2019款奔驰S级混合动力新技术剖析

张伟

一、简介

除传统驱动外，新款S级轿车配备加长轴距，且在S560e中配备新一代混合动力驱动。已从根本上对成功应用在S级500e中的第 2 代混合动力驱动进行了改进，并在第3代中进一步优化。

与仅装配发动机的车辆相比，该组合驱动系统可以增强驾驶乐趣并提高驾乘舒适性，同时尽可能减少油耗和排放，甚至零排放。纯电动模式下车速可达 130km/h；续航里程可达50km。

1.混合动力驱动的特征

◆增压模式（E-BOOST）

◆再生制动

◆ECO启动/停止功能

◆高电压蓄电池的外部充电

◆车内的辅助智能气候控制

◆触觉加速踏板

◆智能混合动力

2.混合动力驱动

混合动力车辆的组合驱动系统由6缸火花点火式发动机M276DEH LA（2996 cm3的排量，270kW的输出功率和520N·m的最大扭矩）以及电传动装置组成，其永磁体电机额定功率为90kW，可产生440N·m的最大扭矩。

从外观看，混合动力车辆可通过后备箱盖上的名称S560e和后保险杠中的车辆插座盖进行识别，如图1所示。

下列部件属于混合动力驱动模块：

◆发动机

◆电机

◆ 9G-TRONIC 变速器

◆电力电子装置（带集成式直流/直流转换器的交直流转换器）

◆高压蓄电池

◆充电部件（充电器、汽车插座和充电电缆）

┃图1 S级混合动力车型

此外，混合动力车辆配备：

◆用于智能气候控制的电力驱动高压制冷剂压缩机

◆触觉加速踏板

◆车外温度低时，用于确保热舒适性的电动高压正温度变化系数（PTC）加热器

◆用于制动力增压的电力驱动真空泵

◆机电动力转向

◆专门开发用于混合动力车辆的制动系统以进行有效能量回收（RBS）

第 3 代插电式混合动力车辆采用久经测试的元件以及下列优化的混合动力部件：

◆装配集成式直流/直流转换器的电力电子装置

◆高压性能组件，包括带可切换保险丝的高压分配器板

◆安装高压蓄电池

◆高压蓄电池能量含量约50%以上

◆9G-TRONIC 自动变器搭载经调节适用于混合动力模式的变矩器

◆充电容量为7.2kW的充电器

◆额定功率为90kW的电机

◆新的充电电缆

二、部件

1.电机

由于电机在低转动速度下也可提供大扭矩，可有效支持发动机，因此可比传统驱动更快地达到驾驶员要求的扭矩；也可通过车辆较高的响应性证明。

集成在变速器牵引头中的电机是采用内转子设计的永久激活同步机，其位于发动机和自动变速器之间的中心位置，包括一个电机转子位置传感器和用于记录线圈温度的电机温度传感器。

要在高压直流电压系统下操作电机，需要电力电子装置（功率变换器）。电力电子控制单元、电机的功率变换器以及直流/直流转换器（用于为12V车载电气系统供电）集成在电力电子部件中。

功率变换器用三相交流电压通过电力电子控制单元的请求控制电机，电力电子控制单元操控电机的温度和位置以及故障诊断和功率预测。电力电子控制单元与传动系统控制单元通信。来自电机和直流/直流转换器的数据提供至电力电子装置并执行传动系统控制单元对于扭矩、电压和电流的请求。电力电子部件通过高压分配器板连接到电机上。

其中一个便捷功能就是电机可主动减弱传动系统中的扭转震动；从而提高驾乘舒适性。

电机用于显示启动/停止和发电机模式功能，以及增压效果和能量回收功能。

2.变速器

变速器钟状外壳的剖面图如图2所示。

┃图2 变速器剖面图

与第2代相比，变矩器作为启动装置安装。变矩器与变矩器锁止离合器，发动机分离器离合器以及集成式减震器一起构成一个重量优化，集成良好的总成。

牵引头（包括电机、变矩器、发动机分离器离合器、变矩器锁止离合器和变矩器壳体）可作为一个模块装置单独进行安装，其通过适配器板连接至主变速器。

这样的传动系统结构可促进以下重要功能：

◆发动机分离器离合器在发动机退耦的情况下减少所有操作模式下传动系统的功率损耗

◆变矩器和变矩器锁止离合器位于电机和变速器输入装置之间，可通过发动机分离器离合器使用电机启动发动机。从而发挥在噪声、震动和不平顺性（NVH）方面的优势

◆由于启动装置从湿式离合器换成变矩器和发动机分离器离合器，爬行要求不再是难题

◆即使处于电动模式，也可通过机械油泵（初级泵）确保变速器油的供给。因此，变速器油供给不仅仅取决于集成式电气辅助油泵的性能，在可实现电动模式的情况下可扩展变速器油温度窗口

◆由于提高了高压蓄电池的输出功率和容量，从而提高了驾驶模式下的电气性能，尤其是电气范围和增压性能。此外，根据车辆的不同，性能增强可使自适应驾驶计算更灵活，这意味着可减少污染物排放

特殊功能：

◆变矩器和发动机分离器离合器取代湿式离合器

◆9个前进挡

◆可更换电机转子位置传感器

◆电机集成在混合动力牵引头中

◆牵引头可作为整套进行更换，这就是更换后一般不进行电压验证测试（电气绝热效率测试）的原因

发动机和电机生成的扭矩通过带混合动力牵引头的 9GTRONIC自动变速器传输。特此进一步开发了该款型号的变速器应用于混合动力。

主变速器上的调节装置属于变矩器壳体，变速器控制的软件和带阀体总成的电动辅助油泵。

混合动力牵引头包括用于润滑所有换挡元件和支承点的初级泵，电动辅助油泵用于在电机停止时保持工作压力。电机集成在牵引头中，与发动机分离器离合器和专用混合动力变矩器配套使用。

（1）操作模式

驾驶员可从四种操作模式中进行选择。

混合动力（默认设置）：

◆自动选择驱动方式

◆纯电动模式可用

◆优化使用发动机和电动机组合驱动模式

电动模式：

◆纯电传动模式

◆计量通过触觉加速踏板进行的电动输出

◆发动机仅通过触觉压力点上的过压启动

省电模式：

◆保持高压蓄电池充电量，例如可用于在纯电动模式下驾驶

◆纯电动模式可用（部分能量通过能量回收获得）

充电模式：

高压蓄电池在驾驶模式下以及车辆静止时充电

◆无电动模式可用

（2）变速器模式

混合动力驱动的特性补充了传统驱动的特性，提供有“舒适型”（Comfort），“经济型”（Eco）和“运动型”（Sport）驾驶模式。给驾驶员提供一种动感、舒适或优化油耗的驾驶方式。

“舒适型”（默认设置）：

◆舒适的驾驶方式提供最佳燃油消耗（加速踏板的特殊特性和变速器换挡特性）

◆电动模式可用

“经济型”（Eco）：

◆电动模式下的驾驶方式尤可节约油耗

◆混合动力传动系统的经济性设计

◆电动模式可用

◆Eco辅助功能

“运动型”（Sport）：

◆通过增强的增压模式（E-BOOST）体验动感的驾驶方式

◆发动机必须保持运行

◆混合动力传动系统的动感设计（改进的加速踏板特性和变速器换挡特性）

“自定义”（Individual）：

◆根据驾驶员的偏好进行自定义设置

3.电力电子装置

电力电子系统有一个交直流转换器和一个直流/直流转换器。安装了高压分配器板，其中包括向电机供电的三相接头以及电子制冷剂压缩机的接头和高压正温度变化系数（PTC）加热器。可单独更换安装在辅助用电设备高压适配器板中的两个60A保险丝。

电力电子装置位于风挡玻璃下方发动机舱内右侧（沿行驶方向），如图3所示。

┃图3 电力电子控制单元

（1）交直流转换器

电力电子装置（又称之为电子管）包括一个交直流转换器，可将高压蓄电池电压（直流）转换为三相交流电压（交流）以操作电机。

（2）直流/直流转换器

直流/直流转换器支持高压和12V 车载电气系统（降压模式）之间的车载电气系统。

4.高压蓄电池（如图4所示）的低温回路放出。

5.电动制冷剂压缩机

传动装置的部分电气化用于通过使用电子制冷剂压缩机提高舒适度。

在电动模式和辅助智能气候控制期间，无论发动机模式为何，车辆都会供给所需冷却输出。因此，发动

┃图4 高压蓄电池模块

锂离子高压蓄电池用于存储通过能量回收或电气充电部件产生的电能。

该蓄电池系统的紧凑型设计和高能量密度尤为突出，高压蓄电池位于车辆后端。

此外，蓄电池系统还具有以下特性：

◆带独立锂离子电池的单元块并对其进行监测

◆蓄电池管理系统控制单元（BMS）

◆带冷却液连接的散热片板

◆高压触点

◆非交换型保险丝

◆高强度外壳

专用混合动力冷却系统：

电力电子装置和高压蓄电池（带充电系统）产生的热量通过两个独立机不工作时仍可保持气候的舒适性，并通过辅助智能气候控制进一步改善（预置空调和保持空调）。

三、混合动力功能

1.电气驱动

在纯电动模式或组合模式下装备部分负荷起步和驾驶，高压蓄电池和90kW强力驱动单元可在纯电动模式下行驶超过50km 的距离。如果电机的输出功率不足，则在更高车速或陡坡上驾驶时，火花点火式发动机自动启动并连接至传动系统。关闭电机和发动机之间的联轴器，在关闭前转动速度是同步的。车载电子装置调节内驱动单元的发动机和电机的转动速度。此功能可使驾驶员以舒适且难以察觉的方式启动发动机。

2.E-BOOST

在所谓的“增压模式”下，电机支持发动机，以尽快达到所需的规定扭矩，尤其是在低转速时。此外，增压模式的持续时间和强度取决于高压蓄电池的充电量。发动机配备了优化的传动启动机，无须使用车辆的动能进行牵引启动，这极大地提高了响应性。

3.能量回收或制动

在超速运转模式和制动阶段，能量回收在减少油耗方面起着重要作用。在超速运转模式下，发动机关闭并通过电机再生模式下产生的负载扭矩代替制动力。

在混合动力车辆减速期间，有三种可能的操作状态：

◆仅在减速情况下运转时已进行能量回收。则电机作为发电机进行工作，并将再次获得的能量传送至高压蓄电池

◆如果驾驶员仅轻轻踩下制动踏板，则车辆通过电机进一步减速，电机会向高压蓄电池输送更多能量

◆如果驾驶员用力踩下制动踏板，则也会采用强力制动来使车辆减速，两个系统在这些行驶条件下共同工作

4.超速运转模式和智能能量回收

如果驾驶员在舒适型或经济型驾驶模式下松开加速踏板，则车辆启用航行模式，发动机退耦并关闭。电机通过能量回收产生减速扭矩。

在舒适型驾驶模式下，车辆像传统车辆一样滑行并减速以调节超速扭矩（与超速运转模式下的发动机比较），将获得的能量传送至高压蓄电池。

在经济型驾驶模式下，能量生成降至最小（增强版超速运转模式），有利于智能能量回收。在此过程中，发动机保持关闭。在该运行状态下，能量直接转换为更高的滑行速度和/或更长的滑行距离。这对于在较长的下坡路或预见要接近交通信号灯和十字路口时具有优势。在这种情况下，相比其他传统车辆，本车滑行更自由，减速也没那么猛烈。此外，当接近通过雷达传感器系统检测到的前方行驶车辆时，可智能设置减速扭矩。

5.静默启动

混合动力车辆可在已促动启动按钮时启用纯电动模式。静默启动的可用性取决于车外温度、变速器油的温度以及高压蓄电池的充电量。混合动力驱动操作准备就绪通过仪表上的绿色指示灯“READY”指示。

6.在混合动力驱动模式下驾驶

（1）城市道路驾驶

混合动力车辆的优势在频繁怠速和减速的城市交通里尤其明显：

◆一方面，车辆暂停时发动机停止，车辆频繁减速时会进行能量回收

◆另一方面，通过纯电动模式，而非使用发动机

（2）主要道路驾驶

在乡村驾驶时，电动模式阶段、增压阶段、恒速阶段和能量回收阶段交替进行。根据路线纵断面的不同，可产生大量的回收能量，与传动驱动概念相比，在消耗和排放方面更具优势。

（3）高速公路驾驶

在高速公路上驾驶时，发动机的负载点转移尤其可有效解决消耗和排放的问题。因此，在降低油耗的情况下发动机的燃烧过程被推向一个工作点。

7.智能发动机管理

混合动力车辆的智能驾驶管理将行驶路线和交通状况提前考虑在内，因此可在驾驶过程中以最佳方式更有效地消耗高压蓄电池的能量。对于可预见功能，使用来自雷达传感器系统，多功能摄像头和驾驶室管理和数据系统以及联网功能（COMAND Online）导航系统的信息。

由于在各种驾驶状况下提供支持，智能驾驶管理降低车辆的油耗，增加电气范围，并向驾驶员提供更舒适的体验。

智能驾驶管理的功能如下：

◆智能能量回收

◆智能换挡策略

◆基于路线的操作策略

◆ECO辅助系统

8.智能能量回收

根据驾驶状况，要使用电机，可将再生制动系统作为发电机进行能量回收。根据当前和未来交通状况，灵活调节能量回收。

为此，除了来自雷达的数据外，车辆还评估来自交通标志辅助系统的信息，如地图和摄像头数据。根据状况的不同，再次获得的能量可有效存储为动能或电能，以此增加能量范围。

该功能通过有效的能量存储增加能量范围：

◆在超速运转模式可行的情况下存储为动能

◆在通过能量回收减速可行的情况下存储为电能

在雷达数据、摄像头数据和地图数据的帮助下，使用周围环境的信息（传感器融合）对驾驶状况进行评估。

可通过能量回收从自由加速到预定义减速对再生扭矩进行无级调整。

有关距离和速度差的信息通过雷达传感器系统提供。距离控制系统根据交通状况计算理想的加速度或减速度。此外，会评估通过多功能摄像头记录的限速并应用到能量回收。提前评估来自地图数据的限速并通过滑行模拟应用到能量回收。通过触觉加速踏板的双脉冲，驾驶员会获得切换至超速运转模式的最佳时间点。驾驶员可通过仪表盘的能量流图中看到能量回收的变化，电流回收性能显示在电量供应显示中。

9.智能换挡策略

对于智能换挡策略，阻止车辆前行时，触发升挡干预，松开加速踏板时，进行升挡干预。例如，如果允许超过较快速度的车辆，则该策略可允许车辆立即换到最佳（较低）挡位进行加速。松开加速踏板时的升挡和操作加速踏板时的减挡操作均受到干预。如果不可能超车，通过发动机制动扭矩获得更高的车辆减速度，驾驶员需将制动减小，避免接近前车。

干预换挡策略在于提高驾驶的舒适性和车辆的反应能力。在所有变速器模式下都会启用该功能，但是设计不同。即，每个转速阈值会在各个驾驶模式下进行相应调节。

10.基于路线的操作策略

例如，驾驶员熟悉路线并且了解何时需使用电动模式以及何时为蓄电池放电，可以手动选择多种混合动力操作模式。基于路线的操作策略接收以上两个请求，并将其和驾驶员的意愿（此操作模式下应采取哪种路线顺序）相联系。操作模式的选择不仅仅是事件导向的，而要同时考虑以下几点：

◆由于驱动路线不同，电能的使用在节能效果方面存在差异

◆在城市交通中使用电气驱动模式的电能也会给驾驶员带来较好的体验

在高速公路上行驶时，可以通过基于路线的策略根据需求减少使用电能，蓄电池的充电量也可以有针对性地通过负载点转移设置为其余水平。

通过ADAS（高级驾驶员辅助系统）获得的来自驾驶室管理和数据系统以及联网功能（COMAND Online）的关于线束和前方道路斜坡的数据（以128m为准最远可达 1024km）构成路线能量评估的基础，并用于充电控制和释放输出功率。

启用导航系统中的路线向导，选择混合动力模式且处于经济型驾驶模式时，也会启用基于路线的操作策略。

11.ECO 辅助系统

ECO 辅助有助于给驾驶员提供更经济舒适的驾驶方式，驾驶员可使用以下功能：

◆触觉加速踏板中的附加变量偏心预负荷（E-MODE）：明显感觉到触觉加速踏板的偏心预负荷时，代表着当时可提供的最大电气行驶功率。如果感觉触觉加速踏板踩下的量超过偏心预负荷，则发动机开启

◆触觉加速踏板中的双脉冲（经济型驾驶模式）：根据触觉加速踏板中的显著双脉冲，建议驾驶员松开加速踏板。因此，发动机关闭并从传动系统退耦。车辆可切换至航行模式或智能能量回收。根据车速和距离前方行驶车辆的距离和速度差触发双脉冲。

12.控制和显示概念

配备全新一代混合动力驱动的 S级轿车可用的附加控制和显示元素有：

◆电动模式下仪表中的电量供应显示

◆仪表中的回收和能量显示

◆主机和仪表中的能量流显示

◆主机中的燃油消耗和能量回收柱状图

◆仪表中的“READY”显示

13.智能气候控制

在车辆使用遥控钥匙或编程启动前，辅助智能气候控制会在车内提供高水平的节能型热舒适性，与传统固定加热器一样。此外，可使用智能手机应用程序（Mercedes me connect）进行激活和编程。

如果客户在启动驱动前激活气候控制，则即使在充电完成后，蓄电池容量也会显示 ＜100 %。

14.充电器（如图5所示）

具有3.6kW（1相）和 7.2kW（2相）充电容量的优化充电器安装在后备箱凹槽的后部区域。其控制充电过程，并防止短路，反极性和过压。

15.高压蓄电池因素分析

高压蓄电池可通过集成在后保险杠中的车辆插座连接充电站和电源插座充电。通过 1.8 kW 充电容量（1相，230 V，8 A）的市售供电插座进行标准充电（从 20 % 到 100 %），车外温度约为 20 ℃ 时需花费约 5h。在公共充电站或车库安装的壁式充电箱进行充电时，充电时间（电量从20% 至100 %）在室外温度约为20℃时可减少至约 1.4h（壁式充电箱或公共充电站的充电容量为 7.2 kW；2相400V，32A）。

充电系统监测电压、充电量、充电时间以及相关部件温度以保护高压蓄电池。此外，在充电模式下行驶时，高压蓄电池可通过驱动单元进行充电（以燃油消耗为代价）。

┃图5 充电器