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Mercedes-Benz公司紧凑型轿车的插电式混合动力

2020-02-13 00:00:22·  来源:汽车与新动力  
 
Mercedes-Benz公司生产的A级车是其目前第六款系列车型,并具有插电式混合动力系统。整车设计方案能以纯电动工况通过较高的动力性能以实现长途行驶,具有较高的舒
Mercedes-Benz公司生产的A级车是其目前第六款系列车型,并具有插电式混合动力系统。整车设计方案能以纯电动工况通过较高的动力性能以实现长途行驶,具有较高的舒适性,同时也可提供约70 km的电动续航里程和160 kW的组合功率。介绍了该款动力总成系统,并详细探讨了混合动力车型独有的功能。
 
1 产品分类
 
Mercedes-Benz公司已为C、E和S级系列车型以及GLC和GLE-SUV车型研发了相应的插电式混合动力总成系统。该系统的技术核心是布置在内燃机与9档自动变速箱(9G-Tronic)之间的混合动力装置,其在最小的结构空间中集成了换流器、分离离合器和功率强劲的驱动电机。其输出功率为90 kW,扭矩为440 N·m,所应用的13.5 kW·h蓄电池在新欧洲行驶循环(NEDC)中能确保约50 km的续航里程,它由37 A·h的锂镍锰钴(Li-NMC)电池单元组成1p100s方式连接的蓄电池模块(p代表并联,s代表串联,1p100s即代表仅由100个电池单元串联而成的蓄电池模块,而2p100s则代表由2个各有100个电池单元的串联组合再并联而成的蓄电池模块)。
GLE-SUV车上的蓄电池从2019车型年起即开始配装2p100s蓄电池模块,其采用43 A·h电池单元以达到32.2 kW·h的电能容量,因此该车的电动续航里程约为100 km。由两条平行的蓄电池支路以提高电流负荷能力,从而能将电功率提高到100 kW。模块化动力总成系统的标准部件可选用几款内燃机:一款155 kW 的4缸2.0 L汽油机(M274),一款270 kW 的6缸3.0 L汽油机(M276)以及一款143 kW 的4缸2.0 L柴油机(OM654)。
 
2 混合动力系统特有的整车集成
 
Mercedes-Benz公司在开发其MFA2前驱动模块化整车平台时,从方案设计阶段起就已考虑到了集成混合动力系统所需的前置量。要达到这些目标,不仅应尽可能将其封闭于常规驱动的基础车型之中,而且还应继承现有混合动力系统的高电压部件,为此已制定了一种全面优化的整体布置方案,以提供较高的有效功率。
 
集成混合动力的目标在于以常规的动力总成系统为基础,保持周围的外围设备尽可能不变,由此固定8档双离合器变速箱(8F-DCT)的位置,而将发动机横向移动48.6 mm,以便获得安装P2混合动力装置的位置。为了在方案设计阶段就能确定正确的途径,在设计纵向间距时工程师就已考虑到了混合动力总成系统的横向装配,包括用于装配以及发动机运转期间处于振动状态时所需的自由空间。
通过移动发动机就能腾出集成系统标准部件的功率电子器件所需的结构空间(图1)。这种位置优化了结构空间的利用,并且这种中央位置能缩短高电压部件之间导线的长度,除此之外还能保持配有安全盒的12 V蓄电池的位置,以便使车辆电线束的变动降低到最低程度。
图1 混合动力总成系统的集成
在常规驱动方案中,后桥前或后排座椅底座下良好的防撞结构空间都被燃油箱填满,而在插电式混合动力方案情况下这种结构空间的形状和尺寸容许集成高电压蓄电池(图2和表1),以此即可继承系统标准部件的壳体。一块附加的钢护板作为车底护板用于保护外部范围的部件。对于插电式混合动力车而言,其布设有约130 kg的高压蓄电池,使车辆的58%质量分配在前桥,而42%的质量则分配在后桥。通过后桥采用扭力梁悬挂就能在车辆尾部留出安装35 L容量的燃油箱位置。若使用混合动力特有的钢压力罐的话,则即使在使用时间较长的情况下也能满足法规对燃油蒸汽排放的要求。
图2 混合动力特有部件的布置
表1 混合动力总成系统的技术数据
项目
参数
系统功率/kW
160
系统扭矩/(N·m)
450
WLTP行驶循环的行驶里程/km
≈70
加速时间(0~100 km/h混合动力)/s
7.0
加速时间(0~60 km/h电动行驶)/s
6.0
燃油箱容量/L
35
牵引质量/kg
1 600
应用现有的高电压蓄电池并集成在车辆地板下方会导致汽车尾部的废气管无法再采用常规的走向。如果采用创新的车辆前端废气装置的话,那么此时就要通过后消音器将废气引回到蓄电池前方,并在车辆中间合适的部位将其排出。在该情况下,蓄电池就能成功地集成到车辆的蓄电池盒中。车辆采用催化转化器和汽油机颗粒捕集器已能满足当今的欧6d废气排放标准。
插电式混合动力方案的充电插座布置在右侧C柱中。车载交流和直流充电器就直接位于附近(后备箱储物面下方)。由于混合动力特有的车辆尾部凹陷和优化的封装从而得到了310 L的后备箱容积。
在低速范围内以电动工况行驶时,全球法规要求其具满足一定的噪声标准以确保行人的安全,为此使用了两个喇叭,由此可产生车外噪声,同时这种具有品牌特征的设计确保了较低的车内噪声。前部或后部扬声器可根据车辆行驶方向发出较高的声量,这样无论是车内或车外都能获得一致的声响效果。
 
3 插电式混合动力
 
Mercedes-Benz公司将用于紧凑型车辆区段的混合动力设计成P2型平行混合动力(图3),使用了长度经优化的M282型4缸1.4 L汽油机,其最大功率118 kW,扭矩250 N·m。这种发动机通过采用较小的85mm缸心距和Delta气缸盖设计方案,并通过持续不断的优化获得了紧凑的外形尺寸和更轻的质量。该款发动机采用了部分集成的排气歧管、可变气门升程、电磁阀式喷油器缸内直接喷射、颗粒捕集器和摩擦优化的涂层气缸工作表面,在技术上达到了世界领先的技术水平。对M282传统机型进行改良并使用了停缸技术,而在插电式混合动力车型上则取消了这种技术,其原因是在部分负荷时在小型发动机上应用这种动态技术会限制对噪声-振动-平顺性(NVH)特性的要求,而在这种情况下插电式混合动力车型则会率先以纯电动状态行驶或调整负荷工况点。
图3 插电式混合动力系统部件
混合动力运行的另一个特点是在纯电动行驶期间内燃机停机时间较长,主轴承提高稳定性的聚合物涂层即考虑到此类情况,而且这种涂层提高了发动机因频繁起动而对整机耐久性产生的损耗。电机在整车处于电动行驶工况时承担了起动发动机的任务,因而可取消小齿轮起动机系统。除了能优化舒适性之外,同样也是降低成本的重要的功能模块。
 
Mercedes-Benz公司新开发的插电式混合动力变速箱是以8档双离合器变速箱为基础的,并开发了模块化的基本型变速箱,以获得更为紧凑的混合动力系统。这种混合动力系统和新型的轮轴方案使其具有紧凑的结构型式。在混合动力装置中集成了电机、双离合器和分离离合器,其中一个磨损较小的湿式分离离合器安装在电机转子内部,而两个双离合器则与1/3/5/7奇数档或R/2/4/6/8偶数档连接。在两个分动变速箱中能分别预选下一档,然后迅速和精确地通过结合一个离合器和脱开另一个离合器来进行换档。这种变速箱以8.81的大速比跨度辅助起动发动机。
 
使用机油冷却的多摩擦片离合器具有功能优势和快速精确的换档性能,其较高的耐热性提高了系统可靠性,并容许拖挂高达1 600 kg的拖车负荷。这种混合动力总成系统就以该数值确定了其在紧凑型车辆区段中的尺寸比例。变速箱内部所需的冷却功率通过采用2个机油泵的设计方案来实现,机械式变速箱机油泵承担基本负荷,而由此添加的整体式电动机油泵来满足需要高冷却要求的行驶状况,这样就能在发动机起动前供应机油和操控线停车系统。
具有75 kW功率和300 N·m扭矩的电机是纯电动行驶以及与内燃机相结合获得高动态行驶性能的关键(图4)。其被设计成永磁式同步电机,具有最高的效率以及最佳的功率和扭矩密度值。基础变速箱的高刚度和磁铁转子的斜切布置有助于优化声学性能。
图4 功率和扭矩特性曲线
 
蓄电池模块以其工作能力与单元容量为目标而进行系统优化设计。与现有的P2-90高电压蓄电池模块相比,紧凑型车辆区段的运行性能和功率需求允许调整电池单元技术,借此可将电池容量提高到15.6 kW·h。这种电池化学仍是锂镍锰钴(Li-NMC),当然通过技术调整能将电池单元的容量从37 A·h提高到43 A·h。配有外置冷却系统的蓄电池壳、2个蓄电池模块的排列以及1p100s连接方式都相当于现有的高电压蓄电池,因此能胜任高工作能力和长使用寿命的开发目标。
 
在基本装备中,充电系统包括一个7.2 kW的交流充电器(图5),蓄电池使用这种交流充电器不到2 h就能充满电,在家用电源插座上充电持续时间延长到约7 h。充电功率为24 kW的直流充电器可作为特殊装备使用,蓄电池通过这种充电器可在25 min内将电量从10%充到约80%。用于充电站充电的部件由现有的模块来承担。除了驱动部件之外,电动冷凝剂压缩机和高电压PTC加热器也通过高电压车载电网供电,两者提供了夏季和冬季车厢内的空调,而且电动冷凝剂压缩机还被用于在直流充电过程期间有效地冷却蓄电池。通过一个直流/直流(DC/DC)变换器为12 V车载电网以及转向助力泵和回收能量的制动系统中的真空泵供电。
图5 在充电桩旁充电的A级车
 
4 行驶程序和运行策略
  
采用新一代的NTG 6遥控技术使用了一种全新的行驶程序逻辑,其可用于调整电动(Electric)、舒适(Comfort)、经济(Eco)、运动(Sport)型行驶程序和蓄电池电量,因此驾驶员能根据需求,或者优先使用纯电动行驶,而通过组合驱动激发动态行驶性能,或者优先使用内燃机行驶,以便例如节省电动行驶里程。
 
与Mercedes-Benz公司的第三代混合动力一起开发了利用导航系统行车路线数据的智能驱动管理。在混合动力行驶程序中,按照预置的行驶速度曲线和路线布局,根据路线变化优化电动行驶、补充充电和换挡策略以及驱动部件的冷却策略。现在这种预报功能也可用于紧凑型轿车上的插电式混合动力。
 
同样,A级车型也可使用环保、节能、最优化(EC)助手,可按照预置的弯道、坡度、环形交通、十字路口和车速限制,提示松开加速踏板,从而辅助驾驶员采取经济的行车方式,并提高在行车路线过程中回收的能量,例如由于行车路线数据带有节能的减速,ECO助手能为驾驶员提前识别出环形交通或弯道。相反,如未配备ECO助手,则就必须在明显更短的距离内消除这种速度差,以此会超高最高的回收功率,由此需采用摩擦制动。
ECO助手能在保持机动性的前提下调节能量回收系统,并使车辆减速以最佳地利用能量,而驾驶员无需操控加速踏板也能将回收能量的强度调整到其所期望的行驶性能,通过方向盘旁的控制手柄就能选择5个回收能量等级,因此所产生的减速就能在车辆缓慢滑行与所谓的单踏板驾驶(one-pedaldriving)。
 
5 电动行驶的日常适用性 
 
新的A级车型是第一款使用Mercedes-Benz多媒体系统MBUX的车型,MBUX包含众多连接功能,例如Dienst Mercedes Me Charge(为我的Mercedes爱车充电)(图6)。这种功能优化了对充电桩的搜索功能,其可提供相应充电方式、预定充电地点以及充电价格等在线信息。MBUX系统的自然通话功能可通过语音“嗨,Mercedes,寻找附近的充电桩”进行搜索,并且在大部分充电桩旁都能借助于MBUX方便地遥控通过Mercedes Me APP移动应用程序或信息系统获准充电过程和付款。
图6 寻找充电站和借助于MBUX情况同步
日常行驶里程的评估通常趋向于短途行驶,而很少进行长途行驶(图7),因此使用插电式混合动力的有利因素是大多数用户在日常生活中使用电动行驶,而在长途行驶工况下才使用内燃机,以此就能安装较小的蓄电池并将其作为纯蓄电池电动行驶的车辆,从而减少了资源消耗和蓄电池质量。日常持续的使用电动行驶程序会反馈到加速踏板特性曲线的设计上,其选择在操纵“自动跳合开关”也就是到踏板行程终了的压力点时才起动内燃机。
图7 紧凑型轿车车型日常行驶里程
如果将既非短途驾驶也非长途驾驶的日常行驶里程按照里程长度来排列的话,由此在紧凑型车辆区段中显示出每天电动行驶里程70 km的天数约为300 天/年。但是,为了推导出电动行驶所占的份额,必须考虑到充电性能、驾驶员的驾驶方式以及空调等辅助耗电设备。
 
6 总结 
 
Mercedes-Benz公司用于紧凑型车辆区段的插电式混合动力将持续的机动性与动态行驶性能和舒适性结合起来,并以较高的电功率和较长的电动行驶里程在日常电动行驶适用性方面树立了标准,而且以混合动力特有的MBUX服务改善了使用的舒适性,例如在搜索合适的可用充电桩或者准许充电和付款等方面。EQ-Power标记综合了所有这些特性,同时表明其性能已接近Mercedes-Benz公司EQ标记的全电气化车型。其总体方案具有智能车辆集成功能,并使用了由现有混合动力模块组成的高电压驱动部件,这种总体方案允许其在紧凑车型领域应用。
 
作者:[德]T.GÖDECKE等
整理:范明强  
编辑:伍赛特
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