電子水泵概述

屈佳聞， 張元東， 王 勇， 王天臻

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司， 浙江 寧波 315336）

1 電子水泵結構及工作原理

水泵是汽車發動機冷卻系統的重要組成部件，主要作用是負責驅動冷卻液循環，吸收發動機多余的熱量并通過散熱裝置傳遞到外部空氣中，避免發動機溫度過高。發動機溫度過高會使機油潤滑能力下降，導致機件磨損加劇，溫度高到一定值會導致發動機拉缸或燒瓦等嚴重故障出現，最終導致發動機燒毀報廢。

水泵分為傳統機械水泵和電子水泵兩種。傳統發動機一般使用的是機械水泵，是通過皮帶輪帶動水泵軸承及葉輪轉動，水泵中的冷卻液被葉輪帶動一起旋轉，在離心力的作用下被甩向水泵殼體的邊緣，同時產生一定的壓力，然后從出水道或水管流出。葉輪的中心處由于冷卻液被甩出而壓力降低，水箱中的冷卻液在水泵進口與葉輪中心的壓差作用下經水管被吸入葉輪中，實現冷卻液的往復循環。電子水泵工作原理如下：ECU （電子控制單元） 根據水溫等反饋信號，通過PWM （脈沖寬度調制） 調節占空比的大小，并把信號傳到電子水泵內部的控制器，控制器根據占空比大小控制電機轉動，從而驅動葉輪轉子旋轉，進而實現冷卻液循環［1］。

傳統機械水泵是基于發動機轉速而工作的，這也就導致了即使在對流量需求不高的冷啟動和低負荷高轉速工況下仍然需要很大功率來驅動，在此時提供的冷卻能力遠大于發動機實際需求的冷卻能量，而且需要很大功率來驅動。這樣機械水泵冷卻能力有很大部分被浪費了，既要耗費很多額外的驅動能力，冷卻效果又與發動機實際所需有一定差異，就會造成發動機的動力性和經濟性的下降。而電子水泵可以根據冷卻裝置對冷卻液的需求來精確控制流量［2］。隨著科技的發展及對燃油效率的高要求，電子水泵的應用越來越多，目前市場上混動及新能源發動機都開始使用電子水泵。

電子水泵由泵殼、葉輪、密封圈、電機殼、電器插頭、電機總成、軸承、轉子、控制器、控制器座、后蓋、固定螺栓等組成［3］，如圖1所示。ECU根據水溫等反饋信號，通過PWM調節占空比的大小，控制器通過電氣插頭連接線束，然后根據占空比大小控制電機驅動葉輪和轉子，進而實現冷卻液循環，確保對冷卻液流量的精確控制；密封圈是保證泵殼和電機殼、控制器座和后蓋之間的密封性；泵殼、電機殼、后蓋是將電子水泵的內部元件密封在一個無塵環境，確保電子水泵工作可靠性，如圖2所示。

圖1 電子水泵結構圖

2 電子水泵的特點

1） 提供適時適量冷卻能力，耗能低、效率高，根據水溫等信息實現對冷卻液流量的精確控制，減少冷卻液流動距離并實現水泵排量降低60%左右［4］。

2） 減少摩擦，電子水泵采用電力驅動，相比機械水泵采用附件皮帶驅動，減少了摩擦功，NEDC （新歐洲駕駛周期，是歐洲的續航測試標準） 循環可實現油耗降低2%左右［5］。

3） 加速暖機，對于混合動力的發動機，由于啟停頻繁，需要較快的暖機速度，電子水泵由于排量可實時控制，因此在冷啟動時降低冷卻液流量可達到加速暖機、降低油耗和排放的效果［6］。

4） 使用壽命更長，連續工作時間在2萬小時以上。

5） 漏水風險大大降低，機械水泵的葉輪是采用過盈配合壓裝在水泵軸承上的，而電子水泵的集成式磁力葉輪是由安裝在水泵殼體的磁芯驅動的，這樣可實現水腔和外部的分離，可去除水封，也就降低了摩擦損失和漏水的風險［7］。

6） 控制方式靈活（PWM、總線）［8］。

7） 多重工作保護（過溫、過壓、過流等）。

圖2 電子水泵工作原理

3 電子水泵失效模式及失效原因

1） 水溫異常升高，電子水泵性能降低［6］，性能降低可能發生有兩種原因：①葉輪組件與空心軸過盈設計過小，導致葉輪與空心軸連接不可靠，葉輪打滑，從而造成葉輪轉速不達標，水泵性能降低；②鑲嵌件防轉結構設計不合理，導致鑲嵌件與注塑葉輪出現打滑，從而造成葉輪轉速不達標，水泵性能降低。

2） 電子水泵轉速時有時無，最終降為零，停止工作，導致水泵不工作的原因總結有以下5點：①芯片或電子器件失效，銅箔厚度不滿足設計要求，導致溫度升高時銅箔燒斷；②防水透氣閥密封圈材料選擇不合理，在極限環境下老化，導致氣密性不合格，水汽進入干區，水泵短路，水泵停止工作；③控制器簧片與漆包線焊接面積設計不合理，接觸段強度不夠，導致簧片與漆包線斷裂，水泵無法工作［9］；④控制器處的電容之間或者電容和支架之間未涂膠固定，導致電容只依靠針腳與簧片之間的焊接支撐，在振動情況下，電容整體晃動，使針腳受循環負荷引起疲勞斷裂，導致水泵轉速降為零；⑤散熱膠選擇不合理，導致散熱膠膨脹產生大量空洞，使PCB （印刷線路板） 無法正常散熱，導致過溫失效。

4 總結

1） 電子水泵相比于機械水泵精度高、耗能低。

2） 電子水泵可實現精確控制冷卻液流量，減少冷卻液流動距離并實現水泵排量降低60%左右，從而提升效率。

3） 分析電子水泵的故障模式及故障原因，為電子水泵失效提供分析思路。