汽车冷却系统的冷却水管介绍

冷却水管不仅需要满足耐腐蚀、耐压、耐温等基本要求，还需兼顾轻量化、成本控制和安装便捷性 。随着新能源汽车技术的发展，冷却水管材料已从传统的三元乙丙橡胶（EPDM）逐步转向尼龙等新型材料。
一.冷却水管选型关键考虑因素
目前应用于汽车的管路材料可以分为三大类，分别是三元乙丙橡胶（EPDM）、热塑性动态硫化橡胶（TPV）和聚酰胺（PA），聚酰胺俗称尼龙。

下面以内径15mm为基准，简单介绍三种技术路线。

1.1EPDM管路常见方案

EPDM管路采用三层结构，内径15mm、壁厚3.5mm，如下图所示。

1.2TPV管路常见方案

TPV管路采用三层结构，内径15mm、壁厚2.5mm，如下图所示。

1.3尼龙管路常见方案

尼龙管路采用三层结构，内径15mm、壁厚1.25～1.5mm，如下图所示。

以常用的橡胶EPDM和尼龙12为例，EPDM密度为1.2×103kg/m3，尼龙12密度为1.02×103kg/m3，尼龙12密度较小。另外，制成水管之后，尼龙水管壁厚较小。相同长度的尼龙管材料可以减重约60%。

尼龙管拥有绝对的轻量化优势，管路越长优势更明显。尼龙管接口采用快插，EPDM和TPV管可采用钢带环箍。由于快插和环箍的成本差异，管路越短橡胶管成本优势越明显。

2、冷却系统冷却水管材料使用对比

EPDM是乙烯、丙烯以及非共轭二烯烃的三元共聚物。EPDM具有优越的耐氧化、抗臭氧和耐高低温性能。另外由于EPDM属于聚烯烃家族，它还具有极好的硫化特性，能吸收大量的填料和油而影响特性不大，因此可以制作低成本的橡胶化合物。

TPV是高度硫化的三元乙丙橡胶EPDM微粒分散在连续聚丙烯PP相中组成的高分子弹性体材料，是一种通过动态硫化工艺制成的高级合成橡胶。TPV在汽车零部件领域已广泛应用，以密封条、天窗排水管等零部件为主。

应用于冷却液管路的尼龙主要有脂肪族和芳香族的尼龙，常用的有PA12、PA612。

由于聚酰胺材料中含有酰胺基，而汽车用冷却液成分为聚乙二醇和水，在这样的介质中，酰胺基会发生醇解以及水解，普通的聚酰胺材料不适用于冷却液介质中。为此，杜邦、巴斯夫等知名尼龙公司均开发出了对应的耐水解的聚酰胺材料，适用于汽车冷却液介质环境中。

EPDM、TPV、PA三种应用于冷却管路材料的基本特性如下表所示。

TPV水管国内胶管行业成熟度低，卡箍连接风险大，且减重效果没有尼龙管明显，目前不太推荐。目前了解的是大众的部分车型在应用。主流的汽车厂家在热管理系统中连接方式还是以尼龙结构（带波纹）和橡胶管的结构更为广泛运用。EPDM在中国的新能源市场比较广泛，特别是针对一些相对震动的部位，EPDM的弹性效果还是优于其他材料。特别是快插接头紧固处和装配连接处，还可以采用卡圈扣压结构。

3、胶管和尼龙管方案对比分析

通过竞品对标分析，整车上胶管和尼龙管方案优缺点，如下表所示。

1）经分析，70%管路可替换为尼龙管方案；
2）不可替换的管路中主要有以下三种情况：
一是发动机进出水管路是由于管径大，都在30mm以上；
二是部分管路由于管路较短，无法实现或成本较高。主要集中在三通阀、板式换热器、电池冷却器连接管路；
三是部分对手热管理部件为平台件且为非快插接头，接头不便做更改。如：自动驾驶控制器（MDC）、车载充电机（OBC）、电加热器（PTC）等。
3）部分管路替换尼龙管方案，结合采用非品牌快插，成本可以做到和橡胶管相当。
4）全车70%管路替换尼龙方案后，达到减重4kg的效果。
5、尼龙管设计注意事项

1）尼龙光管弯管半径一般按外径的3倍设计与生产，最小按2倍设计与生产。
2）当尼龙光管弯角半径≥R45，最好按波纹结构设计与生产。
3）两个弯的直线段不小于外径2倍，两个弯之间的夹角要≥90°。
4）最短尼龙管长度为130mm（两端快插50mm，中间80mm装配夹具）。
5）一根尼龙管最好统一为一个弯角半径。
6）连接振动部件或固定在振动部件上的管路要设计波纹管，实现减震目的，避免管路耐久试验破损。快插接头端增加波纹段还可以实现方便拆卸插头的目的。T车型拆解发现，所有管路折弯全部以波纹管实现，如图7所示。
7）尼龙波纹管端头直段需预留30mm。
8）尼龙波纹管弯角半径一般按R35设计与生产，最小按R25设计与生产。
9）尼龙管壁厚1～1.5mm，外径6～24mm。尼龙管管道壁厚尺寸首先依照工作状态下管路需达到的承压能力决定。设计压力=工作压力×安全系数，这个安全系数一般是1.5以上。一般情况下，14mm以下管路壁厚为1mm左右，14mm以上管路需达到1.25～1.5mm。
此外管路的壁厚还和成型工艺性有关。在管路弯曲定型时，过薄的壁厚会导致弯曲的内侧管路无法支撑挤压的应力，造成成型弯曲后管壁起皱变形。所以随着管路外径增大，壁厚也要相应增大，以满足成型工艺要求。
10）同长度的尼龙波纹管胚材是尼龙光管2.1倍，壁厚比光管薄，重量预计是光管的1.5倍。
11）尼龙管可以做缩径
12）尼龙管可以做成椭圆形截面
13）尼龙管与周边零件间隙小处，管外套保护编织护套或泡棉，增加防护，
14）波纹段尺寸不易保证，与周边零件间隙最好做到15mm以上。
15）除采用管卡固定外，还可用塑料线束卡固定，
二.冷却水管选型计算流程

冷却水管的流量需求取决于系统散热需求，可通过能量平衡计算确定：计算公式：
Q = P / (ρ × Cp × ΔT)
其中：Q：冷却液流量（m³/s）
P：散热功率（W），典型新能源汽车电池散热功率为2-5kW
ρ：冷却液密度（kg/m³），50%乙二醇水溶液约为1070kg/m³
Cp：冷却液比热容（J/(kg·K)），50%乙二醇水溶液约为3450J/(kg·K)
ΔT：冷却液进出口温差（K），通常设计为5-8℃
计算示例：
假设电池散热功率P=4000W，冷却液为50%乙二醇溶液，进出口温差ΔT=5℃
Q = 4000 / (1070 × 3450 × 5) = 4.14 × 10⁻⁴ m³/s ≈ 24.8 L/min这是冷却系统所需的最小流量，实际选型需考虑一定的安全系数（通常为1.1-1.2倍）
2. 扬程计算 水泵扬程计算需克服管道系统的总阻力，包括沿程阻力和局部阻力：基本公式：
H = 1.1 × (P1 + Z + P3 + 0.04 × L × (1 + K))
其中：H：所需扬程（m）
P1：冷凝器阻力（m），通常为3-8m
Z：冷却塔高位差（m），即水泵与系统最高点的高度差
P3：冷却塔喷雾压力（m），通常为2-5m
L：管道总长度（m）
K：局部阻力当量长度系数，通常取0.3-0.61.1：安全系数
计算示例：
假设某新能源汽车冷却系统参数为：P1=5m，Z=2m，P3=3m，L=15m，K=0.4
H = 1.1 × (5 + 2 + 3 + 0.04 × 15 × (1 + 0.4)) = 1.1 × (10 + 0.84) = 11.98m据此可选择扬程为12m的水泵.
3. 压力降计算 冷却水管系统的压力降计算是选型的核心内容，直接影响水泵选型和系统效率：沿程阻力损失计算公式：
4. ΔP_f = f × (L/D) × (ρ × V²/2)其中：ΔP_f：沿程压力损失（Pa）f：摩擦系数，取决于雷诺数和管道粗糙度L：管道长度（m）D：管道内径（m）ρ：冷却液密度（kg/m³）V：冷却液流速（m/s），通常设计为1-2m/s
局部阻力损失计算公式：
ΔP_l = K × (ρ × V²/2)其中：ΔP_l：局部压力损失（Pa）K：局部阻力系数，取决于管件类型（弯头、阀门等） 总压力降：
ΔP_total = ΣΔP_f + ΣΔP_l计算步骤：确定管道内径和流速计算雷诺数Re = (ρ × V × D)/μ，判断流态（层流或湍流）根据雷诺数和相对粗糙度确定摩擦系数f（可用穆迪图或柯尔布鲁克公式）计算沿程阻力损失确定各管件的局部阻力系数K（通过实验测定或查手册）计算局部阻力损失求和得总压力降
计算示例： 假设冷却系统参数：L=15m，D=0.012m，V=1.5m/s，ρ=1070kg/m³，μ=0.0035Pa·s（50%乙二醇在60℃时）计算雷诺数：Re = (1070 × 1.5 × 0.012)/0.0035 = 5510（湍流）取摩擦系数f=0.032（根据雷诺数和相对粗糙度确定）沿程阻力损失：ΔP_f = 0.032 × (15/0.012) × (1070 × 1.5²/2) = 0.032 × 1250 × 1203.75 = 48,150 Pa假设系统有5个90°弯头（K=0.9每个），2个阀门（K=4.0每个）
ΣΔP_l = [5 × 0.9 + 2 × 4.0] × (1070 × 1.5²/2) = (4.5 + 8) × 1203.75 = 12.5 × 1203.75 = 15,047 Pa总压力降：ΔP_total = 48,150 + 15,047 = 63,197 Pa ≈ 0.63 bar 此压力降值可用于水泵选型和系统性能评估4 管径优化计算管径选择需要在压力损失和成本之间取得平衡：达西公式变形：
D = [ (8 × f × L × Q²) / (π² × ΔP) ]^(1/5)其中：D：最优管径（m）f：摩擦系数L：管道长度（m）Q：流量（m³/s）ΔP：允许压力降（Pa）
计算示例：
假设系统参数：f=0.032，L=15m，Q=4.14×10⁻⁴m³/s，ΔP=50,000Pa
D = [ (8 × 0.032 × 15 × (4.14×10⁻⁴)²) / (π² × 50000) ]^(1/5) = [ (8 × 0.032 × 15 × 1.71×10⁻⁷) / (9.87 × 50000) ]^(1/5) = [ (6.57×10⁻⁷) / (493500) ]^(1/5) = [1.33×10⁻¹²]^(1/5) ≈ 0.0107m = 10.7mm据此可选择内径为11mm的冷却水管
三.实际案例选择方案项目背景：某型电动轿车需要设计电池冷却系统，电池峰值散热功率为4.5kW。设计参数：电池散热功率：4.5kW冷却液：50%乙二醇水溶液设计温差：6℃管道总长度：18m系统高度差：1.5m管件配置：8个90°弯头，3个阀门计算过程：1.流量计算：
Q = 4500 / (1070 × 3450 × 6) = 5.15 × 10⁻⁴ m³/s ≈ 30.9 L/min
考虑安全系数，设计流量取34 L/min
2.管径选择：选择内径12mm的尼龙管，流速V = Q/A = (34/60000) / (π × 0.006²) = 1.25m/s（在推荐范围内）3.压力降计算：沿程阻力：Re = (1070 × 1.25 × 0.012)/0.0035 = 4586（湍流），f=0.034
ΔP_f = 0.034 × (18/0.012) × (1070 × 1.25²/2) = 0.034 × 1500 × 835.9 = 42, 631 Pa
局部阻力：ΣK = 8×0.9 + 3×4.0 = 7.2 + 12 = 19.2 ΔP_l = 19.2 × (1070 × 1.25²/2) = 19.2 × 835.9 = 16, 049 Pa
总压力降：ΔP_total = 42,631 + 16,049 = 58,680 Pa ≈ 0.59 bar4.扬程计算：H = (ΔP_total / (ρ × g)) + Z = (58680/(1070×9.8)) + 1.5 = 5.6 + 1.5 = 7.1m 考虑安全系数，选择扬程为8m的水泵选型结果：冷却水管：内径12mm尼龙管，壁厚1.5mm水泵：离心式电子水泵，流量34L/min，扬程8m接口类型：快插式连接测试结果：
系统在实际运行中，电池温度控制在25-35℃之间，温差小于5℃，满足设计要求的散热性能。

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