电子元器件:无线充电行业研究

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一、核心投资逻辑

无线充电的功能在消费电子端的应用已经经过了多年的演进,然而进入到消费者的核心关注 度是来源于智能手机核心品牌厂商苹果在2017 年推出的三款新机均配置了无线充电的功能开始, 之后华为 Mate 20 上配置的反向充电功能也是创新之举,而作为坚定的支持者三星在无线充电功 能上孜孜不倦的追求同样值得期待。

我们认为 2019 年将会是无线充电产业投资较为理想的机会,核心逻辑如下:

短期: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,包括苹果的 AirPower 的 上市预期以及反向充电功能的应用品牌增加,都有望成为资本市场关注提升的催化因素。

中期: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,材料端和模组端国内厂商有着良好的竞争力。

长期: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。

二、商业化加速:移动终端普及,新能源汽车启动

无线充电技术在消费电子市场的应用由来已久,而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。

(一)无线充电推广势在必行:续航体验提升,兼顾防水需求

功能机时代手机续航时间通常在 2~3 天或者以上,进入智能手机时代之后,由于电池技术 发展的瓶颈,手机续航问题一直普遍存在,以 PhoneArena 发布的 2018 年旗舰机续航测试排名 为例,表现最优的华为 Mate 20 综合续航时间高达 14 小时 26 分钟,紧随其后的 iPhone XR 综 合续航时间达到 11 小时 1 分钟,即使续航最优秀的旗舰机也需要一天一充,充电和续航问题仍 然是手机用户痛点。

电子元器件:无线充电行业研究

苹果发布刘海屏的 iPhone X 后,手机全面屏时代开启,屏幕尺寸不断增大,屏幕像素密度 和亮度的提升也进一步加大耗电量,未来随着 5G 网速提升,AI 技术和 AR 应用电池制约手机发 展的问题会更加突出。

电池占据手机内部绝大部分空间,全面屏和轻薄化趋势下手机厂商都在寻求续航的解决方案,手机厂商在双电芯、有线快充和无线充电提供了较多方案。

电子元器件:无线充电行业研究

电子元器件:无线充电行业研究

采用双电芯的有苹果和金立等厂商,苹果在iPhone X 采用双电芯设计,两块电芯 L 型排布 巧妙利用机内非矩形空间,但是电池容量增加有限,对手机续航能力提升不明显;更多的厂商引 入快充技术,如 OPPO 的 VOOC 闪充、一加 DASH 和华为 Super charge 等,快充能大幅提升充 电速度,缺点在于低压高电流快充需定制化生产电源适配器、接头、线材和电池等,存在兼容性 问题不易推广,而高压低电流方案容易发热,存在安全隐患,易影响电池寿命。

双电芯和快充方案本质上而言,还是电池技术无法实现突破的折中之举,而无线充电使充电 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;无线充电无需开孔,充电接口的消失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。

三星在 S7/S7 edge 将手机的防水性能提升到 IP68,苹果从iPhone7开始防水级别上升至 IP67,无孔化机身能最大化防水防尘效果,无线充电则可以解决无孔化手机充电和数据传输问题。

魅族、vivo 等厂商推出了新锐的无无孔化概念产品。2019 年 1 月 23 日魅族发布 zero 真无 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,实体 按键等需要开孔的部分,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;1 月 24 日 vivo 发布无孔式设计的新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。 这两款手机体 现了厂商在无孔化方面的追求,有望在未来成为趋势。

(二)主流厂商渗透率推进,无线充电成为旗舰机型标配

从终端产品上看,苹果 2017 秋季新品发布会上推出了三款新机 iPhone8/8 Plus、iPhone X 均搭载无线充电吸引了市场的关注度,之后国内安卓厂商也迅速跟进。进入 2018 年以来,各大 终端厂商搭载无线充电功能的手机陆续发布,三星、华为、小米、索尼、LG、诺基亚等手机大 厂纷纷在其最新发布的旗舰机上搭载了无线充电技术。

不过从无线充电功能在手机上的应用和推动看,安卓阵营的推进速度要远早于苹果,其中三星更是其中坚定不移的推动者,在技术研发层面的投入早,是最早普及支持无线充电的智能手机 厂商之一,并且持续推进应用和技术的迭代。从 2012 年发布的 Galaxy Note 2 上就已经开始在手机上做无线充电布局(用户购买无线配件替换后壳即可享有无线充电功能),从 Galaxy S6 开始,每一代 S 和 NOTE 系列旗舰都标配了无线充电。

三星无线充电接收和发射端是采用 IDT 的芯片和方案,无线充电器从最初三星 Galaxy S6 的 5W 无线充电升级到三星Note5 9W 无线快充,三星 S7 支持的无线充电器升级为双线圈 9W 无线快充,再到三星 Galaxy S8 无线充电器升级到三线圈设计,可以实现 10W 无线快充。三星Galaxy S9 则走在了无线充电的前列,支持的最大无线充电功率提高到了 15W,远超上代 S8。

尽管苹果在无线充电功能上的配置速度落后于三星,但是在产品功能上的野心对于行业发展 的影响也不可忽视。2017 年 2 月苹果加入支持Qi标准的 WPC 联盟,并于同年 10 月收购新西 兰无线充电公司Power by Proxi,该公司专注松耦合谐振充电技术,同样采用 Qi 标准,可以为 高能耗产品提供无线充电和数据传输方案。

Apple Watch 采用 Magnet 磁吸式无线充电,2017 年发布的iPhone 8/8 Plus、iPhone X 增 加了无线充电功能,不过 iPhone 8 和 iPhone X 尚未标配的无线充电器,苹果官方推荐使用Belkin和 Mophine 无线充电板,两者均支持 Qi 标准,而且针对iPhone 8 做了适配,功率可 达到 7.5W。同时苹果发布了 Air Power 充电枕,根据官网的介绍,只要将 iPhone、Apple Watch 和 Air Pods 随手放在充电枕上,便可为它们进行无线充电,目前尚未发售,市场普遍预期将在 近期上市。从苹果规划的未来看,不仅是手机、手表等移动终端产品,包括 iPad、Macbook、 Homepod 智能音箱等,甚至于包括在研发中的智能汽车,均有望成为无线充电终端应用场景下 的终端,纳入到苹果规划的物联网版图中。

再看国内安卓阵营的厂商中,华为在无线充电功能方面也是后发制人的态势,尽管从产品上 看 2018 年的机型开始配置无线充电功能,但是在 2018 年 10 月发布 Mate 20 系列手机无线充 电功能还是令人眼前一亮。不仅是无线充电快充模式领先市场,更创新的引入反向无线充电功能, 可以为其他任何支持Qi的智能手机进行充电,包括苹果、谷歌 Pixel 3,LG V40 和三星Galaxy Note 9 等。用户无需以任何其他方式配对这两个设备,只需将兼容无线充电的智能手机放在Mate 20 Pro 上,它就会开始充电。

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。

(三)应用场景拓展物联网无处不在,消费厂商入局

随着无线充电接收应用主要是智能手机、可穿戴设备、消费电子等应用落地,平板电脑、笔记本电脑等个人生活助理终端渗透预期,未来无线充电的应用场景可以推广到办公室、会议室、咖啡店、餐厅等公共场所和汽车、火车、飞机等交通工具中,提供无线充电发射端的场景也会更 加广泛,将更大地提供便利性。

从自身客户吸引力和终端厂商合作预期,消费市场的企业入局无线充电产业链有了明确的预 期。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;车载场景无线充电方便快捷,很多知名车厂 都开始给汽车配备手机充电。

(四)新能源汽车如火如荼,无线充电标准落地前夜

各国政府积极推进新能源车发展,提升用户在充电环节的服务体验与提升续航里程成为各车 厂努力方向,除了提升电池容量外,快速充电与无线充电亦为各车厂与Tier 1 重点研发项目。

2007年 MIT 研究团队设立 WiTricity,以磁共振技术为主轴与Toyota、Audi、Mitsubishi 与 Honda 等车厂展开合作;2012 年美国厂商 Evatran 通过 Plugless Power 计划,对 Nissan Leaf 与 GM Volt 车主进行实证测试,尔后包括 Daimler、BMW、GM 等车厂皆陆续投入无线充电方案 测试;2018 年 7 月 BMW 宣布将投入无线充电系统生产,并于德国率先导入于 BMW 530e iPerformance PHEV 车型。未来汽车仅需停放于充电底座正上方,按下启动按钮,无需电缆即 可开始充电,充电完成系统也将自动关闭,此系统率先提供车主安装于自家车库中,通过3.2kW功率在 3 个半小时内将电池充饱,使充电易用性与便利性有望大幅提升。

在无线充电方式上,消费电子无线充电系统主要采用中低功率的 WPC 的 Qi 标准,以磁感 应技术为主,汽车领域则多采用磁共振技术,仅有 Evatran、Bombardier 等少数厂商采用磁感应 方案。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。

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充电方案可达到85~90%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。

目前汽车无线充电仍停留在标准测试的阶段,其中 SAE 主导汽车无线充电发展,国际标准 组织 IEC 也针对地面端无线充电金和车辆端无线充电指定了标准,同时德国 STILLE 计划、日本 JSAE 等也陆续推出汽车无线充电标准,中国为全球最大新能源车市场,2015 年中国新能源汽 车 EV 无线充电标准委员会也已订定无线充电系统要求、通讯协议与电磁环境限值与测试方法等, 目前皆已进入最后审批阶段,包括吉利汽车、小鹏汽车、Nissan 与 BMW 等皆已于中国展开功 能交互操作测试。随国际标准组织皆已进入最后标准测试阶段,无线充电在汽车上的应用有望加 速落地。

三、市场成长的驱动因素:标准、产业链日趋成熟

无线充电市场规模尽管仍然较小,但是呈现出了快速增长的趋势,从市场需求方面看,消费 电子、移动终端的普及已经开始迅速渗透,未来新能源汽车市场的加入将会进一步打开行业市场 规模成长的空间。

根据 Allied Allied Market Research 的研究数据看,该机构对于无线充电市场的增长速度在 未来的 8 年中的 CAGR 将会达到38.7%,而其中消费电子和汽车则是占据了市场的主要份额。

关注消费电子领域市场,尽管存在统计口径上的差异,但是主要研究机构对于产品的出货量 和市场规模的快速成长预期基本是一致的。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%,手机是 2017 年无线充电相关产品高度成长的主 要原因,苹果导入无线充电技术,带动一波无线充电发展热潮。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。

在市场规模上,据 IHS 数据预测,而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,增长趋势十分强劲。之前的章节中我们讨论过市场对于无线充电的 应用渗透有着可靠的需求来源,而目前来看,制约无线充电应用的瓶颈也在逐步的消除,其中标 准技术路线的明确和产业链分工的成熟是核心的驱动因素。

(一)主流标准形成,技术路线逐渐成熟

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。

WPC成立于 2008 年,以紧耦合感应式无线充电为主要方式,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。2012 年 Power Matters Alliance (PMA)成立,WPC 和 PMA 都支持紧耦合感应式技术,互相争夺无线充电标准路线话语权;与此同时,支持松耦合谐 振式无线充电方案 A4WP 组织出现。2015 年以后,PMA 和 A4WP 合并成立Air Fuel Alliance, 业内两大主流标准形成:即 WirelessPower Consortium (WPC)和 Air-fuel alliance (AFA)。

WPC联盟最初主推的是磁感应无线充电技术,但到了 Qi 1.2 之后,也纳入了磁共振技术, 并支持一对多充电。WPC 方面介绍引入磁共振主要是因为:一是给低功率的产品提供更大的空 间自由度(主要是纵向距离),二是提供更大的功率。至此 WPC 的无线充电的用户体验大大提 升,提供了爆发的基础;但 Airfuel 在中高功率领域依然可以利用其传输距离远等优势取得竞争 优势。

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。

电磁感应技术在目前的无线充电产品中应用最为广泛,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。

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。

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。

(二)产业链格局日趋成熟,国内厂商元器件模组先行

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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