汽车电子水泵设计及冷却系统控制策略

汽车电子水泵设计及冷却系统控制策略

李智

黑龙江釜隆瑞鑫精工科技有限公司，黑龙江哈尔滨  150000

摘要：本文采用理论分析、数值模拟和试验测试相结合的方法，对电子水泵进行水力设计，提高水泵的运行效率:建立冷却系统仿真模型，对电子水泵和电子风扇制定控制策略，为发动机提供有效冷却，降低冷却系统能耗。本文研究的主要内

关键词:汽车电子水泵;冷却系统;数值计算;试验测试;控制策略

为推动我国乘用车燃料经济性水平的持续改善，国家有关部门联合公布了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》，汽车的能耗问题愈发受到重视。冷却系统是发动机重要的子系统之--，发动机缸内燃烧接近四分之一的热量是由冷却系统带走的，由于传统的冷却系统中，水泵和风扇的转速均与发动机转速耦合，所以很难在满足散热需求的同时兼顾能量消耗。针对上述问题，需要对传统的冷却系统进行改进，同时零部件电动化以及控制系统智能化是解决问题的关键。

1、电子水泵基本结构及工作原理

电子水泵其实是一个一体化汽车零部件，由水泵、电机和控制器三部分组成，定子磁场将动力传递给转子，转子带动叶轮旋转并产生离心力,在离心力的作用下，液体从叶轮的中心运动到圆周，这一过程中增加了的静压能和流速，由于叶轮中的液体被甩出向四周，在大气压力的作用下，新的液体又流入叶轮中，叶轮不断地旋转，液体也就不断地被吸入和排出[1]。当液体从叶轮出口流入蜗壳，随着蜗壳流道逐渐增大，液体的流速降低，减少的动能转换成静压能，流体以较高的压强沿着扩散段流入下一级。由于电机和控制器电路板都会产生大量热量，仅仅依靠机壳散热是不够的，还需要采用液冷的散热方式，而汽车电子水泵输送的介质为冷却液，通过引流孔将冷却液引入电机转子区域，流经与电路板紧靠的背板，最后通过空心轴流回叶轮进口，完成对电子水泵内部电机和控制器电路板的冷却。

2、汽车电子水泵多方案设计

燃油车动力总成一直都有着小型化和高效化的发展趋势，汽车电子水泵作为动力总成一部分，也要符合该趋势，因此电子水泵的设计要综合考虑外形尺寸、效率等因素。

2.1基本设计参数确定

1. 电子水泵设计参数

根据电子水泵的实际运行要求，其设计点的要求为Qd=12m3/h，Hd=20m， n=6000r/min，η=60%，尽量减小外形尺寸和加工成本，提高泵效率，目前国内企 业生产制造的汽车电子水泵效率约为55%，国外企业生产制造的汽车电子水泵 效率约为60%，本文电子水泵的设计效率为60%，以期提升国内电子水泵效率水 平，赶超国外电子水泵产品效率。

2. 比转速ns

计算电子水泵的比转数ns，确定水力设计方案。公式为 ：

ns=3.65nQ1/2/H3/4

式中：Q——电子水泵的流量，m3/s； 

H——电子水泵的扬程，m。

由设计参数可知，Q=0.00333m3/s，H=20m，n=6000r/min，则ns=133

2.2兼顾尺寸和性能的水力设计方案

2.2.1 叶轮水力设计

叶轮是最主要过流部件，其几何参数直接影响电子水泵的流量、扬程和效率，叶轮主要几何参数的设计过程如下：

1. 叶轮进口直径Dj

由于叶轮采用不穿轴的结构，所以叶轮的进口直径Dj等于叶轮进口当量直径D0：

2. 叶轮出口直径D2

D2=k D

kD=9.35k D2(ns/ 100 )-1/2

式中k D为叶轮出口直径系数；k D2为D2的修正系数；

3. 叶片出口宽度b2

b2=kb

kb=0.64k b2(ns /100 )5 /6

式中：kb2为b2的修正系数

2.2.2 螺旋型蜗壳设计

1. 基圆直径D3

D3=(1.03~1.08)D2=67~70mm              

考虑到体积尺寸大小也是电子水泵的一项重要指标，电子水泵体积应越小越好，取D3=67mm。

2. 蜗壳进口宽度b3

b3=b2+(5~10)或b3=b2+0.05D2                

出于对体积尺寸的考虑，要使得泵壳的外形尺寸小，就要保证蜗壳的断面高度尽可能小，同时又要保证水泵的性能，蜗壳的断面面积需保持不变，b3要适当偏大，故取b3=15mm。

3. 蜗壳隔舌安放角φ0

不同隔舌安放角对离心泵的性能有较大影响，汽车电子水泵相比于普通单极 离心式水泵，需要冷却循环回路来冷却电机和控制器，应考虑这一部分损失对扬程和效率的影响。

3、冷却系统控制策略研究

冷却系统的主要作用是控制冷却液温度，过高的温度会影响发动机的性能及 可靠性，过低的温度会使得水泵和风扇消耗不必要的能量，为了使发动机保持最 佳的运行状态，冷却液温度必须被控制在适当范围内，冷却系统控制策略在这一 调节过程中起着关键作用[2]。本章主要基于模糊控制原理，对电控冷却系统的控制 策略进行具体制定，设计双输入双输出型模糊控制器，并利用循环测试工况仿真 验证其有效性及节能效果。

3.1控制策略制定

表1列出了冷却系统的温度控制策略，根据发动机水套出口冷却液的实时 温度Tout，确定电子水泵和电子风扇的转速，当发动机水套出口冷却液的采样温 度较低时，水泵和风扇以较低的转速运行甚至停止运行，当温度在85°C到105 °C 这个区间时，水泵和风扇的转速由模糊控制器确定，会迅速调节温度到发动机最 合适的温度95°C，当温度达到105 °C时，因为此时温度过高，水泵和风扇均以最 大转速运行。

表1 温度控制策略

3.2 模糊控制器设计

发动机冷却系统冷却液的温度变化是非线性的，而模糊控制也是一种非线性的智能控制，因此，本章使用模糊控制算法调节电子水泵和电子风扇的转速，保证冷却液的温度能够保持在最合适的温度附近。 

3.2.1 模糊控制原理

模糊控制策略不需要精确的数学模型，具有很强的鲁棒性，能够根据规则即时控制。模糊控制是通过创建输入和输出变量的模糊集，分别对其建立隶属度函数，然后制定模糊控制规则，将模糊集清晰化，从而实现对目标的精确控制，所以模糊控制并不是真正的模糊，而是通过“模糊集理论”对具有不确定性特征的 控制系统进行有效控制的方法。

3.2.2 精确量的模糊化

精确量的模糊化就是将精确的物理量转换成模糊量，即若干个模糊集合，同 时精确量的实际变化区间也转化为对应模糊集合的模糊论域[3]。在冷却系统模糊控 制器中，有4个模糊变量，分别为当前采样温度Tout与目标温度Ttar（95°C）的 温度差值ΔT、温度差值的变化率dΔT、水泵转速的变化ΔNp、风扇转速的变化 ΔNf。其中ΔT、dΔT为输入模糊变量，ΔNp、ΔNf为输出模糊变量。其中，ΔT的 基本论域为[-10 10]（°C），相应的离散论域设置为[-6 6]，其量化因子为0.6； dΔT 基本论域为[-1 1]，相应的离散论域设置为[-1 1]（°C/s），其量化因子为1；电子 水泵运行时的最低转速为800r/min，ΔNp基本论域为[0 4200]（r/min），相应的离 散论域设置为[-6 6]，比例因子为0.0028；电子风扇运行时的最低转速为400r/min， ΔNf的基本论域为[0 2100]（r/min），相应的离散论域设置为为[-6 6]，比例因子为 0.0057。

参考文献：

[1]潘敬宇. 车用电子水泵的研究与开发[D]. 上海工程技术大学, 2021.

[2]盛国臣. 汽车电子水泵多工况优化设计研究[D]. 江苏大学, 2019.