2019款奔馳S級混合動力新技術剖析

張偉

一、簡介

除傳統驅動外，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動。已從根本上對成功應用在S級500e中的第 2 代混合動力驅動進行了改進，并在第3代中進一步優化。

與僅裝配發動機的車輛相比，該組合驅動系統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；續航里程可達50km。

1.混合動力驅動的特征

◆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.混合動力驅動

混合動力車輛的組合驅動系統由6缸火花點火式發動機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動模塊：

◆發動機

◆電機

◆ 9G-TRONIC 變速器

◆電力電子裝置（帶集成式直流/直流轉換器的交直流轉換器）

◆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（PTC）加熱器

◆用于制動力增壓的電力驅動真空泵

◆機電動力轉向

◆專門開發用于混合動力車輛的制動系統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測試的元件以及下列優化的混合動力部件：

◆裝配集成式直流/直流轉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 自動變器搭載經調節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

由于電機在低轉動速度下也可提供大扭矩，可有效支持發動機，因此可比傳統驅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性證明。

集成在變速器牽引頭中的電機是采用內轉子設計的永久激活同步機，其位于發動機和自動變速器之間的中心位置，包括一個電機轉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/直流轉換器（用于為12V車載電氣系統供電）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測。電力電子控制單元與傳動系統控制單元通信。來自電機和直流/直流轉換器的數據提供至電力電子裝置并執行傳動系統控制單元對于扭矩、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中的扭轉震動；從而提高駕乘舒適性。

電機用于顯示啟動/停止和發電機模式功能，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，發動機分離器離合器以及集成式減震器一起構成一個重量優化，集成良好的總成。

牽引頭（包括電機、變矩器、發動機分離器離合器、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。

這樣的傳動系統結構可促進以下重要功能：

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

◆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，可通過發動機分離器離合器使用電機啟動發動機。從而發揮在噪聲、震動和不平順性（NVH）方面的優勢

◆由于啟動裝置從濕式離合器換成變矩器和發動機分離器離合器，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，根據車輛的不同，性能增強可使自適應駕駛計算更靈活，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。特此進一步開發了該款型號的變速器應用于混合動力。

主變速器上的調節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（默認設置）：

◆自動選擇驅動方式

◆純電動模式可用

◆優化使用發動機和電動機組合驅動模式

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

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

“舒適型”（默認設置）：

◆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

“經濟型”（Eco）：

◆電動模式下的駕駛方式尤可節約油耗

◆混合動力傳動系統的經濟性設計

◆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

◆發動機必須保持運行

◆混合動力傳動系統的動感設計（改進的加速踏板特性和變速器換擋特性）

“自定義”（Individual）：

◆根據駕駛員的偏好進行自定義設置

3.電力電子裝置

電力電子系統有一個交直流轉換器和一個直流/直流轉換器。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（PTC）加熱器。可單獨更換安裝在輔助用電設備高壓適配器板中的兩個60A保險絲。

電力電子裝置位于風擋玻璃下方發動機艙內右側（沿行駛方向），如圖3所示。

┃圖3 電力電子控制單元

（1）交直流轉換器

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

（2）直流/直流轉換器

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

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，無論發動機模式為何，車輛都會供給所需冷卻輸出。因此，發動

┃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生的電能。

該蓄電池系統的緊湊型設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測

◆蓄電池管理系統控制單元（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：

電力電子裝置和高壓蓄電池（帶充電系統）產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（預置空調和保持空調）。

三、混合動力功能

1.電氣驅動

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，火花點火式發動機自動啟動并連接至傳動系統。關閉電機和發動機之間的聯軸器，在關閉前轉動速度是同步的。車載電子裝置調節內驅動單元的發動機和電機的轉動速度。此功能可使駕駛員以舒適且難以察覺的方式啟動發動機。

2.E-BOOST

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

3.能量回收或制動

在超速運轉模式和制動階段，能量回收在減少油耗方面起著重要作用。在超速運轉模式下，發動機關閉并通過電機再生模式下產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：

◆僅在減速情況下運轉時已進行能量回收。則電機作為發電機進行工作，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，兩個系統在這些行駛條件下共同工作

4.超速運轉模式和智能能量回收

如果駕駛員在舒適型或經濟型駕駛模式下松開加速踏板，則車輛啟用航行模式，發動機退耦并關閉。電機通過能量回收產生減速扭矩。

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

在經濟型駕駛模式下，能量生成降至最小（增強版超速運轉模式），有利于智能能量回收。在此過程中，發動機保持關閉。在該運行狀態下，能量直接轉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見要接近交通信號燈和十字路口時具有優勢。在這種情況下，相比其他傳統車輛，本車滑行更自由，減速也沒那么猛烈。此外，當接近通過雷達傳感器系統檢測到的前方行駛車輛時，可智能設置減速扭矩。

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。混合動力驅動操作準備就緒通過儀表上的綠色指示燈“READY”指示。

6.在混合動力驅動模式下駕駛

（1）城市道路駕駛

混合動力車輛的優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，而非使用發動機

（2）主要道路駕駛

在鄉村駕駛時，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。根據路線縱斷面的不同，可產生大量的回收能量，與傳動驅動概念相比，在消耗和排放方面更具優勢。

（3）高速公路駕駛

在高速公路上駕駛時，發動機的負載點轉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動機的燃燒過程被推向一個工作點。

7.智能發動機管理

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，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。對于可預見功能，使用來自雷達傳感器系統，多功能攝像頭和駕駛室管理和數據系統以及聯網功能（COMAND Online）導航系統的信息。

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

8.智能能量回收

根據駕駛狀況，要使用電機，可將再生制動系統作為發電機進行能量回收。根據當前和未來交通狀況，靈活調節能量回收。

為此，除了來自雷達的數據外，車輛還評估來自交通標志輔助系統的信息，如地圖和攝像頭數據。根據狀況的不同，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

在雷達數據、攝像頭數據和地圖數據的幫助下，使用周圍環境的信息（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定義減速對再生扭矩進行無級調整。

有關距離和速度差的信息通過雷達傳感器系統提供。距離控制系統根據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用到能量回收。提前評估來自地圖數據的限速并通過滑行模擬應用到能量回收。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，觸發升擋干預，松開加速踏板時，進行升擋干預。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。如果不可能超車，通過發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。

干預換擋策略在于提高駕駛的舒適性和車輛的反應能力。在所有變速器模式下都會啟用該功能，但是設計不同。即，每個轉速閾值會在各個駕駛模式下進行相應調節。

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（此操作模式下應采取哪種路線順序）相聯系。操作模式的選擇不僅僅是事件導向的，而要同時考慮以下幾點：

◆由于驅動路線不同，電能的使用在節能效果方面存在差異

◆在城市交通中使用電氣驅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移設置為其余水平。

通過ADAS（高級駕駛員輔助系統）獲得的來自駕駛室管理和數據系統以及聯網功能（COMAND Online）的關于線束和前方道路斜坡的數據（以128m為準最遠可達 1024km）構成路線能量評估的基礎，并用于充電控制和釋放輸出功率。

啟用導航系統中的路線向導，選擇混合動力模式且處于經濟型駕駛模式時，也會啟用基于路線的操作策略。

11.ECO 輔助系統

ECO 輔助有助于給駕駛員提供更經濟舒適的駕駛方式，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負荷（E-MODE）：明顯感覺到觸覺加速踏板的偏心預負荷時，代表著當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負荷，則發動機開啟

◆觸覺加速踏板中的雙脈沖（經濟型駕駛模式）：根據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，發動機關閉并從傳動系統退耦。車輛可切換至航行模式或智能能量回收。根據車速和距離前方行駛車輛的距離和速度差觸發雙脈沖。

12.控制和顯示概念

配備全新一代混合動力驅動的 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提供高水平的節能型熱舒適性，與傳統固定加熱器一樣。此外，可使用智能手機應用程序（Mercedes me connect）進行激活和編程。

如果客戶在啟動驅動前激活氣候控制，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）充電容量的優化充電器安裝在后備箱凹槽的后部區域。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準充電（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）。

充電系統監測電壓、充電量、充電時間以及相關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動單元進行充電（以燃油消耗為代價）。

┃圖5 充電器