模拟高温环境充电对手机快充系统的影响

朱晓栋，王世栩，忻龙

（上海市质量监督检验技术研究院，上海 200000）

引言

手机快充系统包含快速充电器、数据线和锂电池三大部件，下称“快充系统”。在日常生活中为手机充电的场景无处不在，由于我国南北气候差异很大，并且随着快速充电器的普及和充电器输出功率的增大，手机在充电过程中往往伴随着自身内部的高温环境。我国对手机产品的市场准入有着明确的规定，手机及其关键件需通过CCC强制认证。充电器和手机主体认证标准为GB 4943.1-2011《信息技术设备的安全》，此标准侧重点在于电气安全试验。而针对锂电池的认证标准为GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》，此标准涉及安全和环境试验。但由于标准的局限性，上述标准均未涉及对手机快充系统的环境试验。本文以此为研究方向，结合实际充电场景，探究一种模拟高温环境的试验方法，并研究该方法对手机快充系统的影响。

1 高温环境试验模型建立

1.1 高温环境的生成因素

首先开展手机在充电过程中高温环境的生成因素研究，掌握影响手机在充电过程中的发热的因素，研究结果如下：

1） 环境温度因素：根据标准GB 4943.1-2011有关热带气候条件环境的定义，产品在35 ℃环境下通过测试，便可作为热带气候条件下使用的产品。然而我国地缘辽阔，跨越多个气候带，并且海拔高度不同。在南部地区普遍夏季环境温度可达40 ℃，而据中国气象局发布的报道，在一些高海拔地区，极端情况下温度可达45 ℃。近年来随着全球气候变暖，北方地区夏季也不再凉爽，如2014年，华北、黄淮等地出现大范围高温天气，北京、天津、河北等地气温达40~42 ℃。上述情况，都使手机在充电初始就处于较高的环境温度。

2）产品设计因素：随着20世纪初，手机电池内置不可更换，以及大部分主流手机具有防水性能的要求，导致目前市面上的手机除了充电接口外，为全封闭外壳设计。因此在充电过程中，内部元器件发热无法快速得到释放。在使用大功率的快速充电器时，手机内置充电芯片和电池均为主要发热源。在边充电边使用手机的场景下，电池的表面温度还将受到手机处理器温升的影响。

3） 元器件老化因素：数据线和充电口长期暴露在环境中，接头和接口的接触面受到氧化、腐蚀、污染物沉积的影响，使充电时的内阻增大，发热量增大。在极端情况下，更有发生短路和充电过载等问题。

1.2 高温环境的模拟试验方法确立

随后结合已知的高温环境生成因素，从手机充电过程中主要发热源锂电池为突破口，与现有的锂离子电池环境测试方法进行对比参考。以及从理论上分析手机充电过程中的电气参数对内部环境的影响。建立了高温环境下模拟试验方法。试验方法分为预处理试验、高温充电试验和温度循环试验，方法步骤如下：

1.2.1 预处理试验：

本部分试验的目的是为了加速各部件的老化，模式手机长期时候后的状态。针对充电器，数据线和锂电池分别进行试验：

1）针对快速充电器，进行输入电流试验。该试验来源GB 4943.1-2011，1.6.2章节，在环境试验之前通过该测试确认受检产品的最大输入电压、电流和功率。确保在后期的模拟高温充电试验中的快充状态的有效性。

2）针对数据线，进行盐雾试验。该试验来源GB/T 2423.18-2021《环境试验 第 2 部分：试验方法 试验Kb：盐雾，交变(氯化钠溶液)》，试验方法3。该试验方法可降低数据线金属材料接口的性能。已达到模拟老化数据线的目的。试验后，要求数据线功能应不受影响，可供快速充电器正常为手机充电。

3）针对内置锂电池，为了加速电池的老化，进行200次充放电循环预处理。该试验来源GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》，4.7.4章节。试验后，锂电池应完好，外观无异常。

1.2.2 高温充电试验

该试验参考锂离子电池GB 31241-2014标准中的8.7章节：“高温使用”。上述标准规定：“样品在高温条件下使用应具有足够的安全性”。因此当手机整体作为试验对象时，就将手机“充电状态”作为样品的使用状态。根据我国实际情况修改环境试验箱内的环境温度为制造商规定的最大使用环境温度，或者40 ℃，两者取较大值。并设有如下两种试验状态：

1）将20 %馈电状态的手机样品与快速充电器一同放置在高温试验箱内，试验箱内的温度设为上述规定温度。直至手机端显示100 %充电完成。记录手机充电过程中手机外表面和内置电池表面的最高温度（℃）。

2）模拟在手机20 %馈电且模拟通话状态下，以（1）相同的方式进行充电，记录记录手机充电过程中手机外表面和内置电池表面的最高温度（℃）。直至手机端显示100 %充电完成。

比较两种试验状态下的最高温度，取较大值为“最高测量温度”，记作：T，单位：℃。

整个充电过程中，手机因能正常工作，无短路、外观无鼓包等现象。

1.2.3 温度循环试验：

该试验参考锂离子电池GB 31241-2014标准中的7.2章节：“温度循环”。但修改了高温值，将高温值定为“高温充电试验”中的最高测量温度值。用以模拟手机的内部实际发热情况。考虑到实际单次充电时间和平均手机使用寿命，修改了单次循环时间和循环次数。具体试验步骤如下：

将处于充电状态下的手机放置于初始温度为15~25 ℃的环境箱中：

1）在“T”±2 ℃的实验箱中保持2 h。

2）后将试验箱温度降为（-40±2）℃，并保持2 h，温度转换时间不大于30 min。

3）再次讲试验箱温度升高为：“T”±2 ℃，温度转换时间不大于30 min。

4）重复步骤1）~3），共循环100次。结束后待样品恢复到室温环境，温度循环示意图见图1。

图1 温度循环示意图

试验过程中，手机应无危险情况发生。试验完成后，手机应能正常工作，检查内部电池无鼓包和漏液现象。此测试侧重点在于模拟现实充电场景，以及极端温度变化下对手机充电系统的影响。

备注：其中“最高测量温度”为高温充电试验中，手机外表面和内置电池表面的最高测量温度，两者取较大的值。

2 高温环境的模拟试验方法的验证

2.1 样品准备

本次试验样品选用两台市场热门的原装手机及其快速充电器产品。

品牌A：支持快充，标配USB type-C数据线，电池a，充电器最大输出功率为22.5 W。

品牌B：支持快充，标配USB type-C数据线，电池b，充电器最大输出功率为30.0 W。

2.2 试验设备

功率计（WT310，横河），盐雾试验箱（BR-PVSST），温度记录仪（MX100，横河），移动通讯终端综合测试仪（CMW500，R&S），高低温高变湿热试验箱（SETH-Z-101UK），电池充放电测试系统（BT 2000，Arbin Corporation）等。

2.3 试验结果分析

根据1.2试验方法的步骤，对样品的进行试验，实验结果如下：

1）输入电流试验。品牌A：充电器最大输入功率：23.3 W。品牌B：充电器最大输入功率：30.7 W。可知两款手机使用原装充电器均可在快充的最大功率下进行充电。

2）盐雾试验。在经过7d的盐雾试验后，两款盐雾试验后的数据线表面完好，无异常。与手机和充电器相连后，可以满足快充要求。

3）充放电循环试验：试验后两款手机电池均外观平整无异常。电容量测试（图2）显示，两款电池均有容量衰减，成功模拟了长期使用后的电池状态。

图2 经过200次充放电循环后的电池容量

4）高温充电试验。为了更好的模拟我国夏季的环境温度，试验箱环境温度设为40 ℃，两款手机产品均在模拟手机通话的状态下，在内置电池表面测得“最高测量温度”。品牌A和品牌B分别为71.6 ℃和67.2 ℃。

5）温度循环试验。两款品牌的手机经过温度循环实验后，其中品牌A手机后壳侧边有明显的鼓包现象，见图3。品牌B的手机外观无异常见图4。

图3 温度循环试验后电池a有明显的鼓包

图4 温度循环试验后品牌B手机

3 高温模拟实验方法的创新性及科学性

1）使用现有的，广为采纳的测试方法，为手机产品各组成部分进行预测试处理，模拟了真实使用环境，缩短了整体测试时间。

2）基于手机快充系统在充电过程中的高温成因研究，通过对现行标准的理解和修改，设计针对快速充电系统的整体测试方案，使得不同的试验方法之间具有关联性，增强了试验结果的科学性。

4 总结和展望

群众对手机充电速度要求的提高推动了手机快速充电器的发展。目前手机充电发展速度突飞猛进，从功率的角度看，目前销售市场氮化镓材料充电器已经将功率推上100 W以上。在追求高效率充电的同时，也产生了对手机高功率充电安全性的质疑。尤其在高温环境下，充电器、数据线和锂电池组成的快充系统受环境高温影响的稳定性显得尤为重要。本次试验结果证明高温环境对手机快充系统具有一定的影响，但碍于样本数量的限制，试验方法的普适性仍待后续研究。近年来，在充电技术不断发展的背景下，本文寄希望给予测试方法制定者一些新思路，在注重产品电气安全的同时，还能够兼顾产品整体的环境适应性。