2019款奔馳S級混合動力新技術(shù)剖析

張偉

一、簡介

除傳統(tǒng)驅(qū)動外，新款S級轎車配備加長軸距，且在S560e中配備新一代混合動力驅(qū)動。已從根本上對成功應(yīng)用在S級500e中的第 2 代混合動力驅(qū)動進行了改進，并在第3代中進一步優(yōu)化。

與僅裝配發(fā)動機的車輛相比，該組合驅(qū)動系統(tǒng)可以增強駕駛樂趣并提高駕乘舒適性，同時盡可能減少油耗和排放，甚至零排放。純電動模式下車速可達 130km/h；續(xù)航里程可達50km。

1.混合動力驅(qū)動的特征

◆增壓模式（E-BOOST）

◆再生制動

◆ECO啟動/停止功能

◆高電壓蓄電池的外部充電

◆車內(nèi)的輔助智能氣候控制

◆觸覺加速踏板

◆智能混合動力

2.混合動力驅(qū)動

混合動力車輛的組合驅(qū)動系統(tǒng)由6缸火花點火式發(fā)動機M276DEH LA（2996 cm3的排量，270kW的輸出功率和520N·m的最大扭矩）以及電傳動裝置組成，其永磁體電機額定功率為90kW，可產(chǎn)生440N·m的最大扭矩。

從外觀看，混合動力車輛可通過后備箱蓋上的名稱S560e和后保險杠中的車輛插座蓋進行識別，如圖1所示。

下列部件屬于混合動力驅(qū)動模塊：

◆發(fā)動機

◆電機

◆ 9G-TRONIC 變速器

◆電力電子裝置（帶集成式直流/直流轉(zhuǎn)換器的交直流轉(zhuǎn)換器）

◆高壓蓄電池

◆充電部件（充電器、汽車插座和充電電纜）

┃圖1 S級混合動力車型

此外，混合動力車輛配備：

◆用于智能氣候控制的電力驅(qū)動高壓制冷劑壓縮機

◆觸覺加速踏板

◆車外溫度低時，用于確保熱舒適性的電動高壓正溫度變化系數(shù)（PTC）加熱器

◆用于制動力增壓的電力驅(qū)動真空泵

◆機電動力轉(zhuǎn)向

◆專門開發(fā)用于混合動力車輛的制動系統(tǒng)以進行有效能量回收（RBS）

第 3 代插電式混合動力車輛采用久經(jīng)測試的元件以及下列優(yōu)化的混合動力部件：

◆裝配集成式直流/直流轉(zhuǎn)換器的電力電子裝置

◆高壓性能組件，包括帶可切換保險絲的高壓分配器板

◆安裝高壓蓄電池

◆高壓蓄電池能量含量約50%以上

◆9G-TRONIC 自動變器搭載經(jīng)調(diào)節(jié)適用于混合動力模式的變矩器

◆充電容量為7.2kW的充電器

◆額定功率為90kW的電機

◆新的充電電纜

二、部件

1.電機

由于電機在低轉(zhuǎn)動速度下也可提供大扭矩，可有效支持發(fā)動機，因此可比傳統(tǒng)驅(qū)動更快地達到駕駛員要求的扭矩；也可通過車輛較高的響應(yīng)性證明。

集成在變速器牽引頭中的電機是采用內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計的永久激活同步機，其位于發(fā)動機和自動變速器之間的中心位置，包括一個電機轉(zhuǎn)子位置傳感器和用于記錄線圈溫度的電機溫度傳感器。

要在高壓直流電壓系統(tǒng)下操作電機，需要電力電子裝置（功率變換器）。電力電子控制單元、電機的功率變換器以及直流/直流轉(zhuǎn)換器（用于為12V車載電氣系統(tǒng)供電）集成在電力電子部件中。

功率變換器用三相交流電壓通過電力電子控制單元的請求控制電機，電力電子控制單元操控電機的溫度和位置以及故障診斷和功率預(yù)測。電力電子控制單元與傳動系統(tǒng)控制單元通信。來自電機和直流/直流轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)提供至電力電子裝置并執(zhí)行傳動系統(tǒng)控制單元對于扭矩、電壓和電流的請求。電力電子部件通過高壓分配器板連接到電機上。

其中一個便捷功能就是電機可主動減弱傳動系統(tǒng)中的扭轉(zhuǎn)震動；從而提高駕乘舒適性。

電機用于顯示啟動/停止和發(fā)電機模式功能，以及增壓效果和能量回收功能。

2.變速器

變速器鐘狀外殼的剖面圖如圖2所示。

┃圖2 變速器剖面圖

與第2代相比，變矩器作為啟動裝置安裝。變矩器與變矩器鎖止離合器，發(fā)動機分離器離合器以及集成式減震器一起構(gòu)成一個重量優(yōu)化，集成良好的總成。

牽引頭（包括電機、變矩器、發(fā)動機分離器離合器、變矩器鎖止離合器和變矩器殼體）可作為一個模塊裝置單獨進行安裝，其通過適配器板連接至主變速器。

這樣的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可促進以下重要功能：

◆發(fā)動機分離器離合器在發(fā)動機退耦的情況下減少所有操作模式下傳動系統(tǒng)的功率損耗

◆變矩器和變矩器鎖止離合器位于電機和變速器輸入裝置之間，可通過發(fā)動機分離器離合器使用電機啟動發(fā)動機。從而發(fā)揮在噪聲、震動和不平順性（NVH）方面的優(yōu)勢

◆由于啟動裝置從濕式離合器換成變矩器和發(fā)動機分離器離合器，爬行要求不再是難題

◆即使處于電動模式，也可通過機械油泵（初級泵）確保變速器油的供給。因此，變速器油供給不僅僅取決于集成式電氣輔助油泵的性能，在可實現(xiàn)電動模式的情況下可擴展變速器油溫度窗口

◆由于提高了高壓蓄電池的輸出功率和容量，從而提高了駕駛模式下的電氣性能，尤其是電氣范圍和增壓性能。此外，根據(jù)車輛的不同，性能增強可使自適應(yīng)駕駛計算更靈活，這意味著可減少污染物排放

特殊功能：

◆變矩器和發(fā)動機分離器離合器取代濕式離合器

◆9個前進擋

◆可更換電機轉(zhuǎn)子位置傳感器

◆電機集成在混合動力牽引頭中

◆牽引頭可作為整套進行更換，這就是更換后一般不進行電壓驗證測試（電氣絕熱效率測試）的原因

發(fā)動機和電機生成的扭矩通過帶混合動力牽引頭的 9GTRONIC自動變速器傳輸。特此進一步開發(fā)了該款型號的變速器應(yīng)用于混合動力。

主變速器上的調(diào)節(jié)裝置屬于變矩器殼體，變速器控制的軟件和帶閥體總成的電動輔助油泵。

混合動力牽引頭包括用于潤滑所有換擋元件和支承點的初級泵，電動輔助油泵用于在電機停止時保持工作壓力。電機集成在牽引頭中，與發(fā)動機分離器離合器和專用混合動力變矩器配套使用。

（1）操作模式

駕駛員可從四種操作模式中進行選擇。

混合動力（默認設(shè)置）：

◆自動選擇驅(qū)動方式

◆純電動模式可用

◆優(yōu)化使用發(fā)動機和電動機組合驅(qū)動模式

電動模式：

◆純電傳動模式

◆計量通過觸覺加速踏板進行的電動輸出

◆發(fā)動機僅通過觸覺壓力點上的過壓啟動

省電模式：

◆保持高壓蓄電池充電量，例如可用于在純電動模式下駕駛

◆純電動模式可用（部分能量通過能量回收獲得）

充電模式：

高壓蓄電池在駕駛模式下以及車輛靜止時充電

◆無電動模式可用

（2）變速器模式

混合動力驅(qū)動的特性補充了傳統(tǒng)驅(qū)動的特性，提供有“舒適型”（Comfort），“經(jīng)濟型”（Eco）和“運動型”（Sport）駕駛模式。給駕駛員提供一種動感、舒適或優(yōu)化油耗的駕駛方式。

“舒適型”（默認設(shè)置）：

◆舒適的駕駛方式提供最佳燃油消耗（加速踏板的特殊特性和變速器換擋特性）

◆電動模式可用

“經(jīng)濟型”（Eco）：

◆電動模式下的駕駛方式尤可節(jié)約油耗

◆混合動力傳動系統(tǒng)的經(jīng)濟性設(shè)計

◆電動模式可用

◆Eco輔助功能

“運動型”（Sport）：

◆通過增強的增壓模式（E-BOOST）體驗動感的駕駛方式

◆發(fā)動機必須保持運行

◆混合動力傳動系統(tǒng)的動感設(shè)計（改進的加速踏板特性和變速器換擋特性）

“自定義”（Individual）：

◆根據(jù)駕駛員的偏好進行自定義設(shè)置

3.電力電子裝置

電力電子系統(tǒng)有一個交直流轉(zhuǎn)換器和一個直流/直流轉(zhuǎn)換器。安裝了高壓分配器板，其中包括向電機供電的三相接頭以及電子制冷劑壓縮機的接頭和高壓正溫度變化系數(shù)（PTC）加熱器。可單獨更換安裝在輔助用電設(shè)備高壓適配器板中的兩個60A保險絲。

電力電子裝置位于風(fēng)擋玻璃下方發(fā)動機艙內(nèi)右側(cè)（沿行駛方向），如圖3所示。

┃圖3 電力電子控制單元

（1）交直流轉(zhuǎn)換器

電力電子裝置（又稱之為電子管）包括一個交直流轉(zhuǎn)換器，可將高壓蓄電池電壓（直流）轉(zhuǎn)換為三相交流電壓（交流）以操作電機。

（2）直流/直流轉(zhuǎn)換器

直流/直流轉(zhuǎn)換器支持高壓和12V 車載電氣系統(tǒng)（降壓模式）之間的車載電氣系統(tǒng)。

4.高壓蓄電池（如圖4所示）的低溫回路放出。

5.電動制冷劑壓縮機

傳動裝置的部分電氣化用于通過使用電子制冷劑壓縮機提高舒適度。

在電動模式和輔助智能氣候控制期間，無論發(fā)動機模式為何，車輛都會供給所需冷卻輸出。因此，發(fā)動

┃圖4 高壓蓄電池模塊

鋰離子高壓蓄電池用于存儲通過能量回收或電氣充電部件產(chǎn)生的電能。

該蓄電池系統(tǒng)的緊湊型設(shè)計和高能量密度尤為突出，高壓蓄電池位于車輛后端。

此外，蓄電池系統(tǒng)還具有以下特性：

◆帶獨立鋰離子電池的單元塊并對其進行監(jiān)測

◆蓄電池管理系統(tǒng)控制單元（BMS）

◆帶冷卻液連接的散熱片板

◆高壓觸點

◆非交換型保險絲

◆高強度外殼

專用混合動力冷卻系統(tǒng)：

電力電子裝置和高壓蓄電池（帶充電系統(tǒng)）產(chǎn)生的熱量通過兩個獨立機不工作時仍可保持氣候的舒適性，并通過輔助智能氣候控制進一步改善（預(yù)置空調(diào)和保持空調(diào)）。

三、混合動力功能

1.電氣驅(qū)動

在純電動模式或組合模式下裝備部分負荷起步和駕駛，高壓蓄電池和90kW強力驅(qū)動單元可在純電動模式下行駛超過50km 的距離。如果電機的輸出功率不足，則在更高車速或陡坡上駕駛時，火花點火式發(fā)動機自動啟動并連接至傳動系統(tǒng)。關(guān)閉電機和發(fā)動機之間的聯(lián)軸器，在關(guān)閉前轉(zhuǎn)動速度是同步的。車載電子裝置調(diào)節(jié)內(nèi)驅(qū)動單元的發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)動速度。此功能可使駕駛員以舒適且難以察覺的方式啟動發(fā)動機。

2.E-BOOST

在所謂的“增壓模式”下，電機支持發(fā)動機，以盡快達到所需的規(guī)定扭矩，尤其是在低轉(zhuǎn)速時。此外，增壓模式的持續(xù)時間和強度取決于高壓蓄電池的充電量。發(fā)動機配備了優(yōu)化的傳動啟動機，無須使用車輛的動能進行牽引啟動，這極大地提高了響應(yīng)性。

3.能量回收或制動

在超速運轉(zhuǎn)模式和制動階段，能量回收在減少油耗方面起著重要作用。在超速運轉(zhuǎn)模式下，發(fā)動機關(guān)閉并通過電機再生模式下產(chǎn)生的負載扭矩代替制動力。

在混合動力車輛減速期間，有三種可能的操作狀態(tài)：

◆僅在減速情況下運轉(zhuǎn)時已進行能量回收。則電機作為發(fā)電機進行工作，并將再次獲得的能量傳送至高壓蓄電池

◆如果駕駛員僅輕輕踩下制動踏板，則車輛通過電機進一步減速，電機會向高壓蓄電池輸送更多能量

◆如果駕駛員用力踩下制動踏板，則也會采用強力制動來使車輛減速，兩個系統(tǒng)在這些行駛條件下共同工作

4.超速運轉(zhuǎn)模式和智能能量回收

如果駕駛員在舒適型或經(jīng)濟型駕駛模式下松開加速踏板，則車輛啟用航行模式，發(fā)動機退耦并關(guān)閉。電機通過能量回收產(chǎn)生減速扭矩。

在舒適型駕駛模式下，車輛像傳統(tǒng)車輛一樣滑行并減速以調(diào)節(jié)超速扭矩（與超速運轉(zhuǎn)模式下的發(fā)動機比較），將獲得的能量傳送至高壓蓄電池。

在經(jīng)濟型駕駛模式下，能量生成降至最小（增強版超速運轉(zhuǎn)模式），有利于智能能量回收。在此過程中，發(fā)動機保持關(guān)閉。在該運行狀態(tài)下，能量直接轉(zhuǎn)換為更高的滑行速度和/或更長的滑行距離。這對于在較長的下坡路或預(yù)見要接近交通信號燈和十字路口時具有優(yōu)勢。在這種情況下，相比其他傳統(tǒng)車輛，本車滑行更自由，減速也沒那么猛烈。此外，當(dāng)接近通過雷達傳感器系統(tǒng)檢測到的前方行駛車輛時，可智能設(shè)置減速扭矩。

5.靜默啟動

混合動力車輛可在已促動啟動按鈕時啟用純電動模式。靜默啟動的可用性取決于車外溫度、變速器油的溫度以及高壓蓄電池的充電量。混合動力驅(qū)動操作準(zhǔn)備就緒通過儀表上的綠色指示燈“READY”指示。

6.在混合動力驅(qū)動模式下駕駛

（1）城市道路駕駛

混合動力車輛的優(yōu)勢在頻繁怠速和減速的城市交通里尤其明顯：

◆一方面，車輛暫停時發(fā)動機停止，車輛頻繁減速時會進行能量回收

◆另一方面，通過純電動模式，而非使用發(fā)動機

（2）主要道路駕駛

在鄉(xiāng)村駕駛時，電動模式階段、增壓階段、恒速階段和能量回收階段交替進行。根據(jù)路線縱斷面的不同，可產(chǎn)生大量的回收能量，與傳動驅(qū)動概念相比，在消耗和排放方面更具優(yōu)勢。

（3）高速公路駕駛

在高速公路上駕駛時，發(fā)動機的負載點轉(zhuǎn)移尤其可有效解決消耗和排放的問題。因此，在降低油耗的情況下發(fā)動機的燃燒過程被推向一個工作點。

7.智能發(fā)動機管理

混合動力車輛的智能駕駛管理將行駛路線和交通狀況提前考慮在內(nèi)，因此可在駕駛過程中以最佳方式更有效地消耗高壓蓄電池的能量。對于可預(yù)見功能，使用來自雷達傳感器系統(tǒng)，多功能攝像頭和駕駛室管理和數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及聯(lián)網(wǎng)功能（COMAND Online）導(dǎo)航系統(tǒng)的信息。

由于在各種駕駛狀況下提供支持，智能駕駛管理降低車輛的油耗，增加電氣范圍，并向駕駛員提供更舒適的體驗。

智能駕駛管理的功能如下：

◆智能能量回收

◆智能換擋策略

◆基于路線的操作策略

◆ECO輔助系統(tǒng)

8.智能能量回收

根據(jù)駕駛狀況，要使用電機，可將再生制動系統(tǒng)作為發(fā)電機進行能量回收。根據(jù)當(dāng)前和未來交通狀況，靈活調(diào)節(jié)能量回收。

為此，除了來自雷達的數(shù)據(jù)外，車輛還評估來自交通標(biāo)志輔助系統(tǒng)的信息，如地圖和攝像頭數(shù)據(jù)。根據(jù)狀況的不同，再次獲得的能量可有效存儲為動能或電能，以此增加能量范圍。

該功能通過有效的能量存儲增加能量范圍：

◆在超速運轉(zhuǎn)模式可行的情況下存儲為動能

◆在通過能量回收減速可行的情況下存儲為電能

在雷達數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)的幫助下，使用周圍環(huán)境的信息（傳感器融合）對駕駛狀況進行評估。

可通過能量回收從自由加速到預(yù)定義減速對再生扭矩進行無級調(diào)整。

有關(guān)距離和速度差的信息通過雷達傳感器系統(tǒng)提供。距離控制系統(tǒng)根據(jù)交通狀況計算理想的加速度或減速度。此外，會評估通過多功能攝像頭記錄的限速并應(yīng)用到能量回收。提前評估來自地圖數(shù)據(jù)的限速并通過滑行模擬應(yīng)用到能量回收。通過觸覺加速踏板的雙脈沖，駕駛員會獲得切換至超速運轉(zhuǎn)模式的最佳時間點。駕駛員可通過儀表盤的能量流圖中看到能量回收的變化，電流回收性能顯示在電量供應(yīng)顯示中。

9.智能換擋策略

對于智能換擋策略，阻止車輛前行時，觸發(fā)升擋干預(yù)，松開加速踏板時，進行升擋干預(yù)。例如，如果允許超過較快速度的車輛，則該策略可允許車輛立即換到最佳（較低）擋位進行加速。松開加速踏板時的升擋和操作加速踏板時的減擋操作均受到干預(yù)。如果不可能超車，通過發(fā)動機制動扭矩獲得更高的車輛減速度，駕駛員需將制動減小，避免接近前車。

干預(yù)換擋策略在于提高駕駛的舒適性和車輛的反應(yīng)能力。在所有變速器模式下都會啟用該功能，但是設(shè)計不同。即，每個轉(zhuǎn)速閾值會在各個駕駛模式下進行相應(yīng)調(diào)節(jié)。

10.基于路線的操作策略

例如，駕駛員熟悉路線并且了解何時需使用電動模式以及何時為蓄電池放電，可以手動選擇多種混合動力操作模式。基于路線的操作策略接收以上兩個請求，并將其和駕駛員的意愿（此操作模式下應(yīng)采取哪種路線順序）相聯(lián)系。操作模式的選擇不僅僅是事件導(dǎo)向的，而要同時考慮以下幾點：

◆由于驅(qū)動路線不同，電能的使用在節(jié)能效果方面存在差異

◆在城市交通中使用電氣驅(qū)動模式的電能也會給駕駛員帶來較好的體驗

在高速公路上行駛時，可以通過基于路線的策略根據(jù)需求減少使用電能，蓄電池的充電量也可以有針對性地通過負載點轉(zhuǎn)移設(shè)置為其余水平。

通過ADAS（高級駕駛員輔助系統(tǒng)）獲得的來自駕駛室管理和數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及聯(lián)網(wǎng)功能（COMAND Online）的關(guān)于線束和前方道路斜坡的數(shù)據(jù)（以128m為準(zhǔn)最遠可達 1024km）構(gòu)成路線能量評估的基礎(chǔ)，并用于充電控制和釋放輸出功率。

啟用導(dǎo)航系統(tǒng)中的路線向?qū)Вx擇混合動力模式且處于經(jīng)濟型駕駛模式時，也會啟用基于路線的操作策略。

11.ECO 輔助系統(tǒng)

ECO 輔助有助于給駕駛員提供更經(jīng)濟舒適的駕駛方式，駕駛員可使用以下功能：

◆觸覺加速踏板中的附加變量偏心預(yù)負荷（E-MODE）：明顯感覺到觸覺加速踏板的偏心預(yù)負荷時，代表著當(dāng)時可提供的最大電氣行駛功率。如果感覺觸覺加速踏板踩下的量超過偏心預(yù)負荷，則發(fā)動機開啟

◆觸覺加速踏板中的雙脈沖（經(jīng)濟型駕駛模式）：根據(jù)觸覺加速踏板中的顯著雙脈沖，建議駕駛員松開加速踏板。因此，發(fā)動機關(guān)閉并從傳動系統(tǒng)退耦。車輛可切換至航行模式或智能能量回收。根據(jù)車速和距離前方行駛車輛的距離和速度差觸發(fā)雙脈沖。

12.控制和顯示概念

配備全新一代混合動力驅(qū)動的 S級轎車可用的附加控制和顯示元素有：

◆電動模式下儀表中的電量供應(yīng)顯示

◆儀表中的回收和能量顯示

◆主機和儀表中的能量流顯示

◆主機中的燃油消耗和能量回收柱狀圖

◆儀表中的“READY”顯示

13.智能氣候控制

在車輛使用遙控鑰匙或編程啟動前，輔助智能氣候控制會在車內(nèi)提供高水平的節(jié)能型熱舒適性，與傳統(tǒng)固定加熱器一樣。此外，可使用智能手機應(yīng)用程序（Mercedes me connect）進行激活和編程。

如果客戶在啟動驅(qū)動前激活氣候控制，則即使在充電完成后，蓄電池容量也會顯示 ＜100 %。

14.充電器（如圖5所示）

具有3.6kW（1相）和 7.2kW（2相）充電容量的優(yōu)化充電器安裝在后備箱凹槽的后部區(qū)域。其控制充電過程，并防止短路，反極性和過壓。

15.高壓蓄電池因素分析

高壓蓄電池可通過集成在后保險杠中的車輛插座連接充電站和電源插座充電。通過 1.8 kW 充電容量（1相，230 V，8 A）的市售供電插座進行標(biāo)準(zhǔn)充電（從 20 % 到 100 %），車外溫度約為 20 ℃ 時需花費約 5h。在公共充電站或車庫安裝的壁式充電箱進行充電時，充電時間（電量從20% 至100 %）在室外溫度約為20℃時可減少至約 1.4h（壁式充電箱或公共充電站的充電容量為 7.2 kW；2相400V，32A）。

充電系統(tǒng)監(jiān)測電壓、充電量、充電時間以及相關(guān)部件溫度以保護高壓蓄電池。此外，在充電模式下行駛時，高壓蓄電池可通過驅(qū)動單元進行充電（以燃油消耗為代價）。

┃圖5 充電器