手机快充及无线充电行业研究与投资机会分析

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手机快充及无线充电行业研究与投资机会分析
1、电池技术瓶颈与手机功耗提升的矛盾
1.1.手机电池技术发展停滞不前
回顾手机电池的发展史,1973年,摩托罗拉生产了全球第一部手机
DynaTAC8000X,手机重达1.81斤,其中电池是最大的组成部分,由六节圆柱体
镍铬电池组成,体积和重量占到了整个手机的一半,但是提供的通话时长仅为半
小时,所需的充电时间则需要十个小时。
镍镉电池有容量低、寿命短等缺点,此外还具有严重的记忆效应,电池需要
使用至完全没电才能进行充电,直到充满电才能继续使用,不然就会使得电池容
量快速下降,由于种种缺点,也限制了手机的发展,急需新的电池技术。
1983年,手机电池实现了首次的更新换代,镍氢电池出现,相对于镍铬电
池在电池容量上有明显的提升,电池密度的增大,也使得电池体积可以大幅度减
小,这一改变也使得手机更具便携性,摩托罗拉在1996年推出了搭载镍氢电池
的StarTAC手机具备更加便携的外形。
在90年代初期,索尼研发的锂电池正式投入商用,但是由于初期锂电池价
格高昂,且技术还较为不成熟,相比镍氢电池的优势不明显,因此没有得到大范
围的普及,但是到了90年代末期,随着材料技术以及制造技术的进步,锂电池
在容量提升的同时成本也持续下降,逐渐得到了市场的青睐,便携式设备也进入
了锂电池时代。
如今,距离锂电池发明已经有近五十年,但是锂电池的技术在近些年来已经
达到了一个瓶颈期,能量密度已经接近其物理极限。
1.2.手机性能提升随之带来功耗增长
随着智能手机功能的增加,手机的耗电量也持续上升,这对电池的续航能力
造成了比较大的压力。其中手机耗电主要部件为CPU/GPU、屏幕、蜂窝/WIFI/数
据、sensor/BT/GPS等几个部分。
智能手机屏幕作为内容输出以及人机交互的主要窗口,占据了整机功耗的最
大部分,主要耗电部分为背光灯、触控传感器,特别是随着屏幕像素以及屏幕亮
度的提升,其耗电量也是逐年增长。屏幕高分辨率带来的高耗能主要源于GPU
对成倍提升的像素点的计算量的增加。

例如当屏幕以2560X1440(577ppi)的分辨率运行时屏幕功耗为10.247W,
相比1280X720(144ppi)分辨率功耗高出87.3%。
此外随着手机的更新屏幕耗电量也逐代提升,比较iPhone6plus以及三星
S7在最大显示亮度下屏幕功耗分别达到了1.52W和1.45W,iPhone6相较于
iPhone5功耗高出44.59%,三星S7相较于上一代三星S6功耗高20.83%。

随着手机功能的丰富,对于手机CPU的性能要求也逐渐提升,虽然手机芯片
跟随着摩尔定律的发展,从最初的单核1GHz的主频,发展至后来的双核、四核、
六核甚至十核,不少CPU厂商通过简单粗暴的增加核心数来提升手机性能,但是
随之而来也带来了CPU功耗的提升。
从苹果A系列芯片来看,新款A12芯片平均大核功耗为3.96w高于A10芯片
平均功耗3.68w;华为麒麟980平均大核功耗为1.85w高于麒麟810的平均功耗
1.12w;高通骁龙855芯片平均功耗为1.95w高于骁龙835以及845的1.40w和
1.70w。由此可以看到,随着CPU的更新换代,也将带来CPU功耗的提升。
手机通信制式的提升也会带来相应的功耗增长,以最新的5G手机为例,5G
手机相对于3G、4G手机内部采用了MassiveMIMO(大规模多入多出)天线技术,
需要在手机内置至少8根天线,每根天线都需要配备功率放大器,这就会产生比
较大的功耗,此外,在5G发展初期,整体网络覆盖率较低的情况下,如果使用
5G网络,会出现手机频繁搜索信号的情况,搜索信号本身就会加速电量的消耗。
根据小米集团中国区总裁卢伟冰的表述,如果5G旗舰手机5G网络全开,功
耗将会高于4G手机约20%
除了通讯功能外,可以连接手机的可穿戴设备数量增多,需要手机保持蓝牙
的开启状态,也需要消耗电量;还有导航以及健身等应用软件需要频繁调用GPS
支持,这部分来自于GPS芯片的计算工作和加速剂陀螺仪等的支持工作功耗大概
在50mW左右。
2.快充成为解决电量焦虑的方法之一
2.1.快充技术通过增大电流或电压实现
随着使用手机的时长不断增长,在保持手机轻薄的前提下,如何最大化增强
手机的续航成为各家厂商思考的问题。其中一种方式就是加快手机的充电速度。
快充的实现方法是通过调整手机充电时的电压和电流值,从而缩短手机的充
电时间,目前主流的快充方法分为三种:提高充电电压、增长充电电流、或者是
在提高电压的同时增大电流。
形象的来表示快充技术,可以通过下图中,将水压代表电压,水流代表电流,
水库来表示为电池,提高电压类比为提高水位差来增加水流速度,让水可以更快
的从大水库流进小水库,增大电流则等效于增大水库间的水管宽度,通过的水变
多加速小水库注满,使用以上任意一个或者两种方式结合都可以达到快充的效果。
2.2.充电器产业链
有线充电器即为市面上需要电源线连接设备的充电器,用来对智能终端来进
行充电,主要技术原理是利用电力电子器件将交流电转换为可以对锂电池进行充
电的直流电。有线充电器广泛应用于消费电子中智能手机、平板电脑以及笔记本
等常见的智能终端设备,充电功率通常为2.5W-100W之间。有线充电器主要可以
分为普通充电器以及快速充电器,普通充电器的价格相对比较便宜,但是充电速
度较慢,现在消费者越来越接受具备更快充电速度的快速充电器。
有线充电器主要由塑料壳体、金属插脚、USB接口、PCB板、控制芯片、变
压器、MOS管、被动元件(电容、电阻、电感等)、辅材(如绝缘胶)等零部件
或材料组成。
根据市场调研机构BCCResearch于2018年8月发布的报告数据显示,2017
年全球有线充电器市场规模为85.49亿美元,其中,普通充电器市场规模68.22
亿美元,占比为79.80%;快速充电器市场规模为17.27亿美元,占比为20.20%。

目前市场上各大厂商都推出了各自的快充技术,较为主流的包括高通QC协
议,联发科PE协议,OPPO、VIVO的闪充,华为的快充技术等。
2.3.高通QuickCharge技术
高通作为目前智能手机SoC领域市占率最高的品牌,高通很早就开始发展开
售充电技术QuickCharge(QC),大部分使用高通骁龙处理的手机都使用QC快充,
三星旗下的Exynos处理器也支持QC快充规格。
高通最早是采用低电压高电流模式,通过将电流大小提升至2A来增强充电
功率。但是受限于当时使用的MicroUSB接口,2A已经达到了承受的电流上限,
随后高通转向发展高电压恒定电流模式,通过增强电压来提升充电功率。直到
TypeC接口技术逐渐普及发展成熟,可以承受的电流上限提高,高电压高电流模
式逐渐开始发展。
目前高通的快充技术已经发展至QC4+版本,通过双通道充电、智能散热以
及升级的安全设计等技术实现最快15分钟充电50%的效果,其中双通道充电技
术是指通过两个电源管理芯片将电流分成两部分,并且让电流从比较低温的通道
来进行充电,这样一来在降低电池发热的同时还可以提升充电速度,QC4+版本也
兼容之前发布的QC4.0、QC3.0以及QC2.0快充技术,并且还可以应用在移动电
源、汽车等接口。
2.4.USBPD
USBPD(USBPowerDelivery)是由USB-IF组织制定的一种快速充电规范,
USB-PD协议的充电器主要以Type-C输出,可以实现更高的电压和电流,输送功
率最高可以达到100w,并且可以自由的改变电力的输送方向。
USB-PD的使用装置没有限定,相机、平板电脑、笔记本电脑以及显示器等
产品都能使用这种充电规格,充电中装置和充电器之间会自动判断使用多大的电
流充电,如果不符合PD规范的充电装置,则会提供5V/0.5A的充电速率。另外,
高通在QC4.0之后就兼容了USB-PD规格,支持QC4.0的快充设备也支持USB-PD
快充。

2.5.OPPOVOOC快充
OPPO在2014年推出了VOOC闪充,并在2018年推出了商用化的SuperVOOC
超级闪充技术,也是目前市场上最快的手机充电技术。OPPO成功也得益于其强
大的研发实力,OPPO自主研发的VOOC充电协议已经在全球范围内申请了超过
1000项的核心专利。
目前OPPOVOOC闪充平台已经形成了VOOC闪充、SuperVOOC以及无线VOOC
闪充完整的三条路径。
VOOC4.0:采用新一代3C电芯和30W高功率版适配器,降低整个充电系统内
阻的同时升级了适配器内部的功率器件,30分钟能够将4000mAh容量电池充至
67%,73分钟充至100%。
SuperVOOC2.0峰值功率可以达到65W,可以在半小时内将400mAh的电池充
满,VOOC3.0则需要90min左右,传统5V2A的充电头则需要120min以上。
2.6.华为SuperCharge
SuperCharge是华为的私有的快充协议,被广泛应用于华为以及荣耀的主流
机型上,目前最高支持55W的有线充电,充电规格最高为20V/2.75A,55W充电
规格被首先应用于matex系列手机,在其余旗舰机型中搭载了40W有线充电。
使用华为40W快充对Mate20Pro进行充电,半小时可以充71%的电量,18w
充电器只能充36%,10w充电器仅能充23%。