运动节能充电宝

    白正骁 刘锋锐 李卓凡 蒋明增 张丹慧

    摘 要：随着国内人民生活水平不断提高，广大人民越来越注重身体健康问题，而跑步作为中等强度的有氧运动深受广大人民的喜爱，在跑步的同时经过运动会产生较大热量散失到外界。为了利用这部分由跑步产生的动能，本文基于电磁感应定律和电磁力定律，用导电性良好的铜丝做线圈形成发电回路，将具有弹簧连接的具有强磁性的条形磁铁放入铜线圈中，由于运动使磁条产生上下晃动，从而切割磁感线产生电流，电流流入与铜线圈连接的可弯曲折叠电池中，从而完成电池储存电能的目的。最终设计出了基于电磁感应定律和电磁力定律，具有将动能转化成电能、可弯曲、易携带、节能环保、安全、可反复使用等特点的充电宝产品。

    关键词：充电宝;电磁感应定律;电磁力定律;可弯曲折叠电池;持续续航

    1 绪论

    国内运动节能充电宝发展非常迅速。早在这之前我国就有人涉足并且已经研究出能够将动能转化成电能给充电宝充电，却因为发电效率低、发电不稳定、外殼较为坚硬和不易携带在身上的缺点，还没有投入量产，只是先生产了一小部分样品进入市场，目前正处在适应性投放市场阶段。在前不久国外麻省理工也研制出了同类的产品nPower PEG in backpack，在美国已获得了专利，虽然已经量产开放购买，但仍旧没有改善发电效率问题、外壳坚硬问题和不易携带的缺点，而且光造价而言就高达140美元，零售价每支大约160美元，这样昂贵价格将为市场的拓展带来一定的局限性，不容易被人们所接受。

    2 研究方法和研究思路

    （1）研究方法。本产品的发明核心是根据电磁感应定律和电磁力定律来做的，也就是由磁体切割线圈产生的磁感线从而在线圈中产生电流的方法。而本产品不同于普通产品的是，在磁体方面，我们需要选择磁性非常强的磁体作为支撑，原因是我们的产品需要的线圈直径非常小，而磁体需要放入线圈内并保证与相邻线圈的安全位置，避免让两个强力磁体吸在一起，因此我们的磁体在体积上就非常小，为了保证足够的发电效率，所以我们就需要磁性非常强的磁体来进行切割磁感线，从而在闭合回路中产生预期的电流强度。线圈方面，我们需要导电性良好的线圈，因为线圈作为我们收集电流的回路，导电性良好可以极大提高发电效率，保证我们的充电宝能在短时间内获得较多的电能。弹簧方面，我们用到的是高精度、高韧性的材料制作而成的，不但能够感知微弱的力量，而且在高强度的伸缩工作下也不会发生损坏，可以极大的增加我们充电宝的使用寿命。我们将这三个方面的优势结合在一起，就可以实现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充电宝持续工作。

    （2）研究思路。根据导线切割磁力线能够产生感应电势，将导线连成闭合回路，就有电流流通过的原理，我们进行对磁体、导电线圈和弹簧进行相应的组装，组装出我们充电宝的发电部分，然后给充电部分配套一个外壳，然后将发电部分用导线与我们的弯曲电池连接，最后再给整体充电宝配套一个软性壳，我们的可弯曲运动充电宝就制作完成。具体组装步骤如下：首先是对发电部分的组装，我们先将若干个导电线圈串联成一排，放入已经配套好的外壳中，然后把弹簧一端挂上磁体并固定好，另一端与我们的外壳上边缘连接，最后对外壳进行封装，封装时留两根导线的孔，以便于发电部分和电池连接。其次是对发电部分和电池的连接，为了保证电流能够稳定地流入电池，我们在发电部分和电池连接的电路中加入二极管和变压器。最后给做好的发电部分和电池的连接体放入软性壳中，软性壳上配上一个显示屏，这样我们的可弯曲运动充电宝就制作完成。

    3 设计思路

    （1）发电原理。本产品充分利用电磁感应定律和电磁力定律进行发电。我们把具有强力磁性的磁体放在导电性较好的线圈中，磁体上端通过弹性较好的绝缘弹簧连接在由线圈构成的闭合回路中。当人体运动时随着身体大幅度的晃动，磁体也被身体晃动所带动使我们的强力磁体产生剧烈晃动，强力磁体的剧烈晃动会切割导电性较好的线圈产生的磁感线，从而在闭合回路中产生感应电流，电流从我们的充电宝的发电部分出来后，首先经过闭合回路中的变压器，通过变压器可以使得闭合回路中的电压，控制在我们可弯曲电池的额定接受电压范围之内，通过变压器后，电流会流经我们闭合回路中的整流电路部分，因为由身体晃动带动的强力磁体晃动，切割磁感线产生的电流是呈现正弦式变化的，所以我们的闭合回路中的整流电路是为了进一步将正弦式电流图像下方的部分转变为正弦式交流电图形的上方，以提高我们充电宝发电的效率，在闭合回路的整流电路后，会紧跟一个滤波器，方便减小我们闭合回路中电流的浮动，最后在闭合回路加一个稳压环节使得我们进入可弯曲电池的电流是稳定的。最终我们的可弯曲运动充电宝产生的电流，经过闭合回路中的变压器、整流电路、滤波器和稳压环节，以额定电压稳定的输入到我们的可弯曲电池中，并保存起来。

    （2）储能方法。可弯曲运动充电宝在储能方式上利用了可以反复弯曲一万次以上的可弯曲锂电池，与普通电池相比较，我们采用的可弯曲锂电池具有高储存能量密度、使用寿命长、额定电压高、具备高功率承受能力、自放电率低、重量轻、高低温适应性强、绿色环保和可弯曲折叠等优点。我们把可弯曲锂电池与我们的运动充电宝组装成为一个整体，在保证了运动充电的前提下，实现了充电宝的整体弯曲化。

    （3）产品结构。此充电宝整体上由柔软外壳和内部发电装置组成。在确定了柔软外壳的材质下，我们以内部发电装置为主要任务，进行了一系列的实验探究，最终确定以铜线圈和强力磁体作为发电部分，稳压电路作为电流调节部分，可弯曲锂电池作为储能部分，这三大部分构成了我们的内部发电装置也就是充电宝的本体部分。最后将我们充电宝的柔软外壳和我们充电宝的发电装置组装在一起，这样就构成了我们可弯曲运动充电宝的整个结构。

    （4）高效率发电。在发电上，磁体我们采用磁性较强的的强力磁体，为保证我们的强力磁体在切割磁感线时，在闭合回路中产生较多的感应电流。而我们的导电线圈采用，导电性能、抗拉强度、电损率等各种指标优于铝线圈，但仅次于银线圈的铜线圈，原因是我们的可弯曲充电宝的受众大多是普通经济水平的人群，所以在造价方面要考虑到群众的购买力，我们选择了用相对于银线圈便宜的铜线圈，而在导电性能上，为了提高我们可弯曲运动充电宝的发电效率，我们采用了比铝线圈导电性能更好的铜线圈，所以结合经济方面，以及发电效率方面，我们选择了利用铜线圈作为我们的导电线圈。为了将我们的发电效率最大化，我们在发电部分进行多次研究，最终确定了我们的发电部分，是由若干多个强力磁体和铜线圈并排串联共同构成，将每一排的强力磁体和铜线圈产生的电能进行汇总，从而极大提高了可弯曲充电宝的充电效率。以至于我们的可弯曲充电宝能够在微弱的震动下产生较多的电能，将我们人体晃动产生的动能最大化地利用到可弯曲充电宝的发电效率中。

    （5）弯曲特性。由于本产品采用的铜线圈和弹簧是极其精细的，这就使得铜线圈排成一排，每一组铜线圈都互相没有影响，使得一排铜线圈可以围绕成为具有一定半径的圆形，然后再将这一排铜线圈的首端和末端连接到可弯曲的锂电池上，使得整个充电宝像绑腿的沙袋一样绑在腿上既方便又不影响美观。这一弯曲特性，决定了我们的充电宝能够和我们身体的任何部位粘合在一起，并不会对我们的身体造成挤压性的伤害，这个特性的存在，完美地解决了普通运动充电宝不易携带的劣势，更容易受到人们的青睐。

    （6）产品产生的影响。本产品的研发，将会实现充电宝由依赖电源到脱离电源的过程，让人们在没有电源的情况下，能够自主地产生电供人正常使用。让人们在外出工作、旅游等需要用电的时候发挥重要作用，具有较强的实用性。其次，本产品由于它的柔软性，将会引领充电宝由普通硬壳向弯曲软壳进行转化。弯曲软壳不仅手感好、易携带，而且在遇到剧烈冲击和挤压时能起到减缓作用力的作用，从而更好地保护充电宝的内部结构不受损坏。

    （7）产品特色。世界上虽然已经存在能够通过各种途径，进行自主发电的充电宝，但是将自主发电和充电宝外壳柔软性连接起来的还是少之又少的，这也是我们项目的一大特色。这种特色决定了我们的可弯曲运动充电宝，既节约资源、保护环境、便于回收，又能给使用的用户带来极佳体验效果。

    4 研究总结

    本次研究项目主要是针对充电宝的充电方式进行改善，由电源式充电转为运动式充电，将会实现充电宝由依赖电源到脱离电源的过程，让人们在没有电源的情况下，能够自主地产生电能供人们正常使用。让人们在外出工作、旅游等需要用电的时候发挥重要作用。其次是实现充电宝由硬壳到软壳的过渡，将会引领充电宝由普通硬壳向弯曲软壳转化。研发运动式充电宝，一方面可以让充电宝去利用人们在运动时消耗的动能，使其转化为充电宝中的电能，让人们在锻炼身体的同时还能节约资源、保护环境。另一方面当人们在没有外部电源存在的情况下，依然能够正常对移动设备进行电能补充，防止由于意外断电给人们带来的损失。早在这之前就有人涉足并且已经研究出能够将动能转化成电能给充电宝充电，但却因为发电效率低、发电不稳定、外壳较为坚硬和不易携带在身上的缺点，最终没有被人们所接受，而本次研究的充電宝相比之前具有造价低、易携带、发电效率高等特点。随着科学技术的深入，我们进一步的发展将以提高发电效率、降低成本、功能多样化为主要任务进行研发。

    创新就是发现生活中的一些不方便然后想尽办法去改善它这就是创新的意义。而我们制作产品的过程中体会到的创新是，创造出来的新的产品不一定是人类一定需要的，但就是有了会更好，没有对生活也没有很大影响的东西。而本产品是完全从生活中来，归结到生活中去的一次为了改善人类生活方式而进行的创新。本产品初衷，就是为了利用生活中，运动消耗的不被人所利用的这一部分能量，来实现节约资源的目的。经过我们一行人不懈的努力，从最开始的有想法，然后到一起去构思这件产品，最后我们做出这件产品，虽然研究过程中遇到了很多困难，但也都硬着头皮一一去解决。这次研发带给我们的不仅是一次考验，更重要的它是我们每一位团队成员的一次人生中不可多得的宝贵经历。

    参考文献：

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    [3]劳卫东.谈直流发电机的基本工作原理、电枢反应及换向[J].企业科技与发展，2011（22）：27-30+37.