【论文】低气压条件下真空吸尘器及其功率电池的发热试验研究

中国是东南临海国家，整体地势呈现从东到西，从南到北梯度升高的特点。我国典型的高海拔地区地域辽阔，有如青藏高原、内蒙古高原、云贵高原等高原地区；以及如昆仑山脉、天山山脉、祁连山脉等山区。按照地理学的地形特征分布概念，我国约65%的国土面积海拔超过1000 m，约37%的国土面积海拔超过2000 m。

经国内、外研究发现，较高的海拔会对电气产品的安全运行产生一定影响，目前公认将2000 m的海拔作为电气安全要求的分界线。在IEC 60335-1:2016版标准（对应的国标GB/T 4706.1正在制定）中，一方面要求制造商声明产品的最大使用海拔（条款7.12），另一方面在电气间隙的要求中增加相关系数（条款29.1），提升安全限值。其中，只有后者是具体的技术要求，但目前也仅关注到了因海拔升高、空气密度降低，导致空气介电性能降低，造成高海拔地区击穿电压低于低海拔地区击穿电压的问题。

随着中国社会经济的高速发展，以及大型家电企业和电商平台销售网络的不断扩展，家电产品在中西部地区的销量也在节节攀升。在高海拔地区使用家电，不仅面临着一般使用条件下可能出现的故障，更可能遇到因严苛的使用环境而产生的电气安全、 电气性能、电化学性能、材料结构劣化等问题，目前制定中的标准所涉及的安全防护还不够全面，仅与击穿电压相关，且不包含海拔500～2000 m的地区。因此，家电行业有必要针对高原环境的特殊条件，对电器产品进行设计与考核。

1 试验研究对象的选取

家用电器产品大多是在室内使用的，因此高原环境中极端温差与较高的日照强度除对户外使用的电器产品（如空调器室外机等）有一定影响，对大多数家用电器产品影响较小。

相对于极端气候条件，气压和空气密度的降低才是高海拔环境最主要的环境特点。可以说，部分极端天气条件之所以会对电器产生较大影响，主要也是由于叠加了气压和空气密度的变化。如，气压降低改变了水的沸点，使得电热水壶所用的液胀式温控器未达到温度值就会动作；又如，在海拔3500 m以上的环境中，因空气密度降低导致空气流量减少，使空气源热泵的制热量仅为在海平面海拔高度运行时的80%左右， COP仅能达到约85%左右，节能效果明显下降。如表1所示，当海拔高度上升到4000 m时，气压仅有61.6 kPa，约为海平面时的60%。气压的下降造成空气密度的明显降低，以及空气的换热性能明显下降，可能使部分运行时发热较高的器具温升加剧。

真空吸尘器产品的工作方式是通过真空电机的高速旋转，产生真空负压，通过吸尘口吸入灰尘，再经过HEPA过滤网，将吸入的空气过滤清洁后排出到环境中。手持式产品与传统有线吸尘器最大的不同是其供电使用了大功率的锂离子电池。锂离子电池电压高，重量轻。一个单体电池平均电压可达3.7 V，相当于2～4个镍氢电池或镍隔电池的串联电压；同时，锂离子电池具有较高的储能密度，目前常用的锂离子电池储能密度可达到450～620 Wh/kg，是铅酸蓄电池的5～7倍。因此，锂离子电池最适用于高功率的吸尘器产品。
锂离子电池在过充、过热、撞击、短路等异常使用条件下，会引 发内部一系列的化学反应，造成电池胀气、冒烟等，同时这些反应会大量释放热量使整个电池温度进一步升高，最终引起燃烧或爆炸，导致严重的安全事故，这一过程也被称为电池的“热失控”。
因此，大功率、高发热的手持式吸尘器产品以及其供电用的锂离子功率电池，非常适合用于在高海拔地区进行安全与性能测试，研究空气流量对器具温升的影响，以及研究高海拔、低气压环境对功率电池电化学性能的影响。

2 高海拔、低气压环境下，手持式真空吸尘器与功率电池的发热试验

2.1 试验方式

2.3 功率电池产品的实地试验研究

2.4 功率电池产品在气压试验箱中模拟高海拔、低气压条件的试验研究

（3）功率电池在放电状态下的发热试验数据结论

从2块功率电池样品的放电运行发热试验数据（表4和表5）可以看出，随着海拔高度的上升（通过使用气压试验箱降低气压来模拟），功率电池的温度有较为明显的上升，但温升过程不是匀速的。第1块电池样品，在模拟海拔高度从1000 m上升到2000 m时，温度上升较明显（A面上升0.6 K， F面上升0.7 K），第2块电池样品，在模拟海拔高度从2000 m上升到3000 m时，温度上升较明显（A面上升0.5 K， F面上升0.6 K）。

海拔较高地区的气压明显低于海拔较低的地区，气压的下降是空气密度下降造成的。在真空吸尘器运行过程中，从内部向外部抽气所产生的气压差是真空电机的负载，空气密度越低，真空电机越难以抽出足够的空气量，以形成所需的内外部气压差。真空电机的负载增大，导致真空电机的转速下降，电机自身的恒功率特性以及吸尘器内部的控制电路都会增大电机电枢电流，努力提升电机转速，以实现内、外部气压差，因此导致电机电枢的发热上升。

同时，空气作为换热介质，可以对流的方式降低发热表面所产生的热量，但由于高海拔地区空气密度降低，导致空气的换热性能明显下降。

从功率电池放电状态下运行的发热试验数据中，可以发现，电池放电温度的升高与海拔高度的上升有一定的相关性。结合2件电池样品的试验数据，当海拔从0 m上升至4000 m的过程中，功率电池A面的温升平均增加了0.23 K/km， F面的温升平均增加了0.26 K/km，尽管温度平均上升幅度较小，且温升的增加幅度与海拔的升高幅度并不是线性相关的，但温度随海拔高度上升而升高的变化趋势是明显的。

造成这一现象的主要原因是，空气的换热性能随海拔高度上升而下降。以海拔4000 m与海拔0 m为例，在海拔4000 m时，气压仅为海拔0 m时的61.2%，从公式（6）可知，空气密度ρ与环境的真实气压P1是正比关系。因此，当P1减小时，空气密度ρ也会等比例降低。

气压的降低就意味着空气密度的下降，在相同空间内，就意味着可有效参与热表面换热的空气量的下降。正是由于海拔上升导致气压的明显下降，进而使得空气换热性能出现明显下降，才造成了功率电池放电运行中，高海拔地区相对于低海拔地区温升更高的试验结果。

本文通过在高海拔与低海拔地区分别进行实地试验，以及使用气压试验箱模拟不同海拔的气压条件，分别对手持式真空吸尘器产品的正常工作状态，以及功率电池的放电运行状态进行了发热试验。通过分析试验结果得出以下结论：

（1）由本次试验的测试结果可知，对于串励电动机的这种电机类型，其转速与发热均较高。在高海拔、低气压的环境条件下，负载增大，使得电机电枢自身发热升高，空气密度下降使得散热条件更加不利，二者影响叠加，造成了真空吸尘器在高海拔、低气压条件下运行时发热较高的现象。

（2）由于气压随海拔高度的上升而明显下降，导致真空吸尘器电机出现一定程度的过载运行；同时，气压降低也导致了空气散热性能的下降，影响了真空吸尘器及其功率电池运行时的散热。因此，设计用于高海拔环境的真空吸尘器和功率电池产品，应充分考虑气压降低对其运行所带来的不利影响，确保消费者的使用安全和使用效果。

本文作者

1.岳京松 林思建 王璇 张宏镇 张岩