梅賽德斯-奔馳S400 HYBRID基于上一代S350(即221車型)研發而成，本文通過新舊兩款S400車型簡要說明該混合動力概念及其工作原理。

一、221車型混合動力概念

車型的S400 HYBRID技術，奠定了梅賽德斯-奔馳混合動力的基礎，是本文的重點介紹部分，通過以下幾個方面來闡述。

1.驅動系統組成

S400HYBRID配備了平行混合動力驅動系統，包括272混合動力發動機和高電壓系統，其中，高壓電系統由電力電子控制單元、電動機、高壓蓄電池模塊、蓄電池管理系統(BMS)控制單元和 DC/DC轉換器組成(圖1)。

圖1 混合動力部件

通過該驅動系統，內燃機、電動機和驅動輪通過剛性相連(圖2)，其中，發動機和電動機提供的功率可以組合在一起，但車輛無法完全通過電子驅動系統驅動。

2.高壓部件介紹

根據前述的高壓電系統組成部件，如下逐一進行介紹。

(1)高壓蓄電池

圖2 驅動概念

位于引擎室右后側(圖3)，內部由35塊鋰離子電池組成，每塊電池的電壓均在3.2～4.1V之間，這樣，高壓蓄電池會儲存電能并以約120V的電壓為所有高壓系統部件供電。所有的鋰電池由蓄電池管理系統(BMS)控制單元根據傳感器和CAN信號進行管理。此外，BMS控制單元在必要情況下還會促動保護開關，以便將高壓蓄電池的正極和負極絕緣。

圖3 高壓蓄電池

(2)DC/DC轉換器

直流/直流轉換器位于右前輪罩內側(圖4)，作為變壓器，將高壓蓄電池和12V蓄電池相連，實現高壓直流電與低壓直流電之間的相互轉換。

圖4 DC/DC轉換器

(3)電力電子模塊

位于右側排氣歧管下方(圖5)，控制電動機的工作，即：在啟動和起步階段，通過三相交流電促動電動機；在發電模式下，將產生的三相交流電轉換為直流電壓，然后對高壓蓄電池充電，其實質是交流/直流(AC/DC)轉換器。此外，還執行自診斷功能，并通過評估溫度傳感器的信號，時刻監測電動機的工作溫度。

圖5 電力電子模塊

(4)電動機

采用步進電機設計(圖6)，位于發動機與變速器之間，不僅具有啟動機的作用，還可作為發電機為高壓系統充電，因而被稱為啟動機-發電機。電動機根據工作分為啟動和發電模式：沿曲軸轉動方向施加扭矩，以啟動內燃機，并在起步過程中，電動機為內燃機提供支持；在制動過程中，沿曲軸轉動方向的反方向施加扭矩，回收部分制動能量，并將其轉化為電能(再生制動)，以對高壓蓄電池充電。兩種工作模式均由電力電子模塊控制。集成的溫度傳感器記錄定子線圈的溫度，并將信號傳給電力電子模塊分析，避免電動機過熱損壞。此外，電動機還具有減震元件的作用，以降低行駛/扭轉振動。

(5)空調壓縮機

圖6 電動機

為確保在發動機自動停機時空調系統能提供足夠的冷卻，壓縮機從發動機上分開，采用電動驅動，實現對車廂內部和高壓電瓶進行單獨的恒溫控制和冷卻(圖7)。電動壓縮機主要由集成式控制單元、電機和螺旋壓縮機組成。控制單元調節電機的轉速以及制冷劑數量，電機驅動壓縮機。壓縮機由兩個交織的螺旋組成,其中一個與外殼永久連接,另一個則在第一個螺旋內的圓周內旋轉，這樣，在螺旋內形成多個不斷增加的較小空間，制冷劑隨后進入這些空間, 最高到達中央, 然后在中央以壓縮狀態排出。該設計有助于優化燃油消耗量，此外，空調控制單元可在700～9 000r/min的轉速區間內對壓縮機進行無級調節。

圖7 電動壓縮機

3.工作模式

根據車輛的使用狀況，對驅動系統的工作，可分為以下若干模式來理解。

(1)驅動模式

車輛的驅動可通過內燃機(標準模式)或混合動力模式來實現。當混合動力系統識別到故障而導致混合動力模式無法使用時，如果發動機可提供足夠的扭矩，那么車輛將啟用標準模式。在混合動力模式起作用時，發動機扭矩與電動機扭矩相結合，驅動車輛，該模式取決于高壓電瓶的電量。此外，內燃機可將電動機作為高壓發電機操作。

(2)發電模式

在發電機模式下，電動機扮演著高壓發電機的作用，曲軸的旋轉運動作用在電動機轉子上，然后在定子線圈中感應出三相交流電，由電力電子模塊轉換為直流電后對高壓蓄電池充電。在該模式中，車輛的動力由內燃機提供。

(3)減速模式

當車輛在滑行時，電動機將動能轉化為電能，即“再生”階段，ME根據當前的路面狀況、高壓電量和變速器模式計算出相應的減速扭矩，據此進行再生減速和減速燃油切斷。在這種情況下，內燃機產生減速扭矩，它與再生減速扭矩加起來可能超過標準的減速扭矩，此時，內燃機產生最小的可控扭矩，并且不會激活減速燃油切斷。另外，不論是否激活減速燃油切斷，對駕駛員而言，驅動系統的表現是相同的。

4.能量和動力流

各模式工作期間的能量流和當前的高壓電量可顯示在儀表盤上，當混合動力系統開始工作時，儀表會顯示“READY”(就緒)信息(圖8)。如果ECO啟動-停止功能可用，那么READY 指示燈呈現綠色的；如果ECO功能暫時不可用，則READY 指示燈點為黃色的。

圖8 儀表盤顯示

混合動力的動力流可顯示在COMAND顯示屏上(圖9)，在驅動模式下，動力由發動機傳遞至后軸，即動力僅由發動機提供；在加速模式下，高壓蓄電池通過電力電子模塊向電動機供電，使電動機產生驅動扭矩，對發動機提供支持，這樣，動力由發動機和電動機流至后軸。在發電模式下，電動機作為高壓發電機，將車輛的動能轉化為電能，動力從后軸傳遞電動機。

圖9 動力流(加速模式)

5.再生制動

再生是指在車輛減速過程中，為回收能量將動能轉化為電能，從而對高壓蓄電池充電。再生制動功能由制動踏板與助力器推桿之間的一段自由行程來執行，代表制動請求的踏板行程由踏板角度傳感器記錄，然后由再生制動系統(RBS)控制單元分析，據此在每次促動制動器時，踏板阻力模擬器都會產生虛擬的踏板阻力(圖10)。當再生制動啟用時，自由行程會隨著再生制動扭矩的增加而變短，為此，RBS控制單元促動相應的電磁閥，從而促使助力器增大液壓制動器的壓力，確保自由行程不會變短。如果RBS系統出現故障，那么阻力模擬器停用，然后駕駛員將并通過腳力產生所需的制動力，即踏板行程會比正常的行程略微增長。

圖10 功能原理

RBS控制單元將制動踏板行程的總制動扭矩分為再生制動扭矩和液壓制動扭矩，兩種扭矩分別由傳動系統和車輪制動器來執行。電動機回收部分或全部制動扭矩，用于發電，然后存儲在高壓蓄電池中(圖11)。如果產生的再生制動扭矩達到制動踏板請求的總制動扭矩，那么就不會產生液壓制動扭矩，這樣，通過再生方式即可實現減速。如果高壓蓄電池已是充滿電狀態，那么再生制動扭矩將無法產生，此時車輛只能通過液壓方式制動，直到高壓蓄電池放電并能存儲電能。此外，在ABS系統起作用時，再生制動會結束，制動扭矩僅通過液壓方式提供。

圖11 再生制動的功能原理

6.ECO啟停功能

當車輛不需要能量驅動且驅動系統未發出能量請求時，只要滿足相關條件，如發動機在運轉、高壓蓄電池電量充足、檔位在D檔或N檔等前提條件，ME通過切斷噴油嘴和點火線圈來關閉發動機，使發動機自動停止運轉。如果出現碰撞信號且高壓系統立即停用，則發動機也會關閉(圖12)。

圖12 自動停機原理

1.冷卻液溫度；2.油門踏板位置；3.發動機轉速4.電動機轉子位置；5.高壓電瓶電壓；6.高壓電瓶溫度；7.電動機溫度；8.電動機轉速；9.電動機狀態；10.輪速信號；11.限距系統請求；12.變速器電子油泵狀態；13.燃油泵關閉請求；14.燃油泵關閉；15.電動機標準扭矩請求；16.放電電流；17.電動機運轉的放電電流；18.噴油嘴關閉；19.點火線圈關閉；20.制動狀態；21.變速器電子油泵激活；22.燃油泵激活；23.電動機驅動扭矩；24.可承受的放電電壓/電流；A79.電動機；A100.高壓電瓶；B11/4.冷卻液溫度傳感器；B37.油門踏板傳感器；B70.曲軸位置傳感器；CANC.傳動系控制器區域網絡；CANE.底盤控制器區域網絡；CANI.駕駛驅動數據鏈控制器區域網絡；M3.燃油泵；M42.輔助電動變速器油泵；N3/10.發動機控制單元；N30/6.RBS控制單元；N62/1.雷達傳感器控制單元；N82/2.BMS控制單元；N118.燃油泵控制單元；N129/1.電力電子模塊；T1/1.1缸點火線圈；T1/2.2缸點火線圈；T1/3.3缸點火線圈；T1/4.4缸點火線圈；T1/5.5缸點火線圈；T1/6.6缸點火線圈；Y3/8.變速器閥體；Y62y1.1缸噴油嘴；Y62y2.2缸噴油嘴；Y62y3.3缸噴油嘴；Y62y4.4缸噴油嘴；Y62y5.5缸噴油嘴；Y62y6.6缸噴油嘴。

當車輛需要驅動或驅動系統發出驅動請求時，只要滿足相關條件，如：內燃機已經自動停機、高壓系統沒有故障、松開制動踏板、操作油門踏板等條件，ME就會對電動機所需的驅動力矩進行計算，并通過CAN網絡向電力電子控制單元發出促動電動機的請求，以自動啟動發動機(圖13)。

圖13 自動啟動功能原理

1.冷卻液溫度；2.油門踏板位置；3.發動機轉速；4.引擎蓋開關信號；5.高壓電瓶電壓；6.高壓電瓶溫度；7.電動機溫度；8.電動機轉速；9.電動機；10.輪速信號；11.限距系統請求；12.檔位；13.燃油泵激活請求；14.燃油泵激活；15.燃油壓力；16.電動機標準扭矩請求；17.放電電流；18.電動機運轉的放電電流；19.噴油嘴工作；20.點火線圈工作；21.空調信號；22.制動狀態；23.可承受的放電電壓/電流；24.電動機產生的扭矩；25.驅動電動機的扭矩；26.燃油泵激活；27.燃油壓力標準值；28.電動機轉子位置；29.駕駛員在場識別；A79.電動機；A100.高壓電瓶模塊；B4/7.燃油壓力傳感器B11/4.冷卻液溫度傳感器；B37.油門踏板傳感器；B70.曲軸位置傳感器；CAN.B.車內控制器區域網絡；CAN.C.傳動系控制器區域網絡；CAN.E.底盤控制器區域網絡；CAN.I.駕駛驅動數據鏈控制器區域網絡；M3.燃油泵；N2/7.安全氣囊控制單元；N3/10.發動機制單元；N22/1.空調控制單元；N30/6.RBS控制單元；N62/1.雷達傳感器控制單元；N69/1.左前車門控制單元；N82/2.BMS控制單元；N93.中央網關；N118.燃油泵控制單元；N129/1.電力電子模塊；S62/51.發動機蓋開關；T1/1.1缸點火線圈；T1/2.2缸點火線圈；T1/3.3缸點火線圈；T1/4.4缸點火線圈；T1/5.5缸點火線圈；T1/6.6缸點火線圈；Y3/8.變速器閥體；Y62y1.1缸噴油嘴；Y62y2.2缸噴油嘴；Y62y3.3缸噴油嘴；Y62y4.4缸噴油嘴；Y62y5.5缸噴油嘴；Y62y6.6缸噴油嘴。

7.冷卻系統

為了保證預期使用壽命達到最佳，高壓部件必須在一定的溫度范圍內工作。DC/DC轉換器和電力電子模塊共用一個冷卻系統，該系統獨立于發動機冷卻系統，防止出現過熱損壞(圖14)。循環泵1由前SAM控制單元通過繼電器控制，吸取冷卻液并將其泵送至冷卻液回路中。冷卻液流經DC/DC轉換器和電力電子模塊，對兩個高壓部件進行冷卻，然后熱的冷卻液流經低溫冷卻器散熱。循環泵2由M通過E繼電器控制，以便與電力電子冷卻回路中的冷卻液溫度相匹配，并對電力電子循環泵1提供支持。為此，ME讀取低溫回路溫度傳感器的電壓信號，據此促動循環泵2工作。

圖14 冷卻回路

1.冷卻器；2.電力電子模塊；3.DC/DC轉換器；4.膨脹容器；B10/13.低溫回路溫度傳感器；K108.循環泵1繼電器；K108/1循環泵2繼電器；M13/8循環泵1；M13/9循環泵2；A.來自冷卻器的回流；B.循環泵1和2之間的連接；C.對DC/DC轉換器的供給；D.電力電子模塊與DC/DC.轉換器之間的連接；E.對冷卻器的供給。

圖15 冷卻回路線路圖

1.冷凝器；2.干燥瓶；3.膨脹閥；4.蒸發箱；5.后空調蒸發箱；A9/5.電動劑壓縮機；A100.高壓電瓶；B10/6.蒸發箱溫度傳感器；B10/11.后排蒸發箱溫度傳感器；B12.制冷劑壓力傳感器；Y19/1.高壓電瓶冷卻切斷電磁閥；Y67.后空調制冷劑切斷電磁閥；A.高壓-氣態；B.高壓-液態；C.低壓-液態；D.低壓-氣態。

高壓蓄電池內部集成了電池溫度傳感器(A100b2)，用于記錄高壓蓄電池溫度，相應的信號由BMS控制單元分析和處理，如果需要進行冷卻(圖15)，BMS控制單元通過CANI網絡向ME發出制冷請求信號。ME在評估請求后，將信號通過中央網關和CANB網絡傳送至空調控制單元。然后，空調控制單元通過CAN網絡激活電動壓縮機。同時，BMS控制單元會打開高壓蓄電池冷卻系統切斷閥(Y19/1)，制冷劑流經集成在高壓蓄電池模塊中的蒸發器。吸走周圍的熱能，使高壓蓄電池得到冷卻。如果手動關閉空調，那么高壓蓄電池不會進行冷卻；如果高壓蓄電池的溫度過高(T＞42℃)，則空調將自動開啟，并以上次關閉前的設置進行工作。

8.互鎖功能

互鎖電路用于為無意觸摸到高壓部件的人員提供接觸保護，互鎖信號在BMS控制單元中產生，通過高壓部件的12V插頭串聯，形成12V/88Hz的閉環回路(圖16)。當互鎖回路斷開時，高壓電瓶中的保護開關立即打開，從而切斷高壓電系統。

圖16 互鎖回路

1.蓄電池管理系統控制單元；2.高壓分配盒；3.電動壓縮機；4.電動機；5.電力電子模塊；6.DC/DC轉換器；7.熔斷分離器；8.低壓12V蓄電池；A.回路30；B.回路30c；紅色.12V導線；黃色.互鎖信號線；橙色.高壓導線。

圖17 高壓激活鎖

9.斷電

為確保在維修時不存在電擊風險，必須將高壓電瓶的插頭脫開，然后裝上高壓安全鎖，即斷開高壓電，并防止高壓系統再次被激活(圖17)。需要注意的是在安全鎖裝完后，需要等待2min方可進行維修，以確保電壓徹底釋放。另外，只有經過培訓的授權服務中心工作人員才可對高壓系統進行作業。

二、222車型混合動力概念

圖18 新S級混合動力

1.高壓斷開裝置(S7)；2.高壓蓄電池(A100g1)；3.含集成式DC/DC轉換器的電力電子模塊(N129/1)；4.電機(A79/1)；5.交流發電機(G2)；6.電動真空泵(M56)；7.電動制冷壓縮機(A9/5)；8.啟動機(M1)；9.具有ESP?控制單元的液壓裝置(N30/4)；10.制動助力器(A7/7)。

新款S級(222車型)混合動力與上一代大體相同，但又有新的改變，其主要標志是首次使用被稱為P2的混合動力系統。P2系統的主要特點是在啟動裝置(變矩器)與變速器之間安裝有一臺電機，這樣的布局使電機速度不受內燃機的影響。這是P2與P1系統(電機位于內燃機與啟動裝置之間)之間最大的設計區別。此外，新型混合動力的重量也得到了優化，通過將高壓蓄電池與12V蓄電池放置到車輛后方來改善軸荷載分布，以達到增大牽引力的目的(圖18)。

1.高壓部件介紹

高壓部件的作用與上一代大體相同，但在數量和位置上做了一些改變。

(1)高壓蓄電池模塊

位于右后方行李箱中(圖19)，可保護高壓蓄電池免受外部高溫影響，并確保機械穩定性。該模塊包括高壓蓄電池和蓄電池管理系統控制單元，模塊的一側設有排氣連接件和隔離膜片，后者可調節內部壓力并使其與外部壓力相適應。高壓蓄電池同樣由35塊鋰離子電池組成，每個電池的電壓均為3.6V。接觸器集成在高壓蓄電池模塊內，由蓄電池管理系統控制單元促動，可在內部將高壓蓄電池的正負極相連或斷開。

圖19 高壓蓄電池

1.控制單元連接器；2.高電壓連接；3.制冷劑連接器；4.除氣管；A100.高壓蓄電池模塊；A100b1.高壓蓄電池冷卻液入口溫度傳感器；A100b2.高壓蓄電池組電池溫度傳感器；A100g1.高壓蓄電池；A100s1.接觸器；N82/2.蓄電池管理系統控制單元；Y19/1.高壓蓄電池冷卻系統切斷閥。

圖20 電動壓縮機

A9/5.電動制冷壓縮機；A9/5m1.制冷壓縮機馬達；A9/5n1.制冷壓縮機控制單元和電力電子；1.螺旋壓縮機。

(2)電動空調壓縮機

位于發動機艙的左手邊(圖20)。該裝置負責吸入和壓縮制冷劑，并可根據蒸發器溫度，在700～9 000r/min范圍內進行連續調速。其原理與上一代車型相似，在此不做過多說明。

(3)電力電子裝置

與221混合動力的設計不同，新S級混合動力將DC/DC和AC/DC轉換器集成一體為電力電子控制單元(圖21)。該模塊應發動機控制單元的請求，使用三相交流電驅動電動機，并可監測定子繞組溫度和轉子位置。集成的DC/DC轉換器可將高壓直流和12V直流電進行相互轉換，從而使能量得以在高壓系統和12V車載系統之間進行交換。

圖21 電力電子裝置

1.控制單元連接器；2.互鎖接觸開關；3.高電壓連接(高壓蓄電池)；4.高電壓連接(電機)；5.低壓12V螺紋連接；6.冷卻液入口；7.冷卻液回流；N129/1.電力電子控制單元。

(4)電機

安裝在自動變速器的鐘形殼內，采用勵磁三相交流同步電機設計，可將電能轉化為機械能，也可將機械能轉化為電能，這種轉化安靜、平順且高效。電機可實現電力驅動、助推、交流發電機模式和再生制動功能。

2.主要功能

作為傳統的驅動模式，與上一代相似，主要包含以下功能與操作模式：

(1)無聲啟動

車輛啟動會近乎無聲，并且內燃機不會啟動，直到駕駛員所需的輸出功率大于電機的當前可用輸出功率時，內燃機才會啟動。靜音啟動取決于室外溫度和內燃機的工作溫度。該功能包含以下先決條件和步驟：開啟點火開關；啟動車輛；READY指示燈亮起，車輛已準備就緒，隨時可以出發；向下踩壓制動踏板并選擇擋位。

(2)純電力驅動

新S級混合動力車的新特性為純電力驅動，可在低負荷時純電動進行起步和行駛，速度約為35km/h，具體情況取決于高壓蓄電池的電量(圖22)。

圖22 電力驅動

(3)內燃機驅動

具有最佳油耗的內燃機提供動力，電機會輔助內燃機(如在加速期間)，產生電動助力(圖23)。

圖23 內燃機驅動

(4)滑行模式

當綠色的READY指示燈亮起，且在速度小于140km/h時，駕駛員將腳從油門上移開后，內燃機會關閉。

(5)再生制動

當駕駛員松開油門或激活制動器時，電機會對高壓蓄電池進行充電。ESP?控制單元將駕駛員所需的全部制動轉矩分為兩部分：再生部分(圖24)與液壓部分，原理與上一代相同。

圖24 再生效應

圖25 啟動/停止功能

(6)啟動/停止

梅賽德斯的專屬特性是實用型HOLD功能和ECO啟動/停止系統(圖25)之間的相互作用，HOLD功能一經啟用(靜止時將制動踏板向下踩到底)，即使駕駛員松開制動踏板，內燃機仍會處于關閉狀態。或者，在長時延遲中，變速器模式換擋桿會被移動到“P”位置或啟用駐車制動器以松開制動器。

(7)冷卻系統

高壓蓄電池必須在特定的溫度范圍內工作，以確保其容量和載荷循環處于最佳狀態，從而最大限度地延長使用壽命。具體的冷卻過程與上一代車型相似，在此略過(圖26)。

圖26 冷卻回路

圖27 冷卻回路

電力電子裝置的冷卻系統獨立于內燃機的冷卻回路之外，可防止過熱損壞。該模塊會從控制單元內部評估冷卻回路的溫度，并根據需要向傳動系統控制單元發送請求。傳動系統控制單元則會通過LIN線促動循環泵1。之后，冷卻液會吸收電力電子模塊和自動變速器油熱交換器的熱量，并最終流回低溫冷卻器(圖27)。為防止高溫內燃機冷卻液流向電力電子裝置的冷卻回路中，當冷卻液溫度約為60℃時，雙金屬閥會關閉連接共享膨脹水箱的進液軟管。

(8)互鎖電路

互鎖是一個預接觸開關，在斷開高壓連接之前會稍稍打開，通過此方式，高壓部件的控制單元可以對高壓中間電路適時放電。互鎖回路沿著整個高壓系統排布，當回路斷開時，高壓蓄電池的接觸開關會打開，從而關閉高壓電系統，保護高壓系統操作人員的安全。

(9)高壓機械鎖

為了確保在維修時無電擊危險，請務必切斷(禁用)高壓電源并防止高壓系統重新啟動(圖28和29)。為此，可通過斷開高壓電氣系統與高壓蓄電池正負極的連接來切斷(禁用)電源，而要完成該操作，需斷開備胎倉中的高壓斷開裝置并使用機械鎖對其進行保護，從而可防止高壓系統重新啟動。

圖28 高壓斷開裝置

圖29 高壓斷開裝置

（全文完）

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