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《試驗箱在智能穿戴設備電池領域的壽命測試》

發(fā)布時間: 2025-08-08  點擊次數: 217次

《試驗箱在智能穿戴設備電池領域的壽命測試》

一、試驗目的

東莞皓天檢測儀器有限公司針對智能穿戴設備電池開展壽命測試,旨在模擬電池在不同使用環(huán)境(如高低溫、濕熱、振動等)及充放電模式下的性能衰減過程,量化評估其循環(huán)壽命、容量保持率、自放電率等關鍵指標。通過測試驗證電池是否符合 GB/T 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求》、IEC 62133-2017 等標準中關于壽命的要求,為電池生產企業(yè)優(yōu)化電芯材料、改進封裝工藝及完善充放電算法提供數據支撐,助力提升智能穿戴設備的續(xù)航能力與使用可靠性,滿足用戶對設備長效穩(wěn)定運行的需求。

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二、實驗 / 設備條件

(一)核心試驗設備(東莞皓天專屬配置)

  1. 高低溫濕熱循環(huán)試驗箱(HT-SR-1000)

溫度范圍 - 40℃~85℃,濕度范圍 20%~98% RH,溫變速率可達 5℃/min,艙內配備電池專用防爆腔體,可同時放置 20 組小型電池樣品,用于模擬不同氣候環(huán)境對電池壽命的影響。
  1. 振動試驗箱(HT-ZD-500)

支持正弦振動與隨機振動模式,頻率范圍 10Hz~2000Hz,加速度 50g,配備電池固定夾具,模擬智能穿戴設備在運動、攜帶過程中的振動沖擊,測試電池結構穩(wěn)定性及性能衰減。
  1. 電池充放電測試系統(tǒng)(HT-CD-800)

支持恒流、恒壓、脈沖等多種充放電模式,電流范圍 0.1A~5A,電壓范圍 0.5V~5V,精度 ±0.2%,可同步記錄電池充放電過程中的電壓、電流、容量等參數,自動生成循環(huán)壽命曲線。
  1. 電池內阻測試儀(HT-NZ-200)

測量范圍 0.1mΩ~10Ω,精度 ±1%,可實時監(jiān)測電池在循環(huán)過程中的內阻變化,評估電池內部極化程度。
  1. 真空干燥箱(HT-ZK-300)

溫度范圍 50℃~200℃,真空度≤133Pa,用于電池測試前的預處理(去除水分)及測試后的干燥分析。

(二)輔助設備

  • 紅外測溫儀(精度 ±0.5℃,監(jiān)測電池充放電過程中的溫度變化)

  • 數據采集儀(采樣頻率 1kHz,同步記錄環(huán)境參數與電池性能數據)

  • 電池容量校準儀(確保容量測試的準確性)

  • 防爆防護裝置(包括防爆膜、惰性氣體滅火系統(tǒng),保障測試安全)

三、試驗樣品

選取 4 類主流智能穿戴設備電池,覆蓋不同產品類型與電芯技術:
  1. 智能手表鋰電池(樣品 A)

鋰鈷氧化物電芯,容量 300mAh,電壓 3.7V,采用軟包封裝,用于主流智能手表,重點測試其在高低溫環(huán)境下的循環(huán)壽命。
  1. 智能手環(huán)鋰電池(樣品 B)

磷酸鐵鋰電池芯,容量 150mAh,電壓 3.2V,圓柱封裝,應用于智能手環(huán),側重測試振動環(huán)境下的性能穩(wěn)定性。
  1. 智能耳機鋰電池(樣品 C)

鋰聚合物電芯,容量 100mAh,電壓 3.8V,微型硬殼封裝,用于無線耳機,重點評估快充模式對壽命的影響。
  1. 智能眼鏡鋰電池(樣品 D)

三元材料電芯(鎳鈷錳比例 8:1:1),容量 500mAh,電壓 3.7V,異形封裝,需測試其在濕熱環(huán)境下的容量保持率。

四、試驗步驟及條件

(一)基礎性能標定(所有樣品)

在標準環(huán)境(25℃、50% RH)下,對電池進行初始性能測試:
  • 容量標定:以 0.5C 電流充電至終止電壓,靜置 1 小時,再以 0.5C 電流放電至截止電壓,記錄初始容量(C0)。

  • 內阻測試:滿電狀態(tài)下測量電池初始內阻(R0)。

  • 自放電率測試:滿電電池靜置 24 小時,測量剩余容量,計算自放電率(初始容量 - 剩余容量)/ 初始容量 ×100%。

(二)環(huán)境因素影響測試

  1. 高低溫循環(huán)測試

將樣品 A、C、D 分別置于高低溫濕熱循環(huán)試驗箱,設置循環(huán)條件:
  • 低溫循環(huán):-20℃(2h)→25℃(1h),以 0.5C 充放電循環(huán) 100 次,記錄每次循環(huán)的放電容量。

  • 高溫循環(huán):60℃(2h)→25℃(1h),同樣以 0.5C 充放電循環(huán) 100 次,對比容量衰減差異。

  1. 濕熱環(huán)境測試

樣品 D 在 40℃、90% RH 環(huán)境下靜置 72 小時后,進行 50 次 0.5C 充放電循環(huán),測試容量保持率及內阻變化。
  1. 振動環(huán)境測試

樣品 B 固定于振動試驗箱,設置隨機振動(10Hz~500Hz,加速度 10g),持續(xù)振動 2 小時后,進行 50 次 0.5C 充放電循環(huán),觀察電池是否漏液、鼓包,記錄容量衰減情況。

(三)充放電模式影響測試

  1. 快充循環(huán)測試

樣品 C 分別以 1C、2C 電流充電(至終止電壓),0.5C 電流放電(至截止電壓),各循環(huán) 200 次,記錄容量衰減曲線。
  1. 深度放電測試

樣品 A 以 0.5C 電流放電至 2.5V(常規(guī)截止電壓為 3.0V),再以 0.5C 充電至 4.2V,循環(huán) 50 次,評估深度放電對壽命的影響。
  1. 間歇充放電測試

模擬用戶日常使用習慣,樣品 D 進行 “充電 30 分鐘→靜置 2 小時→放電 30 分鐘" 的循環(huán),累計充放電量相當于 100 次標準循環(huán),測試容量保持率。

五、數據采集與分析

  1. 核心數據記錄

  • 循環(huán)壽命:記錄電池容量降至初始容量 80% 時的循環(huán)次數(L1)及降至 60% 時的循環(huán)次數(L2)。

  • 容量保持率:每次循環(huán)后,計算當前放電容量與初始容量的比值(Cn/C0×100%)。

  • 內阻變化率:(當前內阻 Rn - 初始內阻 R0)/R0×100%。

  • 自放電率:在不同測試階段,定期測量 24 小時自放電率。

  1. 綜合分析方法

采用東莞皓天研發(fā)的電池壽命評估模型,以循環(huán)壽命為核心指標,結合容量保持率、內阻變化率等參數,按 “環(huán)境適應性(40%)+ 充放電耐受性(40%)+ 安全性(20%)" 加權計算綜合得分(100 分制),劃分優(yōu)秀(≥90 分)、合格(70~89 分)、待改進(<70 分)三個等級。

六、實驗結果與結論

(一)單項測試結果

  1. 樣品 A:在 - 20℃循環(huán) 100 次后,容量保持率 70%;60℃循環(huán) 100 次后,容量保持率 65%,綜合得分 72 分。

  1. 樣品 B:振動測試后循環(huán) 50 次,容量保持率 82%,無漏液鼓包,綜合得分 80 分。

  1. 樣品 C:2C 快充循環(huán) 200 次后,容量保持率 58%;1C 快充循環(huán) 200 次后,容量保持率 70%,綜合得分 65 分。

  1. 樣品 D:濕熱環(huán)境循環(huán) 50 次后,容量保持率 75%;間歇充放電循環(huán)后,容量保持率 85%,綜合得分 78 分。

(二)綜合結論

  1. 智能穿戴設備電池的壽命短板主要體現在:低溫環(huán)境下容量衰減快(樣品 A)、快充模式下循環(huán)壽命短(樣品 C)、濕熱環(huán)境下內阻增長明顯(樣品 D)。

  1. 東莞皓天的高低溫濕熱循環(huán)試驗箱與電池充放電測試系統(tǒng)可精準捕捉電池在不同條件下的性能衰減規(guī)律,為缺陷定位提供可靠數據。

  1. 磷酸鐵鋰電池(樣品 B)在振動環(huán)境下表現更穩(wěn)定,三元材料電池(樣品 D)在濕熱環(huán)境下的耐受性優(yōu)于鋰鈷氧化物電池(樣品 A)。

七、失效分析與改進建議

(一)失效原因分析

  1. 樣品 A:鋰鈷氧化物電芯在低溫下離子傳導速率下降,導致容量衰減快;高溫下正極材料結構易坍塌,加劇容量損失。

  1. 樣品 C:2C 快充時,電池內部產生大量焦耳熱,導致電解液分解速度加快,SEI 膜破裂并重新形成,消耗活性鋰。

  1. 樣品 D:濕熱環(huán)境下,封裝工藝存在微縫隙,水分滲入電池內部,引發(fā)副反應,導致內阻增大。

  1. 樣品 B:磷酸鐵鋰材料結構穩(wěn)定性好,但能量密度較低,限制了其在高容量需求設備中的應用。

(二)改進建議

  1. 材料與工藝優(yōu)化

  • 樣品 A:采用摻雜改性的鋰鈷氧化物正極材料(如摻雜 Al3?),提升結構穩(wěn)定性;優(yōu)化電解液配方,添加低溫增塑劑(如碳酸亞乙烯酯)。

  • 樣品 D:改進封裝工藝,采用激光焊接密封,增加防水透氣膜,阻止水分進入同時允許氣體排出。

  1. 充放電策略改進

  • 樣品 C:開發(fā)智能快充算法,當電池溫度超過 40℃時自動降低充電電流;設置快充截止電壓(如 4.1V,低于常規(guī) 4.2V),減少正極材料損耗。

  1. 測試流程強化

建議企業(yè)在量產前增加 “高低溫 + 振動 + 快充" 的復合環(huán)境測試(利用東莞皓天綜合測試平臺),模擬使用場景;每批次電池抽樣進行 1000 次循環(huán)測試,確保批量化產品的壽命一致性。
東莞皓天可提供從電池樣品測試到生產工藝優(yōu)化的全鏈條服務,包括定制化試驗方案(如高海拔低氣壓環(huán)境模擬)及失效機理分析報告。若需針對特定類型電池(如固態(tài)電池)開展測試,可聯系技術團隊獲取專項解決方案。

以上方案僅供參考,在實際試驗過程中,可根據具體的試驗需求、資源條件以及產品的特性進行適當調整與優(yōu)化。





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