Battery Backer (电池支援者)设计的意义与技术可行性研究

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为帮助手机用户避免手机电量不足的问题和随身携带充电器与移动电源的不便，我们设计了BatteryBacker（电池支援者），一款户外卡片式充电器，可轻易收纳在钱包里，只需一颗5号电池即可为手机充电。该项目更从环境保护的角度采用了特殊的材料收集方式。该文将分析我们要解决的问题和现有解决方式的缺陷，讨论产品工作原理和技术支持，研究项目的意义和技术可行性。

一、项目研究目的：

为将耗尽的手机电池作电力应急支援；为废旧磁卡的回收利用提供新方法。

二、项目研究内容和拟解决的关键问题

（一）项目研究内容：

为手机电力应急设备寻求最方便的随身携带方式。这要求充电器体积很小，易收纳整理，不需数据线。我们将项目定义为收纳在钱包里的手机充电器，而电源是市面上最易获取的5号电池。

同时，我们在充电器的原材料上寻求减缓环境污染的方式。这个过程中，我们按照两个标准选择充电器材料：1.材料是原本可回收利用但正在对环境造成大规模污染的废弃物；2.材料能在简单加工后成为符合我们要求的产品。因此我们选择废旧磁卡：我国目前已有相应的回收机构，但其污染仍然很严重，而磁卡加工后的成品可简易地收纳在钱包里。

（二）拟解决的关键问题：

1.户外活动中电池电量不足问题：

根据我们的观察，许多人遭遇过在户外因手机电量不足而失去通讯条件的经历。这种情况常常在满足以下某一条件时发生：外出时未将手机电量充满或手机电量已经较低；外出时间较长没有机会充电；外出期间手机放电较多，户外人们在手机上使用定位、网络、媒体播放、游戏等高耗电的附带功能的频率比在室内更高。

综上所述，构成手机电量不足的因素很多，因而这类不便在户外发生的频率很高。

2.现有解决方案的潜在问题：

对于问题1，人们现有的且相对普及的解决方案包括：外出时随身携带充电器或移动电源；外出时随身携带备用电池。

但这两种方案本身就为生活带来不便：

首先，无论是哪一种充电器或移动电源，都有一定的体积与重量，大幅度增加用户携带物品的负担。有的还有难以整理的数据线，收纳使用很不方便；

其次，充电器和备用电池要在用户注意携带时才能发挥作用，若用户忘记携带，这些产品便闲置在室内无法起到应急的作用；

目前人们使用的各类手机中，不可更换电池的手机越来越多，这在未来也呈发展趋势。这说明，随身携带备用电池已经不能解决大部分手机用户的电力应急问题了。

3.废旧磁卡对环境的污染问题：

生活中有各种磁卡在流通，包括银行卡、积分卡、考勤卡、会员卡、借记卡、读书卡、水费卡、电费卡、燃气卡、城市交通卡、车辆审验卡等。据统计，我国在2022年已有150亿张各类磁卡在市面上流通，至今仍呈增长趋势。

通常磁卡过期后会随生活垃圾扔掉。然而磁卡主要成分聚氯乙烯属于不可降解物质，而带有芯片的磁卡（智能卡，包括SIM卡和IC卡）还含有重金属材料和合金材料，其危害甚至超过电池和塑料。这些磁卡随生活垃圾一起填埋，会造成土壤板结，引起土壤盐渍化，危害农、林、牧业；卡上印刷图案的油墨所含的重金属离子也会污染周边环境。也有的随生活垃圾焚烧，产生一氧化碳、二氧化碳和气态氯化物等多种有害气体，对环境、对人体都有严重危害。

4.现有解决方案的潜在问题：

目前许多国家与国内部分城市有统一回收废旧磁卡的机构，但回收磁卡后也是通过填埋或焚烧的方式处理磁卡，并未减少磁卡对环境的污染；

我们了解到部分艺术爱好者、手工爱好者会收集磁卡作为材料进行创作，也有学校组织学生回收磁卡完成手工作业。这类做法有两个问题：1.收集目的性太强，这个过程中有人由于自己没有足够的废旧磁卡而牺牲了正在使用的磁卡，并未真正减少废旧磁卡的丢弃；2.活动规模小，统一性不足，虽然在社会上有警示意义，但对废旧磁卡的回收利用未真正起到作用。

三、项目实施方案

（一）产品工作原理与理论基础

1.工作原理：

使用者将干电池置入卡中，电池形成闭合电路并为卡片提供1.5v直流电，直流电在逆变器转换为有效电压为1.5v的交流电，再传输到变压器转换为有效电压为5v的交流电，通过充电接口为手机充电。

2.理论基础：

关于变压器：项目要求用一节5号干电池为手机充电，而问题在于干电池的电压为1.5v，而手机充电需要4～5v的电压，因而充电器需具备一个变压器。

传统变压器由铁氧体磁芯及铜线圈构成，体积庞大且易产生电磁干扰，不符合项目要求，因而我们决定采用近年发展前景较好的平面变压器。

平面变压器磁芯、绕组为平面结构，体积小，而且可有效解决高频问题：平面变压器与传统的变压器相比最大的区别在于铁芯及线圈绕组；平面变压器采用小尺寸的E型、RM型或环型铁氧体磁芯，高频工作时磁芯损耗低；其良好的磁屏蔽可抑制射频干扰。

目前的平面变压器分为以下三类：

PCB型变压器：

印刷电路PCB型变压器省去绕组骨架，增大散热面积，减小高频工作的涡流损耗，增大电流密度，功率大。由于窗口利用率小，所以体积小，高度只有7.4mm。制作工艺简单。PCB型变压器工作频率为150～750kHz，工作温度为-400～1300。

薄膜型变压器：

用磁性薄膜制成的叠层微型变压器，工作频率超过1MHz，在10MHz时效率可达67%，适用小功率工作。绝大多数采用如坡莫合金、铁硅铝和非晶合金等高磁导率金属。目前国外主要采用PVD、CVD等沉积技术配合化学蚀刻、激光烧蚀法、光照射低温镀膜法等成膜技术。面积2.4mm×3.1mm，高度低于1mm，体积小，易集成。

亚微米型变压器：

利用化学法合成。以采用低温烧结的NiCuZn铁氧体为介质材料，Ag为内电极，用流延和丝网印刷技术的方法制备而成。体积小、质量轻、易集成、工艺简单。目前有两种片式亚微米型变压器，外形尺寸分别为2.1cm×2.1cm×1mm和8mm×8mm×1mm，变压比分别为6和4。

关于逆变器：

变压器只有输入交流电才能输出变压电流，而干电池仅提供直流电，磁通量恒定不变没有频率，输入变压器无反应。该项目中，干电池提供的电流输入变压器前需要通过逆变器，将1.5v直流电转化为有效电压为1.5v的交流电。

现有的逆变器多针对中高压电设计生产，如家用电器、车载电源、应急电瓶等的逆变器。这些逆变器要在220V或更大的电压下工作，功率大，产热快，要求充分考虑散热问题，体积相对较大。但如果工作电压仅1.5～2.1v，功率相对小很多，产热也非常慢，体积可大幅缩小。

四、产品外观设计与尺寸确定

充电器由三片卡片和中间的电子器件构成，大体上切割为两部分：主体部分用于固定电池、电路和充电接口，盖子部分用于保护充电接口。两部分间通过每层卡片不同的切割方式形成镶嵌式固定，使用时盖子部分可取下并固定在主体部分尾部。

主体部分中间有个镂空设计，用于装配5号电池。我们着重设计三层卡片镂空的尺寸和角度，使其刚好能固定一颗5号电池。

项目总体尺寸与常规磁卡相同，该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http：//总第528期2022年第47期转载须注名来源这是为了让使用者收纳在自己的钱包里。我们探讨过的各种收纳方式中，钱包收纳是最合理的，因为人们出行不会忘记带钱包，且钱包里的卡片在不用时也不会随便取出。

五、原材料收集与产品生产

卡片回收与前期加工。该项目实现并普及的前提之一是，有一个或多个机构组织对废旧磁卡的回收与集中，一旦该前提实现，其他问题便引刃而解。磁卡的前期加工则包括去磁（删除原有信息，这一步有成熟的技术支持，而且很关键，为防止磁卡之前的使用者的信息泄漏），切割（根据我们的设计，这一步有足够的可实现性）以及着色。切割时，每个产品的三层卡片切割方式各不相同：上层卡片有为电子元件预留空间的镂空设计；针对不同型号的充电接口，卡片切割方式也不同。

电子元件的生产与加工。电子元件包括逆变器、变压器和充电接口。不同型号的充电接口会安装在不同型号的卡片上。

电路印刷与电子元件的固定。