淺析純電動汽車與燃油汽車中水泵的區(qū)別與聯(lián)系

蔣曉琴

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

0 引言

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

1 純電動汽車水泵與燃油汽車水泵的區(qū)別與聯(lián)系

1.1 用途

純電動汽車和燃油汽車中的水泵用途都一致，通過水泵泵送冷卻液，使冷卻液在冷卻系統(tǒng)的冷卻水道內(nèi)快速流動帶走熱量。水泵葉輪旋轉(zhuǎn)時，水泵中的冷卻液被葉輪帶動一起旋轉(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方向的出水管壓送出去，同時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。通過冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)流動，從而帶走或轉(zhuǎn)移熱量。

1.2 工作介質(zhì)

純電動汽車和燃油汽車中水泵的工作介質(zhì)均稱冷卻液，但兩者之間存在區(qū)別，不可混用。燃油汽車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)動機(jī)冷卻液》[3]和GB 29743-2013《機(jī)動車發(fā)動機(jī)冷卻液》[4]。而純電動汽車?yán)鋮s液既要防止腐蝕還要隔離高電壓，因此純電動汽車?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，目前沒有純電動汽車?yán)鋮s液的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

1.3 類型

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

1.4 數(shù)量

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

1.5 安裝位置

燃油汽車中機(jī)械水泵由發(fā)動機(jī)曲軸通過傳動皮帶驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速呈正比，安裝在發(fā)動機(jī)缸體外。純電動汽車中，電池冷卻系統(tǒng)水泵一般安裝在車身底盤上，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

1.6.1 燃油車?yán)鋮s系統(tǒng)水泵的選型設(shè)計

燃油汽車中冷卻水道在發(fā)動機(jī)缸蓋中，通過冷卻液的大循環(huán)或小循環(huán)流動來帶走發(fā)動機(jī)的熱量。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計手冊[5]選用最大功率點即額定工況作為冷卻系統(tǒng)的計算工況，估算發(fā)動機(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參數(shù)。

發(fā)動機(jī)散熱量Qe受到許多復(fù)雜因素影響，很難精確計算，因此設(shè)計時通常根據(jù)統(tǒng)計資料得出的經(jīng)驗公式來估算，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，既要克服系統(tǒng)中所有的流動阻力，又要保證必要的冷卻水循環(huán)流動速度，同時避免氣蝕現(xiàn)象。在水冷式冷卻系的管道中，流速等于3～5 m/s時流動阻力一般為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 純電動汽車?yán)鋮s系水泵的選型設(shè)計

純電動汽車電池在蓄能和放電的過程中因電解化學(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，通過封閉循環(huán)水將電機(jī)熱量帶走。

(1)純電動汽車電機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵的選型設(shè)計

純電動汽車電機(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)驗估取。

(2)純電動汽車電池組冷卻系統(tǒng)水泵的選型設(shè)計

在純電動汽車電池組冷卻系統(tǒng)水泵選型設(shè)計時，最關(guān)鍵的是電池組的發(fā)熱計算，再根據(jù)電池組的發(fā)熱量計算水泵的流量，經(jīng)驗估取揚(yáng)程。電池的單位發(fā)熱量按下式計算：

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、材料、荷電狀態(tài)不同，發(fā)熱量也不相同。

不論燃油汽車水泵的選型設(shè)計，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，基本方法是一致的，先計算散熱量，再計算水泵流量、估取揚(yáng)程。

1.7 維修方法

純電動汽車電機(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?yán)鋮s系統(tǒng)若不能正常工作會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)過熱。因此不論是純電動汽車還是燃油車，在維護(hù)保養(yǎng)時均要按一定的維護(hù)周期更換冷卻液，同時當(dāng)檢測到水泵出現(xiàn)故障時采取的維修方法為換件維修，更換水泵。因此純電動汽車和燃油汽車水泵的維修方法相同。

2 結(jié)論

通過對純電動汽車和燃油汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的比較分析，得出以下結(jié)論：兩種汽車中水泵的用途相同，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；類型不同，燃油汽車的水泵為機(jī)械式或有刷電動水泵，純電動汽車中水泵為有刷電動水泵和無刷電動水泵；數(shù)量不同，燃油汽車一個水泵，純電動汽車兩個水泵，一個為電機(jī)冷卻一個為電池冷卻；安裝位置不同；選型設(shè)計相同，均是先計算散熱量，再計算水泵流量、估取揚(yáng)程；維護(hù)時按維護(hù)周期更換冷卻液，維修時采用換件維修法更換水泵。