汽车电子水泵技术应用趋势的探讨

向明朗

（绵阳富临精工机械股份有限公司 621000）

0 引言

水泵是汽车冷却系统中的关键部件，主要应用在内燃发动机的主冷却系统、涡轮增压器冷却回路及进气中冷系统，还应用于新能源汽车的驱动系统及动力电池热管理系统。在以上系统中采用智能控制的电子水泵，可以使冷却系统的温度按实时工况需求得到闭环控制，在确保被冷却部件可靠性的同时，降低了能耗。

1 电子水泵的主流结构形式、原理及优缺点

电子水泵由水力机械、电机和电机控制器3个基本部分构成，根据其流体密封结构方式不同，主要分为干式和湿式电子水泵。干式电子水泵的水力机械部分和电机部分独立分开，通过轴连接，水泵和电机之间使用旋转动密封件密封隔离，电机壳体、水泵壳与电机控制器壳连接成一个整体，电机驱动水泵叶轮转动工作。湿式电子水泵是在电机的转子与定子间设计1个密封的薄壁衬套，电机转子与水泵叶轮一体。工作时，电机转子浸泡在流体介质中，定子线圈产生的磁场穿透薄壁衬套与转子永磁体的磁场构成回路，驱动转子和叶轮转动，电机控制器安装在电机旁边。

干式电子水泵的优点是转子和定子的间隙小，磁路损耗就小，因此电机的效率相对要高一些；缺点是动密封件的密封可靠性和寿命要差一些。湿式电子水泵的缺点是因安装密封衬套的空间需求，转子和定子的间隙大，磁路损耗也较大，故电机的效率相对要低一些；其优点是运动部件都被密封在流体介质中，没有动密封件，其密封可靠性和寿命要好很多。

2 电子水泵技术在内燃发动机中的应用

2.1 内燃机主冷却水泵的应用

目前大部分内燃发动机的主冷却水泵是机械泵，它安装在发动机前端，流道与缸体水道一体设计，水泵带轮与水泵叶轮同轴，通过皮带连接水泵带轮和曲轴带轮，由曲轴提供驱动力，水泵与曲轴按固定传动比同步转动。这样设计的缺点是水泵转速只能与发动机转速同步升降，发动机在低温需要快速暖机时，不需要较大的冷却液流量，但水泵不能以低速运转。而当发动机在低速大负荷工况时，需要大流量液体冷却，此时水泵又不能高速运转。在低负荷高车速行驶时，风冷效果好，不需要较大的冷却液流量，可此时水泵又在高速运行。为了保证在低速大负荷等特殊工况下能获得可靠的冷却效果，机械泵就必须设计有较大功率，而在多数非特殊工况下，泵的运行功率过剩，导致不必要的能耗。

因为机械水泵存在这些不足，所以电子水泵逐渐被应用到发动机主冷却系统中。电子水泵的转速不再与发动机直接关联，电子控制单元（ECU）通过传感器采集发动机转速、负荷及水温等参数，与标定好的对应工况下的最佳水温进行比对，从而控制水泵转速，实现液体温度的闭环控制。它的好处是可以将发动机工作温度控制在最佳范围，从而提高发动机热效率并降低油耗，同时实现低温工况的快速暖机。电子水泵的转速是独立控制的，在非最大冷却需求工况时，不需要全功率运行，电子水泵的最大功率和运行的平均功率都较机械水泵低很多[1]。

电子水泵的功率主要分布在200～600 W，对于配备普通发电机和普通12 V蓄电池的汽车来说，这个功率段的电耗和电流还是偏大。驱动水泵工作的电能是通过发动机带动发电机发电而来，能量的多级转化带来较大的效率损失。又因为电子水泵涉及电子、软件、电机和水力机械等多个领域的技术，难度较高，水泵失效还会导致发动机损坏的严重后果，故对其可靠性要求极高。此前仅有少数几家国际汽车零部件公司有成熟技术和产品，这些因素使主冷却电子水泵应用成本非常高，普及较为困难。

随着汽车在制动过程中回收能量发电的效率逐渐提高，这些回收来的电能最适用于驱动水泵等附件。国内一些汽车零部件企业经过多年研发，也推出了一系列性价比较高的电子主水泵产品，现已开始为国内主流汽车厂商配套。在解决了水泵电耗和成本问题后，发动机主冷却电子水泵会以其特有优势而快速普及[2]。

2.2 涡轮增压器冷却回路电子水泵的应用

涡轮增压器因接触高温废气且高速旋转，涡轮端的温度会达到600℃以上，而密封环工作温度需要控制在230℃以下，轴承需要控制在150℃以下，否则会导致涡轮增压器快速损坏，所以有效的冷却是关键。涡轮增压器一般都设计有液冷回路，但在发动机停机后，机械式主水泵也会停止工作，没有循环液体的冷却，热浸会导致增压器轴承、轴及密封件等损坏。为解决这个问题，一般会在涡轮增压器冷却回路中配置1个15～30 W的辅助电子水泵，在发动机停机后继续为增压器提供冷却。

2.3 进气中冷回路电子水泵的应用

因增压器涡轮端的高温热传导和空气的压缩生热，经涡轮增压器压气机后的空气温度可达150℃，而进入发动机的空气温度一般要控制在50℃以下，这就需要对增压后的空气进行冷却，目前主流技术采用液冷加风冷对进气冷却。配置机械式主水泵的增压发动机中，常在中冷器的液冷回路中配置1个30～60 W的小型电子水泵，以控制进气温度。在进气中冷系统中使用电子水泵，可通过管路的布置解决涡轮增压器冷却的需求。在使用外部废气再循环（EGR）技术的发动机中，EGR冷却器的液冷回路一般与进气中冷回路并联来实现废气冷却。

2.4 基于电子水泵的内燃机热管理系统

发动机使用电子主水泵后，可以实现停机冷却功能，热管理系统是在此基础上配备1个可以控制冷却回路流向和流量的电控阀组，实现各冷却回路需求的匹配，不需要配备多个水泵，就可以较好地满足发动机各部分热管理的需求。当前通用汽车已在CSS系列新型发动机上使用了这一技术。但其热管理系统和电子水泵是分开设计和布置的，通过管路连接，而泵阀一体化设计可节省安装管路、优化布局空间并减少管路接口，有利于成本的降低，这可能会成为未来发动机热管理技术的发展趋势。

3 电子水泵技术在新能源电动汽车中的应用

电动汽车中应用电子水泵主要是驱动系统液冷回路和动力电池液冷回路。驱动系统包括驱动电机、电机控制器和减速器，驱动电机大负荷运行时会产生大量的热，电机控制器中的大功率器件IGBT也会大量发热，过高的温度会导致电机及电控效率下降，温度失控会导致快速烧毁的严重后果。高速减速器中为确保润滑良好，也需要通过换热器对润滑油温度进行控制。所以驱动系统一般都设计了液冷回路，其冷却液温度一般要求控制在90℃以内，用于此系统的电子水泵一般功率在40～60 W。

电动汽车的锂离子动力电池在充电和放电时会发热，特别是快充和大功率放电时，它的最佳工作温度是15～35℃，过低和过高的温度都会导致动力电池的充放电性能及循环寿命降低，热失控还可能导致动力电池自燃。所以动力电池都设计有液体循环的热管理系统，液体循环回路中有与空调系统进行热交换的换热器，有加热液体的电控加热器，电子水泵驱动液体循环流动，可实现对动力电池的加热和冷却，将动力电池的温度控制在10～55℃，电池热管理系统液体的温度一般低于50℃，电子水泵的功率一般在50～120 W。

电动汽车中还有充电机、逆变器和直流变压器等部件，也需要使用到液冷系统。因驱动系统和电池热管理控制温度范围差异较大，无法使用同一冷却系统，故一般会使用2个以上的电子水泵。用于电动汽车的电子水泵与用于内燃机的电子水泵不同之处在于，内燃机水泵工作介质的温度可达120℃，环境温度可达150℃，其高温可靠性要求极高。电动汽车水泵除汽车运行时要工作外，在充电过程中也要工作，其使用寿命要求更高。

4 结束语

在内燃发动机中，电子水泵与机械水泵相比，有显著的技术优势，随着制动能量回收发电效率的提高，可有效解决电能供应问题，使电子水泵的应用将成为主流趋势。为解决涡轮增压器冷却及进气中冷等不同温度管理需求问题，基于电子水泵的热管理系统已开始应用，而泵阀一体化技术方案可能是未来的趋势。电动汽车中电子水泵的技术相对成熟，应用已成普及趋势。