袁泉 周芸悦 林耿杰 王坤槟 陈煜明

摘 要：電子业高速发展，如智能手机、耳机、平板电脑等设备的内部电池续航时间短的问题日益凸显。作为供给电的电源是必不可少的一部分，移动充电宝有着便携、小巧等特点被广泛应用，有着举足轻重的地位。随着电子产品市场规模逐年增大，移动电源电池产品更是层出不穷，但其类型单一。充电宝创新市场还未饱和。文章设计了一种类似于燃料电池工作原理的节能、易携带的创新型运动储能充电宝，通过运动将机械能转化为电能并储存于充电宝中。采用可弯曲装置的电化学技术（类似燃料电池），内部锂合金装置产生轻微弯曲，从而锂离子将会穿过聚合物并产生可用于电力设备的电压和电流，达到运动充电的目的，从而利用运动充电宝为其他电子设备进行随时随地充电。

关键词：充电宝;锂合金;运动;锂电池

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

随着智能移动设备的普及，人们生活在一个互联网时代，智能移动设备已变成必不可少的工具。微型储能设备的选择可以是锂离子电池和超级电容器。其中，可弯曲装置的电化学技术结合了超长的循环寿命、高功率密度、环保、安全、灵活和稳定性，为储能应用提供了一个非常有前景的选择[1]。对于每个智能移动设备用户来说，能够随时随地为智能移动设备充电，保证其续航能力是一件重要的事情。在需要延长移动设备续航时间的情况下，充电宝成为解决这一问题的首选。由于充电宝通过固定电源来补充电量是需要耗费一定的时间，并且数码产品的频繁使用常常会使充电宝的电量供应不足，如何快速为充电宝补充电源成为目前迫切需要解决的问题。因此设计出基于可弯曲装置电化学技术的运动储能充电宝具有十分重要的意义。

充电宝行业在中国的复合增长率在6.0%左右，虽然仅仅是移动智能设备，但目前竞争非常激烈。目前國内充电宝的生产厂家超过5000家，但设计生产运动型充电宝的厂家寥寥无几。相比于传统的充电宝，其充电方式不仅耗时长，而且只能在连通固定电源的环境下进行，并且可提供的电容量相对有限[2]。运动型充电宝通过运动将机械能转化为电能并储存于充电宝中，不仅突破传统充电方式的局限性，而且绿色环保。

1 核心原理

高效的能量收集装置将原本浪费的能量转化为电能，有助于分散发电并缩短输电距离。在过去的十年中，人们致力于开发各种能量收集器，能够收集各种形式的能量。仅在机械能量收集方面，就已经展示了几种类型的能量发生器，例如压电式、电动式或摩擦发电机，并实现了广泛的应用[3]。

本设计主要利用电化学技术，通过两类导体形成的接触界面上发生的带电粒子及电子的转移，从而在线路中产生电流。我们选定一种将液态电解质浸泡的多空聚合物夹在锂合金之间作为电极的材料，当这种锂合金被施加压力并出现弯曲或振动反应时，弯曲引起的不对称应力产生化学势差，驱动锂离子从压缩电极流向拉紧电极以产生电流。消除弯曲会反转离子通量和电流。其内部锂离子将会穿过聚合物并能产生可用于电力设备的电流。图1说明了将机械能转化为电能可弯曲装置的电化学技术工作原理。

在初始无应力条件下，两个电极是等电位的。弯曲设备会在一个电极中产生净张力，而在另一个电极中产生压缩。不对称应力产生化学势差，驱动Li+通过电解质从压缩电极迁移到拉伸电极。同时，为了保持电荷中性，电子在外电路中流动，也从压缩侧到拉伸侧，产生电能。Li+迁移一直持续到电位差消失，在具有不同Li+浓度的两个电极上建立新的平衡状态。当去除外部应力时，电极上的化学势会发生变化。电极之间锂浓度的差异驱动Li+沿相反方向迁移，从而使器件放电。如果设备在黏弹性状态下运行而没有任何不可逆转的损坏，则该设备会恢复到其原始平衡状态，并且可以多次进行此循环。

在这一技术的支持下，我们设计出了一种基于弯曲装置的电化学技术工作原理的运动储能充电宝。本设计区别于传统发电设备的特性有：（1）在目前的柔性器件中，电极需要具有比表面积、导电性高和优异的抗弯曲性。所以在电极材料选择方面，需要选择高精度、高韧性、发电效率高的材料来制作，它不仅要能够感知微弱的力量，而且还要在高强度的拉伸工作下也不会发生损坏，能极大地提升充电宝的使用寿命。（2）这种材料既能在轻微的晃动下产生稳定的电流，又能在高强度的运动下持续发电工作。（3）与陶瓷压电发电设备相比，该设备产生的能量输出通常表现出更大的电流和更低的电压。

2 电路设计

2.1 电路设计

如图2所示，电路中带有显屏模块的支路构成充电指示电路。当锂合金金属板有振动反应时，其内部产生的电能为锂电池充电，或直接为其充电时，屏显有充电显示;当电路为放电状态时，开关S闭合，5V稳压模块将电源提供的电压转化为5V电压供设备充电。

2.2 电源充放电模块

电源充放电模块流程图如图3所示。（1）当运动产生的振幅足够时，机械能转换成的电能，可以达到启动充电的电压，当电池蓄满电之后断开充电回路;当机械能产生的电能不足以达到充电电压，电池电量不足时，充电回路断开。（2）若充电回路不再是以锂合金金属板振动为主要供电方式，而是以直充转态通电，此时不管振幅充不充足，电路都属于充电状态。

3 设计思路

3.1 电源模块

将两块锂合金金属切割成长方体形状，将两片分割后的锂合金金属板串联在电路中。当输出电流增加，与模块5V的输入连接时，切换到输出电压5V，固定电源1.4A（在正常振幅下），根据安装智能设备的要求，它可以直接充电到电子设备中。

3.2 智能模块

锂合金金属板通过将机械能转化为电能，电路中的电压输入稳定在5V左右。在锂电池电路中，使用PCF8591芯片收集电压，通过显示模块显示。TP5410芯片电路在电压低于充电电压时，能切断充电电路，来防止电池损坏。给电子设备供电时，充电宝也会从充电电路中断开，以保护电路，即图2中显示的过程。

3.3 电压检测电路模块

在充放电端检测到的电压电流值数字化转换之前，显示器模块无法显示。单片机显示等功能上的传输功能是由PCF8591芯片控制的。电路中的芯片的功能是实现转换数模时的检测，并显示电路中的电流和电压的数值。一旦数字信号被转换并输入到单片机中，输入信息就会被分析并输出到显示模块中。主要用于锂合金合金模块的输出电压，电池模块中的充电电压和第三模块充电时的放电电压。

3.4 电池保护电路模块

当充电宝电池过度放电，会导致电压过低，并且过度充电还会导致过电压，影响电池的使用寿命，因此需要开发一个电池保护电路来防止电池过充电和过放电。这个芯片用DW01芯片设计，DW01芯片具有过度充电、过度放电、短路和过流保护功能。

4 充放电测试

（1）将锂合金金属板模块放置在摇步器中进行摆动测验，用数据线将手机和锂合金金属板模块连接在一起，观察锂合金金屬板模块中液晶屏显充电指示是否亮起和手机是否处于充电状态，当液晶屏显充电指示亮起且手机处于充电状态，则继续进行充电一段时间（30分钟），观察手机增加的电量，以此判断锂合金金属板模块工作是否正常。

（2）用摇摆频率不同的摇步器继续上述测验，若手机增加的电量不同，则说明锂合金金属板模块产生的电量取决于振动，幅度强则发电量越多。

（3）取下手机和数据线，将锂合金金属板模块继续放置摇步器中进行试验，将其电量充满，用数据线与可以显示电量的充电宝连接，等到其电量完全耗尽观察充电宝增加的电量是否达到预期的标准。若达到预期标准，则说明蓄能正常。

结论

首先，本设计是充电宝的一项技术革新，通过运动将机械能转化电能，使人们摆脱对原有充电方式的依赖性和局限性，解决了人们在停电时或无电源环境下的困扰，以及在用电需求上的约束。其次，本研究通过机械能转化为电能实现充电的功能，一方面能为用电设备提供电量，满足人们在外出或者户外等需要用电的需求，发挥了本项目的重要作用，另一方面能有效利用人们运动时所产生的机械能，起到能量的“回收利用”作用。

参考文献：

[1]孔维宾，余涛，张中，杨晓芳，王如刚，周锋.智能太阳能无线充电宝系统研究[J].信息通信，2018（10）：2425.

[2]蒲晓隆.太阳能手机充电宝的设计及制作[J].电子制作，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.

基金项目：“三螺旋”理论视阈下高职院校创新创业教育与专业教育深度融合的研究与实践（2018GXJK370）

作者简介：袁泉（1979— ），男，湖南株洲人，本科，机车车辆学院动车组车辆副教授，研究方向：车辆制动、机车制动、车辆空调。