5 grandes mudanças na indústria automotiva

Quais novos desenvolvimentos tecnológicos mudarão o caminho de desenvolvimento da indústria automotiva? 5 exemplos de Ed Sperling.

Nos últimos meses, grande parte da indústria automotiva começou a mover e reduzir a produção, atrasando a implantação projetada de veículos totalmente autônomos e mudando seu foco para as fontes e tecnologias de energia usadas nos veículos elétricos da próxima geração.

Em conjunto, essas mudanças marcam uma partida significativa para as montadoras tradicionais que estão alcançando empresas como Tesla, Waymo e NIO. Decidindo não ficar para trás, começaram a procurar maneiras de preencher as lacunas existentes.

As principais áreas são:

• Desenvolvimento de novas fontes de combustível para eletrificação, incluindo células a combustível de hidrogênio e híbridos removíveis de células a combustível de hidrogênio.
• Uso de novos sensores e outras tecnologias de baixa potência.
• Desenvolvimento de baterias de estado sólido.
• Uma mudança na ênfase no processamento adicional no carro.
• Implante mudanças fundamentais nos modelos de negócios.

Todos esses desenvolvimentos exigem um aumento significativo no conteúdo de semicondutores, e espera-se que essa tendência continue, pois os carros são cada vez mais eletrificados a tal ponto que se tornam realmente supercomputadores sobre rodas. Em um relatório recém-lançado, a KPMG calculou que essas mudanças poderiam elevar o mercado de semicondutores automotivos de cerca de US $ 40 bilhões. EUA hoje até 150-200 bilhões dólares. Estados Unidos nas próximas duas décadas, e esses números não incluem a infraestrutura V2X ou um aumento no número de ferramentas e equipamentos de fabricação. ,

Os estudos mais recentes mostram que os motores elétricos ultrapassarão os motores de combustão interna dentro de uma década, embora seu número possa variar por região. Juntamente com essa troca, o número de microcircuitos será aumentado para controlar e monitorar o que está acontecendo dentro do veículo, bem como a forma como o veículo interage com o mundo exterior. Também serão feitas alterações em quantos desses veículos são alimentados, como essa energia será otimizada, distribuída e armazenada no veículo, e como e onde os dados gerados por um número crescente de sensores serão processados.

"As empresas tradicionais agora estão mudando o foco para o software", disse Burkhard Hanke, vice-presidente de automóveis da Synopsys. “A Tesla declarou há vários anos que as melhores soluções não são usadas para veículos elétricos. Isso vai acontecer agora.

Combustível do futuro para carros

A eletrificação de veículos é concedida para competir na indústria automotiva nas próximas décadas. Independentemente de esses carros usarem um motor auxiliar, uma célula de combustível ou operar com 100% de energia da bateria, a simplicidade, a capacidade de resposta e as emissões reduzidas de um veículo elétrico são convincentes. O motor elétrico consiste em aproximadamente 200 peças em comparação com aproximadamente 2000 para motores de combustão interna, o que ajuda a reduzir significativamente os custos e aumentar a confiabilidade. Nesse estágio, quase todas as montadoras estão aumentando o conteúdo eletrônico no carro, e muitas escolhem os motores elétricos como a principal unidade de potência.

Até agora, o desafio foi equilibrar os benefícios da eletrificação com facilidade de uso. Uma das opções que as principais montadoras estão citando cada vez mais - com exceção da Tesla, NIO e outras - é o hidrogênio, que eles alegam que se tornará competitivo com outras fontes de combustível na próxima década. Eles alegam que isso vai superar alguns dos maiores problemas dos carros elétricos atualmente, por exemplo, até onde eles podem viajar com carga, quanto tempo leva para carregá-los e como desenvolver uma infraestrutura de carregamento em áreas menos povoadas.

A infraestrutura de carregamento e o tempo de carregamento são duas desvantagens óbvias dos veículos elétricos com bateria. Com carregadores insuficientes, as pessoas podem ter que esperar na fila por longos períodos de tempo. Além disso, uma pessoa que mora em um apartamento, por exemplo, pode não ter acesso a uma estação de carregamento. E em áreas propensas a falta de energia, pode não haver eletricidade disponível para carregar veículos durante emergências, que podem ser fatais em caso de inundação ou incêndio.

"A tecnologia das baterias não está pronta para longas viagens", disse Luc Gear, analista de tecnologia da IDTechEx. “O que impede os carros elétricos é o custo inicial de baterias e infraestrutura de carregamento. Cerca de 50% dos veículos elétricos nos Estados Unidos foram vendidos na Califórnia. Segundo nossa pesquisa, em 2028 atingiremos o pico dos motores de combustão interna e, em seguida, as vendas cairão. ”

As montadoras estão apostando que as células a combustível de hidrogênio serão uma parte essencial dessa mudança. A idéia é poder bombear gasolina semelhante a hidrogênio de postos de gasolina novos ou existentes, com infraestrutura para armazenar e movimentar hidrogênio liquefeito. Mas não é tão simples.

"Com o FCEV (veículo elétrico a célula a combustível), você obtém alto desempenho e longo alcance", disse Monterey Gardiner, BMW sênior da tecnologia de hidrogênio e eletrônica móvel. “O problema é a infraestrutura adicional de hidrogênio e o alto custo do sistema. Agora precisamos produzir 500.000 carros por ano para obter um preço competitivo. ” A BMW planeja introduzir uma célula de combustível.

"O hidrogênio produz metais quebradiços", disse C. Charles Janak, CEO da Arteris IP. “Existem três maneiras de armazená-lo. Um deles é criogênico. O segundo é o uso de hidretos metálicos. E o terceiro é o uso de materiais orgânicos. Nenhum deles é satisfatório.

Também não está claro se o hidrogênio competirá com os carros com carregamento mais rápido da bateria com quilometragem de até 500 milhas. E se o tempo de carregamento da bateria puder ser reduzido para 10 minutos a 120 milhas, para a maioria dos motoristas, isso será suficiente para a maioria das pessoas.

"As empresas européias não acreditam que podem ganhar dinheiro com um carro elétrico", disse Tom Wong, diretor de marketing de IP Design da Cadence. "Mas se você puder reduzir significativamente o custo das baterias de íon-lítio, elas atingirão o ponto de interseção em que os carros elétricos se tornarão competitivos com os motores de combustão interna".

Uma célula de combustível também é cara, pelo menos por enquanto. Uma razão é que isso requer platina, que é usada como catalisador. A pesquisa atual inclui ligas de platina e rutênio para reduzir esse custo. Mas alguns desses custos também podem ser compensados ​​por reduções de metais preciosos em outras áreas.

"Platina e paládio são atualmente usados ​​em conversores catalíticos para motores de combustão interna", disse William Crockett, vice-presidente da Tanaka Kikinzoku. “Hoje, estamos literalmente enviando conversores catalíticos ao Japão para reciclar esses materiais. Esse custo é gasto em células a combustível de hidrogênio e veículos elétricos. ”

Novos modelos de negócios, novas abordagens à tecnologia

Junto com essas mudanças está o reconhecimento de que a maneira antiga de fazer as coisas não funciona mais. A Volkswagen anunciou em junho que desenvolveria a maior parte de seu software por conta própria, aumentando sua participação de menos de 10% para mais de 60% até 2025. A empresa disse que planeja usar cerca de 5.000 especialistas para criar um único sistema operacional em todas as suas marcas.

"Todos vêem que melhorias incrementais não são suficientes", disse David Fritz, gerente sênior de automóveis autônomos da Soentor na Mentor, uma divisão da Siemens. “Para competir com a Tesla, eles precisam de diferentes metodologias, ferramentas e arquiteturas. Quase todas as empresas de automóveis chegaram ao ponto de perceberem que não podem continuar fazendo o mesmo. Mas o grande problema é como dar esse salto em tecnologia e habilidades. Este é o modelo que a Apple aplicou pela primeira vez quando você traz para o trabalho tudo o que pode distingui-lo. "

Janak, da Arteris IP, concordou. "Os níveis 1 se tornam silício orientado a software ou têm um futuro longo".

Nova tecnologia

No entanto, todas essas mudanças desencadearam um renascimento da inovação. Um desses desenvolvimentos envolve a integração de sensores, nos quais a lógica é adicionada no nível do sensor, para que o processamento possa ser executado na fonte de dados e não centralmente.

"Um dos novos sensores é o sensor de inércia", disse Fritz. “Quando você liga os freios, espera que o carro freie a uma certa distância em uma inclinação. Mas isso nem sempre é preciso. Se você conseguir entender melhor essa distância, poderá aplicar a frenagem apenas quando precisar, economizar energia e restaurar energia. ”

Isso tem outras vantagens. Ao executar o processamento local, a quantidade de dados que deve ser enviada ao cérebro central do carro reduz significativamente o tempo necessário para tomar uma decisão. Isso reduz os requisitos de fiação, o peso geral do veículo e melhora a faixa de carga.

O departamento de engenharia de sistemas adaptativos da Fraunhofer introduziu um sensor de imagem que apenas armazena e processa dados importantes na imagem, não a imagem inteira. Isso oferece as mesmas vantagens em câmeras onde a maior quantidade de dados é coletada hoje.

Uma abordagem alternativa é expandir as tecnologias existentes para reduzir o número de componentes e sistemas necessários para a condução autônoma. Por exemplo, o LiDAR foi aprimorado para funcionar em mais condições climáticas do que no passado, e agora também pode medir a velocidade e classificar objetos.

A mesma abordagem é usada para aumentar a eficiência energética de um veículo, e isso é especialmente evidente ao tentar usar motores de roda ou cubo. Assim, em vez de um motor dirigir um veículo, haveria dois ou quatro motores.

A idéia de motores de cubos existe há cerca de um século, e o grande problema é a massa não suspensa - a parte do veículo que não é suportada pela suspensão. O uso dessa abordagem requer alterações no design do veículo, pois isso pode afetar a condução e o manuseio geral. Mas este trabalho tem grandes vantagens. Os motores são menores em tamanho e estão conectados diretamente ao volante, o que significa que menos energia é necessária para avançar o carro, mais oportunidades para uso direto de energia para movimento e menos peso.

Parece que pelo menos alguns dos problemas anteriores foram resolvidos. A Hyundai MOBIS Ahn disse que o desenvolvimento está em andamento desde 2011, e a tecnologia deverá ser comercializada nos próximos anos. Mas existem versões híbridas dessa abordagem, como o carro-conceito Citroën com dois motores 19_19, lançado no início deste ano, que pode percorrer 800 km (497 milhas) com uma carga e recarregar 80% em 20 minutos.



Fig. 1: Carro-conceito Citroën 19_19 com pneus desenvolvido em colaboração com a Goodyear na conferência VivaTech no início deste ano. O cubo central sobre rodas permanece imóvel.

Baterias da próxima geração

Um grande problema com a eletrificação é armazenar energia em um veículo. As baterias de íon de lítio são caras, pesadas e instáveis. A tecnologia de escala inclui mais baterias, mais peso e mais problemas em potencial.

É aqui que as baterias de estado sólido se encaixam. Baseados em eletrodos e eletrólitos sólidos, eles são muito mais fáceis de manusear sem medo de incêndio.

Atualmente, vários projetos de pesquisa em baterias de estado sólido estão em andamento, como a bateria de lítio de estado sólido desenvolvida pela Universidade Deakin na Austrália. Os problemas que ainda precisam ser resolvidos são uma diminuição da condutividade elétrica, especialmente em clima frio, em comparação aos eletrólitos líquidos. Havia também perguntas sobre se o lítio é suficiente para alimentar todos os veículos elétricos.

"Não achamos que haja lítio suficiente no planeta para 1 trilhão de dispositivos IoT mais baterias de carro", disse Eric Hennenhofer, vice-presidente de pesquisa da Arm. "Uma quantidade significativa deve ser recebida da coleta de lixo."

Atualmente, o setor está trabalhando para fazer isso acontecer. Junto com isso, o processamento de lítio é esperado à medida que a demanda cresce, embora isso possa continuar por anos.

"A principal fonte de lítio está na Austrália", disse Crockett, de Tanaki. “A produção do ano passado foi de mais de 20 toneladas. Há também uma mina de lítio em Nevada (a cerca de 320 km da fábrica de baterias de Tesla) e ainda mais lítio no Chile, Argentina e Bolívia, conhecidas como "triângulo de lítio". A China investiu US $ 4 bilhões em um acordo de ações para entrar no triângulo de lítio para seus veículos elétricos. Mas você também vê como empresas como BMW, Volkswagen e montadoras japonesas estão investindo em tecnologia de bateria de estado sólido. Vários produtos químicos diferentes estão sendo desenvolvidos. ”

O que torna isso tão importante é que a tecnologia de estado sólido é mais modular, escalável e menor: usa um design prismático em vez de um cilindro, dura mais e carrega mais rapidamente. Eles também são mais fáceis de substituir, disse Crockett.

Mais processamento de dados do carro

Outra grande mudança é o processamento de dados. Alguns anos atrás, o consenso geral era de que o 5G seria tão onipresente que os dados de todos os veículos poderiam ser enviados para a nuvem a uma velocidade suficiente para eliminar a necessidade de processamento a bordo.

Isso se mostrou insustentável por vários motivos.

Em primeiro lugar, os sinais no espectro de ondas milimétricas dos sinais 5G são muito sensíveis ao ruído e decaem rapidamente.

Em segundo lugar, há muitos dados para enviar e voltar da nuvem e, mesmo nas melhores circunstâncias, a comunicação leva muito tempo para evitar obstáculos na estrada.

E terceiro, o custo de construção e manutenção de uma rede de repetidores será excessivamente alto para milhares de quilômetros de estradas.

"O 5G é uma melhoria, mas não é suficiente para descarregar a computação, especialmente na faixa inferior a 6 GHz ", disse Scott Jones, chefe de tecnologia de semicondutores da KPMG. "De fato, uma das razões pelas quais as possibilidades de conteúdo de semicondutores são tão altas é porque o 5G não é bom o suficiente."

Este é um fator-chave na limitação da direção autônoma. A quantidade de poder de computação necessária para resolver todas as interações possíveis e casos complexos é enorme e muito cara para se montar hoje em um carro. As classificações atuais estão em algum lugar na faixa de três supercomputadores.

O segundo fator está associado ao enorme tamanho e custo dos recursos computacionais necessários para solucionar todos os casos angulares em potencial e interagir com veículos autônomos e dirigidos por pessoas, além de pedestres, ciclistas, condições climáticas adversas, buracos, mudanças de faixa, etc.

"Todos os protótipos são troncos cheios de data centers", disse Robert Day, diretor de soluções automotivas da Arm. “Eles não podem ser implantados. Eles são grandes demais, consomem muita energia e são muito caros. Somos exigidos dos chips de servidor da empresa que fornecem o mesmo desempenho por uma pequena fração do custo com melhor desempenho térmico. Também nos perguntam sobre processadores de alto desempenho com segurança funcional integrada, o que é novo. Outra novidade é o Consórcio de Veículos Autônomos. Parte da carta do AVCC é a implantação em massa no período de 2025, embora a autonomia total seja muito mais tarde. Mas o que há de novo aqui, eles decidiram que não iam se diferenciar com essa tecnologia. ”



Fig. 2: A quantidade de conteúdo e valor do semicondutor em cada nível de controle. Fonte: KPMG

Isso representa uma mudança significativa de direção, porque as empresas vêem a autonomia como uma marca registrada. Quando todos trabalham juntos, isso se torna o padrão do nível básico e entra rapidamente no mercado. Isso, por sua vez, cria uma demanda muito maior para todos os tipos de eletrônicos.

"Esta é uma revolução no pensamento entre as montadoras das Três Grandes (Volkswagen, Toyota e Hyundai)", disse Synopsys Hunk.“A questão é: há talento suficiente para fazer esse trabalho. O maior problema é que o processo de pensamento é diferente. Levará algum tempo. A questão é: quem pode mudar o foco na pilha de hardware e software e aumentá-lo. Esta é uma nova batalha. As Três Grandes têm recursos financeiros suficientes para investir nisso, e há muitos clientes em todo o mundo, sem mencionar muitos funcionários cujo trabalho depende desse trabalho. Mas isso não vai acontecer da noite para o dia.

Transporte como serviço

Outra grande mudança diz respeito ao uso de veículos. A maioria dos analistas acredita que existem oportunidades significativas para diferentes padrões de propriedade e uso.

"Vemos que, para as jornadas muito específicas que as pessoas fazem, há enormes oportunidades para a mobilidade como serviço", disse KPMG Jones. “Isso significa que os veículos serão usados ​​a distâncias de 50.000 a 60.000 milhas por ano. Assim, mesmo se o carro custar US $ 120.000, em três anos você ganhará com ele se ultrapassar 80.000 milhas por ano. Também vemos um interesse real nisso nas áreas de previdência. Esta é uma grande oportunidade, mesmo a baixa velocidade de 50 km / h. ”

A Gear IDTechEx concorda, observando que isso terá um grande impacto nos padrões de uso do carro. "A ascensão do transporte independente na cidade começa em 2025", disse ele. “Mas levará algum tempo para começar, devido à redução de subsídios do governo e à flexibilização das restrições do governo dos EUA sobre carros. Os subsídios terminam na China e na Noruega no próximo ano. ”

Os subsídios há muito apoiam a energia verde. Mas, à medida que os custos aumentam e novas regulamentações são introduzidas em 2021, como novos padrões rigorosos de emissão na Europa de 95 g CO2 / km, o padrão atual é 130 g / km, e o novo padrão entrará em vigor a partir de 2020 anos - o que pode ajudar a aumentar a mobilidade como serviço. Será difícil para os motores de combustão interna cumprir esses padrões, e possuir um carro elétrico é menos conveniente para pessoas que não têm espaço para carregar seus carros.

No entanto, essa é uma visão diferente das vendas de carros e requer um modelo de comportamento diferente.

"Você deve considerar os carros da próxima geração como uma planta baixa", disse Fritz, da Mentor. “Essa é outra maneira de resolver o problema. Então você projeta para o nível 5 e chega lá uma etapa de cada vez. Parece que muitas empresas se perderam. ”

Conclusão

Todas essas mudanças levantam questões sobre a aparência das empresas automotivas daqui a dez anos. As empresas de nível 1 ou de eletrônicos se tornarão fabricantes de automóveis ou os gigantes de automóveis se tornarão fabricantes de chips e desenvolverão seus próprios chips? No momento, ninguém sabe a resposta. Embora a Tesla e as novas startups de BEV possam ter liderança hoje, não há garantia de que tudo continuará o mesmo. De fato, os futuros gigantes do setor automotivo hoje podem não parecer fabricantes de automóveis, mas empresas de fabricação de eletrônicos.

No entanto, é claro que a indústria de semicondutores se beneficiará de mais eletrônicos, mais serviços e mais ferramentas para criar esses chips e sistemas. A indústria de eletrônicos automotivos fornece outras partes da estrutura através da cadeia de produção, e é provável que isso leve a um boom que durará décadas.

PS - Outra maneira de sair da crise da introdução de veículos elétricos, que descrevi anteriormente no artigo "Os carros elétricos são puxados para o fundo da empresa automobilística?"