Die A-Klasse ist das sechste Mercedes-Benz Modell, das mit einem Plug-in-Hybridantrieb angeboten wird. Das Gesamtkonzept verbindet das alltägliche vollelektrische Fahren mit hoher Leistung und dem Langstreckenkomfort konventioneller Antriebe. Das Fahrzeug bietet eine elektrische Reichweite von rund 70 km und eine kombinierte Systemleistung von 160 kW. Dieser Artikel klassifiziert und beschreibt den Antriebsstrang und behandelt die hybrid-spezifischen Funktionen.


Positionierung im Produktportfolio

Mercedes-Benz bietet Plug-in-Hybridantriebe in den Klassen C, E und S sowie in den SUVs GLC und GLE an. Das Herzstück des modularen Hybridsystems ist ein Traktionskopf, der zwischen dem Verbrennungsmotor und dem neunstufigen automatischen Getriebe (9G-Tronic) angeordnet ist. Der Hybrid-Traktionskopf beinhaltet einen Drehmomentwandler, eine Trennkupplung und einen leistungsstarken Elektromotor in einem kompakten Gehäuse. Der Elektromotor leistet 90 kW Leistung und 400 Nm Drehmoment und wird von einer 13,5 kWh Batterie in der aktuellen Hybridfahrzeuggeneration versorgt. Diese Batterie besteht aus 37-Ah Lithium-Nickel-Mangan-Mangan-Kobalt (Li-NMC) Zellen in einer 1p100s-Konfiguration. Dies ermöglicht eine elektrische Reichweite von rund 50 km im NEFZ[1].

Die Batterie im 2019 GLE besteht aus einem 2p100s-Layout und erreicht mit 43-Ah-Zellen einen Energiegehalt von 32,2 kWh, was zu einer elektrischen Reichweite von ca. 100 km führt. Die beiden parallelen Zellketten erhöhen die Strombelastbarkeit und ermöglichen eine erhöhte elektrische Leistung von 100 kW. Das Portfolio der Verbrennungsmotoren umfasst einen 2-l-Vierzylinder-Benzinmotor mit 155 kW (M274), einen 3-l-Sechszylinder-Benzinmotor mit 270 kW (M276) und einen 2,0-l-Vierzylinder-Diesel mit 143 kW (OM 654)[2].


Fahrzeugintegration des Plug-in-Hybridantriebsstrangs

Bei der Konzeption der Mercedes-Benz Frontantriebsarchitektur MFA2 wurden die Anforderungen an die Integration eines Hybridsystems bereits in der frühen Konzeptphase berücksichtigt. Ziel war es, die Kommunikation mit dem konventionellen Antriebsstrang zu maximieren sowie Komponenten aus dem bestehenden Hybridsystem zu übernehmen und gleichzeitig die anspruchsvollen Fahrzeuganforderungen zu erfüllen. Daher wurde ein ganzheitlich optimiertes Paket konzipiert, um ein Fahrzeug mit maximalem Nutzen anzubieten.

Ein Konstruktionsziel für die Integration der Hybridkomponenten war es, die Position der umgebenden Peripheriegeräte vom konventionellen Antriebsstrang möglichst beizubehalten. Daher wurde die Position des Doppelkupplungsgetriebes 8F-DCT festgelegt und der Motor um 48,6 mm quer bewegt, um Platz für den P2-Hybrid-Traktionskopf zu schaffen. Um diese Verschiebung zu ermöglichen, wurden die Längsträger so konfiguriert, dass das Spiel für Montage- und Motorbewegungen des Querantriebsstrangs eingehalten wird.

Durch die Bewegung des Motors könnte der resultierende Bauraum genutzt werden, um die Leistungselektronik aus dem bestehenden Hybridsystem in einer zentralen Position zu integrieren, Figur 1. Diese Position optimiert die Ausnutzung des Bauraums und sorgt für kurze Verkabelungslängen zwischen den Hochspannungskomponenten. Die Position der 12-V-Batterie einschließlich Sicherungskasten wurde beibehalten, um Änderungen am bestehenden Niederspannungs-Kabelbaum zu minimieren.




Herkömmlich angetriebene Fahrzeuge verpacken den Kraftstofftank im crashgeschützten Raum vor der Hinterachse und unter der Rücksitzbank. Die Form und Größe dieses Raumes ermöglicht die Übertragung der Hochvoltbatterie aus dem bestehenden Hybridsystem, Abbildung 2 und Tabelle 1. Eine Halterung und eine Stahlplatte werden hinzugefügt, die als Unterbodenschutzabdeckung dienen. Die Hochvoltbatterie wiegt ca. 130 kg, was zu einer Gewichtsverteilung von 58 % an der Vorderachse und 42 % an der Hinterachse führt. Durch den Einsatz einer Verbundlenkerachse ist im Heck des Fahrzeugs Platz für einen 35-l-Kraftstofftank vorhanden. Zum Einsatz kommt ein hybridspezifischer Stahldruckbehälter, der die gesetzlichen Anforderungen an die Kraftstoffemissionen auch bei längerem Stillstand des Fahrzeugs erfüllt.



Durch die Verwendung einer vorhandenen Hochvoltbatterie und die Unterflurintegration kann das Abgasrohr nicht mehr nach hinten geführt werden. Diese Herausforderung wird durch ein innovatives Frontauspuff-System gelöst, das den Abgas in Richtung Fahrzeugmitte innerhalb des Endschalldämpfers umleitet. Dieses System ist vollständig in den Fahrzeugtunnel integriert. Durch den Einsatz einer motornahen CAT-Box und eines Benzinpartikelfilters erfüllt das Fahrzeug bereits heute die Abgasnorm Euro 6d.

Die Ladebuchse der Plug-in-Hybridvariante befindet sich in der rechten C-Säule auf ergonomischer Höhe. In unmittelbarer Nähe befinden sich das bordeigene Ladegerät und die DC-Box im Kofferraum unter dem Laderaum. Durch einen hybrid-spezifischen Heckwanne und eine optimierte Verpackung wird ein Kofferraumvolumen von 310 l erreicht.

Die Gesetzgebung verlangt einen minimalen Geräuschpegel bei niedrigen Geschwindigkeiten, um die Sicherheit der Fußgänger zu gewährleisten. Zwei Klangerzeuger sind implementiert, um die Einhaltung der Vorschriften während der elektrischen Fahrt zu gewährleisten und gleichzeitig einen markentypischen, komfortablen Innengeräuschpegel zu erhalten. Je nach Fahrtrichtung übernimmt der Front- oder Hecklautsprecher die höhere akustische Belastung, was für einen harmonischen Klang von innen und außen sorgt.


Plug-in Hybrid-Antriebsstrang

Der Plug-in-Hybrid-Antriebsstrang für Kleinwagen von Mercedes-Benz ist als P2-Parallelhybrid ausgeführt, Bild 3. Ein längenoptimierter 1,4-l-Vierzylinder-Benzinmotor mit maximal 118 kW Leistung und 250 Nm Drehmoment (M282) ist implementiert[3]. Durch einen kurzen Zylinderabstand von 85 mm und ein Delta-Zylinderkopfkonzept ist der Motor konsequent auf Kompaktheit und geringes Gewicht optimiert. Technologisch gesehen ist der Motor mit seinem teilintegrierten Abgaskrümmer, Partikelfilter, variablem Ventilhub, Direkteinspritzung mit Magnetventilinjektoren und reibungsoptimierten beschichteten Zylinderwänden auf dem neuesten Stand der Technik. Während die konventionelle Top-Version des M282 die Vorteile der Zylinderabschaltung nutzt, fehlt diese Technologie in der Plug-in-Hybridvariante. Dies ist auf NVH-Anforderungen zurückzuführen, die das dynamische Downsizing nur auf Teillasten des Motors beschränken, bei denen Plug-in-Hybride dazu neigen, im Elektromodus zu fahren oder Lastverlagerungen zu nutzen.



Lange Stand-by-Intervalle des Verbrennungsmotors während der vollelektrischen Fahrt sind ein Merkmal des Hybridbetriebs. Um die Robustheit der Hauptlager zu erhöhen, wird daher eine Polymerbeschichtung aufgebracht. Dies erhöht zudem die Verschleißfestigkeit durch häufiges Starten des Motors. Neben dem Antrieb des Fahrzeugs startet der Elektromotor auch den Motor, so dass kein Ritzelstarter erforderlich ist. Zusammen mit dem erhöhten NVH-Komfort reduziert dies die Kosten erheblich.

Das von Mercedes-Benz entwickelte neue 8-Gang-Automatik-Hybridgetriebe besteht aus dem konventionellen 8-Gang-Doppelkupplungsgetriebe und einem Hybrid-Traktionskopfmodul. Letzteres beinhaltet den Elektromotor, eine Trennkupplung und die Getriebekupplungen. In dieser Konfiguration ist eine verlustarme Nasstrennkupplung im Rotor des Elektromotors untergebracht, die eine ultrakompakte Traktionskopfbauweise ermöglicht. Ein innovatives Getriebesatzkonzept sorgt zudem für Kompaktheit. Dieses Konzept realisiert zwei getrennte Teilgetriebe, eines mit den ungeraden Gängen 1, 3, 5, 7 und das andere mit den geraden Gängen R, 2, 4, 6, 8, die jeweils mit einer der beiden Doppelkupplungen verbunden sind. Der nächste Gang kann im entsprechenden Untergetriebe vorgewählt werden, das kurze und präzise Schaltvorgänge durch Schließen einer Kupplung und gleichzeitiges Öffnen der anderen bewirkt. Mit einer hohen Übersetzung von 8,81 unterstützt das Getriebe eine starke Anfahrbeschleunigung sowie ein sanftes, effizientes Ausrollen auf der Autobahn.

Der Einsatz von ölgekühlten Lamellenkupplungen ermöglicht funktionale Vorteile bei gleichzeitig schnellem und präzisem Schaltverhalten. Diese Konstruktion zeichnet sich durch erhöhte thermische Robustheit und Zuverlässigkeit aus und ermöglicht eine hohe Anhängelast von 1600 kg. Damit setzt der Hybrid-Antriebsstrang Maßstäbe im Segment der Kleinwagen. Die erforderliche Getriebekühlung wird durch ein Konzept mit zwei Ölpumpen erreicht. Während die mechanische Getriebeölpumpe die Grundlast verwaltet, deckt die integrierte elektrische Hilfsölpumpe Fahrsituationen ab, in denen eine Spitzenkühlung erforderlich ist. Die Elektropumpe bietet auch die Möglichkeit, das Getriebe kurz vor dem Motorstart mit Öl zu versorgen und das Park-by-Wire-System[4] zu betätigen.

Der Elektromotor mit 75 kW und 300 Nm Drehmoment ist der Schlüssel zum mühelosen elektrischen Fahren und zur dynamischen Leistung im Zusammenspiel mit dem Verbrennungsmotor, Figur 4. Sie ist als permanentmagneterregte Synchronmaschine konzipiert und ermöglicht so einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe Leistungs- und Drehmomentdichte. Darüber hinaus tragen die hohe Steifigkeit des Hauptgetriebes und die schräge Anordnung der Rotormagnete zu einem optimierten akustischen Verhalten bei.



Die Batteriezellentechnologie wird ausgewählt, um die Zellkapazität zu optimieren und gleichzeitig die gewünschten Leistungsdaten zu erreichen. Die Leistung und der Leistungsbedarf im Kompaktwagensegment ermöglichen es, die Zelltechnologie aus der bestehenden Hochvoltbatterie P2-90 anzupassen. Die Zellchemie bleibt Li-NMC, jedoch erhöhen technische Änderungen die Zellkapazität von 37 auf 43 Ah. Dadurch stieg der Energiegehalt der Batterie auf 15,6 kWh. Aus der bestehenden Batterie wurden das Gehäuse mit seinem externen Kühlsystem, das zweizellige Modullayout und der 1p100s-Anschluss übernommen.

In der Grundausstattung ist das Fahrzeug mit einem 7,2 kW AC-Ladesystem ausgestattet, mit dem die Batterie in weniger als 2 h vollständig geladen werden kann, Bild 5. Bei Verwendung einer handelsüblichen Haushaltssteckdose verlängert sich die Ladezeit auf ca. 7 h. Optional ist eine DC-Ladung mit einer Leistung von 24 kW erhältlich. Die Ladezeit reduziert sich dann beim Laden von 10 auf 80 % des Ladezustandes auf ca. 25 min. Die Komponenten des Ladesystems werden aus dem bestehenden Hybridsystem übernommen.




Das Hochspannungs-Bordnetz dient nicht nur zur Energieversorgung der Antriebsstrangkomponenten, sondern auch des elektrischen Kältemittelverdichters und des Hochspannungs-PTC-Heizers. Beide Geräte dienen der klimatischen Vorkonditionierung des Innenraums. Zusätzlich erfolgt die aktive Kühlung der Batterie über den elektrischen Kältemittelverdichter während der Gleichstromfüllung. Ein DC/DC-Wandler versorgt das 12-V-Bordnetz sowie die Lenkhilfepumpe und die Vakuumpumpe des regenerativen Bremssystems.


Antriebsarten und Betriebsstrategie

Die neue Telematikgeneration NTG 6 stellt eine neue Fahrmodusstruktur vor, die die Fahrmodi Elektrik, Komfort, Eco, Sport und Batteriestand bietet. Je nach Anforderung können die Fahrer entweder vollelektrisches Fahren, die Fahrzeugleistung durch die kombinierte Nutzung beider Antriebsquellen oder das Fahren mit Verbrennungsmotoren zur Aufrechterhaltung des elektrischen Fahrbereichs priorisieren.

Die dritte Generation der Mercedes-Benz Hybridantriebe nutzt die Routendaten des Navigationssystems im Rahmen des intelligenten Antriebsstrangmanagements. Im Hybridbetrieb werden der elektrische Fahrbetrieb, die Batterieaufladung, die Gangschaltungen und das Wärmemanagement des Antriebsstrangs auf das Geschwindigkeitsprofil und die Topologie der Strecke optimiert. Diese prädiktiven Funktionen werden nun auch im Segment der Kleinwagen angeboten.

Auch die eco assist Funktion wurde auf die A-Klasse übertragen. Es zeigt eine Empfehlung zum Loslassen des Gaspedals basierend auf bevorstehenden Kurven, Gefällen, Kreisverkehren, Kreuzungen und Geschwindigkeitsbegrenzungen. Dies unterstützt eine wirtschaftliche Fahrweise und erhöht gleichzeitig die Rückgewinnung von Energie auf der gesamten Strecke. So kann eco assist durch die Verwendung von Navigationsdaten den Start einer energieoptimalen Verzögerung empfehlen, lange bevor der Fahrer von einem bevorstehenden Bremsereignis Kenntnis erlangt. Ohne Eco-Assist in solchen Situationen müsste die gleiche Geschwindigkeitsdifferenz in einem viel kürzeren Abstand reduziert werden, der die maximale Rekuperationsleistung überschreiten kann und somit die Verwendung von Reibungsbremsen erfordert. Während der eco assist die Rekuperation und damit die Fahrzeugverzögerung unter Berücksichtigung der Energieeffizienz anpasst, kann der Fahrer die Intensität der Rekuperation auch manuell auf sein gewünschtes Fahrverhalten einstellen. Fünf Intensitätsstufen der Regeneration sind über die am Lenkrad angebrachten Schaltwippen wählbar. Die daraus resultierende Verzögerung kann dabei von der Kalkulation bis zur Einpedalfahrt variiert werden[5].


Elektrische Alltagstauglichkeit

Die neue A-Klasse verfügt über das Multimedia-System Mercedes-Benz User Experience (MBUX), das mehrere Konnektivitätsdienste enthält, darunter Mercedes Me Charge, Abbildung 6. Dieser Service vereinfacht das Auffinden von Ladestationen, indem er Online-Informationen wie Ladesteckertypen, deren Verfügbarkeit sowie Ladetarife bereitstellt. Darüber hinaus ermöglicht die natürliche Spracherkennung, dass die Suche einfach mit der Aufschrift "Hey Mercedes, finde Ladestationen in der Nähe" ausgelöst werden kann. Für die meisten Ladestationen unterstützt MBUX den Ladevorgang auch durch komfortable Authentifizierung sowie die Bezahlung über die Mercedes Me App oder den zentralen Bildschirm des Fahrzeugs.



Eine Fahrverhaltensanalyse zeigt den Trend zu häufigen Kurzstrecken, während längere Strecken seltener vorkommen, Abbildung 7. Der Vorteil eines Plug-in-Hybrids besteht darin, dass er für die meisten Kunden den Alltag im vollelektrischen Modus abdeckt, während er den Verbrennungsmotor auf langen Strecken nutzt. Dies ermöglicht die Implementierung einer kleineren Batterie im Vergleich zu einem reinen Elektrofahrzeug, was zu einer geringeren Ressourcenauslastung und einem geringeren Batteriegewicht führt.




Eine konsequente Fokussierung auf den elektrischen Alltag spiegelt sich zum Beispiel in der Kalibrierung der Gaspedalkurve wider. Im elektrischen Fahrmodus werden die Parameter so eingestellt, dass der Verbrennungsmotor nur dann startet, wenn der "Kickdown-Schalter" aktiviert ist, d.h. wenn am Ende des Pedalweges weiterhin Druck ausgeübt wird.

Eine Analyse des Fahrverhaltens im Kompaktwagensegment zeigt, dass die Tagesdistanz von Fahrern, die weder zu kurzen noch zu langen Fahrten neigen (50-% Fahrer), an rund 300 Tagen im Jahr im 70 Kilometer langen elektrischen Bereich der Plug-in-Hybrid-A-Klasse liegt. Um den Anteil des elektrischen Fahrens abzuleiten, müssen jedoch auch das Ladeverhalten, der individuelle Fahrstil und der Energiebedarf für Nebenverbraucher wie die Klimatisierung berücksichtigt werden.


Zusammenfassung

Der Plug-in-Hybrid-Antriebsstrang in der Mercedes-Benz Kompaktwagenarchitektur verbindet nachhaltige Mobilität mit dynamischem Handling und Komfort. Es werden Standards für die Alltagstauglichkeit vollelektrischer Verbraucher durch starke elektrische Fahrleistungen und Reichweiten gesetzt. Darüber hinaus verbessern hybridspezifische Dienste innerhalb des MBUX-Systems die Benutzerfreundlichkeit, indem sie Ladestationen lokalisieren, ihren Echtzeitstatus anzeigen und den Bezahlvorgang erleichtern. All diese Attribute werden durch das EQ-Power Badge zusammengefasst, das die Zugehörigkeit zur Marke EQ zeigt, die Mercedes-Benz für seine vollelektrischen Fahrzeuge verwendet. Das Gesamtkonzept eines intelligenten Fahrzeugpakets sowie die Implementierung bestehender Hochspannungs-Antriebsstrangkomponenten ermöglicht vielfältige Anwendungen im Mercedes-Benz Kompaktwagenportfolio.


Referenzen

[1] Strenkert, J.; Schildhauer, C.; Steiner, M.; Hinsken, T.: Der neue Plug-in Hybrid-Antriebsstrang für die S-Klasse. In: MTZ weltweit 6/2017, S. 40-45

[2] Strenkert, J.; Schildhauer, C.; Richter, M.: Der neue Diesel Plug-In Hybrid von Mercedes-Benz. In: MTZ Weltweit 4/2018, S. 44-49

[3] Schnüpke, H.; et al...: Modern, kompakt und effizient: M 282 - Der neue 1,4-Liter-Benzinmotor von Mercedes-Benz. 26. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, Aachen, 2017

[4] Dörr, C...: Der Antriebsstrang für die neuen Mercedes-Benz Kleinwagen. CTI-Symposium, Berlin, 2018

[5] Gödecke, T.; et al...: EQ Power Plug-In Hybrid - EQ Power Plug-In Hybrid - Elektrifiziert von A nach S. Vienna Engine Symposium, Wien, 2019