Optimalisering av drivlinjeteknikk med AI kan spare tid, penger og utslipp

Adopsjonen av elbiler øker globalt, drevet av sterke statlige insentiver, forbedring av infrastruktur og fremskritt innen batteriteknologi. 

Denne veksten forventes å fortsette, med Gartner som spår at 85 millioner elbiler vil være i bruk verden over innen slutten av 2025. Dette vil inkludere ikke bare biler, men også busser, varebiler og tunge lastebiler. En overveldende majoritet av disse forventes å være batterielektriske kjøretøy (BEV), som er forutsagt å øke med 35 %, mens plug‑in hybridbiler (PHEV) kan se en økning på 28 % sammenlignet med i fjor. 

Den økende EV‑adopsjonen vil bli støttet av en drastisk reduksjon i prisene på EV‑batterier, drevet av oppskalert produksjon og teknologiske fremskritt. Goldman Sachs (GS ) anslår at prisene på EV‑batterier vil bli halvert innen 2026. 

Selv batterigjenbruksindustrien forventes å se fortsatt vekst, med Statista som rapporterer at anslagsvis 250 kilotonn batterier ble behandlet i 2020 av EV‑batterigjenbruksselskaper verden over. Disse tallene vil sannsynligvis øke med mer enn syv ganger innen 2030 og senere overstige 200 millioner tonn innen 2040.

Dette, sammen med økende konkurranse blant bilprodusenter, vil også presse ned prisene på elbiler, og dermed øke adopsjonen. En annen faktor som bidrar til denne veksten er tilgjengelig, ultrarask ladeteknologi. Ifølge International Energy Agency (IEA) vil antallet offentlige ladestasjoner verden over overstige 15 millioner innen slutten av dette tiåret. 

En annen viktig EV‑trend er fokus på nullutslipp, med regulatorer, forbrukere og bilprodusenter som støtter renere og bærekraftig mobilitet.  

Når det gjelder markedets størrelse for elektriske drivlinjer, ble den verdsatt til $86.9 milliarder i 2023 og er prognostisert å vokse til over $300 milliarder innen 2031 med en CAGR på 17.1 % i denne perioden. Fremtiden for dette markedet er nå segmentert basert på integrasjonstype: kjøretøytype, som inkluderer personbiler (PC) og lette kommersielle kjøretøy (LCV), fremdrift som omfatter BEV og PHEV, og komponenter som dekker batteri, motor, kontroller, inverter/omformer, batteristyringssystem (BMS), kraftleveringsmodul (PDM) og ombordlader. 

Basert på integrasjonstype er markedet delt inn i integrerte og ikke‑integrerte, hvor det integrerte e‑drivlinjesegmentet forventes å ha den høyeste vekstraten. Denne veksten støttes av teknologiske fremskritt, kostnadseffektiv EV‑produksjon og behovet for forbedret kjøretøyytelse. 

Integrasjonen av nøkkelkomponenter reduserer kompleksiteten, senker produksjonskostnadene, frigjør plass i elbiler og forbedrer energieffektiviteten. 

Samtidig dominerer det batteribaserte segmentet markedet, og det er åpenbare grunner til det. Et batteri er hovedkomponenten i en EV‑drivlinje og bestemmer kjøretøyets ytelse, energieffektivitet og rekkevidde. Det utgjør også den største delen av en EVs totale kostnad, og har dermed den største økonomiske påvirkningen på drivlinjemarkedet. 

Drivlinjer i elbiler 

Akkurat som en motor er en nøkkelkomponent i bilen din, er elektriske drivlinjer en viktig del av en elbil, enten det er en ren EV eller en hybrid‑EV. 

I bensin- eller dieselkjøretøy fungerer en forbrenningsmotor (ICE) som den primære energikilden der drivstoff omdannes til mekanisk energi. I en elbil er en e‑drivlinje ansvarlig for å konvertere elektrisk energi til mekanisk energi for å drive kjøretøyet. Så e‑drivlinjen erstatter i hovedsak den tradisjonelle ICE i dine EV‑er for å generere og levere kraft.

Nå består en drivlinje av noen få nøkkelkomponenter, inkludert et energilagringssystem – som et batteri eller en brenselcelle – kraft‑elektronikk som en inverter eller omformer, en elektrisk maskin for konvertering, og et transmisjonssystem. I tillegg inkluderer EV‑drivlinjen også drivakselen for å overføre kraften til hjulene.  

Sammenlignet med en forbrenningsmotor, som har mange komplekse bevegelige deler, er designet og komponentene i drivlinjen mye enklere, uten støy og med null eksosutslipp.

Når det gjelder kraftgenereringssystemer i drivlinjer som leverer nødvendig elektrisk kraft for å bevege kjøretøyet, er de tilgjengelige som en batteripakke og en ombordlader. 

En batteripakke bruker celler for å lagre energi. Litium‑ion‑celler er de mest populære og mest brukte på grunn av høy energitetthet som øker lagringskapasiteten, mens brenselceller er en annen type energilagring som er kjent for å være lettere og ha høyere energieffektivitet. Batteripakken inneholder også et batteristyringssystem (BMS) for å sikre sikker batteridrift ved å forhindre over‑ og underladning.

En ombordlader bruker en ekstern ladekilde som strømnettet for vekselstrøm, som konverteres til likestrøm for lagring i batteriet. 

Nå kontrollerer kraftdistribusjonssystemet i drivlinjen kraften fra kilden ved å integrere kraft‑elektroniske komponenter.

Dette inkluderer en DC‑til‑AC‑inverter som omformer DC‑kraft fra batteriet til AC‑kraft og genererer vekselspenninger som trengs for å kontrollere motorens hastighet og akselerasjon, samt en DC‑til‑DC‑omformer for å justere batteriets høyspente DC‑utgang for å levere lavspente DC‑strøm til å drive hjelpesystemer som klimaanlegg.

Et termisk styringssystem beskytter batteri og motor mot ekstreme temperaturer, mens firmware‑drevne elektroniske kontrollenheter sikrer effektiv og sikker drift av EV‑drivlinjekomponenter.

Kraftdistribusjonsenheten sørger for at hvert system mottar riktig mengde kraft, mens kjøretøykontrollenheten samler inn og behandler data fra ulike systemer, sensorer og kontrollere og synkroniserer aktiviteter mellom systemene.

Nå finnes det noen forskjellige typer elektrifiserte drivlinjer, hver med distinkte konfigurasjoner og funksjonaliteter.

Ren‑elektriske kjøretøy eller BEV‑er som Tesla (TSLA ) Model 3, Nissan LEAF og BMW i3 bruker oppladbare batteripakker for all sin kraftbehov og benytter ikke sekundære energilagringskilder. De må imidlertid lades fra en ekstern kilde. 

Hybrid‑elektriske kjøretøy (HEV) som Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid og Ford Fusion Hybrid kombinerer en ICE med en elektrisk drivlinje, noe som gir bedre drivstofføkonomi og ytelse enn en tradisjonell ICEV. Disse kjøretøyene bruker funksjoner som regenerativ bremsing for å omdanne kinetisk energi tilbake til elektrisk energi for lagring, ICE‑drevne elektriske generatorer for ekstra kraft eller for å lade batteriet, og start‑stopp‑systemer for å slå av motoren i tomgang.

Plug‑in hybrid‑elektriske kjøretøy (PHEV) som Chevrolet Volt og Toyota Prius Prime kan lades fra en ekstern kilde i tillegg til å bruke bensin eller diesel.

Brenselcelle‑elektriske kjøretøy (FCEV) bruker hydrogen‑brenselceller i stedet for batterier for å produsere elektrisk strøm.

Selv om ICE‑er har vært den viktigste energikilden for kjøretøy i over et århundre, er de ansvarlige for miljøforurensning, noe som har ført til fremveksten av elbiler. Disse kjøretøyene med drivlinjer gir flere fordeler, inkludert reduksjon av forurensning og klimagasser. De bidrar også til et roligere miljø ved å redusere støymessig forurensning.

En annen stor fordel med drivlinjer er at de er betydelig mer energieffektive enn ICE, og konverterer mer enn 80 % av lagret energi til bevegelse. Færre bevegelige deler i drivlinjer betyr også reduserte vedlikeholdskostnader. I tillegg er kostnaden for elektrisitet som trengs for å drive en EV lavere enn for diesel eller bensin. Faktisk vil drivstoff til et bensindrevet kjøretøy koste omtrent dobbelt så mye som en EV i USA.

Dette betyr imidlertid ikke at elbiler er uten ulemper. For det første er anskaffelseskostnaden for en EV høyere enn det du må bruke på et ICE‑kjøretøy. Så er ladetiden, som kan variere fra 30 minutter til flere timer avhengig av ladestasjonens kapasitet, mens det bare tar noen få minutter å fylle opp ICEV‑tanken. Begrenset kjørelengde for EV‑er fra en enkelt lading forårsaker rekkeviddeangst blant forbrukerne, og utgjør enda et problem med disse kjøretøyene.

Til tross for disse utfordringene gir EV‑er forbedret drivstofføkonomi og reduserte utslipp, samtidig som de bidrar til et mer robust transportsystem. Dette har ført til en satsing på elektrifisering, som resulterer i spennende innovasjoner i EV‑drivlinjer for å tilby forbedrede fordeler innen ytelse, effektivitet og miljøvennlighet.

AI‑basert OPED for å akselerere utviklingen av drivlinjer

Gitt den sentrale rollen drivlinjer spiller i elbiler, er forbedring av drivlinjeutviklingen kritisk for å oppnå besparelser i ressurser, kostnader og tid.

Forskere fra Graz University of Technology, Østerrikes eldste forsknings- og utdanningsinstitusjon innen vitenskap og teknologi, har gjort nettopp dette ved å revolusjonere EV‑drivlinjeutviklingen med et AI‑drevet system kalt OPED som optimaliserer komponenter for å redusere måneder med kompleks ingeniørarbeid til kun én dag.

Den nye løsningen utviklet av forskerne er Optimisation of Electric Drives (OPED), som er en programvare som optimaliserer teknisk design samtidig som den tar hensyn til klimagassutslipp gjennom hele forsyningskjeden.

Med denne løsningen har forskerteamet ledet av Martin Hofstetter fra Institute of Automotive Engineering som mål å forkorte utviklingsfasen for drivlinjen ved å kombinere simuleringskomponentmodeller med evolusjonsalgoritmer. 

AI‑systemet optimaliserer automatisk hele drivlinjen i samsvar med produsentens tekniske krav, inkludert produksjonskostnader, effektivitet og plasskrav i kjøretøyet. 

OPED har faktisk vært under utvikling i et tiår. I 2018 begynte konseptet for optimalisering av design av elektrisk akseldrevningssystem den offisielle reisen for OPED, og med dette ble også den første girkassemodellen introdusert.

Gjennom årene har denne reisen utviklet seg med introduksjonen av kvantitetsavhengige kostnadsmodeller, en overordnet utviklingsprosess, en grunnleggende tilnærming for å optimalisere produktfamilier med den, en oversikt over den generelle metodikken bak modellen, en modelleringsmetode for å optimalisere integrasjonen av en parkeringslås, og en invertermodell for OPED.

I fjor publiserte teamet artikler om å utvide løsningen for å muliggjøre optimalisering av produktfamilier og minimere karbonavtrykket til en elektrisk akseldrift, blant andre designmål.

Etter over ti år med forskning har teamet med suksess laget denne modellen, som ifølge den offisielle OPED‑nettstedet har som mål å forenkle den utfordrende oppgaven med å designe elektriske drivverk som trengs for EV‑er. Oppgaven krever mange kritiske beslutninger om designet, hvor hver påvirker ulike kundemål som er i konflikt med hverandre, noe som gjør det vanskelig å finne den beste løsningen. Ifølge Hofstetter:

«Elektriske drivverk består av et stort antall komponenter som kan designes svært forskjellig for å oppfylle de ønskede kravene. Hvis jeg gjør en liten endring i den elektriske maskinen, påvirker det transmisjonen og kraft‑elektronikken. Så det er ekstremt komplekst å ta optimale beslutninger.»

Ikke bare må mange designbeslutninger om den elektriske maskinens underkomponenter tas for å optimalisere kundekravene, men økende konkurranse krever også sofistikerte produktdesign og kort tid til markedet for kommersiell suksess. 

Her presenterer OPED seg som løsningen på det komplekse designproblemet, som bruker AI og autonomt søker etter optimale systemdesign. Algoritmen dekker EV‑ens girkasse, elektrisk maskin og kraft‑elektronikk og optimaliserer deres best mulige integrasjon i tilgjengelig kjøretøysplass på en flerobjektiv måte.

Programvaren kombinerer faktisk omtrent 50 designparametere samtidig og sammenligner dem med produsentenes prioriteringer. Den fjerner dårlige varianter og optimaliserer bedre. Etter flere hundre tusen simuleringssykluser finner den den beste løsningen for produsenten, som kan velge varianter de ønsker å utvikle og implementere.

«Hva ingeniører ville trenge måneder på uten AI‑støtte, tar omtrent en dag med OPED. Dette gjør at utviklingsteamene kan fokusere på beslutninger på toppnivå i stedet for å bruke sin begrensede tid på manuelle beregninger og simuleringsarbeid.»

– Hofstetter

Gjennom sitt mangfoldige sett av optimale design veileder modellen ingeniører og beslutningstakere gjennom hele utviklingsprosessen fra starten av, noe som reduserer utviklingstiden betydelig og øker kvalitet og konkurranseevne.

Forskere har også lagt til CO₂‑utslipp generert under produksjon av drivlinjen gjennom hele forsyningskjeden som et optimaliseringskriterium som gjør det mulig for produsenter å ta bærekraft i betraktning allerede fra den tidlige utviklingsfasen.

«OPED‑tilnærmingen kan brukes for et bredt spekter av produktutviklinger», sa Hofstetter, og la til at de «er glade for å samarbeide med nye industrielle partnere for å tilpasse den til deres utfordringer og mål».

Løsningen har blitt utvidet for optimalisering av elektriske drivlinjer for en hel kjøretøyplattform av Dominik Lechleitner som en del av hans doktoravhandling. OPED hjelper med å finne optimale komponenter som kan brukes som overføringsdeler i ulike modellers drivlinjer, noe som sparer utviklings- og produksjonskostnader.

Byggende på sin ekspertise innen drivlinjer, jobber teamet nå med å utvide metodene til andre produkter og industrier gjennom et generisk produkt kalt OPx, som muliggjør enkel skalering.

Viktige aktører i markedet

Noen av de viktigste aktørene i markedet for elektriske drivlinjer inkluderer 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, og Robert Bosch Gmbh.

La oss nå gå dypere inn i et par fremtredende navn: 

1. BorgWarner Inc.

BorgWarner (BWA ) investerer aktivt i EV‑teknologier og AI‑drevne løsninger, og deres produktlinje inkluderer turboladere, e‑boostere, e‑turbos, utslippssystemer, termiske systemer, kontrollmoduler, ombordladere, DC/DC‑omformere, DC‑hurtigladere og litium‑ion‑batterisystemer for elektrifiserte buss‑ og lastebilsapplikasjoner.

På tidspunktet for skrivingen har selskapet med en markedsverdi på 6,85 milliarder dollar sine aksjer handlet til 31,33 $, ned 1,45 % år‑til‑dato. For Q4 2024 var BorgWarner sine US GAAP‑nettosalg 3 522 millioner dollar, og nettoresultatet 0,64 $ per utvannet aksje, mens fri kontantstrøm var 679 millioner dollar. I denne perioden signerte selskapet en avtale med BYDs datterselskap FinDreams Battery, et joint venture med Shaanxi Fast Auto for å utvikle en høyspennings‑inverterapplikasjon for det kinesiske markedet, og kjøpte Eldor Corporations Electric Hybrid Systems.

«Vi tilbyr en fullstendig produktportefølje for kommersielle kjøretøy, som dekker forbrennings-, hybrid- og fullt elektrifiserte drivlinjer. Vår portefølje er robust i møte med industriens endringstakt.»

– BorgWarner sin Chief Strategy Officer, Dr. Paul Farrell, sa nylig i et intervju

2. XPeng Inc.

Det Kina-baserte Xpeng produserer smarte elektriske kjøretøy, som har fått mye oppmerksomhet. Administrerende direktør He Xiaopeng sa nylig at han forventer at årlige leveranser av budsjetterte intelligente biler vil dobles i år, til 380 000 kjøretøy.

På tidspunktet for skrivingen har selskapet med en markedsverdi på 16,14 milliarder dollar sine aksjer handlet til 16,65 $, opp 43,74 % år‑til‑dato. I Q3 2024 registrerte Xpeng totale inntekter på 1,44 milliarder dollar, en økning på 18,4 % fra 3Q23 og en økning på 24,5 % fra 2Q24. 

Inntekter fra kjøretøysalg var 1,25 milliarder dollar med 46 533 leverte kjøretøy av selskapet i kvartalet, opp fra 40 008 i samme kvartal året før. Dens egenstyrte ladestasjonsnettverk nådde samtidig 1 557 stasjoner. Kontanter og kontantekvivalenter, begrenset kontanter, kortsiktige investeringer og tidsinnskudd ved kvartalets slutt var 5,09 milliarder dollar.

Xpeng ble faktisk den bestselgende EV‑oppstartsbedriften i Kina i den første måneden av 2025, som sammen med februar tradisjonelt er lavsesong for lokale bilprodusenter i Kina på grunn av kinesisk nyttår. I samme måned avduket Xpengs romfartsavdeling også sin «modulære flybil» på CES 2025.

Samtidig har administrerende direktør He snakket om å realisere L3 full‑scenario autonom kjøring i andre halvdel av dette året.

«Jeg tror at L3‑autonom kjøring vil føre AI‑biler inn i ‘iPhone 4‑æraen’.

– CEO He

Konklusjon

Elbiler får sitt store gjennombrudd ettersom teknologisk fremgang senker prisene. Etter hvert som elektrisk mobilitet øker, opplever også drivlinjemarkedet rask vekst. Integrasjonen av elektriske drivlinjer med autonom kjøring og tilkoblede kjøretøyteknologier forventes ytterligere å revolusjonere bilindustrien.

Midt i dette markerer løsninger som OPED et betydelig fremskritt innen EV‑drivlinjeutvikling, som kan redusere tiden betydelig, forbedre effektiviteten og minimere produksjonskostnadene. 

Ved å muliggjøre superrask optimalisering av EV‑drivlinjer og balansere ytelse, kostnad og bærekraftsmål, setter OPED ikke bare en målestokk for effektivitet og bærekraft i ingeniørfaget, men kan også bidra til å støtte EV‑vekst og -adopsjon, og akselerere overgangen til en grønnere fremtid.

Klikk her for en liste over de beste EV‑aksjene.