運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)能充電寶設(shè)計(jì)

袁泉 周蕓悅 林耿杰 王坤檳 陳煜明

摘?要：電子業(yè)高速發(fā)展，如智能手機(jī)、耳機(jī)、平板電腦等設(shè)備的內(nèi)部電池續(xù)航時(shí)間短的問題日益凸顯。作為供給電的電源是必不可少的一部分，移動(dòng)充電寶有著便攜、小巧等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，有著舉足輕重的地位。隨著電子產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模逐年增大，移動(dòng)電源電池產(chǎn)品更是層出不窮，但其類型單一。充電寶創(chuàng)新市場(chǎng)還未飽和。文章設(shè)計(jì)了一種類似于燃料電池工作原理的節(jié)能、易攜帶的創(chuàng)新型運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)能充電寶，通過運(yùn)動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存于充電寶中。采用可彎曲裝置的電化學(xué)技術(shù)（類似燃料電池），內(nèi)部鋰合金裝置產(chǎn)生輕微彎曲，從而鋰離子將會(huì)穿過聚合物并產(chǎn)生可用于電力設(shè)備的電壓和電流，達(dá)到運(yùn)動(dòng)充電的目的，從而利用運(yùn)動(dòng)充電寶為其他電子設(shè)備進(jìn)行隨時(shí)隨地充電。

關(guān)鍵詞：充電寶;鋰合金;運(yùn)動(dòng);鋰電池

Design?of?Sports?Energy?Storage?Power?Bank

Yuan?Quan?Zhou?Yunyue?Lin?Gengjie?Wang?Kunbing?Chen?Yuming

Guangzhou?Railway?Polytechnic?GuangdongGuangzhou?510430

Abstract：With?the?rapid?development?of?the?electronic?industry，the?problem?of?short?battery?life?of?devices?such?as?smart?phones，headphones?and?tablet?computers?has?become?increasingly?prominent.As?an?essential?part?of?the?power?supply，the?mobile?charger?is?portable?and?compact，which?is?widely used?and?plays?a?pivotal?role.With?the?increasing?market?scale?of?electronic?products?year?by?year，mobile?power?battery?products?are?emerging?in?an?endless?stream，but?their?types?are?single.The?market?for?charging?bank?innovation?is?not?saturated?yet.In?this?paper，an?innovative?energy?saving?and?portable?motion?energy?storage?charger?is?designed，which?is?similar?to?the?working?principle?of?fuel?cell.The?mechanical?energy?is?converted?into?electric?energy?through?movement?and?stored?in?the?charger.Using?the?electrochemical?technology?of?a?flexible?device（similar?to?a?fuel?cell），the?internal?lithium?alloy?device?is?slightly?bent，so?that?lithium?ions?will?pass?through?the?polymer?and?generate?voltage?and?current?that?can?be?used?for?electrical?equipment?to?achieve?the?purpose?of?motion?charging，so?that?other?electronic?devices?can?be?charged?anytime?and?anywhere?using?the?motion?charger.

Keywords：Charger;Lithium?alloy;Movement;The?lithium?battery

隨著智能移動(dòng)設(shè)備的普及，人們生活在一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能移動(dòng)設(shè)備已變成必不可少的工具。微型儲(chǔ)能設(shè)備的選擇可以是鋰離子電池和超級(jí)電容器。其中，可彎曲裝置的電化學(xué)技術(shù)結(jié)合了超長(zhǎng)的循環(huán)壽命、高功率密度、環(huán)保、安全、靈活和穩(wěn)定性，為儲(chǔ)能應(yīng)用提供了一個(gè)非常有前景的選擇[1]。對(duì)于每個(gè)智能移動(dòng)設(shè)備用戶來(lái)說，能夠隨時(shí)隨地為智能移動(dòng)設(shè)備充電，保證其續(xù)航能力是一件重要的事情。在需要延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間的情況下，充電寶成為解決這一問題的首選。由于充電寶通過固定電源來(lái)補(bǔ)充電量是需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，并且數(shù)碼產(chǎn)品的頻繁使用常常會(huì)使充電寶的電量供應(yīng)不足，如何快速為充電寶補(bǔ)充電源成為目前迫切需要解決的問題。因此設(shè)計(jì)出基于可彎曲裝置電化學(xué)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)能充電寶具有十分重要的意義。

充電寶行業(yè)在中國(guó)的復(fù)合增長(zhǎng)率在6.0%左右，雖然僅僅是移動(dòng)智能設(shè)備，但目前競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。目前國(guó)內(nèi)充電寶的生產(chǎn)廠家超過5000家，但設(shè)計(jì)生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)型充電寶的廠家寥寥無(wú)幾。相比于傳統(tǒng)的充電寶，其充電方式不僅耗時(shí)長(zhǎng)，而且只能在連通固定電源的環(huán)境下進(jìn)行，并且可提供的電容量相對(duì)有限[2]。運(yùn)動(dòng)型充電寶通過運(yùn)動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存于充電寶中，不僅突破傳統(tǒng)充電方式的局限性，而且綠色環(huán)保。

1?核心原理

高效的能量收集裝置將原本浪費(fèi)的能量轉(zhuǎn)化為電能，有助于分散發(fā)電并縮短輸電距離。在過去的十年中，人們致力于開發(fā)各種能量收集器，能夠收集各種形式的能量。僅在機(jī)械能量收集方面，就已經(jīng)展示了幾種類型的能量發(fā)生器，例如壓電式、電動(dòng)式或摩擦發(fā)電機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用[3]。

本設(shè)計(jì)主要利用電化學(xué)技術(shù)，通過兩類導(dǎo)體形成的接觸界面上發(fā)生的帶電粒子及電子的轉(zhuǎn)移，從而在線路中產(chǎn)生電流。我們選定一種將液態(tài)電解質(zhì)浸泡的多空聚合物夾在鋰合金之間作為電極的材料，當(dāng)這種鋰合金被施加壓力并出現(xiàn)彎曲或振動(dòng)反應(yīng)時(shí)，彎曲引起的不對(duì)稱應(yīng)力產(chǎn)生化學(xué)勢(shì)差，驅(qū)動(dòng)鋰離子從壓縮電極流向拉緊電極以產(chǎn)生電流。消除彎曲會(huì)反轉(zhuǎn)離子通量和電流。其內(nèi)部鋰離子將會(huì)穿過聚合物并能產(chǎn)生可用于電力設(shè)備的電流。圖1說明了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能可彎曲裝置的電化學(xué)技術(shù)工作原理。

在初始無(wú)應(yīng)力條件下，兩個(gè)電極是等電位的。彎曲設(shè)備會(huì)在一個(gè)電極中產(chǎn)生凈張力，而在另一個(gè)電極中產(chǎn)生壓縮。不對(duì)稱應(yīng)力產(chǎn)生化學(xué)勢(shì)差，驅(qū)動(dòng)Li+通過電解質(zhì)從壓縮電極遷移到拉伸電極。同時(shí)，為了保持電荷中性，電子在外電路中流動(dòng)，也從壓縮側(cè)到拉伸側(cè)，產(chǎn)生電能。Li+遷移一直持續(xù)到電位差消失，在具有不同Li+濃度的兩個(gè)電極上建立新的平衡狀態(tài)。當(dāng)去除外部應(yīng)力時(shí)，電極上的化學(xué)勢(shì)會(huì)發(fā)生變化。電極之間鋰濃度的差異驅(qū)動(dòng)Li+沿相反方向遷移，從而使器件放電。如果設(shè)備在黏彈性狀態(tài)下運(yùn)行而沒有任何不可逆轉(zhuǎn)的損壞，則該設(shè)備會(huì)恢復(fù)到其原始平衡狀態(tài)，并且可以多次進(jìn)行此循環(huán)。

在這一技術(shù)的支持下，我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種基于彎曲裝置的電化學(xué)技術(shù)工作原理的運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)能充電寶。本設(shè)計(jì)區(qū)別于傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的特性有：（1）在目前的柔性器件中，電極需要具有比表面積、導(dǎo)電性高和優(yōu)異的抗彎曲性。所以在電極材料選擇方面，需要選擇高精度、高韌性、發(fā)電效率高的材料來(lái)制作，它不僅要能夠感知微弱的力量，而且還要在高強(qiáng)度的拉伸工作下也不會(huì)發(fā)生損壞，能極大地提升充電寶的使用壽命。（2）這種材料既能在輕微的晃動(dòng)下產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，又能在高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)下持續(xù)發(fā)電工作。（3）與陶瓷壓電發(fā)電設(shè)備相比，該設(shè)備產(chǎn)生的能量輸出通常表現(xiàn)出更大的電流和更低的電壓。

2?電路設(shè)計(jì)

2.1?電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，電路中帶有顯屏模塊的支路構(gòu)成充電指示電路。當(dāng)鋰合金金屬板有振動(dòng)反應(yīng)時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的電能為鋰電池充電，或直接為其充電時(shí)，屏顯有充電顯示;當(dāng)電路為放電狀態(tài)時(shí)，開關(guān)S閉合，5V穩(wěn)壓模塊將電源提供的電壓轉(zhuǎn)化為5V電壓供設(shè)備充電。

2.2?電源充放電模塊

電源充放電模塊流程圖如圖3所示。（1）當(dāng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振幅足夠時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成的電能，可以達(dá)到啟動(dòng)充電的電壓，當(dāng)電池蓄滿電之后斷開充電回路;當(dāng)機(jī)械能產(chǎn)生的電能不足以達(dá)到充電電壓，電池電量不足時(shí)，充電回路斷開。（2）若充電回路不再是以鋰合金金屬板振動(dòng)為主要供電方式，而是以直充轉(zhuǎn)態(tài)通電，此時(shí)不管振幅充不充足，電路都屬于充電狀態(tài)。

3?設(shè)計(jì)思路

3.1?電源模塊

將兩塊鋰合金金屬切割成長(zhǎng)方體形狀，將兩片分割后的鋰合金金屬板串聯(lián)在電路中。當(dāng)輸出電流增加，與模塊5V的輸入連接時(shí)，切換到輸出電壓5V，固定電源1.4A（在正常振幅下），根據(jù)安裝智能設(shè)備的要求，它可以直接充電到電子設(shè)備中。

3.2?智能模塊

鋰合金金屬板通過將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電路中的電壓輸入穩(wěn)定在5V左右。在鋰電池電路中，使用PCF8591芯片收集電壓，通過顯示模塊顯示。TP5410芯片電路在電壓低于充電電壓時(shí)，能切斷充電電路，來(lái)防止電池?fù)p壞。給電子設(shè)備供電時(shí)，充電寶也會(huì)從充電電路中斷開，以保護(hù)電路，即圖2中顯示的過程。

3.3?電壓檢測(cè)電路模塊

在充放電端檢測(cè)到的電壓電流值數(shù)字化轉(zhuǎn)換之前，顯示器模塊無(wú)法顯示。單片機(jī)顯示等功能上的傳輸功能是由PCF8591芯片控制的。電路中的芯片的功能是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換數(shù)模時(shí)的檢測(cè)，并顯示電路中的電流和電壓的數(shù)值。一旦數(shù)字信號(hào)被轉(zhuǎn)換并輸入到單片機(jī)中，輸入信息就會(huì)被分析并輸出到顯示模塊中。主要用于鋰合金合金模塊的輸出電壓，電池模塊中的充電電壓和第三模塊充電時(shí)的放電電壓。

3.4?電池保護(hù)電路模塊

當(dāng)充電寶電池過度放電，會(huì)導(dǎo)致電壓過低，并且過度充電還會(huì)導(dǎo)致過電壓，影響電池的使用壽命，因此需要開發(fā)一個(gè)電池保護(hù)電路來(lái)防止電池過充電和過放電。這個(gè)芯片用DW01芯片設(shè)計(jì)，DW01芯片具有過度充電、過度放電、短路和過流保護(hù)功能。

4?充放電測(cè)試

（1）將鋰合金金屬板模塊放置在搖步器中進(jìn)行擺動(dòng)測(cè)驗(yàn)，用數(shù)據(jù)線將手機(jī)和鋰合金金屬板模塊連接在一起，觀察鋰合金金屬板模塊中液晶屏顯充電指示是否亮起和手機(jī)是否處于充電狀態(tài)，當(dāng)液晶屏顯充電指示亮起且手機(jī)處于充電狀態(tài)，則繼續(xù)進(jìn)行充電一段時(shí)間（30分鐘），觀察手機(jī)增加的電量，以此判斷鋰合金金屬板模塊工作是否正常。

（2）用搖擺頻率不同的搖步器繼續(xù)上述測(cè)驗(yàn)，若手機(jī)增加的電量不同，則說明鋰合金金屬板模塊產(chǎn)生的電量取決于振動(dòng)，幅度強(qiáng)則發(fā)電量越多。

（3）取下手機(jī)和數(shù)據(jù)線，將鋰合金金屬板模塊繼續(xù)放置搖步器中進(jìn)行試驗(yàn)，將其電量充滿，用數(shù)據(jù)線與可以顯示電量的充電寶連接，等到其電量完全耗盡觀察充電寶增加的電量是否達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。若達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，則說明蓄能正常。

結(jié)論

首先，本設(shè)計(jì)是充電寶的一項(xiàng)技術(shù)革新，通過運(yùn)動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能，使人們擺脫對(duì)原有充電方式的依賴性和局限性，解決了人們?cè)谕ｋ姇r(shí)或無(wú)電源環(huán)境下的困擾，以及在用電需求上的約束。其次，本研究通過機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)現(xiàn)充電的功能，一方面能為用電設(shè)備提供電量，滿足人們?cè)谕獬龌蛘邞敉獾刃枰秒姷男枨?，發(fā)揮了本項(xiàng)目的重要作用，另一方面能有效利用人們運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械能，起到能量的“回收利用”作用。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：“三螺旋”理論視閾下高職院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育深度融合的研究與實(shí)踐（2018GXJK370）

作者簡(jiǎn)介：袁泉（1979—?），男，湖南株洲人，本科，機(jī)車車輛學(xué)院動(dòng)車組車輛副教授，研究方向：車輛制動(dòng)、機(jī)車制動(dòng)、車輛空調(diào)。