朱曉棟，王世栩，忻龍

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200000）

引言

手機(jī)快充系統(tǒng)包含快速充電器、數(shù)據(jù)線和鋰電池三大部件，下稱“快充系統(tǒng)”。在日常生活中為手機(jī)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(jī)在充電過程中往往伴隨著自身內(nèi)部的高溫環(huán)境。我國對(duì)手機(jī)產(chǎn)品的市場準(zhǔn)入有著明確的規(guī)定，手機(jī)及其關(guān)鍵件需通過CCC強(qiáng)制認(rèn)證。充電器和手機(jī)主體認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為GB 4943.1-2011《信息技術(shù)設(shè)備的安全》，此標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重點(diǎn)在于電氣安全試驗(yàn)。而針對(duì)鋰電池的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為GB 31241-2014《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求》，此標(biāo)準(zhǔn)涉及安全和環(huán)境試驗(yàn)。但由于標(biāo)準(zhǔn)的局限性，上述標(biāo)準(zhǔn)均未涉及對(duì)手機(jī)快充系統(tǒng)的環(huán)境試驗(yàn)。本文以此為研究方向，結(jié)合實(shí)際充電場景，探究一種模擬高溫環(huán)境的試驗(yàn)方法，并研究該方法對(duì)手機(jī)快充系統(tǒng)的影響。

1 高溫環(huán)境試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h2>

1.1 高溫環(huán)境的生成因素

首先開展手機(jī)在充電過程中高溫環(huán)境的生成因素研究，掌握影響手機(jī)在充電過程中的發(fā)熱的因素，研究結(jié)果如下：

1） 環(huán)境溫度因素：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 4943.1-2011有關(guān)熱帶氣候條件環(huán)境的定義，產(chǎn)品在35 ℃環(huán)境下通過測試，便可作為熱帶氣候條件下使用的產(chǎn)品。然而我國地緣遼闊，跨越多個(gè)氣候帶，并且海拔高度不同。在南部地區(qū)普遍夏季環(huán)境溫度可達(dá)40 ℃，而據(jù)中國氣象局發(fā)布的報(bào)道，在一些高海拔地區(qū)，極端情況下溫度可達(dá)45 ℃。近年來隨著全球氣候變暖，北方地區(qū)夏季也不再?zèng)鏊?，?014年，華北、黃淮等地出現(xiàn)大范圍高溫天氣，北京、天津、河北等地氣溫達(dá)40~42 ℃。上述情況，都使手機(jī)在充電初始就處于較高的環(huán)境溫度。

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

3） 元器件老化因素：數(shù)據(jù)線和充電口長期暴露在環(huán)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(shí)的內(nèi)阻增大，發(fā)熱量增大。在極端情況下，更有發(fā)生短路和充電過載等問題。

1.2 高溫環(huán)境的模擬試驗(yàn)方法確立

隨后結(jié)合已知的高溫環(huán)境生成因素，從手機(jī)充電過程中主要發(fā)熱源鋰電池為突破口，與現(xiàn)有的鋰離子電池環(huán)境測試方法進(jìn)行對(duì)比參考。以及從理論上分析手機(jī)充電過程中的電氣參數(shù)對(duì)內(nèi)部環(huán)境的影響。建立了高溫環(huán)境下模擬試驗(yàn)方法。試驗(yàn)方法分為預(yù)處理試驗(yàn)、高溫充電試驗(yàn)和溫度循環(huán)試驗(yàn)，方法步驟如下：

1.2.1 預(yù)處理試驗(yàn)：

本部分試驗(yàn)的目的是為了加速各部件的老化，模式手機(jī)長期時(shí)候后的狀態(tài)。針對(duì)充電器，數(shù)據(jù)線和鋰電池分別進(jìn)行試驗(yàn)：

1）針對(duì)快速充電器，進(jìn)行輸入電流試驗(yàn)。該試驗(yàn)來源GB 4943.1-2011，1.6.2章節(jié)，在環(huán)境試驗(yàn)之前通過該測試確認(rèn)受檢產(chǎn)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(yàn)中的快充狀態(tài)的有效性。

2）針對(duì)數(shù)據(jù)線，進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)。該試驗(yàn)來源GB/T 2423.18-2021《環(huán)境試驗(yàn) 第 2 部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Kb：鹽霧，交變(氯化鈉溶液)》，試驗(yàn)方法3。該試驗(yàn)方法可降低數(shù)據(jù)線金屬材料接口的性能。已達(dá)到模擬老化數(shù)據(jù)線的目的。試驗(yàn)后，要求數(shù)據(jù)線功能應(yīng)不受影響，可供快速充電器正常為手機(jī)充電。

3）針對(duì)內(nèi)置鋰電池，為了加速電池的老化，進(jìn)行200次充放電循環(huán)預(yù)處理。該試驗(yàn)來源GB 31241-2014《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求》，4.7.4章節(jié)。試驗(yàn)后，鋰電池應(yīng)完好，外觀無異常。

1.2.2 高溫充電試驗(yàn)

該試驗(yàn)參考鋰離子電池GB 31241-2014標(biāo)準(zhǔn)中的8.7章節(jié)：“高溫使用”。上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“樣品在高溫條件下使用應(yīng)具有足夠的安全性”。因此當(dāng)手機(jī)整體作為試驗(yàn)對(duì)象時(shí)，就將手機(jī)“充電狀態(tài)”作為樣品的使用狀態(tài)。根據(jù)我國實(shí)際情況修改環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)的環(huán)境溫度為制造商規(guī)定的最大使用環(huán)境溫度，或者40 ℃，兩者取較大值。并設(shè)有如下兩種試驗(yàn)狀態(tài)：

1）將20 %饋電狀態(tài)的手機(jī)樣品與快速充電器一同放置在高溫試驗(yàn)箱內(nèi)，試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度設(shè)為上述規(guī)定溫度。直至手機(jī)端顯示100 %充電完成。記錄手機(jī)充電過程中手機(jī)外表面和內(nèi)置電池表面的最高溫度（℃）。

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

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

整個(gè)充電過程中，手機(jī)因能正常工作，無短路、外觀無鼓包等現(xiàn)象。

1.2.3 溫度循環(huán)試驗(yàn)：

該試驗(yàn)參考鋰離子電池GB 31241-2014標(biāo)準(zhǔn)中的7.2章節(jié)：“溫度循環(huán)”。但修改了高溫值，將高溫值定為“高溫充電試驗(yàn)”中的最高測量溫度值。用以模擬手機(jī)的內(nèi)部實(shí)際發(fā)熱情況?？紤]到實(shí)際單次充電時(shí)間和平均手機(jī)使用壽命，修改了單次循環(huán)時(shí)間和循環(huán)次數(shù)。具體試驗(yàn)步驟如下：

將處于充電狀態(tài)下的手機(jī)放置于初始溫度為15~25 ℃的環(huán)境箱中：

1）在“T”±2 ℃的實(shí)驗(yàn)箱中保持2 h。

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

3）再次講試驗(yàn)箱溫度升高為：“T”±2 ℃，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于30 min。

4）重復(fù)步驟1）~3），共循環(huán)100次。結(jié)束后待樣品恢復(fù)到室溫環(huán)境，溫度循環(huán)示意圖見圖1。

圖1 溫度循環(huán)示意圖

試驗(yàn)過程中，手機(jī)應(yīng)無危險(xiǎn)情況發(fā)生。試驗(yàn)完成后，手機(jī)應(yīng)能正常工作，檢查內(nèi)部電池?zé)o鼓包和漏液現(xiàn)象。此測試側(cè)重點(diǎn)在于模擬現(xiàn)實(shí)充電場景，以及極端溫度變化下對(duì)手機(jī)充電系統(tǒng)的影響。

備注：其中“最高測量溫度”為高溫充電試驗(yàn)中，手機(jī)外表面和內(nèi)置電池表面的最高測量溫度，兩者取較大的值。

2 高溫環(huán)境的模擬試驗(yàn)方法的驗(yàn)證

2.1 樣品準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)樣品選用兩臺(tái)市場熱門的原裝手機(jī)及其快速充電器產(chǎn)品。

品牌A：支持快充，標(biāo)配USB type-C數(shù)據(jù)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(biāo)配USB type-C數(shù)據(jù)線，電池b，充電器最大輸出功率為30.0 W。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

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

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)1.2試驗(yàn)方法的步驟，對(duì)樣品的進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1）輸入電流試驗(yàn)。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?？芍獌煽钍謾C(jī)使用原裝充電器均可在快充的最大功率下進(jìn)行充電。

2）鹽霧試驗(yàn)。在經(jīng)過7d的鹽霧試驗(yàn)后，兩款鹽霧試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)線表面完好，無異常。與手機(jī)和充電器相連后，可以滿足快充要求。

3）充放電循環(huán)試驗(yàn)：試驗(yàn)后兩款手機(jī)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(tài)。

圖2 經(jīng)過200次充放電循環(huán)后的電池容量

4）高溫充電試驗(yàn)。為了更好的模擬我國夏季的環(huán)境溫度，試驗(yàn)箱環(huán)境溫度設(shè)為40 ℃，兩款手機(jī)產(chǎn)品均在模擬手機(jī)通話的狀態(tài)下，在內(nèi)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(huán)試驗(yàn)。兩款品牌的手機(jī)經(jīng)過溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，其中品牌A手機(jī)后殼側(cè)邊有明顯的鼓包現(xiàn)象，見圖3。品牌B的手機(jī)外觀無異常見圖4。

圖3 溫度循環(huán)試驗(yàn)后電池a有明顯的鼓包

圖4 溫度循環(huán)試驗(yàn)后品牌B手機(jī)

3 高溫模擬實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新性及科學(xué)性

1）使用現(xiàn)有的，廣為采納的測試方法，為手機(jī)產(chǎn)品各組成部分進(jìn)行預(yù)測試處理，模擬了真實(shí)使用環(huán)境，縮短了整體測試時(shí)間。

2）基于手機(jī)快充系統(tǒng)在充電過程中的高溫成因研究，通過對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的理解和修改，設(shè)計(jì)針對(duì)快速充電系統(tǒng)的整體測試方案，使得不同的試驗(yàn)方法之間具有關(guān)聯(lián)性，增強(qiáng)了試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性。

4 總結(jié)和展望

群眾對(duì)手機(jī)充電速度要求的提高推動(dòng)了手機(jī)快速充電器的發(fā)展。目前手機(jī)充電發(fā)展速度突飛猛進(jìn)，從功率的角度看，目前銷售市場氮化鎵材料充電器已經(jīng)將功率推上100 W以上。在追求高效率充電的同時(shí)，也產(chǎn)生了對(duì)手機(jī)高功率充電安全性的質(zhì)疑。尤其在高溫環(huán)境下，充電器、數(shù)據(jù)線和鋰電池組成的快充系統(tǒng)受環(huán)境高溫影響的穩(wěn)定性顯得尤為重要。本次試驗(yàn)結(jié)果證明高溫環(huán)境對(duì)手機(jī)快充系統(tǒng)具有一定的影響，但礙于樣本數(shù)量的限制，試驗(yàn)方法的普適性仍待后續(xù)研究。近年來，在充電技術(shù)不斷發(fā)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(chǎn)品電氣安全的同時(shí)，還能夠兼顧產(chǎn)品整體的環(huán)境適應(yīng)性。