超单元方法在新能源动力电池柱碰优化中的应用

随着新能源汽车的快速发展，电池包作为三大件之一，其结构、材料以及布置形式等发生了很大的变化；如何充分考虑车身与电池包之间的高度集成及关联，成为电池包系统研发中应考虑的一个重要问题。动力电池主要由模组、电池管理系统BMS、电气系统、热管理系统以及结构件组成。

电池包的常见组成结构图示

动力电池模组按电芯的结构形状可分为：圆柱电芯和方形电芯以及软包这三种，常见的电池包结构有如下：

常见的方形电池包结构图示

       新能源车和传统油车结构相似，燃油车的很多碰撞测试标准都可以沿用。不过由于电池一般安装在纯电动车辆的底部，也就是在车辆的底盘位置。因为汽车前后有溃缩空间，一般碰撞很难伤到电池包，但侧面碰撞，车辆没有太多形变空间，一旦传递给电池包，发生挤压变形，内部短路，极容易引发电池包着火爆炸，所以纯电动汽车的侧面柱碰特别重要。

考察要求：

（1）侧面柱碰首先考虑的是高压线路的布置。电动汽车在碰撞过程中除了可能发生传统碰撞情况下人员伤亡的情况，还存在碰撞后高压系统受损，导致高压电裸 露、高压泄露、短路、电池起火等次生风险。

（2）侧面柱碰考验车身结构，按照ENCAP对车辆侧面柱碰的要求，模拟驾驶者避无可避时撞击到了树木、电线杆、水泥墙体等情况，以32km/h的速度，呈75°角，碰撞直径为254mm的碰撞柱得到试验结果。

（3）电动汽车在侧面柱碰中，碰撞力的传递路径分电池包传递和车身传递。车身传递路径主要包括门槛、座椅横梁，B 柱等。整个过程中，碰撞力在车身与电池包传递的分配不同，电池包传递力的比例更大，因此，设计过程中电池包内部传递结构设计要合理，并且与车身结构相互匹配，才能起到很好地传递碰撞力的作用。除此之外，车身结构也需要具备吸能的能力。

柱碰过程中主要传力路径

ModelY车身中部共有二个座椅横梁

正面碰撞主要传力路径

侧面碰撞主要传力路径

       目前车身骨架成熟的环形结构，通过车身前后主梁实现力的传导，沃尔沃骨架的特点是机舱前部采用人字形结构，可以直接将力传导到门槛及车身后侧，这与其他车型结构差异较大。

一般车身中部采用硼钢来构成车身环形结构，内侧结构采用易变形的材料，B柱通过TRB和TWB实现最优的材料应用，B柱+顶盖中横梁+地板横梁构成封闭环形结构。

Model3车身门槛梁主要结构图示

完整模型与子结构模型结果对比，见表7-12。从表中可以看出，采用子结构方法可以明显缩减柱碰计算时间，求解时间缩短83%左右，且计算结果一致，变形、应力及应变结果整体误差在1%以内，满足要求，可用于下一步的优化分析。

优化方案结果