东风汽车蔡丹丹：汽车电驱动系统和功率器件行业需求与应用
时间: 2024-12-09 11:06
来源: 汽车总站网
作者: editor
12月5日-6日，2024全球汽车芯片创新大会在无锡滨湖举办。本届大会以“芯智驱动，协力前行”为主题，由中国汽车工业协会主办，中国汽车工业经济技术信息研究所有限公司联合主办，共设置1场高层峰会、1场大会主旨论坛、3场平行专业论坛、1场定向交流会和1场车芯对接活动，围绕汽车芯片生态建设、市场环境分析、竞争合作及技术创新等方面展开分享和交流，凝聚发展经验和集体智慧，探索解决方案。其中，在12月6日下午举办的“专业论坛一：汽车电驱系统和功率器件创新发展论坛”上，东风汽车集团有限公司研发总院电驱动硬件开发正高级工程师、主任工程师蔡丹丹发表精彩演讲。以下内容为现场发言实录：
各位行业同仁，各位专家，大家好！我是东风研发总院蔡丹丹，今天交流主题是《汽车电驱系统和功率器件行业需求与发展趋势》。
内容：一是汽车电驱系统行业发展现状；二是东风在电驱系统方面产品应用和产业协作相关工作；三是从主机厂视角分析汽车电驱系统技术变革，；四是未来展望。
一、汽车电驱系统行业发展现状。
新能源汽车市场需求：全球新能源汽车销量逐年提升，2022年销量1065万辆，2024年1685万辆，占有率从13.2%提升到18.3%。在中国来说，2022年销量688.7万辆，2024年提升至10068万辆，市场占有率从25.6%提升至38.6%。
可以看到，中国新能源汽车销量在全球销量中的占比63%提升至68%，中国新能源汽车销量在全球是最火热的一块热土。
国家节能减排的迫切需求：工信部2019年12月3日发布《新能源汽车产业规划》，坚持电动化、网联化、智能化发展方向，加快建设汽车强国。我国第75届联合国大会上宣布，预计2021-2030实现碳达峰目标，在2046-2060年完成碳中和。中国汽车工程协会在2020年10月27日发布《节能与新能源汽车技术路线图》，可以看到对电动化汽车产量、功率半导体用量未来十年都会有爆发式增长。
OEM在电驱动系统发展中的角色：汽车电驱动系统产业链中，整车企业作为牵头介入，必将为半导体企业提供信心，并为资本提供支撑，形成产业链的良性循环。主机厂在电驱动系统发展中，将扮演重要的角色，从整车需求分解到电驱动系统的需求，再到功率器件需求，组织牵头，电驱动总成设计、生产、应用全流程打通。OEM侧重于需求定义、系统开发、认证搭载和应用。
当然，刚开始搭载国产功率器件、国产芯片主要为解决卡脖子目标，主机厂就需要充分包容半导体企业。如果搭载国产芯片，确实会存在研发和验证、设计有反复，在时间、周期、费用上有些消耗。有些芯片搭载国产化验证到一半不行，甚至量产后产生一些质量问题。这就需要我们的设计开发验证倒回来。
半导体企业侧重于芯片设计、工艺成熟度，形成产能、规模，建立国际领先优势。半导体企业通过短期高投入充分信任主机厂，长期随着市场规模提升及边际成本降低，后面一定会有所收益。主机厂和半导体企业形成良性循环，打造自主可控点驱动系统生态，发展以中国芯片、中国模块和中国电驱动总程为核心的自主可控的生态，要以软硬件相结合，使产业做到从技术上联合攻关，产品上协同研发，共同建立健全的行业标准，验证测试标准，保证产业链的高安全性、高可靠性、高适用性、高稳定性。东风作为国企，在产业链的自主可控方面还是下了很大工夫，可以说在行业内走得比较靠前。
二、产品应用与产业协作。
2024年，东风汽车发布三个跃迁行动：一是新能源跃迁、二是智能化跃迁、三是国际化跃迁。新能源跃迁是坚持乘用车和商用车并重，统筹自主合资，加快发展新能源事业在完成自主新能源方面车辆百万辆目标基础上，加快实现新能源300万辆，推动公司总体销售400万辆，努力挑战更高目标；智能化跃迁，坚持自研+共创全线可供模式；国际化跃迁，加快实现国外事业战略性布局，提升营销、商企、人才、品牌、运营等国际化能力，持续规模收益和风险防控并重，推动海外销量上百万台阶。这是东风公司2024年发布的三个跃迁行动，其中新能源跃迁排在第一位。
东风研发总院作为主机厂，已经量产8款电驱动产品，覆盖70KW-200KW功率需求，2025-2028年将打造3个系列、9个电驱动产品，形成满足乘用车各级别车辆车型系统化产品型谱图。已经量产有从70-200KW，纳米01、eπ007、eπ008、猛士917都搭载了自主开发的电驱动产品，和刚才演讲的联电专家、基本半导体专家及其他同仁都有相应合作。在研有800V、400V、200KW一系列产品，后面还规划了350KW、900V产品，正在开发中。
东风功率模块产业布局：东风智新半导体2024年完成二期产线建设，年产能达到60万只，2024年销量可以突破46万只。预计2027年三期产线建成后，功率模块产销超出100万只。而且有银烧结工艺和DTS工艺，刚才小鹏专家分享DTS工艺。
三、汽车电驱系统技术前瞻。
电驱动总成技术预测：3万转以上高速电驱动技术减少电机体积和重量，提高功率密度，改善整车动力性能。华为量产电驱转速可以达到2.2万转，小米2025年量产电驱转速达到2.72万转，未来3万转以上的高速电驱动系统肯定会成为现实。1200V电驱系统，除了800V，应该还会往1200V上面进化。1200V能够优化充电时间，降低能耗，提高续航水平。
1200V平台将来会在商用车、高性能乘用车等大功率领域有比较大优势，英飞凌、罗姆等碳化硅供应商均推出1700V器件，国内车企业在开发1000V平台，未来1200V也将逐步推广。包括东风智新半导体也推出1700V功率模块，自己在开发1200V电驱动总成。同济朱教授分享基于AI数据大模型的电机设计技术，通过分析大量数据和模拟实验结果实现最优方案设计，可以监控电驱动电机在运行状态和性能指标，提前进行维护和保养，可以分析电机运行数据和振动信号，识别和预测可能出现的故障。目前，人工智能已经在电机设计中得到应用，华为高速永磁电机就采用了自研盘古模型。
电机本体技术预测：2024年行业水平指现在已经量产的产品，不是大家在实验室的水平。实验室水平肯定远高于这个。峰值功率在6KW/kg，峰值功率98%，最高转速2.2万转，这是行业水平，今年是属于比较这样的水平，2030年驱动电机本体核心性能指标达到国际先进水平，驱动电机材料实现100%国产化，而且峰值功率可以达到11-14KW，峰值效率达到98.5%，最后转速可以突破2.8万转。到了2035年和2040年应该是预测，不一定准，可能发展速度比预期快一些，驱动电机本体核心性能指标，达到国际领先水平，到时候不是追赶者，应该是被追赶者。驱动电机产线、设备基本国产化，现在也以进口为主，峰值密度可以达到15-16KW，峰值效率和转速能够达到3万转，2040年肯定到国际领先水平。不光是产线，工业设计软件到时候已经是国产化，峰值、功率、效率和转速都有进一步提升。
电机控制器行业发展：电机控制器现在水平是功率密度达到35KW/L，当然这不是最先进，最先进可能超过功率密度。自主封装IGBT占比达40%，这是行业水平。因为我是搞硬件开发，了解东风自主开发电驱动系统，自主封装IGBT占比远远超过这个比例，包括量产，所有电驱动产品肯定有自主封装、进口AB备份。芯片国产化率达到40%，这是行业水平，不是东风水平，东风水平是今年量产所有控制器都已经达到国产化率60% 。明年、后年一步步国产化率进一步提高，东风对自主开发的国产化率都有KPI考核。2030年，功率密度可以达到60-80KW，自主封装功率模块占到60%，芯片国产化率达到60%，这个比例比较保守。2035年，功率密度可以达到80-100KW，自主封装功率模块占比达到80%，芯片国产化率达到80%。2040年，进一步功率密度和自主封装的功率模块、芯片国产化率应该占比越来越高。
智新半导体封装技术：一是键合线，主流IGBT是铝线键合，碳化硅目前铜线键合，未来还有铝带、铜带键合，还有铜片键合，验证靠推力测试。后面是焊接技术，IGBT主流模块也是回流焊，碳化硅采用双面银烧结，可能其他厂家和我们技术路线不一样。封装塑封，后面碳化硅模块也是采用环氧塑封材料。散热技术要看散热底板材料，目前是IGBT主要采用三氧化二铝，碳化硅模块采用四氮化三硅，导热性能比三氧化二铝好很多。所以，这也导致现在碳化硅模块成本肯定是IGBT的几倍。
当然，碳化硅随着产量越来越大，产业化越来越成熟，碳化硅后面成本肯定是越来越下降，现在作为主机厂深切感受到国内功率半导体产业非常卷，几乎每个季度都有各个半导体器件企业、芯片公司，都有新的报价给到我们手里。所以，这个行业非常卷，几乎每个季度都会更新价格。作为硬件开发也是非常疲倦，都能有降本需求或者新半导体厂家新价格给到我们。
主流 SiC MOSFET 比导通电阻发展趋势：国内主流在精细平面栅技术，比导电阻3mΩ/平方厘米，头部进口企业还是沟槽栅技术，可能能够达到2 .4mΩ，国产碳化硅芯片离国际头部企业还是有一定差距。后面有精细沟槽技术和超级结技术，比导通电阻越来越小，有利于控制器越来越小，功率越来越高。电驱动系统的发展需要芯片技术的发展。
四、展望。
供应链安全保障需求给了国产IGBT/碳化硅，国产功率模块上车验证，量产的机会。作为硬件开发工程师，几年之前如果让我们上一个国产芯片或者上国产模块，内心比较抵触。因为我觉得上了国产芯片之后，硬件开发工程师压力比较大，设计上，验证上经常会有反复。但是，行政压力，产业安全给我们的压力必须上国产芯片、国产模块。我们也深切地感受到，这么多年走过来，国产芯片、模块稳定增长稳定进步，进步是肉眼可见的。
车企在库存红线和高涨的进口芯片价格面前，为保证顺利出货，不得不为国产IGBT/SiC芯片开绿灯替代。国产芯片比进口芯片性价比有很大优势，国内新势力大多工程经验足，对自身电子电气架构相对熟悉，更倾向于使用国产功率芯片和模块。国产IGBT已经占据国内大部分市场份额，国产SiC芯片也在实车开发验证中，后面也势必占据大部分国内市场份额。东风自主研发，进口芯片、国产芯片都会同市开发验证过程中，用进口项目保证项目进度，用国产芯片保证后面降本替代。如果国产芯片性能达到要求，肯定会采用性价比更高的国产芯片。国产芯片从仿制到自制，从无到有，从0到1也经历了很漫长的过程。大家的进步、成熟也是行业内有目共睹。
未来国产功率芯片、功率模块势必在全球汽车半导体中占有一席之地，将在电驱系统的发展发挥至关重要的作用，谢谢大家！
（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）
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12月5日-6日，2024全球汽车芯片创新大会在无锡滨湖举办。本届大会以“芯智驱动，协力前行”为主题，由中国汽车工业协会主办，中国汽车工业经济技术信息研究所有限公司联合主办，共设置1场高层峰会、1场大会主旨论坛、3场平行专业论坛、1场定向交流会和1场车芯对接活动，围绕汽车芯片生态建设、市场环境分析、竞争合作及技术创新等方面展开分享和交流，凝聚发展经验和集体智慧，探索解决方案。其中，在12月6日下午举办的“专业论坛一：汽车电驱系统和功率器件创新发展论坛”上，东风汽车集团有限公司研发总院电驱动硬件开发正高级工程师、主任工程师蔡丹丹发表精彩演讲。以下内容为现场发言实录：
各位行业同仁，各位专家，大家好！我是东风研发总院蔡丹丹，今天交流主题是《汽车电驱系统和功率器件行业需求与发展趋势》。
内容：一是汽车电驱系统行业发展现状；二是东风在电驱系统方面产品应用和产业协作相关工作；三是从主机厂视角分析汽车电驱系统技术变革，；四是未来展望。
一、汽车电驱系统行业发展现状。
新能源汽车市场需求：全球新能源汽车销量逐年提升，2022年销量1065万辆，2024年1685万辆，占有率从13.2%提升到18.3%。在中国来说，2022年销量688.7万辆，2024年提升至10068万辆，市场占有率从25.6%提升至38.6%。
可以看到，中国新能源汽车销量在全球销量中的占比63%提升至68%，中国新能源汽车销量在全球是最火热的一块热土。
国家节能减排的迫切需求：工信部2019年12月3日发布《新能源汽车产业规划》，坚持电动化、网联化、智能化发展方向，加快建设汽车强国。我国第75届联合国大会上宣布，预计2021-2030实现碳达峰目标，在2046-2060年完成碳中和。中国汽车工程协会在2020年10月27日发布《节能与新能源汽车技术路线图》，可以看到对电动化汽车产量、功率半导体用量未来十年都会有爆发式增长。
OEM在电驱动系统发展中的角色：汽车电驱动系统产业链中，整车企业作为牵头介入，必将为半导体企业提供信心，并为资本提供支撑，形成产业链的良性循环。主机厂在电驱动系统发展中，将扮演重要的角色，从整车需求分解到电驱动系统的需求，再到功率器件需求，组织牵头，电驱动总成设计、生产、应用全流程打通。OEM侧重于需求定义、系统开发、认证搭载和应用。
当然，刚开始搭载国产功率器件、国产芯片主要为解决卡脖子目标，主机厂就需要充分包容半导体企业。如果搭载国产芯片，确实会存在研发和验证、设计有反复，在时间、周期、费用上有些消耗。有些芯片搭载国产化验证到一半不行，甚至量产后产生一些质量问题。这就需要我们的设计开发验证倒回来。
半导体企业侧重于芯片设计、工艺成熟度，形成产能、规模，建立国际领先优势。半导体企业通过短期高投入充分信任主机厂，长期随着市场规模提升及边际成本降低，后面一定会有所收益。主机厂和半导体企业形成良性循环，打造自主可控点驱动系统生态，发展以中国芯片、中国模块和中国电驱动总程为核心的自主可控的生态，要以软硬件相结合，使产业做到从技术上联合攻关，产品上协同研发，共同建立健全的行业标准，验证测试标准，保证产业链的高安全性、高可靠性、高适用性、高稳定性。东风作为国企，在产业链的自主可控方面还是下了很大工夫，可以说在行业内走得比较靠前。
二、产品应用与产业协作。
2024年，东风汽车发布三个跃迁行动：一是新能源跃迁、二是智能化跃迁、三是国际化跃迁。新能源跃迁是坚持乘用车和商用车并重，统筹自主合资，加快发展新能源事业在完成自主新能源方面车辆百万辆目标基础上，加快实现新能源300万辆，推动公司总体销售400万辆，努力挑战更高目标；智能化跃迁，坚持自研+共创全线可供模式；国际化跃迁，加快实现国外事业战略性布局，提升营销、商企、人才、品牌、运营等国际化能力，持续规模收益和风险防控并重，推动海外销量上百万台阶。这是东风公司2024年发布的三个跃迁行动，其中新能源跃迁排在第一位。
东风研发总院作为主机厂，已经量产8款电驱动产品，覆盖70KW-200KW功率需求，2025-2028年将打造3个系列、9个电驱动产品，形成满足乘用车各级别车辆车型系统化产品型谱图。已经量产有从70-200KW，纳米01、eπ007、eπ008、猛士917都搭载了自主开发的电驱动产品，和刚才演讲的联电专家、基本半导体专家及其他同仁都有相应合作。在研有800V、400V、200KW一系列产品，后面还规划了350KW、900V产品，正在开发中。
东风功率模块产业布局：东风智新半导体2024年完成二期产线建设，年产能达到60万只，2024年销量可以突破46万只。预计2027年三期产线建成后，功率模块产销超出100万只。而且有银烧结工艺和DTS工艺，刚才小鹏专家分享DTS工艺。
三、汽车电驱系统技术前瞻。
电驱动总成技术预测：3万转以上高速电驱动技术减少电机体积和重量，提高功率密度，改善整车动力性能。华为量产电驱转速可以达到2.2万转，小米2025年量产电驱转速达到2.72万转，未来3万转以上的高速电驱动系统肯定会成为现实。1200V电驱系统，除了800V，应该还会往1200V上面进化。1200V能够优化充电时间，降低能耗，提高续航水平。
1200V平台将来会在商用车、高性能乘用车等大功率领域有比较大优势，英飞凌、罗姆等碳化硅供应商均推出1700V器件，国内车企业在开发1000V平台，未来1200V也将逐步推广。包括东风智新半导体也推出1700V功率模块，自己在开发1200V电驱动总成。同济朱教授分享基于AI数据大模型的电机设计技术，通过分析大量数据和模拟实验结果实现最优方案设计，可以监控电驱动电机在运行状态和性能指标，提前进行维护和保养，可以分析电机运行数据和振动信号，识别和预测可能出现的故障。目前，人工智能已经在电机设计中得到应用，华为高速永磁电机就采用了自研盘古模型。
电机本体技术预测：2024年行业水平指现在已经量产的产品，不是大家在实验室的水平。实验室水平肯定远高于这个。峰值功率在6KW/kg，峰值功率98%，最高转速2.2万转，这是行业水平，今年是属于比较这样的水平，2030年驱动电机本体核心性能指标达到国际先进水平，驱动电机材料实现100%国产化，而且峰值功率可以达到11-14KW，峰值效率达到98.5%，最后转速可以突破2.8万转。到了2035年和2040年应该是预测，不一定准，可能发展速度比预期快一些，驱动电机本体核心性能指标，达到国际领先水平，到时候不是追赶者，应该是被追赶者。驱动电机产线、设备基本国产化，现在也以进口为主，峰值密度可以达到15-16KW，峰值效率和转速能够达到3万转，2040年肯定到国际领先水平。不光是产线，工业设计软件到时候已经是国产化，峰值、功率、效率和转速都有进一步提升。
电机控制器行业发展：电机控制器现在水平是功率密度达到35KW/L，当然这不是最先进，最先进可能超过功率密度。自主封装IGBT占比达40%，这是行业水平。因为我是搞硬件开发，了解东风自主开发电驱动系统，自主封装IGBT占比远远超过这个比例，包括量产，所有电驱动产品肯定有自主封装、进口AB备份。芯片国产化率达到40%，这是行业水平，不是东风水平，东风水平是今年量产所有控制器都已经达到国产化率60% 。明年、后年一步步国产化率进一步提高，东风对自主开发的国产化率都有KPI考核。2030年，功率密度可以达到60-80KW，自主封装功率模块占到60%，芯片国产化率达到60%，这个比例比较保守。2035年，功率密度可以达到80-100KW，自主封装功率模块占比达到80%，芯片国产化率达到80%。2040年，进一步功率密度和自主封装的功率模块、芯片国产化率应该占比越来越高。
智新半导体封装技术：一是键合线，主流IGBT是铝线键合，碳化硅目前铜线键合，未来还有铝带、铜带键合，还有铜片键合，验证靠推力测试。后面是焊接技术，IGBT主流模块也是回流焊，碳化硅采用双面银烧结，可能其他厂家和我们技术路线不一样。封装塑封，后面碳化硅模块也是采用环氧塑封材料。散热技术要看散热底板材料，目前是IGBT主要采用三氧化二铝，碳化硅模块采用四氮化三硅，导热性能比三氧化二铝好很多。所以，这也导致现在碳化硅模块成本肯定是IGBT的几倍。
当然，碳化硅随着产量越来越大，产业化越来越成熟，碳化硅后面成本肯定是越来越下降，现在作为主机厂深切感受到国内功率半导体产业非常卷，几乎每个季度都有各个半导体器件企业、芯片公司，都有新的报价给到我们手里。所以，这个行业非常卷，几乎每个季度都会更新价格。作为硬件开发也是非常疲倦，都能有降本需求或者新半导体厂家新价格给到我们。
主流 SiC MOSFET 比导通电阻发展趋势：国内主流在精细平面栅技术，比导电阻3mΩ/平方厘米，头部进口企业还是沟槽栅技术，可能能够达到2 .4mΩ，国产碳化硅芯片离国际头部企业还是有一定差距。后面有精细沟槽技术和超级结技术，比导通电阻越来越小，有利于控制器越来越小，功率越来越高。电驱动系统的发展需要芯片技术的发展。
四、展望。
供应链安全保障需求给了国产IGBT/碳化硅，国产功率模块上车验证，量产的机会。作为硬件开发工程师，几年之前如果让我们上一个国产芯片或者上国产模块，内心比较抵触。因为我觉得上了国产芯片之后，硬件开发工程师压力比较大，设计上，验证上经常会有反复。但是，行政压力，产业安全给我们的压力必须上国产芯片、国产模块。我们也深切地感受到，这么多年走过来，国产芯片、模块稳定增长稳定进步，进步是肉眼可见的。
车企在库存红线和高涨的进口芯片价格面前，为保证顺利出货，不得不为国产IGBT/SiC芯片开绿灯替代。国产芯片比进口芯片性价比有很大优势，国内新势力大多工程经验足，对自身电子电气架构相对熟悉，更倾向于使用国产功率芯片和模块。国产IGBT已经占据国内大部分市场份额，国产SiC芯片也在实车开发验证中，后面也势必占据大部分国内市场份额。东风自主研发，进口芯片、国产芯片都会同市开发验证过程中，用进口项目保证项目进度，用国产芯片保证后面降本替代。如果国产芯片性能达到要求，肯定会采用性价比更高的国产芯片。国产芯片从仿制到自制，从无到有，从0到1也经历了很漫长的过程。大家的进步、成熟也是行业内有目共睹。
未来国产功率芯片、功率模块势必在全球汽车半导体中占有一席之地，将在电驱系统的发展发挥至关重要的作用，谢谢大家！
（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）
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