电动汽车作业三0805030219杨端奎.docx
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电动汽车作业三0805030219杨端奎
作业三
题目：
奔驰S400HYBRID混合动力轿车的技术进展
德国豪华汽车生产商梅赛德斯-奔驰日前推出了首款混合动力轿车，这也是世界首款量产的锂电池混合动力豪华车。
这款混合动力车属于梅赛德斯-奔驰S级，被命名为“梅赛德斯-奔驰S400HYBRID”。
奔驰在技术上的创新从来都不会终止，无论从安全、舒适、动力，还是环保与节能上，都成绩斐然，随着S400HYBRID的出现将为全球汽车工业重新树立环保豪华车的新标杆。
新款奔驰S400HYBRID是基于S350而又有重大的改变。
其改变包括了改进的3.5L的V6汽油发动机和新增加的电子电机，为协调hybrid模块的需要而改进的7速自动变速器，电压转换器和锂电子电池。
紧凑的Hybrid模块由碟盘式的电子电机组成，其主要有启动机和高压发电机。
此系统有两个优点：
一省油，二增加驾驶娱乐。
其原因在于：
第一，电子电机在高消耗的加速阶段为发动机提供相应的动力，驾驶员从发动机和电子电机这两个主要的部件中协调获得动力。
此Hybrid模块同样装备有Start-stop功能，此功能在车辆停止的时候，例如在交通灯状态下，自动熄火。
当它需要驾驶时，电子电机自动启动发动机而不会让使用者感觉到。
当车辆减速时，电子电机起高电压发电机的作用，而且能够通过“再生制动”过程恢复制动能量。
2009年夏季投放市场的奔驰S400HYBRID是梅赛德斯-奔驰的首款混合动力轿车，其搭载带有紧凑混合动力模块的增强型3.5LV6汽油发动机。
该款车型的发动机可产生205kW的输出功率，电动机可产生15kW的功率和160N?
m的起动扭矩，这使得发动机实现了220kW的综合功率和385N?
m的最大综合扭矩。
该车按照新欧洲行驶循环工况（NEDC）测量的综合燃油消耗量为7.9L/100km，CO2排放量仅为186g/km。
采用混合动力驱动技术使该车的动力性与环保性的矛盾得到化解，打破了只有小排量汽车才能实现环境保护的定论。
在此，本文将对该车的混合动力系统及主要技术亮点进行介绍。
一、混合动力驱动系统概述
奔驰S400HYBRID混合动力汽车是由电动机（集成起动机和发电机功能）作为发动机的辅助动力驱动汽车。
在起步和加速工况时，由于电动机的辅助，相比于相同排量的车辆，耗油量和CO2排放有所改善。
1.混合动力系统的组成（图1）
图1
奔驰S400HYBRID的混合动力系统组成如（图1）所示。
电动机与发动机直接相连，作为起动机和发电机使用，它由高电压蓄电池提供电源进行起动。
在此对S400HYBRID的混合动力系统几个高电压部件的作用进行简要介绍。
（1）高电压蓄电池（A100）
S400HYBRID的高电压蓄电池采用锂离子技术，它能够储存能量，并为电动机提供高压直流电源。
在充电时，需使用I/U充电方式，即首先以恒定电流充电，然后再以恒定电压充电。
（2）电动机（A79）
电动机按照工作需要可分别作为起动机和发电机使用，其输出功率可达15kW，并可产生高达240V的交流电压。
（3）DC/DC变换器（N83/1）
DC/DC变换器是一个双向直流电压变换器，其作用是：
在发动机停机时为12V蓄电池供电；辅助车辆进行跨接起动；助力期间为高电压蓄电池提供支持。
（4）电源电子装置（N129/1）
电源电子装置集成AC/DC变换器，它使三相电动机能够在高压直流车载电气系统上工作。
出于安全设计，其可在1s内完成自放电。
2.混合动力系统的功能
（1）发动机停止/起动
在静止时或车速低于最小值时，发动机会自动关闭。
当踩下加速踏板、释放制动踏板或高电压蓄电池的电量低于最小值，发动机会自动起动。
（2）再生制动
混合动力系统将制动扭矩分配给制动器和电动机，此时电动机作为发电机使用，将多余的制动扭矩转化为电能输送至高电压蓄电池为其充电。
（3）助力效果
混合动力系统的电动机在起步或加速时为发动机提供动力支持，在发动机处于较低转速时协助提高扭矩。
二、车辆各系统的改进
为了实现奔驰S400HYBRID的混合动力技术，车辆各主要系统均为此进行了改进和升级。
1.发动机系统
奔驰S400HYBRID装备的3.5LV6发动机是基于S350的发动机改造而来，采用自适应气门正时技术。
改造过程中，研发人员利用了阿特金森循环（一种增大发动机膨胀比的超膨胀发动机循环）膨胀阶段比压缩阶段持续时间长的优点，将进气与压缩阶段进气门保持打开的时间稍稍加长，其目的是提高发动机的热效率，同时降低燃油消耗率并减少未经处理的废气。
除了通过附加的电动驱动装置（电动机）优化扭矩和油耗以外，该款发动机的控制单元、气缸盖、活塞以及燃油泵等部件也进行了改进，使得发动机燃油消耗量降低的同时，功率提高了5kW，达到205kW，具体改进内容包括：
发动机控制单元由ME9.7改为ME17.7，这是为了满足混合动力的功能要求；采用运动型发动机气缸盖，可以实现效果更佳的充气运动（滚流运动）；采用运动型发动机活塞，在一定程度上降低了油耗；采用可调式燃油泵，降低了部分负荷时的油耗。
2.冷却系统
为了冷却电源电子装置和DC/DC变换器，S400HYBRID在发动机冷却系统中设置了用于冷却这2个元件的独立低温冷却回路（图2）。
图2
如图，当点火开关接通时，15号电源通过电源电子循环泵1的继电器K108供电给电源电子循环泵1（M13/8），M13/8开始工作，建立低温冷却系统压力。
然后，发动机控制单元根据电源电子冷却系统中冷却液的温度，通过电源电子循环泵2的继电器（K108/1）来控制电源电子循环泵2（M13/9）工作，实现对低温冷却系统的精确控制。
3.制动系统
图3
S400HYBRID的制动系统设置了再生制动系统（制动能量再生系统RBS）（图3），通过电动机使液压制动系统实现再生制动。
（1）再生制动系统工作原理
如图3所示，驾驶员的制动意图由踏板角度传感器检测，并传送到再生制动系统控制单元N30/6。
再生制动系统控制单元不断与电源电子控制单元通信，并发出制动扭矩请求。
电源电子控制单元向再生制动系统控制单元发送信号，指明有多少制动扭矩可再生吸收。
如果ABS系统未正确提供请求的制动扭矩或再生制动系统控制单元发出关闭指令，系统则关闭再生制动。
（2）再生制动系统的主要功能元件
①制动踏板（图4）
图4
踏板角度传感器B37/1利用霍尔传感器测量制动踏板的角位置，并将信息以2个信号电压的形式传送到再生制动系统控制单元N30/6。
混合制动灯开关S9/3将制动踏板的促动信号传送到再生制动系统控制单元N30/6。
②踏板力模拟器阀（图5）
图5
踏板力模拟器阀Y113用于激活踏板力模拟功能，或在发生故障的情况下将其停用。
在正常工作情况下，电磁线圈通电，使阀将缸径封闭，此时的踏板力模拟器阀Y113如同一个刚体，可自行支撑，因此操作制动器时，驾驶员可以感觉到模拟的踏板反作用力。
③RBS制动助力器和电动真空泵
发动机和电动真空泵均可用于为RBS制动助力器提供真空。
RBS制动助力器中的RBS电磁阀是制动操作的执行元件，该电磁阀由再生制动系统控制单元控制。
图6
RBS制动助力器（图6）中包括一个RBS真空传感器，可以测量RBS制动助力器真空腔中的真空度；一个RBS膜片行程传感器，用于记录RBS制动助力器膜片板的位置。
图7
电动真空泵（图7）由再生制动系统控制单元N30/6控制，用于保持制动助力器中的真空度，并维持起动/停止模式下的真空供给。
（3）再生制动系统的工作模式
①再生制动模式
如图3所示，在再生制动扭矩吸收期间，RBS电磁阀未被启动，所请求的制动扭矩由电动机产生。
此时，电动机作为发电机使用，将制动所产生的能量转化为电能，液压制动器不参与制动。
并且，再生制动系统控制单元会促动踏板力模拟器阀Y113，使踏板力模拟器模拟踏板阻力，因此，虽然液压制动器没有工作，驾驶员仍可感觉到近似于平时踩制动踏板时的反馈力。
②再生加液压制动模式
在此模式下，再生制动系统控制单元促动踏板力模拟器阀Y113，使踏板力模拟器模拟踏板阻力；RBS电磁阀A7/7y1由再生制动系统控制单元促动，并因此增加液压制动器的制动压力，而与踏板位置无关；此时自由行程3未结束，再生制动扭矩有一部分由电动机产生。
③液压制动模式
如果制动扭矩无法被再生制动系统吸收，再生制动系统控制单元会促动踏板力模拟器阀Y113，使踏板力模拟器模拟踏板阻力；RBS电磁阀A7/7y1由再生制动系统控制单元促动。
这种情况下，Y113会启用一项功能来增加液压制动器的制动力，此时自由行程3仍未结束。
④液压辅助
在紧急制动或出现故障信息的情况下，再生制动系统控制单元不再促动踏板力模拟器阀Y113。
此时自由行程3结束，制动助力器A7/7由制动踏板直接促动，利用牵引系统液压单元A7/3和制动助力器产生并增加制动压力。
4.自动变速器系统
奔驰S400HYBRID搭载7挡722.950型自动变速器，该变速器针对混合动力驱动进行了改进。
除了新版变速器控制软件之外，还采用了变速器电动辅助油泵，且变矩器和变矩器外壳也做了改进。
（1）变速器电动辅助油泵
奔驰S400HYBRID使用的是带电液控制的自动变速器和由主轴驱动的发动机机油泵，当发动机停机时，机油供给就会中断，这将导致所有控制元件和执行元件均进入无负载的标准状态，且自动变速器也不再工作。
这样一来，当发动机再次起动后，由于变速器的油压不能及时建立，当挂入D挡时，会造成起步动作延迟，通过使用变速器电动辅助油泵可以改善这种情况。
图8
变速器电动辅助油泵集成了变速器辅助油泵控制单元N89（图8），位于变速器钟形外壳的下面。
该泵执行2项功能：
在发动机关闭时确保液压系统的变速器油供给；在热怠速模式下的滑行降挡期间为主泵提供支持。
5.空调系统
图9
奔驰S400HYBRID的空调系统也针对混合动力驱动系统做了一些改进，加装了用于在发动机关闭时保持车辆内部制冷和高电压蓄电池冷却的电动制冷压缩机（图9）。
图10
高电压蓄电池冷却的工作过程（图10）：
蓄电池管理系统BMS控制单元分析来自高电压蓄电池组电池温度传感器的数据，计算出即时高电压蓄电池温度；当温度超过标准范围时，蓄电池管理系统控制单元将高电压蓄电池温度状态通过发动机控制单元N3/10和中央网关控制单元N93传送到空调控制单元；空调控制单元启动对高电压蓄电池的冷却功能，由发动机控制单元通过CAN总线接通蓄电池管理系统控制单元和电动制冷压缩机；空调切断阀Y19/1打开，制冷剂流经集成在蓄电池管理系统控制单元中的蒸发器，热量从高电压蓄电池中散出。
6.转向系统
图11
为实现即使在发动机自动停机期间仍能提供充足的转向助力，需要将转向助力与发动机分开，确保转向助力的独立。
奔驰S400HYBRID的转向助力由齿轮-齿条式转向机本身调节，通过电液动力转向机构A91/1（图11）的电动转向油泵以液压的方式进行。
采用这种改进的转向助力系统，还同时降低了油耗。
锂离子电池组：
锂离子电池相比于镍金属电池有着能量密度大，效率更高的优点。
为了不影响S级轿车空间大、舒适的特点，这套由德国大陆（Continental）和JCSSaft一同研发紧凑型的锂离子电池结构非常的紧凑，直接就可以装在发动机舱内，它一共由35个电池单元组成，可以提供19KW的动力，容量为6.5Ah。
这个电池组还同整车的空调冷却循环系统连接，因此它可以独立的进行降温冷却（锂离子电池有严格的工作温度，温度太高太低都会影响电池的寿命），而不受发动机的影响。
另外这套系统还整合了一个特殊截止阀门，在空调关闭的时候也不会影响电池的冷却。
当发动机不工作时，空调压缩机不仅带动空调，还能够保证电池在理想的温度下工作。
S400所使用的锂离子电池组
全新的控制策略：
S400混合动力的控制策略是围绕start/stop自动启停、制动能量回收、电动机和负荷点转变展开的。
负荷点转变通俗地说就是将发动机的工作工况集中到燃油消耗低的转速范围，同时依靠电动机（e-motor）来弥补扭矩小的缺点。
在通常情况下，控制系统只允许锂离子电池的放电循环保持在较低工况模式下，只有在装在油门踏板上的传感器探测到司机需要大功率输出的情况下，才会让锂离子电池的放电工况加大。
电池充放电的指示大部分时间只在5%的范围内浮动，幅度达到10%的机会稍少，而超过10%将会非常的少。
这意味着这套混合动力系统日常情况只使用锂离子电池组总电量的10%左右，这就是为什么奔驰能够提供10年的电池寿命维护，因为它的工作量很小，寿命随着延长。
基于S350开发而来低功率电机辅助
奔驰S400BlueHYBRID基于奔驰S350开发而来，使用了一套并联轻度混合动力系统，也就是俗称的弱混合动力技术，在3.5L的发动机和7挡自动变速器之间连接了一台15KW的电动机（e-motor），还有用于能量储存的锂离子电池组，用于电能变换的电力电子系统以及一些辅助装置。
同时，这套系统还提供了Start/Stop自动启停功能，以及对制动能量回收和电传控制的支持。
3.5L的汽油发动机可以输出279马力的最大功率和225牛米的最大扭矩。
电动机可以输出20马力（15KW）的最大功率和160牛米的最大扭矩，因此总的最大输出功率可以达到299马力，最大扭矩达到385牛米，综合油耗达到7.9L/100km，二氧化碳排放量达到了同一级别最低的190g/km。
最大扭矩160牛米的15KW三相永磁电动机
虽然从输出功率来看这台电动机的功率有点小，但是奔驰的Wiedemann博士表示“对于这款S400所使用的动力系统来说，油耗最小的时候出现在电动机功率在15-16KW的时候，所以这就是为什么我们选择这款电动机的原因"。
这台紧凑型的电动机除了可以提供额外的功率外，还担当了起动机和发电机的工作。
另外这种碟形电动机还能有效降低发动机曲轴产生的扭转振动，进一步减少噪音和振动，给车内的乘客带来更舒适的驾乘感受。
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