一種無線充電5號電池的設計與研究

肖蘇芯，孫佳鈺（遼陽市第一高級中學，遼寧遼陽，111000）

一種無線充電5號電池的設計與研究

肖蘇芯，孫佳鈺
（遼陽市第一高級中學，遼寧遼陽，111000）

本文將無線充電技術與5號電池相結合，設計了一種無線充電5號電池，并利用太陽能作為充電電力來源。無線充電接收電路與5號電池的整合是本設計的核心部分，而與其配套設計的太陽能無線充電系統提高了本設計的節能環保性。

無線；5號電池；充電；太陽能

0 引言

5號電池可以分為普通酸性電池、鎳鎘充電電池、堿性電池、鎳氫充電電池、鋰電池等類型。其中，普通酸性電池、鎳鎘充電電池中含有大量的重金屬、強酸等物質外，對環境的污染很嚴重。而堿性電池、鎳氫電池、鋰電池相對而言對環境較為友好，堿性電池由于價格低廉，使用最為廣泛，但其不可充電，造成了對鋅、錳等資源的浪費。而鎳氫電池、鋰電池雖可重復使用，但目前大多需配備相應的充電設備，使用成本較高，這在很大程度上制約了可充電5號電池的應用。因此，開發一款不需要借助專用充電設備進行充電的環保型5號電池，將有顯著的環保效益及綜合成本效益。

1 項目簡介

項目的主要任務是在太陽能提供能量的基礎上實現5號電池的無線充電，工作流程為：太陽能采集裝置利用太陽能板將太陽能轉化為電能，利用升壓穩流模塊輸出5V直流電壓，提供給發射電路的振蕩電路和功率放大電路。利用TL082構成正交振蕩電路，并由三極管TIP41和TIP42構成的功放電路放大振蕩信號。然后將放大信號傳輸給發射線圈并將能量通過電磁藕傳輸至接收線圈。接收線圈得到的能量經接收電路穩壓、整流、濾波及功率轉換，最終得到適合的給電池充電的電壓和電流。結構框圖如圖1所示。

圖1 無線充電電池及充電裝置示意圖

1.1 發射及接受轉換電路

目前主流的無線充電器標準中，采用了電磁感應技術的QI標準最為流行。它攻克了無線充電“通用性”的技術瓶頸，具備便捷性和通用性兩大特點。本設計的無線充電部分滿足QI標準，采用德州儀器（TI）生產的無線充電芯片，遵循WPC1.1標準。接收線圈發射的能量由發射線圈耦合接收后，將接收到的高頻電流經轉換電流轉換為直流電為電池充電，得到負載（電池）所需要的充電電壓和電流。

1.2 發射及接收線圈

發射線圈利用法拉第電磁感應原理向接收線圈輸送電能。根據這一原理，無線充電使用的充電座和5號電池分別內置了線圈，使二者靠近便開始從充電座向5號電池充電。為了提高充電的效率，需要兩個線圈相互耦合。為了達到這一目的，充電座內部采用了三組線圈相互疊加的結構。

1.3 蓄電部分

蓄電部分采用鎳氫電池，鎳氫電池是一種性能非常優異的新型電池，不僅具有相當低的自我放電反應，而且可在-20℃的低溫下工作。其工作方式是以氫離子由正極到負極（充電過程）或者由負極到正極（放電過程）的有效遷移進行的。

1.4 無線充電5號電池的發射部分

無線發射部分如圖2 所示。無線充電5號電池發射部分包括基片、發射電路以及發射線圈。基片材料為納米導通薄膜，能夠有效阻隔干擾電磁波，從而實現高效傳輸。在對無線充電5號電池進行充電的時候，只需將電池與線圈相互靠近，將裝有電池的用電器放置于基片之上，就能完成充電過程。這樣一方面提高5號電池充電的便利性，另一方面提高了電池的續航能力。發射線圈參數見表1所示。

圖2 無線充電發射線圈及電路

表1 發射線圈參數

1.5 電池部分

無線充電5號電池由電池正極、正極連接線、接收部分、負極連接線、蓄電部分、電池負極以及電池外殼組成。其中接收部分包括接收線圈及接收轉換電路。其內部結構如圖3所示。

（1）接收部分。接收部分由接收線圈、無線充電接收電路、充電電路和電池保護電路組成。線圈采用了繞電池軸線方向纏繞3/4圈的纏繞方式。另外，為了增加磁通量，設計了一種可展開式線圈，如圖4所示，在需要充電時，既可以保持線圈纏繞狀態直接對電池充電，也可以將接收線圈展開充電。后一種方式可以使電磁感應耦合面積增大，提高充電效率。

圖3 無線充電5號電池內部結構圖

圖4 接收線圈分布圖

（2）蓄電部分。參考大量實驗數據，本設計蓄電部分采用容量1040mAh，電壓1.5V的鎳氫電池。見表2所示。

表2 蓄電部分參數表

2 成本分析

為分析其推廣前景，對單節普通5號電池、可充電5號電池以及無線充電5號電池的生產成本進行對比，由成本對比圖5分析可知：雖然5號太陽能無線充電電池單節電池的原料成本較高，但是由于其能量來源的清潔性以及后期處理的環保性，其綜合使用成本具有一定優勢。

圖5 成本對比圖

3 創新點

（1）本項目的主要創新點是將無線充電技術與5號電池設計相結合，設計一種可利用現有無線充電設備或本文設計的太陽能無線充電設備進行充電的5號電池。

（2）提出接收線圈圍繞電池軸向纏繞3/4圈的纏繞方案，使線圈能夠布置在電池內部有限空間內，同時防止磁感線相互抵消，從而提高充電效率。

（3）在（2）的基礎上，提出展開、不展開線圈兩種充電方案，增加實用性。

4 總結

本文設計并制作了一款采用太陽能供電的無線充電5號電池。針對我國并沒有形成完整的廢舊電池回收處理體系，現有5號電池可能造成環境污染和資源浪費等問題，結合無線充電技術逐步普及的趨勢，對現有鎳氫充電電池進行了改進，使其具備了無線充電能力，并通過實驗驗證及成本分析，證明了設計的可行性。所設計的電池具有結構合理、充電過程簡單、節能環保等優點，具有較高的普及與推廣價值。

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Design and research of a wireless charging battery 5

Xiao Suxin，Sun Jiayu
(Liaoyang No. 1 senior high school, Liaoyang Liaoning,111000)

in this paper, a wireless charging battery 5 is designed by combining the wireless charging technology with the battery number 5 The integration of the wireless charging circuit and the 5 battery is the core of the design, and the design of the solar energy wireless charging system of the design improves the energy saving and environmental protection of the design

wireless; 5 battery; charging; solar energy