手转发电充电宝的设计及制作

手转发电充电宝的设计及制作

王武豪刘志起朱晓娟

山东科技大学（泰安）山东泰安271019

摘要：本文针对充电宝受电池容量、充电方式的限制而导致需要频繁充电的问题，介绍了一种可以进行手转发电充电宝制作设计。该制作设计通过对传统的仅可进行直流电充电的传统充电宝技术与机械钟表的结构和工作原理相结合，让使用者可自行发电为充电宝发电充电，突破充电的时间、地点限制创新充电方式。

关键词:充电宝；手转；发电；节能环保

从法拉第发现电磁感应原理到第二次工业革命，再到如今第五次科技革命的浪潮，电能自发现时起就伴随和推动着人类社会的发展。电及电的应用给人类生活带来了巨大影响，手机、平板、数码相机等越来越成为人们工作、学习和生活不可或缺的一部分。充电宝可以使使用者在没有交流电可供电子产品充电的情况下为其充电，因此手机等电子产品的普及必将带来人们对充电宝的巨大市场需求。但是由于技术水平的限制，充电宝依然存在存电容量较小、充电时间长且受环境限制、自放电浪费电等一系列问题。针对充电宝存在的以上问题，我们致力于研究制作一种可供使用者手转发电为充电宝补充电能的新型环保充电宝设计制作方案，打破了为充电宝充电的传统环境局限，同时又相对弥补了充电宝在电池容量上的不足。

1.基本构成

本文介绍的制作方案为一种可手转发电充电宝，此新型充电宝的主要特征是通过充电宝外部的转动器可以通过手转使充电宝内部的齿轮和发条的作用带动内部的磁铁在线圈内作切割磁感线运动，可将动能转化为势能进而转化为电能，并通过专门设计的电路进行储存。齿轮传动装置采用机械表中发条储存势能的原理，设计出与手转发点相适应的发条，通过发条储存势能并持续释放势能带动齿轮转动使磁铁的切割磁感线运动更加规律、稳定，以实现较为稳定的电流的产生。相较于仅限于交流电充电的传统充电宝，本设计所提出的手转发电充电宝，采用手动发电充电、传统交流电充电两种为充电宝充电的方式，提高了充电宝的续航能力，削弱了交流电充电方式对充电宝充电的限制，使得本制作方案所提出的手转发电充电宝更具适应力，更好的为电子设备供电。该手转发电充电宝的基本构成如下：

1.1内部构造

总体结构设计如图1所示。总体结构由发电装置、升压和稳压电路、蓄电池和充电管理电路四个部分构成。图中，稳压电路的作用是防止手转发电装置产生的电压波动过大后对后续电路的冲击，并且由于大多数电子产品的输入电压都为5v，所以通过电压变换电路把发电产生的电流调整至5v；手动发电装置可与外部手转器连接进行手转发电；并且同传统充电宝一样此设计方案中的手转发电充电宝也设有USB接口可对手机等多种数码产品充电、配有电源输入插口可使用交流电为充电宝充电。

图1内部总体构造

1.2外部构造

在新型手转充电宝的外观设计上，除传统充电宝的各个模块以外，本设计方案设计了与内部发电装置相连接的转动器，用以实现手转发电。转动器的设计灵感来自钟表的上弦器，并对转动器和其与发电装置的接口处进行了独特的锯齿以使二者在连接发电时能够使转动器带动发电装置中的齿轮传动装置。与转动器相适应，在充电宝的一侧设计了可供储存转动器的凹槽，是转动器能够与充电宝同时携带，使使用者可以随时随地为充电宝手转发电。

2.充电宝发电装置及设计原理

2.1手转发电装置设计

此新型充电宝手转发电装置包括齿轮组合、发条、磁铁条和多匝线圈，其中多匝线圈固定于磁铁条外围，齿轮可通过上文所述的锯齿在手转发电时可以与转动器紧密连接，外部的转动器转动，带动齿轮转动，通过多个立轮、跨轮的传动，将动能储存在条盒内转化为势能，再由发条将势能释放带动二轮转动从而使与二轮连接的磁铁匀速运动。

2.2发电原理

上弦器的转动产生动能并通过齿轮传动，立轮和跨轮转动与使发条连接使其储存弹性势能。当上弦器停止转动时，发条利用其弹力逐渐松开时产生动力，从而通过带动齿轮的转动使磁铁条在多匝线圈中做切割磁感线运动从而产生稳定的电流，具体能量转换如图2所示：

图2能量转换图

3.充电宝设计电路及原理

3.1电路设计

电路主要包含一个全桥整流电路、一个滤波电路和直流变压电路，利用手机锂电池作为储电单元，将手转发电产生的电源进行储存，利用升压模块将3.7V电池电压升压为5V恒压输出，给手机充电。充电宝的电路设计包括整流稳压及滤波电路、储电模块（电路如图3电路图（a）所示）、升压电路模块三部分。

3.2原理分析

（1）整流稳压及滤波电路模块：如图3电路图（a）前半部分所示，用4个二极管和电容C1、C2构成全桥整流电路和滤波电路，从而实现整流滤波的功能将交流电能变为直流电能供给直流用电设备，以实现向用电设备供电和向蓄电池充电。

（2）储电模块：如图3电路图（a）所示，电路中D1、R1、Q1和R2构成充电指示灯电路，当充电宝模块处于充电状态时，指示灯D1点亮，电量充满时指示灯D1灭；拨动开关SW1实现电池充电的切换，拨动开关SW2是充电宝输出的控制开关；手转发电输出电压（电压必须低于5V，输出电压高于5V的必须对发电模块的电路进行改造）经5V稳压模块U2输出5V的电压给手机直接充电或给充电宝模块充电。储电模块除了可以用手转发电产生电能还可以用传统的外接充电器或电脑USB接口进行储电。

（3）升压模块：5V升压模块U1能将锂电池的3.7V转为5V稳压输出给手机充电，如图3电路图（b）所示。选取较大的电感和电容，当可控开关V2处于通态（时间为ton），电源E向电感L充电，电流恒定为I1，电容电压向负载供电。当V处于断态时（时间为toff），电源和电感共同向电容C3充电并向负载提供能量。

由储存和释放能量相等得，EI1ton=(Uo-E)I1toff，即，Uo=[(ton+toff)/toff]*E=(T/toff)*E。分析可知，电感L储能之后具有使电压泵升的作用，电容C可将输出电压保持住，所以具有升压作用。

4.4.充电宝的测试

4.1手转发电模块的测试

为了检验此手转充电宝设计方案是否可行，需要对其手转发电模块进行测试，根据其是否能为电子产品充电来测试其是否产生电能是一个最简单可行的方法。测试时先除去蓄电池部分，将升压、稳压电路直接与充电管理电路相连，外与USB接口相连接，用手机数据线接入USB接口。然后将手转器插入转动发电插口，连续转动手转器一段时间，检查手机是否处于充电状态，若处于充电状态则让手机继续充电，一段时间后再观察手机上显示的电量是否有增加，若电量增加则表示设计方案中的手转发电充电模块与设计时一致，可以实现手转发电。

4.2储电模块的测试

在蓄电池没电的情况下，将手转发电充电宝的各个模块连接，可先不必将各模块进行组装成标准的充电宝，将手转器与发电装置的齿轮卡槽贴合，转动手转器一点时间为充电宝充电。一段时间后停止为其充电，并静置充电宝一段时间后用数据线通过USB接口将充电宝与手机相连接，观察手机是否处于充电状态，若处于充电状态则继续为手机充电一段时间，然后再观察手机的电量是否有增加，如果手机的电量增加则说明手转充电宝的各个模块连接畅通且可以实现设计功正常为充电宝充电并且充电宝也能够正常储存电能和释放电能。

结论：

伴随着目前先进的移动通讯领域的快速发展，以手机为首的电子产品不断更新换代，这在一方面带来相关商品充电宝的需求的同时，也对充电宝的性能和款式等提出了新的要求。充电宝在容量小、耗电快、使用寿命短暂等问题一直是充电宝研究创新关注点，本充电宝设计制作方案针对充电宝的容量下、耗电快的问题，通过为充电宝的充电方式创新，在保留充电宝传统充电方式的基础上，增配可供使用者手转发电的装置，使充电宝可突破充电环境限制及时补充电能，减少了电池容量以及耗电快对充电宝使用的限制。总的来说，此款新型手转发电充电宝在原理和制作上具有可行性，在市场上又极具商业价值和推广价值，更重要的是此款充电宝在使用上可以手动发电，节能环保，响应了国家发展节能环保和可持续发展理念。

参考文献

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