可穿戴設(shè)備高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

摘 "要：基于法拉第電磁感應(yīng)定律和壓電效應(yīng)原理，該文設(shè)計一款自供電可穿戴設(shè)備。該設(shè)備包括設(shè)備主體和安裝于設(shè)備主體內(nèi)的供電裝置，供電裝置包括組合發(fā)電模塊、電路板、電池，組合發(fā)電模塊包含線圈、強磁體及若干組壓電陶瓷片，組合發(fā)電模塊通過強磁體來回穿過線圈產(chǎn)生電動勢和強磁體撞擊壓電陶瓷片產(chǎn)生電動勢實現(xiàn)發(fā)電，線圈和壓電陶瓷片均分別與電路板電連接，電路板、電池及設(shè)備主體依次電連接。該自供電可穿戴設(shè)備通過組合發(fā)電模塊能夠?qū)幽苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，不僅發(fā)電快而且穿戴便捷，重要的是，這種可穿戴設(shè)備可以通過自供電系統(tǒng)節(jié)約能源。

關(guān)鍵詞：可穿戴設(shè)備；自供電；法拉第電磁感應(yīng)定律；壓電效應(yīng)；節(jié)約能源

中圖分類號：TM619 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2024）20-0039-04

Abstract： Based on Faraday's law of electromagnetic induction and the principle of piezoelectric effect， a self-powered wearable device is designed in this paper， which includes a main body of the equipment and a power supply device installed in the main body of the equipment， which includes a combined power generation module， a circuit board and a battery. The combined power generation module consists of coils， strong magnets and several groups of piezoelectric ceramic pieces. The combined power generation module generates electricity through the electromotive force generated by the strong magnet passing back and forth through the coil and the strong magnet striking the piezoelectric ceramic piece. The coil and the piezoelectric ceramic piece are electrically connected with the circuit board respectively. The circuit board， the battery and the main body of the equipment are electrically connected in turn. The self-powered wearable device can convert kinetic energy into electric energy through a combined power generation module， which is not only fast to generate electricity but also easy to wear. Importantly， this wearable device can save energy through the self-powered supply system.

Keywords： wearable device; self-powered supply; Faraday's law of electromagnetic induction; piezoelectric effect; energy saving

2022年3月17日，IDC發(fā)布《中國可穿戴設(shè)備市場季度跟蹤報告，2021年第四季度》報告顯示，2021年第四季度中國可穿戴設(shè)備市場出貨量為3 753萬臺，同比增長23.9%，2021年中國可穿戴市場出貨量近1.4億臺，同比增長25.4%。預(yù)計2022年，中國可穿戴市場出貨量超過1.6億臺，同比增長18.5%[1]。2020—2022年中國可穿戴設(shè)備主要產(chǎn)品出貨量如圖1所示。

在當前智能化、大數(shù)據(jù)化的社會環(huán)境下，可穿戴設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，但其續(xù)航能力瓶頸一直是限制其發(fā)展的主要因素。本文以解決可穿戴設(shè)備續(xù)航問題為目標，開展高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，有著非常重要的研究意義。

首先，可穿戴設(shè)備高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計研究能夠顯著提高設(shè)備電源的使用效率，延長其續(xù)航時間。這可以顯著提高用戶體驗，降低用戶對設(shè)備電量的擔(dān)憂，可能使人們更愿意使用這些設(shè)備。

其次，可穿戴設(shè)備高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計研究的結(jié)果可以推動可穿戴設(shè)備向更小巧、更智能化的方向發(fā)展。因為如果設(shè)備能有效解決能源供應(yīng)問題，就可以更加專注于核心功能、體積小型化等方向的改進。

再次，可穿戴設(shè)備高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計研究可能為更廣泛的領(lǐng)域提供技術(shù)支持。例如，自供電的概念如果能成功應(yīng)用在其他移動設(shè)備（如無人機、機器人等）上，將有助于其實現(xiàn)更長的持續(xù)工作時間，或者在無電可以供應(yīng)的環(huán)境下工作。

最后，高效的自供電系統(tǒng)研究也是應(yīng)對能源危機，推動可持續(xù)發(fā)展的重要路徑。如果可穿戴設(shè)備能通過自我獲取能源，將減少對電網(wǎng)的依賴，有利于能源的節(jié)約和環(huán)保。

綜上所述，可穿戴設(shè)備的高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計研究具有重大的現(xiàn)實意義和深遠的未來影響力。

1 "國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

可穿戴設(shè)備高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)是近年來熱門的研究方向。其主要研究的是如何使可穿戴設(shè)備通過環(huán)境能源（如太陽能、熱能、機械能等）進行自我充電，以實現(xiàn)真正的移動無線充電。

在國際上，相關(guān)技術(shù)研究主要集中在能量收集[2-4]和能量轉(zhuǎn)換[5-8]2個方面。能量收集主要包括太陽能、熱能、機械能等多種形式；能量轉(zhuǎn)換則主要實現(xiàn)將收集到的環(huán)境能源轉(zhuǎn)換為電能的過程。比如，美國麻省理工學(xué)院（MIT）[9]的研究人員開發(fā)了一種能利用人體熱能為電子設(shè)備充電的技術(shù)，另外，韓國科學(xué)技術(shù)研究院[10]研發(fā)的“能量收割器”可以通過人體運動來產(chǎn)生能量。

在國內(nèi)，也有諸多科研機構(gòu)和企業(yè)在此領(lǐng)域進行了大量研究。如中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（簡稱“中科院蘇州納米所”）[11-12]的研究者利用皮膚表面溫度差，實現(xiàn)了熱電轉(zhuǎn)換進行設(shè)備供電的設(shè)計。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[13]的研究人員開發(fā)了一種基于人體動力驅(qū)動的微型能量管理系統(tǒng)。

然而，目前這些技術(shù)在實際應(yīng)用中還存在許多問題，例如，能量轉(zhuǎn)換效率低、設(shè)備體積大、成本高等[14-15]。為解決這些問題，學(xué)術(shù)界正在努力探索輕薄、柔性、高效的新型能源獲取和存儲系統(tǒng)。相應(yīng)地，一些企業(yè)和研究機構(gòu)正在致力于開發(fā)集成化、微型化的能量收集系統(tǒng)，以期提高其在可穿戴設(shè)備中的適用性和便利性。

總的來說，可穿戴設(shè)備高效自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)仍處于發(fā)展階段，盡管面臨許多挑戰(zhàn)，但隨著科技的進步，其前景十分廣闊。

2 "自供電可穿戴設(shè)備組成及工作原理

本文設(shè)計了一種自供電可穿戴設(shè)備，如圖2—4所示，包括設(shè)備主體1和安裝于設(shè)備主體1內(nèi)的供電裝置2，供電裝置2包括組合發(fā)電模塊3、電路板4及電池5，組合發(fā)電模塊3和電池5均通過膠水固定連接于設(shè)備主體1上，組合發(fā)電模塊3包括線圈31、強磁體32及若干組壓電陶瓷片33，組合發(fā)電模塊3通過強磁體32往復(fù)穿過線圈31產(chǎn)生電動勢和強磁體32撞擊壓電陶瓷片33產(chǎn)生電動勢實現(xiàn)發(fā)電，線圈31和壓電陶瓷片33均分別與電路板4電連接，電路板4通過螺絲固定連接于設(shè)備主體1上，電路板4、電池5及設(shè)備主體1依次電連接。電池5采用型號為401215、容量為120 mAh的鋰電池。

如圖2所示，設(shè)備主體1的側(cè)面上設(shè)有標準USB 3.0的Type-A接口11，Type-A接口11用于電池5的外接充電。

如圖3、圖4所示，組合發(fā)電模塊3還包括上蓋34和下蓋35，上蓋34和下蓋35通過卡扣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)連接，強磁體32和壓電陶瓷片33均位于由上蓋34和下蓋35連接形成的封閉空間內(nèi)，上蓋34和下蓋35的外側(cè)面上均開設(shè)有凹槽，當上蓋34和下蓋35拼合時，2個凹槽連通形成線圈槽36，線圈31位于線圈槽36內(nèi)，下蓋35上設(shè)有滑軌37，強磁體32滑動連接于滑軌37上，強磁體32的滑動軌跡與線圈31的中軸線處于同一直線上，每組壓電陶瓷片33由2個壓電陶瓷片33組成，2個壓電陶瓷片33分別位于強磁體32的滑動軌跡的左右兩側(cè)，壓電陶瓷片33固定連接于下蓋35上。

如見圖4所示，強磁體32的運動軌跡的兩端均設(shè)有防撞塊38，防撞塊38固定連接于下蓋35上。

如圖5、圖6所示，電路板4包括電磁感應(yīng)式能量收集轉(zhuǎn)換模塊41和壓電式能量收集轉(zhuǎn)換模塊42，電磁感應(yīng)式能量收集轉(zhuǎn)換模塊41包括整流濾波電路43和穩(wěn)壓電路44，整流濾波電路43與線圈31電連接，整流濾波電路43和穩(wěn)壓電路44串聯(lián)，整流濾波電路43采用橋式整流電路，穩(wěn)壓電路44采用7802-1A芯片，壓電式能量收集轉(zhuǎn)換模塊42與壓電陶瓷片33電連接，壓電式能量收集轉(zhuǎn)換模塊42采用LTC3588-1模塊。

通過人體運動時產(chǎn)生的不同方向的振動來實現(xiàn)強磁體的前后滑動或左右振動。

當強磁體左右振動使得強磁體的側(cè)面撞擊壓電陶瓷片時，壓電陶瓷片感受到外加的壓力發(fā)生巨大的機械變化，其極化強度逐漸變小，然而使得一部分附加在壓電陶瓷片表面的電荷一點點地釋放出來，使得電池充電。當強磁體停止對壓電陶瓷片施壓時，壓電陶瓷片恢復(fù)原狀，其極化強度增大，壓電陶瓷片表面又吸附一部分電荷。

3 "創(chuàng)新點及總結(jié)

首先，實用性。該自供電可穿戴設(shè)備，通過人體運動時產(chǎn)生的不同方向的振動來實現(xiàn)強磁體的前后滑動或左右振動，配合線圈和壓電陶瓷片的使用，使得設(shè)備上具有電磁感應(yīng)發(fā)電和壓電陶瓷發(fā)電2種發(fā)電方式，使用方便且提高了設(shè)備的發(fā)電效率。

其次，便捷性。該自供電可穿戴設(shè)備，進一步地，通過設(shè)備的自供電功能，使得電池內(nèi)的電量能夠得到補充，從而減緩電池內(nèi)電量耗盡的速率，利于延長設(shè)備正常使用的時間。同時，由于設(shè)備自身的自供電功能，避免了外出運動時攜帶外接充電設(shè)備，減輕了隨身攜帶物品的負擔(dān)，利于保障運動感受。

4 "結(jié)束語

基于法拉第電磁感應(yīng)定律和壓電效應(yīng)原理，本文設(shè)計了一款自供電可穿戴設(shè)備，基本實現(xiàn)了高效自供電目標，但仍存在許多不足，后續(xù)將持續(xù)致力于自供電可穿戴設(shè)備的高效一體化研究。

參考文獻：

[1] 魏勝，胡泓.基于壓電振動的人體能量采集技術(shù)研究綜述[J].機械與電子，2018，36（10）：67-72.

[2] 何燕麗，趙翔.曲梁壓電俘能器強迫振動的格林函數(shù)解[J].力學(xué)學(xué)報，2019，51（4）：1170-1179.

[3] 張旭輝，賴正鵬，吳中華，等.新型雙穩(wěn)態(tài)壓電振動俘能系統(tǒng)的理論建模與實驗研究[J].振動工程學(xué)報，2019，32（1）：87-96.

[4] 王紅艷，苗鳳娟，孫志龍，等.隨機振動激勵下的壓電俘能器發(fā)電性能模擬與分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2019，32（3）：357-361.

[5] 王淑云，張肖逸，闞君武，等.氣體耦合式寬帶/低頻壓電振動俘能器[J].光學(xué)精密工程，2015，23（2）：497-503.

[6] 文晟，張鐵民，楊秀麗，等.渦致振動型風(fēng)力壓電俘能器流場數(shù)值模擬與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45（2）：269-275.

[7] 王淑云，嚴夢加，闞君武，等.間接激勵式壓電風(fēng)力俘能器[J].光學(xué)精密工程，2019，27（5）：1121-1127.

[8] 石燕超，楊儉，袁天辰，等.列車垂向振動機械激勵發(fā)電性能設(shè)計[J].計算機仿真，2016，33（4）：212-216，231.

[9] 徐海龍.流體耦合式壓電振動俘能器的設(shè)計與試驗研究[D].金華：浙江師范大學(xué)，2014.

[10] 代胡亮，林時想，張嵐斌，等.基于人體運動的壓電-電磁混合式振動能量采集研究[J].固體力學(xué)學(xué)報，2019，40（5）：427-440.

[11] 孫春華，陶亦亦，張義平.壓電式路面振動俘能技術(shù)[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，24（2）：2-6.

[12] 孫春華，杜建紅，汪紅兵，等.路面振動壓電俘能器的性能分析[J].壓電與聲光，2013，35（4）：556-560.

[13] 王樂樂.基于流致振動的水下陣列壓電俘能器模擬和實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.

[14] 王海燕.車致軌道振動能量俘獲研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[15] 朱培，任興民，秦衛(wèi)陽，等.移動車輛橋梁系統(tǒng)中的振動能量獲取[J].動力學(xué)與控制學(xué)報，2018，16（4）：361-369.