蔣曉琴

(四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都 611130)

0 引言

不論是純電動(dòng)汽車(chē)還是燃油汽車(chē)都有冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件是水泵。由于純電動(dòng)汽車(chē)和燃油車(chē)結(jié)構(gòu)有一定的區(qū)別，燃油車(chē)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，純電動(dòng)汽車(chē)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)電源來(lái)源于車(chē)載可充電蓄電池或其他能量?jī)?chǔ)存裝置，純電動(dòng)汽車(chē)和燃油汽車(chē)中的水泵也存在一定的區(qū)別與聯(lián)系。燃油汽車(chē)中的水泵目前適用的標(biāo)準(zhǔn)有QC/T 288.1-2001《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵技術(shù)條件》[1]、QC/T 288.2-2001《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵試驗(yàn)方法》[2]，而純電動(dòng)汽車(chē)的水泵目前沒(méi)有純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵技術(shù)條件和純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵試驗(yàn)方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此純電動(dòng)汽車(chē)的水泵也適用QC/T 288.1-2001《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵技術(shù)條件》、QC/T 288.2-2001《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵試驗(yàn)方法》。

1 純電動(dòng)汽車(chē)水泵與燃油汽車(chē)水泵的區(qū)別與聯(lián)系

1.1 用途

純電動(dòng)汽車(chē)和燃油汽車(chē)中的水泵用途都一致，通過(guò)水泵泵送冷卻液，使冷卻液在冷卻系統(tǒng)的冷卻水道內(nèi)快速流動(dòng)帶走熱量。水泵葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，水泵中的冷卻液被葉輪帶動(dòng)一起旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，水被甩向葉輪邊緣，經(jīng)外殼上與葉輪成切線(xiàn)方向的出水管壓送出去，同時(shí)葉輪中心處的壓力降低，進(jìn)水管的冷卻液被吸進(jìn)葉輪中心部分。如此連續(xù)循環(huán)，水泵不斷地吸入低壓冷卻液，壓出一定壓力和速度的冷卻液，從而使冷卻液不斷地循環(huán)流動(dòng)。通過(guò)冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)流動(dòng)，從而帶走或轉(zhuǎn)移熱量。

1.2 工作介質(zhì)

純電動(dòng)汽車(chē)和燃油汽車(chē)中水泵的工作介質(zhì)均稱(chēng)冷卻液，但兩者之間存在區(qū)別，不可混用。燃油汽車(chē)中水泵輸送的冷卻液是有乙二醇冷卻液和丙二醇冷卻液兩種，大部分采用的乙二醇冷卻液。乙二醇冷卻液是由水、乙二醇、腐蝕抑制劑按一定比例配制而成，目前參照的標(biāo)準(zhǔn)為NB/SH/T0521-2010《乙二醇型和丙二醇型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液》[3]和GB 29743-2013《機(jī)動(dòng)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液》[4]。而純電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s液既要防止腐蝕還要隔離高電壓，因此純電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s液一般為冷卻液和去離子水按50∶50比例配置的混合液，目前沒(méi)有純電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s液的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

1.3 類(lèi)型

燃油汽車(chē)?yán)鋮s系中水泵一般為機(jī)械水泵和電動(dòng)水泵，大部分燃油汽車(chē)采用的是機(jī)械水泵,一些燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)含量較高,采用的電子水泵，這些電子水泵又稱(chēng)電動(dòng)水泵,一般為有刷電動(dòng)水泵,如寶馬6系發(fā)動(dòng)機(jī)中水泵為典型的電子水泵。純電動(dòng)汽車(chē)中水泵一般為電動(dòng)水泵，電動(dòng)水泵分為有刷電動(dòng)水泵和無(wú)刷電動(dòng)水泵，目前無(wú)刷電動(dòng)水泵用得比較多。

1.4 數(shù)量

燃油汽車(chē)中一般只有一套冷卻系統(tǒng)，因此水泵為一個(gè)。而純電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)一般為兩套，一套對(duì)電池及其管理系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，一套對(duì)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行冷卻，因此純電動(dòng)汽車(chē)中水泵一般為兩個(gè)。

1.5 安裝位置

燃油汽車(chē)中機(jī)械水泵由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)傳動(dòng)皮帶驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速呈正比，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體外。純電動(dòng)汽車(chē)中，電池冷卻系統(tǒng)水泵一般安裝在車(chē)身底盤(pán)上，電機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵一般安裝在前右縱梁上。

1.6 選型設(shè)計(jì)

1.6.1 燃油車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)水泵的選型設(shè)計(jì)

燃油汽車(chē)中冷卻水道在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋中，通過(guò)冷卻液的大循環(huán)或小循環(huán)流動(dòng)來(lái)帶走發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[5]選用最大功率點(diǎn)即額定工況作為冷卻系統(tǒng)的計(jì)算工況，估算發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量、冷卻系冷卻液的循環(huán)量、水泵的供水量、水泵的泵水壓力、水泵消耗的功率幾個(gè)參數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量Qe受到許多復(fù)雜因素影響，很難精確計(jì)算，因此設(shè)計(jì)時(shí)通常根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料得出的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算，即：

式中：A為燃料熱能傳給冷卻系的百分?jǐn)?shù)，汽油機(jī)A=0.23～0.30；ge為內(nèi)燃機(jī)的燃料消耗率，kg/(kW·h)；汽油機(jī)ge=0.205～0.320 ；Ne為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率，kW,取最大功率110 kW;hu為燃料低熱值，kJ/kg。若水冷發(fā)動(dòng)機(jī)帶有機(jī)油散熱器，要將機(jī)油散熱器傳給冷卻系的熱量計(jì)算進(jìn)去，因此增加散熱量，Qe增大5%～10%。

冷卻系冷卻液的循環(huán)量是根據(jù)傳入冷卻系的熱量計(jì)算的：

式中：Δtw為冷卻液循環(huán)的容許溫升(6～12 ℃)；γw為冷卻液的密度，kg/m3；cw為冷卻液比熱，kg/(kW·℃)。

水泵的供水量Vp可根據(jù)冷卻液的循環(huán)量按下式確定，即：

式中：Vw為冷卻液的循環(huán)量，m3/s；ηv為水泵的容積效率，一般取0.6～0.85。

在確定水泵的泵水壓力時(shí)，既要克服系統(tǒng)中所有的流動(dòng)阻力，又要保證必要的冷卻水循環(huán)流動(dòng)速度，同時(shí)避免氣蝕現(xiàn)象。在水冷式冷卻系的管道中，流速等于3～5 m/s時(shí)流動(dòng)阻力一般為7.5×103～12.5×103Pa，氣缸水套阻力一般為13×103～15×103Pa，水散熱器阻力一般為20×103～25×103Pa，總阻力為40×103～53×103Pa。為了安全，一般泵水壓力取150×103Pa。

1.6.2 純電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系水泵的選型設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車(chē)電池在蓄能和放電的過(guò)程中因電解化學(xué)作用釋放大量的熱，因此一般將冷卻管道密密麻麻地分布在電池組中；電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中因繞組損耗、鐵損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃渴闺姍C(jī)各部分溫度升高，因此一般在電機(jī)殼內(nèi)加工水槽，通過(guò)封閉循環(huán)水將電機(jī)熱量帶走。

(1)純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵的選型設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵工作性能參數(shù)最關(guān)鍵的是流量和揚(yáng)程。其中水泵流量:

式中：V為水泵流量，L/min；Qw為驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制放熱量，kW；Cw為冷卻液的比熱，kg·℃；Δtw為電機(jī)進(jìn)、出冷卻液溫差，℃。

水泵的揚(yáng)程是單位質(zhì)量液體經(jīng)水泵后得到的能量。揚(yáng)程主要用于克服冷卻系統(tǒng)流通阻力和得到必要的循環(huán)水流速，并保證流道中任何一點(diǎn)的壓力不低于液體的氣化壓力，防止發(fā)生氣蝕而造成水流速減小以及供水不足，一般為經(jīng)驗(yàn)估取。

(2)純電動(dòng)汽車(chē)電池組冷卻系統(tǒng)水泵的選型設(shè)計(jì)

在純電動(dòng)汽車(chē)電池組冷卻系統(tǒng)水泵選型設(shè)計(jì)時(shí)，最關(guān)鍵的是電池組的發(fā)熱計(jì)算，再根據(jù)電池組的發(fā)熱量計(jì)算水泵的流量，經(jīng)驗(yàn)估取揚(yáng)程。電池的單位發(fā)熱量按下式計(jì)算：

Qc=0.547I+3.6I2Rr

Qd=0.547I+3.6I2Rt

式中：Qc為充電的發(fā)熱量；Qd為放電的發(fā)熱量；I為電流；Rt為電池的內(nèi)阻。根據(jù)上面兩式可知：電池的種類(lèi)、材料、荷電狀態(tài)不同，發(fā)熱量也不相同。

不論燃油汽車(chē)水泵的選型設(shè)計(jì)，還是電機(jī)冷卻系統(tǒng)、電池組冷卻系統(tǒng)水泵的選型設(shè)計(jì)，基本方法是一致的，先計(jì)算散熱量，再計(jì)算水泵流量、估取揚(yáng)程。

1.7 維修方法

純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)溫度升高造成電機(jī)短路甚至燒毀；電池充電和放電時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，電池的損耗相當(dāng)大，大大縮短電池壽命；燃油車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)若不能正常工作會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。因此不論是純電動(dòng)汽車(chē)還是燃油車(chē)，在維護(hù)保養(yǎng)時(shí)均要按一定的維護(hù)周期更換冷卻液，同時(shí)當(dāng)檢測(cè)到水泵出現(xiàn)故障時(shí)采取的維修方法為換件維修，更換水泵。因此純電動(dòng)汽車(chē)和燃油汽車(chē)水泵的維修方法相同。

2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)和燃油汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的比較分析，得出以下結(jié)論：兩種汽車(chē)中水泵的用途相同，都是泵送冷卻液；工作介質(zhì)均為冷卻液但成分不同，不能混用；類(lèi)型不同，燃油汽車(chē)的水泵為機(jī)械式或有刷電動(dòng)水泵，純電動(dòng)汽車(chē)中水泵為有刷電動(dòng)水泵和無(wú)刷電動(dòng)水泵；數(shù)量不同，燃油汽車(chē)一個(gè)水泵，純電動(dòng)汽車(chē)兩個(gè)水泵，一個(gè)為電機(jī)冷卻一個(gè)為電池冷卻；安裝位置不同；選型設(shè)計(jì)相同，均是先計(jì)算散熱量，再計(jì)算水泵流量、估取揚(yáng)程；維護(hù)時(shí)按維護(hù)周期更換冷卻液，維修時(shí)采用換件維修法更換水泵。