尺寸工程专题丨面向汽车开发多场景的尺寸分析与优化方法

来源：AI汽车制造业

作者姓名：谢彬

作者单位：上汽大众汽车有限公司

出版信息：《汽车制造业》2026年-04期

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摘要：新能源汽车电池包功能安全是整车安全开发的核心环节，尺寸公差累积与结构变形是引发电池包安全失效的重要诱因。为实现电池包安全性能的量化管控，本文提出一种基于尺寸链公差仿真的电池包功能安全分析与优化方法，将电池包复杂的功能安全问题转化为可量化、可校核的尺寸公差控制问题。依托DTAS3D公差仿真软件，建立电池包全维度尺寸链公差仿真模型，针对电池包开发过程中两大核心痛点：热失控热扩散安全管控、单体电池循环膨胀结构变形问题开展仿真分析与方案优化。工程案例结果表明，尺寸链公差仿真可有效量化电池包关键间隙、结构变形的统计分布规律，精准识别公差失效风险，在保障电池包装配成功率的前提下，实现功能安全方案的可行性验证与参数优化。该方法突破了传统公差分析仅校核装配可行性的局限，可广泛应用于汽车电池包多场景安全开发工作。

关键词：尺寸链公差仿真；DTAS；热扩散；柔性连接；膨胀尺寸校核

在新能源汽车产业高速发展、储能系统技术持续迭代的行业背景下，锂离子电池包的功能安全性、结构稳定性已成为制约整车安全性能的核心指标。电池包是集成单体电池、汇流排、连接器、冷却板、高压回路等多类零部件的复杂集成总成，零部件加工、装配过程中产生的尺寸公差，会通过公差累积直接影响电池包整体装配精度与使用安全性。

传统汽车电池包公差分析的核心目标为保障零部件装配可行性、结构互换性及外观间隙均匀性，已广泛应用于电池包壳体、单体电池、隔热垫、连接件等结构的装配校核工作，有效降低了生产装配阶段的返修率与制造成本。但随着新能源汽车功能安全法规与技术标准的持续升级，电池包开发已不再局限于基础装配合格，更需满足全生命周期使用安全的核心要求。

尺寸链公差仿真技术可实现电池包功能安全问题的量化解析，能够将抽象的热安全、结构安全问题转化为精准可控的尺寸公差参数问题。本文依托DTAS3D仿真工具，针对电池包热失控隔热防护可行性、单体电池循环膨胀结构变形两大工程场景开展研究，通过量化关键尺寸的公差分布、模拟柔性结构变形特性，评估公差累积引发功能安全失效的概率，为电池包功能安全方案优化提供数据支撑。

相较于传统公差分析仅聚焦刚性零件装配匹配的研究模式，本文构建的仿真方法可兼顾刚性公差累积与柔性结构变形耦合影响，将尺寸公差分析的应用场景从传统装配质量管控拓展至电池包功能安全校核领域，为电池包安全开发提供可量化、可落地的技术手段。

研究现状

现阶段，国内外整车主机厂与电池零部件供应商围绕电池包尺寸公差、结构可靠性、功能安全性开展了大量系统性研究，覆盖单体电池与壳体配合间隙、机械结构强度、热扩散抑制、载荷变形等核心问题，逐步形成了兼顾制造可行性与功能安全性的公差校核体系。公差仿真技术也已从传统单一机械配合校核，全面渗透至电池包复杂系统集成分析场景。现有研究证实，电池包这类复杂总成的尺寸链分析，已从单一零件尺寸匹配校核，升级为多工况、多物理场耦合约束下的系统性仿真研究。

装配成功率是衡量电池包制造质量与工艺稳定性的核心指标，电池包内部各零部件的尺寸精度与公差范围，直接决定装配干涉风险与关键间隙分布状态。在传统汽车制造领域，大量工程数据证实，合理优化零部件公差带，可有效降低尺寸超差引发的装配返修问题，压缩整车制造成本、提升生产效益。车身、内外饰、座椅等汽车零部件的公差管控经验表明，公差区间的精准设定是平衡装配质量与制造成本的关键，公差过严会抬升加工与生产成本，公差过宽易引发装配缺陷、结构异响等质量问题，同时不同材质零部件的尺寸波动特性存在差异，需针对性制定公差控制标准，为电池包公差体系搭建提供了成熟的行业参考。

上述汽车零部件公差优化理论可有效迁移至电池包结构开发领域。当前行业内已普遍认可尺寸链公差仿真校核对电池包开发的赋能价值，随着电池包向轻量化、高集成化、高安全性方向迭代，其结构复杂度大幅提升，装配精度管控难度显著增加。一方面，轻量化设计推动薄壁壳体、非金属复合材料的广泛应用，电池包公差分析需重点考量非刚性结构的变形与尺寸波动问题；另一方面，高集成度设计大幅压缩了电池包内部布置空间，对零部件装配精度、间隙控制的要求达到全新高度。行业工程实践表明，三维公差仿真技术可有效完成电池包零部件公差标定、结构尺寸优化与装配效果预判，显著提升电池总成装配成功率与空间利用率，适配轻量化、集成化电池包的开发需求。

尽管现阶段公差仿真技术已在汽车零部件领域得到广泛应用，但在电池包功能安全精细化管控方面的应用仍存在局限。多数研究仅聚焦装配质量优化，未充分结合热安全、结构耐久等核心功能场景。工程实际中，大量电池包安全问题均与公差累积密切相关：单体电池与电池包上盖排气间隙公差超差，会导致热失控后热蔓延失控，引发整车安全事故；电池包总成公差累积会造成压板装配错位，车辆行驶过程中单体电池晃动，产生异响、磨损等质量问题，严重影响整车使用体验与产品可靠性。由此可见，拓展公差仿真的应用场景，实现公差分析与电池包功能安全的深度融合，是当前电池包开发的核心研究方向。

1.电池包尺寸特性与热失控防护研究

电池热失控热蔓延是新能源汽车最核心的安全隐患，自新能源汽车产业化以来，电池热失控引发的车辆自燃事故频发，严重制约行业发展。封闭式电池包集成结构的散热与泄压条件有限，单体电池热失控产生的高温物质极易在腔体内部扩散，引发连锁热蔓延，最终造成整包单体电池失效。因此，热蔓延抑制技术一直是电池功能安全研究的重点，且各类隔热、泄压、阻燃防护方案的落地应用，均与电池包结构尺寸、零部件公差参数高度关联，尺寸匹配合理性直接决定热安全防护效果。

行业现有技术研究已充分验证结构尺寸参数对电池热安全的关键影响：单体电池尺寸会直接改变散热面积与温升特性，小尺寸单体电池散热条件更优，热滥用工况下的热失控风险更低；隔热防护结构的厚度、布置间距等参数与热蔓延抑制效果呈强相关性，足够厚度的隔热结构可有效阻断热传递路径，延缓甚至阻止热失控蔓延；同时，合理的单体电池间距、专用热失控排气空间设计，能够有效疏导高温喷出物，降低连锁热失控风险，为热安全防护设计提供核心支撑。

现有研究多聚焦单一结构尺寸对热安全的影响，未考虑批量生产中公差累积导致的间隙波动问题，难以适配量产工况。本文基于DTAS3D软件开展全维度尺寸链公差仿真，量化量产公差对电池包排气间隙、隔热结构布置的影响，在保障量产装配合格率的前提下，验证隔热防护方案的可行性，实现电池包无热扩散的安全设计目标，充分发挥公差仿真在电池热安全管控中的工程价值。

2.电池包尺寸特性与单体电池膨胀适配研究

单体电池充放电循环过程中的体积膨胀是电池包开发的核心痛点，长期循环膨胀易引发结构挤压、壳体鼓包、密封失效等问题，严重影响电池包使用寿命与安全性。单体电池在反复充放电过程中会产生不可逆的非线性体积膨胀，膨胀量随循环次数增加持续累积，同时电池包内部的刚性约束条件会改变单体电池形变状态，进而影响单体电池间缓冲结构的压缩变形特性，引发一系列结构适配问题。

目前行业内普遍采用缓冲泡棉、弹性垫片等柔性结构吸收单体电池膨胀位移，但量产公差累积、柔性结构形变、刚性壳体约束的耦合作用，仍会对电池组产生持续机械压力，引发壳体鼓包、装配失效、结构应力集中等风险。工程实践表明，电池成组装配过程中的预紧力大小、缓冲垫的尺寸参数与弹性模量特性，直接决定单体电池膨胀应力的缓冲效果，合理的结构设计与参数匹配可有效缓解单体电池胀缩带来的应力应变问题，提升电池组结构稳定性与服役寿命。

现有研究多基于理想尺寸条件开展单体电池膨胀分析，忽略了量产公差与柔性结构变形的耦合影响。本文结合有限元仿真与DTAS3D公差仿真技术，对柔性缓冲件、刚性壳体进行网格划分与材料属性赋值，构建刚性公差累积与柔性变形耦合的仿真模型，精准分析单体电池循环膨胀工况下电池包的结构形变规律，为电池包柔性结构尺寸优化、安全阈值标定提供依据。

高压电池包热失控防护措施可行性分析

1.研究背景

高压动力电池包开发中，单体电池热失控后的热蔓延阻断、无热扩散防护是核心安全课题。电池热失控后会喷出高温气体与颗粒，若单体电池上方排气空间过小，高温喷出物会快速扩散至相邻单体电池，引发连锁热失控，造成整包失效。为抑制热蔓延，行业普遍采用隔热泡棉、陶瓷隔热板等防护结构，但此类结构会占用电池包内部有限布置空间，进一步压缩排气间隙，极易因量产公差累积导致间隙不足、防护失效。因此，亟需通过尺寸链公差仿真校核，在保障量产装配成功率的前提下，验证热扩散防护方案的可行性。

本文研究的某量产高压电池包，外部安装边界固定，单体电池上表面与下箱体水冷板上表面的Z向理论布置空间为123.2mm。在无隔热防护结构的基础方案下，电池包热失控试验出现连锁失效问题，单单体电池热失控引发整包单体电池失效，无法满足无热扩散安全要求。

为解决上述问题，本文提出双重防护方案：在电池包上盖内侧粘贴隔热泡棉，降低热传导速率；增设TC陶瓷隔热板，阻断失效单体电池高温喷出物的扩散路径，避免相邻单体电池被高温热源引燃。为验证该方案的量产可行性，基于各零部件实测公差参数开展尺寸链仿真校核，各零部件公差取值如下：下箱体±1.2mm、水冷板±0.6mm、导热结构胶±0.2mm、含极柱单体电池Z向尺寸±0.5mm、铝巴±0.15mm、TC复合隔热板±0.15mm、顶盖大平面±1mm。电池包组成如图1所示，清晰描述了电池包的内部组成结构，电池水冷板布置于电池底板上方，单体电池喷口上方布置有铝巴、CCS等电气部件。

图 1 电池包各零件组成

2.建模仿真结果

首先开展防护结构装配成功率仿真分析，暂不考虑上下盖板与水冷板的轮廓公差。鉴于隔热泡棉具备可压缩特性，预留2mm压缩空间且不设置初始公差，扣除泡棉厚度后，电池包内部有效布置空间为121.2mm。录入其余零部件尺寸与公差参数，测量水冷板上表面到TC板上表面的距离，名义值为117.18mm，仿真结果如图2所示，装配合格率为92.8%。该合格率远低于量产要求的98%一次装包良率，也未达到±3σ公差体系对应的99.73%合格率标准，存在较大量产失效风险。

图 2 不考虑上下盖板与水冷板公差的结果

后续分析将纳入电池包上下盖板与水冷板的公差约束，以总高度123.2mm扣除极限公差2.8mm，得到内部可用布置空间120.4mm。受极柱、CSS板结构限制，单体电池泄压喷口与上盖下表面初始间隙仅7.2mm；再扣除2mm隔热泡棉厚度，理论有效排气间隙仅剩5.2mm。狭小的排气间隙证明热失控隔热结构不可或缺，增设上壳体隔热泡棉与TC隔热板是抑制热扩散的关键措施。仿真同步验证，新增隔热结构后电池包仍保留充足排气余量。基于该公差仿真方案开展实物热失控试验，热扩散风险完全消除。如图3所示，主动触发40号单体电池热失控后，仅相邻39号单体电池发生热失控，其余单体电池未出现热失控，该现象与温度传感器采集数据相互印证。

图 3 电池包热失控实验结果

量产阶段还需考量电池包上下箱体轮廓度带来的尺寸偏差：叠加公差后上盖轮廓度最大可达6mm、下箱体轮廓度最高8mm，不过箱体局部凹凸并不会干扰单体电池装配。因此需将箱体轮廓度管控在整包高度线性公差范围内。过往项目通常采用±4mm公差标准，结合本次电池包小型化尺寸特征与仿真得出的±2.8mm极限值，经与供应商对接后，将该款电池包Z向高度公差确定为±3mm。

综上，通过全维度尺寸公差仿真验证，该隔热方案可在保障单体电池装配良率的前提下满足电池包功能安全要求，为无热扩散电池包的研发提供完整设计依据。

电池包柔性结构与单体电池膨胀问题分析

1.研究背景

电池包长期充放电循环过程中，单体电池会产生持续性体积膨胀，为吸收膨胀位移、缓冲结构挤压力，电池包内部普遍配置泡棉等柔性缓冲结构。与刚性零部件不同，柔性缓冲件具备压缩回弹、长期蠕变、温变刚度波动等特性，其变形量无法通过传统刚性尺寸链公差模型计算。传统尺寸校核仅考量刚性零件公差累积，忽略柔性结构的形变特性，导致仿真结果与实际量产、服役工况偏差较大。因此，需构建刚性公差累积与柔性结构变形耦合的仿真模型，精准校核单体电池膨胀工况下电池包的结构尺寸与安全性能。

2.建模仿真

装配仿真建模时，柔性零部件的装配仿真存在特殊处理要求。柔性件受力后会产生形变，无法直接分配尺寸公差，需依托三维有限元网格模型完成材料属性赋值。

在尺寸链公差校核阶段，若仿真包含多个柔性零部件（本案例需同步分析泡棉、顶盖壳体的压缩形变），采用DTAS3D开展多柔性件装配仿真是高效可行的方案。操作流程如下：先在Abaqus等有限元软件中对壳体、上下泡棉分别划分网格，整合生成统一文件后导入DTAS3D。如图4所示，零部件采用40×40×2规格六面体网格划分，单元总量55717个；随后在DTAS3D内对壳体与上下泡棉施加面面接触刚性装配约束，保障二者紧密贴合，再将该装配整体与单体电池建立多柔性接触约束。该仿真方案兼顾刚性装配定位与柔性形变计算，仿真过程中可同步传递各零件形变，有效规避零部件干涉。反之，若将壳体、泡棉、单体电池单独导入软件，仅设置单件柔性与基础面面装配，并将三类零件置于同一装配层级，仿真模型会出现严重干涉问题。

图 4 壳体与泡棉的有限元网格划分

如图5所示，多件柔性装配过程中，尽管装配对象为单体电池与壳体-泡棉整体结构，但可在柔性装配参数设置中，对壳体与泡棉分别定义材料强度，以此保障零部件材料属性赋值准确有效。

图 5 装配关系

3.仿真结果

以单体电池寿命末期（EOL）8%膨胀量作为仿真输入条件，开展电池包结构形变仿真分析，模型无穿模、干涉等异常问题，验证了装配结构的合理性。电池包壳体尺寸变形分布云图如图6所示，可直观体现壳体形变规律：电池包上下壳体变形量存在明显差异：下部壳体壁厚更大、结构刚度更高，且存在厚度渐变结构，可有效吸收单体电池膨胀形变，变形量极小；上壳体壁厚均匀、侧边与侧壁刚性连接，中间区域为应力形变集中区，最大变形量仅1.5mm。

图 6 尺寸变形分布云图

行业普遍认为，电池包壳体局部线性变形量2~3mm为结构失效危险阈值。本文仿真得到的最大变形量1.5mm显著低于安全阈值，证明单体电池循环膨胀工况下，电池包壳体不会出现鼓包、开裂、结构失效等问题，装配精度与结构安全性均可满足要求。

依托该仿真优化方案开展量产落地，累计生产单体电池96111件，电池包装配成功率达100%；当前已装车应用6370台，长期服役过程中未出现电池包鼓包、异响、结构失效等质量问题，仿真结果与工程实际高度吻合。

结语

本文围绕公差仿真技术在电池包功能安全开发中的工程应用，选取两个典型工程案例开展系统性研究。研究表明，尺寸链公差仿真对整车开发具备重要工程价值：该技术不仅可保障电池包的装配精度，还能实现功能安全的仿真验证与优化提升。

（1）本文案例分别针对高压动力电池包与低压蓄电池包两类主流车载复杂电池总成开展分析。所采用的尺寸链建模方法与仿真流程具备通用性，可灵活适配不同应用场景，验证了该技术在电池包功能安全研究中的有效性与可复用性。仿真与实际工况的对比结果表明，该方法既可满足传统机械结构的高精度装配要求，也能为电池系统这类复杂总成的安全关键边界，提供可量化的公差分配与校核依据。

（2）两个案例的研究侧重点各有不同：高压动力电池包聚焦于内部排气间隙的尺寸控制，用于验证热失控抑止与扩散防护方案的可行性；12V蓄电池包则针对泡棉缓冲结构，分析单体电池循环膨胀过程中的尺寸形变规律。前者需在极小排气空间的严苛工况下完成功能安全优化，后者需结合柔性泡棉的压缩回弹特性与刚性壳体的耦合作用，保障单体电池反复膨胀后的整体安全性，两项研究均存在较高的仿真与分析难度。

（3）在总结研究成果的同时，本文也明确了现有公差仿真方法的局限性。当前技术主要依托刚体尺寸链与有限元耦合的力学仿真方式，可有效解决泡棉压缩、弹性形变等简单力学边界问题。但针对温度引发的材料性能衰减、多场耦合动力学等复杂问题，仍缺乏成熟、高效的分析手段。实际上，热性能变化与尺寸公差存在强耦合关系，在极限工况下会直接影响电池包装配精度与功能安全性能。因此，将热力耦合模型融入公差仿真体系，是后续研究的核心方向。

本文被引格式：

[1]谢彬. 面向汽车开发多场景的尺寸分析与优化方法[J]. 汽车制造业，2026(4)：76-81.

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作者丨谢彬

责任编辑丨龚淑娟