汽车上水泵的作用(新能源汽车冷却系统介绍)

Posted 2023-05-31

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汽车上水泵的作用(新能源汽车冷却系统介绍)

一、冷却系统简介

冷却的本质是换热，将热量堆集地的热量传递到不影响产热机构工作的周边环境中，热量传递的方式有三种：热传导、热对流、热辐射。而汽车其冷却系统散热的方式热传导。

传导：在受热不均匀的物体中，热从高温处依靠物体的分子逐渐传到低温处的现象，称为热的传导。这种方式的热交换一直进行到整个物体的温度相等为止。传导在固体、液体和气体之间均能发生，传导作用必须要使物体相互接触才能完成。

所有的金属是传热的良导体，非金属是热的不良导体。物质传导热的能力可用导热系数来表示。导热系数是热的传导作用在1平方厘米cm2截面上1秒钟内温差为1℃时通过长度1厘米的热量。单位：焦耳/厘米·度·秒（J/cm·℃·s）

导热能力：

常见材料导热系数（W/m*K）

银 429；纯铜 401；金 317；纯铝 237；铁 80；铅 34.8

自1886年卡尔•本茨发明第一辆汽车以后；无论开发的汽车属于什么类型、也无论汽车的动力源采用什么形式，除非永动机真的被发明了，否则汽车必定需要冷却系统；冷却系统是汽车动力总成的重要组成部分，负责对燃油机进行温度调控，保证其在合适的温度范围内工作；对汽车的动力性、经济性和可靠性有重大影响。1910年以后的汽车普遍采用燃油发动机，包括少部分石油气或天然气发动机，而传统内燃机车辆大多数采用水冷冷却系统。

内燃机汽车水冷冷却系统通常包括冷却发动机水套、散热器、水泵、风扇、护风罩、节温器和副水箱等零部件，并以冷却液作为整个系统的工作介质。基于工程热物理的基本原理，在应用现代热管理理论和工具进行研究和分析时，也可对冷却、增压中冷和空调等系统进行统一处理。这样涉及到的零部件将扩展到中冷器、暖风换热器和冷凝器等。

传统车冷却系统冷却水在冷却系内的循环流动路线有两条，一条为大循环，另一条为小循环。

所谓大循环是水温高时，水经过散热器而进行的循环流动；

而小循环就是水温低时，水不经过散热器而进行的循环流动，从而使水温升高。

新能源车中的新燃料（如天然气、石油气）车的冷却系统与传统车无任何差别，但随着电动汽车的出现，由于电池、电机、电机控制器、充电器等功率器件都需要冷却，使电动汽车的冷却系统变得更加复杂。

电驱动冷却系统一般与传统车类似，因电机、电控及充电器等功率器件工作温度上限值高于环境温度，故可以直接将热量散发到周边大气中，系统一般通常包括电机/电控水套、充电器水套、散热器、电子水泵、电子风扇、和膨胀水箱水箱等零部件，并以冷却液作为整个系统的工作介质，

电池冷却系统是电动车较传统车新增的，因温度对电池性能影响很大，故电池热管理自电动车行业兴起后始终是主机厂与电池厂研究的热点问题，目前市场上电池冷却方式一般有4种：包括水冷系统（tesla）、风冷系统（起亚soul）直冷系统（BMWi3）及相变冷却（新材料）。由于电动汽车续航里程越来越长，单车电池总电量也在逐渐攀升，出于对安全性及经济性的考虑，采用水冷系统的车型也越来越多，如热泵空调技术能更加成熟，则直冷冷却的方式也将被更广泛的采用。

功率器件

电机

电控

充电器

冷却方式

水冷

3.3kw风冷

6.6kw水冷

二、电动车冷却系统关键零部件

1、散热器

散热器又称为水箱，由上水室、散热器芯和下水室等组成。安装在发动机前的车架横梁上。其作用是将冷却水在水套中所吸收的热量散发至外界大气，使水温下降。

因电机水温一般控制在90℃以下，低于冷却液沸点，故电动车散热器一般不设置散热器盖。

常用散热器芯的分类

1）直（纵）流式：冷却液从上进口流入，再从下出水口流出，水侧阻力小。

2）横流式：冷却液从左或右进口流入，右、左或单向出口流出，水侧阻力大。

常用散热器芯的结构型式

1）管片式。由若干扁形或圆形冷却管组成，空气吹过扁形冷却管和散热片，使管内流动的水得到冷却。管片式散热器因结构刚度较好广为汽车发动机所使用。

2）管带式。由若干扁平冷却管组成，水管与散热器相间排列，在散热器带上常开有形似百叶窗的孔，以破坏气流在散热器表面上的附面层，提高散热能力。

2、水泵

水泵的作用：对冷却水加压，使之在冷却系中循环流动。

电动汽车上广泛使用离心式无刷电子水泵。它具有结构紧凑、泵水量大、噪声小、质量轻等优点。

3、电子风扇

功用：电子风扇通常安排在散热器后面并与水泵同轴。用来提高流经散热器的空气流速和风量，增强散热器的散热能力，同时对机舱内其他附件也有一定的冷却作用。

特点：风扇轴流式和离心式。轴流式风扇所产生的风，其流向与风扇轴平行；离心式风扇所产生的风，其流向为径向。轴流吸风式风扇效率高，风量大，结构简单，布置方便。因而在汽车上用得到了广泛的应用。

4、膨胀水箱

功用：当汽车的冷却系统的水温升高的时候，冷却液势必就会发生膨胀，

因此水位上升，如果没有膨胀水箱，那么冷却系的压力就会升高，冷却液就会从缝隙处喷出或者压坏冷却系零件，使冷却系失灵。

因此电动车需要设置膨胀水箱，这样水箱散热器里盛不下的冷却液会回流到膨胀箱，防止水箱压力过高，而相反，水箱还可以在水箱水位过低的时候补充水位。通常膨胀水箱主要就用来储存因温度升高而膨胀的冷却液的，当然它上面有一些刻度，还可以用于检查冷却水的水位。

特点：电动汽车膨胀箱需起到加注、补水、储水、调压作用，故膨胀箱的膨胀容积/储备容积/必留容积需有相应要求：根据经验，膨胀箱的膨胀容积应为系统总容积的6-12%；储备容积应不小于系统总容积的11-15%，如配装大容量加热器或首次加注不易充满的大附件，该值还应适当加大；同时为保证补水口流场稳定，必须使膨胀箱出水口高于冷却循环系统的所有部件。

三、冷却系统的开发及验证

作为传统设计方法的一部分，理论计算在概念设计和方案设计前期（项目初期尚不具备开展CFD分析和试验验证的条件）是必不可少的，但受经验方法的限制，以及零部件性能的提高，计算误差不可避免。

为减小参数误差对结果的影响，需要在对对标样车及现有的试制样车进行热平衡和热环境试验研究的基础上积累一定容量的数据库，从而获得类似车型较为准确的计算系数。

2、冷却系统的仿真分析

随着计算机技术的进步和发展，系统级CFD分析已经成为支持工程师进行创新设计和优化设计的重要工具和有效手段。特别是传统手工计算难以涉及的领域，CFD分析可以给出准确的结果和合理的优化方向。如果整车数模趋于完整，参数收集基本齐全，就可以开展冷却系统的CFD分析。

2.1 1D CFD分析

冷却系统1DCFD分析属于系统级分析，是将冷却系统各组件分别定义为相应的一维模型，并通过管线连接成为完整的系统，之后对该模型系统进行计算分析得到整个系统的温度、流速/流量和压力分布，从而判断系统的是否满足性能要求。在冷却系统仿真分析工作中，1DCFD更具专业性，且易于与试验结果进行对比分析，也便于方案的筛选和进行系统级优化。

2.2 1D CFD 输入及模型

通过在1DCFD软件中建立完整的网格模型，并输入前面获得的必要参数，包括功率器件需求散热量、水套散热面积、系统零部件压降曲线（随流量变化）或阻力系数kPa，水泵、散热器、风扇等性能参数等，得到冷却系统1DCFD计算模型。

冷却系统1DCFD模型

通过分析和汇总计算得到的各种数据和图形信息，整理汇总出ATB等冷却常数等关键指标，用于评价和分析冷却系统性能。

ATB=Tmax－（Tb－Te）

Tmax—电机允许冷却液最高温度，℃；

Tb— 系统热平衡时电机冷却液出口温度，℃；

Te—测量时环境温度，℃。

对于传统车冷却系统，在正常气温地区，通常取ATB温度为41℃～46℃，而对于高温或海拔高的地区，通常取ATB温度为45℃～55℃。

3、 3D CFD分析

输入：完整的整车数模

对于3D CFD分析，模型的准确性和完整性决定了结果的准确性，因此在条件允许的情况下尽可能提供详细完整的模型至关重要。

输出：温度场、流场云图

通过对3DCFD分析，得到了整车内外流动和换热情况，包括速度和温度分布等。通过速度场可以找出流动滞止区、速度梯度大的区域；通过温度分布可以找到可能引起局部高温的位置和评估机舱的冷却性能。综合这些方面的信息可以对机舱的气流组织及散热特性进行评价，为机舱的总体布置设计和改进提供依据。

3、冷却系统的试验验证--整车道路热平衡试验

对于全新开发的电动车冷却系统，需进行整车道路热平衡试验验证；测点应涵盖如下工况，并适当增加插值点以便获取较准确的数据曲线：

极限工况：电机最大散热点

常规工况：包括模拟爬坡、高速行驶、最大功率点

试验应根据整车动力性计算结果，尽可能多地选取测点。并考虑同时完成风扇，以及前端进风口、阻流板、导风板等附加装置的功能验证。

机舱热环境试验

对于发动机舱内的空气温度不能预先设置一些限值。因此，在每次测量前对受试汽车确定测量点，测量点必须设置在处于临界温度区域的零部件附近。各测点应按一定规则编号并拍照，以便识别。

温度限值由零部件最大许用温度来决定。如果该温度值超过限值，则必须用一个能承受更高温度的零部件加以替换，或将其零部件安置在其他温度适宜的部位（由设计部门提供）。

其他试验

包括“冷却装置的加注（加注速度）和空气的排出”、“系统总水量的确定”、“电机冷却系统、电池冷却系统的空气排出”以及“热冲击试验”等。

五、冷却系统的发展趋势--智能热管理控制

随着汽车电动化、智能化、人性化的发展，汽车的各个系统再也不是独立的个体，而是紧密的联系起来；冷却系统更是与汽车上所有的需要温控的系统一起被统称为整车热管理系统。

纯电动车电池热管理系统、电驱动热管理系统、空调热管理系统三大热管理系统一度被孤立，在新一代纯电动环保节能型汽车上，各主机厂已将三大系统关联起来，从整车热管理系统的角度来设计开发，虽然目前上市车型中热管理系统方案较多，各有优劣，但其目的都是为了减少对电池能量的需求，在保证续航里程的前提下，努力提升整车的舒适性和可靠性。

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