Optimalisatie van Powertrain-Engineering met AI kan Tijd, Geld en Emissies Besparen

De adoptie van elektrische voertuigen neemt wereldwijd toe, gestimuleerd door sterke overheidsstimulansen, verbeteringen in de infrastructuur en vooruitgang in de batterijtechnologie.

Deze groei zal naar verwachting aanhouden, met een prognose van Gartner dat er tegen het einde van 2025 85 miljoen elektrische voertuigen wereldwijd in gebruik zullen zijn. Dit zal niet alleen personenauto’s omvatten, maar ook bussen, bestelwagens en zware trucks. De meerderheid hiervan zal naar verwachting batterij-elektrische voertuigen (BEV’s) zijn, die een toename van 35% zullen zien, terwijl plug-in hybride elektrische voertuigen (PHEV’s) een sprong van 28% kunnen maken in vergelijking met vorig jaar.

De groeiende adoptie van elektrische voertuigen zal worden ondersteund door een drastische verlaging van de prijzen van EV-batterijen, die zal worden gestimuleerd door gescaleerde productie en technologische vooruitgang. Goldman Sachs verwacht dat de prijzen van EV-batterijen tegen 2026 met de helft zullen zijn gedaald.

Zelfs de batterijrecyclingsindustrie zal naar verwachting een voortdurende groei zien, met een geschatte 250 kiloton batterijen die in 2020 wereldwijd door EV-batterijrecyclingsbedrijven zullen zijn verwerkt. Deze cijfers zullen naar verwachting tegen 2030 met meer dan zeven keer toenemen en tegen 2040 meer dan 200 miljoen ton overschrijden.

Dit, samen met de toenemende concurrentie onder automobilisten, zal de prijzen van elektrische voertuigen ook verlagen, waardoor hun adoptie zal toenemen. Nog een factor die bijdraagt aan deze groei is de beschikbaarheid van ultrasnelle laadtechnologie. Volgens het Internationaal Energie Agentschap (IEA) zal het aantal openbare laadstations wereldwijd tegen het einde van dit decennium meer dan 15 miljoen bedragen.

Een andere belangrijke trend in elektrische voertuigen is de focus op zero-emissie, met regulatoren, consumenten en autofabrikanten die schone en duurzame mobiliteit ondersteunen.

Wat betreft de marktgrootte van elektrische aandrijflijnen, deze werd in 2023 gewaardeerd op 86,9 miljard dollar en wordt naar verwachting meer dan 300 miljard dollar tegen 2031 te bereiken met een CAGR van 17,1% tijdens deze periode. Nu is de toekomst van deze markt gesegmenteerd op basis van integratietype: voertuigtype, dat personenauto’s (PC) en lichte bedrijfswagens (LCV) omvat, aandrijving die BEV en PHEV omvat, en component die batterij, motor, controller, omvormer, batterijbeheersysteem (BMS), power delivery module (PDM) en onboard charger omvat.

Op basis van het integratietype is de markt onderverdeeld in geïntegreerd en niet-geïntegreerd, waarbij het geïntegreerde e-aandrijfsysteemsegment naar verwachting het hoogste groeipercentage zal hebben. Deze groei wordt ondersteund door vooruitgang in de technologie, kostenefficiënte EV-productie en de behoefte aan verbeterde voertuigprestaties.

De integratie van sleutelcomponenten vermindert complexiteit, verlaagt productiekosten, maakt ruimte vrij in EV’s en verbetert energiewinning.

Ondertussen domineert het batterijgebaseerde segment momenteel de markt en om voor de hand liggende redenen. Een batterij is de belangrijkste component van een EV-aandrijflijn en bepaalt de prestaties, energiewinning en bereik van het voertuig. Het maakt ook het grootste deel uit van de totale kosten van een EV en heeft, als zodanig, de grootste financiële impact op de aandrijflijnmarkt.

Aandrijflijnen in Elektrische Voertuigen

Net zoals een motor een belangrijk onderdeel is van uw auto, zijn elektrische aandrijflijnen een vitaal onderdeel van een elektrische auto, of het nu een zuiver EV of een hybride EV is.

In uw benzine- of dieselmotoren werkt een interne verbrandingsmotor (ICE) als primaire krachtbron waar brandstof wordt omgezet in mechanische energie. Ondertussen is in een EV een e-aandrijflijn verantwoordelijk voor het omzetten van elektrische energie in mechanische energie om uw voertuig aan te drijven. Dus, e-aandrijflijn vervangt eigenlijk de traditionele ICE in uw EV’s om kracht en vermogen te genereren.

Nu bestaat een aandrijflijn uit een paar sleutelonderdelen, inclusief een energiesysteem—zoals een batterij of brandstofcel—krachtelektronica zoals een omvormer of converter, een elektrische machine voor omzetting, en een transmissiesysteem. Bovendien omvat de EV-aandrijflijn ook de aandrijfas om de kracht naar de wielen over te brengen.

In vergelijking met een interne verbrandingsmotor, die veel complexe bewegende delen heeft, zijn de ontwerp- en componenten in de aandrijflijn veel eenvoudiger met geen geluid en geen uitlaatemissies.

Wanneer het gaat om krachtgeneratiesystemen in aandrijflijnen die de benodigde elektrische kracht leveren om het voertuig te verplaatsen; deze zijn beschikbaar in de vorm van een batterijpakket en een onboard charger.

Een batterijpakket gebruikt cellen om energie op te slaan. Lithium-ioncellen zijn het meest populaire en breed gebruikte vanwege hun hoge energiedichtheid, die hun opslagcapaciteit verhoogt, terwijl brandstofcellen een andere vorm van energieopslag zijn die lichter zijn en een hogere energiewinning hebben. Het batterijpakket bevat ook een batterijbeheersysteem (BMS) om veilige batterijwerking te garanderen door overladen of ontladen te voorkomen.

Een onboard charger gebruikt een externe laadbron zoals het net voor de wisselstroom, die wordt omgezet in gelijkstroom voor opslag in de batterij.

Nu controleert het krachtverdelingssysteem in de aandrijflijn de kracht van de bron door krachtelektronische componenten te integreren.

Dit omvat een gelijkrichter die de gelijkstroom van de batterij omzet in wisselstroom en wisselspanningen genereert die nodig zijn om de snelheid en acceleratie van de motor te controleren en een gelijkrichter om de hoogspanningsgelijkstroom van de batterij aan te passen om de laagspanningsgelijkstroom te leveren aan hulp-systemen zoals airconditioning.

Een thermisch beheersysteem beschermt de batterij en de motor tegen extreme temperaturen, terwijl firmware-geactiveerde elektronische controle-eenheden de efficiënte en veilige werking van EV-aandrijflijncomponenten garanderen.

Het krachtverdelingsysteem zorgt ervoor dat elk systeem de juiste hoeveelheid kracht ontvangt, terwijl de voertuigcontrole-eenheid gegevens verzamelt en verwerkt van verschillende systemen, sensoren en controllers en activiteiten tussen systemen synchroniseert.

Nu zijn er een paar verschillende soorten geëlektrificeerde aandrijflijnen, elk met distincte configuraties en functionaliteiten.

Zuiver elektrische voertuigen of BEV’s zoals de Tesla Model 3, Nissan LEAF en BMW i3 gebruiken oplaadbare batterijpakketten voor al hun energievragen en maken geen gebruik van secundaire energievragen. Ze moeten echter worden opgeladen vanuit 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 betere brandstofefficiëntie en prestaties bieden dan een traditionele ICEV. Deze voertuigen gebruiken functies zoals regeneratief remmen om kinetische energie terug om te zetten in elektrische energie voor opslag, ICE-geactiveerde elektrische generatoren voor extra kracht of om de batterij op te laden, en start-stop-systemen om de motor uit te schakelen wanneer deze stil staat.

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

De brandstofcel-elektrische voertuigen (FCEV’s) gebruiken waterstofbrandstofcellen in plaats van batterijen om elektrische stroom te produceren.

Terwijl ICE’s de belangrijkste krachtbron voor voertuigen zijn geweest voor meer dan een eeuw, zijn ze verantwoordelijk voor milieuvervuiling, wat heeft geleid tot de opkomst van EV’s. Deze voertuigen met aandrijflijnen hebben verschillende voordelen, waaronder het verminderen van vervuiling en broeikasgassen. Ze dragen ook bij aan een stillere omgeving door geluidsoverlast te verminderen.

Een ander groot voordeel van aandrijflijnen is dat ze aanzienlijk energie-efficiënter zijn dan ICE, waarbij meer dan 80% van de opgeslagen energie wordt omgezet in beweging. De minder bewegende delen in aandrijflijnen betekenen dat de onderhoudskosten zijn verlaagd. Dan is er de kosten van elektriciteit die nodig is om een EV aan te drijven, die lager is dan diesel of benzine. Feitelijk zal het tanken van een benzine-aangedreven voertuig u ongeveer twee keer zoveel kosten als een EV in de VS.

Dit betekent echter niet dat EV’s geen nadelen hebben. Om te beginnen is de initiële kosten om een EV te kopen hoger dan wat u moet uitgeven aan een ICE-voertuig. Dan is er de laadtijd, die kan variëren van 30 minuten tot enkele uren, afhankelijk van de capaciteit van het laadstation, terwijl het slechts een paar minuten duurt om uw ICEV-tank te vullen. De beperkte rijbereik van EV’s vanuit een enkele lading veroorzaakt range-angst bij consumenten, waardoor dit nog een ander probleem is met deze voertuigen.

Ondanks deze uitdagingen bieden EV’s verbeterde brandstofefficiëntie en verminderde emissies, waardoor ze bijdragen aan een veerkrachtiger transportsysteem. Dit heeft geleid tot een stimulans voor elektrificatie, wat resulteert in spannende innovaties in EV-aandrijflijnen om verbeterde voordelen in prestaties, efficiëntie en milieuvriendelijkheid te bieden.

AI-gebaseerde OPED om Aandrijflijnontwikkeling te Versnellen

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

Onderzoekers van de Technische Universiteit Graz, Oostenrijks oudste wetenschaps- en technologieonderzoek- en onderwijsinstituut, hebben dit precies gedaan door EV-aandrijflijnontwikkeling te revolutioneren met een AI-geactiveerd systeem genaamd OPED dat componenten optimaliseert om maanden van complexe engineering terug te brengen tot slechts één dag.

Het nieuwe oplossing ontwikkeld door onderzoekers is de Optimalisatie van Elektrische Aandrijvingen (OPED), die een software is die technisch ontwerp optimaliseert, waarbij rekening wordt gehouden met broeikasgasemissies in de hele toeleveringsketen.

Met deze oplossing streeft het team van onderzoekers, geleid door Martin Hofstetter van het Instituut voor Automotive Engineering, ernaar de ontwikkelingsfase van de aandrijflijn te verkorten door simulatiecomponentmodellen te combineren met evolutionaire algoritmen.

Het AI-systeem optimaliseert automatisch de hele aandrijflijn in overeenstemming met de technische vereisten van de fabrikant, waaronder productiekosten, efficiëntie en pakketruimtevereisten in het voertuig.

OPED is eigenlijk al tien jaar in ontwikkeling. In 2018 begon het concept van elektrische asaandrijvingontwerpoptimalisatie de officiële reis van OPED, waarbij het eerste versnellingsbakmodel werd geïntroduceerd.

In de loop der jaren is deze reis voortgegaan met de introductie van kwantiteit-afhankelijke kostmodellen, een algemeen ontwikkelproces, een basisaanpak voor het optimaliseren van productfamilies en een overzicht van de algemene methodologie achter het model.

Vorig jaar publiceerde het team papers over het uitbreiden van de oplossing om productfamilies te optimaliseren en de koolstofvoetafdruk van een elektrische asaandrijving te minimaliseren.

Na meer dan tien jaar onderzoek heeft het team deze model succesvol gecreëerd, die, volgens de officiële OPED-website, erop is gericht om de moeilijke taak van het ontwerpen van elektrische aandrijvingen voor EV’s te vereenvoudigen. De taak vereist het nemen van veel kritische ontwerpbeslissingen, waarvan elk de verschillende klantobjectieven beïnvloedt die in conflict zijn met elkaar, waardoor het moeilijk is om de beste oplossing te vinden. Volgens Hofstetter:

“Elektrische aandrijvingen bestaan uit een groot aantal componenten die op veel verschillende manieren kunnen worden ontworpen om de gewenste vereisten te vervullen. Als ik een kleine wijziging aanbreng in de elektrische machine, heeft dit invloed op de transmissie en de krachtelektronica. Dus het is extreem complex om optimale beslissingen te nemen.”

Niet alleen moeten talloze ontwerpbeslissingen over de subcomponenten van de elektrische machine worden genomen om de klantvereisten optimaal te vervullen, 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 ontwerp-probleem, dat AI gebruikt en op zoek gaat naar optimale systeemontwerpen. De algoritme omvat ongeveer 50 ontwerpparameters tegelijk en vergelijkt deze met de prioriteiten van de fabrikanten. Het verwijdert slechte varianten en optimaliseert betere. Na enkele honderdduizend simulatiecycli vindt het de beste oplossing voor de fabrikant, die de varianten kan selecteren die hij wil ontwikkelen en implementeren.

“Wat ingenieurs maanden zouden kosten zonder AI-ondersteuning, duurt ongeveer één dag met OPED. Dit stelt ontwikkelteams in staat om zich te concentreren op topprioriteitbeslissingen in plaats van hun beperkte tijd te investeren in handmatige berekeningen en simulatiewerk.”

– Hofstetter

Door zijn diverse set van optimale ontwerpen, leidt het model ingenieurs en beslissers in het hele ontwikkelingsproces vanaf het begin, waardoor de ontwikkelingstijd aanzienlijk wordt verkort en de kwaliteit en concurrentiekracht worden verhoogd.

Onderzoekers hebben ook CO2-emissies gegenereerd tijdens de productie van aandrijflijnen in de hele toeleveringsketen toegevoegd als een optimalisatiecriterium dat fabrikanten in staat stelt om duurzaamheid te betrekken bij het vroege ontwikkelingsstadium.

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

De oplossing is uitgebreid voor de optimalisatie van elektrische aandrijflijnen voor een hele voertuigplatform door Dominik Lechleitner als onderdeel van zijn proefschrift. OPED helpt bij het vinden van optimale componenten die kunnen worden gebruikt als carry-over-onderdelen in de aandrijflijnen van verschillende modellen, waardoor ontwikkelings- en productiekosten worden bespaard.

Op basis van hun expertise in aandrijflijnen werkt het team nu aan het uitbreiden van hun methoden naar andere producten en industrieën via een generieke product genaamd OPx, die gemakkelijke schaling mogelijk maakt.

Sleutelspelers op de Markt

Enkele van de belangrijkste spelers op de elektrische aandrijflijnmarkt 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 een dieper kijk nemen naar een paar prominente namen:

1. BorgWarner Inc. (BWA )

Actief investeren in EV-technologieën en AI-geactiveerde oplossingen, omvat het productgamma van BorgWarner turbochargers, e-boosters, e-turbos, emissiesystemen, thermische systemen, controlemodules, onboard chargers, DC/DC-omvormers, DC-snelchargers en lithium-ionbatterij-systemen voor geëlektrificeerde bus- en vrachtwagen-toepassingen.

Op het moment van schrijven worden de aandelen van het bedrijf met een marktwaarde van 6,85 miljard dollar verhandeld tegen 31,33 dollar, een daling van 1,45% sinds het begin van het jaar. Voor het vierde kwartaal van 2024 bedroegen de netto-verkopen van BorgWarner 3.522 miljoen dollar, en de netto-winst was 0,64 dollar per gewogen aandeel, terwijl de vrije kasstroom 679 miljoen dollar bedroeg. Tijdens deze periode sloot het bedrijf een overeenkomst met FinDreams Battery, een joint venture van BYD en Shaanxi Fast Auto, om een hoogspanningsinverter-toepassing te ontwikkelen voor de Chinese markt, en verwierf het Electric Hybrid Systems van Eldor Corporation.

“We bieden een volledig gamma aan producten voor de commerciële voertuigmarkt, dat zowel verbrandings-, hybride als volledig geëlektrificeerde aandrijflijnen omvat. Ons portfolio is veerkrachtig tegenover de snelheid van de industrieverandering.”

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

2. XPeng Inc. (XPEV )

Het in China gevestigde XPeng produceert slimme elektrische voertuigen, die veel aandacht hebben getrokken. CEO He Xiaopeng zei onlangs dat hij verwacht dat de jaarlijkse leveringen van budgettaire intelligente auto’s dit jaar zullen verdubbelen, wat betekent 380.000 voertuigen.

Op het moment van schrijven worden de aandelen van het bedrijf met een marktwaarde van 16,14 miljard dollar verhandeld tegen 16,65 dollar, een stijging van 43,74% sinds het begin van het jaar. In het derde kwartaal van 2024 behaalde Xpeng een totale omzet van 1,44 miljard dollar, een stijging van 18,4% ten opzichte van het derde kwartaal van 2023 en een stijging van 24,5% ten opzichte van het tweede kwartaal van 2024.

De omzet uit voertuigverkopen bedroeg 1,25 miljard dollar, met 46.533 geleverde voertuigen in het kwartaal, een stijging ten opzichte van 40.008 in hetzelfde kwartaal van het voorgaande jaar. Het zelfbediende laadstationnetwerk van het bedrijf bereikte 1.557 stations. De kas- en kasgelijkwaardige posities, beperkte kas, korte termijnbeleggingen en tijdelijke deposito’s op het einde van het kwartaal bedroegen 5,09 miljard dollar.

XPeng kwam naar voren als de best verkochte EV-startup in China in de eerste maand van 2025, die, samen met februari, traditioneel lage seizoenen zijn voor lokale automobilisten in China vanwege het Chinees Nieuwjaar. Diezelfde maand onthulde de luchtvaartmaatschappij van Xpeng, Xpeng Aero, zijn “modulair vliegende auto” op de CES 2025.

Ondertussen heeft CEO He het over het realiseren van L3-volledige scenario’s voor autonome rijden in de tweede helft van dit jaar.

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

– CEO He

Conclusie

Elektrische voertuigen hebben hun grote moment, aangezien technologische vooruitgang hun prijzen verlaagt. Naarmate elektrische mobiliteit toeneemt, ervaart de aandrijflijnmarkt ook een snelle groei. De integratie van elektrische aandrijflijnen met autonome rijden en verbonden voertuigtechnologieën zal de automotive-industrie verder revolutioneren.

Tegen deze achtergrond markeren oplossingen zoals OPED een significante vooruitgang in de ontwikkeling van EV-aandrijflijnen, die aanzienlijk tijd, efficiëntie en productiekosten kunnen besparen.

Door super-snelle optimalisatie van EV-aandrijflijnen en het balanceren van prestaties, kosten en duurzaamheidsdoelstellingen, stelt OPED niet alleen een benchmark voor efficiëntie en duurzaamheid in de techniek, maar kan ook helpen om de groei en adoptie van EV’s te ondersteunen, waardoor de overgang naar een groenere toekomst wordt versneld.

Klik hier voor een lijst van de beste EV-aandelen.