Het optimaliseren van aandrijftechniek met AI kan tijd, geld en emissies besparen

De adoptie van elektrische voertuigen neemt wereldwijd toe, aangewakkerd door sterke overheidsstimuli, verbetering van de infrastructuur en vooruitgang in batterijtechnologie. 

Deze groei wordt verwacht door te gaan, met Gartner die voorspelt dat tegen het einde van 2025 wereldwijd 85 miljoen elektrische voertuigen in gebruik zullen zijn. Dit zal niet alleen auto’s omvatten, maar ook bussen, bestelwagens en zware vrachtwagens. Een overgrote meerderheid van deze wordt verwacht batterijaangedreven elektrische voertuigen (BEV’s) te zijn, die naar verwachting een stijging van 35% zullen zien, terwijl plug‑in hybride elektrische voertuigen (PHEV’s) een sprong van 28% kunnen maken ten opzichte van vorig jaar. 

De groeiende adoptie van EV’s zal worden ondersteund door een drastische daling van de prijzen van EV-batterijen, die wordt gedreven door opschaling van de productie en technologische vooruitgang. Goldman Sachs (GS ) voorspelt dat de prijzen van EV-batterijen tegen 2026 met de helft zullen dalen. 

Zelfs de batterijrecyclingindustrie wordt verwacht blijvende groei te zien, met Statista die meldt dat in 2020 naar schatting 250 kiloton batterijen werden verwerkt door EV-batterijrecyclingbedrijven wereldwijd. Deze cijfers zullen naar verwachting tegen 2030 meer dan zeven keer toenemen en tegen 2040 de 200 miljoen ton overschrijden.

Dit, samen met de toenemende concurrentie tussen autofabrikanten, zal ook de prijzen van EV’s verlagen, waardoor hun adoptie wordt gestimuleerd. Een andere factor die bijdraagt aan deze groei is toegankelijke, ultrasnelle oplaadtechnologie. Volgens het International Energy Agency (IEA) zal het aantal openbare laadstations wereldwijd tegen het einde van dit decennium de 15 miljoen overschrijden. 

Een andere belangrijke EV-trend is de focus op nul‑emissie, waarbij regelgevers, consumenten en autofabrikanten schonere en duurzame mobiliteit ondersteunen.  

Wat betreft de marktgrootte van elektrische aandrijflijnen, werd deze in 2023 gewaardeerd op $86,9 billion en wordt verwacht te stijgen tot boven $300 billion by 2031 met een CAGR van 17,1% gedurende deze periode. Nu wordt de toekomst van deze markt gesegmenteerd op basis van integratietype: voertuigtype, dat personenauto’s (PC) en lichte bedrijfsvoertuigen (LCV) omvat, voortstuwing die BEV en PHEV omvat, en componenten die batterij, motor, controller, omvormer/converter, batterijbeheersysteem (BMS), vermogensleveringsmodule (PDM) en boordlader omvatten. 

Op basis van het integratietype is de markt verdeeld in geïntegreerd en niet‑geïntegreerd, waarbij het geïntegreerde e‑aandrijflijnsegment naar verwachting de hoogste groeisnelheid zal hebben. Deze groei wordt ondersteund door technologische vooruitgang, kostenefficiënte EV-productie en de behoefte aan betere voertuigprestaties. 

De integratie van belangrijke componenten vermindert de complexiteit, verlaagt de productiekosten, bespaart ruimte in EV’s en verbetert de energie‑efficiëntie. 

Intussen domineert het batterijgebaseerde segment momenteel de markt, en dat is duidelijk. Een batterij is het belangrijkste onderdeel van een EV‑aandrijflijn en bepaalt de prestaties, energie‑efficiëntie en actieradius van het voertuig. Het vormt bovendien het grootste deel van de totale kosten van een EV en heeft daardoor de grootste financiële impact op de markt voor aandrijflijnen. 

Aandrijflijnen in elektrische voertuigen 

Net als een motor een essentieel onderdeel van uw auto is, zijn elektrische aandrijflijnen een cruciaal onderdeel van een elektrische auto, of het nu een pure EV of een hybride EV is. 

In uw benzine‑ of dieselvoertuigen fungeert een verbrandingsmotor (ICE) als de primaire energiebron waarbij brandstof wordt omgezet in mechanische energie. In een EV is een e‑aandrijflijn verantwoordelijk voor het omzetten van elektrische energie in mechanische energie om uw voertuig aan te drijven. Dus, een e‑aandrijflijn vervangt in wezen de traditionele ICE in uw EV’s om kracht te genereren en te leveren.

Nu is een aandrijflijn opgebouwd uit een paar belangrijke elementen, waaronder een energieopslagsysteem—zoals een batterij of brandstofcel—elektronica zoals een omvormer of converter, een elektrische machine voor conversie, en een transmissiesysteem. Daarnaast omvat de EV‑aandrijflijn ook de aandrijfas om de kracht naar de wielen over te brengen.  

In vergelijking met een verbrandingsmotor, die veel complexe bewegende delen heeft, zijn het ontwerp en de componenten van de aandrijflijn veel eenvoudiger, zonder geluid en met nul uitlaatgassen.

Als het gaat om energieopwekkingssystemen in aandrijflijnen die de benodigde elektrische energie leveren om het voertuig te laten bewegen; deze zijn beschikbaar in de vorm van een batterijpakket en een boordlader. 

Een batterijpakket maakt gebruik van cellen om energie op te slaan. Lithium‑ioncellen zijn het populairst en het meest gebruikte vanwege hun hoge energiedichtheid, waardoor hun opslagcapaciteit toeneemt, terwijl brandstofcellen een ander type energieopslag zijn die bekend staan om hun lichtere gewicht en hogere energie‑efficiëntie. Het batterijpakket bevat ook een batterijbeheersysteem (BMS) om een veilige werking van de batterij te waarborgen door overladen of ontladen te voorkomen.

Een boordlader gebruikt een externe oplaadbron zoals het elektriciteitsnet voor wisselstroom, die wordt omgezet in gelijkstroom voor opslag in de batterij. 

Nu regelt het vermogensdistributiesysteem in de aandrijflijn de energie van de bron door het integreren van vermogenselektronische componenten.

Dit omvat een DC‑naar‑AC‑omvormer die DC‑energie van de batterij omzet naar AC‑energie en wisselspanningen genereert die nodig zijn om de snelheid en acceleratie van de motor te regelen, en een DC‑naar‑DC‑converter om de hoogspannings‑DC‑uitgang van de batterij aan te passen zodat de laagspannings‑DC wordt geleverd aan auxiliaire systemen zoals airconditioning.

Een thermisch beheersysteem beschermt de batterij en motor tegen extreme temperaturen, terwijl firmware‑gestuurde elektronische besturingsunits zorgen voor een efficiënte en veilige werking van EV‑aandrijflijncomponenten.

De vermogensdistributie‑eenheid zorgt ervoor dat elk systeem de juiste hoeveelheid energie ontvangt, terwijl de voertuigbesturingsunit gegevens van verschillende systemen, sensoren en controllers verzamelt en verwerkt en activiteiten tussen systemen synchroniseert.

Nu zijn er verschillende soorten geëlektrificeerde aandrijflijnen, elk met eigen configuraties en functionaliteiten.

Zuiver elektrische voertuigen of BEV’s zoals de Tesla (TSLA ) Model 3, Nissan LEAF en BMW i3 gebruiken oplaadbare batterijpakketten voor al hun energiebehoeften en maken geen gebruik van secundaire energieopslagbronnen. Ze moeten echter wel worden opgeladen via een externe bron. 

Hybride elektrische voertuigen (HEV’s) zoals de Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid en Ford Fusion Hybrid combineren een ICE met een elektrische aandrijflijn, waardoor ze een beter brandstofverbruik en betere prestaties bieden dan een traditionele ICEV. Deze voertuigen maken gebruik van functies zoals regeneratief remmen om kinetische energie terug te zetten in elektrische energie voor opslag, door ICE aangedreven elektrische generatoren voor extra vermogen of om de batterij op te laden, en start‑stop‑systemen om de motor stil te leggen wanneer deze stationair draait.

Plug‑in hybride elektrische voertuigen (PHEV’s) zoals de Chevrolet Volt en Toyota Prius Prime kunnen worden opgeladen via een externe bron naast het gebruik van benzine of diesel.

De brandstofcel‑elektrische voertuigen (FCEV’s) maken gebruik van waterstofbrandstofcellen in plaats van batterijen om elektrische stroom te produceren.

Hoewel ICE’s al meer dan een eeuw de belangrijkste energiebron voor voertuigen zijn, zijn ze verantwoordelijk voor milieubelasting, wat heeft geleid tot de opkomst van EV’s. Deze voertuigen met aandrijflijnen bieden verschillende voordelen, waaronder het verminderen van vervuiling en broeikasgassen. Ze dragen ook bij aan een stillere omgeving door geluidsvervuiling te verminderen.

Een ander groot voordeel van aandrijflijnen is dat ze aanzienlijk energie‑efficiënter zijn dan ICE’s, waarbij meer dan 80% van de opgeslagen energie wordt omgezet in beweging. Het kleinere aantal bewegende delen in aandrijflijnen betekent ook lagere onderhoudskosten. Daarnaast is de elektriciteitskost om een EV te laten rijden lager dan die van diesel of benzine. In feite kost het tanken van een benzinevoertuig in de VS ongeveer twee keer zoveel als een EV.

Dit betekent echter niet dat EV’s geen nadelen hebben. Ten eerste is de initiële kostprijs om een EV te kopen hoger dan wat u aan een ICE‑voertuig moet uitgeven. Daarnaast is er de oplaadtijd, die kan variëren van 30 minuten tot meerdere uren, afhankelijk van de capaciteit van het laadstation, terwijl het slechts enkele minuten duurt om uw ICEV‑tank te vullen. De beperkte actieradius van EV’s bij één lading veroorzaakt range‑angst bij consumenten, wat een extra probleem voor deze voertuigen vormt.

Ondanks deze uitdagingen bieden EV’s een verbeterde brandstofefficiëntie en verminderde emissies, terwijl ze bijdragen aan een veerkrachtiger transportsysteem. Dit heeft geleid tot een drang naar elektrificatie, wat resulteert in spannende innovaties in EV‑aandrijflijnen om verbeterde voordelen te bieden op het gebied van prestaties, efficiëntie en milieuvriendelijkheid.

AI‑gebaseerde OPED om de ontwikkeling van aandrijflijnen te versnellen

Gezien de sleutelrol die aandrijflijnen spelen in elektrische voertuigen, is het verbeteren van de ontwikkeling van aandrijflijnen cruciaal om besparingen in middelen, kosten en tijd te realiseren.

Onderzoekers van de Graz University of Technology, het oudste wetenschaps‑ en technologieonderzoeks‑ en onderwijsinstituut van Oostenrijk, hebben precies dat gedaan door de ontwikkeling van EV‑aandrijflijnen te revolutioneren met een AI‑gedreven systeem genaamd OPED dat componenten optimaliseert om maanden van complexe engineering terug te brengen tot slechts één dag.

De nieuwe oplossing ontwikkeld door onderzoekers is de Optimalisatie van Elektrische Aandrijvingen (OPED), een software die het technische ontwerp optimaliseert terwijl de uitstoot van broeikasgassen over de gehele toeleveringsketen in aanmerking wordt genomen.

Met deze oplossing streeft het onderzoeksteam onder leiding van Martin Hofstetter van het Institute of Automotive Engineering ernaar de ontwikkelingsfase van de aandrijflijn te verkorten door simulatiemodelcomponenten te combineren met evolutionaire algoritmen. 

Het AI‑systeem optimaliseert automatisch de volledige aandrijflijn in overeenstemming met de technische eisen van de fabrikant, inclusief productiekosten, efficiëntie en ruimtevereisten in het voertuig. 

OPED wordt eigenlijk al een decennium ontwikkeld. In 2018 begon het concept van optimalisatie van het ontwerp van elektrische asselaandrijfsystemen aan de officiële reis van OPED, waarbij ook het eerste versnellingsbakmodel werd geïntroduceerd.

In de loop der jaren vorderde deze reis met de introductie van kwantiteit‑afhankelijke kostmodellen, een algeheel ontwikkelingsproces, een basisbenadering om productfamilies ermee te optimaliseren, een overzicht van de algemene methodologie achter het model, een modelleringsbenadering voor het optimaliseren van de integratie van een parkeervergrendeling, en een omvormermodel voor OPED.

Vorig jaar publiceerde het team papers over het uitbreiden van de oplossing om productfamilie‑optimalisatie en minimalisatie van de CO₂‑voetafdruk van een elektrische asselaandrijving mogelijk te maken, naast andere ontwerpdoelstellingen.

Na meer dan tien jaar onderzoek heeft het team dit model met succes gecreëerd, dat, volgens de officiële OPED‑website, tot doel heeft de uitdagende taak van het ontwerpen van elektrische aandrijvingen die nodig zijn voor EV’s te vereenvoudigen. De taak vereist veel kritische beslissingen over het ontwerp, die elk verschillende klantdoelstellingen beïnvloeden die met elkaar in conflict staan, waardoor het moeilijk is de beste oplossing te vinden. Volgens Hofstetter:

“Elektrische aandrijvingen bestaan uit een groot aantal componenten die zeer verschillend kunnen worden ontworpen om aan de gewenste eisen te voldoen. Als ik een kleine wijziging aan de elektrische machine maak, heeft dat effect op de transmissie en de vermogenselektronica. Het is dus uiterst complex om optimale beslissingen te nemen.”

Niet alleen moeten talrijke ontwerpbeslissingen over de subcomponenten van de elektrische machine worden genomen om optimaal aan de klantvereisten te voldoen, maar de toenemende concurrentie vereist ook geavanceerde productontwerpen en een korte time‑to‑market voor commercieel succes. 

Hier presenteert OPED zich als de oplossing voor het complexe ontwerpprobleem, dat AI gebruikt en autonoom zoekt naar optimale systeemontwerpen. Het algoritme omvat de versnellingsbak, de elektrische machine en de vermogenselektronica van de EV en optimaliseert hun best mogelijke integratie in de beschikbare voertuigruimte op een multi‑objectieve manier.

De software combineert feitelijk ongeveer 50 ontwerpparameters tegelijk en vergelijkt deze vervolgens met de prioriteiten van de fabrikanten. Het verwijdert slechte varianten en optimaliseert betere. Na enkele honderdduizenden simulatiecycli vindt het de beste oplossing voor de fabrikant, die de varianten kan selecteren die ze willen ontwikkelen en implementeren.

“Wat ingenieurs maanden zouden kosten zonder AI‑ondersteuning, duurt ongeveer een dag met OPED. Dit stelt de ontwikkelingsteams in staat zich te concentreren op beslissingen op hoog niveau in plaats van hun beperkte tijd te investeren in handmatige berekeningen en simulaties.”

– Hofstetter

Door zijn diverse reeks optimale ontwerpen leidt het model ingenieurs en besluitvormers gedurende het volledige ontwikkelingsproces vanaf het begin, waardoor de ontwikkeltijd aanzienlijk wordt verkort en kwaliteit en concurrentievermogen toenemen.

Onderzoekers hebben ook CO₂‑emissies die tijdens de productie van de aandrijflijn over de gehele toeleveringsketen worden gegenereerd, toegevoegd als optimalisatiecriterium, waardoor fabrikanten duurzaamheid vanaf de vroege ontwikkelingsfase kunnen meenemen.

“De OPED‑benadering kan worden gebruikt voor een breed scala aan productontwikkelingen,” zei Hofstetter, en voegde toe dat ze “graag met nieuwe industriële partners samenwerken om het aan te passen aan hun uitdagingen en doelen.”

De oplossing is uitgebreid voor de optimalisatie van elektrische aandrijflijnen voor een volledig voertuigplatform door Dominik Lechleitner als onderdeel van zijn doctoraatsproefschrift. OPED helpt bij het vinden van optimale componenten die als overnameonderdelen in de aandrijflijnen van verschillende modellen kunnen worden gebruikt, waardoor ontwikkelings‑ en productiekosten worden bespaard.

Op basis van haar expertise in aandrijflijnen werkt het team nu aan het uitbreiden van haar methoden naar andere producten en industrieën via een generiek product genaamd OPx, dat gemakkelijke schaalvergroting mogelijk maakt.

Belangrijke marktspelers

Enkele van de belangrijkste spelers op de markt voor elektrische aandrijflijnen zijn 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, en Robert Bosch Gmbh.

Laten we nu dieper ingaan op een paar prominente namen: 

1. BorgWarner Inc.

Actief investerend in EV‑technologieën en AI‑gedreven oplossingen, omvat de productlijn van BorgWarner (BWA ) turbochargers, e‑boosters, e‑turbos, emissiesystemen, thermische systemen, besturingsmodules, boordladers, DC/DC‑converters, DC‑snelladers en lithium‑ionbatterijsystemen voor geëlektrificeerde bus‑ en vrachtwagenapplicaties.

Op het moment van schrijven worden de aandelen van het bedrijf met een marktkapitalisatie van $6,85 billion verhandeld tegen $31,33, een daling van 1,45% jaar‑tot‑datum. Voor Q4 2024 bedroegen de US GAAP netto‑omzet van BorgWarner $3.522 million, en de nettowinst $0,64 per verwaterde aandeel, terwijl de vrije kasstroom $679 million bedroeg. In deze periode tekende het bedrijf een overeenkomst met de dochteronderneming FinDreams Battery van BYD, een joint venture met Shaanxi Fast Auto om een hoogspanningsomvormertoepassing voor de Chinese markt te ontwikkelen, en verwierf het de Electric Hybrid Systems van Eldor Corporation.

“We bieden een volledige reeks producten voor de commerciële voertuigmarkt, gericht op verbrandings‑, hybride‑ en volledig geëlektrificeerde aandrijflijnen. Ons portfolio is veerkrachtig ten opzichte van het tempo van veranderingen in de industrie.”

– BorgWarner’s Chief Strategy Officer, Dr. Paul Farrell, zei recentelijk in een interview

2. XPeng Inc.

Het in China gevestigde Xpeng produceert slimme elektrische voertuigen, die veel aandacht krijgen. CEO He Xiaopeng zei onlangs dat hij verwacht dat de jaarlijkse leveringen van begrote intelligente auto’s dit jaar zullen verdubbelen, wat neerkomt op 380.000 voertuigen.

Op het moment van schrijven worden de aandelen van het bedrijf met een marktkapitalisatie van $16,14 billion verhandeld tegen $16,65, een stijging van 43,74% jaar‑tot‑datum. In Q3 2024 noteerde Xpeng een totale omzet van $1,44 billion, een stijging van 18,4% ten opzichte van Q3 2023 en een stijging van 24,5% ten opzichte van Q2 2024. 

De omzet uit voertuigverkopen bedroeg $1,25 billion met 46.533 geleverde voertuigen door het bedrijf in het kwartaal, een stijging ten opzichte van 40.008 in hetzelfde kwartaal van het voorgaande jaar. Het zelfbeheerde netwerk van laadstations bereikte ondertussen 1.557 stations. Contanten en kasequivalenten, geblokkeerd geld, kortetermijninvesteringen en termijnstortingen aan het einde van het kwartaal bedroegen $5,09 billion.

Xpeng kwam feitelijk naar voren als China’s best verkopende EV‑startup in de eerste maand van 2025, die samen met februari traditioneel lage seizoenen zijn voor lokale autofabrikanten in China vanwege het Chinese Nieuwjaar. In dezelfde maand onthulde Xpeng’s luchtvaartonderneming ook haar “modulaire vliegende auto” op CES 2025.

Intussen heeft CEO He gesproken over het realiseren van L3 volledig‑scenario autonoom rijden in de tweede helft van dit jaar.

“Ik geloof dat L3 autonoom rijden AI‑auto’s zal brengen naar het ‘iPhone 4‑tijdperk’.”

– CEO He

Conclusie

Elektrische voertuigen beleven hun grote moment nu technologische vooruitgang hun prijzen verlaagt. Naarmate elektrische mobiliteit toeneemt, ondergaat de markt voor aandrijflijnen ook een snelle groei. De integratie van elektrische aandrijflijnen met autonoom rijden en verbonden voertuigtechnologieën wordt bovendien verwacht de auto‑industrie te revolutioneren.

Te midden hiervan markeren oplossingen zoals OPED een belangrijke vooruitgang in de ontwikkeling van EV‑aandrijflijnen, die de tijd aanzienlijk kunnen verkorten, de efficiëntie kunnen verbeteren en de productiekosten kunnen minimaliseren. 

Door supersnelle optimalisatie van EV‑aandrijflijnen mogelijk te maken en prestaties, kosten en duurzaamheidsdoelstellingen in evenwicht te brengen, stelt OPED niet alleen een benchmark voor efficiëntie en duurzaamheid in engineering, maar kan het ook de groei en adoptie van EV’s ondersteunen, waardoor de overgang naar een groenere toekomst wordt versneld.

Klik hier voor een lijst van top EV‑aandelen.