Optimizar la Ingeniería de Tren de Potencia con IA Puede Ahorrar Tiempo, Dinero y Emisiones

La adopción de vehículos eléctricos está en aumento a nivel mundial, impulsada por fuertes incentivos gubernamentales, mejoras en la infraestructura y avances en la tecnología de baterías.

Se espera que este crecimiento continúe, con Gartner pronosticando que 85 millones de vehículos eléctricos estarán en uso en todo el mundo para finales de 2025. Esto incluirá no solo automóviles, sino también autobuses, furgonetas y camiones pesados. Se espera que la gran mayoría de estos sean vehículos eléctricos de batería (BEV), los cuales se prevé que aumenten un 35%, mientras que los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) podrían experimentar un salto del 28% en comparación con el año pasado. 

El creciente uso de vehículos eléctricos será respaldado por una drástica reducción en los precios de las baterías de VE, impulsada por la producción a gran escala y los avances tecnológicos. Goldman Sachs (GS ) proyecta que los precios de las baterías de VE se reducirán a la mitad para 2026. 

Incluso se espera que la industria de reciclaje de baterías continúe creciendo, con Statista reportando un estimado de 250 kilotoneladas de baterías procesadas en 2020 por empresas de reciclaje de baterías de VE en todo el mundo. Estas cifras probablemente aumentarán más de siete veces para 2030 y superarán los 200 millones de toneladas para 2040.

Esto, junto con la creciente competencia entre los fabricantes de automóviles, también reducirá los precios de los VE, lo que a su vez impulsará su adopción. Otro factor que contribuye a este crecimiento es la tecnología de carga ultra rápida y accesible. Según la Agencia Internacional de Energía (IEA), el número de estaciones de carga públicas en todo el mundo superará los 15 millones para finales de esta década. 

Otra tendencia clave de los VE es el enfoque en cero emisiones, con reguladores, consumidores y fabricantes de automóviles apoyando una movilidad más limpia y sostenible.  

En cuanto al tamaño del mercado de trenes de potencia eléctricos, se valoró en $86.9 billion en 2023 y se proyecta que supere los $300 billion by 2031 a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 17.1% durante este período. Ahora, el futuro de este mercado se segmenta según el tipo de integración: tipo de vehículo, que incluye automóviles de pasajeros (PC) y vehículos comerciales ligeros (LCV), propulsión, que abarca BEV y PHEV, y componentes, que cubren batería, motor, controlador, inversor/conversor, sistema de gestión de baterías (BMS), módulo de entrega de energía (PDM) y cargador a bordo. 

Según el tipo de integración, el mercado se divide en integrado y no integrado, y se espera que el segmento de e‑tren de potencia integrado tenga la tasa de crecimiento más alta. Este crecimiento está respaldado por avances tecnológicos, producción de VE rentable y la necesidad de mejorar el rendimiento del vehículo. 

La integración de componentes clave reduce la complejidad, disminuye los costos de producción, libera espacio en los VE y mejora la eficiencia energética. 

Mientras tanto, el segmento basado en baterías domina actualmente el mercado por razones evidentes. Una batería es el componente principal de un tren de potencia de VE y determina el rendimiento del vehículo, la eficiencia energética y la autonomía. Además, representa la mayor parte del costo total de un VE y, como tal, tiene el mayor impacto financiero en el mercado de trenes de potencia. 

Trenes de Potencia en Vehículos Eléctricos 

Al igual que el motor es una parte clave de su automóvil, los trenes de potencia eléctricos son un componente vital de un coche eléctrico, ya sea un VE puro o híbrido.

En sus vehículos de gasolina o diésel, un motor de combustión interna (ICE) funciona como la fuente principal de energía donde el combustible se convierte en energía mecánica. Mientras tanto, en un VE, un e‑tren de potencia es responsable de convertir la energía eléctrica en energía mecánica para impulsar su vehículo. Así, el e‑tren de potencia básicamente reemplaza al ICE tradicional en sus VE para generar y entregar energía.

Ahora, un tren de potencia está compuesto por algunos elementos clave, incluyendo un sistema de almacenamiento de energía —como una batería o una pila de combustible—, electrónica de potencia como un inversor o convertidor, una máquina eléctrica para la conversión y un sistema de transmisión. Además, el tren de potencia del VE también incluye el eje de transmisión para transferir la potencia a las ruedas.  

En comparación con un motor de combustión interna, que tiene muchas piezas móviles complejas, el diseño y los componentes del tren de potencia son mucho más simples, sin ruido y con cero emisiones por el tubo de escape.

En lo que respecta a los sistemas de generación de energía en los trenes de potencia que proporcionan la energía eléctrica necesaria para mover el vehículo; están disponibles en forma de paquete de baterías y cargador a bordo. 

Un paquete de baterías utiliza celdas para almacenar energía. Lithium-ion cells son las más populares y ampliamente usadas debido a su alta densidad energética, lo que incrementa su capacidad de almacenamiento, mientras que las pilas de combustible son otro tipo de almacenamiento de energía conocidas por ser más ligeras y tener mayor eficiencia energética. El paquete de baterías también contiene un sistema de gestión de baterías (BMS) para garantizar una operación segura de la batería, evitando sobrecargas o descargas.

Un cargador a bordo utiliza una fuente de carga externa, como la red eléctrica para la corriente alterna, que se convierte en corriente continua para su almacenamiento en la batería. 

Ahora, el sistema de distribución de energía en el tren de potencia controla la energía de la fuente mediante la integración de componentes electrónicos de potencia.

Esto incluye un inversor de CC a CA que transforma la energía de CC de la batería a energía de CA y genera voltajes alternos necesarios para controlar la velocidad y aceleración del motor, y un convertidor de CC a CC para ajustar la salida de CC de alto voltaje de la batería y suministrar CC de bajo voltaje para alimentar sistemas auxiliares como el aire acondicionado.

Un sistema de gestión térmica protege la batería y el motor de temperaturas extremas, mientras que las unidades de control electrónico alimentadas por firmware garantizan la operación eficiente y segura de los componentes del tren de potencia del VE.

La unidad de distribución de energía asegura que cada sistema reciba la cantidad adecuada de energía, mientras que la unidad de control del vehículo recopila y procesa datos de varios sistemas, sensores y controladores y sincroniza las actividades entre los sistemas.

Ahora, existen varios tipos diferentes de trenes de potencia electrificados, cada uno con configuraciones y funcionalidades distintas.

Los vehículos puramente eléctricos o BEV, como el Tesla (TSLA ) Model 3, Nissan LEAF y BMW i3, utilizan paquetes de baterías recargables para todas sus necesidades de energía y no emplean fuentes de almacenamiento de energía secundarias. Sin embargo, necesitan cargarse desde una fuente externa. 

Hybrid electric vehicles (HEVs) como el Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid y Ford Fusion Hybrid combinan un ICE con un tren motriz eléctrico, lo que les permite ofrecer mejor economía de combustible y rendimiento que un ICEV tradicional. Estos vehículos utilizan funciones como el frenado regenerativo para convertir la energía cinética nuevamente en energía eléctrica para su almacenamiento, generadores eléctricos alimentados por ICE para energía adicional o para recargar la batería, y sistemas de arranque‑parada para apagar el motor cuando está inactivo.

Los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) como el Chevrolet Volt y el Toyota Prius Prime pueden cargarse desde una fuente externa además de utilizar gasolina o diésel.

Los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) utilizan pilas de combustible de hidrógeno en lugar de baterías para producir corriente eléctrica.

Aunque los ICE han sido la principal fuente de energía para los vehículos durante más de un siglo, son responsables de la contaminación ambiental, lo que ha llevado al auge de los VE. Estos vehículos con trenes de potencia ofrecen varios beneficios, incluyendo la reducción de la contaminación y los gases de efecto invernadero. También contribuyen a un entorno más silencioso al reducir la contaminación acústica.

Otro gran beneficio de los trenes de potencia es que son significativamente más eficientes energéticamente que los ICE, convirtiendo más del 80% de la energía almacenada en movimiento. La menor cantidad de piezas móviles en los trenes de potencia también reduce sus costos de mantenimiento. Además, el costo de la electricidad necesaria para alimentar un VE es inferior al del diésel o la gasolina. De hecho, abastecer un vehículo de gasolina le costará aproximadamente el doble que un VE en EE. UU.

Sin embargo, esto no significa que los VE no tengan desventajas. En primer lugar, el costo inicial de comprar un VE es más alto que el que se necesita para un vehículo ICE. Luego está el tiempo de carga, que puede variar desde 30 minutos hasta varias horas según la capacidad de la estación de carga, mientras que llenar el tanque de un ICE lleva solo unos minutos. La autonomía limitada de los VE con una sola carga genera ansiedad de autonomía entre los consumidores, presentando otro problema con estos vehículos.

A pesar de estos desafíos, los VE permiten una mejor economía de combustible y reducen las emisiones, al tiempo que contribuyen a un sistema de transporte más resiliente. Esto ha impulsado la electrificación, lo que está generando innovaciones emocionantes en los trenes de potencia de los VE para ofrecer beneficios mejorados en rendimiento, eficiencia y respeto al medio ambiente.

OPED basado en IA para Acelerar el Desarrollo de Tren de Potencia

Dado el papel clave que los trenes de potencia desempeñan en los vehículos eléctricos, mejorar el desarrollo del tren de potencia es fundamental para lograr ahorros de recursos, costos y tiempo.

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Graz, la institución de investigación y educación científica y tecnológica más antigua de Austria, han logrado eso al revolucionar el desarrollo del tren de potencia de los VE con un sistema impulsado por IA llamado OPED que optimiza los componentes para reducir meses de ingeniería compleja a solo un día.

La new solution developed por los investigadores es la Optimización de Accionamientos Eléctricos (OPED), que es un software que optimiza el diseño técnico teniendo en cuenta las emisiones de gases de efecto invernadero a lo largo de toda la cadena de suministro.

Con esta solución, el equipo de investigadores liderado por Martin Hofstetter del Instituto de Ingeniería Automotriz busca acortar la fase de desarrollo del tren de potencia combinando modelos de componentes de simulación con algoritmos evolutivos. 

El sistema de IA optimiza automáticamente todo el tren de potencia de acuerdo con los requisitos técnicos del fabricante, cubriendo costos de producción, eficiencia y requisitos de espacio del paquete en el vehículo. 

OPED ha estado en desarrollo durante una década. En 2018, el concepto de optimización del diseño del sistema de transmisión del eje eléctrico inició el viaje oficial de OPED, con el cual también se introdujo el primer modelo de caja de cambios.

Con los años, este recorrido avanzó con la introducción de modelos de costos dependientes de la cantidad, un proceso de desarrollo integral, un enfoque básico para optimizar familias de productos con él, una visión general de la metodología general detrás del modelo, un enfoque de modelado para optimizar la integración de un bloqueo de estacionamiento y un modelo de inversor para OPED.

El año pasado, el equipo publicó artículos sobre la ampliación de la solución para permitir la optimización de familias de productos y la minimización de la huella de carbono de una transmisión de eje eléctrico, entre otros objetivos de diseño.

Después de más de diez años de investigación, el equipo ha creado con éxito este modelo, que, según el sitio web oficial de OPED website, busca simplificar la tarea desafiante de diseñar accionamientos eléctricos necesarios para los VE. La tarea requiere tomar muchas decisiones críticas sobre el diseño, cada una de las cuales afecta diferentes objetivos del cliente que están en conflicto entre sí, lo que dificulta encontrar la mejor solución. Según Hofstetter:

“Los accionamientos eléctricos consisten en una gran cantidad de componentes que pueden diseñarse de manera muy diferente para cumplir con los requisitos deseados. Si hago un pequeño cambio en la máquina eléctrica, afecta a la transmisión y a la electrónica de potencia. Por lo tanto, es extremadamente complejo tomar decisiones óptimas.”

No solo se deben tomar numerosas decisiones de diseño sobre los subcomponentes de la máquina eléctrica para adaptarse óptimamente a los requisitos del cliente, sino que la creciente competencia también exige diseños de productos sofisticados y un tiempo de comercialización corto para el éxito comercial. 

Aquí, OPED se presenta como la solución al problema de diseño complejo, que utiliza IA y busca de forma autónoma diseños de sistemas óptimos. El algoritmo cubre la caja de cambios del VE, la máquina eléctrica y la electrónica de potencia y optimiza su mejor integración posible en el espacio disponible del vehículo de manera multiobjetivo.

El software combina alrededor de 50 parámetros de diseño simultáneamente y luego los compara con las prioridades de los fabricantes. Elimina variantes deficientes y optimiza las mejores. Después de varios cientos de miles de ciclos de simulación, encuentra la mejor solución para el fabricante, que puede seleccionar las variantes que desea desarrollar e implementar.

“Lo que los ingenieros necesitarían meses para hacer sin el apoyo de IA lleva aproximadamente un día con OPED. Esto permite que los equipos de desarrollo se centren en decisiones de alto nivel en lugar de invertir su tiempo limitado en cálculos y simulaciones manuales.”

– Hofstetter

A través de su diverso conjunto de diseños óptimos, el modelo guía a ingenieros y tomadores de decisiones en todo el proceso de desarrollo desde el principio, lo que reduce significativamente el tiempo de desarrollo y aumenta la calidad y la competitividad.

Los investigadores también han añadido las emisiones de CO2 generadas durante la producción del tren de potencia a lo largo de toda la cadena de suministro como un criterio de optimización que permite a los fabricantes considerar la sostenibilidad desde la fase temprana de desarrollo.

“El enfoque OPED puede usarse para una amplia variedad de desarrollos de productos,” dijo Hofstetter, añadiendo que “están felices de trabajar con nuevos socios industriales para adaptarlo a sus desafíos y objetivos.”

La solución se ha ampliado para la optimización de trenes de potencia eléctricos para una plataforma completa de vehículos por Dominik Lechleitner como parte de su tesis doctoral. OPED ayuda a encontrar componentes óptimos que se pueden utilizar como piezas de transferencia en los trenes de potencia de diferentes modelos, ahorrando costos de desarrollo y producción.

Basándose en su experiencia en trenes de potencia, el equipo ahora está trabajando en expandir sus métodos a otros productos e industrias mediante un producto genérico llamado OPx, que permite una escalabilidad conveniente.

Principales Jugadores del Mercado

Algunos de los principales actores en el mercado de trenes de potencia eléctricos incluyen 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 y Robert Bosch Gmbh.

Ahora, profundicemos en un par de nombres destacados: 

1. BorgWarner Inc.

Invirtiendo activamente en tecnologías de VE y soluciones impulsadas por IA, la línea de productos de BorgWarner (BWA ) incluye turbocompresores, e‑boosters, e‑turbos, sistemas de emisiones, sistemas térmicos, módulos de control, cargadores a bordo, convertidores DC/DC, cargadores rápidos de DC y sistemas de baterías de iones de litio para aplicaciones de autobuses y camiones electrificados.

Al momento de escribir, las acciones de la empresa con capitalización de mercado de $6.85 billion cotizan a $31.33, con una caída del 1.45% YTD. Para el Q4 2024, las ventas netas bajo US GAAP de BorgWarner fueron de $3,522 million, y las ganancias netas fueron de $0.64 por acción diluida, mientras que el flujo de caja libre fue de $679 million. Durante este período, la compañía firmó un acuerdo con la subsidiaria de BYD, FinDreams Battery, una empresa conjunta con Shaanxi Fast Auto para desarrollar una aplicación de inversor de alto voltaje para el mercado chino, y adquirió los Sistemas Híbridos Eléctricos de Eldor Corporation.

“Ofrecemos una gama completa de productos para el sector de vehículos comerciales, atendiendo a trenes de potencia de combustión, híbridos y totalmente electrificados. Nuestro portafolio es resistente al ritmo de cambio de la industria.”

– El Director de Estrategia de BorgWarner, Dr. Paul Farrell, dijo recientemente en una entrevista

2. XPeng Inc.

La empresa china Xpeng produce vehículos eléctricos inteligentes, que han ganado mucha atención. El CEO He Xiaopeng dijo recientemente que espera que las entregas anuales de coches inteligentes presupuestados se dupliquen este año, alcanzando 380.000 vehículos.

Al momento de escribir, las acciones de la empresa con capitalización de mercado de $16.14 billion cotizan a $16.65, con un aumento del 43.74% YTD. En el Q3 2024, Xpeng registró ingresos totales de $1.44 billion, un incremento del 18.4% respecto al 3Q23 y un aumento del 24.5% respecto al 2Q24. 

Los ingresos por ventas de vehículos fueron de $1.25 billion con 46,533 vehículos entregados por la compañía en el trimestre, frente a 40,008 en el mismo trimestre del año anterior. Su red de estaciones de carga operada por la propia empresa alcanzó 1,557 estaciones. El efectivo y equivalentes, efectivo restringido, inversiones a corto plazo y depósitos a plazo al final del trimestre fueron de $5.09 billion.

Xpeng realmente surgió como la startup de VE más vendida de China en el primer mes de 2025, que junto con febrero son tradicionalmente temporadas bajas para los fabricantes locales en China debido al Año Nuevo Chino. Ese mismo mes, la empresa aeroespacial de Xpeng también unveiled su “coche volador modular” en el CES 2025.

Mientras tanto, el CEO He ha estado hablando de lograr la conducción autónoma de escenario completo L3 en la segunda mitad de este año.

“Creo que la conducción autónoma L3 llevará los coches de IA a la ‘era iPhone 4’.”

– CEO He

Conclusión

Los vehículos eléctricos están viviendo su gran momento a medida que los avances tecnológicos reducen sus precios. A medida que la movilidad eléctrica aumenta, el mercado de trenes de potencia también está experimentando un rápido crecimiento. Se espera que la integración de trenes de potencia eléctricos con la conducción autónoma y las tecnologías de vehículos conectados revolucione aún más la industria automotriz.

En medio de esto, soluciones como OPED marcan un avance significativo en el desarrollo de trenes de potencia de VE, lo que puede reducir significativamente el tiempo, mejorar la eficiencia y minimizar los costos de producción. 

Al permitir una optimización ultrarrápida de los trenes de potencia de VE y equilibrar los objetivos de rendimiento, costo y sostenibilidad, OPED no solo establece un referente de eficiencia y sostenibilidad en la ingeniería, sino que también puede ayudar a apoyar el crecimiento y la adopción de los VE, acelerando la transición a un futuro más verde.

Haga clic aquí para obtener una lista de las principales acciones de VE.