世界钢铁协会下属汽车分会世界汽车用钢联盟，近期发布了一篇关于《电动汽车世界中的零件一体化》的博客文章。文章提到当前在纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，BEV）的电池结构中存在将零部件一体化的巨大需求。不同的汽车制造商在电池外壳制造以及电池装配上的设计策略各不相同。
激光拼焊技术 （Tailor-Welded Blank,TWB） 可以将不同钢种、不同厚度甚至不同涂层类型的材料焊接成一个整体的板坯料。接着通过一次冲压成形，即实现零件不同位置具有合适的厚度与性能以满足车辆的要求。该技术可以将多次冲压件化零为整。
以汽车前门内板为例，其通常由两部分组成，包括门内面板和铰链区域的加强板。从图1可以看出，TWB前门内板在铰链区域采用较厚的前部，在内板采用较薄的后部，从而减小了车载重量。这种方式不仅消除了额外的零部件，减少了项目的设备投资。并且由于无需再将加强板点焊到内门面板上，该技术也简化了汽车的装配过程。
图 1 – 前门内板
当前在纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，BEV）的电池结构中存在将零部件一体化的巨大需求。不同的汽车制造商在电池外壳制造以及电池装配上的设计策略各不相同。电池托盘含有100多个冲压零件，包括密封件、结构件和增强件（Munro Live – Munro and Associates，2023）。假设电池托盘由八个零部件构成，包括四个横向和纵向构件以及四个角部构件。加上上盖和下盖两个额外的冲压组件，共十个冲压件构成了电池托盘的密封结构。在大型BEV卡车上，这些零部件会形成超过17m长的外部密封表面。
电池结构中的零部件一体化可以实现材料降本以及设备投资的降低。装配过程简化的另一个优点是提高了产品质量。由于每个电池托盘都需经过泄漏测试，更少的组件意味着更少的密封表面，从而减少装配过程中的返工率。
深冲电池盒是一类一体式的包裹电池下部和侧面的零部件。从图2中可以看出，该三段式焊接板在端部使用更厚的材料，中心部分采用高成型性的材料。这些材料是用于防侵入的马氏体钢，或是低成本的低碳钢。这种一体式深冲盒减少了冲压件的数量和电池结构的密封表面。与多零件组成的装配件相比，可实现更优化、更高效的设计。在之前的BEV卡车案例中，若使用深冲电池盒将减少40%的外部密封表面长度。克利夫兰-克里夫司高级工程研究院（Cleveland-Cliffs Advanced Engineering ）进行了碰撞、侵入和成形性仿真来验证这一概念。基于一体式电池盒概念，对冲压试验样品进行了泄漏和热性能测试（Yu，2024）。结果证实了这一概念的合理性，并制定了初步的设计指南。目前该团队正在进一步的研究，以求在最小化电池盒冲压件拔模角度的同时增加拉伸深度。
图 2 – 深冲电池盒
在当今的大多数BEV中，驾乘舱具有与内燃机汽车中常见的相同的汽车底盘结构。但是，BEV的电池组件上还有一个顶盖。在大多数情况下，该顶盖的尺寸与驾乘舱底盘尺寸相同。在进行零部件整合时，车身底盘和电池顶盖有效地密封了相同的开口，因此可以整合为一个零件。下面的案例中，车辆底盘上的座椅加强板被集成到电池顶盖上，而车辆中的传统底盘被移除。电池顶盖可以采用不同牌号和厚度的先进高强钢进行制造。图3和图4展示了TWB电池顶盖装配时的形态。
图3 + 图4 – TWB电池顶盖
由于前排座椅在安装到车辆之前可以先安装在电池顶盖上（如图5中所示），因此车辆组装过程可以从根本上简化。并且由于开放式底盘拓展了进入驾乘舱内部的通道，也提高了装配操作的人体工程学。
图 5 – 装配操作的人体工程学
降低成本比以往任何时候都更加重要。其中零部件成本、投资成本以及装配成本的降低非常关键。从根本上说，与内燃机汽车相比BEV目前正面临着成本的挑战。然而，BEV架构的优化潜力，尤其是在零部件一体化方面十分巨大。TWB深冲电池盒和集成底盘/电池顶盖等独特概念是改善BEV现所面临挑战的新方法。在BEV中，整个车身的白色零件和封装件的TWB应用仍然具有相关性，从而提供了进一步整合车辆零部件的潜力。
Isaac Luther
感谢本文作者Isaac Luther。Luther是TWB公司新产品开发团队的高级产品工程师。TWB公司是北美量身定制焊接解决方案的主要供应商。Isaac的主要工作任务是负责车身和框架应用以及电池系统的应用开发。Isaac拥有俄亥俄州立大学的焊接工程理学学士学位。