汽車電子水泵技術應用趨勢的探討

摘要：電子水泵作為汽車熱管理系統的關鍵部件，對汽車子系統溫度智能控制、確保子系統安全可靠運行及降低能耗等方面有重要作用。本文介紹了主流電子水泵的基本結構、原理及優缺點，分析了其在內燃發動機、新能源純電動汽車驅動系統及動力電池熱管理等主要系統中的不同應用需求，對電子水泵的應用和技術發展趨勢做出了推斷。

關鍵詞：電子水泵;熱管理;動力電池熱管理

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A

0引言

水泵是汽車冷卻系統中的關鍵部件，主要應用在內燃發動機的主冷卻系統、渦輪增壓器冷卻回路及進氣中冷系統，還應用于新能源汽車的驅動系統及動力電池熱管理系統。在以上系統中采用智能控制的電子水泵，可以使冷卻系統的溫度按實時工況需求得到閉環控制，在確保被冷卻部件可靠性的同時，降低了能耗。

1電子水泵的主流結構形式、原理及優缺點

電子水泵由水力機械、電機和電機控制器3個基本部分構成，根據其流體密封結構方式不同，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，電機驅動水泵葉輪轉動工作。濕式電子水泵是在電機的轉子與定子間設計1個密封的薄壁襯套，電機轉子與水泵葉輪一體。工作時，電機轉子浸泡在流體介質中，定子線圈產生的磁場穿透薄壁襯套與轉子永磁體的磁場構成回路，驅動轉子和葉輪轉動，電機控制器安裝在電機旁邊。

干式電子水泵的優點是轉子和定子的間隙小，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;其優點是運動部件都被密封在流體介質中，沒有動密封件，其密封可靠性和壽命要好很多。

2電子水泵技術在內燃發動機中的應用

2.1內燃機主冷卻水泵的應用

目前大部分內燃發動機的主冷卻水泵是機械泵，它安裝在發動機前端，流道與缸體水道—體設計，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，由曲軸提供驅動力，水泵與曲軸按固定傳動比同步轉動。這樣設計的缺點是水泵轉速只能與發動機轉速同步升降，發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。而當發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。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，機械泵就必須設計有較大功率，而在多數非特殊工況下，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用到發動機主冷卻系統中。電子水泵的轉速不再與發動機直接關聯，電子控制單元（ECU）通過傳感器采集發動機轉速、負荷及水溫等參數，與標定好的對應工況下的最佳水溫進行比對，從而控制水泵轉速，實現液體溫度的閉環控制。它的好處是可以將發動機工作溫度控制在最佳范圍，從而提高發動機熱效率并降低油耗，同時實現低溫工況的快速暖機。電子水泵的轉速是獨立控制的，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。

電子水泵的功率主要分布在200～600 W，對于配備普通發電機和普通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。驅動水泵工作的電能是通過發動機帶動發電機發電而來，能量的多級轉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域的技術，難度較高，水泵失效還會導致發動機損壞的嚴重后果，故對其可靠性要求極高。此前僅有少數幾家國際汽車零部件公司有成熟技術和產品，這些因素使主冷卻電子水泵應用成本非常高，普及較為困難。

隨著汽車在制動過程中回收能量發電的效率逐漸提高，這些回收來的電能最適用于驅動水泵等附件。國內一些汽車零部件企業經過多年研發，也推出了一系列性價比較高的電子主水泵產品，現已開始為國內主流汽車廠商配套。在解決了水泵電耗和成本問題后，發動機主冷卻電子水泵會以其特有優勢而快速普及。

2.2渦輪增壓器冷卻回路電子水泵的應用

渦輪增壓器因接觸高溫廢氣且高速旋轉，渦輪端的溫度會達到600℃以上，而密封環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鍵。渦輪增壓器一般都設計有液冷回路，但在發動機停機后，機械式主水泵也會停止工作，沒有循環液體的冷卻，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，在發動機停機后繼續為增壓器提供冷卻。

2.3進氣中冷回路電子水泵的應用

因增壓器渦輪端的高溫熱傳導和空氣的壓縮生熱，經渦輪增壓器壓氣機后的空氣溫度可達150℃，而進入發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，目前主流技術采用液冷加風冷對進氣冷卻。配置機械式主水泵的增壓發動機中，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（EGR）技術的發動機中，EGR冷卻器的液冷回路一般與進氣中冷回路并聯來實現廢氣冷卻。

2.4基于電子水泵的內燃機熱管理系統

發動機使用電子主水泵后，可以實現停機冷卻功能，熱管理系統是在此基礎上配備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系列新型發動機上使用了這一技術。但其熱管理系統和電子水泵是分開設計和布置的，通過管路連接，而泵閥一體化設計可節省安裝管路、優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動機熱管理技術的發展趨勢。

3電子水泵技術在新能源電動汽車中的應用

電動汽車中應用電子水泵主要是驅動系統液冷回路和動力電池液冷回路。驅動系統包括驅動電機、電機控制器和減速器，驅動電機大負荷運行時會產生大量的熱，電機控制器中的大功率器件IGBT也會大量發熱，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。所以驅動系統一般都設計了液冷回路，其冷卻液溫度一般要求控制在90℃以內，用于此系統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。所以動力電池都設計有液體循環的熱管理系統，液體循環回路中有與空調系統進行熱交換的換熱器，有加熱液體的電控加熱器，電子水泵驅動液體循環流動，可實現對動力電池的加熱和冷卻，將動力電池的溫度控制在10～55℃，電池熱管理系統液體的溫度一般低于50℃，電子水泵的功率一般在50～120W。

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。因驅動系統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，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燃機的電子水泵不同之處在于，內燃機水泵工作介質的溫度可達120℃，環境溫度可達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結束語

在內燃發動機中，電子水泵與機械水泵相比，有顯著的技術優勢，隨著制動能量回收發電效率的提高，可有效解決電能供應問題，使電子水泵的應用將成為主流趨勢。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已開始應用，而泵閥一體化技術方案可能是未來的趨勢。電動汽車中電子水泵的技術相對成熟，應用已成普及趨勢。