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充電寶也稱移動電源，是一種個(gè)人可隨身攜帶，自身能儲備電能，主要為小型消費(fèi)電子產(chǎn)品充電的便攜充電器，特別應(yīng)用在沒有外部電源供應(yīng)的場合。其主要組成部分包括：用作電能存儲的電池，穩(wěn)定輸出電壓的電路（直流-直流轉(zhuǎn)換器），絕大部分的行動電源帶有充電器，用作為內(nèi)置電池充電。

科技進(jìn)步、人們的生活越來越依賴各種電子產(chǎn)品，如手機(jī)、智能手環(huán)、手表等。這些智能產(chǎn)品的普及也使充電寶成為大多數(shù)人生活中的必須品。但是、充電寶產(chǎn)品本身有一定的限制，在使用時(shí)存在著一些不便。如充電寶充電時(shí)電源跟手機(jī)連接限制在一定的距離之內(nèi)，降低了手機(jī)攜帶的方便性。充電寶附屬數(shù)據(jù)線作為一件產(chǎn)品獨(dú)立出來，增加了攜帶負(fù)擔(dān)。有必要對充電寶進(jìn)行設(shè)計(jì)，改善其攜帶性與使用性。

一、充電寶的工作原理

移動電源的主要功能就是電能的存儲和釋放，它的工作過程分為充電和放電兩個(gè)步驟。首先是電能的存儲過程，我們要將電能以5V從輸入電路輸入，經(jīng)過降壓電路，轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存在37V的鋰電池中。使用時(shí)再將電池中的化學(xué)能，經(jīng)過升壓電路轉(zhuǎn)換為5V電壓輸出，實(shí)現(xiàn)了電能的釋放。整個(gè)過程是以電能的轉(zhuǎn)換和電壓的升降為基礎(chǔ)，所以根據(jù)每個(gè)步驟和功能的不同，我們可以將PCB上的電路劃分為控制電路（CPU）、升壓電路（放電）、降壓電路（充電）、保護(hù)電路（保護(hù)板）四個(gè)部分。

二、充電寶的構(gòu)造部件

現(xiàn)有市場上的充電寶基本上由固定外殼、蓄電電芯、升壓系統(tǒng)和充電管理系統(tǒng)所構(gòu)成。

外殼：塑膠殼（一般充電寶均以ABS/PC料為主）和金屬殼（航空鋁外殼等）。

充電寶電芯：電芯是充電寶的核心部分，是充電寶的電量儲存器，由電池組成。常用的電池有聚合物鋰電池、18650鋰電池、AAA鎳氫電池。

升壓系統(tǒng)：升壓主流技術(shù)基本采用DC-DC的升壓方式。國內(nèi)技術(shù)轉(zhuǎn)換效率普遍低，一般在50-70。根據(jù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率計(jì)算出電源輸出電量，以5000mAh充電寶為例：實(shí)際輸出容量=（充電寶容量5000mAhx3.7Vx轉(zhuǎn)化率85%）/5V=3145mAh。

充電管理系統(tǒng)：目前國內(nèi)充電管理系統(tǒng)比較成熟，智能IC監(jiān)控整個(gè)充電過程。主流管理IC有ZS6366、PX40等。充電時(shí)間5000maH電池充電大約8小時(shí)。過快充對電池的壽命有不良影響。

三、便攜充電寶設(shè)計(jì)

便攜性設(shè)計(jì)是指攜帶方便、使用簡單的設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)具有可以讓用戶快速了解設(shè)計(jì)產(chǎn)品的各種使用信息的特性。根據(jù)便攜性的設(shè)計(jì)理念對充電寶進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。旨在通過創(chuàng)新滿足用戶更多的使用需求。在外觀上達(dá)到簡潔的設(shè)計(jì)特征，功能上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展性，并將便攜性的設(shè)計(jì)特征充分體現(xiàn)在充電寶的設(shè)計(jì)上。

1、充電寶系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

便攜式充電寶即可以為普通設(shè)備充電，同時(shí)也可以為電池充電。另外，將數(shù)據(jù)線與充電寶一體化，并通過數(shù)據(jù)線的巧妙設(shè)計(jì)擴(kuò)展了充電寶的便攜功能特性。

2、充電寶功能設(shè)定

在充電寶的一面設(shè)計(jì)了一個(gè)手機(jī)電池存放空間，備用手機(jī)電池可直接放置在內(nèi)。手機(jī)電池放入后，利用內(nèi)置緩沖彈簧區(qū)將電池固定，調(diào)節(jié)充電彈簧接片與電池正負(fù)極相接，即可為備用電池充電。在為電池充電的同時(shí)，還可以為其他設(shè)備充電。上提升了充電效率，為用戶帶來便利。

現(xiàn)有充電寶大多采用本體與數(shù)據(jù)線分離的模塊化的形式。在使用時(shí)需將數(shù)據(jù)線的USB接口插入充電寶的輸出端口，再將另一端連接到需要充電的設(shè)備上。外出或旅行時(shí)，數(shù)據(jù)線常常被遺忘或丟失，影響充電寶的使用。若將數(shù)據(jù)線固定在充電寶上，就可以避免這種尷尬的情況。所設(shè)計(jì)的便攜式充電寶將數(shù)據(jù)線A型公口固定于充電寶的右側(cè)，實(shí)現(xiàn)一體化的設(shè)計(jì)：在右側(cè)設(shè)計(jì)方形槽口，在槽口的上、中、下三部分設(shè)計(jì)三個(gè)卡口，扁平化數(shù)據(jù)線通過纏繞在槽口內(nèi)進(jìn)行收納，輸出端口卡在卡口上將其固定。當(dāng)卡在中部卡口時(shí)，數(shù)據(jù)線向外延伸，可以作為提手使用，方便充電寶的攜帶。

省略外接通用A型公口，將A型公口數(shù)據(jù)跑線直接連接到充電寶內(nèi)部。這一設(shè)計(jì)既減少制造材料的消耗，又避免了數(shù)據(jù)線丟失。在便于收納的基礎(chǔ)上，增加了“可提式"的附加功能。

3、充電寶的材料選擇

充電寶的材料選擇對充電寶來說至關(guān)重要。充電寶的核心部件為電池芯、IC保護(hù)芯片、外殼、充放電端口等。電池芯主要分為普通鋰離子電芯和鋰聚合物電芯。聚合物電芯和鋰離子電芯的有很大的區(qū)別。聚合物電芯容量比鋰電芯高，且較為安全不會爆炸。從安全角度考量，鋰聚合物電芯無疑更加安全可靠。

IC芯片是充電寶重要的核心元件。，IC芯片可以檢測升壓電路系統(tǒng)是否完善，保證升壓轉(zhuǎn)換效率（一般轉(zhuǎn)換率不低于80%）。第二，IC芯片能起到過充、過放等負(fù)載保護(hù)。第三，可以提供智能電量顯示，讓人們對電量一目了然。

充電寶外殼多為塑料和金屬材料。在金屬材料中，常用的是鋁合金。塑料中，常用的是ABS樹脂，ABS樹脂具有抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、表面光澤性好等特點(diǎn)，容易涂裝、著色，還可以進(jìn)行表面噴鍍金屬、電鍍等操作。另外，這種材料能很好地保護(hù)充電寶里面的電芯和電板，可避免由于用材不當(dāng)而引起的安全隱患。考慮到成本和便捷性需要，便攜式充電寶外殼采用塑料材質(zhì)中的ABS+PC。ABS+PC材料通過表面噴鍍金屬、電鍍等操作，具有光澤好、比重輕和價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品大多呈現(xiàn)出較為精巧的表面效果，非常符合便攜式的設(shè)計(jì)理念和使用需要。

充放電端口的材料選擇采用常用的Mini B型5Pin端口和lightning端口?？梢詾槭袌錾螦ndroid以及Apple設(shè)備使用。

4、充電寶的人機(jī)考量

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和使用的過程中，人機(jī)因素*。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮使用者的感受，從用戶的實(shí)際需求出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)。便攜式充電寶的人機(jī)參考需要滿足抓握方式中的著力抓握，即手掌和手指需要同時(shí)用力。肌力適應(yīng)性而言，充電寶的厚度應(yīng)與手機(jī)厚度相似。相對于手持手機(jī)，充電寶于手部控制部位尺寸中虎口食指叉距不應(yīng)過大，過大容易引起手部酸累。在保持厚度適宜抓握的同時(shí)，設(shè)計(jì)充電寶長寬比例不可超出手部的可持范圍，應(yīng)盡量使充電寶的重心維持在掌心與手指關(guān)節(jié)區(qū)域內(nèi)。

參考以上人機(jī)要求，進(jìn)行人機(jī)實(shí)驗(yàn)，最終便攜式充電寶采用的尺寸為：長175mm，寬50mm，厚19mm。在避免產(chǎn)生手部酸累的前提下，在充電寶左右側(cè)的上部添加充電端口和數(shù)據(jù)線安放空間，增大摩擦力，便于抓握。

5、充電寶的外形設(shè)計(jì)心理分析

好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要在外觀設(shè)計(jì)過程中滲入了消費(fèi)者的審美觀念。作為隨身攜帶，具有一定功用的電子產(chǎn)品來說，消費(fèi)者同樣注重其外觀特性，所以主流廠商在加大電池電源管理技術(shù)革新的同時(shí)，也在加大符合消費(fèi)者審美觀的產(chǎn)品外觀的研發(fā)。

色彩是產(chǎn)品審美的重要構(gòu)成要素，根據(jù)色彩理論和配色原理,有目的的色彩配置計(jì)劃才能夠創(chuàng)造出美的、理想的產(chǎn)品色彩效果。市場上的充電寶顏色眾多，如流星的銀色、金色等。便攜式充電寶的設(shè)計(jì)以白色為主色，白色意為純粹，象征純潔、樸素、高雅。作為非彩色的極色，白色與黑色一樣，與所有的色彩構(gòu)成明快的對比調(diào)和關(guān)系，有很好的視覺傳達(dá)能力。另外，白色可以和很多顏色進(jìn)行搭配，符合充電寶輔助其他電子產(chǎn)品運(yùn)行的角色。同時(shí)使用充電寶的場合復(fù)雜多樣，白色可以更好的配合其他顏色。

便攜式充電寶通過對目前普通充電寶進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)，在功能和使用上均實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新：解決了外接數(shù)據(jù)線的冗長纏繞的問題，將數(shù)據(jù)線的功能拓展作為提手使用，提升了充電寶的便攜性；增加了一個(gè)能放置手機(jī)電池的空間，給電池充電的同時(shí)，也可為其他移動設(shè)備充電，提升了工作效率?？傮w設(shè)計(jì)充分考慮了人機(jī)性能和使用者心理因素，為用戶提供了不一樣的使用體驗(yàn)。

四、多功能移動電源方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過充分的市場調(diào)研,發(fā)現(xiàn)消費(fèi)者對移動電源除了充電本身需求以外,對充電寶的其他擴(kuò)展功能帶著更多的期許。根據(jù)問卷調(diào)查人們希望可以通過充電寶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能,方便數(shù)據(jù)拷貝等；且希望解決在辦公時(shí)USB插槽不夠用的問題。此外,部分智能設(shè)備采用9V、12V或20V等電源適配器,而目前主流充電寶均采用5V電壓輸出,這顯出了目前充電寶通用性不強(qiáng)。因此,基于市場需求,我們設(shè)計(jì)研究了新型多功能充電寶。能夠有效的解決上述問題。

多功能充電寶可以有減少人們出行時(shí)數(shù)據(jù)線、轉(zhuǎn)換接口與轉(zhuǎn)換頭的攜帶。在大數(shù)據(jù)時(shí)代中,多功能充電寶的OTG功能與HUB功能提供了一種穩(wěn)定、快捷、安全的數(shù)據(jù)交換方式。多功能充電寶的升壓模塊增加了充電寶的通用性,可以應(yīng)急與不同規(guī)格電壓的電子設(shè)備,為人們的生活帶來了極大的便利。本設(shè)計(jì)中的充電寶集多種功能于一體,但在其成本幾乎不增加、電容量也未減少的情況下,在原來充電寶的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)交互能力、升壓能力、擴(kuò)槽功能。這些小功能大大減輕了出行的負(fù)擔(dān),具有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值和較大的現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)效益。

五、多功能充電寶功能

該研究在現(xiàn)有充電寶充放電功能上增加附屬功能。如OTG功能,方便移動設(shè)備之間的數(shù)據(jù)拷貝和信息交換；同時(shí)具有HUB功能,解決工作中常因電腦USB口帶來的煩惱；最后還具有可調(diào)升壓功能,為生活中較大功率的電子設(shè)備(電腦等)應(yīng)急供電。多功能充電寶整個(gè)裝置由鋰電池、LED手電筒、LCD顯示屏、開關(guān)按鍵(功能切換鍵)、HUB模塊、OTG電路、可調(diào)升壓電路、智能管理、雙功能數(shù)據(jù)線構(gòu)成,如圖1所示。

1、充電寶原有功能

本設(shè)計(jì)中充電寶仍采用性價(jià)比高的鋰電池。而LCD顯示屏除對剩余電量時(shí)時(shí)顯示外,還可以顯示當(dāng)前充電寶所處的狀態(tài)(OUT-輸出,IN-輸入,OTG功能,HUB功能)以及USB口輸出的電壓。保留原有充電寶的照明等功能。

2、充電寶附加功能

OTG功能:OTG主要應(yīng)用于各種不同的設(shè)備或移動設(shè)備間的連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本設(shè)計(jì)中OTG功能的實(shí)現(xiàn)主要是由智能管理芯片和雙功能數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)的。若需要讀取硬盤等設(shè)備,可以使用充電寶額外供電解決功率不夠的問題。

HUB功能:上行口通過雙功能數(shù)據(jù)線接PC機(jī)等HOST設(shè)備,下行口與、第二USB接口連接,再連接鍵盤、鼠標(biāo)、U盤、打印機(jī)等設(shè)備。

可調(diào)升壓功能:本充電寶內(nèi)含直流可調(diào)升壓模塊,將電芯2.7-4.2V電壓轉(zhuǎn)換成為所需要的5V～21V電壓給目標(biāo)設(shè)備充電。但是轉(zhuǎn)換的電壓差越大,電路的能耗也會相應(yīng)增大,建議高于10V的電子設(shè)備只做應(yīng)急使用。

3、智能充電管理

充電寶的電路中含有保護(hù)電路(過充、過放、高溫保護(hù))、升壓電路、智能管理芯片,與其他功能模塊相配合,增加充電寶的實(shí)用性和穩(wěn)定性。其中智能管理芯片對充放電功能、OTG功能、HUB功能和可調(diào)升壓功能進(jìn)行智能管理,根據(jù)用戶的需要進(jìn)行功能切換。

4、雙功能數(shù)據(jù)線

與普通數(shù)據(jù)線不同之處就是在ID引腳與G ND之間多接了一個(gè)開關(guān),通過開關(guān)的通斷,讓機(jī)器分辨誰是主機(jī)、誰是Device。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),與普通數(shù)據(jù)線一樣,由外部設(shè)備供電；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí),相當(dāng)于OTG數(shù)據(jù)線,手機(jī)芯片檢測到ID引腳低電位,手機(jī)給U盤等外設(shè)供電。

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