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

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為幫助手機用戶避免手機電量不足的問題和隨身攜帶充電器與移動電源的不便，我們設(shè)計了BatteryBacker（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號電池即可為手機充電。該項目更從環(huán)境保護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，研究項目的意義和技術(shù)可行性。

一、項目研究目的：

為將耗盡的手機電池作電力應急支援；為廢舊磁卡的回收利用提供新方法。

二、項目研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題

（一）項目研究內(nèi)容：

為手機電力應急設(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。我們將項目定義為收納在錢包里的手機充電器，而電源是市面上最易獲取的5號電池。

同時，我們在充電器的原材料上尋求減緩環(huán)境污染的方式。這個過程中，我們按照兩個標準選擇充電器材料：1.材料是原本可回收利用但正在對環(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：我國目前已有相應的回收機構(gòu)，但其污染仍然很嚴重，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發(fā)生：外出時未將手機電量充滿或手機電量已經(jīng)較低；外出時間較長沒有機會充電；外出期間手機放電較多，戶外人們在手機上使用定位、網(wǎng)絡、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：

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

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擔。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)無法起到應急的作用；

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

3.廢舊磁卡對環(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、會員卡、借記卡、讀書卡、水費卡、電費卡、燃氣卡、城市交通卡、車輛審驗卡等。據(jù)統(tǒng)計，我國在2022年已有150億張各類磁卡在市面上流通，至今仍呈增長趨勢。

通常磁卡過期后會隨生活垃圾扔掉。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，對環(huán)境、對人體都有嚴重危害。

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、手工愛好者會收集磁卡作為材料進行創(chuàng)作，也有學校組織學生回收磁卡完成手工作業(yè)。這類做法有兩個問題：1.收集目的性太強，這個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.活動規(guī)模小，統(tǒng)一性不足，雖然在社會上有警示意義，但對廢舊磁卡的回收利用未真正起到作用。

三、項目實施方案

（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充電。

2.理論基礎(chǔ)：

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

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時效率可達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率金屬。目前國外主要采用PVD、CVD等沉積技術(shù)配合化學蝕刻、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：

利用化學法合成。以采用低溫燒結(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。該項目中，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)有的逆變器多針對中高壓電設(shè)計生產(chǎn)，如家用電器、車載電源、應急電瓶等的逆變器。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，體積相對較大。但如果工作電壓僅1.5～2.1v，功率相對小很多，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。

主體部分中間有個鏤空設(shè)計，用于裝配5號電池。我們著重設(shè)計三層卡片鏤空的尺寸和角度，使其剛好能固定一顆5號電池。

項目總體尺寸與常規(guī)磁卡相同，該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環(huán)球市場信息導報》雜志http：//總第528期2022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，因為人們出行不會忘記帶錢包，且錢包里的卡片在不用時也不會隨便取出。

五、原材料收集與產(chǎn)品生產(chǎn)

卡片回收與前期加工。該項目實現(xiàn)并普及的前提之一是，有一個或多個機構(gòu)組織對廢舊磁卡的回收與集中，一旦該前提實現(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，這一步有足夠的可實現(xiàn)性）以及著色。切割時，每個產(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留空間的鏤空設(shè)計；針對不同型號的充電接口，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。不同型號的充電接口會安裝在不同型號的卡片上。

電路印刷與電子元件的固定。