奔馳S400混合動力介紹(上)

◆文/福建 林宇清

梅賽德斯-奔馳S400 HYBRID基于上一代S350(即221車型)研發而成，本文通過新舊兩款S400車型簡要說明該混合動力概念及其工作原理。

一、221車型混合動力概念

車型的S400 HYBRID技術，奠定了梅賽德斯-奔馳混合動力的基礎，是本文的重點介紹部分，通過以下幾個方面來闡述。

1.驅動系統組成

S400HYBRID配備了平行混合動力驅動系統，包括272混合動力發動機和高電壓系統，其中，高壓電系統由電力電子控制單元、電動機、高壓蓄電池模塊、蓄電池管理系統(BMS)控制單元和 DC/DC轉換器組成(圖1)。

圖1 混合動力部件

通過該驅動系統，內燃機、電動機和驅動輪通過剛性相連(圖2)，其中，發動機和電動機提供的功率可以組合在一起，但車輛無法完全通過電子驅動系統驅動。

2.高壓部件介紹

根據前述的高壓電系統組成部件，如下逐一進行介紹。

(1)高壓蓄電池

圖2 驅動概念

位于引擎室右后側(圖3)，內部由35塊鋰離子電池組成，每塊電池的電壓均在3.2～4.1V之間，這樣，高壓蓄電池會儲存電能并以約120V的電壓為所有高壓系統部件供電。所有的鋰電池由蓄電池管理系統(BMS)控制單元根據傳感器和CAN信號進行管理。此外，BMS控制單元在必要情況下還會促動保護開關，以便將高壓蓄電池的正極和負極絕緣。

圖3 高壓蓄電池

(2)DC/DC轉換器

直流/直流轉換器位于右前輪罩內側(圖4)，作為變壓器，將高壓蓄電池和12V蓄電池相連，實現高壓直流電與低壓直流電之間的相互轉換。

圖4 DC/DC轉換器

(3)電力電子模塊

位于右側排氣歧管下方(圖5)，控制電動機的工作，即：在啟動和起步階段，通過三相交流電促動電動機；在發電模式下，將產生的三相交流電轉換為直流電壓，然后對高壓蓄電池充電，其實質是交流/直流(AC/DC)轉換器。此外，還執行自診斷功能，并通過評估溫度傳感器的信號，時刻監測電動機的工作溫度。

圖5 電力電子模塊

(4)電動機

采用步進電機設計(圖6)，位于發動機與變速器之間，不僅具有啟動機的作用，還可作為發電機為高壓系統充電，因而被稱為啟動機-發電機。電動機根據工作分為啟動和發電模式：沿曲軸轉動方向施加扭矩，以啟動內燃機，并在起步過程中，電動機為內燃機提供支持；在制動過程中，沿曲軸轉動方向的反方向施加扭矩，回收部分制動能量，并將其轉化為電能(再生制動)，以對高壓蓄電池充電。兩種工作模式均由電力電子模塊控制。集成的溫度傳感器記錄定子線圈的溫度，并將信號傳給電力電子模塊分析，避免電動機過熱損壞。此外，電動機還具有減震元件的作用，以降低行駛/扭轉振動。

(5)空調壓縮機

圖6 電動機

為確保在發動機自動停機時空調系統能提供足夠的冷卻，壓縮機從發動機上分開，采用電動驅動，實現對車廂內部和高壓電瓶進行單獨的恒溫控制和冷卻(圖7)。電動壓縮機主要由集成式控制單元、電機和螺旋壓縮機組成。控制單元調節電機的轉速以及制冷劑數量，電機驅動壓縮機。壓縮機由兩個交織的螺旋組成,其中一個與外殼永久連接,另一個則在第一個螺旋內的圓周內旋轉，這樣，在螺旋內形成多個不斷增加的較小空間，制冷劑隨后進入這些空間, 最高到達中央, 然后在中央以壓縮狀態排出。該設計有助于優化燃油消耗量，此外，空調控制單元可在700～9 000r/min的轉速區間內對壓縮機進行無級調節。

圖7 電動壓縮機

3.工作模式

根據車輛的使用狀況，對驅動系統的工作，可分為以下若干模式來理解。

(1)驅動模式

車輛的驅動可通過內燃機(標準模式)或混合動力模式來實現。當混合動力系統識別到故障而導致混合動力模式無法使用時，如果發動機可提供足夠的扭矩，那么車輛將啟用標準模式。在混合動力模式起作用時，發動機扭矩與電動機扭矩相結合，驅動車輛，該模式取決于高壓電瓶的電量。此外，內燃機可將電動機作為高壓發電機操作。

(2)發電模式

在發電機模式下，電動機扮演著高壓發電機的作用，曲軸的旋轉運動作用在電動機轉子上，然后在定子線圈中感應出三相交流電，由電力電子模塊轉換為直流電后對高壓蓄電池充電。在該模式中，車輛的動力由內燃機提供。

(3)減速模式

當車輛在滑行時，電動機將動能轉化為電能，即“再生”階段，ME根據當前的路面狀況、高壓電量和變速器模式計算出相應的減速扭矩，據此進行再生減速和減速燃油切斷。在這種情況下，內燃機產生減速扭矩，它與再生減速扭矩加起來可能超過標準的減速扭矩，此時，內燃機產生最小的可控扭矩，并且不會激活減速燃油切斷。另外，不論是否激活減速燃油切斷，對駕駛員而言，驅動系統的表現是相同的。

4.能量和動力流

各模式工作期間的能量流和當前的高壓電量可顯示在儀表盤上，當混合動力系統開始工作時，儀表會顯示“READY”(就緒)信息(圖8)。如果ECO啟動-停止功能可用，那么READY 指示燈呈現綠色的；如果ECO功能暫時不可用，則READY 指示燈點為黃色的。

圖8 儀表盤顯示

混合動力的動力流可顯示在COMAND顯示屏上(圖9)，在驅動模式下，動力由發動機傳遞至后軸，即動力僅由發動機提供；在加速模式下，高壓蓄電池通過電力電子模塊向電動機供電，使電動機產生驅動扭矩，對發動機提供支持，這樣，動力由發動機和電動機流至后軸。在發電模式下，電動機作為高壓發電機，將車輛的動能轉化為電能，動力從后軸傳遞電動機。

圖9 動力流(加速模式)

5.再生制動

再生是指在車輛減速過程中，為回收能量將動能轉化為電能，從而對高壓蓄電池充電。再生制動功能由制動踏板與助力器推桿之間的一段自由行程來執行，代表制動請求的踏板行程由踏板角度傳感器記錄，然后由再生制動系統(RBS)控制單元分析，據此在每次促動制動器時，踏板阻力模擬器都會產生虛擬的踏板阻力(圖10)。當再生制動啟用時，自由行程會隨著再生制動扭矩的增加而變短，為此，RBS控制單元促動相應的電磁閥，從而促使助力器增大液壓制動器的壓力，確保自由行程不會變短。如果RBS系統出現故障，那么阻力模擬器停用，然后駕駛員將并通過腳力產生所需的制動力，即踏板行程會比正常的行程略微增長。

圖10 功能原理

RBS控制單元將制動踏板行程的總制動扭矩分為再生制動扭矩和液壓制動扭矩，兩種扭矩分別由傳動系統和車輪制動器來執行。電動機回收部分或全部制動扭矩，用于發電，然后存儲在高壓蓄電池中(圖11)。如果產生的再生制動扭矩達到制動踏板請求的總制動扭矩，那么就不會產生液壓制動扭矩，這樣，通過再生方式即可實現減速。如果高壓蓄電池已是充滿電狀態，那么再生制動扭矩將無法產生，此時車輛只能通過液壓方式制動，直到高壓蓄電池放電并能存儲電能。此外，在ABS系統起作用時，再生制動會結束，制動扭矩僅通過液壓方式提供。

圖11 再生制動的功能原理

(未完待續）