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Mercedes-Benz公司緊湊型轎車的插電式混合動力

2020-02-13 00:00:22·  來源：汽車與新動力  
　
Mercedes-Benz公司生產(chǎn)的A級車是其目前第六款系列車型，并具有插電式混合動力系統(tǒng)。整車設(shè)計方案能以純電動工況通過較高的動力性能以實現(xiàn)長途行駛，具有較高的舒
Mercedes-Benz公司生產(chǎn)的A級車是其目前第六款系列車型，并具有插電式混合動力系統(tǒng)。整車設(shè)計方案能以純電動工況通過較高的動力性能以實現(xiàn)長途行駛，具有較高的舒適性，同時也可提供約70 km的電動續(xù)航里程和160 kW的組合功率。介紹了該款動力總成系統(tǒng)，并詳細探討了混合動力車型獨有的功能。
 
1 產(chǎn)品分類
 
Mercedes-Benz公司已為C、E和S級系列車型以及GLC和GLE-SUV車型研發(fā)了相應(yīng)的插電式混合動力總成系統(tǒng)。該系統(tǒng)的技術(shù)核心是布置在內(nèi)燃機與9檔自動變速箱（9G-Tronic）之間的混合動力裝置，其在最小的結(jié)構(gòu)空間中集成了換流器、分離離合器和功率強勁的驅(qū)動電機。其輸出功率為90 kW，扭矩為440 N·m，所應(yīng)用的13.5 kW·h蓄電池在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）中能確保約50 km的續(xù)航里程，它由37 A·h的鋰鎳錳鈷（Li-NMC）電池單元組成1p100s方式連接的蓄電池模塊（p代表并聯(lián)，s代表串聯(lián)，1p100s即代表僅由100個電池單元串聯(lián)而成的蓄電池模塊，而2p100s則代表由2個各有100個電池單元的串聯(lián)組合再并聯(lián)而成的蓄電池模塊）。
GLE-SUV車上的蓄電池從2019車型年起即開始配裝2p100s蓄電池模塊，其采用43 A·h電池單元以達到32.2 kW·h的電能容量，因此該車的電動續(xù)航里程約為100 km。由兩條平行的蓄電池支路以提高電流負荷能力，從而能將電功率提高到100 kW。模塊化動力總成系統(tǒng)的標準部件可選用幾款內(nèi)燃機：一款155 kW 的4缸2.0 L汽油機（M274），一款270 kW 的6缸3.0 L汽油機（M276）以及一款143 kW 的4缸2.0 L柴油機（OM654）。
 
2 混合動力系統(tǒng)特有的整車集成
 
Mercedes-Benz公司在開發(fā)其MFA2前驅(qū)動模塊化整車平臺時，從方案設(shè)計階段起就已考慮到了集成混合動力系統(tǒng)所需的前置量。要達到這些目標，不僅應(yīng)盡可能將其封閉于常規(guī)驅(qū)動的基礎(chǔ)車型之中，而且還應(yīng)繼承現(xiàn)有混合動力系統(tǒng)的高電壓部件，為此已制定了一種全面優(yōu)化的整體布置方案，以提供較高的有效功率。
 
集成混合動力的目標在于以常規(guī)的動力總成系統(tǒng)為基礎(chǔ)，保持周圍的外圍設(shè)備盡可能不變，由此固定8檔雙離合器變速箱（8F-DCT）的位置，而將發(fā)動機橫向移動48.6 mm，以便獲得安裝P2混合動力裝置的位置。為了在方案設(shè)計階段就能確定正確的途徑，在設(shè)計縱向間距時工程師就已考慮到了混合動力總成系統(tǒng)的橫向裝配，包括用于裝配以及發(fā)動機運轉(zhuǎn)期間處于振動狀態(tài)時所需的自由空間。
通過移動發(fā)動機就能騰出集成系統(tǒng)標準部件的功率電子器件所需的結(jié)構(gòu)空間（圖1）。這種位置優(yōu)化了結(jié)構(gòu)空間的利用，并且這種中央位置能縮短高電壓部件之間導線的長度，除此之外還能保持配有安全盒的12 V蓄電池的位置，以便使車輛電線束的變動降低到最低程度。
圖1 混合動力總成系統(tǒng)的集成
在常規(guī)驅(qū)動方案中，后橋前或后排座椅底座下良好的防撞結(jié)構(gòu)空間都被燃油箱填滿，而在插電式混合動力方案情況下這種結(jié)構(gòu)空間的形狀和尺寸容許集成高電壓蓄電池（圖2和表1），以此即可繼承系統(tǒng)標準部件的殼體。一塊附加的鋼護板作為車底護板用于保護外部范圍的部件。對于插電式混合動力車而言，其布設(shè)有約130 kg的高壓蓄電池，使車輛的58%質(zhì)量分配在前橋，而42%的質(zhì)量則分配在后橋。通過后橋采用扭力梁懸掛就能在車輛尾部留出安裝35 L容量的燃油箱位置。若使用混合動力特有的鋼壓力罐的話，則即使在使用時間較長的情況下也能滿足法規(guī)對燃油蒸汽排放的要求。
圖2 混合動力特有部件的布置
表1 混合動力總成系統(tǒng)的技術(shù)數(shù)據(jù)
項目
參數(shù)
系統(tǒng)功率/kW
160
系統(tǒng)扭矩/（N·m）
450
WLTP行駛循環(huán)的行駛里程/km
≈70
加速時間（0～100 km/h混合動力）/s
7.0
加速時間（0～60 km/h電動行駛）/s
6.0
燃油箱容量/L
35
牽引質(zhì)量/kg
1 600
應(yīng)用現(xiàn)有的高電壓蓄電池并集成在車輛地板下方會導致汽車尾部的廢氣管無法再采用常規(guī)的走向。如果采用創(chuàng)新的車輛前端廢氣裝置的話，那么此時就要通過后消音器將廢氣引回到蓄電池前方，并在車輛中間合適的部位將其排出。在該情況下，蓄電池就能成功地集成到車輛的蓄電池盒中。車輛采用催化轉(zhuǎn)化器和汽油機顆粒捕集器已能滿足當今的歐6d廢氣排放標準。
插電式混合動力方案的充電插座布置在右側(cè)C柱中。車載交流和直流充電器就直接位于附近（后備箱儲物面下方）。由于混合動力特有的車輛尾部凹陷和優(yōu)化的封裝從而得到了310 L的后備箱容積。
在低速范圍內(nèi)以電動工況行駛時，全球法規(guī)要求其具滿足一定的噪聲標準以確保行人的安全，為此使用了兩個喇叭，由此可產(chǎn)生車外噪聲，同時這種具有品牌特征的設(shè)計確保了較低的車內(nèi)噪聲。前部或后部揚聲器可根據(jù)車輛行駛方向發(fā)出較高的聲量，這樣無論是車內(nèi)或車外都能獲得一致的聲響效果。
 
3 插電式混合動力
 
Mercedes-Benz公司將用于緊湊型車輛區(qū)段的混合動力設(shè)計成P2型平行混合動力（圖3），使用了長度經(jīng)優(yōu)化的M282型4缸1.4 L汽油機，其最大功率118 kW，扭矩250 N·m。這種發(fā)動機通過采用較小的85mm缸心距和Delta氣缸蓋設(shè)計方案，并通過持續(xù)不斷的優(yōu)化獲得了緊湊的外形尺寸和更輕的質(zhì)量。該款發(fā)動機采用了部分集成的排氣歧管、可變氣門升程、電磁閥式噴油器缸內(nèi)直接噴射、顆粒捕集器和摩擦優(yōu)化的涂層氣缸工作表面，在技術(shù)上達到了世界領(lǐng)先的技術(shù)水平。對M282傳統(tǒng)機型進行改良并使用了停缸技術(shù)，而在插電式混合動力車型上則取消了這種技術(shù)，其原因是在部分負荷時在小型發(fā)動機上應(yīng)用這種動態(tài)技術(shù)會限制對噪聲-振動-平順性（NVH）特性的要求，而在這種情況下插電式混合動力車型則會率先以純電動狀態(tài)行駛或調(diào)整負荷工況點。
圖3 插電式混合動力系統(tǒng)部件
混合動力運行的另一個特點是在純電動行駛期間內(nèi)燃機停機時間較長，主軸承提高穩(wěn)定性的聚合物涂層即考慮到此類情況，而且這種涂層提高了發(fā)動機因頻繁起動而對整機耐久性產(chǎn)生的損耗。電機在整車處于電動行駛工況時承擔了起動發(fā)動機的任務(wù)，因而可取消小齒輪起動機系統(tǒng)。除了能優(yōu)化舒適性之外，同樣也是降低成本的重要的功能模塊。
 
Mercedes-Benz公司新開發(fā)的插電式混合動力變速箱是以8檔雙離合器變速箱為基礎(chǔ)的，并開發(fā)了模塊化的基本型變速箱，以獲得更為緊湊的混合動力系統(tǒng)。這種混合動力系統(tǒng)和新型的輪軸方案使其具有緊湊的結(jié)構(gòu)型式。在混合動力裝置中集成了電機、雙離合器和分離離合器，其中一個磨損較小的濕式分離離合器安裝在電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部，而兩個雙離合器則與1/3/5/7奇數(shù)檔或R/2/4/6/8偶數(shù)檔連接。在兩個分動變速箱中能分別預(yù)選下一檔，然后迅速和精確地通過結(jié)合一個離合器和脫開另一個離合器來進行換檔。這種變速箱以8.81的大速比跨度輔助起動發(fā)動機。
 
使用機油冷卻的多摩擦片離合器具有功能優(yōu)勢和快速精確的換檔性能，其較高的耐熱性提高了系統(tǒng)可靠性，并容許拖掛高達1 600 kg的拖車負荷。這種混合動力總成系統(tǒng)就以該數(shù)值確定了其在緊湊型車輛區(qū)段中的尺寸比例。變速箱內(nèi)部所需的冷卻功率通過采用2個機油泵的設(shè)計方案來實現(xiàn)，機械式變速箱機油泵承擔基本負荷，而由此添加的整體式電動機油泵來滿足需要高冷卻要求的行駛狀況，這樣就能在發(fā)動機起動前供應(yīng)機油和操控線停車系統(tǒng)。
具有75 kW功率和300 N·m扭矩的電機是純電動行駛以及與內(nèi)燃機相結(jié)合獲得高動態(tài)行駛性能的關(guān)鍵（圖4）。其被設(shè)計成永磁式同步電機，具有最高的效率以及最佳的功率和扭矩密度值。基礎(chǔ)變速箱的高剛度和磁鐵轉(zhuǎn)子的斜切布置有助于優(yōu)化聲學性能。
圖4 功率和扭矩特性曲線
 
蓄電池模塊以其工作能力與單元容量為目標而進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。與現(xiàn)有的P2-90高電壓蓄電池模塊相比，緊湊型車輛區(qū)段的運行性能和功率需求允許調(diào)整電池單元技術(shù)，借此可將電池容量提高到15.6 kW·h。這種電池化學仍是鋰鎳錳鈷（Li-NMC），當然通過技術(shù)調(diào)整能將電池單元的容量從37 A·h提高到43 A·h。配有外置冷卻系統(tǒng)的蓄電池殼、2個蓄電池模塊的排列以及1p100s連接方式都相當于現(xiàn)有的高電壓蓄電池，因此能勝任高工作能力和長使用壽命的開發(fā)目標。
 
在基本裝備中，充電系統(tǒng)包括一個7.2 kW的交流充電器（圖5），蓄電池使用這種交流充電器不到2 h就能充滿電，在家用電源插座上充電持續(xù)時間延長到約7 h。充電功率為24 kW的直流充電器可作為特殊裝備使用，蓄電池通過這種充電器可在25 min內(nèi)將電量從10%充到約80%。用于充電站充電的部件由現(xiàn)有的模塊來承擔。除了驅(qū)動部件之外，電動冷凝劑壓縮機和高電壓PTC加熱器也通過高電壓車載電網(wǎng)供電，兩者提供了夏季和冬季車廂內(nèi)的空調(diào)，而且電動冷凝劑壓縮機還被用于在直流充電過程期間有效地冷卻蓄電池。通過一個直流/直流（DC/DC）變換器為12 V車載電網(wǎng)以及轉(zhuǎn)向助力泵和回收能量的制動系統(tǒng)中的真空泵供電。
圖5 在充電樁旁充電的A級車
 
4 行駛程序和運行策略
  
采用新一代的NTG 6遙控技術(shù)使用了一種全新的行駛程序邏輯，其可用于調(diào)整電動（Electric）、舒適（Comfort）、經(jīng)濟（Eco）、運動（Sport）型行駛程序和蓄電池電量，因此駕駛員能根據(jù)需求，或者優(yōu)先使用純電動行駛，而通過組合驅(qū)動激發(fā)動態(tài)行駛性能，或者優(yōu)先使用內(nèi)燃機行駛，以便例如節(jié)省電動行駛里程。
 
與Mercedes-Benz公司的第三代混合動力一起開發(fā)了利用導航系統(tǒng)行車路線數(shù)據(jù)的智能驅(qū)動管理。在混合動力行駛程序中，按照預(yù)置的行駛速度曲線和路線布局，根據(jù)路線變化優(yōu)化電動行駛、補充充電和換擋策略以及驅(qū)動部件的冷卻策略。現(xiàn)在這種預(yù)報功能也可用于緊湊型轎車上的插電式混合動力。
 
同樣，A級車型也可使用環(huán)保、節(jié)能、最優(yōu)化（EC）助手，可按照預(yù)置的彎道、坡度、環(huán)形交通、十字路口和車速限制，提示松開加速踏板，從而輔助駕駛員采取經(jīng)濟的行車方式，并提高在行車路線過程中回收的能量，例如由于行車路線數(shù)據(jù)帶有節(jié)能的減速，ECO助手能為駕駛員提前識別出環(huán)形交通或彎道。相反，如未配備ECO助手，則就必須在明顯更短的距離內(nèi)消除這種速度差，以此會超高最高的回收功率，由此需采用摩擦制動。
ECO助手能在保持機動性的前提下調(diào)節(jié)能量回收系統(tǒng)，并使車輛減速以最佳地利用能量，而駕駛員無需操控加速踏板也能將回收能量的強度調(diào)整到其所期望的行駛性能，通過方向盤旁的控制手柄就能選擇5個回收能量等級，因此所產(chǎn)生的減速就能在車輛緩慢滑行與所謂的單踏板駕駛（one-pedaldriving）。
 
5 電動行駛的日常適用性 
 
新的A級車型是第一款使用Mercedes-Benz多媒體系統(tǒng)MBUX的車型，MBUX包含眾多連接功能，例如Dienst Mercedes Me Charge（為我的Mercedes愛車充電）（圖6）。這種功能優(yōu)化了對充電樁的搜索功能，其可提供相應(yīng)充電方式、預(yù)定充電地點以及充電價格等在線信息。MBUX系統(tǒng)的自然通話功能可通過語音“嗨，Mercedes，尋找附近的充電樁”進行搜索，并且在大部分充電樁旁都能借助于MBUX方便地遙控通過Mercedes Me APP移動應(yīng)用程序或信息系統(tǒng)獲準充電過程和付款。
圖6 尋找充電站和借助于MBUX情況同步
日常行駛里程的評估通常趨向于短途行駛，而很少進行長途行駛（圖7），因此使用插電式混合動力的有利因素是大多數(shù)用戶在日常生活中使用電動行駛，而在長途行駛工況下才使用內(nèi)燃機，以此就能安裝較小的蓄電池并將其作為純蓄電池電動行駛的車輛，從而減少了資源消耗和蓄電池質(zhì)量。日常持續(xù)的使用電動行駛程序會反饋到加速踏板特性曲線的設(shè)計上，其選擇在操縱“自動跳合開關(guān)”也就是到踏板行程終了的壓力點時才起動內(nèi)燃機。
圖7 緊湊型轎車車型日常行駛里程
如果將既非短途駕駛也非長途駕駛的日常行駛里程按照里程長度來排列的話，由此在緊湊型車輛區(qū)段中顯示出每天電動行駛里程70 km的天數(shù)約為300 天/年。但是，為了推導出電動行駛所占的份額，必須考慮到充電性能、駕駛員的駕駛方式以及空調(diào)等輔助耗電設(shè)備。
 
6 總結(jié) 
 
Mercedes-Benz公司用于緊湊型車輛區(qū)段的插電式混合動力將持續(xù)的機動性與動態(tài)行駛性能和舒適性結(jié)合起來，并以較高的電功率和較長的電動行駛里程在日常電動行駛適用性方面樹立了標準，而且以混合動力特有的MBUX服務(wù)改善了使用的舒適性，例如在搜索合適的可用充電樁或者準許充電和付款等方面。EQ-Power標記綜合了所有這些特性，同時表明其性能已接近Mercedes-Benz公司EQ標記的全電氣化車型。其總體方案具有智能車輛集成功能，并使用了由現(xiàn)有混合動力模塊組成的高電壓驅(qū)動部件，這種總體方案允許其在緊湊車型領(lǐng)域應(yīng)用。
 
作者：[德]T.GÖDECKE等
整理：范明強  
編輯：伍賽特
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