快速充电无线充电行业市场调研分析报告.docx
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快速充电无线充电行业市场调研分析报告
2018年快速充电(无线充电)行业市场调研分析报告
图表目录
图表1:
续航能力成为衡量手机性能的重要参数5
图表2:
松下无线充电解决方案6
图表3:
手机充电演示图6
图表4:
金立M5双电芯6
图表5:
无线充电应用7
图表6:
QC4.0+性能提升7
图表7:
iPhone8内部结构示意图8
图表8:
无线能量传输技术9
图表9:
WPC主要成员9
图表10:
AFA发展变化图10
图表11:
变压器工作原理11
图表12:
感应式无线充电原理11
图表13:
磁力对准12
图表14:
与有线充电比较无明显优势14
图表15:
松耦合无线充电原理15
图表16:
感应式与谐振式原理差别15
图表17:
异物检测16
图表18:
谐振式和感应式效率对比17
图表19:
出货量对比(百万部)18
图表20:
QC标准变更进程19
图表21:
VOOC闪充对比20
图表22:
PE变更路线图20
图表23:
MaxCharge效果21
图表24:
快充标准统一22
图表25:
金立M201722
图表26:
双充电芯片设计23
图表27:
苹果无线充电发射端专利24
图表28:
苹果设备间无线充电专利25
图表29:
快充流程25
图表30:
USBType-C26
图表31:
2013~2016无线充电发射端和接收端出货(百万部)27
图表32:
2013~2020无线充电设备出货(百万部)27
图表33:
2013~2025年无线充电收发设备出货量(百万部)28
图表34:
2014~2024年无线充电市场规模(十亿美元)28
图表35:
全球智能手机出货量29
图表36:
双电芯提升电池Pack附加值(美元)30
表格目录
表格1:
两大无线充电标准联盟10
表格2:
紧耦合感应式标准对比13
表格3:
无线充电标准对比17
表格4:
快充三种实现方式对比19
第一节智能终端电源创新分析
一、行业综述
1992年索尼成功开发出商用锂离子电池,该电池可重复充电的特性,使其迅速替代镍电池成为智能终端的源动力。
相比于半个世纪来日新月异的手机更替,电池的发展非常缓慢。
据IDC估计,5.5寸屏幕智能手机今年出货量将达5.93亿部,同比增长33%,预计2021年,可增至7.31部。
手机的大屏多核发展趋势对续航能力提出了要求。
提升续航能力最直接的方法就是给电源增容。
但存在两方面问题:
一是6寸以上屏幕会影像手机持握感,这决定了手机的体积上限;二是单电芯容量达到5000mAH,容易产生安全隐患,比如三星Note7爆炸事件。
电子设备无线化是科技界和工业界的持续追求。
摆脱线缆束缚,实现自由用电的用户体验,是移动互联时代的自然需求。
对续航能力的要求和设备“无尾化”的追求倒逼电源技术创新。
无线充电、快速充电、双电芯技术作为解决方案日臻成熟,相关市场爆发在即。
图表1:
续航能力成为衡量手机性能的重要参数
资料来源:
手机中国
二、概念定义
无线充电是指无线缆连接,利用电磁感应或耦合原理,发送端线圈连接有线电源产生电磁信号,接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。
19世纪30年代,法拉第发现电磁感应现象。
19世纪90年代,特斯拉凭借“特斯
拉线圈”成功点亮了一盏没有连接电线的灯泡被誉为无线电能传输之父。
图表2:
松下无线充电解决方案
资料来源:
电子发烧友
快充是在短时间内通过提升充电电压或电流达到提升单位时间充电量的方式。
快充三要素为充电器、电池、chargeIC。
需要一整套特定的电芯、电路、充电器、数据线及接口,要求电芯、接口能够承受较大电压或电流。
图表3:
手机充电演示图
资料来源:
电子发烧友
单个锂电池不断扩容会导致电池内部不稳定,双电芯解决方案通过2个电池之间的串并联,有效缓解快充带给电池的压力,起到分流的效果,可以在提高电容量的同时保证电池内部温度的稳定,从而提升安全性。
图表4:
金立M5双电芯
资料来源:
手机中国
三、应用需求
多元应用的兴起,智能终端设计的演进,推动无线充电市场的发展。
智能手机端,取消3.5mm耳机接口方案,造成的充电耳机接口冲突、封闭式的防尘设计需求;可穿戴设备的防水设计需求,都凸显无线充电的必要性。
与有线充电相比的优势:
1)安全性,设备之间完全的电流隔离。
2)防水性,电源接收器可实现完全封闭设计。
3)便捷性,省去插头电线的插拔及切换。
图表5:
无线充电应用
资料来源:
电子发烧友
近年来,手机屏幕的大屏化、高分辨率化,处理器的运算速度不断提升,第三方应用不断创新,手机功耗大幅增加。
对于很多用户来说,一块电池撑不到一天。
快充技术的出现,虽然没能直接增加电池容量,但是缓解了手机续航不足的矛盾。
图表6:
QC4.0+性能提升
资料来源:
高通官网
对于现有的电池技术来说,能量密度的瓶颈使手机厂商难以在扩大电池容量的同时压缩电池体积。
空间应用成为智能手机设计的一大难题。
多电芯的设计方案在充电宝、笔记本领域早已使用,多电芯方案能够同时兼顾容量升级、轻薄化、内部空间利用、安全性,iPhone8或将引领双电芯“革命”。
图表7:
iPhone8内部结构示意图
资料来源:
泡泡网
第二节电源创新的主要技术路线
一、无线充电技术路线
无线充电从技术原理上,可分为非放射型和放射型两种方式。
放射型主要用于远距离无线充电,包括微波和激光的方式,一般用于大功率、直线对准式的无线充电。
如今应用在消费电子领域主要是近距离无线充电,主流技术路线包括紧耦合感应式与松耦合谐振式两种。
图表8:
无线能量传输技术
资料来源:
TDK
二、无线充电标准
WPC(WirelessPowerConsortium)成立于2008年,以紧耦合感应式无线充电为主,现已成为全球最大的无线充电组织,创建了国际无线充电标准Qi,早期参与企业主要有诺基亚、三星、LG等。
2017年2月苹果正式加入无线充电组织之一的WPC,掀起新一轮产业技术路线和标准之争。
图表9:
WPC主要成员
资料来源:
WPC
2012年在Powermat的推动下,成立了PowerMattersAlliance(PMA),组织成员同样有Google、NXP、星巴克、AT&T等行业巨头,采用紧耦合感应式技术,与WPC形成直接对抗。
同时,行业内的MTK和PowerbyProxi等公司成立了A4WP组织,主推松耦合谐振式无线充电方案,在新的技术领域探求更为广泛的可能性。
图表10:
AFA发展变化图
资料来源:
北京欧立信调研中心
2015年以后,PMA与A4WP合并,目前无线充电已经演变为两大标准组织:
WirelessPowerConsortium(WPC)和Air-fuelalliance(AFA)。
两大组织的充电标准互不兼容,未来是否会演变为赢者通吃或二者持续并存,是值得我们持续关注的问题。
表格1:
两大无线充电标准联盟
资料来源:
WPC、AirFuel,北京欧立信调研中心
1、紧耦合感应式基本原理
紧耦合感应式无线充电可以用变压器进行类比,变压器具备初级线圈、次级线圈和线圈之间的铁芯。
初级线圈的交流电流产生变化的磁场,磁场沿着铁芯到达次级线圈,变化的磁场在次级线圈产生感应电流,实现次级线圈充电,即完成了“电源→初级线圈电流→磁场→次级线圈电流→负载”的能量传递。
图表11:
变压器工作原理
资料来源:
TPUB
紧耦合感应式无线充电与变压器原理相同,可以看成变压器的简化版,移除铁芯,初级线圈和次级线圈均从三维绕线变成平面绕线。
发射端与电源相连,输出频率在
100~400kHz的交流电,交流电通过线圈耦合到接收端电路,接收端在充电IC的调控下实现电能储存。
图表12:
感应式无线充电原理
资料来源:
TI
无线充电系统移除铁芯之后,磁场主要通过空气传递,但是空气的磁导率远远低于铁芯,导致磁场传递效率较低,因此系统要达到合理的整体无线充电效率(在70%以上),初级线圈和次级线圈之间必须非常靠近,尽可能多的将磁场能量传递,而少部分泄露的磁场能量将转化为热能损耗掉。
损耗掉的能量称之为漏电感,感应式无线充电必须采用近距离紧耦合。
同时,发射线圈和接收线圈需要精确定位,采用相对接近的线圈尺寸,在紧贴的条件下才能实现良好的充电效果。
紧耦合感应式无线充电的使用条件苛刻,为实现准确定位,WPC的Qi标准提出了三种定位类型。
(1)三种定位方式
采用磁力对准的定位方式,发射端和接收端都配有磁铁,使用磁铁引力实现定位。
采用活动线圈的自由定位,发射端检测到充电对象设备后,通过某一驱动装置将
发射线圈移动至该位置进行充电。
采用线圈阵列的自由定位,事先排列多个发射线圈,选择最贴近接收设备的发射线圈工作,实现高效率无线充电。
图表13:
磁力对准
资料来源:
NXP、TDK
(2)相关标准进程
两大无线充电组织的参与企业是无线充电市场发展主要推动力量,组织标准的进展情况值得持续关注。
在紧耦合感应式无线充电方面,WPC和AFA两大组织均有标准支持。
WPC组织的Qi标准,是目前市场上最受欢迎的无线充电标准,是市场上参与企业和支持产品种类最多的标准,主要参与企业包括苹果、三星、博通、高通、仙童半导体、NXP、IDT、MTK、TI、TDK等国际主流终端和芯片厂商。
AFA组织的PMA标准,同样是紧耦合感应式无线充电,参与的主要企业有AT&T、金霸王电池、星巴克等。
PMA标准的充电频段为277~357kHz,带内通信,发射端和接收端的距离在5~7mm以内,最大充电功率5W,支持金属外物检测。
可以看出PMA标注和早期Qi标准除了在工作频段略有差异,其他技术指标相对接近,也体现了紧耦合无线充电技术路线的相似性和实现功能的雷同性。
表格2:
紧耦合感应式标准对比
资料来源:
WPC、AFA、北京欧立信调研中心
(3)现状及未来发展
紧耦合感应式无线充电方案相对成熟,在目前无线充电市场的起步阶段起到了市场宣传的积极作用,但同时具有局限性:
同一发射端不能在同一时间给多个设备充电。
发射端线圈大小和接收端线圈大小需要匹配。
发射端和接收端必须平面贴近。
图表14:
与有线充电比较无明显优势
资料来源:
MTK
如果只是为单一手机充电,紧耦合感应式无线充电是可接受的解决方案,经过WPC和AFA组织的持续改进和优化,已经形成了低成本、高效率的一对一无线充电产品。
但是对于无线充电市场更广泛的普及和应用,应该有更为实用的方案,比如支持
同一时间多设备充电,可以为耳机、手机、移动PC等不同尺寸不同功率的接收设备充电,能够适用于各种非平面的外形设计。
从产品易用性和多样性角度考虑,松耦合谐振式无线充电方案或将成为未来引爆市场应用的主流。
2、松耦合谐振式基本原理
早在1900年代物理学家特斯拉就验证了电磁谐振可以用于能量传输。
在松耦合谐振式无线充电方案中,发射端在特定谐振频率振荡,将次级线圈的谐振频率调整至和初级线圈一致,当初级线圈发射该谐振频率的能量时,次级线圈因为谐振而吸收能量,实现能量传递。
图表15:
松耦合无线充电原理
资料来源:
ArrowElectronics,北京欧立信调研中心
相比于紧耦合感应式无线充电,松耦合谐振式方案具备以下特点:
初级线圈和次级线圈可以使不同尺寸。
可以实现一对多无线充电。
充电距离可以达到45mm以上,设备的摆放不局限于特定位置。
基本上支持所有外形结构,不仅限于平面结构。
图表16:
感应式与谐振式原理差别
资料来源:
MTK、北京欧立信调研中心
(1)相关标准进程
PMA和A4WP合并为AFA组织之后,AFA同时具备PMA的感应式标准和A4WP的谐振式无线充电标准。
A4WP的谐振式标准支持异物检测,通信方式为2.4GHz蓝牙通信。
图表17:
异物检测
资料来源:
PowerbyProxi
A4WP的具体标准演进如下:
BSS(BaselineSystemSpecification)1.2,为智能手机、平板电脑设计的规范,发射端输出功率10~16W,接收端接收功率3.5~6.5W,效率大于60%。
BSS1.3为平板电脑、移动PC、手机及周边设备设计的规范,发射端输出功率
10~50W,接收端接收功率3.5~30W,效率大于60%。
BSS1.4(开发中)适用于从可穿戴到笔记本等一系列电子产品,发射端输出功率
1~50W,接收端接收功率1~30W,效率大于60%。
表格3:
无线充电标准对比
资料来源:
行业公告,北京欧立信调研中心
(2)现状及未来发展
在一对多无线充电场景下,发射端的线圈尺寸远大于接收端线圈,参考MTK的实验验证,无论是中心对齐还是边缘摆放,松耦合谐振式方案均能实现可接受的充电效率。
而紧耦合感应式方案则不能支持一对多无线充电。
在相同距离下松耦合谐振式无线充电的效率更高。
在市场标准不统一的条件下,双模兼容或许是带动市场发展的折中解决方案。
在市场转变的过程中,接收端同时兼容两种技术标准有利于应用推广,在无线充
电市场从起步迈向繁荣的阶段,能够提供标准兼容解决方案的厂商将大为受益。
图表18:
谐振式和感应式效率对比
资料来源:
MTK
图表19:
出货量对比(百万部)
资料来源:
IHS,高通,北京欧立信调研中心
3、快速充电技术路线
从原理上功率=电压×电流,快充技术可通过高压恒定电流、低电压高电流和高压高电流三种方式实现。
高电压恒定电流模式:
常规手机的充电过程是将220V电压降至5V充电器电压,5再降到4.2V电池电压。
整个充电过程中,如果增大电压,将产生热能损耗,充电器和手机同时发热。
低电压高电流模式:
在电压一定的情况下,增加电流,可以使用并联电路的方式进行分流,分流后每个电流通路所分担的压力减小,但是对于充电线材的电流耐受能力提出更高要求。
高电压高电流模式:
理论上同时增大电流与电压,是提升充电功率最好的办法,
但实际设计中散热、安全性和电路设计会过于复杂,目前市面上的应用相对较少。
表格4:
快充三种实现方式对比
资料来源:
电子发烧友、北京欧立信调研中心
(1)高通Quickcharge
高通QC4.0已经发布,但是目前市面上常见的高通QuickCharge快充标准大多为
QC2.0和QC3.0两种。
图表20:
QC标准变更进程
资料来源:
电子发烧友
(2)OPPOVOOC闪充
国产厂商OPPO研发出自有的VOOC闪充方案,原理是恒压加大电流,将电流提升到了4.5A,由此加快充电速度。
VOOC闪充技术将充电控制电路移植到了充电器,将发热源移植到了适配器,转移手机发热问题。
图表21:
VOOC闪充对比
资料来源:
电子发烧友
(3)MTKPumpExpress
联发科PumpExpress特点:
允许充电器根据电流决定充电所需的初始电压,由PMIC发出脉冲电流指令通过USB的Vbus传送给充电器,充电器依照这个指令调变输出电压,电压逐渐增加至高达5V达到最大充电电流。
图表22:
PE变更路线图
资料来源:
MTK
(4)TIMaxCharge
TIMaxCharge快充技术:
集成了5A单节锂离子电池充电器电路,支持输入电压最高14V。
兼容高通QuickCharge2.0的9V/12V电压以及对联发科PumpExpressPlus的
7V/9V/12V。
最高可节省充电时间达60%。
图表23:
MaxCharge效果
资料来源:
TI
(5)未来的发展方向
通用接口业界联合组织(简称USB-IF)在日前发布了USBPD3.0的重要更新,旨在一统快速充电技术规范的PPS(ProgrammablePowerSupply),实现对高通QC4.0/3.0、联发科PE3.0/2.0、华为/OPPO等方案的收编。
同时,USBPPS还和我国工信部泰尔实验室达成了共识,预计将与国标实现统一。
多数快充都都是通过协同调整电流电压来进行快充的,在不同的电量阶段最合适
的充电电压和电流是不一样的,为了达到最高的充电效率和安全性就需要不断调整充
电电流和电压。
PPS将不允许USB接口通过非USBPD的协议来进行电压调整,第三方快充必须在自己的标准中加入对USBPD的支持。
谷歌同样在最新的Android7.0OEM规范中强调:
快充技术必须支持USBPD。
如此可以预期,快充标准有望于一到两年内进入标准统一,实现行业普及、快速发展。
图表24:
快充标准统一
资料来源:
电子发烧友
三、双电芯解决方案
2016年金立推出的M6plus使用的双电芯电池+双充电芯片方案,电池容量达到
6020mAh,充电功率24W。
两套充电芯片可以智能调节充电的电流,并且能够有效缓解因为快速充电而带来的发热现象,此外还支持反向充电。
最新发布的金立M2017通过双电芯方案实现了7000mAh的超大电池容量。
图表25:
金立M2017
资料来源:
金立官网
未来的发展方向
双电芯方案的优越在于:
提升电池总容量,增加续航能力。
细化调节电流,优化效率,实现快捷充电。
双电芯隔离,降低电池发热风险,提升电池寿命,安全性更高。
优化手机内部结构,达到节省空间目的。
图表26:
双充电芯片设计
资料来源:
脚本之家
第三节行业布局情况
一、无线充电行业布局情况
预计苹果新品有望搭载无线充电功能,带动智能手机无线充电市场开启。
根据产业链调研信息,苹果新品有望配置无线充电功能,17年2月苹果加入无线充电标准组织之一的WPC也印证了苹果在无线充电方面动作积极。
苹果的专利布局显现无线充电应用方式,或将带动无线充电行业进入加速期。
2016年以来,美国商标专利局公开了苹果公司申请的一系列无线充电专利,其中有几项专利技术值得重视,代表了苹果无线充电的技术路线和应用场景。
目前苹果公司的专利布局来看,已经覆盖无线充电的多种使用场景,包括单独为手机进行无线充电,设备间相互充电,以及充电桌面为多设备无线充电。
1、苹果公司
第一项是无线充电发射端相关的专利,申请号20160256931,2015年9月申请,
2016年9月公开。
专利描述了一种关于圆柱形装置的抛光和刷涂技术。
虽然专利申请的重点是抛光和涂刷金属设备的工具,事实上它对应的产品正是一个感应式无线充电发射端。
这种发射端包括围绕金属芯(例如铁芯)的感应线圈,并且被设计成与接收线圈配对,实现一对一无线充电功能。
图表27:
苹果无线充电发射端专利
资料来源:
USPTO
第二项是设备间无线充电的专利,申请号20160094076,2015年6月申请,2016年3月公开。
专利描述了多个iOS设备之间进行无线充电的方法。
第三项是无线充电桌面系统。
申请号20160372961,2016年6月申请,2016年12月公开。
专利描述了一种无线充电桌,具备同时为一个或多个电子设备进行充电的功能。
图表28:
苹果设备间无线充电专利
资料来源:
USPTO
二、产业链划分
无线充电产业链可以划分为无线充电方案设计、芯片、磁性材料、收发线圈和模组封装制造几个环节。
考虑到两大无线充电标准组织仍采用近距离无线充电方案,苹果感兴趣的无线充电厂商Energous也没有长距离充电商用产品,预计2017年无线充电仍以紧耦合感应式方案为主,也意味着目前无线充电产业链发生巨大变动的可能性不大。
我们认为,在无线充电有望在智能手机大范围普及的前提下,产业链供应商不会有大规模变动,那么已经进入无线充电产业的现有参与者将获取更多的市场份额,伴随着无线充电市场开启大幅提升公司业绩。
快充流程分为三部分,主要是电能在充电器、手机IC和电池之间转换。
充电器的核心组成为:
MCU+固态电容器+液态电容器+电感+MOS,还有变压器等。
由于各种品类繁多的快充技术拥有各自的“握手协议”,不能通过协议识别的适配器无法调节充电电压,硬件方面适配器、电源管理芯片、充电线及接口都有严格要求。
因此方案提供商在产业环节中控制力较强。
图表29:
快充流程
资料来源:
MTK
高通和联发科在提供快充技术的同时,也为手机厂商提供处理器芯片,支持QC标准和PE标准的快充产品较多,第三方配件数量较大。
OPPO的VOOC闪充,由于采用大电流方案,需要特制线材,配套的充电器设计制造。
对于未来标准的Type-C、USB3.1,接收大电流不再是难题。
不同机型之间充电配件将可兼容
图表30:
USBType-C
资料来源:
财经网
第四节行业发展空间
一、无线充电市场
无线充电市场正处于快速增长期。
据IHS数据显示,2016年全球无线充电接收端出货量达到2.05亿部,其中有1.6亿部来自于智能手机,发射端出货量占接收端出货总量的38%。
图表31:
2013~2016无线充电发射端和接收端出货(百万部)
资料来源:
HIS
NXP预计到2020年,具备无线充电功能的电子设备出货量将超过10亿部,智能手机和配件仍将是最主要的出货形式,可穿戴和个人电脑也将成为无线充电设备的重要组成。
图表32:
2013~2020无线充电设备出货(百万部)
资料来源:
NXP,北京欧立信调研中心
在更长远的时期内,据IHS数据预测,全球无线充电市场仅接收端设备出货量将从2015年的1.6亿部增长到2024年的20亿部,年复合增长率达到30%;
无线充电市场总规模将从2015年的17亿美元增长到2024年的150亿美元,年复合增长达到27%。
IDC预计到2019年,无线充电会在更多的办公室和会议室出现,市面上超过50%的手机、20%的平板电脑和5%的笔记本电脑将具备无线充电功能。
图表33:
2013~2025年无线充电收发设备出货量(百万部)
资料来源:
IHS、北京欧立信调研中心
图表34:
2014~2024年无线充电市场规模(十亿美元)
资料来源:
IHS、北京欧立信调研中心
二、快速充电市场
IDC预测2017年全球智能手机出货量将达到15.2亿部,较2016年增长3%。
以20%~30%的渗透率计算,未来两年内,配备快充技术的手机有望达3-5亿台,市场空间巨大。
以快充体验著称的OPPO手机销量持续增长,2017Q1营收达54.1亿美元。
图表35:
全球智能手机出货量
资料来源:
中国产业信息
三、双电芯技术市场
电池Pack及BMS的复杂度将伴随着电芯数量的提高而提高
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