Optimiser l’ingénierie des groupes motopropulseurs avec l’IA pourrait économiser du temps, de l’argent et des émissions

L’adoption des véhicules électriques est en hausse dans le monde, alimentée par de fortes incitations gouvernementales, l’amélioration des infrastructures et les progrès de la technologie des batteries. 

Cette croissance devrait se poursuivre, Gartner prévoyant que 85 millions de VE seront en usage dans le monde d’ici la fin 2025. Cela inclura non seulement des voitures mais aussi des bus, des fourgonnettes et des camions lourds. Une grande majorité de ces sont attendus d’être des véhicules électriques à batterie (BEV), qui sont prévus d’augmenter de 35 %, tandis que les véhicules hybrides rechargeables (PHEV) pourraient connaître une hausse de 28 % par rapport à l’année dernière. 

L’adoption croissante des VE sera soutenue par une réduction drastique des prix des batteries EV, qui sera entraînée par une production à grande échelle et des avancées technologiques. Goldman Sachs (GS ) prévoit que les prix des batteries EV seront réduits de moitié d’ici 2026. 

Même l’industrie du recyclage des batteries devrait connaître une croissance continue, Statista rapportant qu’environ 250 kilotonnes de batteries ont été traitées en 2020 par les entreprises de recyclage de batteries EV du monde entier. Ces chiffres devraient augmenter de plus de sept fois d’ici 2030 et dépasser 200 millions de tonnes d’ici 2040.

Cela, combiné à la concurrence croissante entre les constructeurs automobiles, fera également baisser les prix des VE, stimulant ainsi leur adoption. Un autre facteur contribuant à cette croissance est la technologie de charge ultra‑rapide et accessible. Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), le nombre de stations de recharge publiques dans le monde dépassera 15 millions d’ici la fin de cette décennie. 

Une autre tendance clé des VE est la focalisation sur les émissions nulles, les régulateurs, les consommateurs et les constructeurs soutenant une mobilité plus propre et durable.  

En ce qui concerne la taille du marché des groupes motopropulseurs électriques, il était évalué à 86,9 milliards de dollars en 2023 et est prévu de dépasser $300 milliards d’ici 2031 avec un TCAC de 17,1 % sur cette période. Aujourd’hui, le futur de ce marché est segmenté selon le type d’intégration : type de véhicule, incluant les voitures particulières (PC) et les véhicules utilitaires légers (LCV), propulsion englobant BEV et PHEV, et composants couvrant batterie, moteur, contrôleur, onduleur/convertisseur, système de gestion de batterie (BMS), module de distribution d’énergie (PDM) et chargeur embarqué. 

Selon le type d’intégration, le marché se divise en intégré et non intégré, le segment e‑powertrain intégré devant connaître le taux de croissance le plus élevé. Cette croissance est soutenue par les avancées technologiques, la production d’EV à coût efficace et le besoin d’améliorer les performances des véhicules. 

L’intégration des composants clés réduit la complexité, diminue les coûts de production, libère de l’espace dans les EV et améliore l’efficacité énergétique. 

Parallèlement, le segment basé sur les batteries domine actuellement le marché pour des raisons évidentes. Une batterie est le composant principal d’un groupe motopropulseur EV et détermine les performances du véhicule, son efficacité énergétique et son autonomie. Elle représente également la plus grande part du coût total d’un EV et, en tant que telle, a l’impact financier le plus important sur le marché des groupes motopropulseurs. 

Groupes motopropulseurs dans les véhicules électriques 

Tout comme un moteur est une pièce clé de votre voiture, les groupes motopropulseurs électriques sont un composant vital d’une voiture électrique, qu’il s’agisse d’un VE pur ou d’un VE hybride. 

Dans vos véhicules à essence ou diesel, un moteur à combustion interne (ICE) fonctionne comme source d’énergie principale où le carburant est converti en énergie mécanique. En revanche, dans un EV, un e‑powertrain est responsable de la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique pour propulser votre véhicule. Ainsi, l’e‑powertrain remplace essentiellement l’ICE traditionnel dans vos EV pour générer et délivrer la puissance. 

Aujourd’hui, un groupe motopropulseur se compose de quelques éléments clés, incluant un système de stockage d’énergie — tel qu’une batterie ou une pile à combustible — des électroniques de puissance comme un onduleur ou un convertisseur, une machine électrique pour la conversion, et un système de transmission. En outre, le groupe motopropulseur EV comprend également l’arbre de transmission pour transmettre la puissance aux roues.  

Comparé à un moteur à combustion interne, qui possède de nombreuses pièces mobiles complexes, la conception et les composants du groupe motopropulseur sont beaucoup plus simples, sans bruit et sans émissions d’échappement. 

En ce qui concerne les systèmes de génération d’énergie dans les groupes motopropulseurs qui fournissent l’énergie électrique requise pour déplacer le véhicule ; ils sont disponibles sous forme de pack batterie et de chargeur embarqué. 

Un pack batterie utilise des cellules pour stocker l’énergie. Les cellules lithium‑ion sont les plus populaires et largement utilisées en raison de leur haute densité énergétique qui augmente leur capacité de stockage, tandis que les piles à combustible sont un autre type de stockage d’énergie connu pour être plus légères et offrir une meilleure efficacité énergétique. Le pack batterie contient également un système de gestion de batterie (BMS) afin d’assurer un fonctionnement sûr en évitant la surcharge ou la décharge excessive. 

Un chargeur embarqué utilise une source de charge externe comme le réseau pour le courant alternatif, qui est converti en courant continu pour le stockage dans la batterie. 

Maintenant, le système de distribution d’énergie du groupe motopropulseur contrôle la puissance provenant de la source en intégrant les composants électroniques de puissance. 

Cela comprend un onduleur DC‑vers‑AC qui transforme la puissance DC de la batterie en puissance AC et génère les tensions alternatives nécessaires pour contrôler la vitesse et l’accélération du moteur, ainsi qu’un convertisseur DC‑vers‑DC pour ajuster la sortie haute tension DC de la batterie afin d’alimenter les systèmes auxiliaires à basse tension comme la climatisation. 

Un système de gestion thermique protège la batterie et le moteur des températures extrêmes, tandis que les unités de contrôle électroniques pilotées par le firmware assurent le fonctionnement efficace et sûr des composants du groupe motopropulseur EV. 

L’unité de distribution d’énergie veille à ce que chaque système reçoive la bonne quantité de puissance tandis que l’unité de contrôle du véhicule collecte et traite les données provenant de divers systèmes, capteurs et contrôleurs et synchronise les activités entre les systèmes. 

Il existe plusieurs types de groupes motopropulseurs électrifiés, chacun ayant des configurations et des fonctionnalités distinctes. 

Les véhicules purement électriques ou BEV comme la Tesla (TSLA ) Model 3, la Nissan LEAF et la BMW i3 utilisent des packs batterie rechargeables pour tous leurs besoins énergétiques et n’utilisent pas de sources de stockage d’énergie secondaires. Ils doivent toutefois être rechargés à partir d’une source externe. 

Les véhicules hybrides électriques (HEV) comme la Honda Civic Hybrid, la Toyota Camry Hybrid et la Ford Fusion Hybrid combinent un ICE avec une transmission électrique, leur permettant d’offrir une meilleure économie de carburant et des performances supérieures à celles d’un véhicule à combustion traditionnel. Ces véhicules utilisent des fonctions telles que le freinage régénératif pour reconvertir l’énergie cinétique en énergie électrique stockée, des générateurs électriques alimentés par l’ICE pour fournir une puissance supplémentaire ou recharger la batterie, et des systèmes start‑stop pour couper le moteur à l’arrêt. 

Les véhicules hybrides rechargeables (PHEV) comme la Chevrolet Volt et la Toyota Prius Prime peuvent être rechargés à partir d’une source externe en plus d’utiliser de l’essence ou du diesel. 

Le véhicule à pile à combustible (FCEV) utilise des piles à combustible à hydrogène plutôt que des batteries pour produire du courant électrique. 

Alors que les ICE ont été la principale source d’énergie des véhicules pendant plus d’un siècle, ils sont responsables de la pollution environnementale, ce qui a conduit à l’essor des EV. Ces véhicules avec groupes motopropulseurs offrent plusieurs avantages, notamment la réduction de la pollution et des gaz à effet de serre. Ils contribuent également à un environnement plus silencieux en réduisant le bruit. 

Un autre avantage majeur des groupes motopropulseurs est leur bien meilleure efficacité énergétique par rapport aux ICE, convertissant plus de 80 % de l’énergie stockée en mouvement. Le nombre réduit de pièces mobiles entraîne également une baisse des coûts d’entretien. Enfin, le coût de l’électricité nécessaire pour alimenter un EV est inférieur à celui du diesel ou de l’essence. En fait, faire le plein d’un véhicule à essence coûte environ deux fois plus cher qu’un EV aux États‑Unis. 

Cela dit, cela ne signifie pas que les EV n’ont aucun inconvénient. Tout d’abord, le coût initial d’achat d’un EV est plus élevé que celui d’un véhicule à ICE. Ensuite, le temps de charge peut varier de 30 minutes à plusieurs heures selon la capacité de la station de charge, alors qu’il ne faut que quelques minutes pour remplir le réservoir d’un véhicule à ICE. L’autonomie limitée d’un EV avec une seule charge engendre une « anxiété d’autonomie » chez les consommateurs, constituant un autre problème. 

Malgré ces défis, les EV permettent une meilleure économie de carburant et une réduction des émissions tout en contribuant à un système de transport plus résilient. Cette dynamique a entraîné une poussée vers l’électrification, générant des innovations passionnantes dans les groupes motopropulseurs EV afin d’offrir des avantages accrus en termes de performances, d’efficacité et d’écologie. 

IA‑basée OPED pour accélérer le développement des groupes motopropulseurs

Étant donné le rôle clé que jouent les groupes motopropulseurs dans les véhicules électriques, améliorer leur développement est essentiel pour réaliser des économies de ressources, de coûts et de temps. 

Des chercheurs de la Graz University of Technology, le plus ancien institut de recherche et d’enseignement scientifique et technologique d’Autriche, ont accompli cela en révolutionnant le développement des groupes motopropulseurs EV grâce à un système piloté par l’IA appelé OPED, qui optimise les composants pour réduire des mois d’ingénierie complexe à une seule journée. 

La nouvelle solution développée par les chercheurs est l’Optimisation des entraînements électriques (OPED), un logiciel qui optimise la conception technique tout en prenant en compte les émissions de gaz à effet de serre sur l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement. 

Avec cette solution, l’équipe de chercheurs dirigée par Martin Hofstetter de l’Institute of Automotive Engineering vise à raccourcir la phase de développement du groupe motopropulseur en combinant des modèles de simulation de composants avec des algorithmes évolutifs. 

Le système d’IA optimise automatiquement l’ensemble du groupe motopropulseur conformément aux exigences techniques du fabricant, couvrant les coûts de production, l’efficacité et les exigences d’espace d’empaquetage dans le véhicule. 

OPED est en réalité en cours de développement depuis une décennie. En 2018, le concept d’optimisation de la conception du système d’entraînement d’essieu électrique a lancé le parcours officiel d’OPED, avec l’introduction du premier modèle de boîte de vitesses. 

Au fil des années, ce parcours a progressé avec l’introduction de modèles de coûts dépendant de la quantité, d’un processus de développement global, d’une approche de base pour optimiser les familles de produits, d’un aperçu de la méthodologie générale du modèle, d’une approche de modélisation pour optimiser l’intégration d’un verrou de stationnement, et d’un modèle d’onduleur pour OPED. 

L’année dernière, l’équipe a publié des articles sur l’extension de la solution afin de permettre l’optimisation des familles de produits et la minimisation de l’empreinte carbone d’un entraînement d’essieu électrique parmi d’autres objectifs de conception. 

Après plus de dix ans de recherche, l’équipe a réussi à créer ce modèle qui, selon le site officiel d’OPED, vise à simplifier la tâche difficile de concevoir les entraînements électriques nécessaires aux EV. La tâche nécessite de nombreuses décisions critiques concernant la conception, chacune affectant différents objectifs clients parfois conflictuels, rendant la recherche de la meilleure solution complexe. Selon Hofstetter :

« Les entraînements électriques comprennent un grand nombre de composants qui peuvent être conçus très différemment afin de répondre aux exigences souhaitées. Si je modifie légèrement la machine électrique, cela affecte la transmission et les électroniques de puissance. C’est donc extrêmement complexe de prendre des décisions optimales. »

Il ne s’agit pas seulement de prendre de nombreuses décisions de conception concernant les sous‑composants de la machine électrique pour répondre aux exigences du client, mais la concurrence croissante exige également des conceptions de produits sophistiquées et un délai de mise sur le marché court pour réussir commercialement. 

Ici, OPED se présente comme la solution au problème de conception complexe, utilisant l’IA et recherchant de façon autonome les conceptions système optimales. L’algorithme couvre la boîte de vitesses de l’EV, la machine électrique et les électroniques de puissance, et optimise leur meilleure intégration possible dans l’espace disponible du véhicule de manière multi‑objectif. 

Le logiciel combine en réalité environ 50 paramètres de conception simultanément, puis les compare aux priorités des fabricants. Il élimine les variantes mauvaises et optimise les meilleures. Après plusieurs centaines de milliers de cycles de simulation, il trouve la meilleure solution pour le fabricant, qui peut sélectionner les variantes qu’il souhaite développer et mettre en œuvre. 

« Ce que les ingénieurs mettraient des mois à faire sans le soutien de l’IA prend environ une journée avec OPED. Cela permet aux équipes de développement de se concentrer sur les décisions de haut niveau au lieu d’investir leur temps limité dans des calculs et des simulations manuels. »

– Hofstetter

Grâce à son ensemble diversifié de conceptions optimales, le modèle guide les ingénieurs et les décideurs tout au long du processus de développement dès le départ, ce qui réduit considérablement le temps de développement et augmente la qualité et la compétitivité. 

Les chercheurs ont également ajouté les émissions de CO₂ générées lors de la production du groupe motopropulseur sur l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement comme critère d’optimisation, permettant aux fabricants de prendre en compte la durabilité dès la phase de développement précoce. 

« L’approche OPED peut être utilisée pour une grande variété de développements de produits, » a déclaré Hofstetter, ajoutant qu’ils « sont heureux de travailler avec de nouveaux partenaires industriels pour l’adapter à leurs défis et objectifs. » 

La solution a été étendue à l’optimisation des groupes motopropulseurs électriques pour une plateforme de véhicule complète par Dominik Lechleitner dans le cadre de sa thèse de doctorat. OPED aide à trouver les composants optimaux à réutiliser dans les groupes motopropulseurs de différents modèles, économisant ainsi les coûts de développement et de production. 

En s’appuyant sur son expertise des groupes motopropulseurs, l’équipe travaille maintenant à étendre ses méthodes à d’autres produits et industries via un produit générique appelé OPx, qui permet une mise à l’échelle pratique. 

Principaux acteurs du marché

Parmi les acteurs clés du marché des groupes motopropulseurs électriques figurent 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 et Robert Bosch Gmbh. 

Passons maintenant à une analyse plus approfondie de quelques noms de premier plan : 

1. BorgWarner Inc.

Investissant activement dans les technologies EV et les solutions pilotées par l’IA, la gamme de produits de BorgWarner (BWA ) comprend des turbocompresseurs, des e‑boosters, des e‑turbos, des systèmes d’émissions, des systèmes thermiques, des modules de contrôle, des chargeurs embarqués, des convertisseurs DC/DC, des chargeurs rapides DC et des systèmes de batteries lithium‑ion pour les applications de bus et camions électrifiés. 

Au moment de la rédaction, les actions de la société dont la capitalisation boursière s’élève à 6,85 milliards de dollars s’échangent à 31,33 $, en baisse de 1,45 % depuis le début de l’année. Au quatrième trimestre 2024, le chiffre d’affaires US GAAP de BorgWarner était de 3 522 millions de dollars, le bénéfice net de 0,64 $ par action diluée, tandis que le flux de trésorerie disponible était de 679 millions de dollars. Au cours de cette période, l’entreprise a conclu un accord avec la filiale de BYD, FinDreams Battery, une co‑entreprise avec Shaanxi Fast Auto pour développer une application d’onduleur haute tension pour le marché chinois, et a acquis les systèmes hybrides électriques d’Eldor Corporation. 

« Nous proposons une gamme complète de produits pour le secteur des véhicules commerciaux, couvrant les groupes motopropulseurs à combustion, hybrides et entièrement électrifiés. Notre portefeuille résiste au rythme du changement industriel. »

– Le directeur de la stratégie de BorgWarner, Dr Paul Farrell, a déclaré récemment dans une interview

2. XPeng Inc.

Le fabricant chinois Xpeng produit des véhicules électriques intelligents, qui suscitent beaucoup d’attention. Le PDG He Xiaopeng a récemment déclaré qu’il s’attend à ce que les livraisons annuelles de voitures intelligentes budgétées doublent cette année, soit 380 000 véhicules. 

Au moment de la rédaction, les actions de la société dont la capitalisation boursière s’élève à 16,14 milliards de dollars s’échangent à 16,65 $, en hausse de 43,74 % depuis le début de l’année. Au troisième trimestre 2024, Xpeng a enregistré un chiffre d’affaires total de 1,44 milliard de dollars, soit une hausse de 18,4 % par rapport au troisième trimestre 2023 et de 24,5 % par rapport au deuxième trimestre 2024. 

Les revenus provenant des ventes de véhicules s’élevaient à 1,25 milliard de dollars avec 46 533 véhicules livrés au cours du trimestre, contre 40 008 au même trimestre de l’année précédente. Son réseau de stations de recharge en autoproduction a quant à lui atteint 1 557 stations. Les liquidités et équivalents de liquidités, la trésorerie restreinte, les placements à court terme et les dépôts à terme à la fin du trimestre s’élevaient à 5,09 milliards de dollars. 

Xpeng est réellement devenu la start‑up EV la plus vendue en Chine au premier mois de 2025, période traditionnellement basse pour les constructeurs locaux en raison du Nouvel An chinois. Le même mois, la société aérospatiale de Xpeng a également dévoilé son « voiture volante modulaire » au CES 2025. 

Parallèlement, le PDG He a évoqué la réalisation de la conduite autonome L3 en scénario complet au second semestre de cette année. 

« Je crois que la conduite autonome L3 propulsera les voitures IA dans l’« ère iPhone 4 ». »

– PDG He

Conclusion

Les véhicules électriques connaissent leur grand moment alors que les avancées technologiques font baisser leurs prix. Avec la montée de la mobilité électrique, le marché des groupes motopropulseurs connaît également une croissance rapide. L’intégration des groupes motopropulseurs électriques avec la conduite autonome et les technologies de véhicules connectés devrait encore révolutionner l’industrie automobile. 

Dans ce contexte, des solutions comme OPED représentent une avancée significative dans le développement des groupes motopropulseurs EV, pouvant réduire considérablement le temps, améliorer l’efficacité et minimiser les coûts de production. 

En permettant une optimisation ultra‑rapide des groupes motopropulseurs EV tout en équilibrant performance, coût et objectifs de durabilité, OPED établit non seulement une référence d’efficacité et de durabilité en ingénierie, mais peut également soutenir la croissance et l’adoption des EV, accélérant la transition vers un avenir plus vert. 

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