DIE GESCHICHTE VON HYBRID-SYSTEMEN IN DER S-KLASSE

Die erste Hybrid-Generation bei Mercedes-Benz wurde 2009 im S 400 Hybrid als P1-System mit 20 kW elektrischer Antriebsleistung vorgestellt. Die Stärken dieses Vollhybrid-Systems waren eine gesteigerte Effizienz durch regeneratives Bremsen und eine bessere Agilität durch elektrischen Boost bei gleichzeitig geringem Zusatzgewicht des Hybridsystems.

Die zweite Hybridgeneration wurde als P2-Konfiguration eingeführt. In der S-Klasse wurden 20 kW elektrische Leistung mit einem Benzinmotor in der S 400 h und einem Dieselmotor in der S 300 h kombiniert. Das erste Plug-in-Hybridsystem von Mercedes-Benz wurde 2014 als S 500 Plug-in Hybrid angeboten. Die Möglichkeit, in einem externen Stromnetz zu laden, ermöglichte eine Erhöhung der Batteriekapazität. Der verfügbare Bauraum ermöglichte einen Energiegehalt von 8,7 kWh, was einer elektrischen Reichweite von 33 km entspricht. Der Elektroantrieb könnte auch bis 85 kW und 340 Nm ausgelegt werden, was zusammen mit dem 245 kW starken Sechszylinder-Benzinmotor eine Fahrleistung ermöglicht, die der eines Achtzylindermodells entspricht.
Im Rahmen des Facelift-Pakets 2017 für die S-Klasse haben sich die Hybrid-Komponenten von der zweiten in die dritte Generation weiterentwickelt und um das neu entwickelte 9-Gang-Wandler-Hybridgetriebe 9G-Tronic ergänzt. Der Hybridantrieb kombiniert den Sechszylinder-Verbrennungsmotor M276 (270 kW und 500 Nm) mit 90 kW und 440 Nm elektrischer Leistung. Ein verbesserter Energiegehalt von jetzt 13,5 kWh in der HV-Batterie und eine bessere Effizienz des Antriebsstrangs erweitern die maximale Reichweite im reinen E-Modus auf rund 50 km im NEFZ.



ANTRIEBSSTRANG UND KOMPONENTEN

Das 9G-Tronic Plug-in-Hybridgetriebe ergänzt das konventionelle Neungang-Automatikgetriebe um einen Hybrid-Traktionskopf mit integriertem Umrichter, den Entkoppler und einen leistungsstarken Elektromotor, BILD 1. Darüber hinaus baut das Aggregat auf den Genen des Hauptgetriebe, zu denen ein hervorragender Schaltkomfort, kaum wahrnehmbare Schaltvorgänge und eine hohe Anhängelast gehören. Im Hybrid-Modus stehen mit der stärksten Variante des 9G-Tronic-Hauptgetriebes bis zu 700 Nm Antriebsdrehmoment zur Verfügung.






Ein Highlight des neuen Hybrid-Traktionskopfs ist seine extrem kompakte Bauweise, die durch die innovative Integration und Verbindung von Entkoppler, Schwingungsdämpfern und Wandlerüberbrückungskupplung im Rotor des Elektromotors erreicht wurde. Insgesamt wurde die Länge des Getriebes im Vergleich zum Hauptgetriebe 9G-Tronic um lediglich 108 mm verlängert.

Das Plug-in-Hybrid-Getriebe 9G-Tronic zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus und verbessert die Gesamteffizienz des Antriebsstrangs beim rein elektrischen Fahren deutlich. Anders als der Traktionskopf der zweiten Generation, bei dem der Elektromotor direkt mit dem Getriebeeingang verbunden war und eine Nasskupplung als Anfahr- und Entkupplungskupplung verwendet wurde, nutzt das 9G-Tronic Plug-in-Hybridgetriebe einen Drehmomentwandler zwischen den Elektroantrieben Motor und Getriebe zum Anfahren. Der Entkoppler könnte in Bezug auf das Reibungsdrehmoment optimiert werden, ohne die Einheit speziell für die Anfahrleistung zu entwerfen, um Verluste während des elektrischen Antreibens zu reduzieren.

Um die Schwingungsentkopplung zu optimieren, verfügt das Hybridgetriebe über zwei Schwingungsdämpfer, die die vom Verbrennungsmotor erzeugten Anregungen dämpfen. Der erste Schwingungsdämpfer ist zwischen Motor und Getriebe integriert, der zweite ist in die Wandlerbaugruppe integriert. Der Elektromotor wurde für das Plug-in-Hybridgetriebe 9G-Tronic neu entwickelt. In Kombination mit der neuen, deutlich weiterentwickelten Leistungselektronik konnten Leistung und Drehmomentdichte nochmals deutlich verbessert werden. Die elektrische Leistung von 90 kW und 440 Nm unterstreicht das mühelose Fahrerlebnis einer S-Klasse, BILD 2.





Der Elektromotor basiert auf dem Prinzip einer permanent erregten Synchronmaschine und ist als Innenläufer ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Vorteile einer hohen Effizienz in Kombination mit einer hohen Leistungsdichte voll ausgeschöpft werden können. Der Stator ist fest im Zugkopfgehäuse integriert und der Rotor befindet sich zwischen der Trennkupplung und dem Getriebeeingang. Um die Leistung des Elektromotors während Spitzen- und kontinuierlicher Leistungsabgabe zu maximieren, kann die Anordnung wie von einem Stator- und Rotorkühlsystem benötigt gekühlt werden.

Ein Highlight der neuen Lithium-Ionen-Batterie ist der höhere Energiegehalt von 13,5 kWh bei Beibehaltung der bisherigen Abmessungen. Dadurch war es möglich, die Batterie in den besonders gut geschützten Bauraum oberhalb der Hinterachse weiter zu integrieren. Die Batterie wurde im Hinblick auf den maximalen Kundenwert in Bezug auf den Gepäckraumraum und das Kraftstofftankvolumen dimensioniert. Der Wegbereiter für die Erhöhung der Energiedichte ist die Evolution der Batteriezellenchemie von Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePo) zu Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt (Li-NMC), die die Zellkapazität von 22 Ah auf 37 Ah deutlich erhöht. Weitere Entwicklungsziele für die neue Batterie waren die Verbesserung der elektrischen Systemleistung ohne Beeinträchtigung der Sicherheit oder Lebensdauer. Eines der Sicherheitsmerkmale ist das außerhalb des Batteriegehäuses montierte Kühlsystem.

Im Vergleich zum Vorgängersystem wurde die Ladekapazität des Bordladegeräts von 3,6 kW auf 7,2 kW erhöht, so dass die Ladezeit für das vollständige Laden der Batterie trotz der erhöhten Akkukapazität konstant unter 2 Stunden bleibt. Auch wenn das Fahrzeug an eine herkömmliche Steckdose angeschlossen ist, wird die Ladezeit von 7 h nicht überschritten.

Das Hochvolt-Bordnetz dient nicht nur zur Stromversorgung der Antriebsstrangkomponenten, sondern auch des elektrischen Kältemittelverdichters und der Hochspannungs-PTC-Heizung. Beide Einheiten werden verwendet, um die Klimatisierung der Vorkonditionierung des Innenraums im Sommer und Winter zu realisieren. Ein DC / DC-Wandler speist das 12-V-Bordnetz sowie den Anlasser, die Servolenkungspumpe und die Vakuumpumpe des regenerativen Bremssystems, BILD 3.







INTELLIGENTES POWERTRAIN-MANAGEMENT

Das intelligente Powertrain-Managementsystem umfasst folgende Funktionen:

- hybride Betriebsstrategie
- Gangwechselstrategie
-- Energiemanagement
- Wärmemanagement
- Regenerationsmanagement
- Motor- und Batteriesteuerung.

Eine Innovation der dritten Hybridgeneration ist das erweiterte Angebot an vorausschauenden Funktionen und die verbesserte Nutzung von ADAS-Datenmaterial aus dem Navigationssystem. Diese Ergänzungen ergänzen die Informationen, die von der Bordkamera und dem Radarsensor zur Verfügung gestellt werden. Während der aktiven Zielführung liefern ADAS-Daten (Advanced Driver Assistant System) Informationen zum Routenprofil. Neben dem Geschwindigkeitsprofil und der Topologie der Route werden Ereignisse wie Stadtpassagen bei der Planung der optimalen Nutzung der verfügbaren elektrischen Energie und der thermischen Konditionierung der Antriebsstrangkomponenten berücksichtigt. Die reine elektrische Fahr-, Lade-, Schalt- und Kühlstrategie wird dann entlang der Route basierend auf der Analyse der vorausfahrenden Strecke optimiert, BILD 4.







ECO-ASSISTENT

Der ECO-Assistent der aktuellen Hybrid-Generation unterstützt den Fahrer bereits mit den Funktionen des haptischen Fahrpedals zu einem umweltfreundlichen und komfortablen Fahrstil. Zum Beispiel zeigt ein variabler Druckpunkt im Pedal die maximal verfügbare elektrische Fahrleistung an. Wenn der Fahrer das Pedal über diesen Punkt hinaus drückt, startet der Verbrennungsmotor. Der Fahrer erhält zudem eine Empfehlung, das Gaspedal durch einen wahrnehmbaren Doppelimpuls im haptischen Pedal zu lösen. Entspricht der Fahrer der Empfehlung, wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet und vom Antriebsstrang entkoppelt. Basierend auf den Informationen, die von dem Radarsensor geliefert werden, wird das Fahrzeug entweder durch Ausrollen oder durch Anlegen eines variablen regenerativen Bremsmoments in Abhängigkeit von der Fahrsituation abgebremst. Die Fahrempfehlung wurde zuvor in Abhängigkeit von der Entfernung und Relativgeschwindigkeit zum vorausfahrenden Fahrzeug ausgelöst.

In der neu gestalteten S-Klasse nutzt der ECO-Assistent nicht nur Radarprojektionsdaten, sondern auch vorausschauende Informationen (Advanced Driver Assistant System Interface Specifications) aus dem Navigationssystem zur Berechnung der Routentopologie inklusive aller geltenden Geschwindigkeitsbegrenzungen. Diese Information wird durch die Verkehrszeichenerkennung der Onboard-Kamera ergänzt. Basierend auf den zusammengeführten Informationen wird eine Zielgeschwindigkeit jeder im Voraus erkannten Situation zugewiesen. Dies ermöglicht nicht nur die Bewertung des Streckenprofils hinsichtlich der Energieeffizienz, sondern auch die Berücksichtigung anstehender Kurven, Abfahrten, Kreisverkehre, Kreuzungen und Geschwindigkeitsbegrenzungen. Der ECO-Assistent vergleicht die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit mit der Zielgeschwindigkeit, die einem bevorstehenden Ereignis zugeordnet ist. Überschreitet das Fahrzeug die vom ECO-Assistant berechnete optimale Geschwindigkeit, wird in der Headunit die Empfehlung "Fuß vom Gas gehen" angezeigt. Wenn der Fahrer der Empfehlung folgt, wird die energieeffizienteste Art der Verzögerung zwischen Leerlauf oder regeneratives Bremsen gewählt.

Eine weitere Neuerung ist die Visualisierung der Fahrempfehlung zusätzlich zum Impuls des haptischen Fahrpedals. ABBILDUNG 5 gibt einen Überblick über die Fahrvorgänge, die auf dem Multifunktionsdisplay angezeigt werden. ABBILDUNG 6 zeigt die ECO-Assistent-Nachricht auf dem Multifunktionsdisplay für einen ankommenden Kreisverkehr. In Zeiten, in denen kein relevantes bevorstehendes Ereignis vorliegt, simuliert eine sich bewegende Grafik die Vorwärtsbewegung. Die Fahrempfehlung "Take foot off accelerator" erscheint, sobald die Fahrzeuggeschwindigkeit die vom ECO-Assistant berechnete Zielgeschwindigkeit überschreitet, wenn sich das Fahrzeug dem Kreisverkehr nähert.

Die Entfernung des Fahrzeugs zum Ereignis wird mithilfe von Balken visualisiert. Solange der Fahrer auf dem Gaspedal steht und die ersten Balken in der Abbildung grün pulsieren, wird die Meldung "Gas vom Gas nehmen" angezeigt. Wenn der Fahrer das Gaspedal loslässt und es bis zum Kreisverkehr nicht mehr benutzt, werden alle Balken grün markiert und die Meldung "Fuß vom Gaspedal nehmen" verschwindet. Wenn der Fahrer das Gaspedal zu spät loslässt, bleiben die unteren Balken grau schattiert. Wenn der Fahrer vor Erreichen des Kreisels beschleunigt, bleiben die oberen Segmente grau hinterlegt.











VORAUSDENKENDE SCHALTSTRATEGIE

Der S 500e in der zweiten Hybridgeneration nutzte bereits Informationen des Radarsensors zur Optimierung der Gangschaltungsstrategie. Wenn der Fahrer zum Beispiel ein vorausfahrendes Fahrzeug einholte, wurde während der Verzögerung ein Hochschalten verhindert, so dass der Fahrer beim Überholen in dem optimalen Gang beschleunigen konnte.

Diese Funktion wurde um die prädiktive Schaltstrategie in der neu gestalteten S-Klasse erweitert. Ziel ist es, durch die Vorhersage bestimmter Fahrsituationen wie Kurvenfahrt, Kreisverkehr und Bergauffahrt die beste Gangart zu wählen. Bei fehlender prädiktiver Logik können diese Ereignisse nur durch eine Interpretation des Fahrzeugverhaltens erkannt werden, so dass Schaltvorgänge bisher nur zeitverzögert eingeleitet werden konnten.

Bei der Kurvenfahrt oder beim Durchfahren eines Kreisverkehrs kann die überfällige Erkennung der Fahrsituation dazu führen, dass die Rückschaltung beim Abbremsen vor Erreichen der Kurve so spät eingeleitet wird, dass sie in eine zusätzliche Rückschaltung zum Abbremsen gerät. Zusätzlich zu den Nachteilen hinsichtlich des Schaltkomforts musste auch das Ausgangsdrehmoment begrenzt werden, bis der Schaltvorgang abgeschlossen war.

Im Eco- oder Comfort-Fahrmodus verhindert die Prädiktionslogik kurz vor dem Einfahren in eine Kurve ein spätes Hochschalten
ein Kreisverkehr, so dass weniger Gangwechsel notwendig sind, BILD 7. Außerdem kann ein Herunterschalten vor dem Ausgang einer Kurve vorgezogen werden, so dass das Auto bei optimaler Motordrehzahl beschleunigt.




Im Sport-Modus erhöht die prädiktive Logik das sportliche Fahrgefühl für den Kunden durch aktives Herunterschalten vor Erreichen einer Kurve oder eines Rundlaufs. Darüber hinaus bietet eine frühe Rückschaltung ein höheres Rekuperationspotential der Bremsenergie.

Bei Annäherung an eine Steigung nimmt die Motordrehzahl ab, wenn das Fahrpedal in einem konstanten Winkel gehalten wird, was hinsichtlich Geräusch und Vibrationen und Schaltkomfort nicht günstig ist. Durch die Nutzung der prädiktiven Logik kann ein Herunterschalten kurz vor Erreichen des Fußes eines Hügels eingeleitet werden, um das mühelose Fahrerlebnis mit optimaler Schaltbarkeit aufrechtzuerhalten. Ein Hochschalten kurz vor Erreichen des Hügels wird in diesem Szenario ebenfalls verhindert, um die Anzahl der Schichten zu reduzieren.