Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Netzes, einen Multilevelkonverter und ein Energieversorgungssystem.

Ein elektrisches Netz kann mehrere Energiequellen aufweisen, über die mehreren Verbrauchern, die mit dem elektrischen Netz verbunden sind, elektrische Energie bereitstellbar ist. Hierbei ist es weiterhin möglich, dass das elektrische Netz in mehrere Teilnetze unterteilt ist, denen jeweils unterschiedliche Energiequellen sowie Verbraucher zugeordnet sind. Die unterschiedlichen Teilnetze können unterschiedliche Spannungen aufweisen, mit denen die Teilnetze zu betreiben sind, wobei diese unterschiedlichen Spannungen unterschiedliche Amplituden und/oder unterschiedliche maximale Werte aufweisen. Zwei hierbei miteinander verbundene Teilnetze mit unterschiedlichen

Spannungen sind über einen Spannungswandler, bspw. einen Gleichspannungswandler oder einen Wechselspannungswandler, miteinander verbunden.

Aus der Druckschrift US 5 093 583 A ist ein elektrisches System für ein Kraftfahrzeug bekannt, das ein Niederspannungsnetz sowie ein Hochspannungsnetz umfasst. Hierbei wird von einem Generator eine Niedervoltspannung erzeugt, die das

Niederspannungsnetz sowie einen Transformator des Kraftfahrzeugs speist. Dieser Transformator ist dazu ausgebildet, die Niedervoltspannung in eine Hochvoltspannung zu wandeln, mit der parallel zu Verbrauchern des Niederspannungsnetzes auch Verbraucher des Hochspannungsnetzes zu betreiben sind. Ein Verfahren zum Versorgen eines Elektromotors mit einem Wechselstrom ist in der Druckschrift US 2010 0 140 003 AI beschrieben. Hierbei wird je nach Anforderung des Elektromotors diesem über mindestens eine Pulsweitenmodulation eine elektrische Spannung bereitgestellt, wobei zwischen mehreren Arten, bspw. drei Arten, einer jeweils zu verwendenden Pulsweitenmodulation ausgewählt wird. Aus der Druckschrift US 2013 0 106 365 AI ist bekannt, einen Energiespeicher eines elektrischen Kraftfahrzeugs über eine externe Energiequelle aufzuladen. Dabei ist es möglich, den Energiespeicher des Kraftfahrzeugs mit der externen Energiequelle galvanisch getrennt oder direkt aufzuladen.

Ein Brennstoffzellensystem, über das elektrische Lasten mit elektrischer Energie zu versorgen sind, ist in der Druckschrift US 2014 0 152 089 AI beschrieben. Hierbei ist zwischen jeweils einer Brennstoffzelle und jeweils einer elektrischen Last ein

Wechselrichter angeordnet, der dazu ausgebildet ist, eine von der jeweiligen Last benötigte mehrphasige Hochvoltspannung zu erzeugen, wobei störende Geräusche durch Auswahl einer Differenz von Phasen der Hochvoltspannungen vermieden werden.

Aus der Druckschrift US 2014 0 225 432 AI ist ein Stromwandler bekannt, der drei Spulen umfasst und zum Austausch von elektrischer Energie zwischen verschiedenen Spannungsquellen und Spannungsnetzen eines elektrischen Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.

Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung bereitzustellen, mit dem bzw. der Spannungen mit

unterschiedlichen maximale Werten zu erzeugen sind, wobei ein erster Verbraucher, dem eine erste Spannung mit einem ersten Wert bereitzustellen ist, durch eine zweite

Spannung mit einem zweiten Wert, der einem zweiten Verbraucher bereitzustellen ist, nicht gestört wird. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 , einem

Multilevelkonverter gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8 sowie einem

Energieversorgungssystem gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 16 gelöst.

Ausgestaltungen des Verfahrens, des Multilevelkonverters und des

Energieversorgungssystems ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines elektrischen Netzes vorgesehen, das ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz umfasst, die über mindestens einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden werden. Dabei wird eine erste Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem ersten Teilnetz und eine zweite Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem zweiten Teilnetz zugeordnet. Das erste Teilnetz weist einen Multilevelkonverter mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen auf, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die erste Anschlussseite des mindestens einen

Gleichspannungswandlers über mindestens einen doppelten Sternpunktabgriff an den Multilevelkonverter angeschlossen wird. Der doppelte Sternpunktabgriff wird dabei über einen ersten Anschluss an einen ersten Sternpunkt des Multilevelkonverters und einen zweiten Anschluss an einen zweiten Sternpunkt des Multilevelkonverters realisiert. Von dem Multilevelkonverter wird mindestens eine primäre elektrische Wechselspannung dem ersten Teilnetz bereitgestellt. An der ersten Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers wird ferner über den doppelten Sternpunktabgriff mindestens eine erste elektrische Gleichspannung abgegriffen, die dem mindestens einen

Gleichspannungswandler bereitgestellt wird, und von dem mindestens einen

Gleichspannungswandler auf eine ausgehende zweite elektrische Gleichspannung transformiert wird, die dem zweiten Teilnetz bereitgestellt wird.

In möglicher Ausgestaltung umfasst der Gleichspannungswandler einen Transformator, der das erste Teilnetz und das zweite Teilnetz galvanisch voneinander trennt, wobei eine Primärseite des Transformators mit einer ersten Windungszahl dem ersten Teilnetz und eine Sekundärseite des Transformators mit einer zweiten Windungszahl dem zweiten Teilnetz zugeordnet wird. Dem Transformator ist auf der Primärseite ein Inverter vorgeschaltet, der die über den doppelten Sternpunktabgriff abgegriffene mindestens eine erste Gleichspannung in eine erste Wechselspannung überführt, die dem

Transformator bereitgestellt wird, von diesem in eine zweite Wechselspannung transformiert wird und von einem dem Transformator auf der Sekundärseite

nachgeschalteten Gleichrichter in die ausgehende zweite elektrische Gleichspannung überführt wird. Üblicherweise ist die erste Windungszahl der Primärseite des Transformators größer als die zweite Windungszahl der Sekundärseite. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass die erste Wechselspannung eine Amplitude mit einem ersten Wert und eine Frequenz mit einem ersten Wert aufweist, und dass die zweite Wechselspannung eine Amplitude mit einem zweiten Wert und eine Frequenz mit einem zweiten Wert aufweist. Dabei wird der erste Wert der Amplitude der ersten Wechselspannung üblicherweise größer als der zweite Wert der Amplitude der zweiten Wechselspannung eingestellt. Der erste Wert der Frequenz der ersten Wechselspannung wird üblicherweise kleiner als der zweite Wert der Frequenz der zweiten

Wechselspannung eingestellt. Alternativ ist möglich, dass der erste Wert der Amplitude der ersten Wechselspannung kleiner als der zweite Wert der zweiten Wechselspannung ist. Außerdem ist auch möglich, dass der Wert der Frequenz der ersten

Wechselspannung größer als der Wert der Frequenz der zweiten Wechselspannung ist.

In alternativer Ausgestaltung wird der Gleichspannungswandller mit einer

Wandlertopologie ohne galvanische Trennung realisiert. Dabei ist es denkbar, dass als Gleichspannungswandler ein Wandler aus der Gruppe bestehend aus: Buck-Konverter, Boost-Konverter, Buck-Boost-Konverter, Boost-Buck- Konverter gewählt wird.

In weiterer Ausgestaltung wird über den doppelten Sternpunktabgriff ein jeweiliger unmittelbarer oder mittelbarer Abgriff an den elektrischen Energiespeichern von den jeweiligen zu dem ersten Sternpunkt und dem zweiten Sternpunkt des

Multilevelkonverters nächstliegenden Einzelmodulen des Multilevelkonverters

vorgenommen. Diese Einzelmodule, von denen bzw. von deren Energiespeichern die mindestens eine erste Gleichspannung abgegriffen wird, werden im Folgenden als Sternpunktmodule bezeichnet. In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden von dem

Multilevelkonverter dem ersten Teilnetz mehrere, bspw. drei, zueinander

phasenverschobene primäre Wechselspannungen bzw. Phasen bereitgestellt. Der mehrere Einzelmodule mit Energiespeichern umfassende Multilevelkonverter ist als Energiespeicher bzw. Energiequelle ausgebildet und/oder zu bezeichnen, mit dem Verbrauchern der Teilnetze unterschiedliche Spannungen bereitgestellt werden. Hierbei werden Verbrauchern des ersten Teilnetzes Wechselspannungen mit jeweils

bedarfsgerecht angepassten Amplituden und Frequenzen bereitgestellt.

Weiterhin wird Verbrauchern des zweiten Teilnetzes über den Gleichspannungswandler eine ausgehende zweite Gleichspannung bereitgestellt, deren Größe an einen von Verbrauchern des zweiten Teilnetzes geforderten Bedarf einzustellen ist. In Ausgestaltung umfasst der Gleichspannungswandler, wie voranstehend erläutert, einen Transformator, wobei dessen Primärseite dem ersten Teilnetz und dessen Sekundärseite dem zweiten Teilnetz zugeordnet ist. Dem Transformator ist dabei auf seiner Primärseite ein

Wechselrichter vorgeschaltet, von dem die erste von den sogenannten

Sternpunktmodulen, d.h. von den jeweiligen den beiden Sternpunkten nächstgelegenen Einzelmodulen abgegriffene Gleichspannung in die erste Wechselspannung überführt wird. Die erste Wechselspannung wird von dem Transformator in eine zweite

Wechselspannung transformiert, wobei deren Frequenz und deren Amplitude von der Frequenz und Amplitude der ersten Wechselspannung sowie von einem Verhältnis der beiden Windungszahlen des Transformators abhängig ist. Außerdem weist der Multilevelkonverter mehrere verteilte Einzelmodule auf, wobei von einem Energiespeicher eines jeweiligen Einzelmoduls eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung bereitgestellt wird, wobei für den Fall, dass von einem jeweiligen Energiespeicher eine Gleichspannung bereitgestellt wird, diese Gleichspannung von dem Multilevelkonverter in eine Wechselspannung gewandelt wird. Der erfindungsgemäße Multilevelkonverter bzw. mehrstufige Konverter, der auch als Multilevelumrichter zu bezeichnen ist, ist in einem elektrischen Netz anzuordnen, das ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz umfasst, wobei die beiden Teilnetze über mindestens einen Gleichspannungswandler miteinander zu verbinden sind. Eine erste Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers ist dem ersten Teilnetz und eine zweite Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers ist dem zweiten Teilnetz zuzuordnen bzw. zugeordnet. Der Multilevelkonverter ist in dem ersten Teilnetz anzuordnen. Der Multilevelkonverter weist eine Mehrzahl von Einzelmodulen aufweist, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei der Multilevelkonverter dazu ausgebildet ist, dem ersten Teilnetz mindestens eine primäre Wechselspannung bereitzustellen und über einen doppelten Sternpunktabgriff an der ersten Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem

Gleichspannungswandler mindestens eine erste Gleichspannung bereitzustellen, die von dem mindestens einen Gleichspannungswandler auf eine ausgehende zweite elektrische Gleichspannung zu transformieren ist und dem zweiten Teilnetz bereitzustellen ist. Der doppelte Sternpunktabgriff ist dabei über einen ersten Anschluss an einen ersten

Sternpunkt des Multilevelkonverters und einen zweiten Anschluss an einen zweiten Sternpunkt des Multilevelkonverters zu realisieren bzw. realisiert. In möglicher Ausgestaltung ist der Gleichspannungswandler vollständig oder zumindest teilweise in den Multilevelkonverter integriert, d. h. alle oder manche Komponenten des Gleichspannungswandlers sind zugleich auch Komponenten des Multilevelkonverters.

Dem Multilevelkonverter ist eine Kontrolleinheit zugeordnet, die dazu ausgebildet ist, Werte von mindestens einem physikalischen Parameter, bspw. einer Amplitude und/oder einer Frequenz, der mindestens einen primären Wechselspannung und/oder der ersten Gleichspannung einzustellen. Je nach Definition ist diese Kontrolleinheit als Komponente des Multilevelkonverters ausgebildet und/oder zu bezeichnen. Weiterhin sind mindestens zwei Einzelmodule des Multilevelkonverters, in der Regel sämtliche Einzelmodule, gleich ausgebildet. Der Multilevelkonverter ist dazu ausgebildet, die mindestens eine primäre Wechselspannung aus einer Einzelspannung von einer Energiequelle bzw. einem

Energiespeicher mindestens eines Einzelmoduls zu erzeugen bzw. bereitzustellen, wobei mehrere primäre Wechselspannungen einander überlagert und/oder zueinander zeitlich phasenverschoben werden.

Außerdem ist der Multilevelkonverter dazu ausgebildet, mindestens zwei Einzelmodule in Reihe und/oder zueinander parallel zu schalten, und die mindestens eine primäre

Wechselspannung aus einer Kombination von Einzelspannungen der mindestens zwei miteinander zu kombinierenden Einzelmodule bereitzustellen. Hierbei werden einzelne Einzelmodule je nach Bedarf eingeschaltet oder ausgeschaltet.

Der Multilevelkonverter weist mehrere, bspw. drei Stränge auf, wobei jeder Strang eine Kombination aus mehreren miteinander verschalteten, üblicherweise gleich ausgebildeten Einzelmodulen aufweist, wobei mit jedem Strang jeweils eine primäre Wechselspannung und somit Phase zu erzeugen ist. Der Wert der Amplitude der jeweiligen primären Wechselspannung wird abhängig davon, welches Einzelmodul eines jeweiligen Stranges ein- oder ausgeschaltet ist und wie mehrere eingeschaltete Einzelmodule des Strangs zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet werden, eingestellt.

Die Energiespeicher der Einzelmodule sind in der Regel als Gleichspannungsquellen ausgebildet. Der Multilevelkonverter weist mindestens einen Wandler auf, der dazu ausgebildet ist, eine als Gleichspannung ausgebildete Einzelspannung eines

Energiespeichers mindestens eines Einzelmoduls in eine Wechselspannung umzuwandeln und daraus die mindestens eine primäre Wechselspannung bereitzustellen.

Dabei ist über den doppelten Sternpunktabgriff ein jeweiliger unmittelbarer oder mittelbarer Abgriff an den elektrischen Energiespeichern von den jeweiligen zu dem ersten Sternpunkt und dem zweiten Sternpunkt des Multilevelkonverters nächstliegenden Einzelmodulen des Multilevelkonverters, d.h. von den Sternpunktmodulen des

Multilevelkonverters vorzunehmen.

In Ausgestaltung ist der Gleichspannungswandler integrativer Teil des

Multilevelkonverters.

Der Gleichspannungswandler umfasst in Ausgestaltung einen Transformator, dessen Primärseite dem ersten Teilnetz und dessen Sekundärseite dem zweiten Teilnetz zugeordnet ist. Auf der Primärseite ist dem Transformator ein Wechselrichter bzw.

Inverter vorgeschaltet, der dazu ausgebildet ist, die von den Sternpunktmodulen abzugreifende bzw. abgegriffene erste Gleichspannung in eine erste Wechselspannung zu überführen und der Primärseite des Transformators bereitzustellen.

Das bedeutet, dass die Primärseite des Transformators durch die erste

Wechselspannung, d. h. durch die von dem Wechselrichter bereitgestellte

Wechselspannung, angeregt wird.

Der Transformator weist eine Hochpasscharakteristik auf, wobei durch den

Transformator aus der ersten Wechselspannung nur Anteile berücksichtigt und auf die zweite Wechselspannung transformiert werden, die mindestens so groß wie eine

Grenzfrequenz sind.

Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem umfasst ein elektrisches Netz, das ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz umfasst, die über mindestens einen

Gleichspannungswandler miteinander verbunden sind. Dabei ist eine erste Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem ersten Teilnetz und eine zweite Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem zweiten Teilnetz zugeordnet, wobei das erste Teilnetz einen Multilevelkonverter mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen aufweist, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen Energiespeicher aufweist. Die erste Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers ist über mindestens eine doppelten Sternpunktabgriff an den Multilevelkonverter angeschlossen, wobei der doppelte Sternpunktabgriff über einen ersten Anschluss an einen ersten Sternpunkt des Multilevelkonverters und einen zweiten Anschluss an einen zweiten Sternpunkt des Multilevelkonverters realisiert ist. Der IVIultilevelkonverter ist dazu ausgebildet, mindestens eine primäre elektrische Wechselspannung dem ersten Teilnetz bereitzustellen, und an der ersten Anschlussseite des mindestens einen

Gleichspannungswandlers über den doppelten Sternpunktabgriff dem mindestens einen Gleichspannungswandler mindestens eine erste elektrische Gleichspannung

bereitzustellen. Der mindestens eine Gleichspannungswandler ist dazu ausgebildet, die mindestens eine erste Gleichspannung auf eine ausgehende zweite elektrische

Gleichspannung zu transformieren und dem zweiten Teilnetz bereitzustellen.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems umfasst der Gleichspannungswandler einen Transformator, der das erste Teilnetz und das zweite Teilnetz galvanisch voneinander trennt, wobei eine Primärseite des Transformators mit einer ersten Windungszahl dem ersten Teilnetz und eine Sekundärseite des

Transformators mit einer zweiten Windungszahl dem zweiten Teilnetz zugeordnet ist. Dabei ist dem Transformator auf der Primärseite ein Inverter vorgeschaltet, der dazu ausgebildet ist, die über den doppelten Sternpunktabgriff abzugreifende mindestens eine erste Gleichspannung in eine erste Wechselspannung zu überführen und dem

Transformator bereitzustellen. Der Transformator ist dazu ausgebildet, die von dem Inverter bereitgestellte erste Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung zu transformieren, wobei dem Transformator auf der Sekundärseite mindestens ein Gleichrichter nachgeschaltet ist, der dazu ausgebildet ist, die von dem Transformator bereitgestellte zweite Wechselspannung in die ausgehende zweite elektrische

Gleichspannung zu überführen.

In Ausgestaltung ist die erste Windungszahl einer Spule der Primärseite des

Transformators größer als die zweite Windungszahl einer Spule der Sekundärseite des Transformators. Alternativ ist denkbar, dass die erste Windungszahl der Spule der Primärseite kleiner als die zweite Windungszahl der Spule der Sekundärseite ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der

Gleichspannungswandller eine Wandlertopologie ohne galvanische Trennung auf.

Dabei ist es denkbar, dass der Gleichspannungswandler ein Wandler aus der Gruppe bestehend aus: Buck-Konverter, Boost-Konverter, Buck-Boost-Konverter, Boost-Buck- Konverter ist.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems ist der doppelte Sternpunktabgriff über einen jeweiligen unmittelbaren oder mittelbaren

Anschluss des ersten Sternpunkts und des zweiten Sternpunkts an die elektrischen Energiespeicher von den jeweiligen zu dem ersten Sternpunkt und dem zweiten

Sternpunkt des Multilevelkonverters nächstliegenden Einzelmodulen des

Multilevelkonverters, d.h. von den Sternpunktmodulen zu realisieren. Das Energieversorgungssystem ist bspw. in einem Kraftfahrzeug anzuordnen.

Weiterhin ist dem ersten Teilnetz als Verbraucher eine elektrische Maschine zuzuordnen, die mehrere Phasen aufweist, wobei der Multilevelkonverter dazu ausgebildet ist, jeder Phase jeweils eine primäre Wechselspannung bereitzustellen.

Der vorgestellte erfindungsgemäße Multilevelkonverter ist in Ausgestaltung als

Komponente des vorgestellten erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems ausgebildet, wobei mit dem Multilevelkonverter und/oder dem

Energieversorgungssystem Verbraucher des Netzes, d. h. mindestens ein Verbraucher des ersten Teilnetzes, der üblicherweise als elektrische Maschine ausgebildet ist, sowie mindestens ein Verbraucher des zweiten Teilnetzes mit elektrischer Energie zu versorgen sind. In Ausgestaltung ist hierbei vorgesehen, dass eine derartige elektrische Maschine als elektrischer Motor betrieben wird, mit dem elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, dass diese elektrische Maschine je nach Anforderung als elektrischer Generator betrieben wird. Falls das Energieversorgungssystem und das Netz für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sind, ist das Netz auch als Bordnetz des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Entsprechend sind die beiden Teilnetze als Teilbordnetze des Kraftfahrzeugs ausgebildet und/oder zu bezeichnen, die mit Spannungen zu betreiben sind, deren Amplituden bzw. maximale Werte unterschiedlich groß sind. In diesem Fall ist weiterhin vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Verbraucher des ersten Teilnetzes, dessen Spannung eine Amplitude mit einem großen Wert aufweist, sofern sie als elektrischer Motor betrieben wird, zum Antreiben bzw. Fortbewegen des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Falls die elektrische Maschine alternativ hierzu als elektrischer Generator betrieben wird, ist mit dieser mechanische Energie des Kraftfahrzeugs, bspw. bei einem Rekuperationsbetrieb, in elektrische Energie zu wandeln, wobei dabei bereitgestellte elektrische Energie in einem Energiespeicher des elektrischen Netzes zu speichern ist. Ein Verbraucher des zweiten Teilnetzes, dessen Spannung in der Regel niedriger ist, ist bspw. zur

Durchführung einer Kontrollfunktion des Kraftfahrzeugs ausgebildet.

Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren ist mit dem Multilevelkonverter und/oder dem Energieversorgungssystem durchzuführen, wobei das Verfahren mit dem

Multilevelkonverter und/oder dem Energieversorgungssystem zu kontrollieren und somit zu steuern und/oder zu regeln ist.

In Ausgestaltung ist der Multilevelkonverter als Hochspanungs-Multilevelkonverter ausgebildet, falls das erste Teilnetz mit einer höheren Spannung als das mindestens eine zweite Teilnetz zu betreiben ist. Der Wert der Frequenz der mindestens einen primären Wechselspannung, die von dem Multilevelkonverter breitgestellt wird und mit der der Verbraucher des ersten Teilnetzes zu versorgen ist, ist in der Regel vergleichsweise niedrig und beträgt maximal zwei Kilohertz.

Der Multilevelkonverter ist bspw. als modularer Multilevelkonverter (modular multilevel Converter, MMC) oder MMSPC ausgebildet. Ein als MMSPC ausgebildeter

Multilevelkonverter ist in der Druckschrift "Modular Multilevel Converter with Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control."(IEEE Transaction on Power

Electronics) von S. M. Goetz, A. V. Peterchev und T. Weyh beschrieben.

In der Regel weist die mindestens eine zu erzeugende primäre Wechselspannung eine hohe Dynamik auf. Üblicherweise ist der Wert der Amplitude der mindestens einen primären Wechselspannung im Größenbereich von > 200V. Durch Kombination mehrerer primärer Wechselspannungen, die von dem Multilevelkonverter überlagert werden, ist ein sogenanntes Frequenzmultiplexing der primären Wechselspannungen möglich, wobei die derart miteinander kombinierten primären Wechselspannungen zum Versorgen des Verbrauchers des ersten Teilnetzes ausgehend von dem Multilevelkonverter zu versorgen sind. Die Amplitude und/oder Frequenz der primären Wechselspannungen werden an Erfordernisse des Verbrauchers des ersten Teilnetzes angepasst.

Eine Hochpasscharakteristik des in Ausgestaltung vorgesehenen Transformators ist durch Auswahl eines Werts einer Induktivität mindestens einer der beiden Spulen bzw. des Transformators einzustellen, wobei die Induktivität der jeweiligen Spule abhängig von ihrer Windungszahl ist.

Die Anregung des Transformators wird durch den Wert der Frequenz und/oder der Amplitude der ersten Wechselspannung, die von dem Multilevelkonverter über den dem Transformator vorgeschalteten Wechselrichter bereitgestellt wird, eingestellt.

Die Sekundärseite des in Ausgestaltung vorgesehenen Transformators ist dann mit mindestens einem Gleichrichter und somit ggf. einer Topologie aus mehreren

Gleichrichtern verbunden, wobei an dem mindestens einen Gleichrichter wiederum mindestens ein Verbraucher des zweiten Teilnetzes angeschlossen ist, wobei die von dem Transformator bereitgestellte ausgehende zweite Wechselspannung von dem mindestens einen Gleichrichter in die zweite Gleichspannung umgewandelt wird. Der mindestens eine Gleichrichter ist üblicherweise aktiv oder passiv ausgebildet und weist in der Regel mindestens eine DC-Regelstufe auf, die bspw. als Buck,- Boost-, oder Buck- Boost-Stufe ausgebildet ist. Ferner kann dem Gleichrichter ein Inverter nachgeschaltet sein, um eine Ausgabe von 110V oder 240V zu realisieren. Die aus dem mindestens einen Gleichrichter gebildete Topologie ist zumindest einpulsig oder mehrpulsig, bspw. einpulsig bis zwölfpulsig ausgebildet. Zum aktiven Regeln des mindestens einen

Gleichrichters ist bspw. ein als Feldeffekttransistor (FET) ausgebildeter Halbleiterbaustein zu verwenden. Zum passiven Regeln ist bspw. mindestens eine Diode zu verwenden.

Bei einer ersten möglichen Ausführungsform des Verfahrens, des Multilevelkonverters und/oder des Energieversorgungssystems ist vorgesehen, dass das erste Teilnetz als Hochspannungsversorgungsnetz und das zweite Teilnetz als

Niederspannungsversorgungsnetz ausgebildet ist. Dabei weist das zweite Teilnetz in Ausgestaltung mindestens einen eigenen Energiespeicher, bspw. einen Kondensator und/oder eine Batterie, auf. Ein durchschnittlicher Leistungsbedarf des ersten Teilnetzes ist hierbei um ein Vielfaches, bspw. einen Faktor fünf, höher als der durchschnittliche Leistungsbedarf des zweiten Teilnetzes. Falls das Energieversorgungssystem und somit das elektrische Netz für ein Kraftfahrzeug verwendet wird, beträgt der durchschnittliche Leistungsbedarf des zweiten Teilnetzes mit einer maximalen Spannung von bspw. 12V, 24V, 48V, 400V, 800V 1 bis 3 kW. Dagegen beträgt der Leistungsbedarf des ersten Teilnetzes je nach Ausgestaltung des anzutreibenden Kraftfahrzeugs für dessen Antrieb bspw. 20 kW bis 400 kW.

Bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen bzw. durchzuführenden doppelten

Sternpunktabgriff der ersten Gleichspannung von dem Mulitlevelkonverter bzw. von dessen Sternpunktmodulen wird Leistung dem ersten Teilnetz entzogen. Damit eine aktuelle Leistung des ersten Teilnetzes, die sich aus einem eigentlichen Soll-Strom- oder Soll-Spannungsverlauf auf Grundlage der mindestens einen primären Wechselspannung ergibt, einem aktuellen Regelsoll folgt, ist die abzugreifende bzw. abgegriffene erste Gleichspannung über eine dynamische Leistungsregelung des ersten Teilnetzes im Wesentlichen zu kompensieren. Durch Nutzung der Freiheitsgrade des Multilevelkonverters als physikalischer Schaltung wird der Spannungsabgriff relativ zu Referenzpunkten des Multilevelkonverters durchgeführt. Dabei entsprechen diese Referenzpunkte jeweiligen Sternpunkten des üblicherweise mehrphasigen Multilevelkonverters bzw. Multilevelumrichters. Der Abgriff der mindestens einen ersten Gleichspannung wird hierbei zwischen jeweiligen

Anschlüssen der Sternpunktmodule an den beiden Sternpunkten durchgeführt. Der Gleichspannungsabgriff wird parallel an Anschlüssen aller Sternpunktmodule des

Multilevelkonverters, d.h. an allen Phasen durchgeführt, wobei eine gleichmäßige

Lastverteilung auf alle Stränge des Multilevelkonverters erfolgt.

Mit dem vorgestellten Multilevelkonverter bzw. Multilevelumrichter ist eine primäre Wechselspannung bereitzustellen, die eine geringe Verzerrung aufweist, wodurch Störungen anderer elektrischer Geräte vermieden werden. Innerhalb des ersten

Teilnetzes wird elektrische Energie, die von dem Multilevelkonverter bereitgestellt wird, von der elektrischen Maschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs verwendet. Dabei ist es möglich, die elektrische Maschine ausgehend von dem Multilevelkonverter

spannungsgesteuert zu betreiben.

Der Multilevelkonverter ist bspw. als Neutral-Point-Clamped-(NPC)-Converter, der an einem Sternpunkt einen Neutralleiter aufweist, als Flying Capacitor, als modularer

Multilevelkonverter oder als MMSPC ausgebildet, mit denen jeweils bspw. Wechsel- oder Drehstromspannungen für mindestens eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden können. Eine derartige zur Versorgung vorgesehene Spannung weist einen Wert im Hochvoltbereich größer 60 Volt, üblicherweise größer 200 Volt auf und wird in der Regel aus mehreren Energiespeichern, bspw. Hochvoltspeichern, gespeist. Mindestens ein Ausgang des Multilevelkonverters ist von dem mindestens einen Hochvoltspeicher galvanisch getrennt. Falls der Multilevelkonverter mehrere Ausgänge aufweist, sind diese ebenfalls voneinander galvanisch getrennt.

Über das erste Teilnetz, das den Multilevelkonverter aufweist, ist die elektrische

Maschine mit Energie zu versorgen, wobei das erste Teilnetz als Hochspannungssystem ausgebildet und/oder zu bezeichnen ist. Dagegen ist das zweite Teilnetz als

Niederspannungssystem ausgebildet und/oder zu bezeichnen, über das weitere Verbraucher, bspw. Beleuchtungseinrichtungen, Nebenaggregate, Kontroll- bzw.

Steuermodule oder Kommunikationseinrichtungen des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen sind. Das zweite Teilnetz weist bspw. eine maximale Spannung von 12 V, 24 V, 48 V, 400 V, 800 V auf. Dagegen weist das erste Teilnetz Spannungen von bspw. 110 V oder 240 V auf.

In möglicher Ausgestaltung sind die Teilnetze über den Transformator voneinander galvanisch getrennt, so dass ein eventueller Halbleiterschaden im ersten Teilnetz keine leitende Verbindung zu dem zweiten Teilnetz und damit bspw. keine lebensgefährliche Berührspannung erzeugen kann. Der zum Bereitstellen der elektrischen Energie verwendete Multilevelkonverter weist ein geringes Gewicht auf und benötigt nur einen geringen Bauraum. Über den Multilevelkonverter kann mit mindestens einem Umrichter eine galvanisch trennende Wandlerfunktion umgesetzt werden. Der bspw. modulare Multilevelkonverter ist in Ausgestaltung als M2SPC (modularer Multilevel-Parallel-Seriell- Konverter) ausgebildet und umfasst Kondensatoren und/oder Batterien als mehrere Energiespeicher bzw. Komponenten der Einzelmodule des Multilevelkonverters.

Der mehrere Einzelmodule umfassende Multilevelkonverter wird als zentraler

Energiespeicher des Energieversorgungssystems verwendet, wobei mit dem

Multilevelkonverter innerhalb des ersten Teilnetzes eine hohe Spannung zu erzeugen ist. Ausgehend von dem Gleichspannungsabgriff an Sternpunktmodulen des

Multilevelkonverters wird mit dem Gleichspannungswandler für das zweite Teilnetz eine hierzu vergleichsweise geringe Spannung bereitgestellt, wobei diese beiden Teilnetze über den Gleichspannungswandler voneinander getrennt sind. Die von dem

Multilevelkonverter bereitgestellte Spannung ist nur geringen Fluktuationen unterworfen. Mit dem Multilevelkonverter sind mehrere Batterien als Energiespeicher dynamisch rekonfigurierbar und somit auch für ein Kraftfahrzeug einzusetzen.

In Ausgestaltung wird mit dem üblicherweise modularen Multilevelkonverter aus mehreren Energiespeichern der Einzelmodule, die bspw. als Gleichspannungsquellen ausgebildet sind, die Wechselspannung für das erste Teilnetz, das den hohen Wert der Spannung aufweist, erzeugt. Bei dem vorgestellten Energieversorgungssystem wird das zweite Teilnetz über den Gleichspannungswandler mit dem ersten Teilnetz verbunden, wobei zwischen den beiden Teilenetzen ein Energieaustausch ermöglicht wird. Der in Ausgestaltung vorgesehene Transformator als Teil des Gleichspannungswandlers wird mit der üblicherweise geringen ersten durch den vorgeschalteten Inverter bereitgestellten ersten Wechselspannung mit elektrischer Energie versorgt. Diese erste Wechselspannung wird über die erste Gleichspannung erzeugt, wobei über den vorgesehenen doppelten Sternpunktabgriff ermöglicht wird, dass die abgegriffene erste Gleichspannung einen Betrieb der elektrischen Maschine im Wesentlichen nicht beeinflusst.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben. Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.

Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems. Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen

5 Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.

Die in Figur 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters 10 umfasst einen ersten Strang 12 mit vier Einzelmodulen 14a, 14b, 14c, 14d, einen zweiten Strang 16 mit ebenfalls vier Einzelmodulen 18a, 18b, 18c, 18d

10 und einen dritten Strang 20 mit vier Einzelmodulen 22a, 22b, 22c, 22d. Dabei ist es möglich, jeden der genannten Stränge 12, 16, 20 auch als Arm des Multilevelkonverters 10 zu bezeichnen. Dieser hier modulare Multilevelkonverter ist bspw. als MMC, MMSPC oder Matroschka-Umrichter ausgebildet, der in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2015 112 513 beschrieben ist. Jedes der Einzelmodule 14a, 14b, 14c, 14d, 18a, 18b,

15 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d umfasst mindestens einen Energiespeicher, bspw. einen Kondensator oder eine Batterie, weshalb der Multilevelkonverter 10 mehrere verteilte Energiespeicher aufweist. Mit Energiespeichern der Einzelmodule 14a, 14b, 14c, 14d des ersten Strangs ist hier einer ersten Phase einer elektrischen Maschine Energie bereitzustellen. Einer zweiten Phase dieser elektrischen Maschine ist über die

20 Einzelmodule 18a, 18b, 18c, 18d des zweiten Strangs 16 elektrische Energie

bereitzustellen. Außerdem ist mit den Einzelmodulen 22a, 22b, 22c, 22d, des dritten Strangs 20 einer dritten Phase der elektrischen Maschine Energie bereitzustellen.

Die in Figur 2 schematisch dargestellte erste Ausführungsform des

25 Energieversorgungssystems 40 umfasst ein erstes Teilnetz 42 und ein zweites Teilnetz 34. Das erste Teilnetz 42 umfasst eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters 45, der wiederum drei zueinander parallel geschaltete Stränge 47, 49, 51 bzw. Arme aufweist, wobei ein erster derartiger Strang 47 ein erstes Einzelmodul 48a, ein zweites Einzelmodul 48b, ein drittes Einzelmodul 48c und ein viertes

30 Einzelmodul 48d aufweist. Ein zweiter Strang 49 des Multilevelkonverters 45 weist ein erstes Einzelmodul 50a, ein zweites Einzelmodul 50b, ein drittes Einzelmodul 50c und ein viertes Einzelmodul 50d auf. Außerdem umfasst der Multilevelkonverter 45 einen dritten Strang 51 mit einem ersten Einzelmodul 52a, einem zweiten Einzelmodul 52b, einem dritten Einzelmodul 52c und einem vierten Einzelmodul 52d. Hierbei weisen sämtliche Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d jeweils 5 einen als Batterie oder als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher auf.

Weiterhin umfasst der Multilevelkonverter 45 eine Kontrolleinheit 54. Jeweils ein Strang 47, 49, 51 des Multilevelkonverters 42 ist einer Phase von insgesamt drei Phasen U, V, W eines elektrischen Verbrauchers 58 zugeordnet, der hier als elektrische Maschine 10 ausgebildet ist.

Beim Betrieb des Multilevelkonverters 45 wird ein Wert einer Amplitude einer primären Wechselspannung, die einer jeweiligen Phase U, V, W des Verbrauchers 58

bereitzustellen ist, über die Kontrolleinheit 54 eingestellt. Dabei ist einer ersten Phase U 15 der erste Strang 47 mit den Einzelmodulen 48a, 48b, 48c, 48d zugeordnet. Einer

zweiten Phase V des Verbrauchers 58 ist der zweite Strang 49 mit den Einzelmodulen 50a, 50b, 50c, 50d zugeordnet. Außerdem ist der dritten Phase W des Verbrauchers 58 der dritte Strang 51 mit den Einzelmodulen 52a, 52b, 52c, 52d zugeordnet.

20 Sämtliche Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d sind gleichartig ausgebildet und weisen jeweils eine gleichartigen Energiespeicher auf, mit dem jeweils eine Wechselspannung bereitzustellen ist, deren Amplitude denselben Wert aufweist. Je nachdem, welchen Wert die Amplitude der Wechselspannung aufweisen soll, die einer jeweiligen Phase U, V, W bereitzustellen ist, wird bzw. werden von der

25 Kontrolleinheit 54 innerhalb eines jeweiligen Strangs 47, 49, 51 mindestens ein

Einzelmodul 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d, in der Regel mehrere Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d aktiviert, wobei je nach dem Wert der bereitzustellenden Amplitude der Wechselspannung bspw. mindestens zwei Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a,

30 52b, 52c, 52d innerhalb eines jeweiligen Strangs 47, 49, 51 zueinander in Reihe

und/oder parallel geschaltet werden. Hier ist in der Regel vorgesehen, dass das erste Teilnetz 42 mit einer Spannung betrieben wird, die höher als eine zweite Spannung des zweiten Teilnetzes 34 ist. Beide Teilnetze 42, 34 sind hier über einen galvanisch trennenden Transformator 60 miteinander verbunden, wobei die Primärseite des Transformators 60 dem ersten Teilnetz 42 und eine Sekundärseite des Transformators 60 dem zweiten Teilnetz 34 zugeordnet ist. Außerdem ist dem Transformator 60 innerhalb des zweiten Teilnetzes 34 ein Gleichrichter 62 nachgeschaltet, an dem ein Energiespeicher 64 angeschlossen ist. Weiterhin ist für den Multilevelkonverter 45 ein erster Sternpunkt 66 und ein zweiter Sternpunkt 67 definiert. Jeder der drei Stränge 47, 49, 51 ist über jeweils ein

Einzelmodul, Strang 47 über Einzelmodul 48a, Strang 49 über Einzelmodul 50a und Strang 51 über Einzelmodul 52a, mit den Sternpunkten 66 und 67 verbunden. Dabei ist jedes dieser Einzelmodule 48a, 50a bzw. 52a über seinen jeweiligen Energiespeicher mittelbar oder unmittelbar sowohl mit dem Sternpunkt 66 als auch mit dem Sternpunkt 67 verbunden, so dass darüber bei Durchführung einer Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Verfahrens von den Einzelmodulen 48a, 50a, 52a, die auch als Sternpunktmodule bezeichnet werden, eine erste Gleichspannung abgegriffen wird. Die so abgegriffene erste Gleichspannung wird dann einem Wechselrichter 55 zugeführt, der die erste Gleichspannung in eine erste Wechselspannung überführt und dem

Transformator 60 bereitstellt. Die Primärseite des Transformators 60 ist mit dem Wechselrichter 55 verbunden. Die Sekundärseite des Transformators 60 ist mit dem nachgeschalteten Gleichrichter 62 verbunden. Der Transformator 60 transformiert die erste Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung, die über den nachgeschalteten Gleichrichter 62 in eine zweite Gleichspannung überführt wird. Die zweite Gleichspannung wird dem zweiten Teilnetz 34 bereitgestellt und hier dem Energiespeicher 64 zugeführt.

Die hier dargestellte Hintereinanderschaltung von Wechselrichter 55, Transformator 60 und Gleichrichter 62 realisiert einen Gleichspannungswandler, der das erste Teilnetz 42 und das zweite Teilnetz 34 voneinander galvanisch trennt. Die galvanische Trennung wird hier durch den Transformator 60 gewährleistet. Die galvanische Trennung stellt sicher, dass ein eventueller Halbleiterschaden im ersten Teilnetz 42 keine leitende Verbindung zu dem zweiten Teilnetz 34 und damit bspw. keine lebensgefährliche Berührspannung erzeugen kann. Bei Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit den Einzelmodulen 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d, des jeweiligen Strangs 47, 49, 51 ein drei-Phasen System bereitgestellt.

Hierbei ist der erste Strang 47 einer ersten Phase U, der zweite Strang 49 einer zweiten Phase V und der dritte Strang 51 einer dritten Phase W des Verbrauchers 58 zugeordnet. Bei dem Verfahren wird ein jeweiliges Potential der Sternpunkte 66, 67 nicht eindeutig festgelegt, sondern auf eine jeweilige Mittelpunktspannung der drei Phasen U, V, W eingeregelt. Mit dem Multilevelkonverter 45, der hier als Dreiphasen-MMSPC ausgebildet ist, wird über den Transformator 60 eine integrierte galvanisch getrennte Versorgung von

Verbrauchern des zweiten Teilnetzes 34 ermöglicht.

Die in Figur 3 schematisch dargestellte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 70 umfasst ein erstes Teilnetz 72 und ein zweites Teilnetz 74. Das erste Teilnetz 72 umfasst eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters 75. Hierbei ist vorgesehen, dass die dritte Ausführungsform des Multilevelkonverters 75 weitgehend baugleich zu der zweiten Ausführungsform des Multilevelkonverters 45 ausgebildet ist.

Auch hier wird ein Wert einer Amplitude einer primären Wechselspannung für eine jeweilige Phase U, V, W des Verbrauchers 58 durch eine Reihen- und/oder

Parallelschaltung der Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d eines jeweiligen Strangs 47, 49, 51 bereitgestellt. Die zweite Ausführungsform des Energieversorgungssystems 70 unterschiedet sich dadurch von der ersten Ausführungsform aus Figur 2, dass ein sich zwischen dem ersten Teilnetz 72 und dem zweiten Teilnetz 74 befindender Gleichspannungswandler 65 nicht durch eine Hintereinanderschaltung von Wechselrichter, Transformator und Gleichrichter realisiert ist, sondern hier als ein Gleichspannungswandler 65 ohne galvanische Trennung ausgeführt ist. Dabei wird einer der beiden Sternpunkte 66, 67, hier Sternpunkt 66 direkt geerdet, während der andere Sternpunkt, hier Sternpunkt 67, mit einem Energiespeicher in Form einer Induktivität bzw. Spule 61 verbunden ist. Der Spule 61 nachgeschaltet sind zwei wiederum in Reihe zueinander geschaltete Transistoren 63a, 63b, die hier jeweils als ein MOSFET ausgebildet sind. Über die Schaltung von Spule 61 und MOSFETs 63a, 63b wird wiederum ein Gleichspannungswandler 65 realisiert. Die MOSFETs 63a und 63b sind hier in Reihe zueinander geschaltet, wobei die beiden MOSFETs 63a, 63b jeweils mindestens gegen das Potential von Sternpunkt 66 geregelt sind. Die Quellenanschlüsse der MOSFETs 63a und 63b sind einander zugewandt. Der Drain- bzw. Abfluss-Anschluss des MOSFETs 63a ist mit der Spule 61 verbunden und der Drain-Anschluss des MOSFETs 63b ist mit dem Pluspol des Energiespeichers 64 verbunden.

Bei Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine über die zwei Sternpunkte 66, 67 von den jeweiligen Energiespeichern der

Sternpunktmodule 48a, 50a, 52a abgegriffene erste Gleichspannung über die Spule 61 und die zwei MOSFETs 63a, 63b in eine zweite Gleichspannung überführt, die dem zweiten Teilnetz 74 bereitgestellt wird.

In dieser zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgesehenen

Gleichspannungswandler ist im Vergleich zu der ersten in Figur 2 dargestellten

Ausführungsform eine höhere Effizienz zu erreichen, verbunden mit einem geringeren Bauraumbedarf und geringeren Kosten.