主流方案:电磁感应

绝大多数的手机、耳机无线充电,用的是"电磁感应" ——也就是变压器的原理。

过程:

  1. 充电座里的发射线圈通以高频交流电(通常 100–200 kHz 量级),产生交变磁场;
  2. 手机背面的接收线圈处于这个磁场中,产生感应电动势(法拉第电磁感应定律);
  3. 手机内的电路把感应到的交流电整流、稳压,给电池充电。

本质:一个"松耦合的变压器"——初级和次级之间没有铁芯,而是隔着空气和手机外壳。

为什么效率不如有线

变压器里,铁芯把磁通量高效地从初级导向次级。

而无线充电是松耦合:

  • 两个线圈之间有几毫米的空气和外壳;
  • 磁通量大量"泄漏",没有被接收线圈捕获;
  • 耦合系数通常只有 0.3–0.7。

此外还有损耗:

  • 线圈的电阻损耗(电流较大,高频下还有趋肤效应);
  • 整流和稳压电路的损耗;
  • 涡流损耗和磁芯损耗;
  • 如果发射和接收线圈没对准,效率会进一步下降。

实际结果:无线充电的整体效率通常比有线低 10–25 个百分点——损失的能量变成热。

这就是为什么无线充电时手机会明显发热。

对准问题

感应式方案中,线圈必须大致对齐。

解决方式:

一、磁吸对准

MagSafe / Qi2 用一圈磁铁,把手机精确吸附在最佳位置——这大幅改善了效率和体验。

二、多线圈阵列

一些充电座内置多个线圈,检测设备位置后激活对应的线圈。

三、自由定位技术

部分方案通过移动线圈或波束成形来跟踪设备位置。

Qi 标准

Qi(发音"气")是由无线充电联盟(WPC)制定的主流标准,被绝大多数手机厂商采用。

发展:

  • 早期基础功率(BPP)为 5W;
  • 扩展功率(EPP)提高到 15W 左右;
  • Qi2(2023 年发布)引入了磁功率分布(Magnetic Power Profile),基于苹果 MagSafe 的技术,功率可达 15W,并要求磁吸对准。

与标准的兼容性:不同厂商的私有快充协议(如某些手机的 50W 无线充电)通常需要配套的充电器和手机——跨品牌时往往只能以标准的低功率工作。

其它技术路线

一、磁共振(Resonant Coupling)

发射和接收线圈调谐到相同频率,通过共振提高能量传输效率。

优势:

  • 传输距离更远(可达数十厘米);
  • 对位置不那么敏感;
  • 可以一对多充电。

劣势:效率通常低于紧密耦合的感应式,功率密度较低。

应用:部分电动牙刷(较早采用)、一些家具内置充电、以及一些工业/机器人应用。

二、无线电波/射频(RF)充电

接收天线捕获环境中的射频能量并转换为直流电。

特点:功率极低(毫瓦级),距离远。

应用:RFID、无源传感器、物联网设备的能量收集(energy harvesting)。

不适合给手机充电——功率太小。

三、激光/红外充电

用激光束传输能量,接收端用光伏电池转换。

特点:距离远(数米),但需要视线无遮挡,且功率受安全限制。

应用:特定场景(如给无人机、传感器、遥控设备供电)。

四、超声波

通过超声波传输能量——研究阶段,功率和效率有限。

电动汽车的无线充电

原理:仍是电磁感应,但功率大幅提升(3.7 kW 到 11 kW 甚至更高)。

形式:地面安装发射板,车底安装接收板。

优势:

  • 无需插拔,停车即充;
  • 无外露接口,防水防尘好;
  • 有可能实现动态充电(在铺设了发射线圈的道路上边行驶边充电——这是更远期的设想,成本极高)。

挑战:

  • 效率略低于有线快充;
  • 对准要求(车辆停放位置需要大致对齐);
  • 成本(地面设备的安装);
  • 安全性(强大的交变磁场,需要检测异物——如金属物件、小动物——并停止供电);
  • 标准尚未统一。

一些实用提醒

一、发热对电池不好

无线充电产生的热量会加速电池老化。

建议:如果不是必须使用无线充电,或者需要快速充电时,用有线更好。避免在无线充电时同时高负载使用手机(如玩大型游戏、导航)。

二、厚壳和金属会阻碍

  • 厚保护壳会降低效率(尤其是带金属支架、磁吸环不当的壳);
  • 金属会屏蔽磁场,也会被涡流加热——不要在充电板和手机之间放金属物品(如硬币、钥匙、银行卡)。
  • 磁条卡(如门禁卡、银行卡)靠近无线充电器可能被消磁——虽然现在的卡片多采用芯片,但仍有风险。

三、不是"不用插线就无损"

无线充电的能量损耗最终由发电厂承担——它不是"免费"的,也不够"绿" ——尽管单个设备影响很小。

说明:本文为充电技术的知识整理。