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Mercedes-Benz公司緊湊型轎車的插電式混合動(dòng)力

2020-02-13 00:00:22·  來源：汽車與新動(dòng)力  
　
Mercedes-Benz公司生產(chǎn)的A級(jí)車是其目前第六款系列車型，并具有插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)。整車設(shè)計(jì)方案能以純電動(dòng)工況通過較高的動(dòng)力性能以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途行駛，具有較高的舒
Mercedes-Benz公司生產(chǎn)的A級(jí)車是其目前第六款系列車型，并具有插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)。整車設(shè)計(jì)方案能以純電動(dòng)工況通過較高的動(dòng)力性能以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途行駛，具有較高的舒適性，同時(shí)也可提供約70 km的電動(dòng)續(xù)航里程和160 kW的組合功率。介紹了該款動(dòng)力總成系統(tǒng)，并詳細(xì)探討了混合動(dòng)力車型獨(dú)有的功能。
 
1 產(chǎn)品分類
 
Mercedes-Benz公司已為C、E和S級(jí)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(dòng)力總成系統(tǒng)。該系統(tǒng)的技術(shù)核心是布置在內(nèi)燃機(jī)與9檔自動(dòng)變速箱（9G-Tronic）之間的混合動(dòng)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(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。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(gè)電池單元串聯(lián)而成的蓄電池模塊，而2p100s則代表由2個(gè)各有100個(gè)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(dá)到32.2 kW·h的電能容量，因此該車的電動(dòng)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(fù)荷能力，從而能將電功率提高到100 kW。模塊化動(dòng)力總成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)部件可選用幾款內(nèi)燃機(jī)：一款155 kW 的4缸2.0 L汽油機(jī)（M274），一款270 kW 的6缸3.0 L汽油機(jī)（M276）以及一款143 kW 的4缸2.0 L柴油機(jī)（OM654）。
 
2 混合動(dòng)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(dòng)模塊化整車平臺(tái)時(shí)，從方案設(shè)計(jì)階段起就已考慮到了集成混合動(dòng)力系統(tǒng)所需的前置量。要達(dá)到這些目標(biāo)，不僅應(yīng)盡可能將其封閉于常規(guī)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)車型之中，而且還應(yīng)繼承現(xiàn)有混合動(dòng)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(dòng)力的目標(biāo)在于以常規(guī)的動(dòng)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(dòng)機(jī)橫向移動(dòng)48.6 mm，以便獲得安裝P2混合動(dòng)力裝置的位置。為了在方案設(shè)計(jì)階段就能確定正確的途徑，在設(shè)計(jì)縱向間距時(shí)工程師就已考慮到了混合動(dòng)力總成系統(tǒng)的橫向裝配，包括用于裝配以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間處于振動(dòng)狀態(tài)時(shí)所需的自由空間。
通過移動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)就能騰出集成系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)線的長(zhǎng)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(dòng)降低到最低程度。
圖1 混合動(dòng)力總成系統(tǒng)的集成
在常規(guī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)部件的殼體。一塊附加的鋼護(hù)板作為車底護(hù)板用于保護(hù)外部范圍的部件。對(duì)于插電式混合動(dòng)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(dòng)力特有的鋼壓力罐的話，則即使在使用時(shí)間較長(zhǎng)的情況下也能滿足法規(guī)對(duì)燃油蒸汽排放的要求。
圖2 混合動(dòng)力特有部件的布置
表1 混合動(dòng)力總成系統(tǒng)的技術(shù)數(shù)據(jù)
項(xiàng)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(shí)間（0～100 km/h混合動(dòng)力）/s
7.0
加速時(shí)間（0～60 km/h電動(dòng)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(huì)導(dǎo)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(shí)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(jī)顆粒捕集器已能滿足當(dāng)今的歐6d廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。
插電式混合動(dòng)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(chǔ)物面下方）。由于混合動(dòng)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(dòng)工況行駛時(shí)，全球法規(guī)要求其具滿足一定的噪聲標(biāo)準(zhǔn)以確保行人的安全，為此使用了兩個(gè)喇叭，由此可產(chǎn)生車外噪聲，同時(shí)這種具有品牌特征的設(shè)計(jì)確保了較低的車內(nèi)噪聲。前部或后部揚(yáng)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(dòng)力
 
Mercedes-Benz公司將用于緊湊型車輛區(qū)段的混合動(dòng)力設(shè)計(jì)成P2型平行混合動(dòng)力（圖3），使用了長(zhǎng)度經(jīng)優(yōu)化的M282型4缸1.4 L汽油機(jī)，其最大功率118 kW，扭矩250 N·m。這種發(fā)動(dòng)機(jī)通過采用較小的85mm缸心距和Delta氣缸蓋設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)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(dá)到了世界領(lǐng)先的技術(shù)水平。對(duì)M282傳統(tǒng)機(jī)型進(jìn)行改良并使用了停缸技術(shù)，而在插電式混合動(dòng)力車型上則取消了這種技術(shù)，其原因是在部分負(fù)荷時(shí)在小型發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用這種動(dòng)態(tài)技術(shù)會(huì)限制對(duì)噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）特性的要求，而在這種情況下插電式混合動(dòng)力車型則會(huì)率先以純電動(dòng)狀態(tài)行駛或調(diào)整負(fù)荷工況點(diǎn)。
圖3 插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)部件
混合動(dòng)力運(yùn)行的另一個(gè)特點(diǎn)是在純電動(dòng)行駛期間內(nèi)燃機(jī)停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，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(dòng)機(jī)因頻繁起動(dòng)而對(duì)整機(jī)耐久性產(chǎn)生的損耗。電機(jī)在整車處于電動(dòng)行駛工況時(shí)承擔(dān)了起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)，因而可取消小齒輪起動(dòng)機(jī)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(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)。這種混合動(dòng)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(dòng)力裝置中集成了電機(jī)、雙離合器和分離離合器，其中一個(gè)磨損較小的濕式分離離合器安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部，而兩個(gè)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(gè)分動(dòng)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(gè)離合器和脫開另一個(gè)離合器來進(jìn)行換檔。這種變速箱以8.81的大速比跨度輔助起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。
 
使用機(jī)油冷卻的多摩擦片離合器具有功能優(yōu)勢(shì)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(dá)1 600 kg的拖車負(fù)荷。這種混合動(dòng)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(gè)機(jī)油泵的設(shè)計(jì)方案來實(shí)現(xiàn)，機(jī)械式變速箱機(jī)油泵承擔(dān)基本負(fù)荷，而由此添加的整體式電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)起動(dòng)前供應(yīng)機(jī)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(jī)是純電動(dòng)行駛以及與內(nèi)燃機(jī)相結(jié)合獲得高動(dòng)態(tài)行駛性能的關(guān)鍵（圖4）。其被設(shè)計(jì)成永磁式同步電機(jī)，具有最高的效率以及最佳的功率和扭矩密度值?；A(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(xué)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(biāo)而進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(yùn)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(xué)仍是鋰鎳錳鈷（Li-NMC），當(dāng)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(gè)蓄電池模塊的排列以及1p100s連接方式都相當(dāng)于現(xiàn)有的高電壓蓄電池，因此能勝任高工作能力和長(zhǎng)使用壽命的開發(fā)目標(biāo)。
 
在基本裝備中，充電系統(tǒng)包括一個(gè)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(shí)間延長(zhǎng)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(dān)。除了驅(qū)動(dòng)部件之外，電動(dòng)冷凝劑壓縮機(jī)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(dòng)冷凝劑壓縮機(jī)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(gè)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(dòng)系統(tǒng)中的真空泵供電。
圖5 在充電樁旁充電的A級(jí)車
 
4 行駛程序和運(yùn)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(dòng)（Electric）、舒適（Comfort）、經(jīng)濟(jì)（Eco）、運(yùn)動(dòng)（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(dòng)行駛，而通過組合驅(qū)動(dòng)激發(fā)動(dòng)態(tài)行駛性能，或者優(yōu)先使用內(nèi)燃機(jī)行駛，以便例如節(jié)省電動(dòng)行駛里程。
 
與Mercedes-Benz公司的第三代混合動(dòng)力一起開發(fā)了利用導(dǎo)航系統(tǒng)行車路線數(shù)據(jù)的智能驅(qū)動(dòng)管理。在混合動(dòng)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(dòng)行駛、補(bǔ)充充電和換擋策略以及驅(qū)動(dòng)部件的冷卻策略。現(xiàn)在這種預(yù)報(bào)功能也可用于緊湊型轎車上的插電式混合動(dòng)力。
 
同樣，A級(jí)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(jì)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(shí)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(huì)超高最高的回收功率，由此需采用摩擦制動(dòng)。
ECO助手能在保持機(jī)動(dòng)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(qiáng)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(gè)回收能量等級(jí)，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(dòng)行駛的日常適用性 
 
新的A級(jí)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(duì)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(diǎn)以及充電價(jià)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(jìn)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(dòng)應(yīng)用程序或信息系統(tǒng)獲準(zhǔn)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(píng)估通常趨向于短途行駛，而很少進(jìn)行長(zhǎng)途行駛（圖7），因此使用插電式混合動(dòng)力的有利因素是大多數(shù)用戶在日常生活中使用電動(dòng)行駛，而在長(zhǎng)途行駛工況下才使用內(nèi)燃機(jī)，以此就能安裝較小的蓄電池并將其作為純蓄電池電動(dòng)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(dòng)行駛程序會(huì)反饋到加速踏板特性曲線的設(shè)計(jì)上，其選擇在操縱“自動(dòng)跳合開關(guān)”也就是到踏板行程終了的壓力點(diǎn)時(shí)才起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。
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(zhǎng)途駕駛的日常行駛里程按照里程長(zhǎng)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(dòng)行駛里程70 km的天數(shù)約為300 天/年。但是，為了推導(dǎo)出電動(dòng)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(dòng)力將持續(xù)的機(jī)動(dòng)性與動(dòng)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(zhǎng)的電動(dòng)行駛里程在日常電動(dòng)行駛適用性方面樹立了標(biāo)準(zhǔn)，而且以混合動(dòng)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(zhǔn)許充電和付款等方面。EQ-Power標(biāo)記綜合了所有這些特性，同時(shí)表明其性能已接近Mercedes-Benz公司EQ標(biāo)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(dòng)力模塊組成的高電壓驅(qū)動(dòng)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(qiáng)  
編輯：伍賽特
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