渐行渐近的无线快充时代

ittbank 2019-02-25 17:54


在小米9旗舰手机发布会上,小米还发布了20W无线充电器、20W小米无线车载充电器和小米无线充电宝。


“无线充电慢是去年的体验了,是过去式了,”雷军说,去年,无线闪充行业竞争激烈,竞争的结果是使用效果越来越好。苹果推出了7.5W的无线充电器,充满手机时间是4小时17分钟,小米随后就推出了10W无线充电器,用时2小时26分钟,随后华为推出了15W无线充电器,用时2小时4分钟。“今天,小米推出的20W无线充电器只需要一个班小时,就能把手机充满。”


手机即将进入无线快充时代,会迅速普及。



无线充电技术在消费电子市场的应用由来已久,伴随着行业龙头苹果、三星等龙头厂商主力推进无线充电应用,智能手机无线充电有望全面铺开。未来, 新能源车的发展推动车厂无线充电研发的热情,国际标准组织也进入最后标准测试阶段,无线充电在汽车端的应用有望加速落地。


此外,无线充电的使用场景不仅仅局限在手机、可穿戴、平板、笔记本电脑等中低功率领域应用,在物联网浪潮的大背景下,无线充电各类公共应用场景不断出现,无线充电相关产品具有广阔的市场空间。 


无线充电的技术路线

 

无线充电技术(Wireless charging technology)源于无线电力输送技术,是指装置不需要借助于电导线,利用电磁波感应原理、电磁波共振原理或者其它将磁场作为传送功率桥梁的技术,在发送端和接收端用相应的设备来发送和接收产生交流信号来进行充电的一项技术。 



由于充电器与用电装置之间以磁场传送能量,两者之间不用电线连接,因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。 现阶段无线充电技术以电磁感应方式和电磁共振方式为主。 电磁感应技术相对容易实现,同时充电效率较高,在无线充电推广初期是主要应用方式,商业化应用已经非常成熟,目前手机中采用的无线充电技术也主要是电磁感应技术。


1、电磁感应方式


电磁感应技术通过导体切割磁场会产生电动势,有两个线圈组成,在初级线圈上接入交流电时产生磁场,次级线圈由于有交变磁场的存在而感应出交变的电流。 由电—磁—电转化,以此构建一套无线电能传输系统。 电磁感应方式的磁场随着距离的增加快速减弱,一般只能在数毫米至 10 厘米的范围内工作, 因此传输距离短、使用位置相对固定, 但是能量效率较高、技术简单, 是目前主要商业化应用的方式。



最早利用这一原理的无线充电产品是电动牙刷。 电动牙刷由于经常接触到水,所以采用无接点充电方式,可使得充电接触点不暴露在外,增强了产品的防水性,也可以整体水洗。 以电动牙刷为例, 在充电插座和牙刷中各有一个线圈,当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用,利用电磁感应的原理来传送电力,感应电压经过整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。 



2、电磁共振方式


电磁共振方式是发射端和接收端达到相同的频率,达到磁场共振,满足能量交换,以此来给设备充电。电磁共振方式相比电磁感应方式最大的优势在于在距离具有更高宽容度,可以支持数厘米至数米的无线充电;并且电磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电,并且对设备的位置并没有严格的限制,使用灵活度在各项技术中居于榜首,未来无线充电的重点发展方向。 该技术的主要缺陷在于在传输效率较低。 



3、电磁耦合方式



相对于传统的电磁感应式,电场耦合方式有三大优点:充电时设备的位置具备一定的自由度;电极可以做得很薄、更易于嵌入;电极的温度不会显著上升,对嵌入也相当有利。

 

电场耦合方式具有体积小、发热低和高效率的优势,缺点在于开发和支持者较少,不利于普及。


4、微波谐振方式 



英特尔公司是微波谐振方式的拥护者,这项技术采用微波作为能量的传递信号,接收方接受到能量波以后,再经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。


这种方式就相当于我们常用的Wi-Fi无线网络,发收双方都各自拥有一个专门的天线,所不同的是,这一次传递的不是信号而是电能量。


微波的频率在300MHz~300GHz之间,波长则在毫米-分米-米级别,微波传输能量的能力非常强大,我们家庭中的微波炉即是用到它的热效应,而英特尔的微波无线充电技术,则是将微波能量转换回电信号。



微波谐振方式的缺点相当明显,就是能量是四面八方发散的,导致其能量利用效率低得出奇。而它的优点,则是位置高度灵活,只要将设备放在充电设备附近即可,对位置的要求很低,是最符合自然的一种充电方式。无线微波方式虽然能效很低,但使用最为方便。


未来的无线充电将是高自由度的、高效率的、高兼容性的: 1 支持在任一平面任意位置上的自由充电; 2 还采用新的架构使得单一线圈情况下充电面积增加,提高充电效率; 3 发射端可以为多个接收端充电; 4 可以支持设备间的互相充电。 



目前电磁感应式无线充电的方案最为成熟, 商业也最为广泛。但是这种充电技术充电过程中手机需要限定在一定的位置上,仍然没有带来任何灵活性。 由于其成熟度和相对较高的效率, 是目前技术条件下商业化应用的最优选择。苹果等手机制造商正在努力提高这项技术的充电效率,然后再过渡到下一阶段的无线充电技术——电磁谐振无线充电。


在电磁谐振充电方式中,发射线圈和接收线圈可以弱耦合,但工作频率相近, 这使得设备可以在距充电区域稍大的距离处使用,因此提高了充电位置的自由度。这种新型充电技术符合未来无线充电升级方向,但是电磁谐振充电仍然还不够成熟,并且效率较低, 市场应用尚需要时间。 


无线充电技术标准

 

目前主流的无线充电标准有三种:Power Matters Alliance(PMA)标准、Qi标准、Alliance for Wireless Power(A4WP)标准。



Power Matters Alliance标准


Power Matters Alliance标准是由Duracell Powermat公司发起的,而该公司则是由宝洁与无线充电技术公司Powermat合资经营,拥有比较出色的综合实力。除此以外,Powermat还是Alliance for Wireless Power(A4WP)标准的支持成员之一。


目前已经有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA联盟(Power Matters Alliance缩写)。PMA联盟致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备,打造无线供电标准,在无线充电领域中具有领导地位。


目前Duracell Powermat公司推出过一款WiCC充电卡采用的就是Power Matters Alliance标准。WiCC比SD卡大一圈,内部嵌入了用于电磁感应式非接触充电的线圈和电极等组件,卡片的厚度较薄,插入现有智能手机电池旁边即可利用,利用该卡片可使很多便携终端轻松支持非接触充电。


Qi标准


Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟(Wireless Power Consortium,简称WPC)推出的“无线充电”标准,具备便捷性和通用性两大特征。


首先,不同品牌的产品,只要有一个Qi的标识,都可以用Qi无线充电器充电。其次,它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈,在不久的将来,手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电,为无线充电的大规模应用提供可能。



Qi采用了目前最为主流的电磁感应技术。目前Qi在中国的应用产品主要是手机,这是第一个阶段,以后将发展运用到不同类别或更高功率的数码产品中。截至目前,联盟成员数量已增加到74家,包括飞利浦、HTC、诺基亚、三星、索尼爱立信、百思买等知名企业都已是联盟的成员。


A4WP标准


A4WP是Alliance for Wireless Power标准的简称,由美国高通公司、韩国三星公司以及前面提到的Powermat公司共同创建的无线充电联盟创建。



该联盟还包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成员,目标是为包括便携式电子产品和电动汽车等在内的电子产品无线充电设备设立技术标准和行业对话机制。


该无线充电联盟将重点引入“电磁谐振无线充电”技术,与Qi的“电磁感应技术”有所区别,这两种技术各有千秋。


前者传输效率可能较低,但可以实现稍远距离的无线充电。后者需要近距离接触,例如将手机放在一个底座上,不用接线就可以通过感应充电,但这样充电效率较高。


A4WP标准组成联盟希望让无线充电迅速普及,让用户在任何地方都可进行无线充电。或者说,A4WP想要让无线充电便宜一些,并且在不增加手机、平板或者笔记本电脑体积的情况下增加充电接口,这意味着将有越来越多的制造商默认选择无线充电器。


Alliance for Wireless Power(A4WP)和Power Matters Alliance(PMA)两大无线充电技术联盟现已合并。合并后的联盟更名为AirFuel Alliance(AFA)。新名称标志着两大集团将努力携手共进,尽快将智能手机和平板电脑的无线充电解决方案标准进行统一,共同与Wireless Power Consortium (WPC)的Qi无线充电标准相竞争。


  

无线充电产业链格局


无线充电产品分为发射端模组和接收端模组两部分。 发射端 Tx 对应的产品就是无线充电的充电器,接收端 Rx 对应的产品技术带无线充电功能的产品如智能手机、智能手表等。 感应充电和电磁谐振两这种无线充电技术虽然物理机制不同,但技术内容和价值链非常相似,都由逆变器、整流器、驱动器、降压转换器和线圈组成, 大多数业内厂商都在同时开发这两种技术的产品。



无线充电从产业链角度主要划分为五个环节:方案设计、电源芯片、磁性材料、传输线圈以及模组制造。方案设计和电源芯片环节技术壁垒高、利润高,基本被国外企业垄断。磁性材料和传输线圈环节技术壁垒相对较低, 中外厂商都参与其中。模组制造环节技术壁垒和利润最低,主要参与者为国内厂商。



1、方案设计


方案设计环节通常由终端厂商提需求,方案厂做设计,难度和附加值最高。目前以苹果、高通、特斯拉等国外厂商为主,国内中兴通信、信维通信、万安科技等具有竟争力。国外高通 Halo 无线充电技术和特斯拉免插充电系统应用于汽车,苹果在智能手表和智能手机上分别采用 MagSafe 磁吸方式和 Qi 无线充电。国内中兴通讯布局汽车无线充电,信维通信给三星NFC 无线充电设备供货,万安科技投资了无线充电企业 Evatran。 



2、电源芯片:


电源芯片主要包括发射端 Tx 和接收端 Rx, Tx 按照特定频段的无线电信号(Qi、PMA、 A4WP 规定了不同的频段)输入电源, Rx 将无线信号转化成电能完成充电。近年来 Tx芯片和 Rx 芯片正不断向高集成度、高充电效率、低功耗发展,主要是高通、博通、 TI、 IDT、NXP、 MTK 等芯片巨头参与其中。 充电头网拆解了 2018 年市场上热门的无线充电发射端,各无线充电发射端主控芯片的汇总示例如下。可以看到 IDT 在无线充电芯片上处于领先位置,产品广泛应用于三星、华为、小米、索尼等主流智能手机品牌上。 



3、磁性材料: 


磁性材料的作用主要有两个: 1)隔磁屏蔽:为磁通量提供一条低阻抗通路,降低向外散发的磁力线,减少对周围金属物体的影响,防止产生涡流和信号干扰; 2)导磁降阻:提高耦合系数,提升磁电转换效率,使用更少的匝数来实现更高电感的线圈,降低线圈电阻,减少发热带来的效率降低(匝数越多,电阻越高)。


目前主流用的磁性材料有铁氧体、纳米晶等。2012 年诺基亚推出无线充电手机 Lumia 920,所用的磁性材料是硬质铁氧体; 2013 年一款销往海外的手机 HiKe 868 设计了无线充电和 NFC的集成,配备的磁性材料是 WPC-铁氧体(刚性)、 NFC-铁氧体(柔性); 2015 年手机无线充电发生了里程碑式的变化,三星推出首款无线充电旗舰手机 Galaxy S6,不仅兼容两种无线充电的标准, WPC 和 PMA,还配置了两种支付标准 NFC 和 MST,匹配用的软磁屏蔽材料除了铁氧体外,首次使用了非晶导磁片,使得手机不仅做的轻薄精美,还大幅提升了无线充电效率; 到 2016年三星又做了改进,把磁性材料全部换成了更加先进的纳米晶导磁片,引领无线充电技术的变革,始终处于领先地位。从这几年的发展历程看磁性材料逐渐从铁氧体逐渐过渡到纳米晶。 


在磁性材料领域,国内外企业在这一领域均占据一定市场份额,国内有包括合力泰(蓝沛)、安洁科技、天通股份、安泰科技、横店东磁、信维通信等。国外参与方则有 TDK、村田、太阳诱电等。


4、传输线圈:


传输线圈具有高客户定制化特征,需要产业链上下游紧密配合。因此该领域的主要进入壁垒在于厂商的精密加工水平以及与上下游的衔接能力。传输线圈需要内置在终端中,对低损耗和轻薄化有较高的要求,随着 iPhone 从 FPC 转换成密绕线圈,预计线圈方案将成主流。


传输线圈的制造厂商有 TDK、 murata 和松下等,国内厂商有立讯精密、东尼电子、信维通信、硕贝德和顺络电子等。


5、模组制造:


模组的封装制造环节技术要求相对低,主要要求轻薄化和小型化,与其他电子零部件制造工艺相差不大,价值链位置较低,主要由国内零组件厂商立讯精密、安洁科技等参与。



产业链厂商中, 立讯精密 2014 年导入苹果 Watch 无线充电,综合实力较强, 苹果 2019 年将发布无线充电板 Airpower,公司受益无线充电新品上量和相关主题提振;安洁科技供应充电模块中的材料部分,未来公司将整合自身在模切、模组方面的能力, 在无线充电领域做大做强。 


2019 年将会是无线充电技术的应用正式启动的一年。


短期市场的机会主要来源于移动终端的渗透率提升,可以看到的是在苹果、华为、三星的带动下,智能手机市场在旗舰机型中无线充电功能有望成为标配,苹果的 AirPower 的上市有望成为市场关注提升的催化因素。 


中期市场的机会主要来源于新能源汽车的应用拓展,续航里程和充电体验的提升在新能源汽车市场拓展的过程中有着重要的影响作用,目前宝马已经有无线充电的汽车及充电器推出,未来预计到 2020 年前后将会有更多的厂商跟进。


无线充电的长期应用前景来源于物联网产品的渗透,我们预计在未来的 3~5 年,随着 5G 和人工智能等成熟度持续提升,物联网相关的包括智能家居、智能汽车、可穿戴设备、智慧城市等市场中电子产品的应用将会日趋增加,由此对于续航和无尾化电源供应的要求也将会是的无线充电产业带来长期的发展驱动力。 

来源:法拉第



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