0 引言

目前，充电宝已是人们出行必备的实用工具之一，它小巧玲珑、方便实用，时刻为人们的手机提供着充足的能量，但节能环保型的充电宝却发展缓慢.近年，随着节能环保、低碳生活理念的提出，环保型的产品越来越受到人们的青睐，市场上现有的节能型充电宝有太阳能、风能、手摇式及热能等类型，但基于太阳能、风能的充电宝有较大的使用局限性；手摇式的充电宝要借助双手来操作，在使用过程中操作繁琐，且外形不够美观.基于此，本文设计了一种手压式充电装置，节能环保，使用简单，还兼具活动手指的功能.

1 系统总体设计

手压式充电装置的系统总体设计如图1所示，它主要由齿轮组、交流发电机、整流模块、自动降压稳压模块、蓄电池、液晶显示模块、升压板模块和AC-DC转换模块构成.其中齿轮组将手指来回按压的力量转化为机械能，并将转速加快；齿轮组带动交流发电机进行快速旋转，使发电机产生交流电动势；通过整流模块，将交流电整流，得到直流电；降压稳压模块将整流后的直流电进行稳压，然后将其输入到蓄电池；液晶显示模块可实时显示蓄电池的电压；升压板模块可对蓄电池进行升压，使之适应手机的充电电压；用按键控制液晶显示屏、LED照明灯的点亮/熄灭.

  

图1 系统总体设计框图

2 关键器件模块简介

2.1 交流发电机及整流原理

蓄电池所需要的充电电源为直流电源，而一般常用的发电机有2种：一类为直流发电机，另一类则为交流发电机.直流发电机的工作原理是利用内部的线圈切割外围永磁铁所构成的磁场，线圈通过切割磁感线，产生交变电动势，通过换向器配合电刷的换向作用，即可将交流电动势转化为直流电动势，为蓄电池充电[1].交流发电机却没有转向器和电刷，因此产生的是交流电动势，通过二极管及电容整流后可变为直流电动势，交流发电机和整流模块电路如图2所示.综合考虑2类发电机产生的电量转换率，该项目采用永磁性三相交流发电机，结合整流电路模块，完成发电工作.

  

图2 交流发电机与整流模块电路

2.2 自动降稳压模块

整流电路输出的电压不够稳定，于是添加LM2596S-ADJ芯片为主的自动降稳压电路模块，从而使蓄电池的输入电压和电流趋于稳定，避免损坏蓄电池[2-3].自动降稳压电路基本原理如图3所示.该电路的输出电压可以为1.2～37 V.为了使LM2596S-ADJ反馈脚4的噪声容限降到最小，R1可选用精度为1%的金属膜电阻，其阻值在240 Ω和1.5 kΩ之间，这样可以使温度系数降低，随时间的稳定度达到最好；输出电容Cout选82～820 μF之间的低等效电阻的电解电容或固态钽电容，可使输出电压的滤波效果最好，同时也能提高环路的稳定度，另外为了得到纹波低的输出电压，Cout的耐压应为输出电压的1.5倍以上；前馈电容CFF一般在输出电压大于10 V或输出电容的等效电阻很小时才使用，本设计中要求输出电压为5 V，因此不必接入；电感L1使用磁屏蔽结构的电感器，其值为1～5 μH.合理设置外围元件的参数，使图3具有纹波低、电流大、效率高(90%)、稳压强的特点.电位器R1的值一旦确定，即为定值，通过调节电位器R2，可改变输出电动势Vout的大小，Vout与可调电位器R2间的关系如式(1).

  

图3 LM2596自动降稳压模块

(1)

y=-143 575.138-227.053x1+1 389.963x2-238.091x3+1 123.636x4+893.114x5-1 047.609x6+1 730.197x7+567.478x8

 

(2)

2.3 DIY移动电源升稳压电路模块

移动电源升压电路板如图5所示.升压电路将电芯2.7～4.2 V电压转换为5 V电压给手机等目标设备充电,手机将自行控制充电电流.系统判断手机充满后一段时间内即自动断电，起到断电保护作用.该移动电源的输出口有2个USB插口(D66/D112等型号)，其中2个插口的额定输出电流为1 A和2.1 A；显示电路主要由液晶显示屏和外围电路组成，可实时显示手压式充电宝的剩余电量，当电量低时，对用户起到提醒作用，方便其及时充电；LED 照明电路由单片机控制，通过开关可以使LED照明灯的状态在打开/关闭两者间切换，主要用于无照明条件下的夜晚应急；电池保护电路用于充电宝在充电时处于电池充放电过流、电池放电电压过低或充电电压过高这3种异常情况时，关闭电池与外部的连接，保障电池安全，使充电宝能正常工作.

  

图4 DIY移动升压电路整体结构

按压器与齿轮组分布结构如图6所示.手指按压器与交流发电机转速之间的转换关系，通过多次计算，最终确定采用内齿数Z1=10，外齿数Z2=80的双联齿轮，根据公式[5-6]Z2/Z1=n1/n2，(Z2/Z1为双联齿轮的外齿数与内齿数之比，n1/n2为双联齿轮的内齿和外齿的线速度之比)可得转速之比为8∶1.发电机齿数为10，手指按压器齿数为10，因此按照一般人手指按压的时间和频率进行计算，手指按压器与交流发电机的转速之比为1∶8.根据交流发电机的额定转速，即可得到交流发电机在内部正常工作转速为480 r/s.通过以上的转速变换，即可使得发电机的发电效率得以提高，使电动势和电流提高.充电宝内部装有1枚压力弹簧，当手指按压，到达底部时，轻轻松开手指，由于弹簧的弹力作用，手指按压器开始原路返回，到达初始位置，再来回按压，发电机都处于工作之中，从而提高了机械能的利用效率，产生更多的电量.

判别式模型为了得到正确的分类边界，从非单一样本的数据中抽取出共有的特征。判别式句法分析为了避开联合概率模型中所要求的独立性假设，分析方法中采用条件概率模型。其代表模型是宾西法尼亚大学的最大生成树句法分析器，这是真正意义上的依存句法分析器。但是，非投影问题对系统复杂度是一个很大的挑战，判别式依存句法的优势在于对非投影问题的处理分析，该方法更加注重算法复杂度的降低。判别式的句法分析方法和生成式的分析方法一样，都是进行整个句子内的全局搜索，所以算法复杂度是必须要考虑的问题。判别式方法的一个最大缺陷是它的训练方法繁琐，需要重复分析训练集来迭代参数。

手压式充电装置的输出模块及外部电源输入模块如图4所示，它主要采用DIY移动电源升压液晶显示电路板，由充电控制电路、升压5 V电路、显示电路、LED 照明电路和保护电路5部分组成[4].

绿色金融是指在进行经济发展的过程中，建立在保护环境的基础上，实现经济发展与保护环境相结合的共同发展，实现社会经济与环境的和谐关系并对信贷、保险、证券等金融活动进行绿色发展，已取得初步成效。

  

图5 DIY移动升压电路板原理

3 系统参数设计

3.1 齿轮组及发电机工作参数

充电控制电路利用5 V电压源给蓄电池充电，该移动电源输入充电电流设计指标为1 A，当蓄电池电压小于3 V时，充电电路会依照100 mA的电流对蓄电池进行涓流充电，好处是能可靠地恢复过放电的蓄电池，而不致蓄电池大电流充电导致电池报废；当蓄电池电压大于3 V时，充电电路用1 A电流为蓄电池充电，蓄电池很快被充满；当蓄电池电压达到4.2 V左右，充电电路维持4.2 V恒压充电.当充电电流降到100 mA左右时，即停止充电，充电完成.该部分主要是用于外部电源充电模式和充电宝输出模式，该模式可在具备外电源充电的条件下使用：5 V充电输入、充电控制电路、锂聚合物电池及智能管理部分为外部电源充电模块；锂聚合物电池、DC-DC升压电路、5 V输出及智能管理部分为充电宝输出电路.

其中，参考电压Vref=1.23 V.

  

图6 按压器与齿轮组分布结构

3.2 蓄电池工作参数

设计中，蓄电池采用18650可充锂电池[7]，电池规格为直径φ18、高度65 mm；电池充放电次数为1 000次；电池标准电压为3.7 V；充满电后的电压可达4.2 V；放完电时电压为2.75 V；单节电池容量为2 500 mAh.该设计采用3节蓄电池并联的方式，最终蓄电池容量达到2 500×3=7 500 mAh.由于设计偏向于应急和户外使用，因此设计电池容量基本达到使用者的要求.

4 测试数据分析

根据以上的设计思路和理念，通过精心的设计和计算，制作出如图7所示的手压式充电装置.通过多次试验，得到如表1所示的数据.

 

表1 产品设计指标值与试验数据对比

  

相关测试点名称设计指标值试验数据外部电源输入电压/V55．01外部电源输入电流/A10．98手压式输入电压/V43．98手压式输入电流/A0．30．29充电宝蓄电池容量/mAh75007489充电宝输出电压/V55充电宝输出电流/A1/2．11/2．1

  

图7 手压式节能充电宝样品

5 结语

手压式充电装置是一款以节能环保、轻巧实用为主的充电产品，主要适用于野外探险、徒步远游、应急场所以及各类不方便接通电源的场所.该设计通过手指来回按压使发电机转动进行发电，进而为充电宝充电.不但如此，它还将手压式充电和外部电源充电完美结合，丰富了使用场合，使用者可选取最为合适的充电方式为充电宝充电.在手指按压充电的过程中不仅为充电宝内部蓄电池充电，而且还可以达到活动手指的健身效果.

供试品种为云烟87。于龙陵县腊勐镇大垭口村开展试验，该地海拔1 950 m，沙壤土，肥力中等，地势平坦，排灌方便。栽培管理按《保山市烤烟综合标准》规范实施。

参考文献：

[1] 曲学基,曲敬铠,于明扬.电力电子整流技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2] 王水平.集成稳压器使用指南与应用电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[3] 裴云庆,杨旭，王兆安.开关稳压电源的设计和应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4] 郑培璿.电力电子分析与Is-spice模拟[M].北京:科学出版社，2007.

[5] 闻邦椿.齿轮传动[M].5版.北京：机械工业出版社，2015.

[6] 张展.实用机械传动装置设计手册[K].北京：机械工业出版社，2012.

[7] 陈红雨.电池工业节能减排技术[M].北京：化学工业出版社，2008.