向明朗

（綿陽富臨精工機械股份有限公司 621000）

0 引言

水泵是汽車冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，主要應(yīng)用在內(nèi)燃發(fā)動機的主冷卻系統(tǒng)、渦輪增壓器冷卻回路及進氣中冷系統(tǒng)，還應(yīng)用于新能源汽車的驅(qū)動系統(tǒng)及動力電池熱管理系統(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)的溫度按實時工況需求得到閉環(huán)控制，在確保被冷卻部件可靠性的同時，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

電子水泵由水力機械、電機和電機控制器3個基本部分構(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械部分和電機部分獨立分開，通過軸連接，水泵和電機之間使用旋轉(zhuǎn)動密封件密封隔離，電機殼體、水泵殼與電機控制器殼連接成一個整體，電機驅(qū)動水泵葉輪轉(zhuǎn)動工作。濕式電子水泵是在電機的轉(zhuǎn)子與定子間設(shè)計1個密封的薄壁襯套，電機轉(zhuǎn)子與水泵葉輪一體。工作時，電機轉(zhuǎn)子浸泡在流體介質(zhì)中，定子線圈產(chǎn)生的磁場穿透薄壁襯套與轉(zhuǎn)子永磁體的磁場構(gòu)成回路，驅(qū)動轉(zhuǎn)子和葉輪轉(zhuǎn)動，電機控制器安裝在電機旁邊。

干式電子水泵的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子和定子的間隙小，磁路損耗就小，因此電機的效率相對要高一些；缺點是動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，故電機的效率相對要低一些；其優(yōu)點是運動部件都被密封在流體介質(zhì)中，沒有動密封件，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)動機中的應(yīng)用

2.1 內(nèi)燃機主冷卻水泵的應(yīng)用

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

因為機械水泵存在這些不足，所以電子水泵逐漸被應(yīng)用到發(fā)動機主冷卻系統(tǒng)中。電子水泵的轉(zhuǎn)速不再與發(fā)動機直接關(guān)聯(lián)，電子控制單元（ECU）通過傳感器采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷及水溫等參數(shù)，與標定好的對應(yīng)工況下的最佳水溫進行比對，從而控制水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)液體溫度的閉環(huán)控制。它的好處是可以將發(fā)動機工作溫度控制在最佳范圍，從而提高發(fā)動機熱效率并降低油耗，同時實現(xiàn)低溫工況的快速暖機。電子水泵的轉(zhuǎn)速是獨立控制的，在非最大冷卻需求工況時，不需要全功率運行，電子水泵的最大功率和運行的平均功率都較機械水泵低很多[1]。

電子水泵的功率主要分布在200～600 W，對于配備普通發(fā)電機和普通12 V蓄電池的汽車來說，這個功率段的電耗和電流還是偏大。驅(qū)動水泵工作的電能是通過發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電而來，能量的多級轉(zhuǎn)化帶來較大的效率損失。又因為電子水泵涉及電子、軟件、電機和水力機械等多個領(lǐng)域的技術(shù)，難度較高，水泵失效還會導致發(fā)動機損壞的嚴重后果，故對其可靠性要求極高。此前僅有少數(shù)幾家國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。

隨著汽車在制動過程中回收能量發(fā)電的效率逐漸提高，這些回收來的電能最適用于驅(qū)動水泵等附件。國內(nèi)一些汽車零部件企業(yè)經(jīng)過多年研發(fā)，也推出了一系列性價比較高的電子主水泵產(chǎn)品，現(xiàn)已開始為國內(nèi)主流汽車廠商配套。在解決了水泵電耗和成本問題后，發(fā)動機主冷卻電子水泵會以其特有優(yōu)勢而快速普及[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)，渦輪端的溫度會達到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，否則會導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)計有液冷回路，但在發(fā)動機停機后，機械式主水泵也會停止工作，沒有循環(huán)液體的冷卻，熱浸會導致增壓器軸承、軸及密封件等損壞。為解決這個問題，一般會在渦輪增壓器冷卻回路中配置1個15～30 W的輔助電子水泵，在發(fā)動機停機后繼續(xù)為增壓器提供冷卻。

2.3 進氣中冷回路電子水泵的應(yīng)用

因增壓器渦輪端的高溫熱傳導和空氣的壓縮生熱，經(jīng)渦輪增壓器壓氣機后的空氣溫度可達150℃，而進入發(fā)動機的空氣溫度一般要控制在50℃以下，這就需要對增壓后的空氣進行冷卻，目前主流技術(shù)采用液冷加風冷對進氣冷卻。配置機械式主水泵的增壓發(fā)動機中，常在中冷器的液冷回路中配置1個30～60 W的小型電子水泵，以控制進氣溫度。在進氣中冷系統(tǒng)中使用電子水泵，可通過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)動機中，EGR冷卻器的液冷回路一般與進氣中冷回路并聯(lián)來實現(xiàn)廢氣冷卻。

2.4 基于電子水泵的內(nèi)燃機熱管理系統(tǒng)

發(fā)動機使用電子主水泵后，可以實現(xiàn)停機冷卻功能，熱管理系統(tǒng)是在此基礎(chǔ)上配備1個可以控制冷卻回路流向和流量的電控閥組，實現(xiàn)各冷卻回路需求的匹配，不需要配備多個水泵，就可以較好地滿足發(fā)動機各部分熱管理的需求。當前通用汽車已在CSS系列新型發(fā)動機上使用了這一技術(shù)。但其熱管理系統(tǒng)和電子水泵是分開設(shè)計和布置的，通過管路連接，而泵閥一體化設(shè)計可節(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，這可能會成為未來發(fā)動機熱管理技術(shù)的發(fā)展趨勢。

3 電子水泵技術(shù)在新能源電動汽車中的應(yīng)用

電動汽車中應(yīng)用電子水泵主要是驅(qū)動系統(tǒng)液冷回路和動力電池液冷回路。驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電機、電機控制器和減速器，驅(qū)動電機大負荷運行時會產(chǎn)生大量的熱，電機控制器中的大功率器件IGBT也會大量發(fā)熱，過高的溫度會導致電機及電控效率下降，溫度失控會導致快速燒毀的嚴重后果。高速減速器中為確保潤滑良好，也需要通過換熱器對潤滑油溫度進行控制。所以驅(qū)動系統(tǒng)一般都設(shè)計了液冷回路，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。

電動汽車的鋰離子動力電池在充電和放電時會發(fā)熱，特別是快充和大功率放電時，它的最佳工作溫度是15～35℃，過低和過高的溫度都會導致動力電池的充放電性能及循環(huán)壽命降低，熱失控還可能導致動力電池自燃。所以動力電池都設(shè)計有液體循環(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)動液體循環(huán)流動，可實現(xiàn)對動力電池的加熱和冷卻，將動力電池的溫度控制在10～55℃，電池熱管理系統(tǒng)液體的溫度一般低于50℃，電子水泵的功率一般在50～120 W。

電動汽車中還有充電機、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)動系統(tǒng)和電池熱管理控制溫度范圍差異較大，無法使用同一冷卻系統(tǒng)，故一般會使用2個以上的電子水泵。用于電動汽車的電子水泵與用于內(nèi)燃機的電子水泵不同之處在于，內(nèi)燃機水泵工作介質(zhì)的溫度可達120℃，環(huán)境溫度可達150℃，其高溫可靠性要求極高。電動汽車水泵除汽車運行時要工作外，在充電過程中也要工作，其使用壽命要求更高。

4 結(jié)束語

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