Stromrichtervorrichtung, elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum

Betreiben einer elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichtervorrichtung für eine mehrphasige elektrische Maschine, ein elektrisches Antriebssystem mit einer mehrphasigen elektrischen Maschine, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine.

Stand der Technik

Die Druckschrift DE 10 2014 220 834 A offenbart ein elektrisches Antriebssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, bei der die elektrische Maschine in einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung einer ersten Spannung angesteuert wird. Zur temporären Leistungssteigerung kann die elektrische Maschine ferner in einem zweiten Betriebsmodus angesteuert werden, bei der die zur Ansteuerung verwendete Spannung durch eine weitere Energiequelle erhöht wird.

Elektrisch angetriebene Fahrzeuge gewinnen zunehmend an Bedeutung. Dabei hat sich gegenwärtig im Automotive- Bereich ein Spannungsniveau von 400 Volt für den Antriebsstrang der Elektrofahrzeuge etabliert. Der Wunsch nach zunehmender Leistungssteigerung führt dabei bei einem konstanten

Spannungsniveau zu höheren elektrischen Strömen im Antriebsstrang derartiger Fahrzeuge. Somit müssen bei einer Steigerung der Leistung auch die

elektrischen Komponenten jeweils den damit verbundenen hohen elektrischen Strömen angepasst werden. Alternativ zu einer Steigerung der elektrischen Ströme kann auch die elektrische Spannung im Antriebsstrang erhöht werden. Hierbei müssen jedoch die elektrischen Komponenten für entsprechend höhere Spannungen angepasst werden. Insbesondere muss die Spannungsfestigkeit der eingesetzten

Baugruppen bei einer Erhöhung der Spannung gewährleistet werden.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Stromrichtervorrichtung für eine mehrphasige elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit den

Merkmalen des Patentanspruchs 9.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Stromrichtervorrichtung für eine mehrphasige elektrische Maschine, wobei jede Phase der elektrischen Maschine jeweils einen ersten Phasenanschluss und einen zweiten Phasenanschluss aufweist. Das heißt, für jede Phase der elektrischen Maschine sind jeweils beide Anschlüsse der entsprechenden Wicklung einer Phase nach außen geführt. Die Stromrichtervorrichtung umfasst einen ersten Wechselrichter und einen zweiten Wechselrichter. Der erste Wechselrichter ist eingangsseitig mit einer ersten Energiequelle elektrisch koppelbar. Jeweils ein Ausgangsanschluss des ersten Wechselrichters ist mit jeweils einem ersten Phasenanschluss der elektrischen Maschine elektrisch koppelbar. Der zweite Wechselrichter ist eingangsseitig mit einer zweiten Energiequelle elektrisch koppelbar. Jeweils ein Ausgangsanschluss des zweiten Wechselrichters ist mit jeweils einem zweiten Phasenanschluss der elektrischen Maschine elektrisch koppelbar. Auf diese Weise können die

Ausgangsanschlüsse des ersten Wechselrichters mit den ersten

Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine verbunden werden, und die Ausgangsanschlüsse des zweiten Wechselrichters können mit den zweiten Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine verbunden werden. Somit liegt für jede Phase der elektrischen Maschine jeweils die entsprechende Wicklung zwischen einem Ausgangsanschluss des ersten Wechselrichters und einem Ausgangsanschluss des zweiten Wechselrichters.

Ferner ist vorgesehen:

Ein elektrisches Antriebssystem mit einer mehrphasigen elektrischen Maschine, einer ersten Energiequelle, einer zweiten Energiequelle und einer

erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung. Die mehrphasige elektrische Maschine umfasst für jede Phase jeweils einen ersten Phasenanschluss und einen zweiten Phasenanschluss. Auf diese Weise sind für jede Phase der elektrischen Maschine jeweils beide Anschlüsse nach außen geführt. Jeweils ein Ausgangsanschluss des ersten Wechselrichters ist mit einem ersten

Phasenanschuss der elektrischen Maschine verbunden, und jeweils ein

Ausgangsanschluss des zweiten Wechselrichters ist mit einem zweiten

Phasenanschluss der elektrischen Maschine verbunden

Schließlich ist vorgesehen:

Ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, wobei jede Phase der elektrischen Maschine einen ersten Phasenanschluss und einen zweiten

Phasenanschluss aufweist. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Ansteuern eines ersten Wechselrichters, der eingangsseitig mit einer ersten Energiequelle verbunden ist und der ausgangsseitig mit den ersten Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine verbunden ist. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ansteuern eines zweiten Wechselrichters, der eingangsseitig mit einer zweiten Energiequelle verbunden ist, und der ausgangsseitig mit den zweiten Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine verbunden ist.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass konventionelle Wechselrichter in der Regel eine begrenzte Spannungsfestigkeit aufweisen. Soll die Spannungsfestigkeit eines Wechselrichters erhöht werden, so werden hierzu komplexe Schaltungsanordnungen benötigt, welche einen hohen

schaltungstechnischen Aufwand erfordern. Dies verursacht hohe Kosten und erfordert darüber hinaus für die Realisierung solcher Schaltungsanordnungen auch einen großen Bauraum.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Ansteuerung für eine elektrische Maschine vorzusehen, welche auch mit konventionellen, aktuell verfügbaren Bauelementen auf einfache und kostengünstige Weise einen Betrieb einer elektrischen

Maschine mit hohen Spannungen ermöglicht. Darüber hinaus ist es eine weitere Idee der vorliegenden Erfindung, die Flexibilität bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine zu erhöhen und auch die Verfügbarkeit bei einem Ausfall einzelner Komponenten zu steigern.

Hierzu sieht die vorliegende Erfindung vor, eine elektrische Maschine durch zwei getrennte und separat gespeiste Wechselrichter anzusteuern. Dabei wird jede Phase der anzusteuernden elektrischen Maschine jeweils auf einer Seite von einem ersten Wechselrichter und auf der anderen Seite jeweils von einem zweiten Wechselrichter gespeist. Auf diese Weise kann zwischen jeder Phase maximal eine Spannung aus der Summe der durch die beiden Wechselrichter bereitstellbaren Spannungen angelegt werden. Somit kann auch ohne Erhöhung der Spannungsfestigkeit der einzelnen Komponenten in den Wechselrichtern an der elektrischen Maschine maximal die doppelte elektrische Spannung bereitgestellt werden. Auf diese Weise ist eine deutliche Leistungssteigerung möglich, ohne dass hierzu spezielle Schaltungsanordnungen oder spezielle Komponenten zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit oder der Stromtragfähigkeit erforderlich werden.

Im Vergleich zu konventionellen Schaltungsanordnungen, wie zum Beispiel Multilevel-Wechselrichter auf Basis von Neutral Point Clamping (NPC) oder ähnlichem kann durch die erfindungsgemäße Verwendung zweier unabhängiger Wechselrichter das gleiche Spannungsniveau für die elektrische Maschine bei geringerem Materialeinsatz, insbesondere geringerer Fläche an benötigtem Silizium, erreicht werden.

Darüber hinaus können beide Wechselrichter der erfindungsgemäßen

Stromrichtervorrichtung jeweils von Energiespeichervorrichtungen wie zum Beispiel Traktionsbatterien oder ähnlichem gespeist werden, wie sie aktuell bereits verfügbar und somit kostengünstig erhältlich sind. Daher sind zur Erhöhung der elektrischen Spannung an der elektrischen Maschine keine aufwändigen Neuentwicklungen für elektrische Energiespeicher mit hohen Ausgangsspannungen erforderlich.

Ferner können die beiden Wechselrichter der erfindungsgemäßen

Stromrichtervorrichtung jeweils individuell auch von unterschiedlich

ausgestalteten Energiespeichervorrichtungen gespeist werden. Auf diese Weise können beispielsweise auch verschiedenartige Energiespeichervorrichtungen verwendet werden, die für unterschiedliche Anwendungsfälle optimiert sind. Zum Beispiel kann einerseits kurzzeitig eine hohe Leistung durch einen speziell ausgestalteten elektrischen Energiespeicher bereitgestellt werden, während die Energiespeichervorrichtung für den anderen Wechselrichter für andere

Anwendungsgebiete optimiert ist.

Ferner können die beiden eingesetzten Wechselrichter unabhängig voneinander angesteuert werden, so dass zahlreiche verschiedene Betriebsmodi möglich sind. Dies ermöglicht einen besonders flexiblen Betrieb in einem elektrischen Antriebssystem. Beispielsweise kann auf diese Weise während des Betriebs des elektrischen Antriebssystems auch ohne Komforteinbußen elektrische Energie von dem Energiespeicher eines Wechselrichters in den Energiespeicher des anderen Wechselrichters umgeladen werden. Auf diese Weise kann stets ein sehr komfortabler Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Energiespeichern erreicht werden.

Darüber hinaus ermöglicht die flexible Schaltung der einzelnen Wechselrichter auch eine hohe Verfügbarkeit, da selbst beim Ausfall eines oder mehrerer Halbleiterschaltelemente trotzdem ein sicherer Betrieb des Antriebssystems möglich ist - gegebenenfalls unter Inkaufnahme einer verringerten maximalen

Antriebsleistung.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter jeweils für jede Phase der elektrischen Maschine eine

Halbbrücke. Die einzelnen Halbbrücken der Wechselrichter können dabei auf bekannte Weise mittels Halbleiterschaltelementen realisiert werden.

Insbesondere kann zum Beispiel jeweils zwischen dem Ausgangsanschluss und einem positiven Eingangsanschluss, sowie zwischen dem Ausgangsanschluss, sowie zwischen dem Ausgangsanschluss und einem negativen

Eingangsanschluss jeweils ein Halbleiterschaltelement vorgesehen sein. Bei den Halbleiterschaltelementen der einzelnen Halbbrücken kann es sich dabei um beliebige geeignete Halbleiterschaltelemente, wie zum Beispiel bipolare

Transistoren mit einem isolierten Gateanschluss (IGBT) oder MOSFET sowie gegebenenfalls auch Siliziumcarbit-Transistoren handeln. Darüber hinaus können die einzelnen Halbbrücken auf beliebige geeignete Weise realisiert werden. Ferner sind auch weitere geeignete Schaltungskonfigurationen für den ersten Wechselrichter und den zweiten Wechselrichter möglich.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Stromrichtervorrichtung eine

Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, den ersten

Wechselrichter und den zweiten Wechselrichter anzusteuern. Insbesondere können der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter gemeinsam durch die Steuereinrichtung angesteuert werden. Auf diese Weise können die Steuervorgänge der beiden Wechselrichter effizient aufeinander abgestimmt werden. Insbesondere kann durch eine gemeinsame Steuereinrichtung für die beiden Wechselrichter eine Ansteuerung erzielt werden, die den Betrieb einer angeschlossenen elektrischen Maschine über ein breites Leistungsspektrum hinweg sehr effizient abstimmen kann. Ferner ermöglicht die gemeinsame Ansteuerung der beiden Wechselrichter auch beispielsweise ein Umladen von elektrischer Energie von der ersten Energiequelle, die an den ersten

Wechselrichter angeschlossen ist, zur zweiten Energiequelle, die an dem zweiten Wechselrichter angeschlossen ist, oder umgekehrt.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, durch Ansteuern der Schaltelemente in dem ersten Wechselrichter alle ersten

Phasenanschlüsse elektrisch miteinander zu verbinden, oder durch Ansteuern der Schaltelemente in dem zweiten Wechselrichter alle zweiten

Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine miteinander zu verbinden. Auf diese Weise kann durch die elektrische Verbindung aller Phasenanschlüsse in einem der beiden Wechselrichter ein Sternpunkt für die elektrische Maschine gebildet werden. Somit ist eine sehr flexible Bildung des Sternpunkts möglich. Dies ermöglicht insbesondere auch den Betrieb der elektrischen Maschine selbst beim Ausfall eines oder mehrerer Schaltelemente in einem der Wechselrichter.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, in dem ersten Wechselrichter einen Energiefluss von der ersten Energiequelle in Richtung der elektrischen Maschine einzustellen und gleichzeitig in dem zweiten Wechselrichter einen Energiefluss von der elektrischen Maschine in Richtung des zweiten Energiespeichers einzustellen. Auf diese Weise kann während des Betriebs der elektrischen Maschine gleichzeitig elektrische Energie von der Batterie an einem Wechselrichter zur Batterie des anderen Wechselrichters übertragen werden. Dies ermöglicht ein effizientes Umladen von elektrischer Energie ohne Komforteinbuße bei einem elektrischen Antriebssystem.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, in dem ersten Wechselrichter einen Energiefluss der ersten elektrischen Energiequelle in Richtung der elektrischen Maschine einzustellen und gleichzeitig auch in dem zweiten Wechselrichter einen Energiefluss von der zweiten elektrischen

Energiequelle in Richtung der elektrischen Maschine einzustellen. Auf diese Weise kann gleichzeitig von beiden Energiequellen elektrische Energie in Richtung der elektrischen Maschine gespeist werden, so dass ein Betrieb der elektrischen Maschine mit besonders hoher Leistung möglich wird.

Gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems umfasst die erste Energiequelle eine erste elektrische Energiespeichervorrichtung. Ferner umfasst die zweite Energiequelle eine zweite elektrische

Energiespeichervorrichtung. Insbesondere können die erste elektrische

Energiespeichervorrichtung und die zweite elektrische

Energiespeichervorrichtung unterschiedliche Ausgangsspannungen,

unterschiedliche Speicherkapazitäten und/oder unterschiedliche chemische und/oder physikalische Eigenschaften aufweisen. Ferner können sich die beiden Energiespeichervorrichtungen auch in weiteren Eigenschaften unterscheiden. Insbesondere kann es sich beispielsweise bei einer der beiden

Energiespeichervorrichtungen um eine Hochleistungsenergiequelle handeln, während die andere Energiespeichervorrichtung als Hochenergiequelle ausgeführt sein kann. Auf diese Weise kann einerseits kurzzeitig eine hohe Leistung für eine starke Beschleunigung oder kurzzeitige hohe Geschwindigkeit abgerufen werden und darüber hinaus mittels der anderen Energiequelle auch über einen längeren Zeitraum hinweg ein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet werden.

Die vorliegende Erfindung ist hierbei jedoch nicht auf

Energiespeichervorrichtungen für die erste Energiequelle und die zweite

Energiequelle beschränkt. Vielmehr können als erste Energiequelle und/oder als zweite Energiequelle auch beliebige, geeignete elektrische Energiequellen eingesetzt werden. Beispielsweise kann die erste elektrische Energiequelle und/oder die zweite elektrische Energiequelle auch eine Brennstoffzelle, einen elektrischen Generator, wie zum Beispiel einen von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Generator (beispielsweise einen Ranger- Extender) oder eine beliebige weitere geeignete elektrische Energiequelle umfassen. Hierbei sind beliebige Kombinationen von elektrischen Energiequellen für die erste elektrische Energiequelle und die Zeit elektrische Energiequelle möglich. Zum Beispiel kann die erste elektrische Energiequelle eine elektrische Energiespeichervorrichtung, wie zum Beispiel eine Batterie umfassen, und die zweite elektrische

Energiequelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle umfassen.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der elektrischen Maschine erfolgen das Ansteuern des ersten Wechselrichters und das Ansteuern des zweiten Wechselrichters in Abhängigkeit von erfassten Betriebsparametern der Wechselrichter. Insbesondere kann die Ansteuerung der Wechselrichter beispielsweise in Abhängigkeit einer erfassten Temperaturverteilung in den Wechselrichtern oder in Abhängigkeit von weiteren sensorisch erfassten oder berechneten Parametern erfolgen. Auf diese Weise kann der Betrieb der Wechselrichter optimiert werden, ohne dabei einzelne Bauelemente des

Wechselrichters übermäßig zu beanspruchen.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den

Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen und

Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: ein Prinzipschaltbild eines elektrischen Antriebssystems mit einer

Stromrichtervorrichtung gemäß einer Ausführungsform; eine schematische Darstellung eines Spannungs-Zeitdiagramms wie es einer Ansteuerung einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt;

Figur 3: eine schematische Darstellung eines Raumzeigerdiagramms, wie es der Ansteuerung einer elektrischen Maschine gemäß einer

Ausführungsform zugrunde liegt;

Figur 4: eine schematische Darstellung eines Raumzeigerdiagramms, wie es der Ansteuerung einer elektrischen Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform zugrunde liegt und

Figur 5: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für ein elektrisches Antriebssystem mit einer Stromrichtervorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine mehrphasige elektrische Maschine 30, die an zwei Wechselrichter 10 und 20 angeschlossen ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die mehrphasige elektrische Maschine 30 drei elektrische Phasen 31, 32 und 33. Die Wicklungen der ersten Phase 31 der elektrischen Maschine 30 sind zwischen einem ersten Phasenanschluss 31-a und einem zweiten Phasenanschluss 31-b angeordnet. In gleicher Weise sind die Wicklungen des zweiten Phasenanschlusses 32 zwischen einem entsprechenden ersten Phasenanschluss 32-a und einem zweiten Phasenanschluss 32-b der zweiten Phase 32 angeordnet. Schließlich sind auch die Wicklungen der dritten Phase 33 zwischen einem ersten

Phasenanschluss 33-a und einem zweiten Phasenanschluss 33-b der dritten Phase 33 angeordnet. Somit sind jeweils für die Wicklungen aller Phasen 31, 32, 33 alle Anschlüsse als erste Phasenanschlüsse 31-a, 32-a und 33-a sowie als zweite Phasenanschlüsse 31-b, 32-b und 33-b der elektrischen Maschine 30 verfügbar.

In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die vorliegende Erfindung anhand einer dreiphasigen elektrischen Maschine 30 beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf solche dreiphasige elektrischen Maschinen beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Prinzip des Betreibens einer mehrphasigen elektrischen Maschine zwischen zwei

Wechselrichtern 10, 20 auch auf elektrische Maschinen mit einer beliebigen von drei abweichenden Anzahl von elektrischen Phasen angewandt werden.

Insbesondere sind zum Beispiel auch elektrische Maschinen mit vier, sechs, zwölf oder einer beliebigen anderen Anzahl von Phasen möglich.

Die Stromrichtervorrichtung für die oben beschriebene mehrphasige elektrische Maschine 30 umfasst den ersten Wechselrichter 10 sowie den zweiten

Wechselrichter 20. Bei den beiden Wechselrichtern 10 und 20 kann es sich grundsätzlich um beliebige, geeignete Wechselrichter handeln, die zur

Ansteuerung der mehrphasigen elektrischen Maschine 30 geeignet sind.

Insbesondere sollte die Anzahl der Ausgangsanschlüsse der beiden

Wechselrichter 10 und 20 mindestens der Anzahl der Phasen 31, 32, 33 der elektrischen Maschine 30 entsprechen. Vorzugsweise weisen die beiden Wechselrichter 10 und 20 einen gleichen oder zumindest gleichartigen Aufbau auf. Darüber hinaus ist es jedoch auch grundsätzlich möglich, dass sich der Aufbau des ersten Wechselrichters 10 von dem Aufbau des zweiten

Wechselrichters 20 unterscheidet. Beispielsweise können aufgrund von unterschiedlichen erforderlichen Spannungsfestigkeiten in den beiden

Wechselrichtern 10 und 20 unterschiedliche Bauelemente oder gegebenenfalls auch unterschiedliche Schaltungsstrukturen eingesetzt werden. So kann zum Beispiel als Wechselrichter 10, 20 ein Neutral Point Clamping (NPC) Multilevel- Wechselrichter eingesetzt werden.

Für den hier dargestellten Anwendungsfall einer dreiphasigen elektrischen Maschine 30 kann für die Wechselrichter 10 und 20 beispielsweise eine

Schaltungsstruktur auf Basis einer B6-Brücke implementiert werden, wie sie in Figur 1 dargestellt ist. Eine solche B6-Brücke umfasst drei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen. Hierbei ist pro Wechselrichter 10 für jede Phase 31, 32, 33 der elektrischen Maschine 30 eine Halbbrücke vorgesehen. Die erste Halbbrücke umfasst ein erstes Schaltelement 11, welches zwischen einem Eingangsanschluss und einem ersten Ausgangsanschluss des Wechselrichters 10 angeordnet ist. Ein zweites Schaltelement 12 ist zwischen einem zweiten Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters 10 und dem ersten

Ausgangsanschluss des ersten Wechselrichters 10 angeordnet. Für die zweite Halbbrücke des ersten Wechselrichters 10 ist ein erstes Schaltelement 13 zwischen dem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten

Ausgangsanschluss angeordnet und ein zweites Schaltelement 14 zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss. Schließlich ist für die dritte Halbbrücke ein erstes Schaltelement 15 zwischen dem ersten Eingangsanschluss und einem dritten Ausgangsanschluss des ersten

Wechselrichters 10 angeordnet und ein weiteres Schaltelement 16 ist zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem dritten Ausgangsanschluss

angeordnet. Eingangsseitig kann der erste Wechselrichter 10 mit einer elektrischen Energiequelle 40 gekoppelt werden. Bei dieser elektrischen

Energiequelle 40 kann es sich um eine beliebige elektrische Energiequelle, insbesondere um einen elektrischen Energiespeicher, wie zum Beispiel eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Die Ausgangsanschlüsse des ersten Wechselrichters 10 sind mit den ersten Phasenanschlüssen 31-a, 32-a und 33-a der elektrischen Maschine 30 elektrisch verbunden.

Weiterhin umfasst die Stromrichtervorrichtung den zweiten Wechselrichter 20, der, wie zuvor bereits beschrieben, eine gleiche oder zumindest ähnliche Struktur wie der erste Wechselrichter 10 aufweisen kann. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst auch der zweite Wechselrichter 20 drei

Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen 21-26. Dabei entspricht in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Konfiguration des zweiten

Wechselrichters 20 mit den sechs Schaltelementen 21-26 der Konfiguration des ersten Wechselrichters 10 mit den sechs Schaltelementen 11-16. Der zweite Wechselrichter 20 kann mit einer elektrischen Energiequelle 50, wie zum Beispiel einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs gekoppelt sein.

Somit stehen für die Ansteuerung der elektrischen Maschine 30 zwei separate Wechselrichter 10 und 20 mit jeweils einer separaten elektrischen Energiequelle 40, 50 zur Verfügung. Die beiden Wechselrichter 10 und 20 können dabei beispielsweise von einer gemeinsamen Steuereinrichtung 60 angesteuert werden. Dabei kann die Steuereinrichtung 60 für jedes der Schaltelemente 11-16 und 21-26 der beiden Wechselrichter 10 und 20 Steuersignale bereitstellen, um die Schaltelemente 11-16 und 21-26 zu öffnen oder zu schließen.

Bei einer konventionellen Ansteuerung einer mehrphasigen elektrischen

Maschine mit nur einem Wechselrichter und einer elektrischen Energiequelle ist die maximale Betriebsspannung an den Phasen der elektrischen Maschine durch die Ausgangsspannung der jeweiligen elektrischen Energiequelle begrenzt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann an der elektrischen Maschine 30 eine maximale Spannung eingestellt werden, welche sich aus der Summe der Ausgangsspannungen Ul, U2 der beiden elektrischen Energiequellen 40 und 50 ergibt. Auf diese Weise kann die maximale Betriebsspannung der elektrischen Maschine 30 gesteigert werden, ohne dass hierzu eine höhere

Ausgangsspannung einer elektrischen Energiequelle erforderlich wäre, oder die Spannungsfestigkeit in den Bauelementen der beiden Wechselrichter 10 und 20 erhöht werden müsste.

Dabei sind je nach Ansteuerung der Schaltelemente 11-16 in dem ersten

Wechselrichter 10 sowie der Schaltelemente 21-26 in dem zweiten

Wechselrichter 20 zahlreiche verschiedene Anwendungsfälle möglich.

Beispielsweise können die ersten Phasenanschlüsse 31-a, 32-a und 33-a durch Schließen der oberen Schaltelemente 11, 13, 15 in dem ersten Wechselrichter 10 zu einem gemeinsamen Sternpunkt der elektrischen Maschine 30

zusammengeschaltet werden. In diesem Fall kann durch Ansteuern der

Schaltelemente 21-26 in dem zweiten Wechselrichter 20 die elektrische

Maschine 30 von der zweiten Energiequelle 50 gespeist werden. Alternativ kann durch Schließen der unteren Schaltelemente 12, 14, 16 in dem ersten

Wechselrichter 10 ebenfalls ein gemeinsamer Sternpunkt gebildet werden. Auf diese Weise stehen zwei alternative Schaltungskonfigurationen des ersten

Wechselrichters 10 zur Verfügung, mit welchen die ersten Phasenanschlüsse 31- a, 32-a und 33-a zu einem gemeinsamen Sternpunkt zusammengeschaltet werden können. Dies ermöglicht einerseits eine Redundanz zur Erhöhung der Verfügbarkeit des elektrischen Antriebssystems. Darüber hinaus kann auch durch abwechselndes Schließen der oberen Schaltelemente 11, 13, 15 sowie der unteren Schaltelemente 12, 14, 16 die Belastung der einzelnen Schaltelemente 11-16 gesenkt werden. Insbesondere kann beispielsweise in Abhängigkeit von Betriebsparametern, insbesondere von berechneten oder sensorisch erfassten Parametern in dem ersten Wechselrichter 10, wie zum Beispiel einer

Temperaturverteilung in dem ersten Wechselrichter 10 die jeweils optimale

Schaltungskonfiguration ausgewählt und eingestellt werden.

Analog zu der oben beschriebenen Bildung eines Sternpunkts auf der Seite der ersten Phasenanschlüsse 31-a, 32-a und 33-a kann auch auf der Seite der zweiten Phasenanschlüsse 31-b, 32-b und 33-b ein Sternpunkt durch Schließen der oberen Schaltelemente 21, 23 und 25 oder alternativ durch Schließen der unteren Schaltelemente 22, 24 und 26 gebildet werden. In diesem Fall kann die elektrische Maschine 30 durch Ansteuern der Schaltelemente 11-16 des ersten Wechselrichters 10 durch die erste elektrische Energiequelle 40 gespeist werden. Die erste elektrische Energiequelle 40 und die zweite elektrische Energiequelle 50 können beispielsweise gleich oder zumindest gleichartig aufgebaut sein. Beispielsweise kann es sich bei den beiden elektrischen Energiequellen 40 und 50 um elektrische Energiespeicher wie Traktionsbatterien eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, für die erste elektrische Energiequelle 40 und die zweite elektrische Energiequelle 50 unterschiedliche, insbesondere verschiedenartige elektrische Energiequellen einzusetzen und mit den beiden Wechselrichtern 10 bzw. 20 zu verbinden. Beispielsweise kann eine der beiden elektrischen Energiequellen 40 oder 50 als eine Energiequelle ausgeführt sein, welche kurzzeitig eine besonders hohe Leistung bereitstellen kann. Die elektrische Energie aus einer solchen

Energiequelle kann beispielsweise dazu genutzt werden, um bei Bedarf eine ausreichend hohe Leistung für eine starke Beschleunigung der elektrischen Maschine 30 oder eine kurzzeitig besonders hohe Leistung bereitzustellen, um zum Beispiel bei einem Elektrof ahrzeug mit einem erfindungsgemäß elektrischen Antriebssystem für einen Überholvorgang oder ähnliches eine ausreichende Leistungsreserve bereitstellen zu können. Ferner kann eine der beiden elektrischen Energiequellen 40 oder 50 beispielsweise als eine elektrische Energiequelle ausgeführt werden, welche eine besonders hohe Menge an elektrischer Energie speichern kann, gegebenenfalls unter Inkaufnahme einer verringerten maximalen Leistungsabgabe. Darüber hinaus können sich die beiden elektrischen Energiequellen 40 und 50, welche an die beiden

Wechselrichter 10 und 20 angeschlossen sind, auch in beliebigen anderen Parametern unterscheiden. Beispielsweise können sich die beiden elektrischen Energiequellen 40 und 50 in der maximalen Speicherkapazität, der

Ausgangsspannung, dem maximalen Ausgangsstrom, oder in beliebigen weiteren physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften unterscheiden.

Figur 2 zeigt ein Spannungs-Zeitdiagramm des Verlaufs der elektrischen Spannung zwischen einem ersten Phasenanschluss 31-a, 32-a, 33-a und einem zweiten Phasenanschluss 31-b, 32-b, 33-b einer elektrischen Phase 31, 32, 33, wie er einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegen kann. In einem ersten Zeitabschnitt I kann beispielsweise die erforderliche elektrische Energie zum Betrieb der elektrischen Maschine 30 ausschließlich von dem ersten Wechselrichter 10 oder dem zweiten Wechselrichter 20 bereitgestellt werden. In dem jeweils anderen Wechselrichter 10 oder 20 kann, wie zuvor bereits beschrieben, eine Ansteuerung der Schaltelemente zur Bildung eines gemeinsamen Sternpunkts eingestellt werden. Auf diese Weise kann eine maximale Spannung eingestellt werden, welche durch die maximale

Ausgangsspannung Ul, U2 des an den jeweiligen Wechselrichter 10 oder 20 angeschlossenen elektrischen Energiespeichers 40 bzw. 50 begrenzt wird. Soll die elektrische Spannung über der entsprechenden Phase 31, 32 oder 33 weiter erhöht werden, so kann durch gleichzeitiges Ansteuern beider Wechselrichter 10 und 20 über der jeweiligen Phase 31, 32 oder 33 eine elektrische Spannung eingestellt werden, die sich aus der Summe der Ausgangsspannungen Ul, U2 der ersten elektrischen Energiequelle 10 und der zweiten elektrischen

Energiequelle 20 ergibt. Dies ist beispielsweise in den Zeitabschnitten II in Figur 2 dargestellt.

Die Ansteuerung des ersten Wechselrichters 10 sowie des zweiten

Wechselrichters 20 zum Einstellen der jeweils gewünschten Spannungshöhe an den elektrischen Phasen 31, 32, 33 der elektrischen Maschine 30 kann insbesondere auf Basis einer Pulsbreitenmodulation erfolgen. Hierzu werden die einzelnen Schaltelemente 11-16 bzw. 21-26 der Wechselrichter 10 und 20 entsprechend einem vorgegebenen Tastverhältnis geöffnet und geschlossen. Insbesondere kann zur Einstellung eines gewünschten Spannungslevels dabei jeweils einer der beiden Wechselrichter 10 oder 20 während des Zeitintervalls I bzw. II in einem festen Schaltzustand betrieben werden und weiterhin nur der jeweils andere Wechselrichter 20 bzw. 10 mit der der Pulsbreitenmodulation zugrunde liegenden Frequenz getaktet angesteuert werden. Darüber hinaus ist es auch grundsätzlich möglich, beide Wechselrichter 10 und 20 gleichzeitig auf Basis der Pulsbreitenmodulationsfrequenz anzusteuern.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Raumzeigerdiagramms, wie es der Ansteuerung der Wechselrichter 10 und 20 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Der Bereich des inneren, schraffierten Sechsecks entspricht dabei einer elektrischen Spannung für die Maschine 30, welche durch alleiniges Ansteuern eines Wechselrichters, beispielsweise des ersten Wechselrichters 10 oder des zweiten Wechselrichters 20 eingestellt werden kann. Durch das gleichzeitige Bereitstellen von elektrischer Energie aus der ersten Energiequelle 40 des ersten Wechselrichters 10 und der zweiten Energiequelle 50 des zweiten Wechselrichters 20 kann die maximale Spannung an den Phasen 31, 32, 33 der elektrischen Maschine 30 darüber hinaus bis zu dem äußeren Sechseck erweitert werden. In diesem Fall kann durch gleichzeitigen Betrieb der beiden Wechselrichter 10 und 20 ein Raumzeiger eingestellt werden, welcher sich aus der Kombination der beiden individuell in den jeweiligen Wechselrichtern 10 und 20 eingestellten Raumzeiger ergibt.

Durch den gleichzeitigen Betrieb des ersten Wechselrichters 10 und den zweiten Wechselrichter 20 kann somit, wie zuvor erläutert, die maximale

Betriebsspannung in den Phasen 31, 32, 33 der elektrischen Maschine 30 erhöht werden. Darüber hinaus ist es möglich, in jedem der beiden Wechselrichter 10 und 20 individuell einen vorbestimmten Raumzeiger nach dem Prinzip der Raumzeigermodulation einzustellen. Für den Fall einer dreiphasigen elektrischen Maschine ergeben sich somit für jeden Wechselrichter 10 und 20 acht verschiedene Schaltzustände. Da der erste Wechselrichter 10 und der zweite Wechselrichter 20 hierbei unabhängig voneinander angesteuert werden können, ergeben sich in der Kombination 8x8 = 64 mögliche Schaltzustände. Dies erhöht die Redundanz und die Flexibilität des elektrischen Antriebssystems.

Weiterhin ermöglicht die zuvor beschriebene Konfiguration des elektrischen Antriebssystems nicht nur einen rein motorischen - oder auch nur rein generatorischen - Betrieb der elektrischen Maschine 30. Ferner ist es auch möglich, während des Betriebs der elektrischen Maschine 30 gleichzeitig elektrische Energie von der ersten Energiequelle 40 zur zweiten Energiequelle 50 oder auch umgekehrt von der zweiten Energiequelle 50 zu der ersten

Energiequelle 40 zu übertragen. Auf diese Weise kann ein Ladungsausgleich zwischen den beiden elektrischen Energiequellen 40 und 50 erfolgen. Dieser Ladungsausgleich kann insbesondere auch während des Betriebs der elektrischen Maschine 30 ausgeführt werden. Somit ist ohne spürbare

Komforteinbußen im Betrieb der elektrischen Maschine 30 ein Ladungsausgleich zwischen den beiden elektrischen Energiequellen 40 und 50 möglich. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Raumzeigerdiagramms, wie es der Ansteuerung der Wechselrichter 10 und 20 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen kann. In diesem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise elektrische Energie von dem ersten Energiespeicher 40 in den zweiten

Energiespeicher 50 umgeladen werden und gleichzeitig die elektrische Maschine 30 angesteuert werden. Hierzu wird zunächst mittels des ersten Wechselrichters 10 ein Raumzeiger VI mit einem Energiefluss von dem ersten Energiespeicher in Richtung der elektrischen Maschine 30 eingestellt. Gleichzeitig wird von dem zweiten Wechselrichter 20 ein Raumzeiger mit einem Energiefluss von der elektrischen Maschine 30 in Richtung des zweiten Energiespeichers 50 eingestellt. Daraus ergibt sich an der elektrischen Maschine 30 ein

resultierender Raumzeiger V_res = V1-V2. Selbstverständlich kann auch analog ein Energiefluss von dem zweiten Energiespeicher in Richtung des ersten Energiespeichers eingestellt werden.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die elektrischen Spannungen an der elektrischen Maschine 30 in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebsmodi des ersten

Wechselrichters 10 und des zweiten Wechselrichters 20. Ul bezeichnet die Ausgangsspannung der ersten Energiequelle 40 und U2 bezeichnet die

Ausgangsspannung der zweiten Energiequelle 50. AKS bezeichnet einen aktiven Kurzschluss der an der elektrischen Maschine 30 eingestellt wird.

Die zuvor beschriebene Konfiguration des elektrischen Antriebssystems mit zwei separaten Wechselrichtern 10 und 20, welche jeweils individuell angesteuert werden können, um ein elektrische Maschine 30 zu betreiben, ermöglicht somit einerseits eine sehr flexible und präzise Ansteuerung der elektrischen Maschine 30, bei gleichzeitig hoher Verfügbarkeit und Redundanz aufgrund der Vielzahl von möglichen Schaltzuständen. Darüber hinaus kann die maximale Betriebsspannung der elektrischen Maschine in Bezug auf die eingesetzten Baugruppen, insbesondere die eingesetzten Energiequellen und die eingesetzten Wechselrichter, gesteigert werden. Insbesondere ist im Vergleich zu

konventionellen Multilevel-Wechselrichtern, wie zum Beispiel Neutral Point Clamping (NPC) Wechselrichter bei gleicher maximaler Betriebsspannung ein geringerer Aufwand erforderlich, da die für N PC-Wechselrichter erforderlichen Clamping-Dioden entfallen können. Hierdurch sind die Fläche an erforderlichem Silizium des in einem eingesetzten Wechselrichters reduziert werden.

Grundsätzlich ist es darüber hinaus auch möglich, die beschriebene Anordnung mit zwei unabhängigen Wechselrichtern 10, 20 und zwei unabhängigen

Spannungsquellen 40, 50 mit weiteren Technologien zu kombinieren. So kann beispielsweise beim Einsatz von Multilevel-Wechselrichtern wie N PC- Wechselrichtern für die beiden Wechselrichter 10 und 20 die maximale

Betriebsspannung nochmals verdoppelt werden, so dass hierdurch die

Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebssystems noch zusätzlich gesteigert werden kann.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Bei der elektrischen Maschine dieses

Verfahrens handelt es sich insbesondere um eine elektrische Maschine 30 des zuvor bereits beschriebenen elektrischen Antriebssystems. In einem ersten Schritt Sl wird ein erster Wechselrichter 10 angesteuert, der eingangsseitig mit einer ersten Energiequelle 40 verbunden ist und der ausgangsseitig mit den ersten Phasenanschlüssen 31-a, 32-a und 33-a der elektrischen Maschine 30 verbunden ist. In Schritt S2 wird ferner ein zweiter Wechselrichter 20

angesteuert, der eingangsseitig mit einer zweiten elektrischen Energiequelle 50 verbunden ist. Ausgangsseitig ist der zweite Wechselrichter 20 mit den zweiten Phasenanschlüssen 31-b, 32-b und 33-b der elektrischen Maschine 30 verbunden. Insbesondere können für den Betrieb der elektrischen Maschine 30 die beiden Wechselrichter 10 und 20 gleichzeitig angesteuert werden.

Wie zuvor bereits ausgeführt, kann dabei insbesondere in einem der beiden Wechselrichter 10, 20 ein quasistationärer Zustand eingestellt werden, um einen gemeinsamen Sternpunkt der Phasenanschlüsse 31-a, 32-a und 33-a oder 31-b, 32-b und 33-b zu bilden. Ferner kann auch in einem der beiden Wechselrichter 10, 20 eine Ansteuerung zum Übertragen von elektrischer Energie von der elektrischen Maschine 30 zu der elektrischen Energiequelle 40,50 erfolgen, während gleichzeitig in dem jeweils anderen Wechselrichter 10, 20 elektrische Energie von der elektrischen Energiequelle 40, 50 zu der elektrischen Maschine 30 übertragen wird.

Aufgrund der Vielzahl von möglichen Schaltzuständen und der damit

verbundenen Redundanz kann das Ansteuern des ersten Wechselrichters 10 sowie das Ansteuern des zweiten Wechselrichters 20 dabei insbesondere in Abhängigkeit von messtechnisch erfassten und/oder simulierten

Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel einer Temperaturverteilung oder ähnlichem erfolgen.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisches

Antriebssystem, sowie eine Steuervorrichtung für ein solches elektrisches Antriebssystem. Hierbei ist vorgesehen, eine elektrische Maschine mit zwei unabhängigen Wechselrichtern zu betreiben. Jeder der beiden Wechselrichter kann dabei von einer eigenen elektrischen Energiequelle gespeist werden.

Insbesondere werden die Wicklungen jeder Phase der mehrphasigen

elektrischen Maschine auf einer Seite mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt und auf der anderen Seite mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt.