可穿戴设备高效自供电结构设计研究

摘 "要：基于法拉第电磁感应定律和压电效应原理，该文设计一款自供电可穿戴设备。该设备包括设备主体和安装于设备主体内的供电装置，供电装置包括组合发电模块、电路板、电池，组合发电模块包含线圈、强磁体及若干组压电陶瓷片，组合发电模块通过强磁体来回穿过线圈产生电动势和强磁体撞击压电陶瓷片产生电动势实现发电，线圈和压电陶瓷片均分别与电路板电连接，电路板、电池及设备主体依次电连接。该自供电可穿戴设备通过组合发电模块能够将动能转变为电能，不仅发电快而且穿戴便捷，重要的是，这种可穿戴设备可以通过自供电系统节约能源。

关键词：可穿戴设备；自供电；法拉第电磁感应定律；压电效应；节约能源

中图分类号：TM619 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2095-2945（2024）20-0039-04

Abstract： Based on Faraday's law of electromagnetic induction and the principle of piezoelectric effect， a self-powered wearable device is designed in this paper， which includes a main body of the equipment and a power supply device installed in the main body of the equipment， which includes a combined power generation module， a circuit board and a battery. The combined power generation module consists of coils， strong magnets and several groups of piezoelectric ceramic pieces. The combined power generation module generates electricity through the electromotive force generated by the strong magnet passing back and forth through the coil and the strong magnet striking the piezoelectric ceramic piece. The coil and the piezoelectric ceramic piece are electrically connected with the circuit board respectively. The circuit board， the battery and the main body of the equipment are electrically connected in turn. The self-powered wearable device can convert kinetic energy into electric energy through a combined power generation module， which is not only fast to generate electricity but also easy to wear. Importantly， this wearable device can save energy through the self-powered supply system.

Keywords： wearable device; self-powered supply; Faraday's law of electromagnetic induction; piezoelectric effect; energy saving

2022年3月17日，IDC发布《中国可穿戴设备市场季度跟踪报告，2021年第四季度》报告显示，2021年第四季度中国可穿戴设备市场出货量为3 753万台，同比增长23.9%，2021年中国可穿戴市场出货量近1.4亿台，同比增长25.4%。预计2022年，中国可穿戴市场出货量超过1.6亿台，同比增长18.5%[1]。2020—2022年中国可穿戴设备主要产品出货量如图1所示。

在当前智能化、大数据化的社会环境下，可穿戴设备得到了广泛的应用，但其续航能力瓶颈一直是限制其发展的主要因素。本文以解决可穿戴设备续航问题为目标，开展高效自供电结构设计研究，有着非常重要的研究意义。

首先，可穿戴设备高效自供电结构设计研究能够显著提高设备电源的使用效率，延长其续航时间。这可以显著提高用户体验，降低用户对设备电量的担忧，可能使人们更愿意使用这些设备。

其次，可穿戴设备高效自供电结构设计研究的结果可以推动可穿戴设备向更小巧、更智能化的方向发展。因为如果设备能有效解决能源供应问题，就可以更加专注于核心功能、体积小型化等方向的改进。

再次，可穿戴设备高效自供电结构设计研究可能为更广泛的领域提供技术支持。例如，自供电的概念如果能成功应用在其他移动设备（如无人机、机器人等）上，将有助于其实现更长的持续工作时间，或者在无电可以供应的环境下工作。

最后，高效的自供电系统研究也是应对能源危机，推动可持续发展的重要路径。如果可穿戴设备能通过自我获取能源，将减少对电网的依赖，有利于能源的节约和环保。

综上所述，可穿戴设备的高效自供电结构设计研究具有重大的现实意义和深远的未来影响力。

1 "国内外研究现状

可穿戴设备高效自供电结构设计技术是近年来热门的研究方向。其主要研究的是如何使可穿戴设备通过环境能源（如太阳能、热能、机械能等）进行自我充电，以实现真正的移动无线充电。

在国际上，相关技术研究主要集中在能量收集[2-4]和能量转换[5-8]2个方面。能量收集主要包括太阳能、热能、机械能等多种形式；能量转换则主要实现将收集到的环境能源转换为电能的过程。比如，美国麻省理工学院（MIT）[9]的研究人员开发了一种能利用人体热能为电子设备充电的技术，另外，韩国科学技术研究院[10]研发的“能量收割器”可以通过人体运动来产生能量。

在国内，也有诸多科研机构和企业在此领域进行了大量研究。如中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所（简称“中科院苏州纳米所”）[11-12]的研究者利用皮肤表面温度差，实现了热电转换进行设备供电的设计。另外，哈尔滨工业大学[13]的研究人员开发了一种基于人体动力驱动的微型能量管理系统。

然而，目前这些技术在实际应用中还存在许多问题，例如，能量转换效率低、设备体积大、成本高等[14-15]。为解决这些问题，学术界正在努力探索轻薄、柔性、高效的新型能源获取和存储系统。相应地，一些企业和研究机构正在致力于开发集成化、微型化的能量收集系统，以期提高其在可穿戴设备中的适用性和便利性。

总的来说，可穿戴设备高效自供电结构设计技术仍处于发展阶段，尽管面临许多挑战，但随着科技的进步，其前景十分广阔。

2 "自供电可穿戴设备组成及工作原理

本文设计了一种自供电可穿戴设备，如图2—4所示，包括设备主体1和安装于设备主体1内的供电装置2，供电装置2包括组合发电模块3、电路板4及电池5，组合发电模块3和电池5均通过胶水固定连接于设备主体1上，组合发电模块3包括线圈31、强磁体32及若干组压电陶瓷片33，组合发电模块3通过强磁体32往复穿过线圈31产生电动势和强磁体32撞击压电陶瓷片33产生电动势实现发电，线圈31和压电陶瓷片33均分别与电路板4电连接，电路板4通过螺丝固定连接于设备主体1上，电路板4、电池5及设备主体1依次电连接。电池5采用型号为401215、容量为120 mAh的锂电池。

如图2所示，设备主体1的侧面上设有标准USB 3.0的Type-A接口11，Type-A接口11用于电池5的外接充电。

如图3、图4所示，组合发电模块3还包括上盖34和下盖35，上盖34和下盖35通过卡扣结构实现连接，强磁体32和压电陶瓷片33均位于由上盖34和下盖35连接形成的封闭空间内，上盖34和下盖35的外侧面上均开设有凹槽，当上盖34和下盖35拼合时，2个凹槽连通形成线圈槽36，线圈31位于线圈槽36内，下盖35上设有滑轨37，强磁体32滑动连接于滑轨37上，强磁体32的滑动轨迹与线圈31的中轴线处于同一直线上，每组压电陶瓷片33由2个压电陶瓷片33组成，2个压电陶瓷片33分别位于强磁体32的滑动轨迹的左右两侧，压电陶瓷片33固定连接于下盖35上。

如见图4所示，强磁体32的运动轨迹的两端均设有防撞块38，防撞块38固定连接于下盖35上。

如图5、图6所示，电路板4包括电磁感应式能量收集转换模块41和压电式能量收集转换模块42，电磁感应式能量收集转换模块41包括整流滤波电路43和稳压电路44，整流滤波电路43与线圈31电连接，整流滤波电路43和稳压电路44串联，整流滤波电路43采用桥式整流电路，稳压电路44采用7802-1A芯片，压电式能量收集转换模块42与压电陶瓷片33电连接，压电式能量收集转换模块42采用LTC3588-1模块。

通过人体运动时产生的不同方向的振动来实现强磁体的前后滑动或左右振动。

当强磁体左右振动使得强磁体的侧面撞击压电陶瓷片时，压电陶瓷片感受到外加的压力发生巨大的机械变化，其极化强度逐渐变小，然而使得一部分附加在压电陶瓷片表面的电荷一点点地释放出来，使得电池充电。当强磁体停止对压电陶瓷片施压时，压电陶瓷片恢复原状，其极化强度增大，压电陶瓷片表面又吸附一部分电荷。

3 "创新点及总结

首先，实用性。该自供电可穿戴设备，通过人体运动时产生的不同方向的振动来实现强磁体的前后滑动或左右振动，配合线圈和压电陶瓷片的使用，使得设备上具有电磁感应发电和压电陶瓷发电2种发电方式，使用方便且提高了设备的发电效率。

其次，便捷性。该自供电可穿戴设备，进一步地，通过设备的自供电功能，使得电池内的电量能够得到补充，从而减缓电池内电量耗尽的速率，利于延长设备正常使用的时间。同时，由于设备自身的自供电功能，避免了外出运动时携带外接充电设备，减轻了随身携带物品的负担，利于保障运动感受。

4 "结束语

基于法拉第电磁感应定律和压电效应原理，本文设计了一款自供电可穿戴设备，基本实现了高效自供电目标，但仍存在许多不足，后续将持续致力于自供电可穿戴设备的高效一体化研究。

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