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【論文】低氣壓條件下真空吸塵器及其功率電池的發熱試驗研究

2023-07-10 13:28瀏覽數:5 

引言

中國是東南臨海國家,整體地勢呈現從東到西,從南到北梯度升高的特點。我國典型的高海拔地區地域遼闊,有如青藏高原、內蒙古高原、云貴高原等高原地區;以及如昆侖山脈、天山山脈、祁連山脈等山區。按照地理學的地形特征分布概念,我國約65%的國土面積海拔超過1000 m,約37%的國土面積海拔超過2000 m。

經國內、外研究發現,較高的海拔會對電氣產品的安全運行產生一定影響,目前公認將2000 m的海拔作為電氣安全要求的分界線。在IEC 60335-1:2016版標準(對應的國標GB/T 4706.1正在制定)中,一方面要求制造商聲明產品的最大使用海拔(條款7.12),另一方面在電氣間隙的要求中增加相關系數(條款29.1),提升安全限值。其中,只有后者是具體的技術要求,但目前也僅關注到了因海拔升高、空氣密度降低,導致空氣介電性能降低,造成高海拔地區擊穿電壓低于低海拔地區擊穿電壓的問題。

隨著中國社會經濟的高速發展,以及大型家電企業和電商平臺銷售網絡的不斷擴展,家電產品在中西部地區的銷量也在節節攀升。在高海拔地區使用家電,不僅面臨著一般使用條件下可能出現的故障,更可能遇到因嚴苛的使用環境而產生的電氣安全、 電氣性能、電化學性能、材料結構劣化等問題,目前制定中的標準所涉及的安全防護還不夠全面,僅與擊穿電壓相關,且不包含海拔500~2000 m的地區。因此,家電行業有必要針對高原環境的特殊條件,對電器產品進行設計與考核。

1 試驗研究對象的選取

家用電器產品大多是在室內使用的,因此高原環境中極端溫差與較高的日照強度除對戶外使用的電器產品(如空調器室外機等)有一定影響,對大多數家用電器產品影響較小。

相對于極端氣候條件,氣壓和空氣密度的降低才是高海拔環境最主要的環境特點??梢哉f,部分極端天氣條件之所以會對電器產生較大影響,主要也是由于疊加了氣壓和空氣密度的變化。如,氣壓降低改變了水的沸點,使得電熱水壺所用的液脹式溫控器未達到溫度值就會動作;又如,在海拔3500 m以上的環境中,因空氣密度降低導致空氣流量減少,使空氣源熱泵的制熱量僅為在海平面海拔高度運行時的80%左右, COP僅能達到約85%左右,節能效果明顯下降。如表1所示,當海拔高度上升到4000 m時,氣壓僅有61.6 kPa,約為海平面時的60%。氣壓的下降造成空氣密度的明顯降低,以及空氣的換熱性能明顯下降,可能使部分運行時發熱較高的器具溫升加劇。

真空吸塵器產品的工作方式是通過真空電機的高速旋轉,產生真空負壓,通過吸塵口吸入灰塵,再經過HEPA過濾網,將吸入的空氣過濾清潔后排出到環境中。手持式產品與傳統有線吸塵器最大的不同是其供電使用了大功率的鋰離子電池。鋰離子電池電壓高,重量輕。一個單體電池平均電壓可達3.7 V,相當于2~4個鎳氫電池或鎳隔電池的串聯電壓;同時,鋰離子電池具有較高的儲能密度,目前常用的鋰離子電池儲能密度可達到450~620 Wh/kg,是鉛酸蓄電池的5~7倍。因此,鋰離子電池最適用于高功率的吸塵器產品。
鋰離子電池在過充、過熱、撞擊、短路等異常使用條件下,會引 發內部一系列的化學反應,造成電池脹氣、冒煙等,同時這些反應會大量釋放熱量使整個電池溫度進一步升高,最終引起燃燒或爆炸,導致嚴重的安全事故,這一過程也被稱為電池的“熱失控”。
因此,大功率、高發熱的手持式吸塵器產品以及其供電用的鋰離子功率電池,非常適合用于在高海拔地區進行安全與性能測試,研究空氣流量對器具溫升的影響,以及研究高海拔、低氣壓環境對功率電池電化學性能的影響。

2 高海拔、低氣壓環境下,手持式真空吸塵器與功率電池的發熱試驗

2.1 試驗方式

(1)以北京(海拔30 m)和青海西寧(海拔2200 m)作為實際試驗地點開展試驗研究,對手持式真空吸塵器進行了工作狀態下的發熱試驗;對其適配的鋰離子功率電池進行了放電狀態下的發熱試驗;
(2)使用氣壓試驗箱,以模擬不同海拔氣壓值的方式進行試驗研究,但是受限于氣壓試驗箱的內部空間以及密封要求,僅對鋰離子功率電池進行了放電狀態下的發熱試驗,未進行吸塵器產品整機的運行。
2.2 吸塵器產品的實地試驗研究
(1)吸塵器整機在工作狀態下的發熱試驗
吸塵器的溫度測量位置盡可能涵蓋了其主要的內部結構與運動部件外表面,具體位置如圖1所示。
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(2)實地試驗溫升數據對比
全部發熱試驗數據中,最高溫升的測試數據如表2所示(試驗環境溫度為23.0℃);溫升變化曲線如圖2所示。
(3)實地試驗溫升數據結論
從試驗數據可以看出,吸塵器整機進行“工作狀態下的發熱試驗”時,發熱較高的內部部件(如內部導線、電機外殼、吸塵器出風 口等),高海拔地區的溫升要明顯高于低海拔地區;而發熱相對較低的位置(如電池外殼、地刷外殼),兩地的溫升互有高低。
另外,從圖2中,可以更明顯地看出兩地試驗的溫升變化差異,在高海拔地區(青海),器具的溫升整體高于低海拔地區(北京)。
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2.3 功率電池產品的實地試驗研究

(1)功率電池在放電狀態下的發熱試驗
功率電池的溫度測量位置涵蓋了各外表面,具體位置如圖3所示。功率電池以供電接口側為A面,逆時針旋轉,依次為B面、 C 面、 D面,頂部為E面,底部為F面,溫度測量點位置在各面的幾何中心處。
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(2)實地試驗溫升數據對比
在全部發熱試驗數據中,最高溫升的測試數據如表3所示(試驗環境溫度為23.0℃);發熱試驗溫升變化曲線如圖4所示。

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(3)實地試驗溫升數據結論
從試驗數據可以看出,功率電池進行“放電狀態下的發熱試驗”時,相比吸塵器整機的發熱試驗,差異并不明顯,甚至部分位置在兩地的溫升互有高低。但是可以看到發熱相對較高且升溫較快的測溫位置(A面、 F面),在高海拔地區的溫升明顯高于低海拔地區。從圖4中,也可以較為明顯的看到這一差異。

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2.4 功率電池產品在氣壓試驗箱中模擬高海拔、低氣壓條件的試驗研究

氣壓試驗箱可以通過抽氣的方式,調節實現不同的氣壓,實現對高海拔、低氣壓環境的模擬,非常有助于對不同海拔的氣壓差異進行量化研究。
(1)功率電池在放電狀態下的發熱試驗
通過對氣壓試驗箱(如圖5所示)進行氣壓調節,模擬海拔0 m、 1000 m、 2000 m、 3000 m、 4000 m的環境條件?;谠诓煌0螌嵉卦囼灚@得的溫升數據,選擇以功率電池放電運行過程,在氣壓試驗箱的模擬條件下進行發熱試驗,溫度測量位置為實地試驗中溫升較快的A面和F面(溫度測量位置如圖6所示)。
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(2)功率電池在放電狀態下的發熱試驗數據對比
使用2塊電池樣品進行試驗。在全部發熱試驗數據中,最高溫升的測試數據如表4、表5(試驗環境溫度為23.0℃);發熱試驗溫升變化曲線如圖7、圖8所示。
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(3)功率電池在放電狀態下的發熱試驗數據結論

從2塊功率電池樣品的放電運行發熱試驗數據(表4和表5)可以看出,隨著海拔高度的上升(通過使用氣壓試驗箱降低氣壓來模擬),功率電池的溫度有較為明顯的上升,但溫升過程不是勻速的。第1塊電池樣品,在模擬海拔高度從1000 m上升到2000 m時,溫度上升較明顯(A面上升0.6 K, F面上升0.7 K),第2塊電池樣品,在模擬海拔高度從2000 m上升到3000 m時,溫度上升較明顯(A面上升0.5 K, F面上升0.6 K)。

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從圖7、 8中,也可以較為明顯地看到不同海拔導致的溫升差異,而且這種差異在功率電池放電運行過程中是持續的。

     

3 發熱試驗差異原因分析及結論

3.1 不同海拔(氣壓)條件下,真空吸塵器產品運行溫升差異
原因分析
真空吸塵器產品的原理是吸塵器的風機葉輪在電動機高速驅動下,將器具內的空氣高速排出到外部環境,同時通過吸口將外部的空氣持續吸入到器具內。這樣使器具內部相對于外部環境形成較高的負壓而產生吸力。因此,為了獲得較高的氣壓差,吸塵器一般使用轉速非常高的串勵電動機。
串勵電動機的特點是磁通隨負載的大小變化,具有較軟的機械特性。與并勵電動機相比,在相同的電樞電流下,串勵電動機的轉矩比較大,具有較好的啟動性能和過載能力。串勵電動機具有恒功率特性,適合帶動頻繁啟動的負載,或有沖擊性負載的使用場景。當負載增加時,轉速下降;當負載減少時,轉速上升。串勵電動機在作為吸塵器的真空電機使用時,為較好的應對進氣口易堵塞的使用情況,吸塵器會通過獨立的控制電路,實時監測電機的運行轉速,當監測到由于吸入灰塵堵塞導致的電機轉速下降時,控制電路會主動提升電機供電電流,以提高電機轉速。這一設計進一步強化了串勵電動機的恒功率特性。
電機的功率計算用公式表述為:
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由此可知,當電機處于恒功率運行狀態下(P恒定),扭矩T與轉速n呈反比,當扭矩(負載)增加時,轉速下降;當扭矩(負載)減小時,轉速上升。
此外,由串勵電動機轉速公式(5),可知轉速n與電流Ia也呈一定的負相關,當轉速上升時,電機的電樞電流會下降;當轉速下降時,電機的電樞電流會上升。在電源電壓、電機電樞內阻不變的情況下,電流上升,必然會導致電機的發熱量增加。

海拔較高地區的氣壓明顯低于海拔較低的地區,氣壓的下降是空氣密度下降造成的。在真空吸塵器運行過程中,從內部向外部抽氣所產生的氣壓差是真空電機的負載,空氣密度越低,真空電機越難以抽出足夠的空氣量,以形成所需的內外部氣壓差。真空電機的負載增大,導致真空電機的轉速下降,電機自身的恒功率特性以及吸塵器內部的控制電路都會增大電機電樞電流,努力提升電機轉速,以實現內、外部氣壓差,因此導致電機電樞的發熱上升。

同時,空氣作為換熱介質,可以對流的方式降低發熱表面所產生的熱量,但由于高海拔地區空氣密度降低,導致空氣的換熱性能明顯下降。

3.2 不同海拔(氣壓)條件下,功率電池放電運行溫升差異分析

從功率電池放電狀態下運行的發熱試驗數據中,可以發現,電池放電溫度的升高與海拔高度的上升有一定的相關性。結合2件電池樣品的試驗數據,當海拔從0 m上升至4000 m的過程中,功率電池A面的溫升平均增加了0.23 K/km, F面的溫升平均增加了0.26 K/km,盡管溫度平均上升幅度較小,且溫升的增加幅度與海拔的升高幅度并不是線性相關的,但溫度隨海拔高度上升而升高的變化趨勢是明顯的。

造成這一現象的主要原因是,空氣的換熱性能隨海拔高度上升而下降。以海拔4000 m與海拔0 m為例,在海拔4000 m時,氣壓僅為海拔0 m時的61.2%,從公式(6)可知,空氣密度ρ與環境的真實氣壓P1是正比關系。因此,當P1減小時,空氣密度ρ也會等比例降低。


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氣壓的降低就意味著空氣密度的下降,在相同空間內,就意味著可有效參與熱表面換熱的空氣量的下降。正是由于海拔上升導致氣壓的明顯下降,進而使得空氣換熱性能出現明顯下降,才造成了功率電池放電運行中,高海拔地區相對于低海拔地區溫升更高的試驗結果。

4 結論

本文通過在高海拔與低海拔地區分別進行實地試驗,以及使用氣壓試驗箱模擬不同海拔的氣壓條件,分別對手持式真空吸塵器產品的正常工作狀態,以及功率電池的放電運行狀態進行了發熱試驗。通過分析試驗結果得出以下結論:

(1)由本次試驗的測試結果可知,對于串勵電動機的這種電機類型,其轉速與發熱均較高。在高海拔、低氣壓的環境條件下,負載增大,使得電機電樞自身發熱升高,空氣密度下降使得散熱條件更加不利,二者影響疊加,造成了真空吸塵器在高海拔、低氣壓條件下運行時發熱較高的現象。

(2)由于氣壓隨海拔高度的上升而明顯下降,導致真空吸塵器電機出現一定程度的過載運行;同時,氣壓降低也導致了空氣散熱性能的下降,影響了真空吸塵器及其功率電池運行時的散熱。因此,設計用于高海拔環境的真空吸塵器和功率電池產品,應充分考慮氣壓降低對其運行所帶來的不利影響,確保消費者的使用安全和使用效果。

                                               

本文作者

1.岳京松 林思建 王璇 張宏鎮 張巖

參考文獻
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來源:《中國家電科技年會論文集》


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