浅析纯电动汽车与燃油汽车中水泵的区别与联系

蒋晓琴

(四川交通职业技术学院，四川成都 611130)

0 引言

不论是纯电动汽车还是燃油汽车都有冷却系统，冷却系统中最关键的元件是水泵。由于纯电动汽车和燃油车结构有一定的区别，燃油车由发动机驱动，纯电动汽车由电动机驱动，且驱动电源来源于车载可充电蓄电池或其他能量储存装置，纯电动汽车和燃油汽车中的水泵也存在一定的区别与联系。燃油汽车中的水泵目前适用的标准有QC/T 288.1-2001《汽车发动机冷却水泵技术条件》[1]、QC/T 288.2-2001《汽车发动机冷却水泵试验方法》[2]，而纯电动汽车的水泵目前没有纯电动汽车发动机冷却水泵技术条件和纯电动汽车发动机冷却水泵试验方法相关标准，因此纯电动汽车的水泵也适用QC/T 288.1-2001《汽车发动机冷却水泵技术条件》、QC/T 288.2-2001《汽车发动机冷却水泵试验方法》。

1 纯电动汽车水泵与燃油汽车水泵的区别与联系

1.1 用途

纯电动汽车和燃油汽车中的水泵用途都一致，通过水泵泵送冷却液，使冷却液在冷却系统的冷却水道内快速流动带走热量。水泵叶轮旋转时，水泵中的冷却液被叶轮带动一起旋转，在离心力作用下，水被甩向叶轮边缘，经外壳上与叶轮成切线方向的出水管压送出去，同时叶轮中心处的压力降低，进水管的冷却液被吸进叶轮中心部分。如此连续循环，水泵不断地吸入低压冷却液，压出一定压力和速度的冷却液，从而使冷却液不断地循环流动。通过冷却液在冷却系统中的循环流动，从而带走或转移热量。

1.2 工作介质

纯电动汽车和燃油汽车中水泵的工作介质均称冷却液，但两者之间存在区别，不可混用。燃油汽车中水泵输送的冷却液是有乙二醇冷却液和丙二醇冷却液两种，大部分采用的乙二醇冷却液。乙二醇冷却液是由水、乙二醇、腐蚀抑制剂按一定比例配制而成，目前参照的标准为NB/SH/T0521-2010《乙二醇型和丙二醇型发动机冷却液》[3]和GB 29743-2013《机动车发动机冷却液》[4]。而纯电动汽车冷却液既要防止腐蚀还要隔离高电压，因此纯电动汽车冷却液一般为冷却液和去离子水按50∶50比例配置的混合液，目前没有纯电动汽车冷却液的标准和规范。

1.3 类型

燃油汽车冷却系中水泵一般为机械水泵和电动水泵，大部分燃油汽车采用的是机械水泵,一些燃油汽车发动机技术含量较高,采用的电子水泵，这些电子水泵又称电动水泵,一般为有刷电动水泵,如宝马6系发动机中水泵为典型的电子水泵。纯电动汽车中水泵一般为电动水泵，电动水泵分为有刷电动水泵和无刷电动水泵，目前无刷电动水泵用得比较多。

1.4 数量

燃油汽车中一般只有一套冷却系统，因此水泵为一个。而纯电动汽车冷却系统一般为两套，一套对电池及其管理系统进行冷却，一套对电机及其驱动装置进行冷却，因此纯电动汽车中水泵一般为两个。

1.5 安装位置

燃油汽车中机械水泵由发动机曲轴通过传动皮带驱动，其转速和发动机的转速呈正比，安装在发动机缸体外。纯电动汽车中，电池冷却系统水泵一般安装在车身底盘上，电机冷却系统水泵一般安装在前右纵梁上。

1.6 选型设计

1.6.1 燃油车冷却系统水泵的选型设计

燃油汽车中冷却水道在发动机缸盖中，通过冷却液的大循环或小循环流动来带走发动机的热量。根据内燃机设计手册[5]选用最大功率点即额定工况作为冷却系统的计算工况，估算发动机散热量、冷却系冷却液的循环量、水泵的供水量、水泵的泵水压力、水泵消耗的功率几个参数。

发动机散热量Qe受到许多复杂因素影响，很难精确计算，因此设计时通常根据统计资料得出的经验公式来估算，即：

式中：A为燃料热能传给冷却系的百分数，汽油机A=0.23～0.30；ge为内燃机的燃料消耗率，kg/(kW·h)；汽油机ge=0.205～0.320 ；Ne为发动机标定功率，kW,取最大功率110 kW;hu为燃料低热值，kJ/kg。若水冷发动机带有机油散热器，要将机油散热器传给冷却系的热量计算进去，因此增加散热量，Qe增大5%～10%。

冷却系冷却液的循环量是根据传入冷却系的热量计算的：

式中：Δtw为冷却液循环的容许温升(6～12 ℃)；γw为冷却液的密度，kg/m3；cw为冷却液比热，kg/(kW·℃)。

水泵的供水量Vp可根据冷却液的循环量按下式确定，即：

式中：Vw为冷却液的循环量，m3/s；ηv为水泵的容积效率，一般取0.6～0.85。

在确定水泵的泵水压力时，既要克服系统中所有的流动阻力，又要保证必要的冷却水循环流动速度，同时避免气蚀现象。在水冷式冷却系的管道中，流速等于3～5 m/s时流动阻力一般为7.5×103～12.5×103Pa，气缸水套阻力一般为13×103～15×103Pa，水散热器阻力一般为20×103～25×103Pa，总阻力为40×103～53×103Pa。为了安全，一般泵水压力取150×103Pa。

1.6.2 纯电动汽车冷却系水泵的选型设计

纯电动汽车电池在蓄能和放电的过程中因电解化学作用释放大量的热，因此一般将冷却管道密密麻麻地分布在电池组中；电机在运转过程中因绕组损耗、铁损耗、机械损耗和杂散损耗转变为热量使电机各部分温度升高，因此一般在电机壳内加工水槽，通过封闭循环水将电机热量带走。

(1)纯电动汽车电机冷却系统水泵的选型设计

纯电动汽车电机冷却系统水泵工作性能参数最关键的是流量和扬程。其中水泵流量:

式中：V为水泵流量，L/min；Qw为驱动电机及控制放热量，kW；Cw为冷却液的比热，kg·℃；Δtw为电机进、出冷却液温差，℃。

水泵的扬程是单位质量液体经水泵后得到的能量。扬程主要用于克服冷却系统流通阻力和得到必要的循环水流速，并保证流道中任何一点的压力不低于液体的气化压力，防止发生气蚀而造成水流速减小以及供水不足，一般为经验估取。

(2)纯电动汽车电池组冷却系统水泵的选型设计

在纯电动汽车电池组冷却系统水泵选型设计时，最关键的是电池组的发热计算，再根据电池组的发热量计算水泵的流量，经验估取扬程。电池的单位发热量按下式计算：

Qc=0.547I+3.6I2Rr

Qd=0.547I+3.6I2Rt

式中：Qc为充电的发热量；Qd为放电的发热量；I为电流；Rt为电池的内阻。根据上面两式可知：电池的种类、材料、荷电状态不同，发热量也不相同。

不论燃油汽车水泵的选型设计，还是电机冷却系统、电池组冷却系统水泵的选型设计，基本方法是一致的，先计算散热量，再计算水泵流量、估取扬程。

1.7 维修方法

纯电动汽车电机温度升高造成电机短路甚至烧毁；电池充电和放电时产生大量的热量，电池的损耗相当大，大大缩短电池寿命；燃油车冷却系统若不能正常工作会导致发动机过热。因此不论是纯电动汽车还是燃油车，在维护保养时均要按一定的维护周期更换冷却液，同时当检测到水泵出现故障时采取的维修方法为换件维修，更换水泵。因此纯电动汽车和燃油汽车水泵的维修方法相同。

2 结论

通过对纯电动汽车和燃油汽车冷却系统的比较分析，得出以下结论：两种汽车中水泵的用途相同，都是泵送冷却液；工作介质均为冷却液但成分不同，不能混用；类型不同，燃油汽车的水泵为机械式或有刷电动水泵，纯电动汽车中水泵为有刷电动水泵和无刷电动水泵；数量不同，燃油汽车一个水泵，纯电动汽车两个水泵，一个为电机冷却一个为电池冷却；安装位置不同；选型设计相同，均是先计算散热量，再计算水泵流量、估取扬程；维护时按维护周期更换冷却液，维修时采用换件维修法更换水泵。