BEV是汽车行业的一场重大革命。 为了减轻重量，必须在开发阶段的早期考虑动力总成电气化、合适的材料和相关制造工艺。 FEV 和 Impression Technologies （ITL） 使用高压电池外壳的热成型淬火 （HFQ） 示例证明了这一点。
即使考虑更保守的情景，未来几年电池电动汽车（BEV）在欧洲、美国和中国等主要市场的份额也将大幅增加，如图1所示。 根据这一情景，到2040年，仅在欧洲销售的汽车中就有88%将由电池供电，而美国和中国的电气化速度要慢得多。
必须能够集成牵引电池，同时考虑到对重量和车辆包装的所有影响，包括对人体工程学和模块化的影响。 从传统的 Cell-2-Module （C2M） 到高度集成的 Cell-2-Vehicle （C2V） 概念，选择正确的结构集成水平和正确的概念方法需要在开发早期做出决策，并对整体开发和制造策略产生重大影响。 完全集成的 C2V 概念为包装和重量优化提供了最大的潜力。 另一方面，它大大降低了模块化和灵活性，并在物流、制造和装配过程以及认证方面带来了某些新的挑战。
因此，结构高度集成的 Cell-2-Pack （C2P） 方法可以成为重量包装和模块化灵活性之间的合乎逻辑的解决方案和折衷方案。
1. 高效的概念评估
FEV概念开发流程（FCDP）是同步工程方法和高效概念开发的结合，根据PUGH的说法，它使用形态盒和决策矩阵方法在早期阶段评估精益和高效的概念。 图 2 描述了概念评估的三个基本阶段。 如图 3 所示，尽早积极参与计算机辅助工程 （CAE CAD） 可以有效地评估结构性能并为结构概念奠定基础。 主截面工艺和简化的曲面模型减少了概念和评估阶段的设计工作量，从而扩展了可以考虑的可能解决方案。 通过早期参与制造过程的模拟，额外的前期加载确保了从最初的草图和想法开始的基本可制造性。
二、案例分析
为了以高压电池外壳为例展示铝热剂形成的潜力，FEV为HFQ制造专家ITL开发了一种采用C2P方法的概念。 在本案例研究中，概念开发过程 FCDP 方法用于概念开发，并结合制造过程仿真来评估早期设计的可制造性。
HFQ是一种粘塑性成形技术，包括合金材料夹紧、设计和模拟技术以及HFQ零件生产。 它可以将高强度和超高强度、可热处理的铝合金板材成型复杂形状，使其成为车辆轻量化的理想选择。 HFQ 具有尽可能高的成形性，可实现减薄、零件集成和更紧密的半径优化。 在考虑零件和布局设计时，车辆设计团队可以尽早使用 HFQ 技术，并使用软件插件 HFQ 模块进行成形模拟，以对他们选择的合金成型部件的尺寸、厚度、性能和可成形性充满信心。
3.HFQ制造工艺
制造过程（图 4）包括将成型的铝坯加热到固溶温度，然后进行快速成型和同时模内淬火。 接下来是第二次修整或快速手动老化操作，以达到组装零件所需的强度并允许典型的机械连接。 HFQ 成型阶段在 350 至 600 °C 的温度下进行，具体取决于合金，循环时间不到 25 秒。
HFQ的可成形性有助于从单个或多个毛坯中同时生产多个零件，进一步降低压力要求、材料要求和运营成本，尤其是高达60%的模具资本支出。 HFQ极高的成型性使得汽车工业中的各种铝冲压件的集成成为可能。 示例包括高强度上部结构、门封闭内饰、轨道线、后壁内饰、灯罐、电池外壳和座椅。 与多件冷成型组件相比，HFQ 还通过多件生产**减少零件：通过实现更复杂的整体组件设计来替换单个组件，从而减少材料浪费、零件重量、设计时间、维护和工厂占地面积。
4. 基于HFQ的开发项目
ITL在英国考文垂设有HFQ技术中心，OEM可以在这里获得从设计可行性评估到完整原型和生产零件设计的支持。
这包括HFQ工具的交付和批量生产线的管理。 一个例子是阿斯顿马丁DBX豪华跨界SUV的高强度6XXX铝制车身安全单元。
ITL材料评估中心专注于为HFQ工艺开发HFQ材料卡，与领先的公司合作，提供润滑、清洁和连接解决方案。 作为重新定义材料可用性的一个例子，可以列出阿特拉斯·科普柯的 HFQ 7XXX SPR 连接解决方案。
高强度铝取代了冷弯型铝多件部件，并为硼钢、温成型和超塑性成型提供了有竞争力的替代品，从而为汽车行业带来了好处。 在保持强度的同时减轻组件的重量是HFQ的一个明显优势。 为了给电池创造更多的空间，从而进一步提高纯电动汽车的续航里程，封装的优势越来越受到关注。
HFQ**通过与HFQ的汽车生产合作伙伴（包括德国的Fischer集团、中国的Jet Wagon和美国的Telos）签订的标准技术转让和准入协议，继续在全球范围内发展。 这些合作伙伴关系对于为原始设备制造商提供更多选择非常重要。 HFQ合作伙伴网络的建立是为了提供一系列设备供应商和链中的参与者，以将铝板安装到车辆上。
HFQ开发的技术团队专注于突破成形性的极限，加深拉伸和收紧半径，同时减小尺寸以适应更广泛的合金等级。 合金知识和反映HFQ成型工艺的材料卡的开发对于解决OEM设计问题至关重要。 HFQ 材料卡可与商业成形模拟软件一起使用，并通过其支持的模拟建立对成形性、损伤**和刀具表面的信心。 当与 HFQ 工具和润滑策略相结合时，它们在 HFQ 零件生产中发挥着关键作用。
2021年，ITL与宝马、沃尔沃和Constellium合作，开发和生产用于挤压概念的大型复杂形状的电池外壳盖，为电池设计过程以及时间限制包装的设计策略提供了洞察力。
最近与FEV合作的外框架项目展示了使用HFQ寻找更好的设计和包装解决方案所提供的自由度。
5.电池外壳外骨骼的概念
在铝电池外壳的概念开发过程中，FEV还考虑了所有相关的制造工艺、材料和连接技术。 在这个项目中，清楚地展示了在正确区域使用HFQ组件的潜力。 一般来说，HFQ工艺允许在冲压过程中实现小半径和低拔模角。 电池外壳组件设计的这些优势使电池组的封装达到最佳状态。 为了进一步扩大电池的封装尺寸，FEV在电池外壳上采用了其专利的外框概念。 该概念考虑了电池外部区域的高结构性能和电池外壳的高结构集成度，这是车辆白车身 （BIW） 结构的一部分，如图 5 所示。 在这里，HFQ技术可以提高结构性能，例如减小外框架结构中机柜顶盖的半径和拔模角。 这最大限度地提高了重量能量密度。
将内梁的功能和结构性能转移到电池外壳的外部结构可以为C2P方法提供结构布置，允许在电池组下方进行结构力流分布，以及将低能量吸收结构直接耦合到白车身。 这种关键结构元件的直接耦合可实现高效的负载传递，这是当今传统电池外壳技术无法实现的。 该电池组的电池单元的可用内部空间不受结构部件的分割，因此具有以下优点：
l 与现有方案相比，电池内部封装最大化，复杂度更低。
l 对电池形状和类型的选择限制较少。
l 优化白车身与电池外壳之间的连接。
后者是由于额外的较低电池负载路径，从而优化了负载分布。
所提出的设计提供了其他电池组无法实现的灵活性。 通过将电池和结构集成的所有功能与基板结构相结合，在不修改电池组基本结构的情况下，完全可以选择C2P或C2V电池集成的应用。
六**合金。
合金供应商还想知道HFQ是否具有其他优势，他们的合金是否包含在HFQ材料卡中并展示其功能。 最近与GR NGES合作的一个项目展示了其用于汽车和航空航天零件的100%**6xxx合金的可成形性。 ITL正在继续研究利用更高水平的合金6xxx以及废铝市场上最好的材料的机会。
HFQ-R 是一种可持续的铝板解决方案，可减少汽车生产的更广泛影响。 除了更高的**含量、更小的坯料尺寸、集成零件的可能性以及使用更高强度的合金与HFQ一起，使得从更薄的板材中生产更坚固的零件成为可能 - 所有这些都在最终产品中具有更少的碳。
HFQ-R 零件的目标是通过超级回收合金提供所有可成形性和性能优势，作为 OEM 低成本解决方案的一部分。
七总结。
作为一家独立的工程服务提供商，FE致力于通过新技术和工艺来增加设计机会组合，为结构构件设计定制解决方案。 HFQ已经实施了新的复杂设计，所进行的概念开发项目已显示出在结构集成高压电池解决方案领域的潜在应用。 铝及其可观性可以支持车辆遵守碳排放限制。 HFQ可以成为将低碳、高强度铝引入汽车生产的推动者。
*：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).
汽车材料网的翻译和整理。