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:
- 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;
- 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);
- 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。