運動儲能充電寶設計

袁泉 周蕓悅 林耿杰 王坤檳 陳煜明

摘?要：電子業高速發展，如智能手機、耳機、平板電腦等設備的內部電池續航時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，移動充電寶有著便攜、小巧等特點被廣泛應用，有著舉足輕重的地位。隨著電子產品市場規模逐年增大，移動電源電池產品更是層出不窮，但其類型單一。充電寶創新市場還未飽和。文章設計了一種類似于燃料電池工作原理的節能、易攜帶的創新型運動儲能充電寶，通過運動將機械能轉化為電能并儲存于充電寶中。采用可彎曲裝置的電化學技術（類似燃料電池），內部鋰合金裝置產生輕微彎曲，從而鋰離子將會穿過聚合物并產生可用于電力設備的電壓和電流，達到運動充電的目的，從而利用運動充電寶為其他電子設備進行隨時隨地充電。

關鍵詞：充電寶;鋰合金;運動;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

隨著智能移動設備的普及，人們生活在一個互聯網時代，智能移動設備已變成必不可少的工具。微型儲能設備的選擇可以是鋰離子電池和超級電容器。其中，可彎曲裝置的電化學技術結合了超長的循環壽命、高功率密度、環保、安全、靈活和穩定性，為儲能應用提供了一個非常有前景的選擇[1]。對于每個智能移動設備用戶來說，能夠隨時隨地為智能移動設備充電，保證其續航能力是一件重要的事情。在需要延長移動設備續航時間的情況下，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補充電量是需要耗費一定的時間，并且數碼產品的頻繁使用常常會使充電寶的電量供應不足，如何快速為充電寶補充電源成為目前迫切需要解決的問題。因此設計出基于可彎曲裝置電化學技術的運動儲能充電寶具有十分重要的意義。

充電寶行業在中國的復合增長率在6.0%左右，雖然僅僅是移動智能設備，但目前競爭非常激烈。目前國內充電寶的生產廠家超過5000家，但設計生產運動型充電寶的廠家寥寥無幾。相比于傳統的充電寶，其充電方式不僅耗時長，而且只能在連通固定電源的環境下進行，并且可提供的電容量相對有限[2]。運動型充電寶通過運動將機械能轉化為電能并儲存于充電寶中，不僅突破傳統充電方式的局限性，而且綠色環保。

1?核心原理

高效的能量收集裝置將原本浪費的能量轉化為電能，有助于分散發電并縮短輸電距離。在過去的十年中，人們致力于開發各種能量收集器，能夠收集各種形式的能量。僅在機械能量收集方面，就已經展示了幾種類型的能量發生器，例如壓電式、電動式或摩擦發電機，并實現了廣泛的應用[3]。

本設計主要利用電化學技術，通過兩類導體形成的接觸界面上發生的帶電粒子及電子的轉移，從而在線路中產生電流。我們選定一種將液態電解質浸泡的多空聚合物夾在鋰合金之間作為電極的材料，當這種鋰合金被施加壓力并出現彎曲或振動反應時，彎曲引起的不對稱應力產生化學勢差，驅動鋰離子從壓縮電極流向拉緊電極以產生電流。消除彎曲會反轉離子通量和電流。其內部鋰離子將會穿過聚合物并能產生可用于電力設備的電流。圖1說明了將機械能轉化為電能可彎曲裝置的電化學技術工作原理。

在初始無應力條件下，兩個電極是等電位的。彎曲設備會在一個電極中產生凈張力，而在另一個電極中產生壓縮。不對稱應力產生化學勢差，驅動Li+通過電解質從壓縮電極遷移到拉伸電極。同時，為了保持電荷中性，電子在外電路中流動，也從壓縮側到拉伸側，產生電能。Li+遷移一直持續到電位差消失，在具有不同Li+濃度的兩個電極上建立新的平衡狀態。當去除外部應力時，電極上的化學勢會發生變化。電極之間鋰濃度的差異驅動Li+沿相反方向遷移，從而使器件放電。如果設備在黏彈性狀態下運行而沒有任何不可逆轉的損壞，則該設備會恢復到其原始平衡狀態，并且可以多次進行此循環。

在這一技術的支持下，我們設計出了一種基于彎曲裝置的電化學技術工作原理的運動儲能充電寶。本設計區別于傳統發電設備的特性有：（1）在目前的柔性器件中，電極需要具有比表面積、導電性高和優異的抗彎曲性。所以在電極材料選擇方面，需要選擇高精度、高韌性、發電效率高的材料來制作，它不僅要能夠感知微弱的力量，而且還要在高強度的拉伸工作下也不會發生損壞，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下產生穩定的電流，又能在高強度的運動下持續發電工作。（3）與陶瓷壓電發電設備相比，該設備產生的能量輸出通常表現出更大的電流和更低的電壓。

2?電路設計

2.1?電路設計

如圖2所示，電路中帶有顯屏模塊的支路構成充電指示電路。當鋰合金金屬板有振動反應時，其內部產生的電能為鋰電池充電，或直接為其充電時，屏顯有充電顯示;當電路為放電狀態時，開關S閉合，5V穩壓模塊將電源提供的電壓轉化為5V電壓供設備充電。

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）當運動產生的振幅足夠時，機械能轉換成的電能，可以達到啟動充電的電壓，當電池蓄滿電之后斷開充電回路;當機械能產生的電能不足以達到充電電壓，電池電量不足時，充電回路斷開。（2）若充電回路不再是以鋰合金金屬板振動為主要供電方式，而是以直充轉態通電，此時不管振幅充不充足，電路都屬于充電狀態。

3?設計思路

3.1?電源模塊

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

3.2?智能模塊

鋰合金金屬板通過將機械能轉化為電能，電路中的電壓輸入穩定在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，能切斷充電電路，來防止電池損壞。給電子設備供電時，充電寶也會從充電電路中斷開，以保護電路，即圖2中顯示的過程。

3.3?電壓檢測電路模塊

在充放電端檢測到的電壓電流值數字化轉換之前，顯示器模塊無法顯示。單片機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現轉換數模時的檢測，并顯示電路中的電流和電壓的數值。一旦數字信號被轉換并輸入到單片機中，輸入信息就會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的放電電壓。

3.4?電池保護電路模塊

當充電寶電池過度放電，會導致電壓過低，并且過度充電還會導致過電壓，影響電池的使用壽命，因此需要開發一個電池保護電路來防止電池過充電和過放電。這個芯片用DW01芯片設計，DW01芯片具有過度充電、過度放電、短路和過流保護功能。

4?充放電測試

（1）將鋰合金金屬板模塊放置在搖步器中進行擺動測驗，用數據線將手機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是否處于充電狀態，當液晶屏顯充電指示亮起且手機處于充電狀態，則繼續進行充電一段時間（30分鐘），觀察手機增加的電量，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上述測驗，若手機增加的電量不同，則說明鋰合金金屬板模塊產生的電量取決于振動，幅度強則發電量越多。

（3）取下手機和數據線，將鋰合金金屬板模塊繼續放置搖步器中進行試驗，將其電量充滿，用數據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到預期的標準。若達到預期標準，則說明蓄能正常。

結論

首先，本設計是充電寶的一項技術革新，通過運動將機械能轉化電能，使人們擺脫對原有充電方式的依賴性和局限性，解決了人們在停電時或無電源環境下的困擾，以及在用電需求上的約束。其次，本研究通過機械能轉化為電能實現充電的功能，一方面能為用電設備提供電量，滿足人們在外出或者戶外等需要用電的需求，發揮了本項目的重要作用，另一方面能有效利用人們運動時所產生的機械能，起到能量的“回收利用”作用。

參考文獻：

[1]孔維賓，余濤，張中，楊曉芳，王如剛，周鋒.智能太陽能無線充電寶系統研究[J].信息通信，2018（10）：2425.

[2]蒲曉隆.太陽能手機充電寶的設計及制作[J].電子制作，2017（07）：7071.

[3]Kim?S，Choi?S?J，Zhao?K，et?al.Electrochemically?driven?mechanical?energy?harvesting[J].Nature?communications，2016，7（1）：17.

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作者簡介：袁泉（1979—?），男，湖南株洲人，本科，機車車輛學院動車組車輛副教授，研究方向：車輛制動、機車制動、車輛空調。