Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung und elektrisches Antriebssystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung und ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere bei der Spannungsversorgung elektrischer Maschinen mit einem hybriden Energiequellensystem aus einer Brennstoffzelle und einem elektrischen Energiespeicher.

Stand der Technik Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B.

Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder

Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Zur Einspeisung von Drehstrom in eine elektrische Maschine wird herkömmlicherweise über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters eine von einem

Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis wird von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule in einer Traktionsbatterie in Serie geschaltet. Ein derartiges Energiespeichersystem findet beispielsweise häufig Verwendung in elektrisch betriebenen Fahrzeugen. In der Druckschrift US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter

Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren

Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige

Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsbreitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit in die Batterie integriert.

Als Alternative offenbaren die Druckschriften DE 10 2010 027 857 A1 und DE 10 2010 027 861 A1 modular verschaltete Batteriezellen in Energiespeichereinrichtungen, die über eine geeignete Ansteuerung von Koppeleinheiten selektiv in den Strang aus seriell verschalteten Batteriezellen zu- oder abgekoppelt werden können. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Battery Direct Converter (Batteriedirektwandler, BDC) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in einem Energiespeichermodulstrang, welche an einen Gleichspannungszwischenkreis zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Maschine oder eines elektrischen Netzes über einen

Pulswechselrichter anschließbar sind.

Eine alternative Erzeugungsmöglichkeit elektrischer Energie für ein elektrisches

Antriebssystem bilden Brennstoffzellen. Dabei werden Brennstoffzellenfahrzeuge häufig mit zusätzlichen elektrischen Energiespeichern ausgestattet, um beispielsweise eine temporäre Leistungserhöhung für den Antrieb zu schaffen oder eine Rekuperation von Bremsenergie zu ermöglichen. Derartige hybride Brennstoffzellensysteme können einerseits über Gleichspannungswandler verfügen, welche zur Kopplung der

Brennstoffzellen und der elektrischen Energiespeicher zur Angleichung der

Spannungsbereiche und der Leistungsflüsse der hybriden Energiequellen. Andererseits können entsprechende Betriebsstrategien für die Brennstoffzellen gewählt werden, um die Spannungs- und Leistungsflussanpassung vorzunehmen, wie beispielsweise in den Druckschriften EP 1 233 468 A2 und US 7,829,229 B1 gezeigt.

Es besteht daher ein Bedarf an kostengünstigen und mit wenig technischem

Implementierungsaufwand herzustellenden Möglichkeiten, hybride

Energiequellensysteme aus Brennstoffzellen und elektrischen Energiespeichern für die Spannungsversorgung elektrischer Antriebssysteme zu schaffen.

Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung, welche mindestens einen Energieversorgungsstrang mit jeweils einem oder mehreren in dem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul mit mindestens einer Energiespeicherzelle und eine Koppeleinrichtung mit einer Vielzahl von Koppelelementen, welche dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungsstrang zu umgehen, umfassen, aufweist, einem Brennstoffzellensystem, welches mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt und zu der Energiespeichereinrichtung parallel geschaltet ist, und einer Steuereinrichtung, welche mit der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen der

Energiespeichermodule zum Einstellen einer Versorgungsspannung an den

Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung anzusteuern, welche einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems entspricht.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung in einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem, mit den Schritten des Ermitteins einer aktuellen Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen einer ersten Anzahl von Energiespeichermodulen der Energiespeichereinrichtung zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in den Energieversorgungsstrang, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen einer zweiten Anzahl von Energiespeichermodulen der

Energiespeichereinrichtung zum Umgehen der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in dem Energieversorgungsstrang, und des Bestimmens der ersten und zweiten Anzahl von Energiespeichermodulen der Energiespeichereinrichtung derart, dass die

Versorgungsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung an die ermittelte Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems angepasst wird.

Vorteile der Erfindung

Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energiespeichereinrichtung mit einem oder mehreren modular aufgebauten Energieversorgungssträngen aus einer

Serienschaltung von Energiespeichermodulen direkt parallel zu einem

Brennstoffzellensystem zu schalten, und die Ausgangsspannung der

Energiespeichereinrichtung durch modularweise Ansteuerung der Energiespeichermodule an die Erfordernisse des Brennstoffzellensystems anzupassen. Vorteilhafterweise macht der modulare Aufbau der Energieversorgungsstränge eine feine Stufung der gesamten Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung möglich, beispielsweise durch die phasenversetzte Ansteuerung der jeweiligen Koppeleinheiten für die einzelnen Energiespeicherzellenmodule oder die pulsbreitenmodulierte Ansteuerung einzelner Energiespeichermodule.

Ein variabel an die Arbeitsspannung der Brennstoffzelle angepasste

Energiespeichereinrichtung ermöglicht es, auf separate Leistungselektronik,

beispielsweise einen Gleichspannungswandler, zur Kopplung der

Energiespeichereinrichtung mit der Brennstoffzelle zu verzichten. Dadurch kann einerseits der Bauraumbedarf sowie das Systemgewicht des Antriebssystem verringert werden. Andererseits ist weniger Kühlleistung für die Leistungselektronik erforderlich, so dass insgesamt günstige Bauelemente mit niedrigen Leistungs- und/oder

Entwärmungsanforderungen eingesetzt werden können.

Durch den Einsatz einer modular aufgebauten Energiespeichereinrichtung ist eine Vereinfachung des Batteriemanagementsystems möglich, da lediglich eine modulweise Ansteuerung erforderlich ist. Außerdem kann die Energiespeichereinrichtung in einfacher Weise skaliert werden, indem die Anzahl der Energieversorgungsstränge bzw. die Anzahl der verbauten Energiespeichermodule pro Energieversorgungsstrang ohne weitere Anpassungsprobleme modifiziert werden. Dadurch können unterschiedliche Varianten von Brennstoffzellensystemen kostengünstig unterstützt werden.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin mindestens eine Speicherinduktivität aufweisen, welche zwischen einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung und dem Brennstoffzellensystem gekoppelt ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin einen Gleichspannungszwischenkreis aufweisen, welcher mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt und zu der Energiespeichereinrichtung und dem Brennstoffzellensystem parallel geschaltet ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin mindestens einen Hochvoltverbraucher aufweisen, welcher mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt und zu der Energiespeichereinrichtung und dem Brennstoffzellen system parallel geschaltet ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann der mindestens eine Hochvoltverbraucher einen Gleichspannungswandler umfassen, welcher die Energiespeichereinrichtung und das Brenn stoffzellensystem mit einem Niedervoltnetz koppelt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, den aktuellen Leistungsbedarf des elektrischen Antriebssystems zu erfassen und in Abhängigkeit von dem ermittelten Leistungsbedarf die Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule zum Anpassen der Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung an das Brennstoffzellensystem anzusteuern.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, den aktuellen Leistungsbedarf des elektrischen Antriebssystems zu erfassen und in Abhängigkeit von dem ermittelten Leistungsbedarf die Leistungsaufnahme eines oder mehrerer der Hochvoltverbraucher zu regeln.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin einen Wechselrichter, welcher mit der

Energiespeichereinrichtung und dem Brennstoffzellensystem gekoppelt und von diesen mit der Versorgungsspannung gespeist wird, und eine elektrische Maschine aufweisen, welche mit dem Wechselrichter gekoppelt ist.

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

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Brennstoffzelle und einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines

Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines

Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer

Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bereitstellen einer

Versorgungsspannung in einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein System 100, welches eine Energiespeichereinrichtung 1 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung durch parallel schaltbare Energieversorgungsstränge 10a, 10b zwischen zwei Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung 1 umfasst. Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b weisen jeweils Stranganschlüsse 1 a und 1 b auf. Die Energiespeichereinrichtung 1 weist mindestens zwei parallel geschaltete

Energieversorgungsstränge 10a, 10b auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der

Energieversorgungsstränge 10a, 10b in Fig. 1 zwei, wobei jedoch jede andere größere Anzahl von Energieversorgungsstränge 10a, 10b ebenso möglich ist. Es kann dabei gleichermaßen auch möglich sein, nur einen Energieversorgungsstrang 10a zwischen die Stranganschlüsse 1 a und 1 b zu schalten, die in diesem Fall die Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung 1 bilden.

Da die Energieversorgungsstränge 10a, 10b über die Stranganschlüsse 1 a, 1 b der Energieversorgungsstränge 10a, 10b parallel geschaltet werden können, wirken die Energieversorgungsstränge 10a, 10b als Stromquellen variablen Ausgangsstroms. Die Ausgangsströme der Energieversorgungsstränge 10a, 10b summieren sich dabei an dem Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung 1 zu einem Gesamtausgangsstrom.

Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b können dabei jeweils über

Speicherinduktivitäten 2a, 2b mit dem Ausgangsanschluss der

Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt sein. Die Speicherinduktivitäten 2a, 2b können beispielsweise konzentrierte oder verteilte Bauelemente sein. Alternativ können auch parasitäre Induktivitäten der Energieversorgungsstränge 10a, 10b als

Speicherinduktivitäten 2a, 2b eingesetzt werden. Durch entsprechende Ansteuerung der Energieversorgungsstränge 10a, 10b kann der Stromfluss in den

Gleichspannungszwischenkreis 9 gesteuert werden. Ist die mittlere Spannung vor dem Speicherinduktivitäten 2a, 2b höher als die momentane Zwischenkreisspannung, erfolgt ein Stromfluss in den Gleichspannungszwischenkreis 9, ist die mittlere Spannung vor dem Speicherinduktivitäten 2a, 2b hingegen niedriger als die momentane

Zwischenkreisspannung, erfolgt ein Stromfluss in den Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b. Der maximale Strom wird dabei durch die Speicherinduktivitäten 2a, 2b im Zusammenspiel mit dem Gleichspannungszwischenkreis 9 begrenzt.

Auf diese Art und Weise wirkt jeder Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b über die Speicherinduktivitäten 2a, 2b als variable Stromquelle, die sich sowohl für eine

Parallelschaltung als auch zur Realisierung von Stromzwischenkreisen eignen. Im Falle eines einzelnen Energieversorgungsstrangs 10a kann auf die Speicherinduktivität 2a auch verzichtet werden, so dass der Energieversorgungsstrang 10a direkt zwischen die Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist.

Jeder der Energieversorgungsstränge 10a, 10b weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der

Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungsstrang in Fig. 1 zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungsstränge 10a, 10b die gleiche Anzahl an

Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden

Energieversorgungsstrang 10a, 10b eine unterschiedliche Anzahl an

Energiespeichermodulen 3 vorzusehen. Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann.

Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den Fig. 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen jeweils eine

Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a und 7c sowie gegebenenfalls 7b und 7d. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein

Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten

Energiespeicherzellen 5a, 5k.

Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder -Akkumulatoren aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können auch Superkondensatoren oder

Doppelschichtkondensatoren als Energiespeicherzellen 5a bis 5k eingesetzt werden. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem in Fig. 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von

Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist.

Die Koppeleinrichtung 7 ist in Fig. 2 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei Koppelelementen 7a, 7c und zwei Koppelelementen 7b, 7d ausgebildet. Die

Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können dabei jeweils ein aktives Schaltelement, beispielsweise einen Halbleiterschalter, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode aufweisen. Die Halbleiterschalter können beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In diesem Fall können die Freilaufdioden auch jeweils in die Halbleiterschalter integriert sein. Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d in Fig. 2 können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der Steuereinrichtung 1 1 in Fig. 1 , dass das

Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt bzw. umgangen wird. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines

Energieversorgungsstrangs 10a, 10b integriert werden.

Mit Bezug auf Fig. 2 kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in

Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7d und das aktive Schaltelement des

Koppelelements 7a in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in einen offenen Zustand versetzt werden. In diesem Fall liegt zwischen den Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Modulspannung an. Ein Überbrückungs- bzw.

Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in offenem Zustand gehalten werden. Ein zweiter Überbrückungs- bzw.

Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schalter der Koppelelemente 7c und 7d in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in offenem Zustand gehalten werden. In beiden Überbrückungs- bzw. Umgehungszuständen liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung 0 an. Ebenso kann das Energiespeicherzellenmodul 5 in Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 geschaltet werden, indem die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in offenen Zustand versetzt werden. In diesem Fall liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die negative Modulspannung an.

Die Gesamtausgangsspannung eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b kann dabei jeweils in Stufen eingestellt werden, wobei die Anzahl der Stufen mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 skaliert. Bei einer Anzahl von n ersten und zweiten

Energiespeichermodulen 3 kann die Gesamt-Ausgangsspannung des

Energieversorgungsstrangs 10a, 10b in n+1 Stufen zwischen der Spannung 0 und der positiven Gesamtspannung eingestellt werden. Fig. 3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Das in Fig. 3 gezeigte Energiespeichermodul 3 unterscheidet sich von dem in Fig. 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 nur dadurch, dass die Koppeleinrichtung 7 zwei statt vier Koppelelemente aufweist, die in Halbbrückenschaltung statt in Vollbrückenschaltung verschaltet sind.

In den dargestellten Ausführungsvarianten können die aktiven Schaltelemente der Koppeleinrichtungen 7 als Leistungshalbleiterschalter, zum Beispiel in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.

Um einen mittleren Spannungswert zwischen zwei durch die Stufung der

Energiespeicherzellemodule 5 vorgegebenen Spannungsstufen zu erhalten, können die Koppelelemente 7a, 7c und gegebenenfalls 7b, 7d eines Energiespeichermoduls 3 getaktet angesteuert werden, beispielsweise in einer Pulsbreitenmodulation (PWM), so dass das betreffende Energiespeichermodul 3 im zeitlichen Mittel eine Modulspannung liefert, welche einen Wert zwischen Null und der durch die Energiespeicherzellen 5a bis 5k bestimmten, maximal möglichen Modulspannung aufweisen kann. Die Ansteuerung der Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d kann dabei beispielsweise eine Steuereinrichtung, wie die Steuereinrichtung 1 1 in Fig. 1 , vornehmen, welche dazu ausgelegt ist, zum Beispiel eine Stromregelung mit einer untergelagerten Spannungssteuerung durchzuführen, so dass ein stufiges Zu- oder Abschalten von einzelnen Energiespeichermodulen 3 erfolgen kann. Das Antriebssystem 100 umfasst neben der Energiespeichereinrichtung 1 mit den Energieversorgungssträngen 10a, 10b weiterhin einen Gleichspannungszwischenkreis 9, einen Inverter 4 sowie eine elektrische Maschine 6. Beispielhaft dient das System 100 in Fig. 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 6. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz verwendet wird. Alternativ kann die elektrische Maschine 6 auch eine Synchron- oder Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC,„brushless DC motor") sein. Der Gleichspannungszwischenkreis 9 speist in der beispielhaften Ausführungsform in Fig. 1 einen Pulswechselrichter 4, welcher aus der Gleichspannung des

Gleichspannungszwischenkreises 9 eine dreiphasige Wechselspannung für die elektrische Maschine 6 bereitstellt. Es kann jedoch auch jeder andere Wandlertyp für den Inverter 4 verwendet werden, je nach erforderlicher Spannungsversorgung für die elektrische Maschine 6, zum Beispiel einen Gleichspannungswandler. Der Inverter 4 kann beispielsweise in raumzeigermodulierter Pulsbreitenmodulation (SVPWM,„space vector pulse width modulation") betrieben werden.

Das Antriebssystem 100 umfasst zudem ein Brennstoffzellensystem 8 aus einer oder mehreren Brennstoffzellen, welche direkt parallel zu den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. des Gleichspannungszwischenkreises 9 geschaltet sind. Wenn das Brennstoffzellensystem 8 eine ausreichende Kapazität besitzt, kann auf den Gleichspannungszwischenkreis 9 auch verzichtet werden. Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems können beispielsweise in Abhängigkeit von Temperatur, Druck, Feuchte und Gaskonzentration an den Elektroden verschiedene Ausgangsströme bei unterschiedlichen Betriebsspannungen liefern. Beispielhafte Strom-Spannungskennlinien K1 , K2 und K3 von derartigen Brennstoffzellen sind schematisch in dem in Fig. 4 dargestellten Diagramm gezeigt. Dabei hat die Variation P der Wasserstoff- bzw.

Sauerstoffkonzentration die größte Auswirkung auf die Verschiebung der Strom- Spannungskennlinien. Um das Brennstoffzellensystem 8 beispielsweise am Punkt des größtmöglichen Wirkungsgrades zu betreiben, muss für jeden Betriebspunkt die passende Spannung U oder der passende Strom I eingeregelt werden. Üblicherweise kann dies in Ermangelung eines Stromrichters über die Einstellung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems 8 erreicht werden.

Da die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems 8 durch die direkte Verschaltung des Brennstoffzellensystems 8 mit den Ausgangsanschlüssen der

Energiespeichereinrichtung 1 der Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 entsprechen muss, ist es notwendig, die

Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 über die entsprechende Ansteuerung der Energiespeichermodule 3 bedarfsgerecht einzustellen.

Das System 100 kann dazu weiterhin eine Steuereinrichtung 1 1 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die

Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschte

Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 an den jeweiligen

Ausgangsanschlüssen für den zwischen die Ausgangsanschlüsse gekoppelten

Gleichspannungszwischenkreis 9 bzw. das Brennstoffzellensystem 8 bereitzustellen.

Die Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 ist vorzugsweise über einen derartigen Spannungsbereich variabel, dass für jede Betriebsspannung des Brennstoffzellensystems 8 eine passende Ausgangsspannung eingestellt werden kann. Dies kann über eine entsprechende Auswahl der Anzahl von Energieversorgungssträngen 10a und 10b bzw. der Anzahl von Energiespeichermodulen 3 pro

Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b erfolgen, so dass auch bei dem niedrigsten vorgesehenen Ladezustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5 der

Energiespeichermodule 3 eine entsprechende minimale Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann.

Die Steuereinrichtung 1 1 kann beispielsweise vorbestimmte Kennfelder der

Parameterbereiche für die Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 speichern und zur Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 7 der Energiespeichermodule 3 in Abhängigkeit von während des Betriebs des Antriebssystems 100 ermittelten

Betriebsparametern wie Ladezustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5k,

Betriebsspannung des Brennstofzellensystems 8, Ladezustand des

Gleichspannungszwischenkreises 9, angeforderte Leistung des Pulswechselrichter 4 oder anderen Parametern verwenden. Die Kennfelder können beispielsweise den in Fig. 4 dargestellten Kennfelder entsprechen. Die Steuereinrichtung 1 1 kann dann die

Energiespeichereinrichtung 1 durch entsprechende Ansteuerung eines oder mehrerer Energiespeichermodule 3 auf die gewünschte Ausgangsspannung einstellen. Dabei kann die Energiespeichereinrichtung 1 einen Spannungsbereich d abdecken, der einen vorgegebenen Ausgangsspannungsbereich des Brennstoffzellensystems 8 abdeckt.

Das Antriebssystem 100 kann zudem weitere Hochvoltverbraucher 12 aufweisen, die aus dem Gleichspannungszwischenkreis 9 gespeist werden. Beispielsweise kann ein

Gleichspannungswandler zur Speisung eines Niedervoltnetzes, zum Beispiel eines 14- Volt- oder 12-Volt-Bordnetzes eines Fahrzeugs, als Hochvoltverbraucher 12 eingesetzt werden. Im Niedervoltnetz können beispielsweise Leuchtmittel, Steuergeräte und ähnliche Anwendungen eines Fahrzeugs, welches das elektrische Antriebssystem 100 nutzt, durch das Brennstoffzellensystem 8 und/oder die Energiespeichereinrichtung 1 gespeist werden.

Über die Steuereinrichtung 1 1 kann zudem der aktuelle Leistungsbedarf des elektrischen Antriebssystems 100 erfasst werden, beispielsweise den Leistungsbedarf der

Hochvoltverbraucher 12 oder der elektrischen Maschine 6. In Abhängigkeit von dem ermittelten Leistungsbedarf kann die Steuereinrichtung 1 1 dann die Koppeleinrichtungen 7 der Energiespeichermodule 3 zum Anpassen der Ausgangsspannung der

Energiespeichereinrichtung 1 an das Brennstoffzellensystem 8 ansteuern. Dies kann insbesondere dann geschehen, wenn die aktuelle Leistung des Brennstoffzellensystems 8 zu gering, das heißt, nicht im optimalen Arbeitsbereich ist. Durch die Anpassung der Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 an das Brennstoffzellensystem 8 erhöht sich die Brennstoffzellenleistung.

Regelbare Verbraucher, wie beispielsweise Niedervoltverbraucher, die durch den

Gleichspannungswandler zwischen Hochvoltnetz und Niedervoltnetz gespeist werden, können zum Ausgleich von Leistungsschwankungen temporär in ihrer Leistungsaufnahme gedrosselt werden. Dazu kann beispielsweise der Gleichspannungswandler temporär in der Leistungsaufnahme gedrosselt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu können schnelle Leistungsschwankungen, insbesondere von nicht regelbaren Verbrauchern, beispielsweise sicherheitsrelevanten Verbrauchern, durch die Energiespeichereinrichtung 1 temporär gepuffert werden. Bei längerfristigen Verschiebungen in der

Leistungsaufnahme kann das Brennstoffzellensystem 8 auf einen neuen Betriebspunkt gesetzt werden, beispielsweise indem die Wasserstoff- oder Sauerstoffversorgung neu eingeregelt wird. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens 20 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung, insbesondere in einem elektrischen

Antriebssystem 100 mithilfe einer Energiespeichereinrichtung 1 und einem

Brennstoffzellensystem 8, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 erläutert. Mit dem Verfahren 20 kann in einer Variante ein Gleichspannungszwischenkreis 9 mit einer Versorgungsspannung gespeist werden, welche zur Speisung eines Wechselrichters 4 für eine elektrische Maschine 6 dienen kann. In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Ermitteln einer aktuellen Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems 8. In den Schritten 22 und 23 kann ein Ansteuern der

Koppeleinrichtungen 7 einer ersten Anzahl von Energiespeichermodulen 3 der

Energiespeichereinrichtung 1 zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule 5 in den Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b sowie ein Ansteuern der

Koppeleinrichtungen 7 einer zweiten Anzahl von Energiespeichermodulen 3 der

Energiespeichereinrichtung 1 zum Umgehen der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule 5 in dem Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b erfolgen.

Die erste und zweite Anzahl von Energiespeichermodulen 3 kann in Schritt 24 der Energiespeichereinrichtung 1 derart ausgewählt bzw. angepasst werden, dass die Versorgungsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung 1 an die ermittelte aktuelle Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems 8 angepasst werden kann.

Mit dem Verfahren 20 kann eine Regelstrategie in einem Brennstoffzellenhybridsystem mit einem elektrischen Energiespeicher erreicht werden, in der eine elektrische

Verbindung zwischen Energiespeicher und Brennstoffzellensystem ohne

Zwischenschaltung eines Gleichspannungswandlers implementiert werden kann, da die Ausgangsspannungen des Energiespeichers und des Brennstoffzellensystems über die Regelung des Energiespeichers aufeinander abgestimmt werden können. Insbesondere kann die gewünschte Aufteilung der Leistungsflüsse aus Energiespeicher und

Brennstoffzellensystem durch eine entsprechende Ansteuerung der Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule eingeregelt werden. Dadurch kann auf die sonst zusätzlich notwendige Hardware des Gleichspannungswandlers und sonstige Elemente wie

Kühlkomponenten verzichtet werden, so dass ein derartig angesteuertes Antriebssystem kostengünstig, mit geringem Bauraumbedarf und geringerem Systemgewicht ausgestaltet werden kann.