向明朗

（綿陽(yáng)富臨精工機(jī)械股份有限公司 621000）

0 引言

水泵是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，主要應(yīng)用在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的主冷卻系統(tǒng)、渦輪增壓器冷卻回路及進(jìn)氣中冷系統(tǒng)，還應(yīng)用于新能源汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。在以上系統(tǒng)中采用智能控制的電子水泵，可以使冷卻系統(tǒng)的溫度按實(shí)時(shí)工況需求得到閉環(huán)控制，在確保被冷卻部件可靠性的同時(shí)，降低了能耗。

1 電子水泵的主流結(jié)構(gòu)形式、原理及優(yōu)缺點(diǎn)

電子水泵由水力機(jī)械、電機(jī)和電機(jī)控制器3個(gè)基本部分構(gòu)成，根據(jù)其流體密封結(jié)構(gòu)方式不同，主要分為干式和濕式電子水泵。干式電子水泵的水力機(jī)械部分和電機(jī)部分獨(dú)立分開(kāi)，通過(guò)軸連接，水泵和電機(jī)之間使用旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封件密封隔離，電機(jī)殼體、水泵殼與電機(jī)控制器殼連接成一個(gè)整體，電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)工作。濕式電子水泵是在電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子間設(shè)計(jì)1個(gè)密封的薄壁襯套，電機(jī)轉(zhuǎn)子與水泵葉輪一體。工作時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子浸泡在流體介質(zhì)中，定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿透薄壁襯套與轉(zhuǎn)子永磁體的磁場(chǎng)構(gòu)成回路，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子和葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)控制器安裝在電機(jī)旁邊。

干式電子水泵的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子和定子的間隙小，磁路損耗就小，因此電機(jī)的效率相對(duì)要高一些；缺點(diǎn)是動(dòng)密封件的密封可靠性和壽命要差一些。濕式電子水泵的缺點(diǎn)是因安裝密封襯套的空間需求，轉(zhuǎn)子和定子的間隙大，磁路損耗也較大，故電機(jī)的效率相對(duì)要低一些；其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)部件都被密封在流體介質(zhì)中，沒(méi)有動(dòng)密封件，其密封可靠性和壽命要好很多。

2 電子水泵技術(shù)在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

2.1 內(nèi)燃機(jī)主冷卻水泵的應(yīng)用

目前大部分內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的主冷卻水泵是機(jī)械泵，它安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，流道與缸體水道一體設(shè)計(jì)，水泵帶輪與水泵葉輪同軸，通過(guò)皮帶連接水泵帶輪和曲軸帶輪，由曲軸提供驅(qū)動(dòng)力，水泵與曲軸按固定傳動(dòng)比同步轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是水泵轉(zhuǎn)速只能與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步升降，發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫需要快速暖機(jī)時(shí)，不需要較大的冷卻液流量，但水泵不能以低速運(yùn)轉(zhuǎn)。而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低速大負(fù)荷工況時(shí)，需要大流量液體冷卻，此時(shí)水泵又不能高速運(yùn)轉(zhuǎn)。在低負(fù)荷高車速行駛時(shí)，風(fēng)冷效果好，不需要較大的冷卻液流量，可此時(shí)水泵又在高速運(yùn)行。為了保證在低速大負(fù)荷等特殊工況下能獲得可靠的冷卻效果，機(jī)械泵就必須設(shè)計(jì)有較大功率，而在多數(shù)非特殊工況下，泵的運(yùn)行功率過(guò)剩，導(dǎo)致不必要的能耗。

因?yàn)闄C(jī)械水泵存在這些不足，所以電子水泵逐漸被應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)主冷卻系統(tǒng)中。電子水泵的轉(zhuǎn)速不再與發(fā)動(dòng)機(jī)直接關(guān)聯(lián)，電子控制單元（ECU）通過(guò)傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及水溫等參數(shù)，與標(biāo)定好的對(duì)應(yīng)工況下的最佳水溫進(jìn)行比對(duì)，從而控制水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)液體溫度的閉環(huán)控制。它的好處是可以將發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度控制在最佳范圍，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率并降低油耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低溫工況的快速暖機(jī)。電子水泵的轉(zhuǎn)速是獨(dú)立控制的，在非最大冷卻需求工況時(shí)，不需要全功率運(yùn)行，電子水泵的最大功率和運(yùn)行的平均功率都較機(jī)械水泵低很多[1]。

電子水泵的功率主要分布在200～600 W，對(duì)于配備普通發(fā)電機(jī)和普通12 V蓄電池的汽車來(lái)說(shuō)，這個(gè)功率段的電耗和電流還是偏大。驅(qū)動(dòng)水泵工作的電能是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電而來(lái)，能量的多級(jí)轉(zhuǎn)化帶來(lái)較大的效率損失。又因?yàn)殡娮铀蒙婕半娮?、軟件、電機(jī)和水力機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，難度較高，水泵失效還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞的嚴(yán)重后果，故對(duì)其可靠性要求極高。此前僅有少數(shù)幾家國(guó)際汽車零部件公司有成熟技術(shù)和產(chǎn)品，這些因素使主冷卻電子水泵應(yīng)用成本非常高，普及較為困難。

隨著汽車在制動(dòng)過(guò)程中回收能量發(fā)電的效率逐漸提高，這些回收來(lái)的電能最適用于驅(qū)動(dòng)水泵等附件。國(guó)內(nèi)一些汽車零部件企業(yè)經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，也推出了一系列性價(jià)比較高的電子主水泵產(chǎn)品，現(xiàn)已開(kāi)始為國(guó)內(nèi)主流汽車廠商配套。在解決了水泵電耗和成本問(wèn)題后，發(fā)動(dòng)機(jī)主冷卻電子水泵會(huì)以其特有優(yōu)勢(shì)而快速普及[2]。

2.2 渦輪增壓器冷卻回路電子水泵的應(yīng)用

渦輪增壓器因接觸高溫廢氣且高速旋轉(zhuǎn)，渦輪端的溫度會(huì)達(dá)到600℃以上，而密封環(huán)工作溫度需要控制在230℃以下，軸承需要控制在150℃以下，否則會(huì)導(dǎo)致渦輪增壓器快速損壞，所以有效的冷卻是關(guān)鍵。渦輪增壓器一般都設(shè)計(jì)有液冷回路，但在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，機(jī)械式主水泵也會(huì)停止工作，沒(méi)有循環(huán)液體的冷卻，熱浸會(huì)導(dǎo)致增壓器軸承、軸及密封件等損壞。為解決這個(gè)問(wèn)題，一般會(huì)在渦輪增壓器冷卻回路中配置1個(gè)15～30 W的輔助電子水泵，在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后繼續(xù)為增壓器提供冷卻。

2.3 進(jìn)氣中冷回路電子水泵的應(yīng)用

因增壓器渦輪端的高溫?zé)醾鲗?dǎo)和空氣的壓縮生熱，經(jīng)渦輪增壓器壓氣機(jī)后的空氣溫度可達(dá)150℃，而進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣溫度一般要控制在50℃以下，這就需要對(duì)增壓后的空氣進(jìn)行冷卻，目前主流技術(shù)采用液冷加風(fēng)冷對(duì)進(jìn)氣冷卻。配置機(jī)械式主水泵的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，常在中冷器的液冷回路中配置1個(gè)30～60 W的小型電子水泵，以控制進(jìn)氣溫度。在進(jìn)氣中冷系統(tǒng)中使用電子水泵，可通過(guò)管路的布置解決渦輪增壓器冷卻的需求。在使用外部廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，EGR冷卻器的液冷回路一般與進(jìn)氣中冷回路并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)廢氣冷卻。

2.4 基于電子水泵的內(nèi)燃機(jī)熱管理系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)使用電子主水泵后，可以實(shí)現(xiàn)停機(jī)冷卻功能，熱管理系統(tǒng)是在此基礎(chǔ)上配備1個(gè)可以控制冷卻回路流向和流量的電控閥組，實(shí)現(xiàn)各冷卻回路需求的匹配，不需要配備多個(gè)水泵，就可以較好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各部分熱管理的需求。當(dāng)前通用汽車已在CSS系列新型發(fā)動(dòng)機(jī)上使用了這一技術(shù)。但其熱管理系統(tǒng)和電子水泵是分開(kāi)設(shè)計(jì)和布置的，通過(guò)管路連接，而泵閥一體化設(shè)計(jì)可節(jié)省安裝管路、優(yōu)化布局空間并減少管路接口，有利于成本的降低，這可能會(huì)成為未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 電子水泵技術(shù)在新能源電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

電動(dòng)汽車中應(yīng)用電子水泵主要是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液冷回路和動(dòng)力電池液冷回路。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，電機(jī)控制器中的大功率器件IGBT也會(huì)大量發(fā)熱，過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致電機(jī)及電控效率下降，溫度失控會(huì)導(dǎo)致快速燒毀的嚴(yán)重后果。高速減速器中為確保潤(rùn)滑良好，也需要通過(guò)換熱器對(duì)潤(rùn)滑油溫度進(jìn)行控制。所以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般都設(shè)計(jì)了液冷回路，其冷卻液溫度一般要求控制在90℃以內(nèi)，用于此系統(tǒng)的電子水泵一般功率在40～60 W。

電動(dòng)汽車的鋰離子動(dòng)力電池在充電和放電時(shí)會(huì)發(fā)熱，特別是快充和大功率放電時(shí)，它的最佳工作溫度是15～35℃，過(guò)低和過(guò)高的溫度都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池的充放電性能及循環(huán)壽命降低，熱失控還可能導(dǎo)致動(dòng)力電池自燃。所以動(dòng)力電池都設(shè)計(jì)有液體循環(huán)的熱管理系統(tǒng)，液體循環(huán)回路中有與空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行熱交換的換熱器，有加熱液體的電控加熱器，電子水泵驅(qū)動(dòng)液體循環(huán)流動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池的加熱和冷卻，將動(dòng)力電池的溫度控制在10～55℃，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)液體的溫度一般低于50℃，電子水泵的功率一般在50～120 W。

電動(dòng)汽車中還有充電機(jī)、逆變器和直流變壓器等部件，也需要使用到液冷系統(tǒng)。因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電池?zé)峁芾砜刂茰囟确秶町愝^大，無(wú)法使用同一冷卻系統(tǒng)，故一般會(huì)使用2個(gè)以上的電子水泵。用于電動(dòng)汽車的電子水泵與用于內(nèi)燃機(jī)的電子水泵不同之處在于，內(nèi)燃機(jī)水泵工作介質(zhì)的溫度可達(dá)120℃，環(huán)境溫度可達(dá)150℃，其高溫可靠性要求極高。電動(dòng)汽車水泵除汽車運(yùn)行時(shí)要工作外，在充電過(guò)程中也要工作，其使用壽命要求更高。

4 結(jié)束語(yǔ)

在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，電子水泵與機(jī)械水泵相比，有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，隨著制動(dòng)能量回收發(fā)電效率的提高，可有效解決電能供應(yīng)問(wèn)題，使電子水泵的應(yīng)用將成為主流趨勢(shì)。為解決渦輪增壓器冷卻及進(jìn)氣中冷等不同溫度管理需求問(wèn)題，基于電子水泵的熱管理系統(tǒng)已開(kāi)始應(yīng)用，而泵閥一體化技術(shù)方案可能是未來(lái)的趨勢(shì)。電動(dòng)汽車中電子水泵的技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用已成普及趨勢(shì)。