深度解析奔驰S400混合动力

文章来源:EDC电驱未来 发布时间:2021-01-26
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梅赛德斯-奔驰S400 HYBRID基于上一代S350(即221车型)研发而成,本文通过新旧两款S400车型简要说明该混合动力概念及其工作原理。

梅赛德斯-奔驰S400 HYBRID基于上一代S350(即221车型)研发而成,本文通过新旧两款S400车型简要说明该混合动力概念及其工作原理。

一、221车型混合动力概念

车型的S400 HYBRID技术,奠定了梅赛德斯-奔驰混合动力的基础,是本文的重点介绍部分,通过以下几个方面来阐述。

1.驱动系统组成

S400HYBRID配备了平行混合动力驱动系统,包括272混合动力发动机和高电压系统,其中,高压电系统由电力电子控制单元、电动机、高压蓄电池模块、蓄电池管理系统(BMS)控制单元和 DC/DC转换器组成(图1)。

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图1 混合动力部件

通过该驱动系统,内燃机、电动机和驱动轮通过刚性相连(图2),其中,发动机和电动机提供的功率可以组合在一起,但车辆无法完全通过电子驱动系统驱动。

2.高压部件介绍

根据前述的高压电系统组成部件,如下逐一进行介绍。

(1)高压蓄电池

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图2 驱动概念

位于引擎室右后侧(图3),内部由35块锂离子电池组成,每块电池的电压均在3.2~4.1V之间,这样,高压蓄电池会储存电能并以约120V的电压为所有高压系统部件供电。所有的锂电池由蓄电池管理系统(BMS)控制单元根据传感器和CAN信号进行管理。此外,BMS控制单元在必要情况下还会促动保护开关,以便将高压蓄电池的正极和负极绝缘。

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图3 高压蓄电池

(2)DC/DC转换器

直流/直流转换器位于右前轮罩内侧(图4),作为变压器,将高压蓄电池和12V蓄电池相连,实现高压直流电与低压直流电之间的相互转换。

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图4 DC/DC转换器

(3)电力电子模块

位于右侧排气歧管下方(图5),控制电动机的工作,即:在启动和起步阶段,通过三相交流电促动电动机;在发电模式下,将产生的三相交流电转换为直流电压,然后对高压蓄电池充电,其实质是交流/直流(AC/DC)转换器。此外,还执行自诊断功能,并通过评估温度传感器的信号,时刻监测电动机的工作温度。

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图5 电力电子模块

(4)电动机

采用步进电机设计(图6),位于发动机与变速器之间,不仅具有启动机的作用,还可作为发电机为高压系统充电,因而被称为启动机-发电机。电动机根据工作分为启动和发电模式:沿曲轴转动方向施加扭矩,以启动内燃机,并在起步过程中,电动机为内燃机提供支持;在制动过程中,沿曲轴转动方向的反方向施加扭矩,回收部分制动能量,并将其转化为电能(再生制动),以对高压蓄电池充电。两种工作模式均由电力电子模块控制。集成的温度传感器记录定子线圈的温度,并将信号传给电力电子模块分析,避免电动机过热损坏。此外,电动机还具有减震元件的作用,以降低行驶/扭转振动。

(5)空调压缩机

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图6 电动机

为确保在发动机自动停机时空调系统能提供足够的冷却,压缩机从发动机上分开,采用电动驱动,实现对车厢内部和高压电瓶进行单独的恒温控制和冷却(图7)。电动压缩机主要由集成式控制单元、电机和螺旋压缩机组成。控制单元调节电机的转速以及制冷剂数量,电机驱动压缩机。压缩机由两个交织的螺旋组成,其中一个与外壳永久连接,另一个则在第一个螺旋内的圆周内旋转,这样,在螺旋内形成多个不断增加的较小空间,制冷剂随后进入这些空间, 最高到达中央, 然后在中央以压缩状态排出。该设计有助于优化燃油消耗量,此外,空调控制单元可在700~9 000r/min的转速区间内对压缩机进行无级调节。

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图7 电动压缩机

3.工作模式

根据车辆的使用状况,对驱动系统的工作,可分为以下若干模式来理解。

(1)驱动模式

车辆的驱动可通过内燃机(标准模式)或混合动力模式来实现。当混合动力系统识别到故障而导致混合动力模式无法使用时,如果发动机可提供足够的扭矩,那么车辆将启用标准模式。在混合动力模式起作用时,发动机扭矩与电动机扭矩相结合,驱动车辆,该模式取决于高压电瓶的电量。此外,内燃机可将电动机作为高压发电机操作。

(2)发电模式

在发电机模式下,电动机扮演着高压发电机的作用,曲轴的旋转运动作用在电动机转子上,然后在定子线圈中感应出三相交流电,由电力电子模块转换为直流电后对高压蓄电池充电。在该模式中,车辆的动力由内燃机提供。

(3)减速模式

当车辆在滑行时,电动机将动能转化为电能,即“再生”阶段,ME根据当前的路面状况、高压电量和变速器模式计算出相应的减速扭矩,据此进行再生减速和减速燃油切断。在这种情况下,内燃机产生减速扭矩,它与再生减速扭矩加起来可能超过标准的减速扭矩,此时,内燃机产生最小的可控扭矩,并且不会激活减速燃油切断。另外,不论是否激活减速燃油切断,对驾驶员而言,驱动系统的表现是相同的。

4.能量和动力流

各模式工作期间的能量流和当前的高压电量可显示在仪表盘上,当混合动力系统开始工作时,仪表会显示“READY”(就绪)信息(图8)。如果ECO启动-停止功能可用,那么READY 指示灯呈现绿色的;如果ECO功能暂时不可用,则READY 指示灯点为黄色的。

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图8 仪表盘显示

混合动力的动力流可显示在COMAND显示屏上(图9),在驱动模式下,动力由发动机传递至后轴,即动力仅由发动机提供;在加速模式下,高压蓄电池通过电力电子模块向电动机供电,使电动机产生驱动扭矩,对发动机提供支持,这样,动力由发动机和电动机流至后轴。在发电模式下,电动机作为高压发电机,将车辆的动能转化为电能,动力从后轴传递电动机。

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图9 动力流(加速模式)

5.再生制动

再生是指在车辆减速过程中,为回收能量将动能转化为电能,从而对高压蓄电池充电。再生制动功能由制动踏板与助力器推杆之间的一段自由行程来执行,代表制动请求的踏板行程由踏板角度传感器记录,然后由再生制动系统(RBS)控制单元分析,据此在每次促动制动器时,踏板阻力模拟器都会产生虚拟的踏板阻力(图10)。当再生制动启用时,自由行程会随着再生制动扭矩的增加而变短,为此,RBS控制单元促动相应的电磁阀,从而促使助力器增大液压制动器的压力,确保自由行程不会变短。如果RBS系统出现故障,那么阻力模拟器停用,然后驾驶员将并通过脚力产生所需的制动力,即踏板行程会比正常的行程略微增长。

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图10 功能原理

RBS控制单元将制动踏板行程的总制动扭矩分为再生制动扭矩和液压制动扭矩,两种扭矩分别由传动系统和车轮制动器来执行。电动机回收部分或全部制动扭矩,用于发电,然后存储在高压蓄电池中(图11)。如果产生的再生制动扭矩达到制动踏板请求的总制动扭矩,那么就不会产生液压制动扭矩,这样,通过再生方式即可实现减速。如果高压蓄电池已是充满电状态,那么再生制动扭矩将无法产生,此时车辆只能通过液压方式制动,直到高压蓄电池放电并能存储电能。此外,在ABS系统起作用时,再生制动会结束,制动扭矩仅通过液压方式提供。

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图11 再生制动的功能原理

6.ECO启停功能

当车辆不需要能量驱动且驱动系统未发出能量请求时,只要满足相关条件,如发动机在运转、高压蓄电池电量充足、档位在D档或N档等前提条件,ME通过切断喷油嘴和点火线圈来关闭发动机,使发动机自动停止运转。如果出现碰撞信号且高压系统立即停用,则发动机也会关闭(图12)。

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图12 自动停机原理

1.冷却液温度;2.油门踏板位置;3.发动机转速4.电动机转子位置;5.高压电瓶电压;6.高压电瓶温度;7.电动机温度;8.电动机转速;9.电动机状态;10.轮速信号;11.限距系统请求;12.变速器电子油泵状态;13.燃油泵关闭请求;14.燃油泵关闭;15.电动机标准扭矩请求;16.放电电流;17.电动机运转的放电电流;18.喷油嘴关闭;19.点火线圈关闭;20.制动状态;21.变速器电子油泵激活;22.燃油泵激活;23.电动机驱动扭矩;24.可承受的放电电压/电流;A79.电动机;A100.高压电瓶;B11/4.冷却液温度传感器;B37.油门踏板传感器;B70.曲轴位置传感器;CANC.传动系控制器区域网络;CANE.底盘控制器区域网络;CANI.驾驶驱动数据链控制器区域网络;M3.燃油泵;M42.辅助电动变速器油泵;N3/10.发动机控制单元;N30/6.RBS控制单元;N62/1.雷达传感器控制单元;N82/2.BMS控制单元;N118.燃油泵控制单元;N129/1.电力电子模块;T1/1.1缸点火线圈;T1/2.2缸点火线圈;T1/3.3缸点火线圈;T1/4.4缸点火线圈;T1/5.5缸点火线圈;T1/6.6缸点火线圈;Y3/8.变速器阀体;Y62y1.1缸喷油嘴;Y62y2.2缸喷油嘴;Y62y3.3缸喷油嘴;Y62y4.4缸喷油嘴;Y62y5.5缸喷油嘴;Y62y6.6缸喷油嘴。

当车辆需要驱动或驱动系统发出驱动请求时,只要满足相关条件,如:内燃机已经自动停机、高压系统没有故障、松开制动踏板、操作油门踏板等条件,ME就会对电动机所需的驱动力矩进行计算,并通过CAN网络向电力电子控制单元发出促动电动机的请求,以自动启动发动机(图13)。

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图13 自动启动功能原理

1.冷却液温度;2.油门踏板位置;3.发动机转速;4.引擎盖开关信号;5.高压电瓶电压;6.高压电瓶温度;7.电动机温度;8.电动机转速;9.电动机;10.轮速信号;11.限距系统请求;12.档位;13.燃油泵激活请求;14.燃油泵激活;15.燃油压力;16.电动机标准扭矩请求;17.放电电流;18.电动机运转的放电电流;19.喷油嘴工作;20.点火线圈工作;21.空调信号;22.制动状态;23.可承受的放电电压/电流;24.电动机产生的扭矩;25.驱动电动机的扭矩;26.燃油泵激活;27.燃油压力标准值;28.电动机转子位置;29.驾驶员在场识别;A79.电动机;A100.高压电瓶模块;B4/7.燃油压力传感器B11/4.冷却液温度传感器;B37.油门踏板传感器;B70.曲轴位置传感器;CAN.B.车内控制器区域网络;CAN.C.传动系控制器区域网络;CAN.E.底盘控制器区域网络;CAN.I.驾驶驱动数据链控制器区域网络;M3.燃油泵;N2/7.安全气囊控制单元;N3/10.发动机制单元;N22/1.空调控制单元;N30/6.RBS控制单元;N62/1.雷达传感器控制单元;N69/1.左前车门控制单元;N82/2.BMS控制单元;N93.中央网关;N118.燃油泵控制单元;N129/1.电力电子模块;S62/51.发动机盖开关;T1/1.1缸点火线圈;T1/2.2缸点火线圈;T1/3.3缸点火线圈;T1/4.4缸点火线圈;T1/5.5缸点火线圈;T1/6.6缸点火线圈;Y3/8.变速器阀体;Y62y1.1缸喷油嘴;Y62y2.2缸喷油嘴;Y62y3.3缸喷油嘴;Y62y4.4缸喷油嘴;Y62y5.5缸喷油嘴;Y62y6.6缸喷油嘴。

7.冷却系统

为了保证预期使用寿命达到最佳,高压部件必须在一定的温度范围内工作。DC/DC转换器和电力电子模块共用一个冷却系统,该系统独立于发动机冷却系统,防止出现过热损坏(图14)。循环泵1由前SAM控制单元通过继电器控制,吸取冷却液并将其泵送至冷却液回路中。冷却液流经DC/DC转换器和电力电子模块,对两个高压部件进行冷却,然后热的冷却液流经低温冷却器散热。循环泵2由M通过E继电器控制,以便与电力电子冷却回路中的冷却液温度相匹配,并对电力电子循环泵1提供支持。为此,ME读取低温回路温度传感器的电压信号,据此促动循环泵2工作。

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图14 冷却回路

1.冷却器;2.电力电子模块;3.DC/DC转换器;4.膨胀容器;B10/13.低温回路温度传感器;K108.循环泵1继电器;K108/1循环泵2继电器;M13/8循环泵1;M13/9循环泵2;A.来自冷却器的回流;B.循环泵1和2之间的连接;C.对DC/DC转换器的供给;D.电力电子模块与DC/DC.转换器之间的连接;E.对冷却器的供给。

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图15 冷却回路线路图

1.冷凝器;2.干燥瓶;3.膨胀阀;4.蒸发箱;5.后空调蒸发箱;A9/5.电动剂压缩机;A100.高压电瓶;B10/6.蒸发箱温度传感器;B10/11.后排蒸发箱温度传感器;B12.制冷剂压力传感器;Y19/1.高压电瓶冷却切断电磁阀;Y67.后空调制冷剂切断电磁阀;A.高压-气态;B.高压-液态;C.低压-液态;D.低压-气态。

高压蓄电池内部集成了电池温度传感器(A100b2),用于记录高压蓄电池温度,相应的信号由BMS控制单元分析和处理,如果需要进行冷却(图15),BMS控制单元通过CANI网络向ME发出制冷请求信号。ME在评估请求后,将信号通过中央网关和CANB网络传送至空调控制单元。然后,空调控制单元通过CAN网络激活电动压缩机。同时,BMS控制单元会打开高压蓄电池冷却系统切断阀(Y19/1),制冷剂流经集成在高压蓄电池模块中的蒸发器。吸走周围的热能,使高压蓄电池得到冷却。如果手动关闭空调,那么高压蓄电池不会进行冷却;如果高压蓄电池的温度过高(T>42℃),则空调将自动开启,并以上次关闭前的设置进行工作。

8.互锁功能

互锁电路用于为无意触摸到高压部件的人员提供接触保护,互锁信号在BMS控制单元中产生,通过高压部件的12V插头串联,形成12V/88Hz的闭环回路(图16)。当互锁回路断开时,高压电瓶中的保护开关立即打开,从而切断高压电系统。

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图16 互锁回路

1.蓄电池管理系统控制单元;2.高压分配盒;3.电动压缩机;4.电动机;5.电力电子模块;6.DC/DC转换器;7.熔断分离器;8.低压12V蓄电池;A.回路30;B.回路30c;红色.12V导线;黄色.互锁信号线;橙色.高压导线。

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图17 高压激活锁

9.断电

为确保在维修时不存在电击风险,必须将高压电瓶的插头脱开,然后装上高压安全锁,即断开高压电,并防止高压系统再次被激活(图17)。需要注意的是在安全锁装完后,需要等待2min方可进行维修,以确保电压彻底释放。另外,只有经过培训的授权服务中心工作人员才可对高压系统进行作业。

二、222车型混合动力概念

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图18 新S级混合动力

1.高压断开装置(S7);2.高压蓄电池(A100g1);3.含集成式DC/DC转换器的电力电子模块(N129/1);4.电机(A79/1);5.交流发电机(G2);6.电动真空泵(M56);7.电动制冷压缩机(A9/5);8.启动机(M1);9.具有ESP®控制单元的液压装置(N30/4);10.制动助力器(A7/7)。

新款S级(222车型)混合动力与上一代大体相同,但又有新的改变,其主要标志是首次使用被称为P2的混合动力系统。P2系统的主要特点是在启动装置(变矩器)与变速器之间安装有一台电机,这样的布局使电机速度不受内燃机的影响。这是P2与P1系统(电机位于内燃机与启动装置之间)之间最大的设计区别。此外,新型混合动力的重量也得到了优化,通过将高压蓄电池与12V蓄电池放置到车辆后方来改善轴荷载分布,以达到增大牵引力的目的(图18)。

1.高压部件介绍

高压部件的作用与上一代大体相同,但在数量和位置上做了一些改变。

(1)高压蓄电池模块

位于右后方行李箱中(图19),可保护高压蓄电池免受外部高温影响,并确保机械稳定性。该模块包括高压蓄电池和蓄电池管理系统控制单元,模块的一侧设有排气连接件和隔离膜片,后者可调节内部压力并使其与外部压力相适应。高压蓄电池同样由35块锂离子电池组成,每个电池的电压均为3.6V。接触器集成在高压蓄电池模块内,由蓄电池管理系统控制单元促动,可在内部将高压蓄电池的正负极相连或断开。

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图19 高压蓄电池

1.控制单元连接器;2.高电压连接;3.制冷剂连接器;4.除气管;A100.高压蓄电池模块;A100b1.高压蓄电池冷却液入口温度传感器;A100b2.高压蓄电池组电池温度传感器;A100g1.高压蓄电池;A100s1.接触器;N82/2.蓄电池管理系统控制单元;Y19/1.高压蓄电池冷却系统切断阀。

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图20 电动压缩机

A9/5.电动制冷压缩机;A9/5m1.制冷压缩机马达;A9/5n1.制冷压缩机控制单元和电力电子;1.螺旋压缩机。

(2)电动空调压缩机

位于发动机舱的左手边(图20)。该装置负责吸入和压缩制冷剂,并可根据蒸发器温度,在700~9 000r/min范围内进行连续调速。其原理与上一代车型相似,在此不做过多说明。

(3)电力电子装置

与221混合动力的设计不同,新S级混合动力将DC/DC和AC/DC转换器集成一体为电力电子控制单元(图21)。该模块应发动机控制单元的请求,使用三相交流电驱动电动机,并可监测定子绕组温度和转子位置。集成的DC/DC转换器可将高压直流和12V直流电进行相互转换,从而使能量得以在高压系统和12V车载系统之间进行交换。

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图21 电力电子装置

1.控制单元连接器;2.互锁接触开关;3.高电压连接(高压蓄电池);4.高电压连接(电机);5.低压12V螺纹连接;6.冷却液入口;7.冷却液回流;N129/1.电力电子控制单元。

(4)电机

安装在自动变速器的钟形壳内,采用励磁三相交流同步电机设计,可将电能转化为机械能,也可将机械能转化为电能,这种转化安静、平顺且高效。电机可实现电力驱动、助推、交流发电机模式和再生制动功能。

2.主要功能

作为传统的驱动模式,与上一代相似,主要包含以下功能与操作模式:

(1)无声启动

车辆启动会近乎无声,并且内燃机不会启动,直到驾驶员所需的输出功率大于电机的当前可用输出功率时,内燃机才会启动。静音启动取决于室外温度和内燃机的工作温度。该功能包含以下先决条件和步骤:开启点火开关;启动车辆;READY指示灯亮起,车辆已准备就绪,随时可以出发;向下踩压制动踏板并选择挡位。

(2)纯电力驱动

新S级混合动力车的新特性为纯电力驱动,可在低负荷时纯电动进行起步和行驶,速度约为35km/h,具体情况取决于高压蓄电池的电量(图22)。

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图22 电力驱动

(3)内燃机驱动

具有最佳油耗的内燃机提供动力,电机会辅助内燃机(如在加速期间),产生电动助力(图23)。

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图23 内燃机驱动

(4)滑行模式

当绿色的READY指示灯亮起,且在速度小于140km/h时,驾驶员将脚从油门上移开后,内燃机会关闭。

(5)再生制动

当驾驶员松开油门或激活制动器时,电机会对高压蓄电池进行充电。ESP®控制单元将驾驶员所需的全部制动转矩分为两部分:再生部分(图24)与液压部分,原理与上一代相同。

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图24 再生效应

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图25 启动/停止功能

(6)启动/停止

梅赛德斯的专属特性是实用型HOLD功能和ECO启动/停止系统(图25)之间的相互作用,HOLD功能一经启用(静止时将制动踏板向下踩到底),即使驾驶员松开制动踏板,内燃机仍会处于关闭状态。或者,在长时延迟中,变速器模式换挡杆会被移动到“P”位置或启用驻车制动器以松开制动器。

(7)冷却系统

高压蓄电池必须在特定的温度范围内工作,以确保其容量和载荷循环处于最佳状态,从而最大限度地延长使用寿命。具体的冷却过程与上一代车型相似,在此略过(图26)。

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图26 冷却回路

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图27 冷却回路

电力电子装置的冷却系统独立于内燃机的冷却回路之外,可防止过热损坏。该模块会从控制单元内部评估冷却回路的温度,并根据需要向传动系统控制单元发送请求。传动系统控制单元则会通过LIN线促动循环泵1。之后,冷却液会吸收电力电子模块和自动变速器油热交换器的热量,并最终流回低温冷却器(图27)。为防止高温内燃机冷却液流向电力电子装置的冷却回路中,当冷却液温度约为60℃时,双金属阀会关闭连接共享膨胀水箱的进液软管。

(8)互锁电路

互锁是一个预接触开关,在断开高压连接之前会稍稍打开,通过此方式,高压部件的控制单元可以对高压中间电路适时放电。互锁回路沿着整个高压系统排布,当回路断开时,高压蓄电池的接触开关会打开,从而关闭高压电系统,保护高压系统操作人员的安全。

(9)高压机械锁

为了确保在维修时无电击危险,请务必切断(禁用)高压电源并防止高压系统重新启动(图28和29)。为此,可通过断开高压电气系统与高压蓄电池正负极的连接来切断(禁用)电源,而要完成该操作,需断开备胎仓中的高压断开装置并使用机械锁对其进行保护,从而可防止高压系统重新启动。

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图28 高压断开装置

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图29 高压断开装置


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