AIでパワートレインエンジニアリングを最適化すれば、時間・コスト・排出量を削減できる

電気自動車の採用は世界的に増加しており、政府の強力なインセンティブ、インフラの改善、バッテリー技術の進歩が後押ししています。

この成長は今後も続くと予測されており、ガートナーは2025年末までに世界で8500万台の電気自動車が使用されると予測しています。これは自動車だけでなく、バス、バン、重トラックも含むでしょう。これらの大多数は予想されておりはバッテリー電気自動車（BEV）であり、予測されているのは35％の増加、プラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）は昨年と比べて28％の伸びが見込まれます。

増加するEV採用は、規模拡大された生産と技術進歩により、EVバッテリー価格の大幅な低下によって支えられます。Goldman Sachs (GS ) は2026年までにEVバッテリー価格が半減すると予測しています。 

バッテリーリサイクル産業さえも継続的な成長が見込まれており、Statistaは2020年に世界のEVバッテリーリサイクル企業が約250キロトンのバッテリーを処理したと報告しています。これらの数字は2030年までに7倍以上に急増し、2040年までに2億トンを超えると予想されます。

これに加えて自動車メーカー間の競争が激化することでEVの価格も下がり、採用が促進されます。さらに成長に寄与する要因として、利用しやすい超高速充電技術があります。国際エネルギー機関（IEA）によると、今十年の終わりまでに世界の公共充電ステーション数は1500万を超える見込みです。 

もう一つの重要なEVトレンドはゼロエミッションへの注目で、規制当局、消費者、そして自動車メーカーがクリーンで持続可能なモビリティを支援しています。

電動パワートレインの市場規模は、2023年に869億ドルと評価され、今後は予測されており2031年までに2031年までに3000億ドルこの期間の年平均成長率（CAGR）は17.1％です。現在、この市場の将来は統合タイプに基づいてセグメント化されており、車両タイプ（乗用車（PC）と軽商用車（LCV））、推進タイプ（BEVとPHEV）、コンポーネントタイプ（バッテリー、モーター、コントローラ、インバータ/コンバータ、バッテリーマネジメントシステム（BMS）、パワーデリバリーモジュール（PDM）、オンボードチャージャー）に分かれています。 

統合タイプに基づき、市場は統合型と非統合型に分かれ、統合型eパワートレインセグメントが最も高い成長率を示すと予想されています。この成長はは支えられ技術の進歩、コスト効率の高いEV生産、そして車両性能向上の必要性によってです。 

主要コンポーネントの統合は複雑さを減らし、生産コストを削減し、EVのスペースを確保し、エネルギー効率を向上させます。 

一方、バッテリー中心のセグメントが現在市場を支配しており、理由は明白です。バッテリーはEVパワートレインの主要コンポーネントであり、車両の性能、エネルギー効率、航続距離を決定します。また、EV全体コストの最大部分を占めるため、パワートレイン市場に最も大きな財務的影響を与えます。 

電気自動車におけるパワートレイン

エンジンが車の重要な部品であるのと同様に、電動パワートレインは純粋なEVでもハイブリッドEVでも電気自動車の重要なコンポーネントです。 

ガソリンやディーゼル車では、内燃エンジン（ICE）が燃料を機械エネルギーに変換する主要な動力源として機能します。一方、EVではeパワートレインが電気エネルギーを機械エネルギーに変換して車両を駆動します。したがって、eパワートレインは基本的に従来のICEを置き換え、電力を生成・供給します。

現在、パワートレインは数個の主要要素で構成され、エネルギー貯蔵システム（バッテリーまたは燃料電池など）、インバータやコンバータなどのパワーエレクトロニクス、変換用電動機、そしてトランスミッションシステムが含まれます。さらに、EVパワートレインには駆動軸が含まれ、動力を車輪に伝達します。  

多くの複雑な可動部品を持つ内燃エンジンと比較して、パワートレインの設計とコンポーネントははるかにシンプルで、騒音がなく排気ガスもゼロです。

車両を動かすために必要な電力を供給するパワートレインの発電システムは、バッテリーパックとオンボードチャージャーの形で提供されます。 

バッテリーパックはセルを使用してエネルギーを蓄えます。リチウムイオンセルは高エネルギー密度を持ち、蓄電容量が大きいため最も一般的で広く使用されています。一方、燃料電池は軽量でエネルギー効率が高い別のエネルギー貯蔵方式です。バッテリーパックにはバッテリーマネジメントシステム（BMS）も搭載され、過充電や過放電を防止して安全なバッテリー運転を確保します。

オンボードチャージャーは、電力網などの外部交流電源を使用し、これを直流に変換してバッテリーに蓄えます。 

現在、パワートレイン内の電力配分システムは、パワーエレクトロニクス部品を統合して電源からの電力を制御します。

これには、バッテリーからの直流電力を交流に変換し、モーターの速度と加速を制御するために必要な交流電圧を生成するDC-ACインバータと、バッテリーの高電圧DC出力を調整してエアコンなどの補助システムに低電圧DCを供給するDC-DCコンバータが含まれます。

熱管理システムはバッテリーとモーターを極端な温度から保護し、ファームウェア駆動の電子制御ユニットはEVパワートレインコンポーネントの効率的かつ安全な動作を保証します。

電力配分ユニットは各システムが適切な電力を受け取ることを保証し、車両制御ユニットはさまざまなシステム、センサー、コントローラからデータを収集・処理し、システム間の活動を同期させます。

現在、いくつかの異なるタイプの電動パワートレインがあり、それぞれが独自の構成と機能を持っています。

テスラ・モデル3、日産LEAF、BMW i3などの純電気自動車（BEV）は、すべての電力需要に充電可能なバッテリーパックを使用し、二次エネルギー貯蔵源は使用しません。ただし、外部電源から充電する必要があります。 

ハイブリッド電気自動車（HEV）のようなホンダ・シビック・ハイブリッド、トヨタ・カムリ・ハイブリッド、フォード・フュージョン・ハイブリッドは、ICEと電動ドライブトレインを組み合わせ、従来のICE車より燃費と性能を向上させます。これらの車は、回生ブレーキで運動エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄える、ICE駆動の電気発電機で追加電力を供給またはバッテリーを充電する、アイドリング時にエンジンを停止するスタートストップシステムなどの機能を利用します。

プラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）であるシボレー・ボルトやトヨタ・プリウス・プライムは、ガソリンやディーゼルを使用するだけでなく、外部電源からも充電できます。

燃料電池電気自動車（FCEV）は、バッテリーではなく水素燃料電池を使用して電流を生成します。

ICEは1世紀以上にわたり車両の主要な動力源でしたが、環境汚染の原因となり、EVの台頭につながりました。これらのパワートレイン搭載車は、汚染や温室効果ガスの削減など多くの利点があります。また、騒音汚染を減らすことで静かな環境にも貢献します。

パワートレインのもう一つの大きな利点は、ICEに比べてはるかにエネルギー効率が高く、蓄えたエネルギーの80％以上を動力に変換できることです。可動部品が少ないため、メンテナンスコストも削減されます。また、EVを動かすための電力コストはディーゼルやガソリンよりも低く、米国ではガソリン車の燃料費がEVの約2倍になるとされています。

しかし、これがEVに欠点がないという意味ではありません。まず、EVの購入時の初期費用はICE車よりも高くなります。また、充電時間は充電ステーションの容量により30分から数時間まで様々で、ICE車の燃料補給は数分で完了します。単一充電での走行距離が限られるため、消費者の間で航続不安が生じ、これもまた問題の一つです。

これらの課題にもかかわらず、EVは燃費向上と排出削減を実現し、よりレジリエントな交通システムに貢献します。このため電動化が推進され、EVパワートレインにおいて性能、効率、環境適合性を高める革新的な技術が生まれています。

AIベースのOPEDによるパワートレイン開発の加速

電気自動車におけるパワートレインの重要な役割を考えると、パワートレイン開発の改善は資源、コスト、時間の節約に不可欠です。

オーストリア最古の科学技術研究・教育機関であるグラーツ工科大学の研究者は、OPEDというAI駆動システムでEVパワートレイン開発を革命的に変え、複雑なエンジニアリングにかかる数か月をわずか1日へと短縮する部品最適化を実現しました。

新たに開発されたソリューションは、Optimisation of Electric Drives（OPED）であり、サプライチェーン全体の温室効果ガス排出量を考慮しながら技術設計を最適化するソフトウェアです。

このソリューションにより、自動車工学研究所のMartin Hofstetter率いる研究チームは、シミュレーション部品モデルと進化的アルゴリズムを組み合わせてパワートレインの開発フェーズを短縮することを目指しています。 

AIシステムは、メーカーの技術要件に沿って、生産コスト、効率、車両内のパッケージスペース要件をカバーしながら、パワートレイン全体を自動的に最適化します。 

OPEDは実際に10年にわたって開発されてきました。2018年に電動アクスル駆動システム設計最適化の概念がOPEDの公式な旅を開始し、同時に最初のギアボックスモデルも導入されました。

年月を経て、この取り組みは数量依存コストモデル、全体的な開発プロセス、製品ファミリー最適化の基本的アプローチ、モデル背後の一般的手法の概要、パーキングロック統合の最適化に向けたモデリング手法、そしてOPED用インバータモデルの導入により前進しました。

昨年、チームは製品ファミリー最適化と電動アクスル駆動のカーボンフットプリント削減を含む設計目標の拡張に関する論文を発表しました。

10年以上の研究の後、チームはこのモデルを成功裏に作成しました。このモデルは、公式 OPEDウェブサイト によれば、EVに必要な電動ドライブ設計という困難な課題を簡素化することを目的としています。この課題は、設計に関する多数の重要な決定を要し、それぞれが相反する顧客目標に影響を与えるため、最適解を見つけるのが難しいです。Hofstetterによれば：

「電動ドライブは多数のコンポーネントで構成され、要求を満たすために非常に異なる設計が可能です。電動機に小さな変更を加えると、トランスミッションやパワーエレクトロニクスに影響します。そのため、最適な決定を下すことは極めて複雑です。」

電動機のサブコンポーネントに関する多数の設計決定を顧客要件に最適に合わせる必要があるだけでなく、競争の激化により高度な製品設計と商業的成功のための短い市場投入時間が求められます。 

ここで、OPEDはAIを活用し、最適なシステム設計を自律的に探索することで、複雑な設計課題へのソリューションとして提示されます。このアルゴリズムはEVのギアボックス、電動機、パワーエレクトロニクスをカバーし、利用可能な車両スペース内での最適な統合を多目的に最適化します。

このソフトウェアは実際に約50の設計パラメータを同時に組み合わせ、メーカーの優先順位と比較します。劣悪なバリアントを除外し、優れたものを最適化します。数十万回のシミュレーションサイクルの後、メーカーが開発・実装したいバリアントを選択できる最適解を見つけ出します。

「AIのサポートなしでエンジニアが数か月かけて行う作業が、OPEDを使えば約1日で完了します。これにより、開発チームは手動計算やシミュレーションに時間を費やす代わりに、上位レベルの決定に集中できるようになります。」

– Hofstetter

多様な最適設計群を通じて、モデルは開発初期段階からエンジニアや意思決定者を全開発プロセスで導き、開発時間を大幅に短縮し、品質と競争力を向上させます。

研究者は、パワートレイン生産時にサプライチェーン全体で発生するCO2排出量を最適化基準に加え、メーカーが開発初期段階から持続可能性を考慮できるようにしました。

「OPEDアプローチは幅広い製品開発に活用できます」とHofstetterは述べ、さらに「新たな産業パートナーと協力し、彼らの課題や目標に合わせて適応できることを嬉しく思います」と付け加えました。

このソリューションは、ドミニク・レックライトナーが博士論文の一部として、車両プラットフォーム全体の電動パワートレイン最適化に拡張しました。OPEDは、異なるモデルのパワートレインで流用部品として使用できる最適なコンポーネントを見つけ出し、開発および生産コストを削減します。

パワートレインの専門知識を活かし、チームは現在、OPxという汎用製品を通じて他の製品や産業への手法拡大に取り組んでおり、容易なスケーリングを可能にしています。

主要市場プレーヤー

電動パワートレイン市場の主要プレーヤーには、三菱、日産、Sigma Powertrain、Continental Ag、デンソー、Valeo、BYD Auto、CATL、LG Corporation、サムスン、パナソニック、Cummins (CMI ), 現代、フォルクスワーゲン、Delta Electronics、Hitachi Astemo Americas、Dana Incorporated (DAN ), Magna International (MGA ), Marelli Holdings、ロバート・ボッシュ Gmbh。

それでは、いくつかの著名な企業を詳しく見ていきましょう： 

1. BorgWarner Inc.

BorgWarner (BWA ) はEV技術とAI駆動ソリューションに積極的に投資しており、製品ラインにはターボチャージャー、eブースター、eターボ、排出システム、熱システム、制御モジュール、オンボードチャージャー、DC/DCコンバータ、DC急速充電器、そして電動バスやトラック向けのリチウムイオンバッテリーシステムが含まれます。

執筆時点で、時価総額68.5億ドルの同社株は31.33ドルで取引されており、年初来で1.45％下落しています。2024年第4四半期のBorgWarnerの米国GAAP純売上高は35億2200万ドル、1株当たり希薄化後利益は0.64ドル、フリーキャッシュフローは6億7900万ドルでした。この期間中、同社はBYDの子会社FinDreams Batteryと協定を結び、陝西速車と合弁で中国市場向け高電圧インバータ応用を開発し、Eldor CorporationのElectric Hybrid Systemsを取得しました。

「当社は商用車向けに、内燃、ハイブリッド、完全電動化パワートレインに対応したフルスイートの製品を提供しています。当社のポートフォリオは業界変化のスピードに対しても強靭です。」

– BorgWarnerのチーフストラテジーオフィサー、Dr. Paul Farrellは最近のインタビューで述べました

2. XPeng Inc.

中国拠点のXpengはスマート電気自動車を製造しており、注目を集めています。CEOの何小鵬は最近、今年の予算上のインテリジェントカーの年間納車台数が倍増し、38万台になると見込んでいると述べました。

執筆時点で、時価総額161.4億ドルの同社株は16.65ドルで取引されており、年初来で43.74％上昇しています。2024年第3四半期にXpengは総収益14億4000万ドルを記録し、2023年第3四半期から18.4％、2024年第2四半期から24.5％増加しました。 

車両販売からの収益は12億5000万ドルで、同四半期に同社は46,533台を納入し、前年同四半期の40,008台から増加しました。一方、自己運営の充電ステーションネットワークは1,557ステーションに達しました。四半期末の現金・現金同等物、制限付き現金、短期投資、定期預金は合計50億9000万ドルでした。

Xpengは実際に2025年1月に中国で最も売れたEVスタートアップとして浮上しましたが、1月と2月は中国の旧正月のため自動車メーカーにとって伝統的に低シーズンです。同月、Xpengの航空宇宙会社も発表しました「モジュラーフライングカー」をCES 2025で。

一方、何CEOは今年後半にL3フルシナリオ自動運転の実現について語っています。

「L3自動運転はAI車を『iPhone 4時代』へと導くと信じています。」

– CEO 何

結論

技術の進歩により価格が下がる中、電気自動車は大きな転機を迎えています。電動モビリティの拡大に伴い、パワートレイン市場も急速に成長しています。電動パワートレインと自動運転・コネクテッド車技術の統合は、さらに自動車産業を革命的に変えると期待されています。

このような状況の中、OPEDのようなソリューションはEVパワートレイン開発における重要な進歩を示し、時間の大幅な短縮、効率の向上、そして生産コストの最小化を実現します。 

EVパワートレインの超高速最適化と性能、コスト、持続可能性の目標をバランスさせることで、OPEDはエンジニアリングにおける効率と持続可能性のベンチマークを設定するだけでなく、EVの成長と普及を支援し、よりグリーンな未来への移行を加速させます。

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