Optimierung der Antriebsstrang-Entwicklung mit KI könnte Zeit, Geld und Emissionen einsparen

Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen nimmt weltweit zu, angetrieben durch starke staatliche Anreize, Verbesserungen der Infrastruktur und Fortschritte in der Batterietechnologie.

Dieses Wachstum wird voraussichtlich anhalten, wobei Gartner prognostiziert, dass bis Ende 2025 weltweit 85 Millionen Elektrofahrzeuge im Einsatz sein werden. Dies wird nicht nur Autos, sondern auch Busse, Lieferwagen und schwere Lkw umfassen. Der überwiegende Teil dieser Fahrzeuge wird voraussichtlich batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) sein, die laut Prognosen um 35 % zunehmen sollen, während Plug‑in‑Hybrid‑Elektrofahrzeuge (PHEVs) im Vergleich zum Vorjahr um 28 % steigen könnten. 

Die wachsende Akzeptanz von Elektrofahrzeugen wird durch einen drastischen Rückgang der Batteriekosten unterstützt, der durch hochskalierte Produktion und technologische Fortschritte vorangetrieben wird. Goldman Sachs prognostiziert, dass die Preise für EV‑Batterien bis 2026 um die Hälfte gesenkt werden.

Auch die Batterie‑Recycling‑Industrie wird voraussichtlich weiter wachsen, wobei Statista für das Jahr 2020 schätzt, dass weltweit etwa 250 Kilotonnen Batterien von EV‑Batterie‑Recycling‑Unternehmen verarbeitet wurden. Diese Zahlen dürften bis 2030 um mehr als das Siebenfache steigen und bis 2040 die 200 Millionen Tonnen weiter übertreffen.

Dies zusammen mit dem zunehmenden Wettbewerb unter den Automobilherstellern wird ebenfalls die Preise für Elektrofahrzeuge senken und damit deren Akzeptanz fördern. Ein weiterer Wachstumsfaktor ist die Verfügbarkeit von ultra‑schnellen Ladetechnologien. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) wird die Zahl öffentlicher Ladestationen weltweit bis zum Ende dieses Jahrzehnts 15 Millionen überschreiten. 

Ein weiterer wichtiger Trend bei Elektrofahrzeugen ist der Fokus auf Null‑Emissionen, unterstützt von Regulierungsbehörden, Verbrauchern und Automobilherstellern, die sauberere und nachhaltigere Mobilität fördern.  

Was die Marktgröße von elektrischen Antriebssträngen betrifft, so wurde sie 2023 mit 86,9 Milliarden $ bewertet und soll bis 2031 laut Prognosen die 300 Milliarden‑$‑Marke bei einer CAGR von 17,1 % überschreiten. Der Markt wird künftig nach Integrationstyp segmentiert: Fahrzeugtyp (Personenkraftwagen (PC) und leichte Nutzfahrzeuge (LCV)), Antriebsart (BEV und PHEV) sowie Komponenten (Batterie, Motor, Controller, Wechselrichter/Konverter, Battery‑Management‑System (BMS), Power‑Delivery‑Module (PDM) und On‑Board‑Charger). 

Basierend auf dem Integrationstyp wird der Markt in integrierte und nicht‑integrierte Segmente aufgeteilt, wobei das integrierte e‑Powertrain‑Segment das höchste Wachstumspotenzial aufweist. Dieses Wachstum wird durch technologische Fortschritte, kosteneffiziente EV‑Produktion und den Bedarf an verbesserter Fahrzeugleistung unterstützt. 

Die Integration zentraler Komponenten reduziert die Komplexität, senkt die Produktionskosten, spart Platz im Fahrzeug und erhöht die Energieeffizienz. 

Gleichzeitig dominiert das batterie‑basierte Segment derzeit den Markt aus offensichtlichen Gründen. Eine Batterie ist das Hauptkomponente eines EV‑Antriebsstrangs und bestimmt die Fahrzeugleistung, Energieeffizienz und Reichweite. Sie macht zudem den größten Teil der Gesamtkosten eines Elektrofahrzeugs aus und hat daher den größten finanziellen Einfluss auf den Antriebsstrang‑Markt. 

Antriebsstränge in Elektrofahrzeugen 

Ähnlich wie ein Motor ein Schlüsselteil Ihres Autos ist, sind elektrische Antriebsstränge ein wesentlicher Bestandteil eines Elektroautos, sei es ein reines EV oder ein Hybrid‑EV. 

In Ihren Benzin‑ oder Diesel‑Fahrzeugen arbeitet ein Verbrennungsmotor (ICE) als primäre Energiequelle, bei der Kraftstoff in mechanische Energie umgewandelt wird. In einem EV hingegen ist ein e‑Powertrain dafür verantwortlich, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, um Ihr Fahrzeug anzutreiben. Der e‑Powertrain ersetzt also im Wesentlichen den traditionellen ICE in Ihren EVs, um Leistung zu erzeugen und zu übertragen.

Ein Antriebsstrang besteht aus einigen Schlüsselelementen, darunter ein Energiespeichersystem – wie eine Batterie oder Brennstoffzelle – Leistungselektronik wie ein Wechselrichter oder Konverter, eine elektrische Maschine zur Umwandlung und ein Getriebesystem. Zusätzlich umfasst der EV‑Antriebsstrang die Antriebswelle, die die Leistung auf die Räder überträgt.  

Im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor, der viele komplexe bewegliche Teile hat, sind das Design und die Komponenten im Antriebsstrang wesentlich einfacher, geräuschlos und erzeugen keine Abgasemissionen.

Bei den Stromerzeugungssystemen in Antriebssträngen, die die erforderliche elektrische Leistung zum Bewegen des Fahrzeugs bereitstellen, stehen ein Batteriepaket und ein On‑Board‑Charger zur Verfügung. 

Ein Batteriepaket nutzt Zellen zur Energiespeicherung. Lithium‑Ion‑Zellen sind am beliebtesten und am weitesten verbreitet, da sie eine hohe Energiedichte besitzen, die ihre Speicherkapazität erhöht, während Brennstoffzellen eine weitere Art von Energiespeicher darstellen, die für ihr geringes Gewicht und ihre höhere Energieeffizienz bekannt sind. Das Batteriepaket enthält zudem ein Battery‑Management‑System (BMS), das einen sicheren Batteriebetrieb gewährleistet, indem es Über‑ oder Unterladung verhindert.

Ein On‑Board‑Charger nutzt eine externe Stromquelle wie das Stromnetz für Wechselstrom, der in Gleichstrom für die Speicherung in der Batterie umgewandelt wird. 

Das Stromverteilungssystem im Antriebsstrang steuert die Leistung von der Quelle, indem es leistungselektronische Komponenten integriert.

Dazu gehört ein DC‑zu‑AC‑Wechselrichter, der Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom umwandelt und die für die Geschwindigkeits‑ und Beschleunigungsregelung des Motors erforderlichen Wechselspannungen erzeugt, sowie ein DC‑zu‑DC‑Konverter, der die Hochspannungs‑DC‑Ausgabe der Batterie anpasst, um die Niederspannungs‑DC‑Versorgung für Hilfssysteme wie die Klimaanlage bereitzustellen.

Ein Thermomanagementsystem schützt Batterie und Motor vor extremen Temperaturen, während firmware‑gesteuerte elektronische Steuergeräte den effizienten und sicheren Betrieb der EV‑Antriebsstrang‑Komponenten sicherstellen.

Die Stromverteilungseinheit sorgt dafür, dass jedes System die richtige Menge an Leistung erhält, während die Fahrzeugsteuerungseinheit Daten aus verschiedenen Systemen, Sensoren und Controllern sammelt, verarbeitet und die Aktivitäten zwischen den Systemen synchronisiert.

Es gibt verschiedene Arten von elektrifizierten Antriebssträngen, die jeweils unterschiedliche Konfigurationen und Funktionen aufweisen.

Rein elektrische Fahrzeuge oder BEVs wie der Tesla Model 3, Nissan LEAF und BMW i3 nutzen wiederaufladbare Batteriepakete für ihren gesamten Energiebedarf und verwenden keine sekundären Energiespeicher. Sie müssen jedoch von einer externen Quelle geladen werden. 

Hybrid‑Elektrofahrzeuge (HEVs) wie der Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid und Ford Fusion Hybrid kombinieren einen ICE mit einem elektrischen Antriebsstrang, wodurch sie eine bessere Kraftstoffeffizienz und Leistung als ein traditionelles ICE‑Fahrzeug bieten. Diese Fahrzeuge nutzen Funktionen wie regeneratives Bremsen, um kinetische Energie wieder in elektrische Energie für die Speicherung umzuwandeln, ICE‑betriebene elektrische Generatoren für zusätzliche Leistung oder zum Aufladen der Batterie sowie Start‑Stop‑Systeme, die den Motor im Leerlauf abschalten.

Plug‑in‑Hybrid‑Elektrofahrzeuge (PHEVs) wie der Chevrolet Volt und Toyota Prius Prime können zusätzlich zu Benzin oder Diesel von einer externen Quelle geladen werden.

Das Brennstoffzellen‑Elektrofahrzeug (FCEV) nutzt Wasserstoff‑Brennstoffzellen anstelle von Batterien, um elektrischen Strom zu erzeugen.

Während ICEs seit über einem Jahrhundert die Hauptenergiequelle für Fahrzeuge darstellen, verursachen sie Umweltverschmutzung, was zum Aufstieg von EVs geführt hat. Diese Fahrzeuge mit Antriebssträngen bieten mehrere Vorteile, darunter die Reduzierung von Schadstoffen und Treibhausgasen. Sie tragen zudem zu einer leiseren Umgebung bei, indem sie Lärmbelastungen verringern.

Ein weiterer großer Vorteil von Antriebssträngen ist ihre deutlich höhere Energieeffizienz im Vergleich zu ICEs, da mehr als 80 % der gespeicherten Energie in Bewegung umgesetzt werden. Die geringere Anzahl beweglicher Teile reduziert zudem die Wartungskosten. Zudem ist der Strompreis für den Betrieb eines EVs niedriger als für Diesel oder Benzin. Tatsächlich kostet das Betanken eines benzinbetriebenen Fahrzeugs in den USA etwa das Doppelte im Vergleich zu einem EV.

Das bedeutet jedoch nicht, dass EVs keine Nachteile haben. Zum einen sind die Anschaffungskosten für ein EV höher als für ein ICE‑Fahrzeug. Dann gibt es die Ladezeit, die je nach Kapazität der Ladestation zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden liegen kann, während das Befüllen eines ICE‑Tanks nur wenige Minuten dauert. Die begrenzte Reichweite eines EVs pro Ladung verursacht bei Verbrauchern Reichweitenangst und stellt ein weiteres Problem dar.

Trotz dieser Herausforderungen ermöglichen EVs eine verbesserte Kraftstoffeffizienz und geringere Emissionen und tragen zu einem widerstandsfähigeren Verkehrssystem bei. Dies hat zu einem Vorstoß für Elektrifizierung geführt, der spannende Innovationen im EV‑Antriebsstrang hervorbringt, um verbesserte Leistungen, Effizienz und Umweltfreundlichkeit zu bieten.

KI‑basiertes OPED zur Beschleunigung der Antriebsstrang‑Entwicklung

Angesichts der Schlüsselrolle, die Antriebsstränge in Elektrofahrzeugen spielen, ist die Verbesserung der Antriebsstrang‑Entwicklung entscheidend, um Ressourcen, Kosten und Zeit zu sparen.

Forscher der Technischen Universität Graz, Österreichs ältester Wissenschafts‑ und Technologie‑Forschungs‑ und Bildungseinrichtung, haben genau das getan, indem sie die EV‑Antriebsstrang‑Entwicklung mit einem KI‑gesteuerten System namens OPED revolutioniert haben, das Komponenten optimiert und Monate komplexer Ingenieurarbeit auf nur einen Tag reduziert.

Die von den Forschern entwickelte neue Lösung ist die Optimisation of Electric Drives (OPED), eine Software, die das technische Design optimiert und dabei die Treibhausgasemissionen entlang der gesamten Lieferkette berücksichtigt.

Mit dieser Lösung will das Forscherteam unter Leitung von Martin Hofstetter vom Institut für Fahrzeugtechnik die Entwicklungsphase des Antriebsstrangs verkürzen, indem Simulations‑Komponentenmodelle mit evolutionären Algorithmen kombiniert werden. 

Das KI‑System optimiert den gesamten Antriebsstrang automatisch gemäß den technischen Vorgaben des Herstellers, einschließlich Produktionskosten, Effizienz und Platzanforderungen im Fahrzeug. 

OPED wird bereits seit einem Jahrzehnt entwickelt. Im Jahr 2018 begann das offizielle Projekt von OPED mit der Optimierung des Designs von elektrischen Achsantriebssystemen, wobei das erste Getriebemodell eingeführt wurde.

Im Laufe der Jahre wurde das Projekt weiter vorangetrieben, unter anderem durch die Einführung mengenabhängiger Kostenmodelle, eines übergeordneten Entwicklungsprozesses, eines Grundansatzes zur Optimierung von Produktfamilien, einer Übersicht über die allgemeine Methodik hinter dem Modell, eines Modellierungsansatzes zur Optimierung der Integration eines Park‑Locks und eines Inverter‑Modells für OPED.

Im letzten Jahr veröffentlichte das Team Arbeiten, die die Lösung erweitern, um die Optimierung von Produktfamilien und die Minimierung des CO₂‑Fußabdrucks eines elektrischen Achsantriebs sowie weitere Designziele zu ermöglichen.

Nach über zehn Jahren Forschung hat das Team dieses Modell erfolgreich erstellt, das laut der offiziellen OPED‑Website darauf abzielt, die anspruchsvolle Aufgabe der Auslegung elektrischer Antriebe für EVs zu vereinfachen. Die Aufgabe erfordert zahlreiche kritische Entscheidungen im Design, von denen jede unterschiedliche Kunden‑Ziele beeinflusst, die miteinander im Konflikt stehen, was die Findung der besten Lösung erschwert. Laut Hofstetter:

“Elektrische Antriebe bestehen aus einer großen Anzahl von Komponenten, die sehr unterschiedlich gestaltet werden können, um die gewünschten Anforderungen zu erfüllen. Wenn ich eine kleine Änderung an der elektrischen Maschine vornehme, wirkt sich das auf das Getriebe und die Leistungselektronik aus. Deshalb ist es extrem komplex, optimale Entscheidungen zu treffen.”

Es müssen nicht nur zahlreiche Designentscheidungen zu den Unterkomponenten der elektrischen Maschine getroffen werden, um die Kundenanforderungen optimal zu erfüllen, sondern der zunehmende Wettbewerb erfordert zudem anspruchsvolle Produktdesigns und eine kurze Markteinführungszeit für den kommerziellen Erfolg. 

Hier präsentiert sich OPED als Lösung für das komplexe Designproblem, das KI nutzt und autonom nach optimalen Systemdesigns sucht. Der Algorithmus deckt das Getriebe, die elektrische Maschine und die Leistungselektronik des EVs ab und optimiert deren bestmögliche Integration im verfügbaren Fahrzeugraum in einer multi‑objektiven Vorgehensweise.

Die Software kombiniert tatsächlich etwa 50 Designparameter gleichzeitig und vergleicht sie anschließend mit den Prioritäten der Hersteller. Sie entfernt schlechte Varianten und optimiert bessere. Nach mehreren hunderttausend Simulationszyklen findet sie die beste Lösung für den Hersteller, der die Varianten auswählen kann, die er entwickeln und implementieren möchte.

“Was Ingenieure ohne KI‑Unterstützung Monate benötigen würden, erledigt OPED in etwa einem Tag. Das ermöglicht den Entwicklungsteams, sich auf Entscheidungen auf hoher Ebene zu konzentrieren, anstatt ihre begrenzte Zeit in manuelle Berechnungs‑ und Simulationsarbeit zu investieren.”

– Hofstetter

Durch seine vielfältige Palette optimaler Designs leitet das Modell Ingenieure und Entscheidungsträger im gesamten Entwicklungsprozess von Anfang an, was die Entwicklungszeit erheblich verkürzt und Qualität sowie Wettbewerbsfähigkeit steigert.

Forscher haben zudem die während der Antriebsstrang‑Produktion über die gesamte Lieferkette entstehenden CO₂‑Emissionen als Optimierungskriterium hinzugefügt, sodass Hersteller Nachhaltigkeit bereits in der frühen Entwicklungsphase berücksichtigen können.

“Der OPED‑Ansatz kann für eine Vielzahl von Produktentwicklungen eingesetzt werden”, sagte Hofstetter und fügte hinzu, sie “freuen sich, mit neuen Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um ihn an deren Herausforderungen und Ziele anzupassen.”

Die Lösung wurde für die Optimierung elektrischer Antriebsstränge einer gesamten Fahrzeugplattform von Dominik Lechleitner im Rahmen seiner Doktorarbeit erweitert. OPED unterstützt dabei, optimale Komponenten zu finden, die als Transfer‑Teile in den Antriebssträngen verschiedener Modelle verwendet werden können, wodurch Entwicklungs‑ und Produktionskosten gespart werden.

Aufbauend auf seiner Antriebsstrang‑Expertise arbeitet das Team nun daran, seine Methoden auf andere Produkte und Branchen über ein generisches Produkt namens OPx zu übertragen, das eine bequeme Skalierung ermöglicht.

Wichtige Marktteilnehmer

Zu den wichtigsten Akteuren im Markt für elektrische Antriebsstränge gehören 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 und Robert Bosch Gmbh.

Nun wollen wir uns einige der prominenten Namen genauer ansehen: 

1. BorgWarner Inc. (BWA )

BorgWarner investiert aktiv in EV‑Technologien und KI‑gesteuerte Lösungen; das Produktportfolio umfasst Turbolader, e‑Boosters, e‑Turbos, Emissionssysteme, Thermalsysteme, Steuerungs‑Module, On‑Board‑Charger, DC/DC‑Wandler, DC‑Schnelllader und Lithium‑Ion‑Batteriesysteme für elektrifizierte Bus‑ und Lkw‑Anwendungen.

Zum Zeitpunkt der Erstellung beträgt die Marktkapitalisierung des Unternehmens 6,85 Milliarden $, die Aktien werden zu 31,33 $ gehandelt, ein Rückgang von 1,45 % seit Jahresbeginn. Im 4. Quartal 2024 erzielte BorgWarner nach US‑GAAP einen Nettoumsatz von 3 522 Millionen $, einen Nettogewinn von 0,64 $ je verwässerter Aktie und einen freien Cash‑Flow von 679 Millionen $. In diesem Zeitraum schloss das Unternehmen eine Vereinbarung mit der BYD‑Tochter FinDreams Battery, ein Joint‑Venture mit Shaanxi Fast Auto zur Entwicklung einer Hochspannungs‑Inverter‑Anwendung für den chinesischen Markt, und erwarb die Electric Hybrid Systems von Eldor Corporation.

“Wir bieten ein vollständiges Produktsortiment für den Nutzfahrzeugbereich, das Verbrennung, Hybrid und vollständig elektrifizierte Antriebsstränge abdeckt. Unser Portfolio ist robust gegenüber dem Tempo des Branchenwandels.”

– Chief Strategy Officer von BorgWarner, Dr. Paul Farrell, sagte kürzlich in einem Interview

2. XPeng Inc. (XPEV )

Das in China ansässige Xpeng produziert intelligente Elektrofahrzeuge, die viel Aufmerksamkeit erhalten. CEO He Xiaopeng erklärte kürzlich, dass er für dieses Jahr eine Verdopplung der jährlichen Auslieferungen budgetierter intelligenter Autos erwartet, also 380 000 Fahrzeuge.

Zum Zeitpunkt der Erstellung beträgt die Marktkapitalisierung des Unternehmens 16,14 Milliarden $, die Aktien werden zu 16,65 $ gehandelt, ein Anstieg von 43,74 % seit Jahresbeginn. Im 3. Quartal 2024 verzeichnete Xpeng einen Gesamtumsatz von 1,44 Milliarden $, ein Wachstum von 18,4 % gegenüber 3Q23 und 24,5 % gegenüber 2Q24. 

Der Umsatz aus Fahrzeugverkäufen belief sich auf 1,25 Milliarden $ bei 46 533 ausgelieferten Fahrzeugen im Quartal, gegenüber 40 008 im gleichen Quartal des Vorjahres. Das firmeneigene Ladenetz erreichte gleichzeitig 1 557 Stationen. Kassenbestand, kurzfristige Anlagen und Termineinlagen am Quartalsende beliefen sich auf 5,09 Milliarden $.

Xpeng avancierte im Januar 2025 tatsächlich zum umsatzstärksten EV‑Startup Chinas im ersten Monat, ein Zeitraum, der zusammen mit dem Februar traditionell schwache Verkaufszahlen wegen des chinesischen Neujahrs aufweist. Im selben Monat stellte das Luftfahrtunternehmen von Xpeng sein „modulares fliegendes Auto“ auf der CES 2025 vor.

Gleichzeitig spricht CEO He davon, im zweiten Halbjahr dieses Jahres das L3‑Voll‑Szenario‑autonome Fahren zu realisieren.

“Ich glaube, dass L3‑autonomes Fahren KI‑Autos in die ‚iPhone‑4‑Ära‘ führen wird.”

– CEO He

Fazit

Elektrofahrzeuge erleben ihren großen Moment, da technologische Fortschritte ihre Preise senken. Mit dem Aufstieg der elektrischen Mobilität wächst auch der Markt für Antriebsstränge rasant. Die Integration elektrischer Antriebsstränge mit autonomem Fahren und vernetzten Fahrzeugtechnologien wird voraussichtlich die Automobilindustrie weiter revolutionieren.

In diesem Kontext markieren Lösungen wie OPED einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung von EV‑Antriebssträngen, die die Entwicklungszeit erheblich verkürzen, die Effizienz steigern und die Produktionskosten minimieren. 

Durch die Möglichkeit einer superschnellen Optimierung von EV‑Antriebssträngen und die Balance von Leistung, Kosten und Nachhaltigkeitszielen setzt OPED nicht nur einen Benchmark für Effizienz und Nachhaltigkeit im Engineering, sondern kann auch das Wachstum und die Akzeptanz von EVs unterstützen und so den Übergang zu einer grüneren Zukunft beschleunigen.

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