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【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

2023-07-10 13:28浏览数:6 

引言

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

(1)以北京(海拔30 m)和青海西宁(海拔2200 m)作为实际试验地点开展试验研究,对手持式真空吸尘器进行了工作状态下的发热试验;对其适配的锂离子功率电池进行了放电状态下的发热试验;
(2)使用气压试验箱,以模拟不同海拔气压值的方式进行试验研究,但是受限于气压试验箱的内部空间以及密封要求,仅对锂离子功率电池进行了放电状态下的发热试验,未进行吸尘器产品整机的运行。
2.2 吸尘器产品的实地试验研究
(1)吸尘器整机在工作状态下的发热试验
吸尘器的温度测量位置尽可能涵盖了其主要的内部结构与运动部件外表面,具体位置如图1所示。
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(2)实地试验温升数据对比
全部发热试验数据中,最高温升的测试数据如表2所示(试验环境温度为23.0℃);温升变化曲线如图2所示。
(3)实地试验温升数据结论
从试验数据可以看出,吸尘器整机进行“工作状态下的发热试验”时,发热较高的内部部件(如内部导线、电机外壳、吸尘器出风 口等),高海拔地区的温升要明显高于低海拔地区;而发热相对较低的位置(如电池外壳、地刷外壳),两地的温升互有高低。
另外,从图2中,可以更明显地看出两地试验的温升变化差异,在高海拔地区(青海),器具的温升整体高于低海拔地区(北京)。
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2.3 功率电池产品的实地试验研究

(1)功率电池在放电状态下的发热试验
功率电池的温度测量位置涵盖了各外表面,具体位置如图3所示。功率电池以供电接口侧为A面,逆时针旋转,依次为B面、 C 面、 D面,顶部为E面,底部为F面,温度测量点位置在各面的几何中心处。
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(2)实地试验温升数据对比
在全部发热试验数据中,最高温升的测试数据如表3所示(试验环境温度为23.0℃);发热试验温升变化曲线如图4所示。

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(3)实地试验温升数据结论
从试验数据可以看出,功率电池进行“放电状态下的发热试验”时,相比吸尘器整机的发热试验,差异并不明显,甚至部分位置在两地的温升互有高低。但是可以看到发热相对较高且升温较快的测温位置(A面、 F面),在高海拔地区的温升明显高于低海拔地区。从图4中,也可以较为明显的看到这一差异。

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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

气压试验箱可以通过抽气的方式,调节实现不同的气压,实现对高海拔、低气压环境的模拟,非常有助于对不同海拔的气压差异进行量化研究。
(1)功率电池在放电状态下的发热试验
通过对气压试验箱(如图5所示)进行气压调节,模拟海拔0 m、 1000 m、 2000 m、 3000 m、 4000 m的环境条件。基于在不同海拔实地试验获得的温升数据,选择以功率电池放电运行过程,在气压试验箱的模拟条件下进行发热试验,温度测量位置为实地试验中温升较快的A面和F面(温度测量位置如图6所示)。
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(2)功率电池在放电状态下的发热试验数据对比
使用2块电池样品进行试验。在全部发热试验数据中,最高温升的测试数据如表4、表5(试验环境温度为23.0℃);发热试验温升变化曲线如图7、图8所示。
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(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)。

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从图7、 8中,也可以较为明显地看到不同海拔导致的温升差异,而且这种差异在功率电池放电运行过程中是持续的。

     

3 发热试验差异原因分析及结论

3.1 不同海拔(气压)条件下,真空吸尘器产品运行温升差异
原因分析
真空吸尘器产品的原理是吸尘器的风机叶轮在电动机高速驱动下,将器具内的空气高速排出到外部环境,同时通过吸口将外部的空气持续吸入到器具内。这样使器具内部相对于外部环境形成较高的负压而产生吸力。因此,为了获得较高的气压差,吸尘器一般使用转速非常高的串励电动机。
串励电动机的特点是磁通随负载的大小变化,具有较软的机械特性。与并励电动机相比,在相同的电枢电流下,串励电动机的转矩比较大,具有较好的启动性能和过载能力。串励电动机具有恒功率特性,适合带动频繁启动的负载,或有冲击性负载的使用场景。当负载增加时,转速下降;当负载减少时,转速上升。串励电动机在作为吸尘器的真空电机使用时,为较好的应对进气口易堵塞的使用情况,吸尘器会通过独立的控制电路,实时监测电机的运行转速,当监测到由于吸入灰尘堵塞导致的电机转速下降时,控制电路会主动提升电机供电电流,以提高电机转速。这一设计进一步强化了串励电动机的恒功率特性。
电机的功率计算用公式表述为:
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由此可知,当电机处于恒功率运行状态下(P恒定),扭矩T与转速n呈反比,当扭矩(负载)增加时,转速下降;当扭矩(负载)减小时,转速上升。
此外,由串励电动机转速公式(5),可知转速n与电流Ia也呈一定的负相关,当转速上升时,电机的电枢电流会下降;当转速下降时,电机的电枢电流会上升。在电源电压、电机电枢内阻不变的情况下,电流上升,必然会导致电机的发热量增加。

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。

3.2 不同海拔(气压)条件下,功率电池放电运行温升差异分析

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。


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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。

4 结论

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

参考文献
[1] IEC 60335-1: 2016 (ed.5.2) 家用和类似用途电器的安全 第1部分:通用要求[S].
[2] GB/T 16935.1-2008低压系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验[S].
[3] 汤蕴璆. 电机学(第5版) [M]. 北京: 机械工业出版社, 2022.
[4] 季慧玉, 邹其文, 黄兢业. 低压电器在高原环境中使用的适应性研究[J]. 低压电器,2005(03): 45-49+57.
[5] 黄逊青. 家电在高原地区的特殊要求应引起重视[J]. 电器, 2017(08): 66-67.
[6] 冯麒运. 家用电器发热故障与GB 4706.1若干条款探讨[J]. 家电科技, 2014(10): 39-41.


来源:《中国家电科技年会论文集》


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