Battery Backer （電池支援者）設(shè)計(jì)的意義與技術(shù)可行性研究

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為幫助手機(jī)用戶避免手機(jī)電量不足的問題和隨身攜帶充電器與移動(dòng)電源的不便，我們?cè)O(shè)計(jì)了Battery Backer （電池支援者），一款戶外卡片式充電器，可輕易收納在錢包里，只需一顆5號(hào)電池即可為手機(jī)充電。該項(xiàng)目更從環(huán)境保護(hù)的角度采用了特殊的材料收集方式。該文將分析我們要解決的問題和現(xiàn)有解決方式的缺陷，討論產(chǎn)品工作原理和技術(shù)支持，研究項(xiàng)目的意義和技術(shù)可行性。

一、項(xiàng)目研究目的：

為將耗盡的手機(jī)電池作電力應(yīng)急支援；為廢舊磁卡的回收利用提供新方法。

二、項(xiàng)目研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題

（一）項(xiàng)目研究內(nèi)容：

為手機(jī)電力應(yīng)急設(shè)備尋求最方便的隨身攜帶方式。這要求充電器體積很小，易收納整理，不需數(shù)據(jù)線。我們將項(xiàng)目定義為收納在錢包里的手機(jī)充電器，而電源是市面上最易獲取的5號(hào)電池。

同時(shí)，我們?cè)诔潆娖鞯脑牧仙蠈で鬁p緩環(huán)境污染的方式。這個(gè)過程中，我們按照兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)選擇充電器材料：1. 材料是原本可回收利用但正在對(duì)環(huán)境造成大規(guī)模污染的廢棄物；2. 材料能在簡單加工后成為符合我們要求的產(chǎn)品。因此我們選擇廢舊磁卡：我國目前已有相應(yīng)的回收機(jī)構(gòu)，但其污染仍然很嚴(yán)重，而磁卡加工后的成品可簡易地收納在錢包里。

（二）擬解決的關(guān)鍵問題：

1. 戶外活動(dòng)中電池電量不足問題：

根據(jù)我們的觀察，許多人遭遇過在戶外因手機(jī)電量不足而失去通訊條件的經(jīng)歷。這種情況常常在滿足以下某一條件時(shí)發(fā)生： 外出時(shí)未將手機(jī)電量充滿或手機(jī)電量已經(jīng)較低； 外出時(shí)間較長沒有機(jī)會(huì)充電；外出期間手機(jī)放電較多，戶外人們?cè)谑謾C(jī)上使用定位、網(wǎng)絡(luò)、媒體播放、游戲等高耗電的附帶功能的頻率比在室內(nèi)更高。

綜上所述，構(gòu)成手機(jī)電量不足的因素很多，因而這類不便在戶外發(fā)生的頻率很高。

2. 現(xiàn)有解決方案的潛在問題：

對(duì)于問題1，人們現(xiàn)有的且相對(duì)普及的解決方案包括：外出時(shí)隨身攜帶充電器或移動(dòng)電源；外出時(shí)隨身攜帶備用電池。

但這兩種方案本身就為生活帶來不便：

首先，無論是哪一種充電器或移動(dòng)電源，都有一定的體積與重量，大幅度增加用戶攜帶物品的負(fù)擔(dān)。有的還有難以整理的數(shù)據(jù)線，收納使用很不方便；

其次，充電器和備用電池要在用戶注意攜帶時(shí)才能發(fā)揮作用，若用戶忘記攜帶，這些產(chǎn)品便閑置在室內(nèi)無法起到應(yīng)急的作用；

目前人們使用的各類手機(jī)中，不可更換電池的手機(jī)越來越多，這在未來也呈發(fā)展趨勢(shì)。這說明，隨身攜帶備用電池已經(jīng)不能解決大部分手機(jī)用戶的電力應(yīng)急問題了。

3. 廢舊磁卡對(duì)環(huán)境的污染問題：

生活中有各種磁卡在流通，包括銀行卡、積分卡、考勤卡、會(huì)員卡、借記卡、讀書卡、水費(fèi)卡、電費(fèi)卡、燃?xì)饪ā⒊鞘薪煌ā④囕v審驗(yàn)卡等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國在2008年已有150億張各類磁卡在市面上流通，至今仍呈增長趨勢(shì)。

通常磁卡過期后會(huì)隨生活垃圾扔掉。然而磁卡主要成分聚氯乙烯屬于不可降解物質(zhì)，而帶有芯片的磁卡（智能卡，包括SIM卡和IC卡）還含有重金屬材料和合金材料，其危害甚至超過電池和塑料。這些磁卡隨生活垃圾一起填埋，會(huì)造成土壤板結(jié)，引起土壤鹽漬化，危害農(nóng)、林、牧業(yè)；卡上印刷圖案的油墨所含的重金屬離子也會(huì)污染周邊環(huán)境。 也有的隨生活垃圾焚燒，產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳和氣態(tài)氯化物等多種有害氣體，對(duì)環(huán)境、對(duì)人體都有嚴(yán)重危害。

4. 現(xiàn)有解決方案的潛在問題：

目前許多國家與國內(nèi)部分城市有統(tǒng)一回收廢舊磁卡的機(jī)構(gòu)，但回收磁卡后也是通過填埋或焚燒的方式處理磁卡，并未減少磁卡對(duì)環(huán)境的污染；

我們了解到部分藝術(shù)愛好者、手工愛好者會(huì)收集磁卡作為材料進(jìn)行創(chuàng)作，也有學(xué)校組織學(xué)生回收磁卡完成手工作業(yè)。這類做法有兩個(gè)問題：1. 收集目的性太強(qiáng)，這個(gè)過程中有人由于自己沒有足夠的廢舊磁卡而犧牲了正在使用的磁卡，并未真正減少廢舊磁卡的丟棄；2. 活動(dòng)規(guī)模小，統(tǒng)一性不足，雖然在社會(huì)上有警示意義，但對(duì)廢舊磁卡的回收利用未真正起到作用。

三、 項(xiàng)目實(shí)施方案

（一）產(chǎn)品工作原理與理論基礎(chǔ)

1. 工作原理：

使用者將干電池置入卡中，電池形成閉合電路并為卡片提供1.5v直流電，直流電在逆變器轉(zhuǎn)換為有效電壓為1.5v的交流電，再傳輸?shù)阶儔浩鬓D(zhuǎn)換為有效電壓為5v的交流電，通過充電接口為手機(jī)充電。

2. 理論基礎(chǔ)：

關(guān)于變壓器：項(xiàng)目要求用一節(jié)5號(hào)干電池為手機(jī)充電，而問題在于干電池的電壓為1.5v，而手機(jī)充電需要4～5v的電壓，因而充電器需具備一個(gè)變壓器。

傳統(tǒng)變壓器由鐵氧體磁芯及銅線圈構(gòu)成，體積龐大且易產(chǎn)生電磁干擾，不符合項(xiàng)目要求，因而我們決定采用近年發(fā)展前景較好的平面變壓器。

平面變壓器磁芯、繞組為平面結(jié)構(gòu)，體積小，而且可有效解決高頻問題：平面變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比最大的區(qū)別在于鐵芯及線圈繞組；平面變壓器采用小尺寸的E型、RM型或環(huán)型鐵氧體磁芯，高頻工作時(shí)磁芯損耗低；其良好的磁屏蔽可抑制射頻干擾。

目前的平面變壓器分為以下三類：

PCB 型變壓器：

印刷電路 PCB型變壓器省去繞組骨架，增大散熱面積，減小高頻工作的渦流損耗，增大電流密度，功率大。由于窗口利用率小，所以體積小，高度只有7.4mm。制作工藝簡單。PCB 型變壓器工作頻率為 150～750kHz，工作溫度為-400～1300。

薄膜型變壓器：

用磁性薄膜制成的疊層微型變壓器，工作頻率超過 1MHz，在 10MHz 時(shí)效率可達(dá) 67%，適用小功率工作。絕大多數(shù)采用如坡莫合金、鐵硅鋁和非晶合金等高磁導(dǎo)率金屬。目前國外主要采用 PVD、CVD 等沉積技術(shù)配合化學(xué)蝕刻、激光燒蝕法、光照射低溫鍍膜法等成膜技術(shù)。面積2.4mm×3.1mm，高度低于1mm，體積小，易集成。

亞微米型變壓器：

利用化學(xué)法合成。以采用低溫?zé)Y(jié)的 NiCuZn 鐵氧體為介質(zhì)材料，Ag 為內(nèi)電極，用流延和絲網(wǎng)印刷技術(shù)的方法制備而成。體積小、質(zhì)量輕、易集成、工藝簡單。目前有兩種片式亞微米型變壓器，外形尺寸分別為 2.1cm×2.1cm×1mm和 8mm×8mm×1mm，變壓比分別為 6 和 4。

關(guān)于逆變器：

變壓器只有輸入交流電才能輸出變壓電流，而干電池僅提供直流電，磁通量恒定不變沒有頻率，輸入變壓器無反應(yīng)。該項(xiàng)目中，干電池提供的電流輸入變壓器前需要通過逆變器，將1.5v直流電轉(zhuǎn)化為有效電壓為1.5v的交流電。

現(xiàn)有的逆變器多針對(duì)中高壓電設(shè)計(jì)生產(chǎn)，如家用電器、車載電源、應(yīng)急電瓶等的逆變器。這些逆變器要在220V或更大的電壓下工作，功率大，產(chǎn)熱快，要求充分考慮散熱問題，體積相對(duì)較大。但如果工作電壓僅1.5～2.1v，功率相對(duì)小很多，產(chǎn)熱也非常慢，體積可大幅縮小。

四、 產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)與尺寸確定

充電器由三片卡片和中間的電子器件構(gòu)成，大體上切割為兩部分：主體部分用于固定電池、電路和充電接口，蓋子部分用于保護(hù)充電接口。兩部分間通過每層卡片不同的切割方式形成鑲嵌式固定，使用時(shí)蓋子部分可取下并固定在主體部分尾部。

主體部分中間有個(gè)鏤空設(shè)計(jì)，用于裝配5號(hào)電池。我們著重設(shè)計(jì)三層卡片鏤空的尺寸和角度，使其剛好能固定一顆5號(hào)電池。

項(xiàng)目總體尺寸與常規(guī)磁卡相同，該文原載于中國社會(huì)科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場信息導(dǎo)報(bào)》雜志http：//www.ems86.com總第528期2013年第47期-----轉(zhuǎn)載須注名來源這是為了讓使用者收納在自己的錢包里。我們探討過的各種收納方式中，錢包收納是最合理的，因?yàn)槿藗兂鲂胁粫?huì)忘記帶錢包，且錢包里的卡片在不用時(shí)也不會(huì)隨便取出。

五、 原材料收集與產(chǎn)品生產(chǎn)

卡片回收與前期加工。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)并普及的前提之一是，有一個(gè)或多個(gè)機(jī)構(gòu)組織對(duì)廢舊磁卡的回收與集中，一旦該前提實(shí)現(xiàn)，其他問題便引刃而解。磁卡的前期加工則包括去磁（刪除原有信息，這一步有成熟的技術(shù)支持，而且很關(guān)鍵，為防止磁卡之前的使用者的信息泄漏），切割（根據(jù)我們的設(shè)計(jì)，這一步有足夠的可實(shí)現(xiàn)性）以及著色。切割時(shí)，每個(gè)產(chǎn)品的三層卡片切割方式各不相同：上層卡片有為電子元件預(yù)留空間的鏤空設(shè)計(jì)；針對(duì)不同型號(hào)的充電接口，卡片切割方式也不同。

電子元件的生產(chǎn)與加工。電子元件包括逆變器、變壓器和充電接口。不同型號(hào)的充電接口會(huì)安裝在不同型號(hào)的卡片上。

電路印刷與電子元件的固定。這個(gè)步驟中，會(huì)有一個(gè)簡單的電路印刷在中間層卡片上，而逆變器、變壓器及充電接口會(huì)固定在中間層卡片上。

產(chǎn)品裝配。上層卡片與下層卡片分別裝在中間層卡片的上面和下面，而上層卡片的為電子元件預(yù)留的鏤空部分會(huì)與中間層上的電子元件呈鑲嵌模式互相固定。三層卡片之間采用熱壓方式固定。

（作者單位： 廣東工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院）

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