Die Technik der dritten Plug-in-Hybrid-Generation von Mercedes-Benz: Plug-in mit Stern: Die Hybrid-Offensive von Mercedes-Benz

Plug-in-Hybride sind eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg in die lokal emissionsfreie Zukunft des Automobils. Sie bieten Kunden die Vorteile zweier Welten: In der Stadt fahren sie rein elektrisch, bei langen Strecken profitieren sie von der Reichweite des Verbrenners. Sie machen das Fahrzeug insgesamt noch effizienter, weil sie einerseits Energie rekuperieren und andererseits den Verbrennungsmotor in günstigen Betriebspunkten fahren lassen können. Mercedes-Benz treibt den Ausbau der dritten Generation seiner Plug-in-Hybride unter dem Stichwort EQ Power voran und verbindet den Hybrid-Antrieb außerdem erstmals mit dem modernen Vierzylinder-Diesel. Eine Demonstration der Möglichkeiten der Mercedes-Benz Hybridstrategie, die zentral für die Marke EQ ist und rasch zu einer breiten Palette an unterschiedlichen Plug-in-Hybriden geführt hat.

Da Plug-in-Hybride ihre Stärken insbesondere bei größeren Fahrzeugen und gemischten Streckenprofilen ausspielen, setzt Mercedes-Benz aktuell ab der C‑Klasse aufwärts auf dieses Antriebskonzept. Einen wichtigen Vorteil bei der Hybrid-Offensive bietet dabei das intelligente, modulare Hybridkonzept von Mercedes-Benz: Skalierbar aufgebaut, lässt es sich auf eine Vielzahl von Baureihen und Karosserieversionen sowie Links- und Rechtslenkervarianten bei Fahrzeugen mit Heckantrieb übertragen. Die Hybridisierung macht den Verbrennungsmotor effizienter und bietet darüber hinaus ein hohes Maß an Dynamik und Fahrspaß. Und alle neuen Plug-in-Hybride von Mercedes-Benz warten jetzt mit einer rein elektrischen, lokal emissionsfreien Reichweite von rund 50 km (NEFZ) auf.

Hybridtriebkopf im Wandlergetriebe: Mehr Leistung, weniger Platzbedarf

Herzstück der Mechanik aller Plug-in-Hybride der dritten Generation mit Verbrennungsmotor ist das 9-Gang-Hybridgetriebe 9G-TRONIC. Es ergänzt die bekannte Neunstufen-Wandlerautomatik um einen Hybridtriebkopf mit integriertem Wandler, der Trennkupplung und einer leistungsstarken E‑Maschine. Die Vorzüge des Grundgetriebes, wie zum Beispiel der ausgezeichnete Antriebskomfort, kaum wahrnehmbare Schaltvorgänge und bei der E-Klasse eine hohe Anhängelast im Zugbetrieb, werden dabei übernommen. Für den Hybridbetrieb wird die stärkste Baustufe des Grundgetriebes mit einem übertragbaren Drehmoment bis 700 Nm verwendet, um die vereinten Kräfte von Verbrennungs- und Elektromotor bei Bedarf nutzen zu können. Das 9‑Gang-Hybridgetriebe 9G-TRONIC zeichnet sich durch seinen sehr hohen Wirkungsgrad aus und trägt insbesondere während elektrischer Fahrt zur Effizienzsteigerung des Triebstrangs bei.

Der große Vorzug des neuen Hybridtriebkopfs ist sein sehr kompaktes Design, das durch die innovative Integration und Anbindung von Trennkupplung, Torsionsschwingungsdämpfer und Wandlerüberbrückungskupplung innerhalb des Rotors der E-Maschine erreicht wurde. In Summe ergibt sich eine geringe Getriebeverlängerung von 108 mm gegenüber dem 9G-Tronic-Grundgetriebe.

Im Gegensatz zu dem Triebkopf der zweiten Generation, bei dem der Elektromotor direkt mit dem Getriebeeingang verbunden war und eine nasse Anfahrkupplung als Start- und Trennkupplung verwendet wurde, übernimmt nunmehr ein Drehmomentwandler zwischen Elektromotor und Getriebe den Anfahrvorgang. Durch den so möglichen Verzicht auf Anfahrfähigkeit konnte die Trennkupplung hinsichtlich ihres Schleppmoments verbessert werden, um Verluste während der elektrischen Fahrt zu reduzieren.

Um eine bestmögliche Schwingungsentkopplung zu erzielen, werden im Hybridgetriebe zwei Torsionsschwingungsdämpfer eingesetzt, die die Anregungen des Verbrennungsmotors dämpfen. Der erste Schwingungsdämpfer ist zwischen Motor und Getriebe eingebaut, der zweite Schwingungsdämpfer wurde in den Drehmomentwandler integriert.

90 kW elektrische Leistung für alle Plug-in-Hybride

Der zusammen mit Bosch im Joint Venture EM‑motive entwickelte Elektromotor wurde für das Plug-in-Hybridgetriebe 9G-TRONIC neu konzipiert und ist nach dem Prinzip einer permanent erregten Synchronmaschine als Innenläufer aufgebaut. In Verbindung mit der ebenfalls neuen, deutlich leistungsfähigeren Leistungselektronik konnten die Leistungs- und Drehmomentdichte signifikant verbessert werden. 90 kW Spitzenleistung und ein Anfahrdrehmoment von 440 Nm sorgen für ein souveränes Fahrgefühl auch bei rein elektrischer Fahrt und erlauben dabei Höchstgeschwindigkeiten über 130 km/h. Der Stator ist fest in das Triebkopfgehäuse integriert, der Rotor zwischen dem Leistungsfluss von Trennkupplung und Getriebeeingang. Bedarfsgerechte Stator- und Rotorkühlung erlauben es, Spitzen- und Dauerleistung der E-Maschine problemlos zu nutzen.

Mehr Energie, dichter gespeichert, für größere elektrische Reichweite

Entscheidend für die Erhöhung der elektrischen Reichweite auf rund 50 Kilometer ist die auf 13,5 kWh gesteigerte Nennkapazität der neuen Lithium-Ionen-Batterie bei gleicher Batteriegröße. Die Evolution der Zellchemie von Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePo) zu Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt (Li‑ � NMC) ermöglichte eine Steigerung der Zellkapazität von 22 auf 37 Ah. Das hocheffiziente Batteriesystem stammt von der Daimler-Tochter Deutsche ACCUMOTIVE. Die Leistungselektronik ist im Motorraum untergebracht.

On-Board-Lader mit 7,4 kW Leistung

Der neue On-Board-Lader verdoppelt die Ladeleistung von 3,6 kW auf 7,4 kW und bildet einen bestmöglichen Kompromiss zwischen Baugröße, Gewicht und Ladeleistung. An einer Wallbox ist die leere Batterie so beispielsweise ganz komfortabel zu Hause nach 1,5 Stunden wieder vollständig geladen. Selbst an einer üblichen Haushaltssteckdose gelingt dies innerhalb von ca. fünf Stunden.

Elektrische Klimatisierung des Innenraums – schon vor dem Start

Aus dem Hochvolt-Bordnetz werden neben den Antriebskomponenten und der Unterdruckpumpe des rekuperativen Bremssystems auch der elektrische Kältemittelverdichter und der Hochvolt-Zuheizer versorgt. Beide ermöglichen eine Vorklimatisierung des Innenraums sowohl im Sommer als auch im Winter, weil sie auch ohne Verbrennungsmotor funktionieren.

Intelligente Betriebsstrategie

Die Hybrid-Technologie der dritten Generation unterstützt den Fahrer durch ein weiter verbessertes intelligentes Antriebsmanagement. Es umfasst alle Prozesse, die auf den Energievorrat an Bord zugreifen und auf den Verbrauch Einfluss haben, darunter die Hybrid-Betriebsstrategie, also das Zusammenspiel von Elektro- und Verbrennungsmotor, die Schaltstrategie des Getriebes, das Thermomanagement, also die energieeffiziente Steuerung des Kühlkreislaufs von Verbrenner und elektrischen Baugruppen zur Maximierung der elektrischen Reichweite, das Rekuperationsmanagement und bei den Diesel-Hybriden sogar die Regeneration des Partikelfilters. Durch die erweiterte Verwendung von Daten des Navigationssystems und Informationen der Kamera und der Radarsensoren schauen die Hybrid-Fahrzeuge der dritten Generation weit über das Sichtfeld des Fahrers voraus und stellen sich situativ auf Geschwindigkeitsverlauf und Streckenprofil ein. Auch Ereignisse wie Stadtdurchfahrten auf dem Weg zum Ziel werden bei der Planung der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie, bei der Rekuperation und thermischen Konditionierung der Antriebskomponenten berücksichtigt.

ECO Assistent hilft Energie sparen

Beim vorausschauenden Fahren und Sparen unterstützen die neuen Hybride den Fahrer umfassend: Durch Hinweise, wann er den Fuß vom Gas nehmen kann, etwa weil ein Geschwindigkeitslimit folgt, und durch innovative Funktionen wie Segeln und Rekuperation nach Vorausschaudaten. Dafür werden Navigationsdaten, Verkehrszeichenerkennung und Informationen der Intelligenten Sicherheitsassistenten (Radar und Stereokamera) vernetzt genutzt.

Der ECO Assistent bezieht folgende Verkehrssituationen und Informationen in seine Fahrempfehlungen und Effizienzstrategie mit ein:

  • Streckenverlauf (Kurven, Kreuzungen, Kreisverkehre, Gefälle)
  • Geschwindigkeitsbegrenzungen
  • Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen.

Im Hintergrund erstellt der ECO Assistent permanent Ausrollsimulationen: In Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie und der Verkehrssituation wird dabei ermittelt, ob das Fahrzeug beim Loslassen der Pedale idealerweise mit möglichst geringen Fahrwiderständen weiterrollen sollte („Segeln“) oder ob das Fahrzeug verzögert werden sollte und dabei die Batterie effizient geladen werden kann (Rekuperation). (Details und Beispiele siehe „ Unter der Lupe: ECO Assistent“)

Generell unterstützt das haptische Fahrpedal den Fahrer bei einer ökonomischen und komfortablen Fahrweise. Beispielsweise signalisiert ein variabler Druckpunkt im Pedal dem Fahrer die maximal verfügbare elektrische Fahrleistung. Überdrückt der Fahrer den Druckpunkt, schaltet der Verbrennungsmotor zu. Weiterhin erhält der Fahrer durch einen spürbaren Gegendruck im haptischen Fahrpedal eine Empfehlung zum Lösen des Fahrpedals. Folgt der Fahrer der Empfehlung, wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet und vom Antriebsstrang abgekoppelt.

Innerhalb der Systemgrenzen regelt der ECO Assistent den Schub situationsgerecht, sobald der Fahrer den Fuß vom Gas nimmt. Den Hinweis, dies zu tun, erhält er auch optisch: durch die Einblendung eines Symbols „Fuß vom Gas“ im Zentraldisplay (beziehungsweise, wenn vorhanden, im Head-up-Display). Zugleich wird dem Fahrer durch eine Grafik der Grund der Empfehlung (beispielsweise „Kreuzung voraus“, „Gefälle voraus“) angezeigt.

Um die Motivation des Fahrers zu erhöhen, den Empfehlungen des ECO Assistenten zu folgen, zeichnet der Bordcomputer auf, wie viele Kilometer/wie viel Zeit einer Fahrt er mit ausgeschaltetem Motor unterwegs war, und zeigt dies im Zentraldisplay an. Die Belohnung besteht nicht nur in einem verminderten Verbrauch, sondern auch in einer gesteigerten elektrischen Reichweite.

Performance nach Wunsch des Fahrers: Vier Hybrid-Betriebsmodi

Je nach Wunsch des Fahrers können vier Betriebsmodi vorgewählt werden. Diese sind:

  • HYBRID: Standardeinstellung, alle Funktionen wie elektrisches Fahren, Boost-Betrieb und Rekuperation sind verfügbar und werden nach Fahrsituation und Fahrstrecke eingesetzt
  • E-MODE: Elektrisches Fahren zum Beispiel in der Innenstadt. Das Gaspedal signalisiert den Druckpunkt, wann der Verbrennungsmotor gestartet wird
  • E-SAVE: Die geladene Batterie wird „aufgespart“, um später rein elektrisch fahren zu können
  • CHARGE: Die Batterie wird im Fahrbetrieb geladen.
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