Sähköajoneuvojen voimansiirron optimointi tekoälyn avulla voi säästää aikaa, rahaa ja päästöjä

Sähköautojen käyttöönotto on maailmanlaajuisesti kasvussa, jota vauhdittavat vahvat hallituksen kannustimet, infrastruktuurin parantaminen ja akkuteknologian edistysaskeleet. 

Tämän kasvun odotetaan jatkuvan, ja Gartner ennustaa, että vuoden 2025 loppuun mennessä maailmassa on käytössä 85 miljoonaa sähköautoa. Tämä sisältää paitsi henkilöautot myös bussit, pakettiautot ja raskaat kuorma‑autot. Suurin osa näistä odotetaan olevan akkukäyttöisiä sähköajoneuvoja (BEV), joiden odotetaan kasvavan 35 %, kun taas plug‑in‑hybridiajoneuvot (PHEV) voisivat kasvaa 28 % viime vuoteen verrattuna. 

Kasvavaa sähköautojen käyttöönottoa tukee merkittävä sähköautojen akkujen hintojen lasku, jonka taustalla on tuotannon skaalaus ja teknologinen kehitys. Goldman Sachs (GS ) ennustaa, että sähköautojen akkujen hinnat puolittuvat vuoteen 2026 mennessä. 

Myös akkujen kierrätysala odotetaan jatkavan kasvua, sillä Statista raportoi, että vuonna 2020 maailmanlaajuisesti sähköautojen akkujen kierrätysyhtiöt käsittelivät arviolta 250 kilotonnia akkuja. Näiden lukujen odotetaan nousevan yli seitsemänkertaisiksi vuoteen 2030 mennessä ja ylittävän 200 miljoonaa tonnia vuoteen 2040 mennessä.

Tämä, yhdessä autonvalmistajien kasvavan kilpailun kanssa, myös laskee sähköautojen hintoja, mikä puolestaan lisää niiden käyttöönottoa. Toinen kasvuun vaikuttava tekijä on helposti saavutettava, erittäin nopea latausteknologia. Kansainvälisen energiajärjestön (IEA) mukaan julkisten latausasemien määrä maailmanlaajuisesti ylittää 15 miljoonaa tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. 

Toinen keskeinen sähköautotrendi on nollapäästöihin keskittyminen, jossa sääntelijät, kuluttajat ja autonvalmistajat tukevat puhtaampaa ja kestävää liikkumista.  

Sähköisten voimansiirtojen markkina‑alueen koosta oli vuonna 2023 arvo 86,9 miljardia dollaria, ja sen odotetaan nousevan yli $300 billion by 2031, mikä vastaa 17,1 %:n vuotuista kasvukautta tänä aikana. Tulevaisuuden markkinat on nyt jaoteltu integraatiotyypin mukaan: ajoneuvotyyppi, joka sisältää henkilöautot (PC) ja kevyet hyötyajoneuvot (LCV), voimansiirto, joka kattaa BEV‑ ja PHEV‑mallit, sekä komponentti, joka käsittää akun, moottorin, ohjaimen, invertterin/konvertterin, akkuhallintajärjestelmän (BMS), virtalähdemoduulin (PDM) ja paikallaan olevan laturin.

Integraatiotyypin perusteella markkinat jakautuvat integroituihin ja ei‑integroituun, ja integroidun e‑voimansiirron segmentin odotetaan kasvavan nopeimmin. Tämä kasvu saa tukea teknologian edistysaskeleista, kustannustehokkaasta sähköautotuotannosta ja parannetun ajoneuvon suorituskyvyn tarpeesta. 

Keskeisten komponenttien integrointi vähentää monimutkaisuutta, alentaa tuotantokustannuksia, vapauttaa tilaa sähköautoissa ja parantaa energiatehokkuutta. 

Samaan aikaan akkuun perustuva segmentti hallitsee markkinoita, ja syyt ovat ilmeiset. Akku on sähköisen voimansiirron keskeisin komponentti, joka määrittää ajoneuvon suorituskyvyn, energiatehokkuuden ja toimintasäteen. Se muodostaa myös suurimman osan sähköauton kokonaiskustannuksista, ja näin ollen sillä on merkittävin taloudellinen vaikutus voimansiirtomarkkinoihin. 

Sähköautojen voimansiirrot 

Aivan kuten moottori on autosi keskeinen osa, myös sähköinen voimansiirto on olennainen komponentti sähköautossa, olipa kyseessä puhdas sähköauto tai hybridi‑sähköauto. 

Bensiini‑ tai dieselajoneuvoissa polttomoottori (ICE) toimii ensisijaisena energialähteenä, jossa polttoaine muutetaan mekaaniseksi energiaksi. Sähköautossa e‑voimansiirto puolestaan muuntaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi ajoneuvon liikuttamiseksi. Näin ollen e‑voimansiirto korvaa perinteisen ICE‑moottorin sähköautossa tuottaen ja toimittaen voiman. 

Voimansiirto koostuu muutamista keskeisistä osista, kuten energian varastointijärjestelmästä – esimerkiksi akusta tai polttokennosta – tehoelektroniikasta, kuten invertteristä tai konvertterista, sähköisestä koneesta muunnosta varten ja vaihteistosta. Lisäksi sähköauton voimansiirto sisältää voimavaijerin, joka siirtää voiman pyöriin.  

Toisin kuin polttomoottorissa, jossa on monia monimutkaisia liikkuvia osia, voimansiirron suunnittelu ja komponentit ovat paljon yksinkertaisempia, eivätkä ne aiheuta melua tai pakoputkistopäästöjä.

Kun tarkastellaan voimansiirron energianlähdejärjestelmiä, jotka tarjoavat tarvittavan sähkövoiman ajoneuvon liikkumiseen, ne ovat saatavilla akkupaketin ja paikallaan olevan laturin muodossa. 

Akkupaketti käyttää soluja energian varastointiin. Litium‑ioni‑solut ovat suosituimpia ja laajimmin käytettyjä, koska niillä on korkea energiatihkentyminen, mikä lisää niiden varastointikapasiteettia, kun taas polttokennot ovat toinen energian varastointimuoto, jotka tunnetaan kevyemmistä ja energiatehokkaammista ominaisuuksistaan. Akkupaketissa on myös akkuhallintajärjestelmä (BMS), joka varmistaa turvallisen akkujen toiminnan estämällä ylikuormituksen tai tyhjentymisen.

Paikallaan oleva laturi käyttää ulkoista latauslähdettä, kuten verkkoa vaihtovirralle, joka muunnetaan tasavirraksi akkuun varastoitavaksi. 

Nyt voimansiirron virtajakeluohjelma ohjaa lähteestä tulevaa virtaa integroimalla tehoelektroniikkakomponentit.

Tähän sisältyy DC‑AC‑invertteri, joka muuntaa akusta tulevan tasavirran vaihtovirraksi ja tuottaa vaihtojännitteen, jota tarvitaan moottorin nopeuden ja kiihtyvyyden ohjaamiseen, sekä DC‑DC‑invertteri, joka säätää akun korkean jännitteen tasavirtalähdön tarjoamaan matalan jännitteen tasavirran apujärjestelmille, kuten ilmastoinnille.

Lämpöhallintajärjestelmä suojaa akkua ja moottoria äärilämpötiloilta, kun taas ohjelmistopohjaiset ohjausyksiköt varmistavat sähköauton voimansiirron komponenttien tehokkaan ja turvallisen toiminnan.

Virtajakelu­yksikkö varmistaa, että jokainen järjestelmä saa oikean määrän virtaa, kun taas ajoneuvon ohjausyksikkö kerää ja käsittelee tietoja eri järjestelmistä, antureista ja ohjaimista sekä synkronoi toimintaa järjestelmien välillä.

Nyt on olemassa useita erilaisia sähköisiä voimansiirtoja, joilla jokaisella on omat konfiguraationsa ja toimintonsa.

Puhdas sähköajoneuvot tai BEV:t, kuten Tesla (TSLA ) Model 3, Nissan LEAF ja BMW i3, käyttävät ladattavia akkupaketteja kaikessa energiantarpeessaan eivätkä hyödynnä toissijaisia energian varastointilähteitä. Niiden on kuitenkin ladattava ulkoisesta lähteestä.

Hybridisähköajoneuvot (HEV) kuten Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid ja Ford Fusion Hybrid yhdistävät polttomoottorin (ICE) sähköiseen voimansiirtoon, mikä mahdollistaa paremman polttoainetaloudellisuuden ja suorituskyvyn kuin perinteinen ICE‑ajoneuvo. Nämä ajoneuvot hyödyntävät ominaisuuksia, kuten regeneratiivista jarrutusta, joka muuntaa kineettisen energian takaisin sähköenergiaksi varastoitavaksi, ICE‑voimaisia sähkögeneraattoreita lisävoiman tai akun lataamisen tarpeisiin sekä start‑stop‑järjestelmiä, jotka sammuttavat moottorin tyhjäkäynnillä.

Plug‑in‑hybridisähköajoneuvot (PHEV), kuten Chevrolet Volt ja Toyota Prius Prime, voidaan ladata ulkoisesta lähteestä lisäksi käyttämällä bensiiniä tai dieseliä.

Polttokennosähköajoneuvot (FCEV) käyttävät vety‑polttokennoja akkujen sijaan sähkövirran tuottamiseen.

Vaikka ICE‑moottorit ovat olleet ajoneuvojen ensisijainen energialähde yli vuosisadan ajan, ne aiheuttavat ympäristön saastumista, mikä on johtanut sähköautojen nousuun. Nämä voimansiirtoilla varustetut ajoneuvot tarjoavat useita etuja, kuten saasteiden ja kasvihuonekaasujen vähentämisen. Ne myös edistävät hiljaisempaa ympäristöä vähentämällä melusaastetta.

Toinen merkittävä voimansiirtojen etu on niiden huomattavasti parempi energiatehokkuus verrattuna ICE‑moottoreihin, sillä ne muuntavat yli 80 % varastoidusta energiasta liikkeeksi. Vähemmän liikkuvia osia voimansiirroissa tarkoittaa myös alhaisempia huoltokustannuksia. Lisäksi sähköauton käyttöön tarvittavan sähkön hinta on alhaisempi kuin diesel- tai bensiinihinta. Itse asiassa bensiinikäyttöisen ajoneuvon polttoainekustannukset Yhdysvalloissa ovat noin kaksinkertaiset sähköautoon verrattuna.

Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että sähköautoilla ei olisi haittoja. Ensinnäkin sähköauton hankintakustannus on korkeampi kuin polttomoottoriajoneuvon. Lisäksi latausaika voi vaihdella 30 minuutista useisiin tunteihin riippuen latausasemien kapasiteetista, kun taas ICE‑ajoneuvon tankkaus kestää vain muutaman minuutin. Yhden latauksen rajoitettu ajomatka aiheuttaa kuluttajissa niin sanottua kantama‑ahdistusta, mikä on vielä yksi näiden ajoneuvojen ongelma.

Näistä haasteista huolimatta sähköautot mahdollistavat paremman polttoainetaloudellisuuden ja vähäisemmät päästöt sekä edistävät kestävämpää liikennejärjestelmää. Tämä on johtanut sähköistämisen vauhdittamiseen, mikä puolestaan synnyttää jännittäviä innovaatioita sähköautojen voimansiirroissa, tarjoten parempia etuja suorituskyvyssä, tehokkuudessa ja ympäristöystävällisyydessä.

AI-pohjainen OPED voimansiirron kehityksen nopeuttamiseksi

Koska voimansiirrot näyttelevät keskeistä roolia sähköajoneuvoissa, niiden kehityksen parantaminen on ratkaisevaa resurssi-, kustannus- ja aika‑säästöjen saavuttamiseksi.

Grazin teknillisessä yliopistossa, Itävallan vanhimmassa tiede‑ ja tekniikkatutkimus‑ ja koulutuslaitoksessa, toimineet tutkijat ovat juuri tätä tehneet mullistamalla sähköautojen voimansiirron kehitystä AI‑ohjatulla järjestelmällä nimeltä OPED, joka optimoi komponentteja ja lyhentää monimutkaisen insinöörityön kuukausia yhdeksi päiväksi.

Tutkijoiden kehittämä uusi ratkaisu on Optimisation of Electric Drives (OPED), joka on ohjelmisto, joka optimoi teknistä suunnittelua ottaen huomioon kasvihuonekaasupäästöt koko toimitusketjussa.

Tämän ratkaisun avulla Martin Hofstetterin johtama tutkijatiimi Autoteollisuuden instituutista pyrkii lyhentämään voimansiirron kehitysvaihetta yhdistämällä simulointikomponenttimallit evoluutioalgoritmeihin. 

AI‑järjestelmä optimoi automaattisesti koko voimansiirron valmistajan teknisten vaatimusten mukaisesti, kattaen tuotantokustannukset, tehokkuuden ja pakkaustilan vaatimukset ajoneuvossa. 

OPED on ollut kehitteillä jo vuosikymmenen ajan. Vuonna 2018 alkoi OPED:n virallinen matka sähköakseliveto‑järjestelmän suunnittelun optimoinnin konseptilla, jonka avulla esiteltiin myös ensimmäinen vaihteistomalli.

Vuosien varrella matka eteni määrään perustuvien kustannusmallien, kokonaiskehitysprosessin, peruslähestymistavan tuoteluokkien optimointiin, mallin taustalla olevan yleisen metodologian yleiskatsauksen, pysäköintilukon integroinnin optimointiin suunnitellun mallinnuslähestymistavan sekä OPED‑invertterimallin esittelyn myötä.

Viime vuonna tiimi julkaisi artikkeleita ratkaisun laajentamisesta mahdollistamaan tuoteluokkien optimointi ja sähköakseliveto‑hiilijalanjäljen minimointi muiden suunnittelutavoitteiden ohella.

Yli kymmenen vuoden tutkimuksen jälkeen tiimi on onnistuneesti luonut tämän mallin, jonka mukaan OPED‑verkkosivuston virallisen tiedon mukaan se pyrkii yksinkertaistamaan sähköajoneuvojen tarvitseman sähkövoiman suunnittelun haastavaa tehtävää. Tehtävä vaatii monien kriittisten suunnittelupäätösten tekemistä, joista jokainen vaikuttaa erilaisiin, toisistaan ristiriitaisiin asiakastavoitteisiin, mikä tekee parhaan ratkaisun löytämisestä vaikeaa. Hofstetterin mukaan:

“Sähkövoimanlaitteet koostuvat suuresta määrästä komponentteja, jotka voidaan suunnitella hyvin erilaisiksi haluttujen vaatimusten täyttämiseksi. Jos teen pienen muutoksen sähkökoneeseen, sillä on vaikutus vaihteistoon ja tehoelektroniikkaan. Joten optimaalisten päätösten tekeminen on äärimmäisen monimutkaista.”

Ei ainoastaan tarvitse tehdä lukuisia suunnittelupäätöksiä sähkökoneen alikomponenteista, jotta ne sopivat optimaalisesti asiakasvaatimuksiin, vaan kasvava kilpailu vaatii myös kehittyneitä tuotesuunnitelmia ja lyhyttä markkinoille pääsyä kaupallisen menestyksen saavuttamiseksi. 

Tässä OPED esittelee itsensä ratkaisuna monimutkaiseen suunnitteluongelmaan, hyödyntäen tekoälyä ja etsimällä itsenäisesti optimaalisia järjestelmäsuunnitelmia. Algoritmi kattaa sähköauton vaihteiston, sähkökoneen ja tehoelektroniikan ja optimoi niiden parhaan mahdollisen integroinnin käytettävissä olevaan ajoneuvotilaan monitavoitteisesti.

Ohjelmisto yhdistää itse asiassa noin 50 suunnitteluparametria samanaikaisesti ja vertaa niitä valmistajien prioriteetteihin. Se poistaa huonot variantit ja optimoi paremmat. Useiden satojen tuhansien simulointisyklisten jälkeen se löytää parhaan ratkaisun valmistajalle, joka voi valita kehittääkseen ja toteuttaakseen haluamansa variantit.

“Mitä insinöörit tarvitsevat kuukausia tehdä ilman AI‑tukea, kestää OPED:n kanssa noin päivä. Tämä antaa kehitystiimeille mahdollisuuden keskittyä ylimmän tason päätöksiin sen sijaan, että he käyttäisivät rajallista aikaansa manuaaliseen laskentaan ja simulointityöhön.”

– Hofstetter

Monipuolisen optimaalisien suunnitelmien valikoimansa avulla malli ohjaa insinöörejä ja päätöksentekijöitä koko kehitysprosessin alusta alkaen, mikä vähentää kehitysaikaa merkittävästi ja lisää laatua sekä kilpailukykyä.

Tutkijat ovat myös lisänneet voimansiirron tuotannon aikana syntyvät CO2‑päästöt koko toimitusketjussa optimointikriteerinä, mikä mahdollistaa valmistajien ottaa kestävyys huomioon jo varhaisessa kehitysvaiheessa. 

“OPED‑lähestymistapaa voidaan käyttää monenlaisiin tuotekehityksiin,” Hofstetter sanoi ja lisäsi, että “olemme iloisia voidessamme tehdä yhteistyötä uusien teollisten kumppaneiden kanssa sovittaaksemme sen heidän haasteisiinsa ja tavoitteisiinsa.” 

Ratkaisu on laajennettu koko ajoneuvoplatformin sähkövoimansiirtojen optimointiin Dominik Lechleitnerin tohtorintutkielman osana. OPED auttaa löytämään optimaaliset komponentit, joita voidaan käyttää jatkomalleina eri mallien voimansiirroissa, säästäen kehitys- ja tuotantokustannuksia.

Rakentaen voimansiirto‑osaamiseensa tiimi työskentelee nyt laajentaen menetelmiään muihin tuotteisiin ja toimialoihin yleisen tuotteen OPx:n avulla, joka mahdollistaa kätevän skaalaamisen.

Keskeiset markkinatoimijat

Sähkövoimansiirtojen markkinoiden keskeisiä toimijoita ovat muun muassa 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 ja Robert Bosch Gmbh.

Katsotaanpa tarkemmin muutamaa merkittävää nimeä: 

1. BorgWarner Inc.

BorgWarner (BWA ) investoi aktiivisesti sähköautoteknologioihin ja AI‑ohjattuihin ratkaisuihin; sen tuotevalikoimaan kuuluvat turboahdit, e‑boosterit, e‑turboahdit, päästöjärjestelmät, lämpöjärjestelmät, ohjausmoduulit, paikallaan olevat laturit, DC‑DC‑muuntimet, DC‑nopeuslaturit sekä litium‑ioni‑akkujärjestelmät sähköistetyille bussi- ja kuorma‑sovelluksille.

Kirjoitushetkellä tämän 6,85 miljardia dollaria markkina‑arvon yhtiön osakkeet noteerataan 31,33 dollaria, mikä on 1,45 % lasku vuoden alusta. Vuoden 2024 neljännen neljänneksen osalta BorgWarnerin US GAAP -nettomyynti oli 3 522 miljoonaa dollaria ja nettotulos 0,64 dollaria laimennettua osaketta kohden, kun vapaa kassavirta oli 679 miljoonaa dollaria. Tänä aikana yhtiö solmi sopimuksen BYD:n tytäryhtiön FinDreams Batteryn kanssa, yhteisyrityksen Shaanxi Fast Auton kanssa kehittääkseen korkean jännitteen invertterisovelluksen Kiinan markkinoille, ja hankki Eldor Corporationen Electric Hybrid Systems -yksikön.

“Tarjoamme täyden tuotevalikoiman kaupallisten ajoneuvojen segmenttiin, kattaen polttomoottorit, hybridit ja täysin sähköistetyt voimansiirrot. Portfoliomme kestää hyvin alan muutoksen tahtia.”

– BorgWarnerin päästrategiajohtaja, tohtori Paul Farrell, sanoi äskettäin haastattelussa

2. XPeng Inc.

Kiinaan perustuva Xpeng valmistaa älykkäitä sähköajoneuvoja, jotka ovat saaneet paljon huomiota. Toimitusjohtaja He Xiaopeng kertoi äskettäin odottavansa budjetoitujen älyautojen vuosittaisen toimitusmäärän kaksinkertaistuvan tänä vuonna, eli 380 000 ajoneuvoa.

Kirjoitushetkellä tämän 16,14 miljardia dollaria markkina‑arvon yhtiön osakkeet noteerataan 16,65 dollaria, mikä on 43,74 % nousu vuoden alusta. Vuoden 2024 kolmannessa neljänneksessä Xpengin kokonaisliikevaihto oli 1,44 miljardia dollaria, mikä on 18,4 % kasvu 3Q23:sta ja 24,5 % kasvu 2Q24:sta.

Ajoneuvomyyntitulo oli 1,25 miljardia dollaria, ja yhtiö toimitti neljänneksellä 46 533 ajoneuvoa, mikä on nousu 40 008:aan saman vuoden neljänneksessä. Sen itseoperatoitu latausasemaverkko ulottui 1 557 asemaan. Neljänneksen lopussa käteinen ja käteismukaiset, rajoitettu käteinen, lyhytaikaiset sijoitukset ja määräaikaistalletukset olivat yhteensä 5,09 miljardia dollaria.

Xpeng nousi itse asiassa Kiinan myydyimmäksi sähköautojen startupiksi vuoden 2025 ensimmäisessä kuukaudessa, mikä yhdessä helmikuun kanssa on perinteisesti matalan sesongin aika paikallisille autonvalmistajille Kiinassa Kiinan uudenvuoden vuoksi. Samassa kuussa Xpengin avaruusteknologiayritys esitteli myös “modulaarisen lentävän auton” CES‑tapahtumassa 2025.

Samaan aikaan toimitusjohtaja He on puhunut L3‑täysskenaarioautonomisen ajon toteuttamisesta vuoden toisella puoliskolla. 

“Uskon, että L3‑autonominen ajo vie AI‑autot ‘iPhone 4‑aikakauteen’.”

– Toimitusjohtaja He

Yhteenveto

Sähköautot ovat saavuttamassa suuren hetken, kun teknologinen kehitys laskee niiden hintoja. Sähköisen liikkumisen kasvaessa myös voimansiirtojen markkinat kokevat nopeaa kasvua. Sähköisten voimansiirtojen yhdistäminen autonomiseen ajamiseen ja yhdistettyihin ajoneuvoteknologioihin odotetaan mullistavan autoteollisuutta entisestään.

Tässä tilanteessa OPED:n kaltaiset ratkaisut merkitsevät merkittävää edistysaskelta sähköautojen voimansiirron kehityksessä, mikä voi merkittävästi lyhentää aikaa, parantaa tehokkuutta ja minimoida tuotantokustannuksia. 

Mahdollistamalla salamannopean sähköautojen voimansiirtojen optimoinnin ja tasapainottamalla suorituskykyä, kustannuksia ja kestävyyttä koskevat tavoitteet, OPED ei ainoastaan aseta mittapintaa tehokkuudelle ja kestävyydelle tekniikassa, vaan se voi myös tukea sähköautojen kasvua ja käyttöönottoa, nopeuttaen siirtymistä vihreämpään tulevaisuuteen.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista sähköautojen osakkeista.