿真
尽管建模仿真技术在动力电池碰撞安全研究中发挥着重要作用，但目前仍面临一些技术难点。一方面，动力电池内部的电化学反应和热传递过程非常复杂，在仿真中准确模拟这些过程具有很大难度；另一方面，碰撞过程中材料的非线性行为，如塑性变形、断裂等，也需要更精确的计算方法来描述。
为了突破这些难点，行业内不断探索新的技术和方法。例如，采用多物理场耦合仿真技术，将力学分析与电化学、热学分析相结合，更真实地模拟动力电池在碰撞过程中的复杂响应；利用人工智能和机器学习技术，对大量的仿真数据和试验数据进行分析，建立更准确的材料本构模型和失效预测模型。
5月21日20时，2025汽车设计仿真第一期，仿真秀将邀请仿真秀优秀讲师——CAE之家成老师做《超单元技术应用——汽车动力电池集成技术及整车侧柱碰仿真》线上报告。以下是直播安排：
1、主讲嘉宾
CAE之家，仿真秀优秀讲师 高级工程师
出版行业首本NVH仿真书籍《汽车NVH一本通，建模，优化与应用》，高级工程师，参与多个主机厂整车项目，完成多个整车结构、NVH及安全等性能相关的分析和优化工作，熟练掌握不同分析类型的仿真分析相关软件，仿真分析经验丰富，具有丰富的实际工程案例经验。已发表多篇论文，已申请及授权发明等相关专利约50项，撰写相关分析流程及指南约60余项，在相关平台开展多次机械及汽车仿真知识分享，累计参与人员上万人。
曾荣获国家优秀发明专利奖第一作者，荣获中国仿真联盟青年科技奖，某集团科技进步奖4 项，其中一等奖一项、二等奖一项、三等奖二项，均为第一和主要完成人；参与的某型车项目曾荣获中国汽车科技进步一等奖。公众号CAE之家创始人，累计粉丝数万人！
2、主讲内容
超单元的应用背景
超单元在动力电池中整车侧柱碰中的高效应用优化技巧
小结及思考
新书超单元法应用实践介绍
3、如何观看
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2025汽车设计仿真（一）：汽车动力电池集成技术及整车侧柱碰仿真-仿真秀直播
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