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《试验箱在智能穿戴设备电池领域的寿命测试》

发布时间: 2025-08-08  点击次数: 21次

《试验箱在智能穿戴设备电池领域的寿命测试》

一、试验目的

东莞皓天检测仪器有限公司针对智能穿戴设备电池开展寿命测试,旨在模拟电池在不同使用环境(如高低温、湿热、振动等)及充放电模式下的性能衰减过程,量化评估其循环寿命、容量保持率、自放电率等关键指标。通过测试验证电池是否符合 GB/T 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》、IEC 62133-2017 等标准中关于寿命的要求,为电池生产企业优化电芯材料、改进封装工艺及完善充放电算法提供数据支撑,助力提升智能穿戴设备的续航能力与使用可靠性,满足用户对设备长效稳定运行的需求。

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二、实验 / 设备条件

(一)核心试验设备(东莞皓天专属配置)

  1. 高低温湿热循环试验箱(HT-SR-1000)

温度范围 - 40℃~85℃,湿度范围 20%~98% RH,温变速率可达 5℃/min,舱内配备电池专用防爆腔体,可同时放置 20 组小型电池样品,用于模拟不同气候环境对电池寿命的影响。
  1. 振动试验箱(HT-ZD-500)

支持正弦振动与随机振动模式,频率范围 10Hz~2000Hz,加速度 50g,配备电池固定夹具,模拟智能穿戴设备在运动、携带过程中的振动冲击,测试电池结构稳定性及性能衰减。
  1. 电池充放电测试系统(HT-CD-800)

支持恒流、恒压、脉冲等多种充放电模式,电流范围 0.1A~5A,电压范围 0.5V~5V,精度 ±0.2%,可同步记录电池充放电过程中的电压、电流、容量等参数,自动生成循环寿命曲线。
  1. 电池内阻测试仪(HT-NZ-200)

测量范围 0.1mΩ~10Ω,精度 ±1%,可实时监测电池在循环过程中的内阻变化,评估电池内部极化程度。
  1. 真空干燥箱(HT-ZK-300)

温度范围 50℃~200℃,真空度≤133Pa,用于电池测试前的预处理(去除水分)及测试后的干燥分析。

(二)辅助设备

  • 红外测温仪(精度 ±0.5℃,监测电池充放电过程中的温度变化)

  • 数据采集仪(采样频率 1kHz,同步记录环境参数与电池性能数据)

  • 电池容量校准仪(确保容量测试的准确性)

  • 防爆防护装置(包括防爆膜、惰性气体灭火系统,保障测试安全)

三、试验样品

选取 4 类主流智能穿戴设备电池,覆盖不同产品类型与电芯技术:
  1. 智能手表锂电池(样品 A)

锂钴氧化物电芯,容量 300mAh,电压 3.7V,采用软包封装,用于主流智能手表,重点测试其在高低温环境下的循环寿命。
  1. 智能手环锂电池(样品 B)

磷酸铁锂电池芯,容量 150mAh,电压 3.2V,圆柱封装,应用于智能手环,侧重测试振动环境下的性能稳定性。
  1. 智能耳机锂电池(样品 C)

锂聚合物电芯,容量 100mAh,电压 3.8V,微型硬壳封装,用于无线耳机,重点评估快充模式对寿命的影响。
  1. 智能眼镜锂电池(样品 D)

三元材料电芯(镍钴锰比例 8:1:1),容量 500mAh,电压 3.7V,异形封装,需测试其在湿热环境下的容量保持率。

四、试验步骤及条件

(一)基础性能标定(所有样品)

在标准环境(25℃、50% RH)下,对电池进行初始性能测试:
  • 容量标定:以 0.5C 电流充电至终止电压,静置 1 小时,再以 0.5C 电流放电至截止电压,记录初始容量(C0)。

  • 内阻测试:满电状态下测量电池初始内阻(R0)。

  • 自放电率测试:满电电池静置 24 小时,测量剩余容量,计算自放电率(初始容量 - 剩余容量)/ 初始容量 ×100%。

(二)环境因素影响测试

  1. 高低温循环测试

将样品 A、C、D 分别置于高低温湿热循环试验箱,设置循环条件:
  • 低温循环:-20℃(2h)→25℃(1h),以 0.5C 充放电循环 100 次,记录每次循环的放电容量。

  • 高温循环:60℃(2h)→25℃(1h),同样以 0.5C 充放电循环 100 次,对比容量衰减差异。

  1. 湿热环境测试

样品 D 在 40℃、90% RH 环境下静置 72 小时后,进行 50 次 0.5C 充放电循环,测试容量保持率及内阻变化。
  1. 振动环境测试

样品 B 固定于振动试验箱,设置随机振动(10Hz~500Hz,加速度 10g),持续振动 2 小时后,进行 50 次 0.5C 充放电循环,观察电池是否漏液、鼓包,记录容量衰减情况。

(三)充放电模式影响测试

  1. 快充循环测试

样品 C 分别以 1C、2C 电流充电(至终止电压),0.5C 电流放电(至截止电压),各循环 200 次,记录容量衰减曲线。
  1. 深度放电测试

样品 A 以 0.5C 电流放电至 2.5V(常规截止电压为 3.0V),再以 0.5C 充电至 4.2V,循环 50 次,评估深度放电对寿命的影响。
  1. 间歇充放电测试

模拟用户日常使用习惯,样品 D 进行 “充电 30 分钟→静置 2 小时→放电 30 分钟" 的循环,累计充放电量相当于 100 次标准循环,测试容量保持率。

五、数据采集与分析

  1. 核心数据记录

  • 循环寿命:记录电池容量降至初始容量 80% 时的循环次数(L1)及降至 60% 时的循环次数(L2)。

  • 容量保持率:每次循环后,计算当前放电容量与初始容量的比值(Cn/C0×100%)。

  • 内阻变化率:(当前内阻 Rn - 初始内阻 R0)/R0×100%。

  • 自放电率:在不同测试阶段,定期测量 24 小时自放电率。

  1. 综合分析方法

采用东莞皓天研发的电池寿命评估模型,以循环寿命为核心指标,结合容量保持率、内阻变化率等参数,按 “环境适应性(40%)+ 充放电耐受性(40%)+ 安全性(20%)" 加权计算综合得分(100 分制),划分优秀(≥90 分)、合格(70~89 分)、待改进(<70 分)三个等级。

六、实验结果与结论

(一)单项测试结果

  1. 样品 A:在 - 20℃循环 100 次后,容量保持率 70%;60℃循环 100 次后,容量保持率 65%,综合得分 72 分。

  1. 样品 B:振动测试后循环 50 次,容量保持率 82%,无漏液鼓包,综合得分 80 分。

  1. 样品 C:2C 快充循环 200 次后,容量保持率 58%;1C 快充循环 200 次后,容量保持率 70%,综合得分 65 分。

  1. 样品 D:湿热环境循环 50 次后,容量保持率 75%;间歇充放电循环后,容量保持率 85%,综合得分 78 分。

(二)综合结论

  1. 智能穿戴设备电池的寿命短板主要体现在:低温环境下容量衰减快(样品 A)、快充模式下循环寿命短(样品 C)、湿热环境下内阻增长明显(样品 D)。

  1. 东莞皓天的高低温湿热循环试验箱与电池充放电测试系统可精准捕捉电池在不同条件下的性能衰减规律,为缺陷定位提供可靠数据。

  1. 磷酸铁锂电池(样品 B)在振动环境下表现更稳定,三元材料电池(样品 D)在湿热环境下的耐受性优于锂钴氧化物电池(样品 A)。

七、失效分析与改进建议

(一)失效原因分析

  1. 样品 A:锂钴氧化物电芯在低温下离子传导速率下降,导致容量衰减快;高温下正极材料结构易坍塌,加剧容量损失。

  1. 样品 C:2C 快充时,电池内部产生大量焦耳热,导致电解液分解速度加快,SEI 膜破裂并重新形成,消耗活性锂。

  1. 样品 D:湿热环境下,封装工艺存在微缝隙,水分渗入电池内部,引发副反应,导致内阻增大。

  1. 样品 B:磷酸铁锂材料结构稳定性好,但能量密度较低,限制了其在高容量需求设备中的应用。

(二)改进建议

  1. 材料与工艺优化

  • 样品 A:采用掺杂改性的锂钴氧化物正极材料(如掺杂 Al³⁺),提升结构稳定性;优化电解液配方,添加低温增塑剂(如碳酸亚乙烯酯)。

  • 样品 D:改进封装工艺,采用激光焊接密封,增加防水透气膜,阻止水分进入同时允许气体排出。

  1. 充放电策略改进

  • 样品 C:开发智能快充算法,当电池温度超过 40℃时自动降低充电电流;设置快充截止电压(如 4.1V,低于常规 4.2V),减少正极材料损耗。

  1. 测试流程强化

建议企业在量产前增加 “高低温 + 振动 + 快充" 的复合环境测试(利用东莞皓天综合测试平台),模拟使用场景;每批次电池抽样进行 1000 次循环测试,确保批量化产品的寿命一致性。
东莞皓天可提供从电池样品测试到生产工艺优化的全链条服务,包括定制化试验方案(如高海拔低气压环境模拟)及失效机理分析报告。若需针对特定类型电池(如固态电池)开展测试,可联系技术团队获取专项解决方案。

以上方案仅供参考,在实际试验过程中,可根据具体的试验需求、资源条件以及产品的特性进行适当调整与优化。