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Title:
ELECTRIC DRIVE SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING AN ELECTRICAL MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/110242
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to an electric drive system (1), comprising at least one battery (2), at least one fuel cell (3), wherein the battery (2) and the fuel cell (3) are connected in series, and a 3-level converter (4), an electrical machine (6), and a control device (5) which is designed to control a first energy flow (E1) from the battery (2) and/or a second energy flow (E2) from the fuel cell (3) in accordance with a specification (V) by means of the 3-level converter (4) and to operate the electrical machine (6) by means of the first energy flow (E1) and/or the second energy flow (E2).

Inventors:
FASSNACHT, Jochen (Justinus-Kerner-Str. 4, Calw, 75365, DE)
BEULICH, Klaus (Leimtelstr. 18, Weil Der Stadt, 71263, DE)
Application Number:
EP2018/080879
Publication Date:
June 13, 2019
Filing Date:
November 12, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
B60L15/20; B60L50/75; B60L58/40; H01M8/04828; H01M16/00
Domestic Patent References:
WO2006084080A22006-08-10
Foreign References:
US20100235031A12010-09-16
US6936994B12005-08-30
DE102014220834A12016-04-21
DE112009002696B42015-03-05
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Claims:
Ansprüche

1. Elektrisches Antriebssystem (1), umfassend

- zumindest eine Batterie (2),

- zumindest eine Brennstoffzelle (3), wobei die Batterie (2) und die Brennstoffzelle (3) in Reihe geschaltet sind,

- einen 3-Level-Umrichter (4),

- eine elektrische Maschine (6), und

- eine Steuereinrichtung (5), welche dazu eingerichtet ist, einen ersten Energiefluss (El) von der Batterie (2) und/oder einen zweiten Energiefluss (E2) von der

Brennstoffzelle (3) entsprechend einer Vorgabe (V) mittels des 3-Level-Umrichters (4) zu steuern und mittels des ersten Energieflusses (El) und/oder des zweiten

Energieflusses (E2) die elektrische Maschine (6) zu betreiben.

2. Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, bei dem der 3-Level-Umrichter (4) mit der Batterie (2), der Brennstoffzelle (3) und mit der elektrischen Maschine (6) verschaltet ist.

3. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Steuereinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, bei einem Betriebsstart der

Brennstoffzelle, (3) die elektrische Maschine (6) mit dem ersten Energiefluss (El) von der Batterie (2) zu versorgen.

4. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die

Steuereinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, nach dem Erreichen eines ersten

Betriebszustandes, die elektrische Maschine (6) mit dem ersten Energiefluss (El) von der Batterie (2) und/oder mit dem zweiten Energiefluss (E2) von der

Brennstoffzelle (3) zu versorgen.

5. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die

Steuereinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, mittels des 3-Level-Umrichters (4), in einem Rekuperationsmodus, eine von der elektrischen Maschine (6) bereitgestellte elektrische Spannung an der Batterie (2) bereitzustellen.

6. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (6) umfassend die Schritte:

- Sl) Bereitstellen einer Batterie (2), einer Brennstoffzelle (3) und eines 3-Level- Umrichters (4), wobei der 3- Level- Umrichter (4) mit der Batterie (2), der

Brennstoffzelle (3) und einer elektrischen Maschine (6) verschaltet ist, wobei die Batterie (2) und die Brennstoffzelle (3) in Reihe geschaltet sind;

- S2) Ansteuern der elektrischen Maschine (6) über den 3-Level-Umrichter (4) mit einem ersten Energiefluss (El) von der Batterie (2) und/oder einem zweiten

Energiefluss (E2) von der Brennstoffzelle (3) mittels einer Steuereinrichtung (5), wobei die Steuereinrichtung (5) den ersten Energiefluss (El) und/oder den zweiten Energiefluss (E2) mittels Steuern des 3-Level-Umrichters (4) an der elektrischen Maschine (6) bereitstellt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Steuern des 3-Level-Umrichters (4) durch Anlegen eines Modulationssignals (MS) am 3-Level-Umrichter (4) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Modulationssignal (MS) in Abhängigkeit von einer Vorgabe (V) eines Benutzers durch die Steuereinrichtung (5) generiert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem im Verfahrensschritt S2 bei einem Betriebsstart der Brennstoffzelle (3) der erste Energiefluss (El) von der Batterie (2) an der elektrischen Maschine (6) bereitgestellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem im Verfahrensschritt S2 nach dem Erreichen eines ersten Betriebszustandes der erste Energiefluss (El) von der Batterie (2) und/oder der zweite Energiefluss (E2) von der Brennstoffzelle (3) an der elektrischen Maschine (6) bereitgestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die elektrische Maschine (6) derart von dem 3- Level-Umrichter (4) angesteuert wird, dass durch den ersten Energiefluss (El) und durch den zweiten Energiefluss (E2) eine Betriebsspannung (UB) an der elektrischen Maschine (6) bereitgestellt wird, mit welcher durch eine Vorgabe (V) eine Drehzahl (N) der elektrischen Maschine (6) oberhalb eines vorbestimmten ersten Grenzwertes (NI) für die Drehzahl und/oder ein Drehmoment (M) der elektrischen Maschine (6) oberhalb eines vorbestimmten ersten oberen Grenzwertes (Ml) für das Drehmoment erreicht werden kann.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die elektrische Maschine (6) derart von dem 3-Level-Umrichter (4) angesteuert wird, dass durch den ersten Energiefluss (El) und durch den zweiten Energiefluss (E2) ein Betriebsstrom (IB) an der elektrischen Maschine (6) bereitgestellt wird, mit welchem durch eine Vorgabe (V) ein Drehmoment (M) der elektrischen Maschine (6) oberhalb eines vorbestimmten zweiten oberen Grenzwertes (M2) für das Drehmoment erreicht werden kann.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei dem nach dem Verfahrensschritt S2 in einem Verfahrensschritt S3 nach dem Erreichen eines zweiten Betriebszustandes ein Ansteuern der Batterie (2) mit einem dritten Energiefluss (E3) von der elektrischen Maschine (6) in einem Rekuperationsmodus erfolgt.

Description:
Beschreibung

Titel

Elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine.

Stand der Technik

Beim Betrieb von elektrischen Maschinen werden in modernen Antriebslösungen Brennstoffzellensysteme angewandt. Um vor dem Erreichen eines

ausreichenden Wirkungsgrades der Brennstoffzelle, der elektrischen Maschine eine ausreichende elektrische Energie bereitzustellen, ist es nötig, die elektrische Maschine aus einer anderen Quelle von Strom und/oder Spannung zu betreiben, bis die Brennstoffzelle eine ausreichende Ausgangsspannung oder einen Ausgangsstrom bereitstellen kann (Hochfahren der Brennstoffzelle). Für hohe Leistungsanforderungen an die elektrische Maschine kann die elektrische Energie von der Brennstoffzelle unter Umständen allein nicht ausreichen und es ist in diesem Fall notwendig, eine weitere Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, zuzuschalten. Die Brennstoffzelle und die weitere Energiequelle stellen meist unterschiedlich hohe Ströme oder Spannungen zur Verfügung, welche üblicherweise mit Spannungswandlern für die elektrische Maschine angeglichen werden müssen. Als Inverter in Anwendungen mit Spannungswandlern werden meist B6-Inverter genutzt.

Aus der DE 11 2009 002 696 B4 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einem Akkumulator, sowie mit einem Inverter und

Spannungswandlereinheiten bekannt. Eine erste Spannungswandlereinheit dient zur Steuerung einer Klemmenspannung der Brennstoffzelle, und eine zwischen dem Akkumulator und dem Inverter vorgesehene zweite

Spannungswandlereinheit dient der Steuerung der Eingangsspannung des Inverters. Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine nach Anspruch 6.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Ansteuerung einer elektrischen Maschine mit Energie aus einer Batterie und einer Brennstoffzelle über einen 3-Level-Umrichter zu erzielen, wodurch auf die Anwendung von Spannungswandlereinheiten verzichtet werden kann. Bei Leistungsanforderungen an die elektrische Maschine, bei welchen der

Energiefluss von einer der Energiequellen nicht ausreicht, oder für den Fall, dass eine der Energiequellen keinen ausreichenden Energiefluss mehr liefern kann, können dadurch die Energieflüsse von Batterie und Brennstoffzelle auch ohne Spannungswandlereinheiten kombiniert werden. Zur Leistungssteigerung kann für höhere Drehzahlen oder ein zu erzielendes höheres Drehmoment die Spannung oder der Strom, mit welchem die elektrische Maschine angesteuert wird, gesteigert werden.

Erfindungsgemäß umfasst das elektrische Antriebssystem zumindest eine Batterie, zumindest eine Brennstoffzelle, wobei die Batterie und die

Brennstoffzelle in Reihe geschaltet sind, sowie einen 3-Level-Umrichter, eine elektrische Maschine, und eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, einen ersten Energiefluss von der Batterie und/oder einen zweiten Energiefluss von der Brennstoffzelle entsprechend einer Vorgabe mittels des 3-Level- Umrichters zu steuern und mittels des ersten Energieflusses und/oder des zweiten Energieflusses die elektrische Maschine zu betreiben.

Bei der zumindest einen Batterie kann es sich vorteilhaft um alle gängigen Arten von Batterien handeln, welche in Verbindung mit Brennstoffzellensystemen genutzt werden können. Die Batterie eignet sich vorteilhaft neben der Abgabe eines ersten Energieflusses auch zur Aufnahme (Speicherung) eines dritten Energieflusses, und ist mit anderen Worten wieder aufladbar. Die Batterie weist beispielsweise eine Klemmspannung von 300 V auf. Die Brennstoffzelle kann vorteilhaft auch ein Brennstoffzellensystem mit mehreren Brennstoffzellen umfassen. Weiterhin kann es sich bei der Brennstoffzelle vorteilhaft um alle gängigen Brennstoffzellen handeln.

Der 3-Level-Umrichter zeichnet sich vorteilhaft durch einen hohen Wirkungsgrad sowie geringe Schaltverluste beim Ansteuern der elektrischen Maschine mit einem Strom oder einer Spannung aus. Diesbezüglich umfasst der 3-Level- Umrichter vorteilhaft elektrische Schaltelemente mit Transistoren, beispielsweise IGBTs (insulated gate bipolar transistor).

Die Steuereinrichtung setzt vorteilhaft eine Vorgabe, insbesondere ein

Kommando eines Fahrers oder Operators der elektrischen Maschine, in einen Befehl zur Ansteuerung der elektrischen Maschine um. Der Befehl wird vorteilhaft durch die Steuereinrichtung an den 3-Level-Umrichter weitergeleitet, insbesondere durch das Anlegen eines Modulationssignals an die elektrischen Schaltereinheiten des 3-Level-Umrichters, wodurch der erste Energiefluss von der Batterie und/oder der zweite Energiefluss an die elektrische Maschine weitergeleitet, kombiniert oder variiert werden. Der erste und/oder der zweite Energiefluss kann vorteilhaft derart an die elektrische Maschine weitergeleitet werden, dass diese mit einem Strom oder mit einer Spannung angesteuert wird. Durch die Anwendung eines 3-Level-Umrichters kann vorteilhaft auf zusätzliche Spannungswandlereinheiten (Gleichstromwandler) im elektrischen

Antriebssystem verzichtet werden. Der 3-Level-Umwandler ersetzt dabei vorteilhaft eine Anordnung bestehend aus einem B6-Inverter und

Spannungswandlereinheiten (Gleichstromwandler). Dadurch ergibt sich vorteilhaft die Möglichkeit eine Kostenreduktion bei der Herstellung sowie eine platzsparende und gewichtsreduzierte Bauweise des elektrischen

Antriebssystems. Des Weiteren kann durch den 3-Level-Umrichter ein höherer Wirkungsgrad sowie eine Verringerung von Schaltverlusten erzielt werden.

Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen

Elektromotor in einem Kraftfahrzeug. Alternativ dazu kann es sich bei der elektrischen Maschine auch um einen oder mehrere Elektromotoren in allen erdenklichen Fahrzeugen oder Geräten handeln, in welchen Brennstoffzellen zusammen mit Batterien zum Einsatz kommen können, beispielsweise PKW, LKW, Nutzfahrzeuge, Busse, Boote oder Flugzeuge.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des elektrischen Antriebssystems ist der 3-Level-Umrichter mit der Batterie, der Brennstoffzelle und mit der elektrischen Maschine verschaltet.

Der 3-Level-Umrichter kann vorteilhaft eine Spannung in einem Zwischenkreis beliebig, vorteilhaft gemäß der Vorgabe des Operators, einstellen und damit die elektrische Maschine entsprechend ansteuern. Somit kann vorteilhaft

entsprechend der Vorgabe durch den Operator die Batterie, die Brennstoffzelle sowie der elektrische Antrieb optimal betrieben werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des elektrischen Antriebssystems ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, bei einem Betriebsstart der Brennstoffzelle die elektrische Maschine mit dem ersten Energiefluss von der Batterie zu versorgen.

Die Batterie kann vorteilhaft bei Bedarf eine sofortige Abgabe von Energie gewährleisten (erster Energiefluss), wohingegen die Brennstoffzelle eine charakteristische Zeitspanne benötigt, um nach dem Betriebsstart einen

Betriebszustand zu erreichen, in welchem ein ausreichender zweiter Energiefluss bereitgestellt werden kann, um die elektrische Maschine zu betreiben. Die elektrische Maschine kann vorteilhaft unmittelbar nach dem Start, mit anderen Worten sofort nach der Vorgabe durch den Operator (Fahrer), in einem bekannten Betriebsmodus der Maschine (in einem bekannten Arbeitsbereich innerhalb einer für die Maschine bekannten Drehzahl- Drehmoment- Charakteristik) betrieben werden. Dabei ist es vorteilhaft nicht nötig, auf ein Hochfahren der Brennstoffzelle warten zu müssen, falls der erste Energiefluss von der Batterie für den vorgegebenen Betrieb (Leistung) der elektrischen Maschine ausreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des elektrischen Antriebssystems ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, nach dem Erreichen eines ersten

Betriebszustandes, die elektrische Maschine mit dem ersten Energiefluss von der Baterie und/oder mit dem zweiten Energiefluss von der Brennstoffzelle zu versorgen.

Der erste Betriebszustand ist vorteilhaft dann erreicht, wenn die Brennstoffzelle hochgefahren ist, mit anderen Worten, wenn die Brennstoffzelle einen ausreichenden zweiten Energiefluss bereitstellt, mit dem die elektrische

Maschine innerhalb eines bekannten Arbeitsbereichs für die Maschine (innerhalb einer für die Maschine bekannten Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik) betrieben werden kann. Im Falle, dass der erste Energiefluss oder der zweite Energiefluss allein nicht zu einem Betrieb der elektrischen Maschine ausreicht, erfolgt vorteilhaft eine Kombination des ersten und des zweiten Energieflusses derart, dass der vorgegebene Betrieb (Leistung, Drehmoment, Drehzahl) erreicht werden kann, insbesondere die elektrische Maschine in einem effizienten Arbeitspunkt angesteuert werden kann, wobei ein optimierter Wirkungsgrad erreicht werden kann, welcher größer ist als der Wirkungsgrad mit üblichen Antriebssystemen mit Brennstoffzellen ohne einen 3-Level-Umrichter. Hierbei kann der vorgegebene Betrieb vorteilhaft hinsichtlich der Vorgabe durch einen Operator (Fahrerwunsch) zumindest annähernd erzielt werden. Des Weiteren kann als Vorgabe zum Betrieb auch der Ladezustand der Baterie oder die Funktionsweise (Fehler) oder die maximale Leistung der Brennstoffzelle berücksichtigt werden, vorteilhaft automatisch durch die Steuereinheit. Dabei ist es auch möglich vorzugeben, zu welchen Anteilen die Energieflüsse von der Baterie und von der Brennstoffzelle genutzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des elektrischen Antriebssystems ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, mitels des 3-Level-Umrichters, in einem Rekuperationsmodus, eine von der elektrischen Maschine bereitgestellte elektrische Spannung an der Baterie bereitzustellen.

In einem Rekuperationsmodus ist es vorteilhaft möglich, eine

Bewegungsenergie, beispielsweise eines Fahrzeugs, durch die elektrische Maschine in elektrische Energie umzuwandeln und diese als einen driten Energiefluss wieder der Baterie und/oder einer anderen Energiespeichereinheit zuzuführen. Hierzu wird vorteilhaft mitels einer Diode sichergestellt, dass der drite Energiefluss nicht der Brennstoffzelle zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Verfahrensschritt S1 eine Batterie, eine Brennstoffzelle und ein 3-Level-Umrichter bereitgestellt, wobei der 3-Level-Umrichter mit der Batterie, der Brennstoffzelle und einer elektrischen Maschine verschaltet ist, wobei die Batterie und die Brennstoffzelle in Reihe geschaltet sind. Des Weiteren erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt S2 ein Ansteuern der elektrischen Maschine über den 3-Level-Umrichter mit einem ersten Energiefluss von der Batterie und/oder einem zweiten Energiefluss von der Brennstoffzelle mittels einer Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung den ersten Energiefluss und/oder den zweiten Energiefluss mittels Steuern des 3-Level-Umrichters an der elektrischen Maschine bereitstellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt das Steuern des 3- Level-Umrichters durch Anlegen eines Modulationssignals am 3-Level-Umrichter.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird das

Modulationssignal in Abhängigkeit von einer Vorgabe eines Benutzers durch die Steuereinrichtung generiert.

Das Modulationssignal wird vorteilhaft je nach einer Anforderung durch den Operator (Benutzer) durch die Steuereinheit derart generiert und an die

Schaltereinheiten im 3-Level-Umrichter weitergegeben, dass der zweite

Energiefluss, und falls dieser nicht ausreicht auch der erste Energiefluss, derart zur Ansteuerung der elektrischen Maschine genutzt wird, dass diese einen möglichst effizienten Arbeitspunkt erreicht und eine Erfüllung der

Leistungsanforderung betreffend beispielsweise Drehzahl, Drehmoment oder Motorleistung, erfüllt oder sich dieser zumindest annähert. Des Weiteren ist es auch möglich, dass die Steuereinrichtung ein geeignetes Modulationssignal am 3-Level-Umrichter anlegt, um einen Rekuperationsmodus zu steuern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird im Verfahrensschritt S2 bei einem Betriebsstart der Brennstoffzelle der erste Energiefluss von der Batterie an der elektrischen Maschine bereitgestellt.

Hierbei wird die elektrische Maschine bis zum Hochfahren der Brennstoffzelle vorteilhaft ausschließlich durch den ersten Energiefluss betrieben. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird im Verfahrensschritt S2 nach dem Erreichen eines ersten Betriebszustandes der erste Energiefluss von der Batterie und/oder der zweite Energiefluss von der Brennstoffzelle an der elektrischen Maschine bereitgestellt.

Es ist vorteilhaft je nach Wunsch oder einer im Moment zur Verfügung stehenden Größenordnung des ersten Energieflusses und des zweiten Energieflusses (Spannung, Strom) möglich, die elektrische Maschine mit nur dem ersten Energiefluss, nur mit dem zweiten Energiefluss oder mit einer Kombination beider zu betreiben. Der erste Betriebszustand entspricht vorteilhaft einem Betrieb der elektrischen Maschine, wenn die Brennstoffzelle hochgefahren ist. Dadurch ist es vorteilhaft auch möglich, Schwankungen im ersten oder zweiten Energiefluss, beispielsweise durch einen fallenden Ladezustand der Batterie oder durch Defekte in der Brennstoffzelle, zu kompensieren. Durch eine entsprechende Kombination der Energieflüsse, mittels einer Modulation des 3- Level-Umrichters, kann vorteilhaft eine Leistungssteigerung der elektrischen Maschine erzielt werden, beispielsweise das erreichbare Drehmoment gesteigert werden oder höhere Drehzahlen erreicht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die elektrische Maschine derart von dem 3-Level-Umrichter angesteuert, dass durch den ersten Energiefluss und durch den zweiten Energiefluss eine Betriebsspannung an der elektrischen Maschine bereitgestellt wird, mit welcher durch eine Vorgabe eine Drehzahl der elektrischen Maschine oberhalb eines vorbestimmten ersten oberen Grenzwertes für die Drehzahl und/oder ein Drehmoment der elektrischen Maschine oberhalb eines vorbestimmten ersten oberen Grenzwertes für das Drehmoment erreicht werden kann.

Die elektrische Maschine kann mittels des Ansteuerns durch lediglich den ersten Energiefluss oder den zweiten Energiefluss in einem bekannten Arbeitsbereich, mit einer für die jeweilige Maschine bekannten Drehzahl- Drehmoment- Charakteristik, betrieben werden, wobei die bekannte Drehzahl- Drehmoment- Charakteristik durch einen ersten oberen Grenzwert für das Drehmoment als eine Funktion der erreichbaren Drehzahl bestimmt ist. Daraus ergeben sich dann ein vorbestimmter erster oberer Grenzwert für die Drehzahl und ein vorbestimmter erster oberer Grenzwert für das Drehmoment falls die elektrische Maschine im bekannten Arbeitsbereich betrieben wird. Durch das Ansteuern der elektrischen Maschine mit einer entsprechenden Betriebsspannung,

insbesondere mit einer Betriebsspannung, welche höher ist als eine

Betriebsspannung nur vom ersten oder zweiten Energiefluss, können vorteilhaft höhere Drehmomente im hohen Drehzahlbereich erzielt werden oder höhere Drehzahlen erzielt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die elektrische Maschine derart von dem 3-Level-Umrichter angesteuert, dass durch den ersten Energiefluss und durch den zweiten Energiefluss ein resultierender

Betriebsstrom an der elektrischen Maschine bereitgestellt wird, wodurch durch eine Vorgabe ein Drehmoment der elektrischen Maschine oberhalb eines vorbestimmten zweiten oberen Grenzwertes für das Drehmoment erreicht werden kann.

Durch das Ansteuern der elektrischen Maschine mit einem entsprechenden Betriebsstrom, insbesondere mit einem Betriebsstrom, welcher höher ist als ein Betriebsstrom nur vom ersten oder zweiten Energiefluss, können vorteilhaft höhere Drehmomente im niedrigen Drehzahlbereich erzielt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt nach dem

Verfahrensschritt S2 in einem Verfahrensschritt S3 nach dem Erreichen eines zweiten Betriebszustandes ein Ansteuern der Batterie mit einem dritten

Energiefluss von der elektrischen Maschine in einem Rekuperationsmodus.

Der zweite Betriebszustand entspricht vorteilhaft einem Betrieb der elektrischen Maschine, bei welchem die elektrische Maschine Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln kann.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems

gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines 3-Level-Umrichters in einem

erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem; und

Fig. 3 eine Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik für den Betrieb einer

elektrischen Maschine.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst eine Batterie 2 und eine

Brennstoffzelle 3, welche über einen 3-Level-Umrichter 4 verbunden,

insbesondere elektrisch verschaltet sind. Des Weiteren umfasst das elektrische Antriebssystem 1 eine elektrische Maschine 6, beispielsweise einen

Elektromotor, und eine Steuereinrichtung 5. Die elektrische Maschine 6 und die Steuereinrichtung sind mit dem 3-Level-Umrichter 4 elektrisch verschaltet. Der 3- Level-Umrichter 4 kann einen ersten Energiefluss El und/oder einen zweiten Energiefluss E2 an die elektrische Maschine 6 als Spannung und/oder Strom, in voller Größe oder teilweise, weitergeben. In einem zweiten Betriebszustand kann die elektrische Maschine einen dritten Energiefluss E3 erzeugen und der 3-Level- Umrichter 4 kann vorteilhaft den dritten Energiefluss an die Batterie weiterleiten. Eine Weiterleitung des dritten Energieflusses E3 an die Brennstoffzelle 3 wird vorteilhaft durch eine Diode (nicht gezeigt) verhindert, so wird sichergestellt, dass kein Strom in die Brennstoffzelle hineinfließt.

Die Steuereinrichtung 5 ist dazu eingerichtet, eine Vorgabe V eines Operators, insbesondere Fahrers, zu empfangen und in ein solches Modulationssignal MS umzuwandeln und mit diesem den 3-Level-Umrichter 4 anzusteuern, dass der erste Energiefluss El und/oder der zweite Energiefluss E2 und/oder der dritte Energiefluss E3 entsprechend derart gesteuert werden, dass ein vom Operator gewünschter Betrieb der elektrischen Maschine zumindest annähernd erreicht wird. Durch die Steuereinrichtung 5 können die Energieflüsse El, E2 und E3 vorteilhaft auch gleichzeitig gesteuert werden. Zum Erzielen eines Drehmoments oder einer Drehzahl jeweils über einem oberen ersten oder zweiten Grenzwert für ein Drehmoment kann die elektrische Maschine mit einem Betriebsstrom IB oder einer Betriebsspannung UB aus einer Kombination der Energieflüsse El und E2 angesteuert werden.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines 3-Level-Umrichters in einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem.

Der 3-Level-Umrichter 4 umfasst eine Anordnung von elektrischen

Schaltereinheiten, beispielsweise von zwölf Schaltereinheiten TI bis T12, wobei jeder Strang vier Schaltereinheiten umfasst. Die Schaltereinheiten TI bis T12 umfassen beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate- Elektrode (IGBTs). Die Steuereinrichtung 5 leitet ein entsprechendes Modulationssignal an die Schaltereinheiten, um damit die Energieflüsse El bis E3 zu steuern und von der Batterie 2 und der Brennstoffzelle 3 an die elektrische Maschine 6 zu leiten und bei einer Kombination der Energieflüsse eine Betriebsspannung UB und/oder einen Betriebsstrom IB an der elektrischen Maschine anzulegen. Die Schaltereinheit TI umfasst beispielsweise neben dem IGBT TU vorteilhaft auch eine Diode T12, wobei alle anderen Schaltereinheiten ebenso ausgeführt sein können. In den Strängen des 3-Level-Umrichters können vorteilhaft noch weitere Elemente, wie Dioden Dl - D6 verschaltet sein, durch welche die möglichen Stromrichtungen im 3-Level-Umrichter bestimmt werden. Der 3-Level-Umrichter umfasst einen Zwischenkreis, mit Kondensatoren CI und C2 als

Zwischenkreiskapazität, über welche die Energieflüsse von Batterie und

Brennstoffzelle am 3-Level-Umrichter angelegt werden. Hierbei sind die Batterie 2 und die Brennstoffzelle 3 vorteilhaft an einem Knotenpunkt K miteinander verbunden. Zwischen der Zwischenkreiskapazität, etwa dem Kondensator C2 und der Brennstoffzelle 3 kann eine Diode verschaltet sein (nicht gezeigt), um einen Stromfluss in die Brennstoffzelle 3 zu verhindern. Fig. 3 zeigt eine Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik für den Betrieb einer elektrischen Maschine.

Dargestellt ist eine Abhängigkeit des Drehmoments M von der Drehzahl N der elektrischen Maschine in einem bekannten Arbeitsbereich I, in welchem die elektrische Maschine vorteilhaft durch nur einen Energiefluss, entweder von der Batterie oder von der Brennstoffzelle, betrieben werden kann. Der bekannte Arbeitsbereich I umfasst einen ersten oberen Grenzwert Ml für das in einem solchen Betriebsmodus (Grundmodus) erreichbare Drehmoment in einem hohen Drehzahlbereich und einen zweiten oberen Grenzwert M2 für das Drehmoment in einem niedrigen Drehzahlbereich. Der zweite obere Grenzwert M2 ist üblicherweise konstant für steigende Drehzahlen N bis zu einem Eckpunkt E‘.

Für Drehzahlen oberhalb des Eckpunktes E‘ fällt der erste obere Grenzwert Ml für das Drehmoment asymptotisch mit steigender Drehzahl. Oberhalb des Eckpunktes E‘ weist der bekannte Arbeitsbereich I einen ersten oberen

Grenzwert NI für die zu erreichende Drehzahl N bei einem konstanten

Drehmoment M auf. Im Unteren Drehzahlbereich, für Drehzahlen geringer als E‘, ist das zu erreichende Drehmoment M durch den an der elektrischen Maschine angelegten Strom begrenzt und bei hohen Drehzahlen, oberhalb des Eckpunktes E‘, ist das zu erreichende Drehmoment M durch die an der elektrischen

Maschine angelegte Spannung begrenzt.

Es ist weiterhin möglich, durch eine entsprechende Kombination der

Energieflüsse von der Batterie und von der Brennstoffzelle den bekannten Arbeitsbereich der elektrischen Maschine zu verändern und die Drehzahl- Drehmoment-Charakteristik vorteilhaft im oberen und/oder unteren

Drehzahlbereich zu modifizieren. So kann ein zweiter Arbeitsbereich II mit einem Eckpunkt E“ bei geringeren Drehzahlen erreicht werden, indem ein

Betriebsstrom IB an der elektrischen Maschine angelegt wird, welcher höher ist als ein Betriebsstrom im bekannten Arbeitsbereich I. Somit kann bei niedrigen Drehzahlen, unterhalb des Eckpunktes E“, der zweite obere Grenzwert M2 aus dem bekannten Arbeitsbereich I zum einem höheren zweiten Grenzwert M2“ für das Drehmoment verschoben werden, wodurch bei gleichen Drehzahlen N höhere Drehmomente erzielbar sind. Hierbei verschiebt sich der Eckpunkt E‘ zu einem neuen Eckpunkt E“ bei niedrigeren Drehzahlen. Um höhere Drehzahlen zu erzielen, kann vorteilhaft die Kombination der Energieflüsse zu einer Ansteuerung der elektrischen Maschine mit einer, gegenüber der Spannung an der Maschine aus dem Arbeitsbereich I, höheren Betriebsspannung UB genutzt werden. Hierbei kann der Eckpunkt E‘ zu höheren Drehzahlen hin nach E“‘ verschoben werden, insbesondere ergibt eine Verdopplung der

Betriebsspannung eine Verdopplung der Drehzahl für den Eckpunkt E“‘. Dieser modifizierte Arbeitsbereich wird als Arbeitsbereich III bezeichnet. Der zweite obere Grenzwert für M2 ist hierbei gleich M2‘“, und bleibt für Drehzahlen bis zum neuen Eckpunkt E“‘ gleich. Für Drehzahlen oberhalb des ursprünglichen Eckpunktes E‘ sind demnach vorteilhaft höhere Drehmomente M als im

Arbeitsbereich I erzielbar. Ein entsprechender Betrieb einer elektrischen

Maschine kann vorteilhaft mittels der Anwendung eines 3-Level-Umrichters ohne die Anwendung von zusätzlichen Spannungswandlereinheiten

(Gleichstromwandler) erzielt werden. Der Betrieb der elektrischen Maschine in den Arbeitsbereichen II und III ist zwar auch mit Spannungswandlereinheiten (Gleichstromwandlern) und einem Inverter (B6-Inverter) möglich, allerdings müsste dabei für den Arbeitsbereich II die elektrische Maschine und für den Arbeitsbereich III die Spannungswandlereinheiten (Gleichstromwandler) besonders für diesen Betrieb (höhere Spannung, höherer Strom) ausgelegt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten

Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.