无线充市场逐渐成熟元器件厂商迎来新机遇

2019-07-30 02:01字体:
  

  随着手机承载的内容越来越多,电池制约手机发展的问题更加突出。电池占据手机内部绝大部分空间,并且决定着移动终端的续航,在全面屏和轻薄化趋势下,手机厂商都在寻求解决方案,而无线充就是一大解决途径。

  无线充的火热主要来源于苹果在2017 年为其推出的三款新机均配置了无线充电的功能,自此之后,无线充功能逐渐成为了各大旗舰手机的标配。之后华为Mate 20 也配置了创新性的反向充电功能,今年小米也发布了“小米9”,支持20W无线闪充。

  另据中国产业信息研究网发布的《2017-2022年中国无线充电行业市场深度分析与投资前景预测研究报告》数据显示,无线%提升到60%以上。无锡市瀚为科技有限公司方案研发总监于萌就表示,无线充未来必然是挑战与机遇并存,无线年内重大的发展机遇。顺络电子材料研发部工程师朱晏军也在此前的采访中表示,无线充电发展前景巨大,千亿市场肯定是有的。

  若论无线充的优点,最主要的是无线充电使充电器摆脱了线路的限制,实现电器和电源完全分离,在安全性,灵活性等方面比传统线缆充电更具优势。无充电接口的设计能给手机硬件空间与功能创新提供更多弹性空间,同时具备防水防尘效果,是电子产品无尾化和无孔化的重要环节。

  早在今年年初魅族就发布了 zero 无孔手机,搭载魅族自研的18W超级无线快充,机身浑然一体,取消了耳机孔,充电数据口,具备IP68级防尘防水特性,在最深 2 米的水下停留时间最长可达 30 分钟。同一时间, vivo 也发布了无孔式设计的新APEX概念机,除正面屏幕有小条麦克风外,听筒 、喇叭开口、耳机孔、实体按键、SIM 卡槽和常见的 USB 充电 、 数据口都去除了。 这两款手机的出世无疑体现了厂商对无孔化的追求,也进一步预示了无线充有望在未来成为趋势。

  无线充电设备也比普通充电器智能很多,对于不同的电子产品,电源接口能自动对应,需要充电时,发射器和接收芯片会同时自动开始工作,充满电时,两方就会自动关闭。它还能自动识别不同的设备和能量需求,进行智能化操作。

  以IHS Market 统计作为参考,2017 年带有无线充电 功能的消费电子装置出货近 5 亿套,年增 40%,IHS Markit 预期 2019 年带有无线充电功能的消费电子装置出货可望达 10 亿套规模,至 2022 年将可达 20 亿套。

  我们可以看到手机无疑是无线充电的主力军,但同时中大功率的无线充市场也在不断扩大。东莞理工学院的任斌教授也认为,无线充电是一个大趋势,随着充电行业发展的越来越快,各种终端设备可能都会走向无线充电。

  广州德珑磁电科技股份有限公司研发部总监罗洪波也表示,目前无线充电行业已出现应用覆盖趋势。

  劲芯微电子公司合伙人柏鑫描述道,无线充电或能源的无线传递正在从现在的低功率向未来的高功率发展,从智能穿戴、医疗健康、手机平板,到机器人、无人机,到电动车充电桩等工业应用。我们有理由相信未来在多数终端上可能实现能源供给的无线传输。

  中大功率无线充中最火热的应用应该就是新能源汽车了,现今各国政府积极推进新能源车发展,各车厂也在努力提升用户的服务体验,除了提升电池容量外,快速充电与无线充电亦为各车厂重点研发项目。

  2017年雷诺纯电动厢式货车已在法国完成了动态无线充电测试,测试中最高时速达到了100km/h,而实验路段的充电功率为20kW。

  就在去年,我国首条电动汽车移动式无线充电实验路段完成验收,充电功率同为20kW,拥有80%的转化率,磁场强度远低于国际标准27uT,车辆行驶时速可超过60km/h。近日苹果公司也申请了电动汽车的无线充电专利。该专利名为“无线充电校准系统”,苹果在专利申请文件中还描述了一款可能采用了辅助转向推进系统以实现停靠的汽车。此外,在该专利文件中描述了这款汽车是如何使用连接到车身的无线电力接收器进行充电的。

  家电也是中大功率重点应用领域,而且最有可能迅速铺开。WPC联盟主席Menno Treffers表示,联盟正积极开发一种新的无线充电规范,为厨房内的电器设备供电,其功率范围界定在简单100W小型电器(如榨汁机),到需要输出功率高达2400W(如水壶和平底锅)的加热设备,预期创造一个标准、安全与智能兼具的无线充电生态系统。据杨士纬透露,WPC联盟将赋予智能厨房无线充电全新的Logo,称为Ki,预计最快2019年年底将会确定。

  无线充不仅是应用范围广,应用场景也在不断扩大,除却智能手机外,平板电脑、笔记本电脑等个人生活助理终端也在逐渐渗透。这预示着无线充电的场景也在不断扩展,可能推广至办公室、会议室、咖啡店、餐厅等多种公共场所和汽车、火车、飞机等交通工具中,这也将更大地提供便利性。例如星巴克于 2015 年开始与 Duracell Powermat 公司合作,在店内提供无线充电服务,麦当劳、 肯德基、海底捞等也逐渐在店内铺设无线充电装置。

  但就目前的市场表现而言,无线充普及仍然困难。就拿应用最广的智能手机而言,无线充电也难以取缔传统线充。关于这一点,深圳市耐尔金科技有限公司CEO许仕仁觉得基于现在的续航问题,现在市场还是得充电宝、快充以及无线充三者并行其道。

  不得不承认的是,即使无线充市场不断扩展,但是普及度依然不高,各种因素制约了无线、成本

  卓芯微的研发总监吴智星表示“影响无线充发展的因素第一就是成本,如果成本降下来的话,我相信采用无线充电技术的产品会越来越多。”

  充电器需要有推动线圈的电子线路,而在用电装置需要有电力换换的电子装置,两者也需要有线圈,因此成本比直接接触高得多。不过值得注意的是,无线充的成本也在不断降低,而其市场占有率也依然在不断提升。

  倍思(BASEUS)市场部负责人田一也曾表示,目前无线充电器的最大的弊病是充电效率。很明显,以智能手机为例,在实际应用中,同样的输入功率下,无线充充电速度较慢于快充。并且因为因为温度限制,效率难以提升。

  东莞理工学院教授任斌认为,充电距离也是无线充现在一大问题。针对各种移动终端,过短的距离再加上效率慢,消费者使用需求并不高。

  不过距离问题与效率问题也是息息相关,解决了无线充的距离限制,那么效率也将随着提升,我们相信随着技术的发展,无线充的距离将不断增加。

  标准也是无线充电技术绕不过去的坎。以大家普遍关心的辐射问题为例,根据国际卫生组织公布的标准来看,电场不高于83V/m,磁场不高于27uT对人类健康没有危害,而我国《电磁环境控制限值》(GB8702-2014) 中明确标示,电场与磁场强度的限定值分别为47 V/m 和0.14uT,较国际标准更加严苛,为无线充电技术发展画出了框架。

  以上问题无疑制约了无线充的发展,但同时也为我们明确了无线充未来的发展方向,我们相信随着技术发展,当前的各种问题都将迎刃而解,而新的更符合需求的无线充将会慢慢成长。

  针对无线充未来的发展方向,东莞理工学院教授任斌认为“我们现阶段主要的想法就是发射端可以在几十厘米甚至几米外的地方,能够做到长距离充电。第二个的话我们希望充电设备能为多个终端同时进行充电。这也是我们研究的主要方向。”

  任斌教授接着描述道:“现在我们也在做一个是多路输入和多路输出的设备,就是把各个线圈放在一起做一个更大的设备,做到一定范围内的多路输出,这样就可以同时进行终端充电。”

  长距离充电方便自不必说,除此之外,还将更安全,对比有线快充,防漏电等优势更加明显。

  现在,为了消费者的安全以及便利性考虑,相关科研人员先提供了近磁场无线充电技术(即需放在发射器旁边),同时,他们也在研究远距离无线充电,这将是一个新兴市场。实际上现在的技术就可以达到3英尺~4英尺的范围内进行有效的电量传输,但这还需要经过相关组织的验证。相信未来5到10年,甚至更快,远距离无线充电就会进入每一个人的生活中。

  未来,不仅是小功率电器,常见的家用电器设备、医疗设备、电动工具、办公室电器、厨房电器等都可以实现无线充电了。其实准确的说,应该叫“无线供电”,类似于wifi的充电设备,做到一边传输一边使用电能,不需要任何类似于电池的电量存储设备,更不需要提前充电了。

  电磁感应技术在目前的无线充电产品中应用最为广泛也相对容易实现。该技术是通过导体切割磁场会产生电动势,由两个线圈组成,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,目前手机 中采用的无线充电技术也主要是电磁感应技术。

  而苹果等手机制造商正提高这项技术的充电效率,但同时也在逐渐过渡到下一阶段的无线充电技术——电磁谐振无线充电。

  磁共振方式的原理与声音的共振原理相同。排列好振动频率相同的音叉,一个发声的话,其他的也会共振发声。同样,排列在磁场中的相同振动频率的线圈,也可从一个向另一个供电。相比电磁感应方式,利用共振可延长传输距离。磁共振方式不同于电磁感应方式,无需使线圈间的位置完全吻合。 磁共振方式由能量发送装置,和能量接收装置 组成,当两个装置调整到相同频率,或者说在 一个特定的频率上共振,它们就可以交换彼此的能量。磁共振方式充电效率较低,但随着各解决方案提供商积极投入高效率天线设计、高效能电力 转换技术等,目前采用磁共振技术的汽车无线%的充电效率,与磁感应 技术 90%传输效率相比,已相当具有竞争力,也是各大专家研究的方向。

  在当今的无线充市场上,汽车领域多采用磁共振技术。磁共振技术可以支援较高功率与较远传输距离,汽车充电动辄达到千瓦功率,而且底盘与 地面距离较远难以近距离耦合,因此磁共振技术广泛被车场采用。

  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。

  从整体来看,制约无线充电应用的瓶颈也在逐步的消除,其中标准技术路线的创新和产业链分工的成熟是核心的驱动因素。

  无线充电产业链从上下游分别为电源芯片、传输线圈、磁性材料、模组制造。其中,电源芯片、磁性材料以及传输线圈是整个无线充电产品最为关键的三大零部件。

  因为传输线圈具有定制化特征,本文主要介绍电源芯片及磁性材料的发展方向。

  电源芯片包含发射端 Tx 和接收端 Rx,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。反向无线充电功能需要手机内置一颗同时具备RX(接收)和TX(发射)功能的芯片,既可以控制无线充电,又可以控制无线输出。普通无线充电的手机只具备 RX(接收),所以只能被充电,而具备TX(发射)的话就如同是一台无线充电器一样,可以给具备无线充电功能的手机 等设备进行无线充电。

  在技术上,Tx 芯片和 Rx 芯片也在不断向高集成度、高充电效率、低功耗发展。目前无线充电发射端芯片基本是由三颗芯片构成,分别是驱动芯片、MOS芯片和主控芯片。随着半导体工艺的发展,电源芯片终将向高集成发展,将控制和驱动芯片集成在一起,同时将数字和模拟集成在同一个工艺节点上进行设计,再加之功率整合。

  面对市场的不断变化,南京酷珀微电子有限公司CTO姚立奎也提出了自己的见解:“无线充电效率,一般是指发射和接收整个系统的效率,效率最高不一定是最优系统。无线充电最优系统一定需要个案调试,并且是多个因素折中的结果,效率只是众多关键因素之一。系统设计关键还是依据具体产品,选取合适的线圈参数。芯片设计也需要增强对形状各异的收线圈的兼容性。”

  在市场上,根据市调机构MarketWatch的研究,在未来五年内,无线充电IC市场收入的年复合成长率将达到19.1%,到2024年全球市场规模将达到52亿美元,而2019年将达到21亿美元。但是IDT作为最早推出多模无线充电解决方案的厂商,目前芯片市场也基本由其垄断。

  就最新的反向无线充技术而言,IDT方案是目前市面已知的支持反向无线充电手机里,唯一大规模量产的无线充方案。据外媒iFixit拆解得知,三星S10系列机型搭载的无线 Pro机型搭载的无线。

  不过在整体的大市场中,近些年国内的芯片厂商发展也很迅猛,比如美芯晟、紫光国芯、易冲无线、新页集团等。

  磁性材料作为上游器件,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。随着三星多年的改进,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,从这几年的发展历程看,磁性材料也逐渐从铁氧体逐渐过渡到纳米晶。

  并且现在随着无线充技术的发展,对纳米晶也提出了新的要求。纳米晶隔磁片研发方向主要向着高效率、低损耗、薄规格发展,具体下来就是合金成分优化、使用超薄纳米晶带材、纳米晶带材恒张力退火从而提高导磁率。

  大有科技的CTO胡曹生向我们讲解道,“磁密度与磁泄露影响着充电效率。较低的磁密度能影响磁感应,从而影响能量传输。磁泄漏会对用电器产生干扰,使磁场在设备金属器件中产生涡流、金属发热,从而使得传输效率低,造成电能浪费。”

  “通常来说”,胡曹生继续说道,“因为隔磁片有聚磁、隔磁、导磁的作用所以解决方法是采用屏蔽材料来阻挡磁力线外泄,并转移磁通量。”

  总而言之,随着无线充电市场的爆发,各大元器件企业也都在不断部署新的发展方向。姚立奎在采访结束时说道:“9月份苹果手机的发布可能给无线充电市场带来新的利好,但同时这也是检验市场的一个机会。”自2017年初次搭载无线充已经过了两年,那么今年新iPhone又将给无线充市场带来怎样的影响呢,让我们拭目以待。

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