谐振无线充电如何实现能量高效传递？-晟辉智能制造

核心思想：从“声波共鸣”到“磁场共鸣”

要理解谐振无线充电,最好的类比是声音的共鸣。

（图片来源网络，侵删）

想象一下：

这是为什么呢？因为音叉A产生的声波（空气振动）频率，与音叉B的固有频率（或称“谐振频率”）完全相同，能量通过空气这个媒介，从A高效地传递到了B。

谐振无线充电的原理与此非常相似,只是传递能量的媒介从声波和空气换成了磁场。

谐振无线充电系统主要由两部分组成,每一部分都是一个LC谐振电路（由电感L和电容C组成）。

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发射端（Tx - Transmitter）：
- 电感：通常是一个扁平的线圈，绕在铁氧体磁芯上，这个线圈是产生磁场的核心。
- 电容：与电感并联或串联，用于与电感一起构成谐振电路。
- 功能：接收来自电源的交流电，通过LC电路产生一个高频的交变磁场。
接收端（Rx - Receiver）：
- 电感：也是一个线圈，通常集成在手机、手表等设备的充电底座或保护套里。
- 电容：同样与电感配合，构成另一个LC谐振电路。
- 功能：在发射端产生的磁场中“感应”出电流，并通过后续电路（如整流、稳压）为设备电池充电。

整个过程可以分解为四个关键步骤：

这是谐振充电与非谐振充电（如早期的Qi标准低功率模式）最核心的区别。

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频率匹配：发射端和接收端的LC电路都被精确设计，使其具有完全相同或非常接近的谐振频率。
能量共振放大：当发射磁场的频率与接收线圈的谐振频率一致时，会发生“谐振”现象，这会导致接收端线圈两端的电压和感应电流被急剧放大。
类比：这就像音叉B在音叉A的“声波激励”下，振动幅度变得非常大，从而高效地吸收了能量，如果频率不匹配，接收端就像一个“失聪”的音叉，只能微弱地振动，能量传递效率会非常低。

传输距离更远，对位容错率更高

因为能量是通过“磁场共鸣”传递的，而不是简单的电磁感应，所以即使发射端和接收端线圈没有完全对齐（比如有一定角度或距离），只要磁场还能覆盖到接收端，能量就能比较高效地传递，这就像即使音叉B没有正对着A，只要在声波覆盖范围内，它也能共鸣。
传输功率更大，效率更高

谐振效应使得能量可以更集中地在发射和接收端之间传递,减少了能量向四周空间的发散损耗，可以实现比基础感应式充电更高的功率（如几十瓦）和更高的传输效率（通常在85%以上）。
可同时为多个设备充电

一个发射端可以产生一个范围较大的谐振磁场,在这个范围内的多个具有相同谐振频率的接收端设备（如手机、耳机、手表）都可以同时进行谐振充电，互不干扰（只要频率设计得当）。

成本更高

需要更复杂的电路来精确控制频率,确保发射和接收端的谐振频率始终保持一致，线圈和电容的成本也相对更高。
电磁辐射问题

高频交变磁场会产生更强的电磁辐射,虽然相关标准（如Qi）对电磁辐射有严格的限制，但人们仍对长期暴露在这种环境下的健康影响有所顾虑，设备本身也需要做好电磁屏蔽。
发热问题

能量传递过程中不可避免地会有损耗,这些损耗主要转化为热量，尤其是在大功率充电时，发射端和接收端都会发热，需要良好的散热设计。
体积和重量

为了产生足够强的磁场,谐振线圈的匝数和磁芯可能需要做得更大更重，这会影响设备的便携性。

目前广泛应用的无线充电标准 Qi，就巧妙地结合了两种技术：

低功率模式（<15W）：通常采用基础的电磁感应原理，对线圈位置要求严格，就像两个变压器初级和次级线圈必须紧贴。
中高功率模式（>15W，如苹果的MagSafe、三星的Fast Wireless Charging）：则采用了谐振原理，这使得充电可以更自由，效率也更高，并且可以加入磁吸环来辅助对位。

谐振无线充电技术通过让发射和接收端的磁场频率“同频共振”，极大地提升了无线充电的自由度、效率和功率，是实现真正便捷、快速无线充电的关键技术。