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《試驗箱在智能穿戴設備電池領域的壽命測試》

來源:廣東皓天檢測儀器有限公司   2025年08月08日 10:28  

《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,為電池生產企業優化電芯材料、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航能力與使用可靠性,滿足用戶對設備長效穩定運行的需求。

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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,測試電池結構穩定性及性能衰減。
  1. 電池充放電測試系統(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%,可實時監測電池在循環過程中的內阻變化,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,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境下的循環壽命。
  1. 智能手環鋰電池(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,側重測試振動環境下的性能穩定性。
  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)環境因素影響測試

  1. 高低溫循環測試

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

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

  1. 濕熱環境測試

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

樣品 B 固定于振動試驗箱,設置隨機振動(10Hz~500Hz,加速度 10g),持續振動 2 小時后,進行 50 次 0.5C 充放電循環,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 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(常規截止電壓為 3.0V),再以 0.5C 充電至 4.2V,循環 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,累計充放電量相當于 100 次標準循環,測試容量保持率。

五、數據采集與分析

  1. 核心數據記錄

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

  • 容量保持率:每次循環后,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

采用東莞皓天研發的電池壽命評估模型,以循環壽命為核心指標,結合容量保持率、內阻變化率等參數,按 “環境適應性(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 100 次后,容量保持率 70%;60℃循環 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 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 200 次后,容量保持率 58%;1C 快充循環 200 次后,容量保持率 70%,綜合得分 65 分。

  1. 樣品 D:濕熱環境循環 50 次后,容量保持率 75%;間歇充放電循環后,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:低溫環境下容量衰減快(樣品 A)、快充模式下循環壽命短(樣品 C)、濕熱環境下內阻增長明顯(樣品 D)。

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

  1. 磷酸鐵鋰電池(樣品 B)在振動環境下表現更穩定,三元材料電池(樣品 D)在濕熱環境下的耐受性優于鋰鈷氧化物電池(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:濕熱環境下,封裝工藝存在微縫隙,水分滲入電池內部,引發副反應,導致內阻增大。

  1. 樣品 B:磷酸鐵鋰材料結構穩定性好,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?),提升結構穩定性;優化電解液配方,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 4.2V),減少正極材料損耗。

  1. 測試流程強化

建議企業在量產前增加 “高低溫 + 振動 + 快充” 的復合環境測試(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化的全鏈條服務,包括定制化試驗方案(如高海拔低氣壓環境模擬)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化。


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