Otimização da Engenharia de Powertrains com IA Pode Economizar Tempo, Dinheiro e Emissões

A adoção de veículos elétricos está em ascensão globalmente, impulsionada por fortes incentivos governamentais, melhoria da infraestrutura e avanços na tecnologia de baterias. 

Espera‑se que esse crescimento continue, com a Gartner prevendo que 85 milhões de VEs estarão em uso em todo o mundo até o final de 2025. Isso incluirá não apenas carros, mas também ônibus, vans e caminhões pesados. A grande maioria desses deve ser veículos elétricos a bateria (BEVs), que são previstos a registrar um aumento de 35%, enquanto os veículos híbridos plug‑in (PHEVs) podem ter um salto de 28% em comparação ao ano passado. 

A adoção crescente de VEs será apoiada por uma redução drástica nos preços das baterias de VEs, impulsionada pela produção em escala e avanços tecnológicos. A Goldman Sachs (GS ) projeta que os preços das baterias de VEs serão reduzidos à metade até 2026. 

Mesmo a indústria de reciclagem de baterias deve continuar crescendo, com a Statista reportando cerca de 250 quilotoneladas de baterias processadas em 2020 por empresas de reciclagem de baterias de VEs em todo o mundo. Esses números provavelmente aumentarão mais de sete vezes até 2030 e ultrapassarão 200 milhões de toneladas até 2040.

Isso, juntamente com a crescente competição entre os fabricantes de automóveis, também reduzirá os preços dos VEs, impulsionando sua adoção. Outro fator que contribui para esse crescimento é a tecnologia de carregamento ultra‑rápido e acessível. Segundo a Agência Internacional de Energia (IEA), o número de estações de carregamento públicas em todo o mundo ultrapassará 15 milhões até o final desta década. 

Outra tendência importante dos VEs é o foco em zero emissões, com reguladores, consumidores e montadoras apoiando mobilidade mais limpa e sustentável.  

Quanto ao tamanho de mercado dos powertrains elétricos, foi avaliado em US$ 86,9 bilhões em 2023 e está projetado a ultrapassar $300 billion by 2031 com um CAGR de 17,1% durante esse período. Agora, o futuro desse mercado está segmentado com base no tipo de integração: tipo de veículo, que inclui carros de passeio (PC) e veículos comerciais leves (LCV), propulsão que envolve BEV e PHEV, e componente que cobre bateria, motor, controlador, inversor/conversor, sistema de gerenciamento de bateria (BMS), módulo de entrega de energia (PDM) e carregador a bordo. 

Com base no tipo de integração, o mercado é dividido em integrado e não integrado, com o segmento de e‑powertrain integrado esperado para ter a maior taxa de crescimento. Esse crescimento é apoiado por avanços tecnológicos, produção de VEs com custos eficientes e a necessidade de melhorar o desempenho dos veículos. 

A integração dos componentes‑chave reduz a complexidade, diminui os custos de produção, libera espaço nos VEs e aumenta a eficiência energética. 

Enquanto isso, o segmento baseado em baterias atualmente domina o mercado por razões óbvias. Uma bateria é o principal componente de um powertrain de VE e determina o desempenho, a eficiência energética e a autonomia do veículo. Ela também representa a maior parte do custo total de um VE e, como tal, tem o maior impacto financeiro no mercado de powertrains. 

Powertrains em Veículos Elétricos 

Assim como o motor é uma parte fundamental do seu carro, os powertrains elétricos são um componente vital de um carro elétrico, seja um VE puro ou híbrido. 

Nos seus veículos a gasolina ou diesel, um motor de combustão interna (ICE) funciona como a principal fonte de energia, onde o combustível é convertido em energia mecânica. Enquanto isso, em um VE, um e‑powertrain é responsável por converter energia elétrica em energia mecânica para mover o veículo. Portanto, o e‑powertrain basicamente substitui o ICE tradicional nos seus VEs para gerar e entregar energia a ele.

Agora, um powertrain é composto por alguns elementos‑chave, incluindo um sistema de armazenamento de energia — como uma bateria ou célula de combustível — eletrônica de potência como um inversor ou conversor, uma máquina elétrica para conversão e um sistema de transmissão. Além disso, o powertrain de VE também inclui o eixo de transmissão para levar a energia às rodas.  

Em comparação com um motor de combustão interna, que possui muitas peças móveis complexas, o design e os componentes do powertrain são muito mais simples, sem ruído e com zero emissões de escapamento.

Quando se trata de sistemas de geração de energia nos powertrains que fornecem a energia elétrica necessária para mover o veículo; eles estão disponíveis na forma de um pacote de bateria e um carregador a bordo. 

Um pacote de bateria utiliza células para armazenar energia. Células de íon‑lítio são as mais populares e amplamente usadas devido à alta densidade de energia, que aumenta sua capacidade de armazenamento, enquanto as células de combustível são outro tipo de armazenamento de energia conhecido por ser mais leve e ter maior eficiência energética. O pacote de bateria também contém um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) para garantir a operação segura da bateria, evitando sobrecarga ou descarga.

Um carregador a bordo utiliza uma fonte de carregamento externa, como a rede elétrica para corrente alternada, que é convertida em corrente contínua para armazenamento na bateria. 

Agora, o sistema de distribuição de energia no powertrain controla a energia da fonte integrando componentes eletrônicos de potência.

Isso inclui um inversor DC‑para‑AC que transforma a energia DC da bateria em energia AC e gera tensões alternadas necessárias para controlar a velocidade e aceleração do motor, e um conversor DC‑para‑DC para ajustar a saída DC de alta tensão da bateria a fim de fornecer DC de baixa tensão para alimentar sistemas auxiliares como o ar‑condicionado.

Um sistema de gerenciamento térmico protege a bateria e o motor de temperaturas extremas, enquanto unidades de controle eletrônico alimentadas por firmware garantem a operação eficiente e segura dos componentes do powertrain de VE.

A unidade de distribuição de energia garante que cada sistema receba a quantidade correta de energia, enquanto a unidade de controle do veículo coleta e processa dados de vários sistemas, sensores e controladores e sincroniza as atividades entre os sistemas.

Agora, existem alguns tipos diferentes de powertrains eletrificados, cada um com configurações e funcionalidades distintas.

Veículos puramente elétricos ou BEVs como Tesla (TSLA ) Model 3, Nissan LEAF e BMW i3 utilizam pacotes de bateria recarregáveis para todas as suas necessidades de energia e não utilizam fontes de armazenamento de energia secundárias. No entanto, precisam ser carregados a partir de uma fonte externa. 

Veículos elétricos híbridos (HEVs) como o Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid e Ford Fusion Hybrid combinam um ICE com um trem de força elétrico, permitindo oferecer melhor economia de combustível e desempenho em comparação a um ICEV tradicional. Esses veículos utilizam recursos como frenagem regenerativa para converter energia cinética de volta em energia elétrica para armazenamento, geradores elétricos alimentados por ICE para energia adicional ou recarregar a bateria, e sistemas start‑stop para desligar o motor em marcha lenta.

Veículos elétricos híbridos plug‑in (PHEVs) como Chevrolet Volt e Toyota Prius Prime podem ser carregados a partir de uma fonte externa além de utilizarem gasolina ou diesel.

Os veículos elétricos de célula de combustível (FCEVs) utilizam células de combustível de hidrogênio em vez de baterias para produzir corrente elétrica.

Embora os ICEs tenham sido a principal fonte de energia para veículos por mais de um século, eles são responsáveis pela poluição ambiental, o que levou ao surgimento dos VEs. Esses veículos com powertrains trazem vários benefícios, incluindo a redução da poluição e dos gases de efeito estufa. Eles também contribuem para um ambiente mais silencioso ao reduzir a poluição sonora.

Outro grande benefício dos powertrains é que eles são significativamente mais eficientes em termos de energia do que os ICEs, convertendo mais de 80% da energia armazenada em movimento. O menor número de peças móveis nos powertrains também reduz os custos de manutenção. Além disso, o custo da eletricidade necessária para alimentar um VE é inferior ao do diesel ou gasolina. De fato, abastecer um veículo a gasolina custará cerca de duas vezes mais do que um VE nos EUA.

Isso, porém, não significa que os VEs não tenham desvantagens. Para começar, o custo inicial para comprar um VE é maior do que o gasto necessário para um veículo ICE. Depois, há o tempo de carregamento, que pode variar de 30 minutos a várias horas dependendo da capacidade da estação de carregamento, enquanto leva apenas alguns minutos para encher o tanque do seu ICEV. A autonomia limitada dos VEs com uma única carga causa ansiedade de alcance entre os consumidores, apresentando mais um problema desses veículos.

Apesar desses desafios, os VEs permitem melhorar a economia de combustível e reduzir as emissões, contribuindo para um sistema de transporte mais resiliente. Isso impulsionou a eletrificação, resultando em inovações empolgantes nos powertrains de VEs para oferecer benefícios aprimorados em desempenho, eficiência e sustentabilidade.

OPED baseado em IA para acelerar o desenvolvimento de Powertrains

Dado o papel fundamental que os powertrains desempenham nos veículos elétricos, melhorar o desenvolvimento de powertrains é crucial para alcançar economias de recursos, custos e tempo.

Pesquisadores da Graz University of Technology, a mais antiga instituição de pesquisa e ensino em ciência e tecnologia da Áustria, fizeram exatamente isso ao revolucionar o desenvolvimento de powertrains de VE com um sistema impulsionado por IA chamado OPED, que otimiza componentes para reduzir meses de engenharia complexa a apenas um dia.

The nova solução desenvolvida pelos pesquisadores é a Optimisation of Electric Drives (OPED), que é um software que otimiza o design técnico enquanto considera as emissões de gases de efeito estufa ao longo de toda a cadeia de suprimentos.

Com essa solução, a equipe de pesquisadores liderada por Martin Hofstetter, do Institute of Automotive Engineering, pretende encurtar a fase de desenvolvimento do powertrain combinando modelos de componentes de simulação com algoritmos evolutivos. 

O sistema de IA otimiza automaticamente todo o powertrain de acordo com os requisitos técnicos do fabricante, abrangendo custos de produção, eficiência e requisitos de espaço de embalagem no veículo. 

O OPED está em desenvolvimento há uma década. Em 2018, o conceito de otimização de design de sistema de acionamento de eixo elétrico iniciou a jornada oficial do OPED, usando o qual o primeiro modelo de caixa de câmbio também foi introduzido.

Ao longo dos anos, essa jornada avançou com a introdução de modelos de custo dependentes de quantidade, um processo de desenvolvimento geral, uma abordagem básica para otimizar famílias de produtos com ele, uma visão geral da metodologia geral por trás do modelo, uma abordagem de modelagem para otimizar a integração de um travamento de estacionamento e um modelo de inversor para o OPED.

No ano passado, a equipe publicou artigos sobre a extensão da solução para permitir a otimização de famílias de produtos e a minimização da pegada de carbono de um acionamento de eixo elétrico, entre outros objetivos de design.

Após mais de dez anos de pesquisa, a equipe criou com sucesso este modelo, que, de acordo com o site OPED, tem como objetivo simplificar a tarefa desafiadora de projetar acionamentos elétricos necessários para VEs. A tarefa exige tomar muitas decisões críticas sobre o design, cada uma das quais afeta diferentes objetivos dos clientes que entram em conflito, dificultando encontrar a melhor solução. Segundo Hofstetter:

“Os acionamentos elétricos consistem em um grande número de componentes que podem ser projetados de forma muito diferente para atender aos requisitos desejados. Se eu fizer uma pequena alteração na máquina elétrica, isso afeta a transmissão e a eletrônica de potência. Portanto, é extremamente complexo tomar decisões ótimas.”

Não apenas inúmeras decisões de design sobre os subcomponentes da máquina elétrica precisam ser tomadas para atender otimamente aos requisitos do cliente, mas a crescente competição também exige designs de produtos sofisticados e um curto tempo de lançamento no mercado para o sucesso comercial. 

Aqui, o OPED se apresenta como a solução para o problema de design complexo, que utiliza IA e busca autonomamente designs de sistema ótimos. O algoritmo abrange a caixa de câmbio do VE, a máquina elétrica e a eletrônica de potência e otimiza sua melhor integração possível no espaço disponível do veículo de forma multi‑objetivo.

O software realmente combina cerca de 50 parâmetros de design simultaneamente e os compara com as prioridades dos fabricantes. Ele elimina variantes ruins e otimiza as melhores. Após várias centenas de milhares de ciclos de simulação, ele encontra a melhor solução para o fabricante, que pode selecionar as variantes que deseja desenvolver e implementar.

“O que os engenheiros levariam meses para fazer sem suporte de IA leva cerca de um dia com o OPED. Isso permite que as equipes de desenvolvimento se concentrem em decisões de alto nível em vez de investir seu tempo limitado em cálculos e simulações manuais.”

– Hofstetter

Por meio de seu conjunto diversificado de designs ótimos, o modelo orienta engenheiros e tomadores de decisão em todo o processo de desenvolvimento desde o início, reduzindo significativamente o tempo de desenvolvimento e aumentando a qualidade e a competitividade.

Os pesquisadores também adicionaram as emissões de CO2 geradas durante a produção do powertrain em toda a cadeia de suprimentos como um critério de otimização que permite aos fabricantes levar a sustentabilidade em conta desde a fase inicial de desenvolvimento.

“A abordagem OPED pode ser usada para uma ampla variedade de desenvolvimentos de produtos”, disse Hofstetter, acrescentando que eles “estão felizes em trabalhar com novos parceiros industriais para adaptá-la aos seus desafios e metas”.

A solução foi ampliada para a otimização de powertrains elétricos para uma plataforma completa de veículos por Dominik Lechleitner, como parte de sua tese de doutorado. O OPED auxilia na busca de componentes ótimos a serem utilizados como peças de continuidade nos powertrains de diferentes modelos, economizando custos de desenvolvimento e produção.

Com base em sua expertise em powertrains, a equipe está agora trabalhando na expansão de seus métodos para outros produtos e indústrias por meio de um produto genérico chamado OPx, que permite escalabilidade conveniente.

Principais Participantes do Mercado

Alguns dos principais participantes no mercado de powertrains elétricos incluem 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.

Agora, vamos analisar mais detalhadamente alguns nomes proeminentes: 

1. BorgWarner Inc.

Investindo ativamente em tecnologias EV e soluções impulsionadas por IA, a linha de produtos da BorgWarner (BWA ) inclui turbocompressores, e‑boosters, e‑turbos, sistemas de emissões, sistemas térmicos, módulos de controle, carregadores a bordo, conversores DC/DC, carregadores rápidos DC e sistemas de bateria de íon‑lítio para aplicações de ônibus e caminhões eletrificados.

No momento da redação, as ações da empresa, com capitalização de mercado de US$ 6,85 bilhões, estão sendo negociadas a US$ 31,33, queda de 1,45% no ano. No quarto trimestre de 2024, as vendas líquidas US GAAP da BorgWarner foram US$ 3.522 bilhões, e o lucro líquido foi US$ 0,64 por ação diluída, enquanto o fluxo de caixa livre foi US$ 679 milhões. Durante esse período, a empresa assinou um acordo com a subsidiária da BYD, FinDreams Battery, uma joint venture com a Shaanxi Fast Auto para desenvolver uma aplicação de inversor de alta tensão para o mercado chinês, e adquiriu os Sistemas Híbridos Elétricos da Eldor Corporation.

“Oferecemos um conjunto completo de produtos para o segmento de veículos comerciais, atendendo a powertrains de combustão, híbridos e totalmente eletrificados. Nosso portfólio é resiliente ao ritmo de mudança da indústria.”

– Dr. Paul Farrell, Diretor de Estratégia da BorgWarner, disse recentemente em entrevista

2. XPeng Inc.

A Xpeng, com sede na China, produz veículos elétricos inteligentes, que têm recebido muita atenção. O CEO He Xiaopeng afirmou recentemente que espera que as entregas anuais de carros inteligentes orçados dobrem este ano, chegando a 380.000 veículos.

No momento da redação, as ações da empresa, com capitalização de mercado de US$ 16,14 bilhões, estão sendo negociadas a US$ 16,65, alta de 43,74% no ano. No terceiro trimestre de 2024, a Xpeng registrou receitas totais de US$ 1,44 bilhão, um aumento de 18,4% em relação ao 3T23 e um aumento de 24,5% em relação ao 2T24. 

A receita de vendas de veículos foi de US$ 1,25 bilhão, com 46.533 veículos entregues pela empresa no trimestre, acima dos 40.008 no mesmo trimestre do ano anterior. Sua rede de estações de carregamento operada internamente atingiu 1.557 estações. O caixa e equivalentes de caixa, caixa restrito, investimentos de curto prazo e depósitos a prazo no final do trimestre totalizaram US$ 5,09 bilhões.

A Xpeng realmente emergiu como a startup de VEs mais vendida da China no primeiro mês de 2025, que juntamente com fevereiro são tradicionalmente períodos de baixa para as montadoras locais na China devido ao Ano Novo Chinês. No mesmo mês, a empresa aeroespacial da Xpeng também revelou seu “carro voador modular” no CES 2025.

Enquanto isso, o CEO He tem falado sobre a realização da condução autônoma completa de cenário L3 na segunda metade deste ano.

“Acredito que a condução autônoma L3 levará os carros de IA para a era do ‘iPhone 4’.”

– CEO He

Conclusão

Os veículos elétricos estão vivendo seu grande momento à medida que os avanços tecnológicos reduzem seus preços. À medida que a mobilidade elétrica cresce, o mercado de powertrains também experimenta um rápido crescimento. A integração de powertrains elétricos com condução autônoma e tecnologias de veículos conectados deve ainda revolucionar a indústria automotiva.

Nesse contexto, soluções como o OPED representam um avanço significativo no desenvolvimento de powertrains de VE, podendo reduzir consideravelmente o tempo, melhorar a eficiência e minimizar os custos de produção. 

Ao permitir a otimização ultrarrápida de powertrains de VE e equilibrar desempenho, custo e objetivos de sustentabilidade, o OPED não só estabelece um padrão de referência para eficiência e sustentabilidade na engenharia, como também pode ajudar a apoiar o crescimento e a adoção de VEs, acelerando a transição para um futuro mais verde.

Clique aqui para uma lista das principais ações de VEs.