给电动车三电系统洗个冷水澡—电子水泵

给电动车三电系统洗个冷水澡—电子水泵

水泵是汽车发动机冷却系统的重要组成部件，主要作用是负责驱动冷却液循环，吸收动力单元，控制单元等零件多余的热量并通过散热装置传递到外部空气中，从而避免工作温度过高。水泵可以分为机械水泵和电子水泵两种。电子水泵就是带有电子控制单元的水泵。由泵壳、叶轮、密封圈、电机壳、电器插头、电机总成、轴承、转子、控制器、控制座、后盖、固定螺栓等组成。

其主要区别可以分为以下两点：

1    机械水泵是由皮带或链条与发动机相连后，由发动机驱动的，发动机工作机械水泵就工作。而电子水泵中由于有了电子控制单元，可以直接给电子水泵提供电力从而驱动；

2    由于机械水泵的动力是由发动机带动的，这使得机械水泵的转速只能与发动机保持一定比例。这也就导致了即使在对流量需求不高的冷启动和低负荷高转速工况下仍然需要很大功率来驱动，在此时提供的冷却能力远大于发动机实际需求的冷却能量，而且需要很大功率来驱动。这样机械水泵冷却能力有很大部分被浪费了，既要耗费很多额外的驱动能力，冷却效果又与发动机实际所需有一定差异，就会造成发动机的动力性和经济性的下降。电子水泵可以冷却装置对冷却液的需求来精确控制流量，从而解决了浪费的问题。

综上所述，在电动汽车上，无论是电气化要求，还是更加节能的选择，电子水泵都是更优的解决方案。而电子水泵平台选择主要依据电压，控制，功率，最大扬程和寿命等参数。

电压：在乘用车上，常用电压平台为12V和24V；

控制方式：包括电压控制，PWM控制，LIN控制，CAN控制；

额定功率：从十几瓦到两百瓦都有使用；

最大扬程：随着功率的增加而增加，一般从二十几KPa到二百KPa；

使用寿命：都不少于20000小时，有的甚至可以达到40000小时。

循环给水系统中的冷却塔按结构形式有自然通风式和强制通风式两种。

自然通风冷却塔：又称开放式冷却塔。

强制通风式冷却塔：又称机械通风冷却塔。机械通风冷却塔按其空气流向不同，又可分为顺流式冷却塔和逆流式冷却塔两种。

两种冷却塔装置的主要技术指标见表5-18。

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表5-18 两种冷却塔装置的主要技术指标

见表5-19两种冷却塔装置的优点和适应条件。

名称自然通风冷却塔机械通风冷却塔优点设备简单、造价最低，冷却效果较好，成本低冷却效果好，也比较稳定，布置紧凑，可设在厂区建筑物和泵站附近便于管理缺点冷却效果受风力、风向影响造价高，机械设备维护较复杂，鼓风式冷却塔的冷却效果易受塔顶排出湿热空气回流影响，成本高适用条件具有稳定的较大风速的地区，冷却水量较小，建筑场地开阔，对冷却后的水温及其稳定性要求不高气温、温度较高地区，对冷却后的水温及其稳定性要求严格，建筑场地狭窄，通风条件不良

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表5-19 两种冷却塔装置的优点和适应条件

水冷却系统主要由水泵、散热器、节温器、风扇、风扇控制机构、百叶窗、水套、补偿水箱（即膨胀水箱）、冷却液温度表及冷却液温度警报装置等组成。车型不同，发动机冷却系统组成、冷却液循环路线也有所不同

汽化冷却装置包括汽包、上升联箱、下降联箱、泵、活动梁和固定梁等。活动梁和固定梁均分别构成冷却回路。回路下降管上装有泵，进行强制循环。立柱内装有芯管。在活动梁的两端设有步进旋转接头。所述的步进旋转接头由导向装置，恒力吊架、防振装置和活接头等组成。独特的立柱结构和可靠的步进旋转接头。

在中高温地热井和深部钻井（又称HT/HP 钻井）中，井底温度高，返回地面的泥浆温度也将大幅度提高。如西藏羊八井地热井，泥浆出孔温度达到沸腾状态，莫深1井泥浆出孔时温度也比较高。当地面泥浆温度大于75℃ 时，不但会烫伤钻井平台操作人员，同时井场会被雾气笼罩，将影响施工作业，带来严重的安全隐患。所以必须对返回地面的钻井泥浆进行及时的冷却处理，保证泥浆再次入孔具有较低的温度。

231 HT/HP钻井中泥浆冷却技术现状

目前，在HT/HP钻井中，对高温泥浆的冷却处理一般采取的措施有如下几种。

1）自然蒸发冷却。由于井内泥浆返回地面的温度高于环境温度，泥浆沿泥浆槽流动中会蒸发冷却而自然降温，利用该现象采取加长泥浆槽的循环路线的措施，可以在一定程度上达到冷却泥浆的目的。这种方法一般应用在钻井泥浆流量不大、返回泥浆温度不太高（低于55℃），进出井温差不大（小于5℃）的情况下。

2）低温固体传导冷却。向泥浆池中投放低温固体，比如冰块，冰块主要通过热传导方式来冷却泥浆，这种方法一般用于水基泥浆的冷却，在返回地面泥浆温度不高、进出井温差不大的情况下采用。

3）泥浆冷却装置强制冷却。当返回泥浆温度较高，进出井温差过大时，需采用泥浆冷却装置强制冷却。

2311 国外技术现状

日本在地热田钻井中，通常采用的冷却装置有两种：一种是采用大功率风扇，安装在振动筛旁；另一种是使用泥浆冷却塔，一般竖立在泥浆池中。冷却塔与风扇冷却泥浆的基本原理都是利用空气和泥浆直接接触，通过蒸发作用带走泥浆中的热量，冷却介质为空气，受大气温度的影响很大。美国、荷兰及新加坡等一些公司设计的泥浆冷却系统在地热和油气钻井中也得到了广泛的应用，表21列举了几个比较典型的钻井泥浆冷却系统。

表21 典型高温钻井泥浆冷却系统

几个典型钻井泥浆冷却系统的基本原理如下。

1）泥浆从泥浆池或泥浆箱中由泥浆泵抽吸进板式换热器，与冷却剂进行换热，冷却剂为冷水或海水，如马来西亚的COE Limited公司和新加坡的Lynsk公司研发的钻井泥浆冷却系统（图22）。

图22 Lynsk公司和COE Limited公司钻井泥浆冷却系统原理图

2）泥浆从泥浆池或泥浆箱中泵进喷淋式换热器，冷水（或海水）直接喷射泥浆管束，风扇不断鼓入空气，气水混合加强泥浆的冷却效果，如美国Drillcool，Inc研制的泥浆冷却系统（图23）

图23 美国Drillcool公司钻井泥浆冷却原理图

3）泥浆冷却系统采用2个板式换热器，泥浆在主换热器中，通过与乙二醇/水溶液换热冷却，乙二醇/水溶液吸收泥浆热量后，返回第二个换热器中，将热量传递给海水，如荷兰Task Environmental Services研发的海用钻井泥浆冷却系统。

4）泥浆从泥浆池或泥浆箱中泵进板式换热器，通过乙二醇/水溶液换热，乙二醇/水溶液吸收泥浆热量后，进入散热器风冷。如荷兰Task Environmental Services公司研发的陆用钻井泥浆冷却系统。

2312 国内技术现状

在我国HT/HP钻井中，如羊八井热田地热钻井中，在30～40m深处温度就可超过140～160℃，进出井泥浆温度差可达5～20℃，且热流量也高，数百米深的井泥浆带出的热量可达100万大卡/h，加长泥浆循环槽，一般只能降温1～2℃，因此，采用专用泥浆散热设备，在散热量为100万大卡/h以上，经散热器泥浆温度可降低10～20℃，在散热器出口处泥浆温度达到60～70℃。

1）西藏羊八井ZK-2井，泥浆出口温度达到沸腾状态（当地水的沸点小于90℃），施工现场采取的技术措施是：在泥浆罐中排布冷水管，通过水循环冷却泥浆。可能由于排管较少，泥浆温度只降低8～9 ℃，水资源浪费很大。

2）高杭等（2007）提出了一种适合于HT/HP钻井中高温泥浆冷却的设计概念，基本原理（图24）是：泥浆冷却系统主要由2个板式热交换器、冷却器管线、强迫风冷（或水冷）总成组成，这种泥浆冷却系统的特点是2个板式热交换器设计在泥浆罐两侧，冷却介质与泥浆换热后，返回至强迫风冷（或水冷）总成通过风冷（或水冷）实现冷却介质的冷却。

图24 钻井泥浆冷却系统原理图

3）吉林大学赵江鹏等人研究的新型钻井泥浆冷却系统，该钻井泥浆冷却系统能够实现钻井泥浆的快速冷却。

钻井泥浆冷却系统的工作原理见图25。

使用钻井泥浆冷却系统时，主要工作流程如下。

1）制冷载冷剂。打开阀（3）、（6），启动制冷机组（1）和制冷机组泵（2），通过制冷机组（1）将载冷剂箱（4）中载冷剂制冷至-15℃（具体温度数值根据实际情况而定）。

2）冷却泥浆。打开阀（5）、（8），启动泥浆输送泵（15）和载冷剂箱泵（9），载冷剂与泥浆在同轴泥浆对流换热器（12）中逆流换热，将泥浆快速冷却，从而将泥浆池（17）中泥浆温度迅速降低，并维持在低温范围内。同时，实时监测系统几个关键点（7）、（10）、（11）、（13）、（14）、（16）、（19）、（20）处温度，根据检测的温度情况可及时调整系统相关的参数，以保证系统正常运行。

图25 钻井泥浆冷却系统原理图

钻井泥浆冷却系统主要由载冷剂制冷部分、泥浆冷却部分和温度监测部分组成见图26。

图26 钻井泥浆冷却系统组成

其中，载冷剂制冷部分主要由制冷机组、制冷机组泵和载冷剂箱等组成；泥浆冷却部分主要由载冷剂箱泵、同轴泥浆对流换热器和泥浆输送泵等组成；温度检测部分主要由巡检仪和温度传感器组成。

232 冷却设备各部分结构理论设计计算

（1）泥浆冷却设备所需的有效功率

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

式中：ρ1为泥浆的密度；G1 为泥浆的流量；C1 为泥浆的比热；t1′为泥浆制冷前的温度；t1"为泥浆制冷后的温度。

鉴于中间热交换效率和高原等地区气候条件所造成的不可避免的热损失，应该选用较大功率的制冷机组。

（2）热换器的选择及设计计算

由于在钻井过程中，被冷却介质泥浆属于不洁净的物质，所选热换设备应属于不易于结垢或者易于清洗除垢，冷却器采用套管式换热器，内管内流动被冷却介质，管间环隙流动冷却介质，采用法兰连接形式，方便清垢，全程采用逆流换热。

根据热平衡方程，Q1=Q2，其中Q1为泥浆制冷释放的热量；Q2为制冷剂制冷泥浆所需要的制冷量。

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

式中：G2为制冷剂流量；C2为制冷剂的比热；ρ2为制冷剂的密度；t2′为制冷剂进口温度。

根据式（22）、（23）可以计算出冷却剂出口温度t2″。

233 冷却技术分析与总结

对三种冷却方式加以分析，可以发现：自然蒸发冷却与低温固体传导冷却均适用于钻井泥浆流量不大、返回泥浆温度不太高（低于55℃），进出井温差不大（小于5℃）的情况下。而超深井科学钻探，钻井液出孔温度会比较高，出入孔温差可能会相差几十度，在此情况下上述两种冷却方式只能是辅助作用，主要还要靠制冷器强制制冷。目前制冷器强制制冷有两种方式，一是采用热交换方式，如采用喷淋器、板式热交换，将采用大量的冷却水，如果现场位于水资源丰富的地方，可采用此种方式。但我们认为，最好采用制冷剂强制制冷，可以设计制作低温冷冻房等，目前吉林大学已制作了超低温实验室，可以作为借鉴。

发动机冷却系统工作原理：

1、液冷是通过发动机中的管道和通路进行液体的循环。当液体流经zhi高温发动机时会吸收热量，从而降低发动机的温度，液体流过发动机后，转而流向热交换器(或散热器)，液体中的热量通过热交换器散发到空气中；

2、风冷某些早期的汽车采用风冷技术，但现代的汽车几乎不使用这种方法了。这种冷却方法不是在发动机中进行液体循环，而是通过发动机缸体表面附着的铝片对气缸进行散热；

3、一个功率强大的风扇向这些铝片吹风，使其向空气中散热，从而达到冷却发动机的目的。因为大多数汽车采用的是液冷，管道系统汽车中的冷却系统中有大量管道。

发动机工作状态

气缸内的气体温度可高达1727~2527C，若不及时冷却，将造成发动机零部件温度过高，尤其是直接与高温气体接触的零件，会因受热膨胀影响正常的配合间隙，导致运动件受阻甚至卡死。此外，高温还会造成发动机零部件的机械强度下降，使润滑油失去作用等。

冷却系按照冷却介质不同可以分为风冷和水冷，如果把发动机中高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的装置称为风冷系。而把这些热量先传给冷却水，然后再散入大气而进行冷却的装置称为水冷系。由于水冷系冷却均匀，效果好，而且发动机运转噪音小，目前汽车发动机上广泛采用的是水冷系。