Ottimizzare l’ingegneria dei powertrain con l’IA può far risparmiare tempo, denaro ed emissioni

L’adozione dei veicoli elettrici è in aumento a livello globale, alimentata da forti incentivi governativi, miglioramenti delle infrastrutture e progressi nella tecnologia delle batterie. 

Si prevede che questa crescita continui, con Gartner che prevede che entro la fine del 2025 saranno in uso 85 milioni di veicoli elettrici a livello mondiale. Questo includerà non solo auto ma anche autobus, furgoni e camion pesanti. La stragrande maggioranza di questi si prevede che siano veicoli elettrici a batteria (BEV), i quali sono previsti registrare un aumento del 35%, mentre i veicoli ibridi plug‑in (PHEV) potrebbero vedere un salto del 28% rispetto all’anno scorso. 

L’adozione crescente dei veicoli elettrici sarà sostenuta da una drastica riduzione dei prezzi delle batterie EV, guidata da una produzione su larga scala e da progressi tecnologici. Goldman Sachs (GS ) prevede che i prezzi delle batterie EV saranno dimezzati entro il 2026. 

Si prevede che anche l’industria del riciclaggio delle batterie continui a crescere, con Statista che riporta circa 250 kiloton di batterie trattate nel 2020 dalle aziende di riciclaggio di batterie EV a livello mondiale. Si prevede che questi numeri aumenteranno di oltre sette volte entro il 2030 e supereranno ulteriormente i 200 milioni di tonnellate entro il 2040.

Questo, insieme alla crescente concorrenza tra i produttori di auto, ridurrà anche i prezzi dei veicoli elettrici, aumentando così la loro adozione. Un altro fattore che contribuisce a questa crescita è la tecnologia di ricarica ultra‑rapida e accessibile. Secondo l’Agenzia Internazionale dell’Energia (IEA), il numero di stazioni di ricarica pubbliche a livello mondiale supererà i 15 milioni entro la fine di questo decennio. 

Un’altra tendenza chiave dei veicoli elettrici è l’attenzione alle emissioni zero, con regolatori, consumatori e case automobilistiche che supportano una mobilità più pulita e sostenibile.  

Per quanto riguarda la dimensione del mercato dei powertrain elettrici, è stato valutato a 86,9 miliardi di dollari nel 2023 e si prevede di superare $300 miliardi entro il 2031 con un CAGR del 17,1% durante questo periodo. Ora, il futuro di questo mercato è segmentato in base al tipo di integrazione: tipo di veicolo, che include auto passeggeri (PC) e veicoli commerciali leggeri (LCV), propulsione che comprende BEV e PHEV, e componente che copre batteria, motore, controller, inverter/converter, sistema di gestione della batteria (BMS), modulo di erogazione di potenza (PDM) e caricatore di bordo. 

In base al tipo di integrazione, il mercato è diviso in integrato e non integrato, con il segmento e‑powertrain integrato previsto avere il più alto tasso di crescita. Questa crescita è supportata da progressi nella tecnologia, produzione di veicoli elettrici a costi contenuti e la necessità di migliorare le prestazioni dei veicoli. 

L’integrazione dei componenti chiave riduce la complessità, abbassa i costi di produzione, libera spazio nei veicoli elettrici e migliora l’efficienza energetica. 

Nel frattempo, il segmento basato su batterie domina attualmente il mercato per ragioni ovvie. Una batteria è il componente principale di un powertrain EV e determina le prestazioni del veicolo, l’efficienza energetica e l’autonomia. Rappresenta anche la più grande parte del costo totale di un EV e, come tale, ha il più grande impatto finanziario sul mercato dei powertrain. 

Powertrains in Electric Vehicles 

Proprio come il motore è una parte fondamentale della tua auto, i powertrain elettrici sono un componente vitale di un’auto elettrica, sia essa un EV puro o ibrido. 

Nei veicoli a benzina o diesel, un motore a combustione interna (ICE) funziona come fonte primaria di energia, dove il carburante viene convertito in energia meccanica. Nel frattempo, in un EV, un e‑powertrain è responsabile della conversione dell’energia elettrica in energia meccanica per far muovere il veicolo. Quindi, l’e‑powertrain sostituisce fondamentalmente l’ICE tradizionale nei tuoi EV per generare e fornire potenza.

Ora, un powertrain è composto da alcuni elementi chiave, includendo un sistema di accumulo energetico — come una batteria o una cella a combustibile — elettronica di potenza come un inverter o un convertitore, una macchina elettrica per la conversione e un sistema di trasmissione. Inoltre, il powertrain EV include anche l’albero di trasmissione per trasferire la potenza alle ruote.  

In confronto a un motore a combustione interna, che ha molte parti mobili complesse, il design e i componenti del powertrain sono molto più semplici, senza rumore e con emissioni zero dallo scarico.

Per quanto riguarda i sistemi di generazione di potenza nei powertrain che forniscono l’energia elettrica necessaria per muovere il veicolo; sono disponibili sotto forma di pacco batteria e caricatore di bordo. 

Un pacco batteria utilizza celle per immagazzinare energia. Le celle al litio sono le più popolari e ampiamente usate grazie all’alta densità energetica che aumenta la loro capacità di stoccaggio, mentre le celle a combustibile sono un altro tipo di accumulo energetico noto per la leggerezza e l’alta efficienza energetica. Il pacco batteria contiene anche un sistema di gestione della batteria (BMS) per garantire un funzionamento sicuro della batteria evitando sovraccarichi o scaricamenti.

Un caricatore di bordo utilizza una fonte di ricarica esterna come la rete per la corrente alternata, che viene convertita in corrente continua per l’accumulo nella batteria. 

Ora, il sistema di distribuzione della potenza nel powertrain controlla l’energia dalla sorgente integrando componenti elettronici di potenza.

Ciò include un inverter DC‑AC che trasforma l’energia DC della batteria in energia AC e genera tensioni alternate necessarie per controllare velocità e accelerazione del motore, e un convertitore DC‑DC per regolare l’uscita DC ad alta tensione della batteria al fine di fornire DC a bassa tensione per alimentare sistemi ausiliari come il condizionamento d’aria.

Un sistema di gestione termica protegge la batteria e il motore da temperature estreme, mentre le unità di controllo elettronico alimentate da firmware garantiscono un funzionamento efficiente e sicuro dei componenti del powertrain EV.

L’unità di distribuzione della potenza assicura che ogni sistema riceva la giusta quantità di energia, mentre l’unità di controllo del veicolo raccoglie e elabora dati da vari sistemi, sensori e controller e sincronizza le attività tra i sistemi.

Ora, esistono diversi tipi di powertrain elettrificati, ognuno con configurazioni e funzionalità distinte.

I veicoli puramente elettrici o BEV come Tesla (TSLA ) Model 3, Nissan LEAF e BMW i3 utilizzano pacchi batteria ricaricabili per tutte le loro esigenze energetiche e non impiegano fonti di accumulo secondarie. Tuttavia, devono essere ricaricati da una fonte esterna. 

I veicoli ibridi elettrici (HEV) come Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid e Ford Fusion Hybrid combinano un ICE con una trasmissione elettrica, consentendo loro di offrire una migliore economia di carburante e prestazioni rispetto a un ICEV tradizionale. Questi veicoli utilizzano funzionalità come la frenata rigenerativa per convertire l’energia cinetica in energia elettrica da immagazzinare, generatori elettrici alimentati da ICE per potenza aggiuntiva o per ricaricare la batteria, e sistemi start‑stop per spegnere il motore a folle.

I veicoli ibridi plug‑in (PHEV) come Chevrolet Volt e Toyota Prius Prime possono essere ricaricati da una fonte esterna oltre a utilizzare benzina o diesel.

I veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) utilizzano celle a combustibile a idrogeno anziché batterie per produrre corrente elettrica.

Mentre gli ICE sono stati la principale fonte di energia per i veicoli per oltre un secolo, sono responsabili dell’inquinamento ambientale, il che ha portato all’ascesa dei veicoli elettrici. Questi veicoli con powertrain offrono diversi vantaggi, tra cui la riduzione dell’inquinamento e dei gas serra. Contribuiscono anche a un ambiente più silenzioso riducendo l’inquinamento acustico.

Un altro grande vantaggio dei powertrain è che sono significativamente più efficienti dal punto di vista energetico rispetto agli ICE, convertendo più dell’80% dell’energia immagazzinata in movimento. Il minor numero di parti mobili nei powertrain riduce anche i costi di manutenzione. Inoltre, il costo dell’elettricità necessaria per alimentare un EV è inferiore rispetto a diesel o benzina. Infatti, rifornire un veicolo a benzina costerà circa il doppio rispetto a un EV negli Stati Uniti.

Questo, tuttavia, non significa che gli EV non abbiano svantaggi. Per cominciare, il costo iniziale per acquistare un EV è più alto rispetto a quello necessario per un veicolo ICE. Poi c’è il tempo di ricarica, che può variare da 30 minuti a diverse ore a seconda della capacità della stazione di ricarica, mentre riempire il serbatoio di un ICEV richiede solo pochi minuti. L’autonomia limitata degli EV con una singola carica genera ansia da autonomia tra i consumatori, rappresentando un ulteriore problema per questi veicoli.

Nonostante queste sfide, gli EV consentono una migliore economia di carburante e ridotte emissioni, contribuendo a un sistema di trasporto più resiliente. Questo ha spinto verso l’elettrificazione, che sta generando innovazioni entusiasmanti nei powertrain EV per offrire vantaggi migliorati in termini di prestazioni, efficienza e rispetto ambientale.

AI-based OPED to Accelerate Powertrain Development

Dato il ruolo chiave che i powertrain svolgono nei veicoli elettrici, migliorare lo sviluppo dei powertrain è fondamentale per ottenere risparmi di risorse, costi e tempo.

I ricercatori dell’Università di Tecnologia di Graz, il più antico istituto di ricerca e formazione scientifica e tecnologica d’Austria, hanno realizzato proprio questo rivoluzionando lo sviluppo dei powertrain EV con un sistema guidato dall’IA chiamato OPED che ottimizza i componenti riducendo mesi di ingegneria complessa a un solo giorno.

La nuova soluzione sviluppata dai ricercatori è l’Ottimizzazione dei Motori Elettrici (OPED), un software che ottimizza il design tecnico tenendo conto delle emissioni di gas serra lungo l’intera catena di fornitura.

Con questa soluzione, il team di ricercatori guidato da Martin Hofstetter dell’Istituto di Ingegneria Automotive mira a ridurre la fase di sviluppo del powertrain combinando modelli di componenti di simulazione con algoritmi evolutivi. 

Il sistema IA ottimizza automaticamente l’intero powertrain in linea con i requisiti tecnici del produttore, coprendo costi di produzione, efficienza e requisiti di spazio nel veicolo. 

OPED è in realtà in sviluppo da un decennio. Nel 2018, il concetto di ottimizzazione del design del sistema di trasmissione dell’asse elettrico ha avviato il percorso ufficiale di OPED, con l’introduzione del primo modello di cambio.

Negli anni, questo percorso è proseguito con l’introduzione di modelli di costo dipendenti dalla quantità, un processo di sviluppo complessivo, un approccio di base per ottimizzare le famiglie di prodotto, una panoramica della metodologia generale alla base del modello, un approccio di modellazione per ottimizzare l’integrazione di un blocco di parcheggio e un modello di inverter per OPED.

Lo scorso anno, il team ha pubblicato articoli per estendere la soluzione, consentendo l’ottimizzazione delle famiglie di prodotto e la riduzione dell’impronta di carbonio di un asse di trasmissione elettrico, tra altri obiettivi di design.

Dopo oltre dieci anni di ricerca, il team ha creato con successo questo modello, che, secondo il sito web OPED, mira a semplificare il difficile compito di progettare i motori elettrici necessari per gli EV. Il compito richiede molte decisioni critiche sul design, ognuna delle quali influisce su diversi obiettivi del cliente che sono in conflitto tra loro, rendendo difficile trovare la soluzione migliore. Secondo Hofstetter:

“I motori elettrici sono composti da un gran numero di componenti che possono essere progettati in modo molto diverso per soddisfare i requisiti desiderati. Se apportiamo una piccola modifica alla macchina elettrica, ciò influisce sulla trasmissione e sull’elettronica di potenza. Quindi è estremamente complesso prendere decisioni ottimali.”

Non solo devono essere prese numerose decisioni di progettazione sui sottocomponenti della macchina elettrica per soddisfare al meglio i requisiti del cliente, ma la crescente concorrenza richiede anche progetti di prodotto sofisticati e tempi di immissione sul mercato brevi per il successo commerciale. 

Qui, OPED si presenta come la soluzione al problema di progettazione complesso, che utilizza l’IA e ricerca autonomamente i design di sistema ottimali. L’algoritmo copre il cambio dell’EV, la macchina elettrica e l’elettronica di potenza e ottimizza la loro migliore integrazione possibile nello spazio disponibile del veicolo in modo multi‑obiettivo.

Il software combina effettivamente circa 50 parametri di progettazione simultaneamente e li confronta con le priorità dei produttori. Elimina le varianti scadenti e ottimizza quelle migliori. Dopo diverse centinaia di migliaia di cicli di simulazione, trova la soluzione migliore per il produttore, che può selezionare le varianti da sviluppare e implementare.

“Ciò che gli ingegneri impiegherebbero mesi a fare senza il supporto dell’IA richiede circa un giorno con OPED. Questo consente ai team di sviluppo di concentrarsi su decisioni di alto livello invece di investire il loro tempo limitato in calcoli manuali e lavori di simulazione.”

– Hofstetter

Attraverso il suo ampio set di design ottimali, il modello guida ingegneri e decisori in tutto il processo di sviluppo fin dall’inizio, riducendo significativamente i tempi di sviluppo e aumentando qualità e competitività.

I ricercatori hanno inoltre aggiunto le emissioni di CO2 generate durante la produzione del powertrain lungo l’intera catena di fornitura come criterio di ottimizzazione, consentendo ai produttori di considerare la sostenibilità fin dalle prime fasi di sviluppo.

“L’approccio OPED può essere utilizzato per una vasta gamma di sviluppi di prodotto,” ha detto Hofstetter, aggiungendo che “sono felici di collaborare con nuovi partner industriali per adattarlo alle loro sfide e obiettivi”.

La soluzione è stata estesa per l’ottimizzazione dei powertrain elettrici per un’intera piattaforma veicolare da Dominik Lechleitner nell’ambito della sua tesi di dottorato. OPED aiuta a trovare componenti ottimali da utilizzare come parti di ricambio nei powertrain di diversi modelli, risparmiando costi di sviluppo e produzione.

Basandosi sulla sua esperienza nei powertrain, il team sta ora lavorando per espandere i suoi metodi ad altri prodotti e settori attraverso un prodotto generico chiamato OPx, che consente una scalabilità conveniente.

Key Market Players

Alcuni dei principali attori nel mercato dei powertrain elettrici includono 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 e Robert Bosch Gmbh.

Ora, approfondiamo un paio di nomi di spicco: 

1. BorgWarner Inc.

Investendo attivamente in tecnologie EV e soluzioni basate sull’IA, la gamma di prodotti di BorgWarner (BWA ) include turbocompressori, e‑boosters, e‑turbine, sistemi di emissione, sistemi termici, moduli di controllo, caricatore di bordo, convertitori DC/DC, caricatore rapido DC e sistemi di batterie al litio per applicazioni di autobus e camion elettrificati.

Al momento della stesura, le azioni della società con una capitalizzazione di mercato di 6,85 miliardi di dollari sono quotate a 31,33 dollari, in calo dell’1,45% YTD. Per il Q4 2024, le vendite nette US GAAP di BorgWarner sono state 3.522 milioni di dollari, e l’utile netto è stato 0,64 dollari per azione diluita, mentre il flusso di cassa libero è stato 679 milioni di dollari. Durante questo periodo, la società ha firmato un accordo con la sussidiaria di BYD FinDreams Battery, una joint venture con Shaanxi Fast Auto per sviluppare un’applicazione di inverter ad alta tensione per il mercato cinese, e ha acquisito i sistemi ibridi elettrici di Eldor Corporation.

“Offriamo una gamma completa di prodotti per il settore dei veicoli commerciali, soddisfacendo powertrain a combustione, ibridi e completamente elettrificati. Il nostro portafoglio è resiliente al ritmo di cambiamento dell’industria.”

– Il Chief Strategy Officer di BorgWarner, Dr. Paul Farrell, ha dichiarato recentemente in un’intervista

2. XPeng Inc.

La Xpeng, con sede in Cina, produce veicoli elettrici intelligenti, che hanno attirato molta attenzione. Il CEO He Xiaopeng ha recentemente dichiarato di aspettarsi che le consegne annuali di auto intelligenti previste raddoppino quest’anno, raggiungendo 380.000 veicoli.

Al momento della stesura, le azioni della società con una capitalizzazione di mercato di 16,14 miliardi di dollari sono quotate a 16,65 dollari, in aumento del 43,74% YTD. Nel Q3 2024, Xpeng ha registrato ricavi totali di 1,44 miliardi di dollari, un aumento del 18,4% rispetto al 3Q23 e del 24,5% rispetto al 2Q24. 

I ricavi dalle vendite di veicoli sono stati 1,25 miliardi di dollari con 46.533 veicoli consegnati dalla società nel trimestre, in aumento rispetto ai 40.008 dello stesso trimestre dell’anno precedente. La sua rete di stazioni di ricarica auto‑gestite ha raggiunto 1.557 stazioni. Cassa e equivalenti, cassa vincolata, investimenti a breve termine e depositi a termine alla fine del trimestre ammontavano a 5,09 miliardi di dollari.

Xpeng è effettivamente emersa come la startup EV più venduta in Cina nel primo mese del 2025, che insieme a febbraio sono tradizionalmente stagioni basse per i produttori locali a causa del Capodanno cinese. Nello stesso mese, la divisione aerospaziale di Xpeng ha anche presentato la sua “auto volante modulare” al CES 2025.

Nel frattempo, il CEO He ha parlato della realizzazione della guida autonoma L3 a scenario completo nella seconda metà di quest’anno.

“Credo che la guida autonoma L3 porterà le auto AI nell’era ‘iPhone 4’.”

– CEO He

Conclusion

I veicoli elettrici stanno vivendo il loro grande momento poiché i progressi tecnologici ne riducono i prezzi. Con l’aumento della mobilità elettrica, anche il mercato dei powertrain sta vivendo una rapida crescita. L’integrazione dei powertrain elettrici con la guida autonoma e le tecnologie dei veicoli connessi dovrebbe ulteriormente rivoluzionare l’industria automobilistica.

In questo contesto, soluzioni come OPED rappresentano un significativo avanzamento nello sviluppo dei powertrain EV, potendo ridurre notevolmente i tempi, migliorare l’efficienza e minimizzare i costi di produzione. 

Consentendo un’ottimizzazione ultra‑rapida dei powertrain EV e bilanciando prestazioni, costi e obiettivi di sostenibilità, OPED non solo stabilisce un punto di riferimento per l’efficienza e la sostenibilità nell’ingegneria, ma può anche contribuire a sostenere la crescita e l’adozione degli EV, accelerando la transizione verso un futuro più verde.

Clicca qui per un elenco delle principali azioni EV.