淺析新能源汽車上電動水泵的應用

婁鋒，盧明，陳恩輝

（華晨汽車工程研究院新能源工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

隨著2017年9月28日工信部正式發(fā)布了《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，該辦法將針對在中國境內(nèi)銷售乘用車的企業(yè)（含進口乘用車企業(yè)）的企業(yè)平均燃料消耗量（CAFC）及新能源乘用車生產(chǎn)（NEV 積分）情況進行積分考核。隨著雙積分政策的正式實施，加快發(fā)展節(jié)能與新能源汽車，是促進汽車產(chǎn)業(yè)轉型升級、推動綠色發(fā)展、培育新的經(jīng)濟增長點的重要舉措。因此，新能源汽車已經(jīng)正式成為世界各大主機廠的重點研發(fā)車型。

新能源汽車采用的驅動動力總成、動力電池、電動部件等與傳統(tǒng)汽車有本質區(qū)別，采用驅動電機代替內(nèi)燃機。與此同時傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機附件—水泵的工作方式也產(chǎn)生相應變化，新能源汽車的水泵采用電動水泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式水泵。本文針對電動水泵的在新能源汽車應用進行了闡述和分析，結合實例純電動車型進行選型匹配設計，并進行電動水泵有效控制了，提高了電動水泵的應用水平。

1 電動水泵工作原理

目前采用的電動水泵屬于離心式水泵，主要由直流電機和葉輪，泵體，泵蓋，擋水圈，泵軸等部件組成，如圖1所示。電動水泵工作時由直流電動機帶動葉輪旋轉，葉輪部分的冷卻液受到旋轉產(chǎn)生的離心力作用，被拋向葉輪外圍出口，而在葉輪中心產(chǎn)生低壓區(qū)，將冷卻液從入口吸入，進而使冷卻液在系統(tǒng)中產(chǎn)生循環(huán)流動。

圖1 電動水泵及其組成

電動水泵電機大部分廠家選用自感應電機，并且與控制器集成一體設計，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)或者LIN進行電機轉速的控制。

圖2 電動水泵組成的循環(huán)水路

2 新能源汽車上的應用

汽車熱管理技術是新能源汽車的核心技術之一，相比于傳統(tǒng)燃油汽車，因新增了大的發(fā)熱元件（動力電池，驅動電機，電機控制器，充電機等），新能源汽車冷卻性能就變得格外重要。目前，由電動水泵組成的循環(huán)水路，如圖2所示。電動水泵，現(xiàn)在主要應用于驅動電機、電動部件、動力電池等的循環(huán)冷卻作用；在冬季零下工況條件下，起到循環(huán)加熱循環(huán)水路的作用。

2.1 電動部件冷卻循環(huán)上的應用

2.1.1 低溫冷卻循環(huán)上的應用

為了保證新能源汽車各電動零部件的正常使用，要求入口的冷卻液溫度不高于65℃，因此由散熱器、電動水泵、電機控制器、驅動電機等串聯(lián)組成的冷卻循環(huán)回路為低溫冷卻循環(huán)回路（相對發(fā)動機冷卻回路）。電動水泵主要作用滿足驅動電機、電動部件等在車輛行駛的任何工況下都能滿足熱管理的技術需求；在新能源汽車上根據(jù)被冷卻的部件的不同，對電動水泵的需求也不同。一般乘用車對驅動電機及電動部件的冷卻用電動水泵的需求功率一般在150W以下，其可以使用12V直流電機驅動的電動水泵，并且可以使用那種取消動靜密封形式的水泵。其代表為通用Volt，如圖3 所示。

圖3 低溫冷卻循環(huán)上的應用

2.1.2 動力電池上的應用

隨著新能源汽車對續(xù)駛里程、輕量化的要求的不斷提升，越來越多的整車廠家都從采用風冷的動力電池，逐漸向液冷的動力電池趨勢發(fā)展，利用液體工質，通過水道間接或直接與發(fā)熱部件接觸，吸收熱量并帶到外部的散熱器；同時，通過風冷的方式給散熱器中的液體工質降溫，再將降溫后的液體工質送回發(fā)熱部件內(nèi)部重新吸收熱量。這樣電動水泵又出現(xiàn)在動力電池的冷卻循環(huán)回路中，液冷是目前主流的冷卻方式，其代表為通用Volt，如圖4 所示。

圖4 動力電池冷卻循環(huán)上的應用

整個系統(tǒng)主要包括：電動水泵、換熱器、三通閥、PTC加熱器、膨脹水箱。電池需要冷卻時，電池通過散熱板與冷卻液進行換熱，加熱后的冷卻液被電動水泵送入換熱器內(nèi)，在換熱器內(nèi)部一側通入制冷劑，一側通入冷卻液，兩者在換熱器內(nèi)充分換熱，熱量被制冷劑帶走，冷水流出換熱器在流入電池，形成一個循環(huán)。電池需要加熱時，關閉制冷回路，開啟PTC加熱器，冷卻液被加熱后送入電池內(nèi)部，通過散熱板加熱電池?？梢酝ㄟ^控制制冷回路通斷以及控制PTC加熱功率，來控制冷卻熱的溫度，從而控制電池內(nèi)部溫度。此種方案系統(tǒng)比較復雜，成本比較高。

另外，冬季零下工況下，乘客艙可以利用PTC加熱，然后進行乘客艙供暖。如圖5所示。

圖5 PTC加熱循環(huán)上的應用

3 電動水泵選型及匹配

3.1 設計開發(fā)過程

電動水泵的選型及匹配，目前的開發(fā)流程如下：

圖6 電動水泵選型及匹配開發(fā)流程

3.1.1 整體冷卻系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集

電動水泵的參數(shù)及性能：

（1）電動水泵的主要參數(shù)

水泵參數(shù)是指泵工作性能的主要技術數(shù)據(jù)，包括流量（Q）、揚程（H）、轉速（n）、功率（P）等。

圖7 不同占空比下，PQ性能曲線

（2）電機系統(tǒng)及電動部件的主要參數(shù)

收集電機系統(tǒng)及電動部件的數(shù)據(jù)，主要是不同冷卻流量下的，壓降曲線。

圖8 壓降曲線

3.1.2 仿真分析

根據(jù)某電動汽車開發(fā)，通過仿真分析軟件搭建1D仿真分析模型，如圖7所示。

圖9 某電動汽車熱管理仿真分析模型及分析結果

通過1D仿真邊界條件及仿真分析結果如下表所示，初步選擇的電動水泵符合設計開發(fā)要求。

表1

4 結論

（1）通過分析新能源汽車上電動水泵不同循環(huán)冷卻回路上應用情況，

得出新能源汽車熱管理技術已經(jīng)成為研究核心方向。

（2）本文提出電動水泵選型及匹配的開發(fā)流程，并通過仿真分析軟件進行水泵選型及匹配的設計，能夠較好對電動水泵選型匹配設計起到指導作用。

參考文獻

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