模擬高溫環境充電對手機快充系統的影響

朱曉棟，王世栩，忻龍

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200000）

引言

手機快充系統包含快速充電器、數據線和鋰電池三大部件，下稱“快充系統”。在日常生活中為手機充電的場景無處不在，由于我國南北氣候差異很大，并且隨著快速充電器的普及和充電器輸出功率的增大，手機在充電過程中往往伴隨著自身內部的高溫環境。我國對手機產品的市場準入有著明確的規定，手機及其關鍵件需通過CCC強制認證。充電器和手機主體認證標準為GB 4943.1-2011《信息技術設備的安全》，此標準側重點在于電氣安全試驗。而針對鋰電池的認證標準為GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求》，此標準涉及安全和環境試驗。但由于標準的局限性，上述標準均未涉及對手機快充系統的環境試驗。本文以此為研究方向，結合實際充電場景，探究一種模擬高溫環境的試驗方法，并研究該方法對手機快充系統的影響。

1 高溫環境試驗模型建立

1.1 高溫環境的生成因素

首先開展手機在充電過程中高溫環境的生成因素研究，掌握影響手機在充電過程中的發熱的因素，研究結果如下：

1） 環境溫度因素：根據標準GB 4943.1-2011有關熱帶氣候條件環境的定義，產品在35 ℃環境下通過測試，便可作為熱帶氣候條件下使用的產品。然而我國地緣遼闊，跨越多個氣候帶，并且海拔高度不同。在南部地區普遍夏季環境溫度可達40 ℃，而據中國氣象局發布的報道，在一些高海拔地區，極端情況下溫度可達45 ℃。近年來隨著全球氣候變暖，北方地區夏季也不再涼爽，如2014年，華北、黃淮等地出現大范圍高溫天氣，北京、天津、河北等地氣溫達40~42 ℃。上述情況，都使手機在充電初始就處于較高的環境溫度。

2）產品設計因素：隨著20世紀初，手機電池內置不可更換，以及大部分主流手機具有防水性能的要求，導致目前市面上的手機除了充電接口外，為全封閉外殼設計。因此在充電過程中，內部元器件發熱無法快速得到釋放。在使用大功率的快速充電器時，手機內置充電芯片和電池均為主要發熱源。在邊充電邊使用手機的場景下，電池的表面溫度還將受到手機處理器溫升的影響。

3） 元器件老化因素：數據線和充電口長期暴露在環境中，接頭和接口的接觸面受到氧化、腐蝕、污染物沉積的影響，使充電時的內阻增大，發熱量增大。在極端情況下，更有發生短路和充電過載等問題。

1.2 高溫環境的模擬試驗方法確立

隨后結合已知的高溫環境生成因素，從手機充電過程中主要發熱源鋰電池為突破口，與現有的鋰離子電池環境測試方法進行對比參考。以及從理論上分析手機充電過程中的電氣參數對內部環境的影響。建立了高溫環境下模擬試驗方法。試驗方法分為預處理試驗、高溫充電試驗和溫度循環試驗，方法步驟如下：

1.2.1 預處理試驗：

本部分試驗的目的是為了加速各部件的老化，模式手機長期時候后的狀態。針對充電器，數據線和鋰電池分別進行試驗：

1）針對快速充電器，進行輸入電流試驗。該試驗來源GB 4943.1-2011，1.6.2章節，在環境試驗之前通過該測試確認受檢產品的最大輸入電壓、電流和功率。確保在后期的模擬高溫充電試驗中的快充狀態的有效性。

2）針對數據線，進行鹽霧試驗。該試驗來源GB/T 2423.18-2021《環境試驗 第 2 部分：試驗方法 試驗Kb：鹽霧，交變(氯化鈉溶液)》，試驗方法3。該試驗方法可降低數據線金屬材料接口的性能。已達到模擬老化數據線的目的。試驗后，要求數據線功能應不受影響，可供快速充電器正常為手機充電。

3）針對內置鋰電池，為了加速電池的老化，進行200次充放電循環預處理。該試驗來源GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求》，4.7.4章節。試驗后，鋰電池應完好，外觀無異常。

1.2.2 高溫充電試驗

該試驗參考鋰離子電池GB 31241-2014標準中的8.7章節：“高溫使用”。上述標準規定：“樣品在高溫條件下使用應具有足夠的安全性”。因此當手機整體作為試驗對象時，就將手機“充電狀態”作為樣品的使用狀態。根據我國實際情況修改環境試驗箱內的環境溫度為制造商規定的最大使用環境溫度，或者40 ℃，兩者取較大值。并設有如下兩種試驗狀態：

1）將20 %饋電狀態的手機樣品與快速充電器一同放置在高溫試驗箱內，試驗箱內的溫度設為上述規定溫度。直至手機端顯示100 %充電完成。記錄手機充電過程中手機外表面和內置電池表面的最高溫度（℃）。

2）模擬在手機20 %饋電且模擬通話狀態下，以（1）相同的方式進行充電，記錄記錄手機充電過程中手機外表面和內置電池表面的最高溫度（℃）。直至手機端顯示100 %充電完成。

比較兩種試驗狀態下的最高溫度，取較大值為“最高測量溫度”，記作：T，單位：℃。

整個充電過程中，手機因能正常工作，無短路、外觀無鼓包等現象。

1.2.3 溫度循環試驗：

該試驗參考鋰離子電池GB 31241-2014標準中的7.2章節：“溫度循環”。但修改了高溫值，將高溫值定為“高溫充電試驗”中的最高測量溫度值。用以模擬手機的內部實際發熱情況。考慮到實際單次充電時間和平均手機使用壽命，修改了單次循環時間和循環次數。具體試驗步驟如下：

將處于充電狀態下的手機放置于初始溫度為15~25 ℃的環境箱中：

1）在“T”±2 ℃的實驗箱中保持2 h。

2）后將試驗箱溫度降為（-40±2）℃，并保持2 h，溫度轉換時間不大于30 min。

3）再次講試驗箱溫度升高為：“T”±2 ℃，溫度轉換時間不大于30 min。

4）重復步驟1）~3），共循環100次。結束后待樣品恢復到室溫環境，溫度循環示意圖見圖1。

圖1 溫度循環示意圖

試驗過程中，手機應無危險情況發生。試驗完成后，手機應能正常工作，檢查內部電池無鼓包和漏液現象。此測試側重點在于模擬現實充電場景，以及極端溫度變化下對手機充電系統的影響。

備注：其中“最高測量溫度”為高溫充電試驗中，手機外表面和內置電池表面的最高測量溫度，兩者取較大的值。

2 高溫環境的模擬試驗方法的驗證

2.1 樣品準備

本次試驗樣品選用兩臺市場熱門的原裝手機及其快速充電器產品。

品牌A：支持快充，標配USB type-C數據線，電池a，充電器最大輸出功率為22.5 W。

品牌B：支持快充，標配USB type-C數據線，電池b，充電器最大輸出功率為30.0 W。

2.2 試驗設備

功率計（WT310，橫河），鹽霧試驗箱（BR-PVSST），溫度記錄儀（MX100，橫河），移動通訊終端綜合測試儀（CMW500，R&S），高低溫高變濕熱試驗箱（SETH-Z-101UK），電池充放電測試系統（BT 2000，Arbin Corporation）等。

2.3 試驗結果分析

根據1.2試驗方法的步驟，對樣品的進行試驗，實驗結果如下：

1）輸入電流試驗。品牌A：充電器最大輸入功率：23.3 W。品牌B：充電器最大輸入功率：30.7 W。可知兩款手機使用原裝充電器均可在快充的最大功率下進行充電。

2）鹽霧試驗。在經過7d的鹽霧試驗后，兩款鹽霧試驗后的數據線表面完好，無異常。與手機和充電器相連后，可以滿足快充要求。

3）充放電循環試驗：試驗后兩款手機電池均外觀平整無異常。電容量測試（圖2）顯示，兩款電池均有容量衰減，成功模擬了長期使用后的電池狀態。

圖2 經過200次充放電循環后的電池容量

4）高溫充電試驗。為了更好的模擬我國夏季的環境溫度，試驗箱環境溫度設為40 ℃，兩款手機產品均在模擬手機通話的狀態下，在內置電池表面測得“最高測量溫度”。品牌A和品牌B分別為71.6 ℃和67.2 ℃。

5）溫度循環試驗。兩款品牌的手機經過溫度循環實驗后，其中品牌A手機后殼側邊有明顯的鼓包現象，見圖3。品牌B的手機外觀無異常見圖4。

圖3 溫度循環試驗后電池a有明顯的鼓包

圖4 溫度循環試驗后品牌B手機

3 高溫模擬實驗方法的創新性及科學性

1）使用現有的，廣為采納的測試方法，為手機產品各組成部分進行預測試處理，模擬了真實使用環境，縮短了整體測試時間。

2）基于手機快充系統在充電過程中的高溫成因研究，通過對現行標準的理解和修改，設計針對快速充電系統的整體測試方案，使得不同的試驗方法之間具有關聯性，增強了試驗結果的科學性。

4 總結和展望

群眾對手機充電速度要求的提高推動了手機快速充電器的發展。目前手機充電發展速度突飛猛進，從功率的角度看，目前銷售市場氮化鎵材料充電器已經將功率推上100 W以上。在追求高效率充電的同時，也產生了對手機高功率充電安全性的質疑。尤其在高溫環境下，充電器、數據線和鋰電池組成的快充系統受環境高溫影響的穩定性顯得尤為重要。本次試驗結果證明高溫環境對手機快充系統具有一定的影響，但礙于樣本數量的限制，試驗方法的普適性仍待后續研究。近年來，在充電技術不斷發展的背景下，本文寄希望給予測試方法制定者一些新思路，在注重產品電氣安全的同時，還能夠兼顧產品整體的環境適應性。