盤點射頻無線充電產業鏈與商機

作者 : 王瓊芳,ESMC

2021年1月29日,小米科技創始人兼董事長雷軍發佈一條「小米推出隔空充電技術」的微博,迅速引發業界熱議。同一天,摩托羅拉也展示了自家的隔空充電技術。「隔空充電」即射頻(RF)無線充電技術,它到底是何方神聖,又有哪些發展商機?

無線充電的發展歷程

無線充電是採用非物理接觸方式來實現電能傳輸的技術,最早可追溯到1890年,特斯拉(Tesla)是做無線充電實驗的第一人,不過當時並未成功商用。

直到2007年,美國麻省理工學院研究小組把「共振」運用到電磁波傳輸上,利用銅制線圈作為電磁共振器,成功為兩公尺外的60W燈泡實現供電,從此拉開了無線充電的序幕。

2009年,全球首款無線充電手機正式商用;2011年,脫離5V1A有線慢充的無線充電手機陸續出現。隨後每年都有新技術刷新無線充電體驗,截至目前,無線充電已在手機中普及。

最常見的三種無線充電技術為電磁感應、電磁共振和無線電波(射頻)。這三大技術分屬於「兩大標準」,即無線充電聯盟(WPC,成立於2008年)推出的Qi標準和AirFuel無線充電聯盟(由A4WP與PMA兩大聯盟於2015年合併)推出的AirFuel標準。與Qi標準對應的是電磁感應技術,與AirFuel標準對應的是電磁共振和射頻充電技術。以下分別來看:

首先是電磁感應技術,主要透過電磁線圈進行能量轉換和傳遞。該技術目前已十分普及,蘋果、三星、華為、小米、OV等旗艦機都採用此技術,50W無線快充已在人民幣4,000元等級的手機中出現。

電磁感應技術的優點是效率高(達80%),不足是充電距離短,手機需緊貼充電底座才能完成充電。

其次是電磁共振技術,原理是透過磁場共振實現電磁能量的交換,充電距離可達10公分以上,支援「一對多」充電,但相比電磁感應技術,其充電效率通常不足70%。

最後是目前炙手可熱的 「隔空充電」——射頻無線充電技術,是以空間電場作為能量傳輸媒介實現電能傳遞的技術。它將發射能量透過天線陣列聚攏起來定向發射,在接收端也有一個天線陣列將空間電磁波轉換為電路板上可用的電磁波。

射頻無線充電的優點是充電距離遠,充電方式靈活且可「一對多」充電,不足是充電功率只有5W,且轉換效率低。

電磁感應無線充電手機內建的是線圈,而「隔空充電」在實現能量傳輸之前需要在發射端和接收端之間進行空間定位,因此需要內建「信標天線」和「接收天線陣列」,定好位之後由發射基地台將射頻訊號定向發射到接收裝置上,接收裝置還需要驗證對應的充電協定,再將射頻訊號轉化為電能儲存到手機上。

以小米11的隔空充電技術為例,在發射端,小米隔空充電樁內建5個相位干涉天線,以對手機進行毫秒級空間定位,能量的傳輸則通過144個天線構成的相位控制陣列,透過波束成形技術將毫米波定向發射給手機。

在接收(手機)端,小米小型化天線陣列,內建信標天線(定位)和14根天線組成的接收天線整列(接收毫米波訊號),透過整流電路轉化為電能。目前小米隔空充電技術已實現了數公尺半徑內功率為5W的遠距離傳輸,支援一對多同時充電(皆為5W),且可以繞開障礙物充電。值得一提的是,可繞開障礙物充電,是小米與同時間發佈「隔空充電」技術的摩托羅拉(Motorola)最大的區別。

射頻無線充電的技術優勢

和同目前最受追捧的電磁感應無線充電技術相比,射頻無線充電優勢何在?

首先,充電方便快捷。無線射頻充電也包括發射器和接收器,發射器用來發射射頻能量,接收器則內嵌於充電裝置內部。目前普遍商用的電磁感應充電,必須由線圈組來產生感應電場,而射頻無線充電只需要天線就能實現電量接收。

其次,採用射頻技術可以給非常小的設備充電(如助聽器),這是電磁感應技術難以實現的,因為實現電磁感應充電的線圈對於助聽器這類產品來說體積就嚴重超標,而無線射頻充電技術的接收/發射器尺寸都可以做到很小,且支援「一對多」充電。

最後,與電磁感應技術相比,採用射頻技術充電的自由空間更大,用電磁感應技術為手機充電,需要在充電器上緊貼放置手機;而採用最新的射頻技術充電,手機、穿戴式裝置可任意擺放在充電區域內充電。

業界人士都知道,射頻無線充電技術的介質很多,如毫米波、公分波、紅外線、Wi-Fi、藍牙等,射頻技術也被稱為下一代無線充電的核心技術。

據《國際電子商情》(ESMC)瞭解,目前使用紅外技術實現無線充電的代表企業是Wi-Charge,代表產品是OPPO的FreeVOOC。Wi-Charge因出現時間較早,充電功率有限且紅外線不能克服物體遮擋的缺陷,至今沒有實現普及商用。除此之外,可用於實現射頻無線充電的是公分波和毫米波。

使用公分波進行無線充電的代表企業是Ossia,而使用毫米波實現無線充電的代表企業是GuRu Wireless和小米。GuRu Wireless的發射端使用了無線電頻率透鏡(RF Lensing)技術,它能將無線電集中成一束,透過空氣發送到安裝了RU的裝置(接收端),就好比隨處可見的太陽能電板設備。GuRu不足之處在於,使用範圍較小且接收端需要加裝RU,如此便導致接收端體積很大。相比之下,小米利用5個相位天線確定手機空間位置,再配合144個毫米波天線傳輸能量的方式,雖然發射端體積更大,但幾乎規避了遮擋問題和接收端體積過大的問題,完美體現了「大發射端、小接收端」方案的優勢,該趨勢很有可能成為未來射頻無線充電最受歡迎的模式。

射頻無線充電產業鏈梳理

從目前無線充電應用來看,智慧型手機具有絕對的引領普及商用的作用,以蘋果、三星、小米、OPPO、vivo、華為、榮耀等為代表的公司都在不遺餘力地推動無線充電技術革新。

在有線快充方面,上述幾家中國手機廠商表現都不錯,目前小米、vivo已經量產了120W快充方案,OPPO的65W快充成為了中高階機型標配,華為和榮耀也將66W快充帶到了旗艦產品上。相信在這些手機廠商的帶領下,無線充電甚至無線快充能快速普及到諸多領域。

縱觀以電磁感應、電磁共振為代表的無線充電模組產業鏈,從上游到下游,依次為:

  • 上游:方案設計、電源晶片、磁性材料、線圈廠商。代表企業有IDT、TDK、信維通信、順絡電子、立訊精密等。
  • 中游:模組製造廠商,包括立訊精密、信維通信、合力泰、碩貝德等。其中,合力泰主要做發射端,其餘幾家公司接收/發射端均有涉及。
  • 下游:無線充電器品牌廠商,包括小米、華為、Belkin、mophie等。

從成本結構來看,方案設計佔產業鏈的成本最高,達到30%,其次是電源晶片(28%)、磁性材料(21%)、線圈(14%)、模組製造(7%_。其中,方案設計的優劣會直接影響充電效率,目前主要被蘋果、IDT、TI等國際大廠壟斷,中國廠商代表是易沖無線。

電源晶片直接決定了充電方案和充電功率,對接收端的要求更高,對整合度、功率、充電效率均有較高要求,目前主要被IDT、TI、高通等國外廠商壟斷,且均以接收端為主。

中國廠商勁芯微、易沖無線等均有佈局電源晶片,不過以發射端為主。相對而言,磁性材料、線圈、模組製造的技術門檻較低,中國公司參與較多,磁性材料的產能主要集中在日本和中國,代表公司為日立金屬、橫店東磁、天通股份、安泰科技、信維通信、合力泰等。

充電線圈和模組主要考量精密加工水準和上下游的協作能力,國外代表公司有TDK、村田等,中國公司有立訊精密、信維通信、碩貝德、順絡等。整體而言,中國廠商寄望在磁性材料、線圈、天線、模組領域大展拳腳,透過多配套佈局綁定客戶以實現成本優勢。

那麼,射頻無線充電的產業鏈情況如何?目前射頻無線充電技術仍停留在概念階段,產業鏈還很不成熟,其中晶片和方案多掌握在美國廠商手中,如Ossia、Energous、GuRu等都是知名的射頻無線充電晶片公司。

Ossia成立於2008年,在2017年推出了Cota基站無線充電系統,採用公分波技術,工作頻率為2.4GHz,充電功率1W左右,產品形態呈桶狀,充電距離為3公尺。Cota可以為9公尺範圍內32台裝置同時充電,充電時需要跟手機實現配對和確認位置,建立傳輸路徑,然後再進行能量傳輸。

Energous成立於2010年,其Wattup無線充電技術可在大約4.6公尺的範圍內給為台裝置進行隔空充電。根據Energous對外的演示,其無線充電技術應用領域包括智慧型手機、平板電腦、藍牙耳機、智慧手錶、安全攝影機、電子牙刷、助聽器、無人機等多個裝置。

2019年8月,採用WattUp無線充電技術的助聽器就已上市,2017年Energous和蘋果晶片供應商Dialog達成合作,共同開發超遠距離無線充電技術,2019年他們還與vivo達成合作,計畫就無線充電技術展開合作。

GuRu的無線電頻率透鏡技術原理是將無線電(毫米波)集中成一束,透過空氣發送到安裝了接收單元的手機設備中。GuRu推出的酷似「檯燈」的隔空充電設備,將手機放在燈下就可實現充電。不過,GuRu的無線充電檯燈無法穿越障礙物為裝置充電。

儘管目前射頻無線充電才剛起步,產業鏈尚不成熟,但是很多環節可跟電磁感應無線充電產業鏈完美重合,比如信維通信、立訊精密、合力泰、碩貝德等射頻天線、模組廠商等都將大大受益。

從工作原理看,射頻無線充電主要依靠天線陣列進行毫米波訊號發射/接收,以及對充電裝置進行定位以實現充電,而且5G時代天線的用量會數倍增。如果射頻無線充電普及,這些傳統天線廠商將有非常大的成長空間。

射頻無線充電的前景與挑戰

無線充電市場有著巨大的成長空間。根據智研諮詢資料,2019年無線充電市場規模已達到86億美元,2024年市場規模可望達到150億美元,年複合成長率達12%。從細分領域市佔率看,消費電子及汽車佔比較高,分別達到36%、29%,工業、航空軍工(如無人機無線充電)、醫療(植入式醫療器械)分別佔17%、10%、8%。

 

(來源:智研諮詢&長江證券研究所,國際電子商情製表)

 

另根據Strategy Analytics資料,2019年全球無線充電在手機中的滲透率為20%左右,2016~2019年滲透率年複合增速達到58.74%。以2019年全球手機出貨量為15億支計算,2019年無線充電手機的出貨量為3億支,另有資料研究機構預測這一數字將在2024年達到14億支。

若分別從發射端和接收端出貨量統計,根據Strategy Analytics的估算,2019年全球通過Qi認證的無線充電發射端設備共1.27億台,同比成長57%;接收端的出貨量為3.38億台,同比成長18.6%。

 

(來源:智研諮詢&長江證券研究所,國際電子商情製表)

 

由圖2可見,無線充電市場前景可觀。不過值得注意的是,射頻無線充電目前仍處於概念階段,還不具備規模實用價值。

眾所周知,射頻無線充電真正的難點在於充電功率和轉換效率低,電磁感應技術的充電功率高達80W,轉換率達到80%,電磁共振轉換率也可達到70%,而射頻無線充電的功率只有5W,轉換率預計在38%左右。

因充電功率和轉換率的限制,短期內射頻無線充電的應用仍將局限於手機、平板、可穿戴等小功率裝置,對大功率設備供電還有一段的路要走。

不過,《國際電子商情》認為該瓶頸有很大的突破空間。回顧電磁感應無線充電功率的進化史可發現,2007年其手機無線充電功率僅為7.5W,三年後則快速升至80W。目前華為、OPPO、小米量產的無線充電功率普遍能做到40W~50W。相信隨著技術的進步,射頻無線充電的功率和轉換率都將得到提升。

除此,發射端設備體積大、製程複雜、射頻材料昂貴、需要對充電設備即時定位、輻射等問題,都是射頻無線充電的短處。如何兼顧發射功率/頻率同時將成本降到合理的範圍,是目前產業鏈企業需要緊迫攻克的難題。

此外,欠缺法律規範也是射頻無線充電的缺點,全球射頻無線充電領航企業Ossia和Energous並未能在美國本土獲得FCC頻段使用技術認證就是最好的例證。長遠來看,「隔空充電」技術要廣泛普及商用,還需要突破技術、安全、法規、成本等一系列瓶頸,初步預計仍須5~6年時間。

本文原刊登於ESMC網站

 

 

 

 

 

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論