Optimering af drivlinjeingeniørarbejde med AI kan spare tid, penge og emissioner

Adoptionen af elbiler er i stigende globalt tempo, drevet af stærke statslige incitamenter, forbedring af infrastruktur og fremskridt inden for batteriteknologi. 

Denne vækst forventes at fortsætte, med Gartner der forudsiger, at 85 millioner elbiler vil være i brug verden over inden udgangen af 2025. Dette vil omfatte ikke kun biler, men også busser, varevogne og tunge lastbiler. Et stort flertal af disse forventes at være batterielektriske køretøjer (BEV), som forudsiges at opleve en stigning på 35 %, mens plug-in hybrid elektriske køretøjer (PHEV) kunne se en stigning på 28 % sammenlignet med sidste år. 

Den voksende EV-adoption vil blive understøttet af en drastisk reduktion i priserne på EV-batterier, som vil blive drevet af opskaleret produktion og teknologiske fremskridt. Goldman Sachs (GS ) forudser, at priserne på EV-batterier vil blive halveret inden 2026. 

Selv batterigenbrugsindustrien forventes at se fortsat vækst, med Statista der rapporterer et anslået 250 kiloton batterier, der blev behandlet i 2020 af EV-batterigenbrugsvirksomheder verden over. Disse tal forventes at stige med mere end syv gange inden 2030 og yderligere overstige 200 millioner ton inden 2040.

Dette sammen med stigende konkurrence blandt bilproducenter vil også presse priserne på EV’er ned, hvilket igen øger deres adoption. En anden faktor, der bidrager til denne vækst, er tilgængelig, ultrahurtig ladeteknologi. Ifølge International Energy Agency (IEA) vil antallet af offentlige ladestationer verden over overstige 15 millioner inden udgangen af dette årti. 

En anden vigtig EV-trend er fokus på nul-emission, med regulatorer, forbrugere og bilproducenter, der støtter renere og bæredygtig mobilitet.  

Hvad angår markedets størrelse for elektriske drivlinjer, blev den vurderet til $86,9 milliarder i 2023, og forventes at stige forbi $300 billion by 2031 med en CAGR på 17,1 % i denne periode. Nu er fremtiden for dette marked segmenteret baseret på integrationstype: køretøjstype, som omfatter personbiler (PC) og lette erhvervskøretøjer (LCV), fremdrift, som involverer BEV og PHEV, og komponenter, som dækker batteri, motor, controller, inverter/konverter, batteristyringssystem (BMS), power delivery module (PDM) og ombordlader. 

Baseret på integrationstypen er markedet opdelt i integrerede og ikke-integrerede, hvor den integrerede e-drivlinje forventes at have den højeste vækstrate. Denne vækst understøttes af fremskridt inden for teknologi, omkostningseffektiv EV-produktion og behovet for forbedret køretøjsydelse. 

Integration af nøglekomponenter reducerer kompleksitet, sænker produktionsomkostninger, frigør plads i EV’er og øger energieffektiviteten. 

I mellemtiden dominerer det batteribaserede segment i øjeblikket markedet af åbenlyse grunde. Et batteri er den vigtigste komponent i en EV-drivlinje og bestemmer køretøjets ydeevne, energieffektivitet og rækkevidde. Det udgør også den største del af en EV’s samlede omkostninger og har derfor den største økonomiske indvirkning på drivlinjemarkedet. 

Drivlinjer i elbiler 

Ligesom en motor er en nøglekomponent i din bil, er elektriske drivlinjer en vital komponent i en elbil, hvad enten det er en ren EV eller en hybrid EV. 

I dine benzin- eller dieselkøretøjer fungerer en forbrændingsmotor (ICE) som den primære energikilde, hvor brændstof omdannes til mekanisk energi. I en EV er en e-drivlinje ansvarlig for at omdanne elektrisk energi til mekanisk energi for at drive dit køretøj. Så en e-drivlinje erstatter grundlæggende den traditionelle ICE i dine EV’er for at generere og levere kraft til den.

Nu er en drivlinje sammensat af nogle få nøgleelementer, inklusive et energilagringssystem—såsom et batteri eller en brændselscelle—kraft-elektronik som en inverter eller konverter, en elektrisk maskine til konvertering og et transmissionssystem. Derudover inkluderer EV-drivlinjen også drivakslen for at overføre kraften til hjulene.  

I sammenligning med en forbrændingsmotor, som har mange komplekse bevægelige dele, er designet og komponenterne i drivlinjen meget enklere med ingen støj og nul udstødning fra udstødningsrøret.

Når det gælder kraftgenereringssystemer i drivlinjer, der leverer den nødvendige elektriske kraft til at flytte køretøjet; er de tilgængelige i form af en batteripakke og en ombordlader. 

En batteripakke bruger celler til at lagre energi. Lithium-ion-celler er de mest populære og udbredte på grund af deres høje energitæthed, som øger deres lagringskapacitet, mens brændselsceller er en anden type energilagring, som er kendt for at være lettere og have højere energieffektivitet. Batteripakken indeholder også et batteristyringssystem (BMS) for at sikre sikker batteridrift ved at forhindre overopladning eller afladning.

En ombordlader bruger en ekstern ladekilde som elnettet til vekselstrøm, som omdannes til jævnstrøm til lagring i batteriet. 

Nu kontrollerer kraftfordelingssystemet i drivlinjen strømmen fra kilden ved at integrere kraftelektroniske komponenter.

Dette inkluderer en DC-til-AC-inverter, der omdanner DC-strøm fra batteriet til AC-strøm og genererer vekselspændinger, der er nødvendige for at kontrollere motorens hastighed og acceleration, samt en DC-til-DC-konverter for at justere batteriets højspændings-DC-udgang for at levere lavspændings-DC til at drive hjælpeudstyr som aircondition.

Et termisk styringssystem beskytter batteriet og motoren mod ekstreme temperaturer, mens firmware-drevne elektroniske kontrolenheder sikrer effektiv og sikker drift af EV-drivlinjekomponenter.

Kraftfordelingsenheden sikrer, at hvert system modtager den rette mængde strøm, mens køretøjets kontrolenhed indsamler og behandler data fra forskellige systemer, sensorer og controllere og synkroniserer aktiviteter mellem systemerne.

Nu findes der flere forskellige typer af elektrificerede drivlinjer, som hver har særskilte konfigurationer og funktionaliteter.

Ren-elektriske køretøjer eller BEV’er som Tesla (TSLA ) Model 3, Nissan LEAF og BMW i3 bruger genopladelige batteripakker til alle deres energibehov og benytter ikke sekundære energilagringskilder. De skal dog oplades fra en ekstern kilde. 

Hybrid elektriske køretøjer (HEV’er) som Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid og Ford Fusion Hybrid kombinerer en ICE med en elektrisk drivlinje, hvilket gør dem i stand til at tilbyde bedre brændstoføkonomi og ydeevne end en traditionel ICEV. Disse køretøjer benytter funktioner som regenerativ bremsning for at omdanne kinetisk energi tilbage til elektrisk energi til lagring, ICE-drevne elektriske generatorer til ekstra kraft eller til at genoplade batteriet, og start-stop-systemer for at slukke motoren i tomgang.

Plug-in hybrid elektriske køretøjer (PHEV’er) som Chevrolet Volt og Toyota Prius Prime kan oplades fra en ekstern kilde ud over at bruge benzin eller diesel.

Brændselscelle-elektriske køretøjer (FCEV’er) bruger hydrogenbrændselsceller i stedet for batterier til at producere elektrisk strøm.

Selvom ICE’er har været den primære energikilde for køretøjer i over et århundrede, er de ansvarlige for miljøforurening, hvilket har ført til stigningen af EV’er. Disse køretøjer med drivlinjer har flere fordele, herunder reduktion af forurening og drivhusgasser. De bidrager også til et roligere miljø ved at reducere støjforurening.

En anden stor fordel ved drivlinjer er, at de er betydeligt mere energieffektive end ICE, idet de omdanner mere end 80 % af den lagrede energi til bevægelse. Færre bevægelige dele i drivlinjer betyder også, at vedligeholdelsesomkostningerne reduceres. Derudover er omkostningerne til elektricitet, der kræves for at drive en EV, lavere end diesel eller benzin. Faktisk vil påfyldning af et benzin-drevet køretøj koste omkring dobbelt så meget som en EV i USA.

Dette betyder dog ikke, at EV’er ikke har ulemper. For det første er den indledende omkostning ved at købe en EV højere end hvad du skal bruge på et ICE-køretøj. Så er der ladetiden, som kan variere fra 30 minutter til flere timer afhængigt af ladestationens kapacitet, mens det kun tager få minutter at fylde din ICEV-tank. Begrænset kørselsrækkevidde for EV’er fra en enkelt opladning forårsager rækkeviddeangst blandt forbrugerne, hvilket udgør endnu et problem med disse køretøjer.

På trods af disse udfordringer muliggør EV’er forbedret brændstoføkonomi og reducerede emissioner, samtidig med at de bidrager til et mere robust transportsystem. Dette har ført til et skub mod elektrificering, hvilket resulterer i spændende innovationer i EV-drivlinjer for at tilbyde forbedrede fordele inden for ydeevne, effektivitet og miljøvenlighed.

AI-baseret OPED til at accelerere udviklingen af drivlinjer

I betragtning af den centrale rolle, som drivlinjer spiller i elbiler, er forbedring af udviklingen af drivlinjer afgørende for at opnå besparelser i ressourcer, omkostninger og tid.

Forskere fra Graz University of Technology, Østrigs ældste forsknings- og uddannelsesinstitution inden for videnskab og teknologi, har gjort netop dette ved at revolutionere udviklingen af EV-drivlinjer med et AI-drevet system kaldet OPED, som optimerer komponenter for at reducere måneder af kompleks ingeniørarbejde til kun én dag.

Den nye løsning udviklet af forskerne er Optimisation of Electric Drives (OPED), som er en software, der optimerer teknisk design, mens den tager drivhusgasemissioner i hele forsyningskæden i betragtning.

Med denne løsning har forskerteamet ledet af Martin Hofstetter fra Institute of Automotive Engineering til formål at forkorte udviklingsfasen for drivlinjen ved at kombinere simuleringskomponentmodeller med evolutionære algoritmer. 

AI-systemet optimerer automatisk hele drivlinjen i overensstemmelse med producentens tekniske krav, der dækker produktionsomkostninger, effektivitet og pladskrav i køretøjet. 

OPED har faktisk været under udvikling i et årti. I 2018 begyndte konceptet for optimering af design af elektrisk akseldrevningssystem den officielle rejse for OPED, hvorved den første gearkassemodel også blev introduceret.

Gennem årene har denne rejse udviklet sig med introduktionen af kvantitetsafhængige omkostningsmodeller, en overordnet udviklingsproces, en grundlæggende tilgang til at optimere produktfamilier med den, en oversigt over den generelle metodologi bag modellen, en modelleringsmetode til optimering af integrationen af en parkeringslås og en invertermodel for OPED.

Sidste år udgav teamet artikler om udvidelse af løsningen for at muliggøre optimering af produktfamilier og minimering af CO2-aftrykket for et elektrisk akseldrev blandt andre designmål.

Efter mere end ti års forskning har teamet med succes skabt denne model, som ifølge den officielle OPED-websted har til formål at forenkle den udfordrende opgave med at designe elektriske drivsystemer, der er nødvendige for EV’er. Opgaven kræver mange kritiske beslutninger om designet, som hver påvirker forskellige kundemål, der er i konflikt med hinanden, hvilket gør det svært at finde den bedste løsning. Ifølge Hofstetter:

“Elektriske drivsystemer består af et stort antal komponenter, der kan designes meget forskelligt for at opfylde de ønskede krav. Hvis jeg foretager en lille ændring i den elektriske maskine, påvirker det transmissionen og kraftelektronikken. Så det er ekstremt komplekst at træffe optimale beslutninger.”

Det er ikke kun nødvendigt at træffe talrige designbeslutninger om den elektriske maskines underkomponenter for optimalt at opfylde kundekravene, men den stigende konkurrence kræver også sofistikerede produktdesigns og en kort time-to-market for kommerciel succes. 

Her præsenterer OPED sig som løsningen på det komplekse designproblem, som bruger AI og autonomt søger efter optimale systemdesigns. Algoritmen dækker EV’ens gearkasse, elektriske maskine og kraftelektronik og optimerer deres bedst mulige integration i det tilgængelige køretøjsrum på en multi-målsætning.

Softwaren kombinerer faktisk omkring 50 designparametre samtidigt og sammenligner dem derefter med producenternes prioriteter. Den fjerner dårlige varianter og optimerer bedre. Efter flere hundrede tusinde simuleringscyklusser finder den den bedste løsning for producenten, som kan vælge de varianter, de ønsker at udvikle og implementere.

“Det, som ingeniører ville have brug for måneder på at udføre uden AI-support, tager omkring en dag med OPED. Dette giver udviklingsteams mulighed for at fokusere på overordnede beslutninger i stedet for at investere deres begrænsede tid i manuelle beregninger og simuleringsarbejde.”

– Hofstetter

Gennem sit mangfoldige sæt af optimale designs guider modellen ingeniører og beslutningstagere gennem hele udviklingsprocessen fra starten, hvilket reducerer udviklingstiden betydeligt og øger kvalitet og konkurrenceevne.

Forskere har også tilføjet CO2-emissioner genereret under produktionen af drivlinjen i hele forsyningskæden som et optimeringskriterium, der gør det muligt for producenter at tage bæredygtighed i betragtning allerede fra den tidlige udviklingsfase.

“OPED-tilgangen kan bruges til en bred vifte af produktudviklinger,” sagde Hofstetter og tilføjede, at de “er glade for at arbejde med nye industrielle partnere for at tilpasse den til deres udfordringer og mål.”

Løsningen er blevet udvidet til optimering af elektriske drivlinjer for en hel køretøjsplatform af Dominik Lechleitner som en del af hans doktorafhandling. OPED hjælper med at finde optimale komponenter, der kan anvendes som overførbare dele i forskellige modellers drivlinjer, hvilket sparer udviklings- og produktionsomkostninger.

Med udgangspunkt i sin ekspertise inden for drivlinjer arbejder teamet nu på at udvide sine metoder til andre produkter og industrier gennem et generisk produkt kaldet OPx, som muliggør bekvem skalering.

Vigtige markedsaktører

Nogle af de vigtigste aktører på markedet for elektriske drivlinjer inkluderer Mitsubishi, Nissan, Sigma Powertrain, Continental Ag, Denso, Valeo, BYD Auto, CATL, LG Corporation, Samsung, Panasonic, Cummins (CMI ), Hyundai, Volkswagen, Delta Electronics, Hitachi Astemo Americas, Dana Incorporated (DAN ), Magna International (MGA ), Marelli Holdings, og Robert Bosch Gmbh.

Lad os nu dykke dybere ned i et par fremtrædende navne: 

1. BorgWarner Inc.

BorgWarner (BWA ) investerer aktivt i EV-teknologier og AI-drevne løsninger, og deres produktlinje omfatter turboladere, e-boostere, e-turbos, emissionssystemer, termiske systemer, kontrolmoduler, ombordladere, DC/DC-konvertere, DC-hurtigladere og lithium-ion-batterisystemer til elektrificerede bus- og lastbilapplikationer.

På tidspunktet for skrivning er selskabets aktier med en markedsværdi på 6,85 milliarder dollars handlet til $31,33, ned 1,45 % år-til-dato. For Q4 2024 var BorgWarner’s US GAAP nettoomsætning $3.522 milliarder, og nettoresultatet $0,64 pr. udvandet aktie, mens fri pengestrøm var $679 millioner. I denne periode indgik virksomheden en aftale med BYD’s datterselskab FinDreams Battery, et joint venture med Shaanxi Fast Auto for at udvikle en højspændingsinverterapplikation til det kinesiske marked, og erhvervede Eldor Corporations Electric Hybrid Systems.

“Vi tilbyder en komplet produktportefølje til det kommercielle køretøjssegment, der dækker forbrændings-, hybrid- og fuldt elektrificerede drivlinjer. Vores portefølje er robust over for branchens hastige forandringer.”

– BorgWarner’s Chief Strategy Officer, Dr. Paul Farrell, sagde for nylig i et interview

2. XPeng Inc.

Det Kina-baserede Xpeng producerer smarte elektriske køretøjer, som har fået stor opmærksomhed. CEO He Xiaopeng sagde for nylig, at han forventer, at de årlige leverancer af budgetterede intelligente biler vil fordobles i år, hvilket betyder 380.000 køretøjer.

På tidspunktet for skrivning er selskabets aktier med en markedsværdi på 16,14 milliarder dollars handlet til $16,65, op 43,74 % år-til-dato. I Q3 2024 registrerede Xpeng samlede indtægter på $1,44 milliarder, en stigning på 18,4 % fra 3Q23 og en stigning på 24,5 % fra 2Q24. 

Indtægterne fra salg af køretøjer var $1,25 milliarder med 46.533 leverede køretøjer i kvartalet, op fra 40.008 i samme kvartal året før. Dets selvbetjente ladestationnetværk nåede imidlertid 1.557 stationer. Kontanter og kontantekvivalenter, begrænsede kontanter, kortfristede investeringer og tidsindskud ved kvartalets slutning udgjorde $5,09 milliarder.

Xpeng blev faktisk Kinas bedst sælgende EV-startup i den første måned af 2025, som sammen med februar traditionelt er lavsæson for lokale bilproducenter i Kina på grund af kinesisk nytår. Den samme måned lancerede Xpeng’s rumfartsvirksomhed også præsenterede sin “modulære flyvende bil” ved CES 2025.

I mellemtiden har CEO He talt om at realisere L3 fuld-scenarie autonom kørsel i anden halvdel af dette år.

“Jeg tror, at L3 autonom kørsel vil bringe AI-biler ind i ‘iPhone 4-æraen’.”

– CEO He

Konklusion

Elbiler får deres store øjeblik, da teknologisk fremskridt sænker deres priser. Efterhånden som elektrisk mobilitet stiger, oplever også drivlinjemarkedet hurtig vækst. Integration af elektriske drivlinjer med autonom kørsel og tilsluttede køretøjsteknologier forventes yderligere at revolutionere bilindustrien.

Midt i dette markerer løsninger som OPED et betydeligt fremskridt inden for udvikling af EV-drivlinjer, som kan reducere tid markant, forbedre effektiviteten og minimere produktionsomkostninger. 

Ved at muliggøre superhurtig optimering af EV-drivlinjer og balancere præstations-, omkostnings- og bæredygtighedsmål, sætter OPED ikke kun en benchmark for effektivitet og bæredygtighed i ingeniørarbejde, men kan også hjælpe med at støtte EV-vækst og -adoption, hvilket accelererer overgangen til en grønnere fremtid.

Klik her for en liste over de bedste EV-aktier.