BEV是汽車行業的一場重大革命。 為了減輕重量，必須在開發階段的早期考慮動力總成電氣化、合適的材料和相關製造工藝。 FEV 和 Impression Technologies （ITL） 使用高壓電池外殼的熱成型淬火 （HFQ） 示例證明了這一點。
即使考慮更保守的情景，未來幾年電池電動汽車（BEV）在歐洲、美國和中國等主要市場的份額也將大幅增加，如圖1所示。 根據這一情景，到2040年，僅在歐洲銷售的汽車中就有88%將由電池供電，而美國和中國的電氣化速度要慢得多。
必須能夠整合牽引電池，同時考慮到對重量和車輛包裝的所有影響，包括對人體工程學和模組化的影響。 從傳統的 Cell-2-Module （C2M） 到高度整合的 Cell-2-Vehicle （C2V） 概念，選擇正確的結構整合水平和正確的概念方法需要在開發早期做出決策，並對整體開發和製造策略產生重大影響。 完全整合的 C2V 概念為包裝和重量優化提供了最大的潛力。 另一方面，它大大降低了模組化和靈活性，並在物流、製造和裝配過程以及認證方面帶來了某些新的挑戰。
因此，結構高度整合的 Cell-2-Pack （C2P） 方法可以成為重量包裝和模組化靈活性之間的合乎邏輯的解決方案和折衷方案。
1. 高效的概念評估
FEV概念開發流程（FCDP）是同步工程方法和高效概念開發的結合，根據PUGH的說法，它使用形態盒和決策矩陣方法在早期階段評估精益和高效的概念。 圖 2 描述了概念評估的三個基本階段。 如圖 3 所示，盡早積極參與計算機輔助工程 （CAE CAD） 可以有效地評估結構效能並為結構概念奠定基礎。 主截面工藝和簡化的曲面模型減少了概念和評估階段的設計工作量，從而擴充套件了可以考慮的可能解決方案。 通過早期參與製造過程的模擬，額外的前期載入確保了從最初的草圖和想法開始的基本可製造性。
二、案例分析
為了以高壓電池外殼為例展示鋁熱劑形成的潛力，FEV為HFQ製造專家ITL開發了一種採用C2P方法的概念。 在本案例研究中，概念開發過程 FCDP 方法用於概念開發，並結合製造過程模擬來評估早期設計的可製造性。
HFQ是一種粘塑性成形技術，包括合金材料夾緊、設計和模擬技術以及HFQ零件生產。 它可以將高強度和超高強度、可熱處理的鋁合金板材成型複雜形狀，使其成為車輛輕量化的理想選擇。 HFQ 具有盡可能高的成形性，可實現減薄、零件整合和更緊密的半徑優化。 在考慮零件和布局設計時，車輛設計團隊可以盡早使用 HFQ 技術，並使用軟體外掛程式 HFQ 模組進行成形模擬，以對他們選擇的合金成型部件的尺寸、厚度、效能和可成形性充滿信心。
3.HFQ製造工藝
製造過程（圖 4）包括將成型的鋁坯加熱到固溶溫度，然後進行快速成型和同時模內淬火。 接下來是第二次修整或快速手動老化操作，以達到組裝零件所需的強度並允許典型的機械連線。 HFQ 成型階段在 350 至 600 °C 的溫度下進行，具體取決於合金，迴圈時間不到 25 秒。
HFQ的可成形性有助於從單個或多個毛坯中同時生產多個零件，進一步降低壓力要求、材料要求和運營成本，尤其是高達60%的模具資本支出。 HFQ極高的成型性使得汽車工業中的各種鋁沖壓件的整合成為可能。 示例包括高強度上部結構、門封閉內飾、軌道線、後壁內飾、燈罐、電池外殼和座椅。 與多件冷成型元件相比，HFQ 還通過多件生產**減少零件：通過實現更複雜的整體元件設計來替換單個元件，從而減少材料浪費、零件重量、設計時間、維護和工廠占地面積。
4. 基於HFQ的開發專案
ITL在英國考文垂設有HFQ技術中心，OEM可以在這裡獲得從設計可行性評估到完整原型和生產零件設計的支援。
這包括HFQ工具的交付和批量生產線的管理。 乙個例子是阿斯頓馬丁DBX豪華跨界SUV的高強度6XXX鋁製車身安全單元。
ITL材料評估中心專注於為HFQ工藝開發HFQ材料卡，與領先的公司合作，提供潤滑、清潔和連線解決方案。 作為重新定義材料可用性的乙個例子，可以列出阿特拉斯·科普柯的 HFQ 7XXX SPR 連線解決方案。
高強度鋁取代了冷彎型鋁多件部件，並為硼鋼、溫成型和超塑性成型提供了有競爭力的替代品，從而為汽車行業帶來了好處。 在保持強度的同時減輕元件的重量是HFQ的乙個明顯優勢。 為了給電池創造更多的空間，從而進一步提高純電動汽車的續航里程，封裝的優勢越來越受到關注。
HFQ**通過與HFQ的汽車生產合作夥伴（包括德國的Fischer集團、中國的Jet Wagon和美國的Telos）簽訂的標準技術轉讓和准入協議，繼續在全球範圍內發展。 這些合作夥伴關係對於為原始裝置製造商提供更多選擇非常重要。 HFQ合作夥伴網路的建立是為了提供一系列裝置供應商和鏈中的參與者，以將鋁板安裝到車輛上。
HFQ開發的技術團隊專注於突破成形性的極限，加深拉伸和收緊半徑，同時減小尺寸以適應更廣泛的合金等級。 合金知識和反映HFQ成型工藝的材料卡的開發對於解決OEM設計問題至關重要。 HFQ 材料卡可與商業成形模擬軟體一起使用，並通過其支援的模擬建立對成形性、損傷**和刀具表面的信心。 當與 HFQ 工具和潤滑策略相結合時，它們在 HFQ 零件生產中發揮著關鍵作用。
2021年，ITL與寶馬、沃爾沃和Constellium合作，開發和生產用於擠壓概念的大型複雜形狀的電池外殼蓋，為電池設計過程以及時間限制包裝的設計策略提供了洞察力。
最近與FEV合作的外框架專案展示了使用HFQ尋找更好的設計和包裝解決方案所提供的自由度。
5.電池外殼外骨骼的概念
在鋁電池外殼的概念開發過程中，FEV還考慮了所有相關的製造工藝、材料和連線技術。 在這個專案中，清楚地展示了在正確區域使用HFQ元件的潛力。 一般來說，HFQ工藝允許在沖壓過程中實現小半徑和低拔模角。 電池外殼元件設計的這些優勢使電池組的封裝達到最佳狀態。 為了進一步擴大電池的封裝尺寸，FEV在電池外殼上採用了其專利的外框概念。 該概念考慮了電池外部區域的高結構效能和電池外殼的高結構整合度，這是車輛白車身 （BIW） 結構的一部分，如圖 5 所示。 在這裡，HFQ技術可以提高結構效能，例如減小外框架結構中機櫃頂蓋的半徑和拔模角。 這最大限度地提高了重量能量密度。
將內梁的功能和結構效能轉移到電池外殼的外部結構可以為C2P方法提供結構布置，允許在電池組下方進行結構力流分布，以及將低能量吸收結構直接耦合到白車身。 這種關鍵結構元件的直接耦合可實現高效的負載傳遞，這是當今傳統電池外殼技術無法實現的。 該電池組的電池單元的可用內部空間不受結構部件的分割，因此具有以下優點：
l 與現有方案相比，電池內部封裝最大化，複雜度更低。
l 對電池形狀和型別的選擇限制較少。
l 優化白車身與電池外殼之間的連線。
後者是由於額外的較低電池負載路徑，從而優化了負載分布。
所提出的設計提供了其他電池組無法實現的靈活性。 通過將電池和結構整合的所有功能與基板結構相結合，在不修改電池組基本結構的情況下，完全可以選擇C2P或C2V電池整合的應用。
六**合金。
合金供應商還想知道HFQ是否具有其他優勢，他們的合金是否包含在HFQ材料卡中並展示其功能。 最近與GR NGES合作的乙個專案展示了其用於汽車和航空航天零件的100%**6xxx合金的可成形性。 ITL正在繼續研究利用更高水平的合金6xxx以及廢鋁市場上最好的材料的機會。
HFQ-R 是一種可持續的鋁板解決方案，可減少汽車生產的更廣泛影響。 除了更高的**含量、更小的坯料尺寸、整合零件的可能性以及使用更高強度的合金與HFQ一起，使得從更薄的板材中生產更堅固的零件成為可能 - 所有這些都在最終產品中具有更少的碳。
HFQ-R 零件的目標是通過超級回收合金提供所有可成形性和效能優勢，作為 OEM 低成本解決方案的一部分。
七總結。
作為一家獨立的工程服務提供商，FE致力於通過新技術和工藝來增加設計機會組合，為結構構件設計定製解決方案。 HFQ已經實施了新的複雜設計，所進行的概念開發專案已顯示出在結構整合高壓電池解決方案領域的潛在應用。 鋁及其可觀性可以支援車輛遵守碳排放限制。 HFQ可以成為將低碳、高強度鋁引入汽車生產的推動者。
*：hog, m., kürten, c., offermanns, y. et al. integral battery housing design thanks to advanced simultaneous engineering and hfq. atz worldw 126, 60–65 (2024).
汽車材料網的翻譯和整理。