一种无线充电5号电池的设计与研究

肖苏芯，孙佳钰（辽阳市第一高级中学，辽宁辽阳，111000）

一种无线充电5号电池的设计与研究

肖苏芯，孙佳钰
（辽阳市第一高级中学，辽宁辽阳，111000）

本文将无线充电技术与5号电池相结合，设计了一种无线充电5号电池，并利用太阳能作为充电电力来源。无线充电接收电路与5号电池的整合是本设计的核心部分，而与其配套设计的太阳能无线充电系统提高了本设计的节能环保性。

无线；5号电池；充电；太阳能

0 引言

5号电池可以分为普通酸性电池、镍镉充电电池、碱性电池、镍氢充电电池、锂电池等类型。其中，普通酸性电池、镍镉充电电池中含有大量的重金属、强酸等物质外，对环境的污染很严重。而碱性电池、镍氢电池、锂电池相对而言对环境较为友好，碱性电池由于价格低廉，使用最为广泛，但其不可充电，造成了对锌、锰等资源的浪费。而镍氢电池、锂电池虽可重复使用，但目前大多需配备相应的充电设备，使用成本较高，这在很大程度上制约了可充电5号电池的应用。因此，开发一款不需要借助专用充电设备进行充电的环保型5号电池，将有显著的环保效益及综合成本效益。

1 项目简介

项目的主要任务是在太阳能提供能量的基础上实现5号电池的无线充电，工作流程为：太阳能采集装置利用太阳能板将太阳能转化为电能，利用升压稳流模块输出5V直流电压，提供给发射电路的振荡电路和功率放大电路。利用TL082构成正交振荡电路，并由三极管TIP41和TIP42构成的功放电路放大振荡信号。然后将放大信号传输给发射线圈并将能量通过电磁藕传输至接收线圈。接收线圈得到的能量经接收电路稳压、整流、滤波及功率转换，最终得到适合的给电池充电的电压和电流。结构框图如图1所示。

图1 无线充电电池及充电装置示意图

1.1 发射及接受转换电路

目前主流的无线充电器标准中，采用了电磁感应技术的QI标准最为流行。它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈，具备便捷性和通用性两大特点。本设计的无线充电部分满足QI标准，采用德州仪器（TI）生产的无线充电芯片，遵循WPC1.1标准。接收线圈发射的能量由发射线圈耦合接收后，将接收到的高频电流经转换电流转换为直流电为电池充电，得到负载（电池）所需要的充电电压和电流。

1.2 发射及接收线圈

发射线圈利用法拉第电磁感应原理向接收线圈输送电能。根据这一原理，无线充电使用的充电座和5号电池分别内置了线圈，使二者靠近便开始从充电座向5号电池充电。为了提高充电的效率，需要两个线圈相互耦合。为了达到这一目的，充电座内部采用了三组线圈相互叠加的结构。

1.3 蓄电部分

蓄电部分采用镍氢电池，镍氢电池是一种性能非常优异的新型电池，不仅具有相当低的自我放电反应，而且可在-20℃的低温下工作。其工作方式是以氢离子由正极到负极（充电过程）或者由负极到正极（放电过程）的有效迁移进行的。

1.4 无线充电5号电池的发射部分

无线发射部分如图2 所示。无线充电5号电池发射部分包括基片、发射电路以及发射线圈。基片材料为纳米导通薄膜，能够有效阻隔干扰电磁波，从而实现高效传输。在对无线充电5号电池进行充电的时候，只需将电池与线圈相互靠近，将装有电池的用电器放置于基片之上，就能完成充电过程。这样一方面提高5号电池充电的便利性，另一方面提高了电池的续航能力。发射线圈参数见表1所示。

图2 无线充电发射线圈及电路

表1 发射线圈参数

1.5 电池部分

无线充电5号电池由电池正极、正极连接线、接收部分、负极连接线、蓄电部分、电池负极以及电池外壳组成。其中接收部分包括接收线圈及接收转换电路。其内部结构如图3所示。

（1）接收部分。接收部分由接收线圈、无线充电接收电路、充电电路和电池保护电路组成。线圈采用了绕电池轴线方向缠绕3/4圈的缠绕方式。另外，为了增加磁通量，设计了一种可展开式线圈，如图4所示，在需要充电时，既可以保持线圈缠绕状态直接对电池充电，也可以将接收线圈展开充电。后一种方式可以使电磁感应耦合面积增大，提高充电效率。

图3 无线充电5号电池内部结构图

图4 接收线圈分布图

（2）蓄电部分。参考大量实验数据，本设计蓄电部分采用容量1040mAh，电压1.5V的镍氢电池。见表2所示。

表2 蓄电部分参数表

2 成本分析

为分析其推广前景，对单节普通5号电池、可充电5号电池以及无线充电5号电池的生产成本进行对比，由成本对比图5分析可知：虽然5号太阳能无线充电电池单节电池的原料成本较高，但是由于其能量来源的清洁性以及后期处理的环保性，其综合使用成本具有一定优势。

图5 成本对比图

3 创新点

（1）本项目的主要创新点是将无线充电技术与5号电池设计相结合，设计一种可利用现有无线充电设备或本文设计的太阳能无线充电设备进行充电的5号电池。

（2）提出接收线圈围绕电池轴向缠绕3/4圈的缠绕方案，使线圈能够布置在电池内部有限空间内，同时防止磁感线相互抵消，从而提高充电效率。

（3）在（2）的基础上，提出展开、不展开线圈两种充电方案，增加实用性。

4 总结

本文设计并制作了一款采用太阳能供电的无线充电5号电池。针对我国并没有形成完整的废旧电池回收处理体系，现有5号电池可能造成环境污染和资源浪费等问题，结合无线充电技术逐步普及的趋势，对现有镍氢充电电池进行了改进，使其具备了无线充电能力，并通过实验验证及成本分析，证明了设计的可行性。所设计的电池具有结构合理、充电过程简单、节能环保等优点，具有较高的普及与推广价值。

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[5] 王舸,黎民悦. 一种新型蓄电池辅助测量工具.工程技术研究,2017.

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