Kurz nach dem erfolgreichen Markstart des Typs S 400 HYBRID, der seinerzeit sparsamsten Luxuslimousine mit Ottomotor, präsentiert Mercedes-Benz auf der 63. Internationalen Automobil-Ausstellung (IAA) 2009 in Frankfurt/Main die Vision S 500 Plug-in HYBRID, das erste Oberklassemodell in der Kategorie „Dreiliter-Auto“. Der Technologieträger wird auf der Basis einer S-Klasse der Baureihe 221 verwirklicht und zeigt die Zukunft des modularen Hybrid-Systembaukastens von Mercedes-Benz. Er kann bis zu 30 Kilometer weit rein elektrisch fahren und verursacht dabei keine lokalen Emissionen. Durch den effizienten Antrieb und den Kohlendioxid-Bonus für den Batterie-elektrischen Fahrbetrieb erreicht er einen zertifizierten Verbrauch von lediglich 3,2 Liter Benzin auf 100 Kilometer. Mit einem Kohlendioxid-Ausstoß von nur 74 Gramm pro Kilometer im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) demonstriert der Versuchsträger die Zukunftsfähigkeit kommender S-Klasse Generationen. Die hervorragenden Werte werden durch die Kombination eines Plug-in-Hybridantriebs mit Effizienz steigernden BlueEFFICIENCY-Maßnahmen am Fahrzeug ermöglicht.

Gleichzeitig steht die Vision S 500 Plug-in HYBRID für alle typischen Stärken der Mercedes-Benz S-Klasse: Spitzenkomfort, herausragende Sicherheit und souveräne Leistung. Der Antrieb besteht im Konzeptfahrzeug aus drei Hauptkomponenten: einem leistungsstarken V6-Ottomotor mit Direkteinspritzung der nächsten Generation, einem Hybridmodul mit 44 kW (60 PS) Leistung sowie einer Lithium-Ionen-Batterie mit mehr als 10 kWh Speicherkapazität, die an Ladestationen aufgeladen werden kann. Das Fahrzeug beschleunigt in 5,5 Sekunden von null auf 100 km/h.

Die elektrischen Antriebskomponenten zeigen die Vielseitigkeit des skalierbaren Hybrid-Systembaukastens von Mercedes-Benz. In seiner Konstruktion unterscheidet sich das dreimal so starke Hybridmodul nur unwesentlich von dem kompakten scheibenförmigen 15-kW-Elektromotor, der im S 400 HYBRID arbeitet. Daher kann es auch elegant in das Gehäuse der Siebenstufen-Automatik 7G-TRONIC integriert werden. Der großzügige Innenraum des Versuchsträgers bleibt bei dieser Modellvariante ebenso erhalten wie beim S 400 HYBRID – ein wichtiger Hinweis für zukünftige Modellgenerationen.

Während die extrem kompakte Lithium-Ionen-Batterie des S 400 HYBRID mit einer Kapazität von 0,9 kWh in dessen Motorraum Platz gefunden hat, benötigt der mit mehr als 10 kWh deutlich leistungsfähigere Lithium-Ionen-Akku der Vision S 500 Plug-in HYBRID mehr Einbauraum. Der Stromspeicher ist deshalb hinter den Rücksitzen im Kofferraum und über der Hinterachse platziert. Die Einbauposition dort bringt entscheidende Vorteile: Die Gewichts­verteilung im Fahrzeug ist ausgewogen und das Volumen des Benzintanks bleibt langstreckentauglich. Zudem gewährleistet die geschützte Einbaulage bestmögliche Crash-Sicherheit.

Dem Baukastenkonzept entsprechend ist der Antriebsstrang der Vision S 500 Plug-in HYBRID prinzipiell genauso aufgebaut wie jener des S 400 HYBRID. Ein systemspezifisches Merkmal ist die zusätzliche Kupplung, die zwischen Verbrennungs- und Elektromotor integriert worden ist. Sie entkoppelt die beiden Aggregate bei rein elektrischer Fahrt voneinander, sodass im Elektro-Modus für höchste Effizienz gesorgt ist. Dank vollständiger Integration ins Wandlergehäuse beansprucht die Trennkupplung keinen zusätzlichen Einbauraum.

Einen weiteren wesentlichen Unterschied zu herkömmlichen Hybrid­Fahrzeugen macht die Plug-in-Batterie aus, die an Ladestationen aufgeladen werden kann. Somit kann die Vision S 500 Plug-in HYBRID bis zu 30 Kilometer weit rein elektrisch fahren. Der Schnelllademodus mit einer Ladeleistung von 20 kW dauert weniger als 60 Minuten. Eine Standardladung an einer handelsüblichen Steckdose mit 3,3 kW dauert bei komplett entladener Batterie rund viereinhalb Stunden.

Der kompakte Onboard-Lader ist hinter der seitlichen Kofferraumwand untergebracht, er regelt den Ladevorgang und ist gegen Kurzschluss, Verpolung sowie Überspannung geschützt. Zugleich überwacht das Ladesystem zum Schutz der Batterie die Spannung, Ladungsmenge und Ladezeit. Das Gesamtgewicht der elektrischen Komponenten beträgt beim aktuellen Versuchsfahrzeug 215 Kilogramm. Die Lithium-Ionen-Batterie wiegt dabei rund 130 Kilogramm, das ist erheblich weniger als eine herkömmliche Nickel-Metallhydrid-Batterie mit gleicher Kapazität, die etwa 180 bis 200 Kilogramm gewogen hätte.

Den Energievorrat der Batterie frischt das Hybridmodul auch während der Fahrt auf: durch die sogenannte Rekuperation, die Nutzung der Bremsenergie. Die Trennkupplung wirkt auch dabei Effizienz steigernd, da sie die volle Rekuperationsleistung ohne Motorschleppverluste ermöglicht.

Die Hochleistungsbatterie und das rund 44 kW (60 PS) starke Hybridmodul ermöglichen rein elektrisches Fahren über eine Distanz bis zu 30 Kilometer, was für viele Fahrten in der Stadt völlig ausreichend ist. Dort ist die Vision S 500 Plug-in HYBRID damit zügig, sehr komfortabel und lokal emissionsfrei unterwegs. Bei schnellerer Fahrt oder an sehr steilen Anstiegen wird der Ottomotor automatisch zugeschaltet. Vor dem Schließen der Kupplung synchronisiert die Fahrzeug-Elektronik dabei die Drehzahl von Verbrennungsmotor und Hybridmodul, sodass das Zuschalten völlig ruckfrei und unmerklich für den Fahrer geschieht. Das ausgefeilte Zusammenspiel mit dem Verbrennungsmotor ermöglicht zahlreiche Zusatzfunktionen, die den Kraftstoffverbrauch, die Emissionen und die Agilität gleichermaßen positiv beeinflussen. Wie das System im S 400 HYBRID bietet auch das Hybridmodul in der Vision S 500 Plug-in HYBRID eine ECO Start-Stopp-Funktion. Zum anderen erhöht es die Fahrsicherheit und den Fahrspaß mithilfe des sogenannten „Boost“-Effekts, durch den der Elektromotor den Verbren­nungsmotor in der verbrauchsintensiven Beschleunigungsphase kraftvoll unterstützt. Seine Praxistauglichkeit hat das System in leicht veränderter Konfiguration bereits im Mercedes‑Benz Sprinter bewiesen.

Die Lithium-Ionen-Batterie dient nicht nur als Energiespeicher für den Elektromotor, sondern ist über einen Gleichstrom/Gleichstrom- Wandler auch mit dem 12-Volt-Bordnetz verbunden, das Standardverbraucher wie die Scheinwerfer und die Komfortsysteme versorgt. Um einen konstant hohen elektrischen Wirkungsgrad zu gewährleisten, werden die Spannungswandler über einen zusätzlichen Niedertemperatur-Kreislauf wassergekühlt.

Für den Betrieb des Dreiphasen-Drehstrom-Elektromotors im Hochvolt-Gleichspannungsnetz ist eine spezielle Leistungselektronik erforderlich; deren Wechselrichter findet seinen Platz im Motorraum. Da sich die Leistungselektronik durch die entstehenden elektrischen Ströme erwärmt, ist das System ebenfalls in den Niedertemperatur-Kühlkreislauf integriert worden. Auch bei der Leistungselektronik setzt Mercedes-Benz auf eine Standardisierung der Komponenten, die sich effizient und baureihenübergreifend mit verschiedenen Elektromotoren und Batterietypen kombinieren lassen.

Einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zum Plug-in-Hybrid stellt das gleichfalls auf der IAA 2009 vorgestellte Diesel-Hybrid-Konzeptfahrzeug Vision E 300 BlueTEC HYBRID dar. Es basiert wie der S 400 HYBRID und die Vision S 500 Plug-in HYBRID auf dem modularen Hybridbaukasten von Mercedes-Benz. In dieser seriennahen Studie ist der 2,2-Liter-Vierzylinder-Dieselmotor mit dem 15 kW (20 PS) starken Hybridmodul kombiniert worden, das auch im S 400 HYBRID eingesetzt wurde, aber zusätzlich rein elektrisches Fahren ermöglicht. Die Vision E 300 BlueTEC HYBRID benötigt mit dieser Antriebskonfiguration lediglich 4,5 Liter Kraftstoff pro 100 Kilometer. Das entspricht einem Kohlendioxid-Ausstoß von lediglich 119 Gramm pro Kilometer bei einer Leistung von 165 kW (224 PS) und einem souveränen Drehmoment von 580 bis 600 Newtonmetern (jeweils kombiniert), das auf dem Niveau damals aktueller Sechszylinder-Dieselfahrzeuge liegt.