車(chē)用電子水泵匹配設(shè)計(jì)及流體分析

潘敬宇，龔元明

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院）

0 引言

近日國(guó)務(wù)院辦公廳正式發(fā)布了《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021～2035 年）》，其中明確指出：“到2025 年純電動(dòng)乘用車(chē)新車(chē)平均電耗降至12.0 kW·h/100 km 以及新能源汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)售量達(dá)到汽車(chē)新車(chē)銷(xiāo)售總量的20%左右，乘用車(chē)新車(chē)平均油耗降至4.0 L/100 km，新能源乘用車(chē)新車(chē)平均電耗降至11.0 kW·h/100 km”[1]。從中不難看出，國(guó)家一方面要求傳統(tǒng)燃油汽車(chē)向新能源汽車(chē)發(fā)展過(guò)渡，另一方面也督促各大汽車(chē)廠(chǎng)家通過(guò)技術(shù)革新來(lái)降低能耗。

水泵作為汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)液體輸送的心臟，其正常工作與否對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行與可靠性及舒適性具有重要影響[2]。根據(jù)動(dòng)力來(lái)源的不同，汽車(chē)水泵可分為機(jī)械水泵和電子水泵。其中電子水泵最大的優(yōu)勢(shì)就是轉(zhuǎn)速可控，既能降低能量消耗，又能提升散熱效果。Hoon Cho 等人用電控水泵取代傳統(tǒng)水泵，通過(guò)試驗(yàn)和模擬分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制水泵轉(zhuǎn)速并提高電控水泵的效率，功率消耗量降低了87%以上，若將水泵轉(zhuǎn)速提高到最大值時(shí),可降低散熱器尺寸27%以上，對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃料經(jīng)濟(jì)性潛力都非常大[3-6]。

不同于傳統(tǒng)機(jī)械水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)，電子水泵的轉(zhuǎn)速可控可調(diào)節(jié)，這使得電子水泵的設(shè)計(jì)自由度和靈活度更高，不過(guò)同時(shí)也增加了兼顧效率和能耗的設(shè)計(jì)難度。本文將參照現(xiàn)有水泵設(shè)計(jì)，根據(jù)新的項(xiàng)目需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，在試驗(yàn)驗(yàn)證之前通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)測(cè)，這樣既可以避免無(wú)效的試驗(yàn)，又能加快水泵的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)程。

1 車(chē)用電子水泵需求匹配

新能源汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的工作溫度差別較大，因此同一車(chē)型往往需要配備多個(gè)不同規(guī)格水泵，從而匹配不同溫度需求的冷卻循環(huán)。

1.1 整車(chē)熱管理需求分析

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器在大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，過(guò)高的溫度不利于電機(jī)運(yùn)行甚至?xí)龤А８咚贉p速器中的潤(rùn)滑油溫度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致粘性下降，使得潤(rùn)滑效果受到影響。

電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池在充電和放電時(shí)會(huì)發(fā)熱，特別是快充和大功率放電時(shí)，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響電池壽命和性能，甚至自燃。

此外，充電機(jī)、逆變器和直流變壓器等部件也需要冷卻系統(tǒng)[7]。本文選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力電池作為主要冷卻對(duì)象，對(duì)車(chē)用電子水泵進(jìn)行研究與分析。

1.2 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，本文擬采用水冷方式對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻或者溫度調(diào)節(jié)。如圖1 所示，整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)由1 個(gè)“大循環(huán)”和2 個(gè)“小循環(huán)”組成。除了用于汽車(chē)自身零部件的常規(guī)水冷循環(huán)，車(chē)內(nèi)乘客用空調(diào)系統(tǒng)也會(huì)介入?yún)⑴c整車(chē)熱管理，增強(qiáng)或分擔(dān)冷卻循環(huán)中的熱量。

圖1 純電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Pure electric vehicle cooling system structure

左側(cè)“小循環(huán)”用于冷卻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電子水泵驅(qū)動(dòng)冷卻液連續(xù)流過(guò)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這種串聯(lián)方案管道損失較小，又可同時(shí)滿(mǎn)足發(fā)熱量不同的的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器；右側(cè)“小循環(huán)”用于冷卻動(dòng)力電池。電子水泵將流經(jīng)動(dòng)力電池后溫度升高的冷卻液引入電池?fù)Q熱器中進(jìn)行降溫，倘若動(dòng)力電池溫度適宜不需要降溫，那么電子水泵將會(huì)暫停工作。

外圈“大循環(huán)”屬于汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，利用蒸發(fā)器放熱和冷凝器吸熱的特性實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)冷熱強(qiáng)制交換。電磁閥1 開(kāi)啟，車(chē)內(nèi)通暖風(fēng)；電磁閥2 開(kāi)啟，電池?fù)Q熱器的熱量才能被帶走；當(dāng)電磁閥1和2 都閉合時(shí)，壓縮機(jī)不需要工作。

1.3 電子水泵參數(shù)匹配

車(chē)用電子水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有流量V、揚(yáng)程H、額定轉(zhuǎn)速n 和水泵效率η。其中，水泵流量表示單位時(shí)間輸出的液體體積。在一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以通過(guò)控制流量來(lái)調(diào)節(jié)散熱速率；水泵揚(yáng)程主要用來(lái)補(bǔ)充冷卻液在循環(huán)過(guò)程中損失的能量。由于冷卻管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以直接計(jì)算，故一般根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到估算值；電子水泵的額定轉(zhuǎn)速可調(diào)。合理的水泵控制策略能夠兼顧能耗與性能；效率的提高對(duì)能耗的降低至關(guān)重要，在提高車(chē)用電子水泵效率的同時(shí)應(yīng)拓寬高效率區(qū)間，使得水泵盡可能長(zhǎng)期工作在最優(yōu)工況點(diǎn)附近。

本文以某些純電動(dòng)汽車(chē)參數(shù)為例，動(dòng)力電池總發(fā)熱量3 100 W，驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值發(fā)熱量6.12 kW，控制器峰值發(fā)熱量2.5 kW。與之對(duì)應(yīng)的是動(dòng)力電池冷卻電子水泵流量10.4 L/min，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻電子水泵流量14.5 L/min，二者揚(yáng)程均為6.3 m[8]。

2 電子水泵方案設(shè)計(jì)

車(chē)用電子水泵水力機(jī)械設(shè)計(jì)部分與機(jī)械水泵設(shè)計(jì)類(lèi)似，不同之處主要在于電子水泵的電機(jī)及其控制器，水泵轉(zhuǎn)速不再與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速耦合，取而代之的是整車(chē)熱管理系統(tǒng)根據(jù)工況需要進(jìn)行匹配的控制命令。由于動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)所用電子水泵的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程類(lèi)似，故選擇其中一個(gè)作為研究對(duì)象即可。這里以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)用電子水泵為例進(jìn)行研究與分析。

2.1 電子水泵工作原理

如圖2 所示，車(chē)用電子水泵由離心水泵、直流無(wú)刷電機(jī)（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）和電機(jī)控制器3 部分組成。其中，水泵葉輪與電機(jī)軸連一體化，結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械損失較小。電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)水泵葉輪旋轉(zhuǎn)，將來(lái)自垂直方向的冷卻液吸入并甩向水泵蝸殼內(nèi)壁，離水泵旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)冷卻液流速越快，最終加速后的冷卻液沿蝸殼出口管道以一定的速度和能量進(jìn)入下一次循環(huán)。

圖2 車(chē)用電子水泵典型結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical structure of automotive electronic water pump

水泵電機(jī)及其控制器在工作過(guò)程中都會(huì)有大量熱量產(chǎn)生，自然冷卻已無(wú)法滿(mǎn)足其散熱需求，而車(chē)用電子水泵泵體內(nèi)的循環(huán)冷卻液通過(guò)引流孔進(jìn)入電機(jī)殼體冷卻水套區(qū)域，流經(jīng)控制器電路板的散熱器表面，再通過(guò)空心軸流回水泵葉輪的進(jìn)口，如此循環(huán)，讓車(chē)用電子水泵在輸出冷卻液的同時(shí)也對(duì)水泵電機(jī)和控制器進(jìn)行了冷卻。

2.2 水力機(jī)械設(shè)計(jì)

電子水泵的水力機(jī)械部分結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的零件設(shè)計(jì)給汽車(chē)水泵的開(kāi)發(fā)和制造提供了很多方便。隨著材料技術(shù)、制造技術(shù)的成熟和穩(wěn)定，水泵效率和性能的提高越來(lái)越依靠設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化與改進(jìn)，而全新設(shè)計(jì)的水泵費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此設(shè)計(jì)者多采用借鑒市面上優(yōu)秀的水泵設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)或計(jì)算機(jī)流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的方案，利用數(shù)值模擬計(jì)算預(yù)測(cè)優(yōu)化結(jié)果，最后再通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，從而得到可信度較高的優(yōu)化方案。

根據(jù)相似定律，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)比較現(xiàn)有水泵進(jìn)行“類(lèi)比設(shè)計(jì)”，其中比轉(zhuǎn)速ns就是主要的參考依據(jù)，計(jì)算公式為

式中：V——水泵流量，m3/s；H——水泵揚(yáng)程，m；n——水泵電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。這里V=0.000 24m3/s，H=6.3 m，n=6 000 r/min，則ns=86。

經(jīng)查找單級(jí)離心泵設(shè)計(jì)手冊(cè)，依據(jù)比轉(zhuǎn)速可得主要幾何參數(shù)，如表1 所示。

表1 電子水泵方案設(shè)計(jì)主要幾何參數(shù)Tab.1 Main geometric parameters of electronic water pump scheme design

利用表1 這些參數(shù)，結(jié)合原型泵設(shè)計(jì)即可得到電子水泵方案設(shè)計(jì)的葉輪和蝸殼三維零件圖，如圖3 和圖4 所示。

圖3 水泵葉輪三維零件圖Fig.3 3D drawing of water pump impeller

圖4 水泵蝸殼三維零件圖Fig.4 3D drawing of water pump volute

2.3 電機(jī)及其控制方式選擇

BLDCM 中的轉(zhuǎn)子使用永磁體材料制作，定子由漆包線(xiàn)繞制而成。BLDCM 繞組多采用三相對(duì)稱(chēng)星形接法，其轉(zhuǎn)矩大小與電流成正比，通過(guò)改變脈寬調(diào)制信號(hào)（Pulse width modulation，PWM）的占空比來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。如圖5 所示，車(chē)載ECU 通過(guò)LIN 總線(xiàn)協(xié)議以PWM 信號(hào)向電機(jī)控制器MCU 輸入調(diào)速信號(hào)，由N 型功率MOSFET 組成的三相全橋驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行BLDCM 的啟停和變速。

圖5 BLDCM 控制器框架Fig.5 BLDCM controller framework

3 電子水泵內(nèi)部流體分析

如圖6 所示，電子水泵內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域可分為4 段：入口段、葉輪區(qū)域、蝸殼區(qū)域和出口段。與機(jī)械水泵不同的是，電子水泵的零件組成顯然更加復(fù)雜和繁多。為排除干擾，降低計(jì)算機(jī)運(yùn)算難度，本文在流體分析之前隱藏了與流體無(wú)直接接觸的零件，并按運(yùn)動(dòng)關(guān)系將固定不動(dòng)的零部件和轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件分別合并。

圖6 電子水泵方案計(jì)算區(qū)域Fig.6 Electronic water pump scheme calculation area

3.1 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

自然界的湍流都遵循質(zhì)量與動(dòng)量守恒定律，由此可以推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的微分方程（N-S 方程）來(lái)描述流體運(yùn)動(dòng)：

式中：ρ——流體密度；t——時(shí)間；u——湍流速度，p ——壓力；x——坐標(biāo)分量；i 和j——坐標(biāo)分量；μ——?jiǎng)恿φ扯认禂?shù)。

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）利用計(jì)算機(jī)將流體力學(xué)的控制方程應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中，從而由現(xiàn)實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)中抽象得到離散的代數(shù)方程組，用于近似模擬壓強(qiáng)、速度等流場(chǎng)數(shù)值。湍流計(jì)算方法大致可分為直接和非直接計(jì)算方法，其中直接數(shù)值模擬方法可以精確地描述湍流流動(dòng)，結(jié)果精確但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，故目前多采用基于k-ω模型的非直接計(jì)算方法應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題。

3.2 電子水泵計(jì)算區(qū)域模型網(wǎng)格劃分

由于偏微分控制方程的復(fù)雜性，較難直接進(jìn)行連續(xù)計(jì)算域的求解，因此用網(wǎng)格將連續(xù)計(jì)算域劃分為離散空間域，并通過(guò)計(jì)算機(jī)求解離散方程可以大大降低數(shù)值計(jì)算的難度，提高求解的精度[9]。水泵流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬分析計(jì)算的基礎(chǔ)，高質(zhì)量的劃分有利于減少誤差和提高計(jì)算校率。本文采用 SolidWorks 的Flow Simulation 插件對(duì)車(chē)用電子水泵的流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖7 所示為本文設(shè)計(jì)中水泵流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖7 電子水泵計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.7 Electronic pump calculation area grid generation

此外，由于網(wǎng)格劃分的數(shù)量影響數(shù)值模擬分析的精度，網(wǎng)格數(shù)量越多，精度越高，但精度越高占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源和時(shí)間也就越多，因此在工程設(shè)計(jì)分析中滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求即可[10]。為找到這一滿(mǎn)足精度需求的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量，本文還對(duì)水泵流體區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，這里選擇將揚(yáng)程計(jì)算偏差是否在±1%以?xún)?nèi)作為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的判斷標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)驗(yàn)證，此處電子水泵流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為1 362 649 時(shí)滿(mǎn)足條件，兼顧了計(jì)算經(jīng)濟(jì)性及準(zhǔn)確性。

3.3 數(shù)值模擬計(jì)算條件和基本參數(shù)設(shè)置

冷卻液成分為體積分?jǐn)?shù)50%的乙二醇水溶液，流體邊界條件為入口體積流量（V=0.000 24 m3/s）和壓力開(kāi)口（總壓=101 325 Pa），泵腔壁面粗糙度根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置為50 μm，分析類(lèi)型為內(nèi)部局部旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)區(qū)域覆蓋葉輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為流過(guò)網(wǎng)格劃分單位長(zhǎng)度所用的時(shí)間（Δt=0.000 4 s）。

另外，在分析計(jì)算過(guò)程中可以瞬時(shí)分析、監(jiān)控水泵的靜壓、動(dòng)壓、速度和湍流強(qiáng)度等數(shù)值變化。利用切面圖和表面圖的形式展現(xiàn)水泵工作時(shí)內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)差異分布，不同時(shí)間、不同工作區(qū)域、不同流量都會(huì)造成水泵內(nèi)部流體物理特性的不均勻分布。

3.4 流體分析結(jié)果

圖8 所示為電子水泵內(nèi)部流體速度分布圖。從中可以看出，葉輪中心和蝸殼外側(cè)靠近出口處流速較低，葉輪邊緣流速較高，水流由葉輪甩向蝸殼內(nèi)壁過(guò)程中存在流動(dòng)分離。

圖8 電子水泵內(nèi)部流體速度分布圖Fig.8 A map of fluid velocity within an electronic pump

如圖9 所示，除設(shè)計(jì)流量V 以外，還有流量為0.8，1.25 V 的湍流強(qiáng)度對(duì)比。隨著流量的增加，湍流強(qiáng)度明顯降低，尤其是葉輪外緣進(jìn)入出口段的流體。因此，為減少水泵湍流，可以從兩方面著手：一方面，提高設(shè)計(jì)流量，增加比轉(zhuǎn)速；另一方面，在控制水泵電機(jī)調(diào)速策略中選擇更高轉(zhuǎn)速方向，兼顧水泵性能和能量?jī)?yōu)化。

圖9 電子水泵內(nèi)部流體湍流強(qiáng)度分布圖Fig.9 A map of turbulence intensity of fluid inside electronic pump

4 結(jié)語(yǔ)

電子水泵與機(jī)械水泵不同，需額外考慮電機(jī)的控制和配合，匹配設(shè)計(jì)和流體分析過(guò)程都更為復(fù)雜。本文系統(tǒng)地闡述了車(chē)用電子水泵的設(shè)計(jì)及分析過(guò)程，先是通過(guò)匹配車(chē)用電子水泵需求，得到水泵初始設(shè)計(jì)后進(jìn)行流場(chǎng)分析，最后利用數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)該方案進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和制造生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。