Optimering av drivlinjekonstruktion med AI kan spara tid, pengar och utsläpp

Antagandet av elfordon ökar globalt, drivet av starka statliga incitament, förbättrad infrastruktur och framsteg inom batteriteknik. 

Denna tillväxt förväntas fortsätta, med Gartner som prognostiserar att 85 miljoner elfordon kommer att vara i bruk världen över i slutet av 2025. Detta kommer att omfatta inte bara bilar utan även bussar, skåpbilar och tunga lastbilar. En stor majoritet av dessa förväntas vara batterielektriska fordon (BEV), som beräknas öka med 35 %, medan plug‑in hybridfordon (PHEV) kan öka med 28 % jämfört med förra året. 

Den växande antagandet av elfordon kommer att stödjas av en drastisk minskning av elbilsbatteripriser, driven av storskalig produktion och tekniska framsteg. Goldman Sachs (GS ) förutspår att elbilsbatteripriserna kommer att halveras till 2026. 

Även batteriåtervinningsindustrin förväntas fortsätta växa, med Statista som rapporterar att uppskattningsvis 250 kiloton batterier bearbetades 2020 av elbilsbatteriåtervinningsföretag världen över. Dessa siffror förväntas öka med mer än sju gånger till 2030 och sedan överstiga 200 miljoner ton till 2040.

Detta, tillsammans med ökande konkurrens bland biltillverkare, kommer också att driva ner priserna på elbilar, vilket i sin tur ökar deras antagande. En annan faktor som bidrar till denna tillväxt är tillgänglig, ultrarapid laddningsteknik. Enligt Internationella energirådet (IEA) kommer antalet offentliga laddstationer världen över att överstiga 15 miljoner i slutet av detta decennium. 

En annan viktig trend för elfordon är fokus på nollutsläpp, där reglerare, konsumenter och biltillverkare stödjer renare och hållbar mobilitet.  

När det gäller marknadsstorleken för elektriska drivlinor värderades den till 86,9 miljarder dollar 2023 och förväntas stiga över 300 miljarder dollar till 2031 med en årlig tillväxttakt (CAGR) på 17,1 % under perioden. Framtiden för denna marknad är nu segmenterad baserat på integrationstyp: fordonstyp, som inkluderar personbilar (PC) och lätta kommersiella fordon (LCV), framdrift som omfattar BEV och PHEV, samt komponenter som täcker batteri, motor, styrenhet, omriktare/konverterare, batterihanteringssystem (BMS), kraftleveransmodul (PDM) och ombordladdare.

Baserat på integrationstyp är marknaden uppdelad i integrerade och icke‑integrerade, där den integrerade e‑drivlinesegmentet förväntas ha den högsta tillväxttakten. Denna tillväxt stöds av tekniska framsteg, kostnadseffektiv elbilsproduktion och behovet av förbättrad fordonsprestanda. 

Integrationen av nyckelkomponenter minskar komplexiteten, sänker produktionskostnaderna, frigör utrymme i elbilar och förbättrar energieffektiviteten. 

Samtidigt dominerar det batteribaserade segmentet för närvarande marknaden av uppenbara skäl. Ett batteri är den huvudsakliga komponenten i en elbilsdrivlina och bestämmer fordonets prestanda, energieffektivitet och räckvidd. Det utgör också den största delen av en elbils totala kostnad och har därför den största ekonomiska påverkan på drivlinemarknaden. 

Drivlinor i elfordon 

Precis som en motor är en nyckeldel i din bil, är elektriska drivlinor en viktig komponent i en elbil, oavsett om det är en ren EV eller en hybrid‑EV. 

I dina bensin- eller dieselfordon fungerar en förbränningsmotor (ICE) som den primära kraftkällan där bränsle omvandlas till mekanisk energi. I en elbil ansvarar en e‑drivlina för att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi för att driva ditt fordon. Således ersätter e‑drivlinan i princip den traditionella ICE:n i dina elbilar för att generera och leverera kraft. 

Nu består en drivlina av några nyckelelement, inklusive ett energilagringssystem – såsom ett batteri eller en bränslecell – kraftelektronik som en omriktare eller konverterare, en elektrisk maskin för omvandling och ett växelsystem. Dessutom inkluderar elbilens drivlina drivaxeln för att överföra kraften till hjulen.  

Jämfört med en förbränningsmotor, som har många komplexa rörliga delar, är designen och komponenterna i drivlinan mycket enklare, utan buller och med noll utsläpp från avgasröret.

När det gäller kraftgenereringssystem i drivlinor som tillhandahåller den nödvändiga elektriska kraften för att driva fordonet; finns de i form av ett batteripaket och en ombordladdare. 

Ett batteripaket använder celler för att lagra energi. Litiumjonceller är de mest populära och mest använda på grund av sin höga energitäthet som ökar deras lagringskapacitet, medan bränsleceller är en annan typ av energilagring som är kända för att vara lättare och ha högre energieffektivitet. Batteripaketet innehåller också ett batterihanteringssystem (BMS) för att säkerställa säker batteridrift genom att förhindra överladdning eller urladdning.

En ombordladdare använder en extern laddningskälla som elnätet för växelström, som omvandlas till likström för lagring i batteriet. 

Nu styr kraftdistributionssystemet i drivlinan kraften från källan genom att integrera kraftelektroniska komponenter.

Detta inkluderar en DC‑till‑AC‑omriktare som omvandlar DC‑kraft från batteriet till AC‑kraft och genererar växelspänningar som behövs för att kontrollera motorns hastighet och acceleration samt en DC‑till‑DC‑konverterare för att justera batteriets högspännings‑DC‑utgång för att leverera lågspännings‑DC till att driva hjälpsystem som luftkonditionering.

Ett termiskt hanteringssystem skyddar batteriet och motorn från extrema temperaturer, medan firmware‑drivna elektroniska styrningsenheter säkerställer effektiv och säker drift av elbilens drivlinekomponenter.

Kraftdistributionsenheten ser till att varje system får rätt mängd kraft medan fordonets styrningsenhet samlar in och bearbetar data från olika system, sensorer och styrsystem och synkroniserar aktiviteter mellan systemen.

Nu finns det några olika typer av elektrifierade drivlinor, var och en med distinkta konfigurationer och funktioner.

Ren‑elektriska fordon eller BEV, som Tesla (TSLA ) Model 3, Nissan LEAF och BMW i3, använder uppladdningsbara batteripaket för alla sina kraftbehov och använder inte sekundära energilagringskällor. De måste dock laddas från en extern källa. 

Hybrid‑elektriska fordon (HEV) som Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid och Ford Fusion Hybrid kombinerar en förbränningsmotor med en elektrisk drivlina, vilket gör att de kan erbjuda bättre bränsleekonomi och prestanda än ett traditionellt ICE‑fordon. Dessa fordon använder funktioner som regenerativ bromsning för att omvandla kinetisk energi tillbaka till elektrisk energi för lagring, ICE‑drivna elektriska generatorer för extra kraft eller för att ladda batteriet, samt start‑stop‑system för att stänga av motorn när den är i tomgång.

Plug‑in hybrid‑elektriska fordon (PHEV) som Chevrolet Volt och Toyota Prius Prime kan laddas från en extern källa utöver att använda bensin eller diesel.

Bränslecell‑elektriska fordon (FCEV) använder vätgasbränsleceller istället för batterier för att producera elektrisk ström.

Medan ICE har varit den huvudsakliga kraftkällan för fordon i över ett sekel, är de ansvariga för miljöföroreningar, vilket har lett till ökningen av elfordon. Dessa fordon med drivlinor har flera fördelar, inklusive minskning av föroreningar och växthusgaser. De bidrar också till en tystare miljö genom att minska bullerföroreningar.

En annan stor fördel med drivlinor är att de är betydligt mer energieffektiva än ICE, och omvandlar mer än 80 % av lagrad energi till rörelse. Färre rörliga delar i drivlinor innebär också lägre underhållskostnader. Dessutom är kostnaden för elektricitet som krävs för att driva en elbil lägre än för diesel eller bensin. Faktum är att tankning av ett bensindrivet fordon kostar ungefär dubbelt så mycket som en elbil i USA.

Detta betyder dock inte att elbilar saknar nackdelar. Till att börja med är den initiala kostnaden för att köpa en elbil högre än vad du måste spendera på ett ICE‑fordon. Dessutom finns laddningstiden, som kan vara var som helst mellan 30 minuter och flera timmar beroende på laddstationens kapacitet, medan det bara tar några minuter att fylla på ett ICE‑fordons tank. Begränsad körsträcka för elbilar från en enda laddning orsakar räckviddsångest bland konsumenter, vilket innebär ytterligare ett problem med dessa fordon.

Trots dessa utmaningar möjliggör elbilar förbättrad bränsleekonomi och minskade utsläpp samtidigt som de bidrar till ett mer motståndskraftigt transportsystem. Detta har lett till en drivkraft för elektrifiering, vilket resulterar i spännande innovationer i elbilens drivlinor för att erbjuda förbättrade fördelar i prestanda, effektivitet och miljövänlighet.

AI‑baserad OPED för att påskynda utvecklingen av drivlinor 

Med tanke på den nyckelroll som drivlinor spelar i elfordon är förbättring av drivlinuutveckling avgörande för att uppnå besparingar i resurser, kostnader och tid.

Forskare från Graz University of Technology, Österrikes äldsta forsknings- och utbildningsinstitut inom vetenskap och teknik, har gjort just detta genom att revolutionera utvecklingen av elbilens drivlina med ett AI‑drivet system kallat OPED som optimerar komponenter för att minska månader av komplex ingenjörskonst till bara en dag.

Den nya lösningen som forskarna utvecklat är Optimisation of Electric Drives (OPED), en mjukvara som optimerar teknisk design samtidigt som den tar hänsyn till växthusgasutsläpp längs hela leveranskedjan.

Med denna lösning syftar forskarteamet lett av Martin Hofstetter från Institute of Automotive Engineering till att förkorta utvecklingsfasen för drivlinan genom att kombinera simuleringskomponentmodeller med evolutionära algoritmer. 

AI‑systemet optimerar automatiskt hela drivlinan i enlighet med tillverkarens tekniska krav som omfattar produktionskostnader, effektivitet och paketutrymmeskrav i fordonet. 

OPED har faktiskt utvecklats i ett decennium. År 2018 påbörjades den officiella resan för OPED med konceptet för optimering av design av elektriska axeldrivsystem, med vilket den första växellådemodellen också introducerades.

Under åren har denna resa gått framåt med införandet av kvantitetsberoende kostnadsmodeller, en övergripande utvecklingsprocess, ett grundläggande tillvägagångssätt för att optimera produktfamiljer med den, en översikt av den allmänna metodiken bakom modellen, ett modelleringsförfarande för att optimera integrationen av ett parkeringslås och en omriktarmodell för OPED.

Förra året släppte teamet artiklar om att utöka lösningen för att möjliggöra optimering av produktfamiljer och minimering av koldioxidavtrycket för ett elektriskt axeldriv bland andra designmål.

Efter mer än tio års forskning har teamet framgångsrikt skapat denna modell, som enligt den officiella OPED‑webbplatsen syftar till att förenkla den utmanande uppgiften att designa elektriska drivsystem som behövs för elbilar. Uppgiften kräver många kritiska beslut om designen, där varje beslut påverkar olika kundmål som kan stå i konflikt med varandra, vilket gör det svårt att hitta den bästa lösningen. Enligt Hofstetter:

“Elektriska drivsystem består av ett stort antal komponenter som kan designas mycket olika för att uppfylla de önskade kraven. Om jag gör en liten förändring i den elektriska maskinen påverkar det transmissionen och kraftelektroniken. Så det är extremt komplext att fatta optimala beslut.”

Inte bara måste ett stort antal designbeslut om den elektriska maskinens delkomponenter fattas för att optimalt passa kundkraven, utan den ökande konkurrensen kräver också sofistikerade produktdesigner och en kort tid till marknaden för kommersiell framgång. 

Här presenterar sig OPED som lösningen på det komplexa designproblemet, som använder AI och autonomt söker efter optimala systemdesigner. Algoritmen omfattar elbilens växellåda, elektriska maskin och kraftelektronik och optimerar deras bästa möjliga integration i det tillgängliga fordonutrymmet på ett multi‑objektivt sätt.

Mjukvaran kombinerar faktiskt omkring 50 designparametrar samtidigt och jämför dem sedan med tillverkarnas prioriteringar. Den tar bort dåliga varianter och optimerar bättre. Efter flera hundratusen simuleringscykler hittar den den bästa lösningen för tillverkaren, som kan välja de varianter de vill utveckla och implementera.

“Vad ingenjörer utan AI‑stöd skulle behöva månader för att göra tar ungefär en dag med OPED. Detta gör att utvecklingsteamen kan fokusera på övergripande beslut istället för att investera sin begränsade tid i manuella beräkningar och simuleringsarbete.”

– Hofstetter

Genom sitt mångsidiga urval av optimala designer guidar modellen ingenjörer och beslutsfattare genom hela utvecklingsprocessen från början, vilket avsevärt minskar utvecklingstiden och ökar kvalitet och konkurrenskraft.

Forskare har också lagt till CO2‑utsläpp som genereras under drivlinans produktion i hela leveranskedjan som ett optimeringskriterium, vilket möjliggör för tillverkare att ta hållbarhet i beaktande redan från den tidiga utvecklingsfasen.

“OPED‑metoden kan användas för en mängd olika produktutvecklingar,” sade Hofstetter, och tillade att de “är glada att samarbeta med nya industriella partners för att anpassa den till deras utmaningar och mål.”

Lösningen har utökats för optimering av elektriska drivlinor för en hel fordonplattform av Dominik Lechleitner som en del av hans doktorsavhandling. OPED hjälper till att hitta optimala komponenter som kan användas som återstående delar i olika modellers drivlinor, vilket sparar utvecklings- och produktionskostnader.

Med sin expertis inom drivlinor bygger teamet nu på att expandera sina metoder till andra produkter och industrier genom en generisk produkt kallad OPx, som möjliggör bekväm skalning.

Viktiga aktörer på marknaden

Några av de viktigaste aktörerna på marknaden för elektriska drivlinor inkluderar 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 och Robert Bosch Gmbh.

Låt oss nu gå djupare in på ett par framstående namn: 

1. BorgWarner Inc.

BorgWarner (BWA ) investerar aktivt i EV‑teknologier och AI‑drivna lösningar, och deras produktlinje inkluderar turboladdare, e‑boosters, e‑turbos, utsläppssystem, värmesystem, styrmoduler, ombordladdare, DC/DC‑omvandlare, snabbladdare för DC och litiumjonbatterisystem för elektrifierade buss- och lastbilsapplikationer.

Vid skrivandet är företagets aktier med ett börsvärde på 6,85 miljarder dollar handlade till 31,33 dollar, ner 1,45 % år‑till‑datum. För Q4 2024 var BorgWarner’s US GAAP‑nettoomsättning 3 522 miljoner dollar, och nettoresultatet 0,64 dollar per utspädd aktie, medan fritt kassaflöde var 679 miljoner dollar. Under denna period tecknade företaget ett avtal med BYD:s dotterbolag FinDreams Battery, ett joint venture med Shaanxi Fast Auto för att utveckla en högspännings‑omriktarapplikation för den kinesiska marknaden, och förvärvade Eldor Corporations Electric Hybrid Systems.

“Vi erbjuder en komplett produktportfölj för kommersiella fordon, som täcker förbrännings-, hybrid- och fullt elektrifierade drivlinor. Vår portfölj är motståndskraftig mot industrins förändringstakt.”

– BorgWarners Chief Strategy Officer, Dr. Paul Farrell, sade nyligen i en intervju

2. XPeng Inc.

Det Kina‑baserade företaget Xpeng producerar smarta elfordon, som har fått mycket uppmärksamhet. VD He Xiaopeng sade nyligen att han förväntar sig att de årliga leveranserna av budgeterade intelligenta bilar ska fördubblas i år, vilket motsvarar 380 000 fordon.

Vid skrivandet handlas företagets aktier med ett börsvärde på 16,14 miljarder dollar till 16,65 dollar, upp 43,74 % år‑till‑datum. Under Q3 2024 registrerade Xpeng totala intäkter på 1,44 miljarder dollar, en ökning med 18,4 % från Q3 2023 och en ökning med 24,5 % från Q2 2024.

Intäkterna från fordonssäljning uppgick till 1,25 miljarder dollar med 46 533 levererade fordon av företaget under kvartalet, upp från 40 008 samma kvartal föregående år. Dess egen drivna laddstationsnät nådde under tiden 1 557 stationer. Kassa och likvida medel, begränsad kassa, kortfristiga investeringar och tidsinsättningar vid kvartalets slut uppgick till 5,09 miljarder dollar.

Xpeng framträdde faktiskt som Kinas bäst säljande EV‑startup under den första månaden 2025, vilket tillsammans med februari traditionellt är lågsäsonger för lokala biltillverkare i Kina på grund av det kinesiska nyåret. Samma månad presenterade Xpengs rymdföretag också sin “modulära flygande bil” på CES 2025.

Samtidigt har VD He talat om att realisera L3‑fullscenariobaserad autonom körning under andra halvan av detta år. 

“Jag tror att L3‑autonom körning kommer att föra AI‑bilar in i ‘iPhone 4‑eran’.”

– VD He

Slutsats

Elfordon har sin stora stund när tekniska framsteg sänker deras priser. När den elektriska mobiliteten ökar upplever även drivlinemarknaden snabb tillväxt. Integration av elektriska drivlinor med autonom körning och uppkopplade fordonsteknologier förväntas dessutom revolutionera bilindustrin.

Mitt i detta markerar lösningar som OPED ett betydande framsteg inom utvecklingen av elbilens drivlinor, vilket kan minska tiden avsevärt, förbättra effektiviteten och minimera produktionskostnader.

Genom att möjliggöra supersnabb optimering av elbilens drivlinor och balansera prestanda, kostnad och hållbarhetsmål, sätter OPED inte bara en standard för effektivitet och hållbarhet inom ingenjörskonst, utan kan också hjälpa till att stödja tillväxten och antagandet av elbilar, vilket påskyndar övergången till en grönare framtid.

Klicka här för en lista över de bästa EV‑aktierna.