Titel

Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Maschine, elektrisches

Antriebssystem und Verfahren zum Ansteuern eines Multilevel- Wechselrichters

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines Multilevel- Wechselrichters. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Ansteuerung einer elektrischen Maschine mittels Energie von einer Brennstoffzelle.

Stand der Technik

Die Druckschrift WO 2011/004487 Al offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Wechselrichter, der mit einem Motor verbunden ist, einem ersten Wandler zwischen einer Brennstoffzelle und dem Wechselrichter, einem zweiten Wandler zwischen einer Leistungsspeichereinrichtung und dem Wechselrichter sowie einem Controller, der den ersten und den zweiten Wandler steuert.

Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge gewinnen zunehmend an Bedeutung. Die elektrische Energie zum Antrieb kann dabei beispielsweise mittels eines elektrischen Energiespeichers, wie z.B.

Traktionsbatterien bereitgestellt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, mittels sogenannter Brennstoffzellen durch Oxidation von Wasserstoff elektrische Energie zu gewinnen, welche ebenfalls zum Betrieb einer

elektrischen Maschine genutzt werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 und ein Verfahren zum Ansteuern eines Multilevel-Wechselrichters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Maschine mit einem Multilevel-Wechselrichter. Der Multilevel-Wechselrichter umfasst einen ersten Eingangsanschluss. Dieser erste Eingangsanschluss ist dazu eingerichtet, mit der Brennstoffzelle elektrisch verbunden zu werden. Weiterhin umfasst der Multilevel-Wechselrichter einem zweiten Eingangsanschluss, der dazu eingerichtet ist, mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch verbunden zu werden. Ferner umfasst der Multilevel-Wechselrichter einen Ausgangsanschluss, der dazu eingerichtet ist, mit einer elektrischen Maschine verbunden zu werden.

Ferner ist vorgesehen:

Ein Verfahren zur Ansteuerung eines Multilevel-Wechselrichters, mit einem ersten Eingangsanschluss zur elektrischen Ankopplung einer Brennstoffzelle, einem zweiten Eingangsanschluss zur elektrischen Ankopplung eines

elektrischen Energiespeichers und einem Ausgangsanschluss zur elektrischen Ankopplung einer elektrischen Maschine. Das Verfahren umfasst die Schritte des Einstellens eines ersten Betriebsmodus, in welchem nur elektrische Energie von dem zweiten Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss übertragen wird, des Einstellens eines zweiten Betriebsmodus, in welchem nur elektrische Energie von dem ersten Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss übertragen wird, oder alternativ Einstellen eines dritten Betriebsmodus, in welchem abwechselnd sowohl elektrische Energie von dem ersten

Eingangsanschluss als auch von dem zweiten Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss übertragen wird.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Regelung einer Brennstoffzelle in der Regel über die Klemmspannung der Brennstoffzelle bzw. den elektrischen Strom von der Brennstoffzelle zu einem elektrischen Verbraucher geregelt wird. Hierzu wird vorzugsweise ein zusätzlicher

Gleichspannungswandler eingesetzt, welcher den elektrischen Strom von der Brennstoffzelle zu dem Verbraucher regelt. Eine Regelung der Brennstoffzelle über Zufuhr und Abfuhr der Medien einer Brennstoffzelle dagegen ist nicht wünschenswert und könnte gegebenenfalls zu Beschädigungen der

Brennstoffzelle führen. Für eine Regelung der Brennstoffzelle über die

Klemmenspannung bzw. den entnommenen elektrischen Strom ist in der Regel eine aufwändige elektrische Schaltung mit zusätzlichen Baugruppen,

insbesondere zusätzlichen Gleichspannungswandlern erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine effiziente Schaltungsanordnung vorzusehen, welche den Betrieb einer Brennstoffzelle in einem elektrischen Antriebssystem ermöglicht.

Hierzu ist erfindungsgemäß ein Multilevel-Wechselrichter, insbesondere ein Drei- Level-Wechselrichter vorzusehen, der eingangsseitig an einem Eingang von der Brennstoffzelle und an einem weiteren Eingang von einem weiteren elektrischen Energiespeicher gespeist werden kann. Ausgangsseitig kann ein solcher Multilevel-Wechselrichter eine elektrische Maschine speisen. Dabei können sowohl die Brennstoffzelle als auch der weitere elektrische Energiespeicher jeweils eine Ausgangsspannung bereitstellen, die für sich genommen zum Betrieb der angeschlossenen elektrischen Maschine ausreichend ist. Auf diese Weise kann durch das Einstellen eines entsprechenden Betriebsmodus in dem Multilevel-Wechselrichter die angeschlossene elektrische Maschine entweder allein durch den elektrischen Energiespeicher, alleine durch die Brennstoffzelle oder gegebenenfalls durch gemeinsames Speisen von elektrischer Energie von der Brennstoffzelle und dem elektrischen Energiespeicher betrieben werden. Insbesondere ist es durch ein geeignetes Ansteuern des Multilevel- Wechselrichters möglich, die Brennstoffzelle stets in einem optimalen

Arbeitsbereich zu betreiben. Reicht die von der Brennstoffzelle bereitgestellte elektrische Energie nicht aus, um die angeschlossene elektrische Maschine gemäß den geforderten Sollvorgaben zu betreiben, so kann zusätzlich von dem elektrischen Energiespeicher noch Energie bezogen werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, falls die Brennstoffzelle mehr elektrische Energie liefert, als in die elektrische Maschine eingespeist werden soll, die überschüssige elektrische Energie in den angeschlossenen elektrischen Energiespeicher einzuspeisen. Auf diese Weise kann eine sehr flexible Regelung der Brennstoffzelle und der angeschlossenen elektrischen Maschine realisiert werden, wobei die

Brennstoffzelle stets in einem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden kann.

Da sowohl die Brennstoffzelle als auch der weitere elektrische Energiespeicher direkt an den Multilevel-Wechselrichter angeschlossen werden können, entfallen zusätzliche Komponenten und Baugruppen, wie zum Beispiel zusätzliche Gleichspannungswandler, wie diese zur Regelung einer Brennstoffzelle bei einem konventionellen Betriebskonzept erforderlich wären. Auf diese Weise vereinfachen sich der Schaltungsaufwand und der damit verbundene

erforderliche Bauraum sowie die Herstellungskosten.

Gemäß einer Ausführungsform ist an dem ersten Eingangsanschluss, an dem die Brennstoffzelle angeschlossen werden kann und/oder an dem zweiten Eingangsanschluss, an dem der elektrische Energiespeicher angeschlossen werden kann, mindestens ein elektrischer Verbraucher angeschlossen. Bei diesen elektrischen Verbrauchern kann es sich beispielsweise um elektrische Verbraucher handeln, welche üblicherweise direkt an das Hochvoltnetz eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs angeschlossen sind. Beispielsweise kann es sich bei solchen Verbrauchern um eine Heizung, ein Klimagerät oder einen

Turboverdichter für ein Brennstoffzellensystem handeln. Ferner kann es sich bei den angeschlossenen Verbrauchern auch um einen Gleichspannungswandler handeln, welcher das Hochvoltnetz des Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit einem Niedervolt-Bordnetz eines Fahrzeugs koppelt bzw. dieses versorgt.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Multilevel-Wechselrichter einen Drei- Level-Wechselrichter. Drei- Level- Wechselrichter weisen in der Regel zwei Eingangsanschlüsse auf, an denen jeweils eine elektrische Energiequelle angeschlossen werden kann. Während jedoch bei konventionellen Drei-Level- Wechselrichtern in der Regel die beiden angeschlossenen Energiequellen jeweils eine nahezu gleiche Ausgangsspannung aufweisen, ist dies bei der

erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht zwingend erforderlich. Vielmehr können die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und die Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers auch voneinander abweichen.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, in einem ersten Betriebsmodus elektrische Energie ausschließlich von dem zweiten Eingangsanschluss des Multilevel-Wechselrichters zu dem Ausgangsanschluss zu übertragen. In diesem Betriebsmodus wird einer angeschlossenen

Brennstoffzelle keine elektrische Energie entnommen. Auf diese Weise ist auch bei ausgeschalteter oder gegebenenfalls erst hochfahrender Brennstoffzelle ein Betrieb des elektrischen Antriebssystems möglich. In einem zweiten

Betriebsmodus kann elektrische Energie ausschließlich von dem ersten

Eingangsanschluss des Multilevel-Wechselrichters zu dem Ausgangsanschluss übertragen werden. In diesem Fall wird einem angeschlossenen elektrischen Energiespeicher keine elektrische Energie entnommen, so dass das elektrische Antriebssystem alleine von einer angeschlossenen Brennstoffzelle gespeist werden kann. In einem dritten Betriebsmodus kann elektrische Energie abwechselnd entweder von dem zweiten Eingangsanschluss oder ersten Eingangsanschluss des Multilevel-Wechselrichters zu dem Ausgangsanschluss übertragen werden. Auf diese Weise kann auch dann ein Betrieb des elektrischen Antriebssystems gewährleistet werden, wenn eine einzige der beiden Energiequellen, insbesondere die Brennstoffzelle alleine keine ausreichende Menge an elektrischer Energie bereitstellen könnte, um die gewünschten Sollvorgaben für das elektrische Antriebssystem zu realisieren.

Gemäß einer Ausführungsform wird in einem vierten Betriebsmodus elektrische Energie von dem ersten Eingangsanschluss des Multilevel-Wechselrichters zu dem zweiten Eingangsanschluss zu übertragen. Auf diese Weise kann ein elektrischer Energiespeicher an dem zweiten Eingangsanschluss von der Brennstoffzelle an dem ersten Eingangsanschluss aufgeladen werden, so dass die von der Brennstoffzelle bereitgestellte elektrische Energie zu einem späteren Zeitpunkt wieder dem elektrischen Antriebssystem an dem Ausgangsanschluss zur Verfügung gestellt werden kann. Insbesondere kann von dem ersten Eingangsanschluss zu zweiten Eingangsanschluss elektrische Energie übertragen werden, ohne dass dabei in einer am Ausgangsanschluss angeschlossenen elektrischen Maschine ein Drehmoment eingestellt wird. Auf diese Weise kann auch bei Stillstand der elektrischen Maschine elektrische Energie von dem ersten Eingangsanschluss zu dem zweiten Eingangsanschluss übertragen werden. Alternativ ist es auch möglich, gleichzeitig in der am

Ausgangsanschluss angeschlossenen elektrischen Maschine ein vorgegebenes Drehmoment einzustellen und elektrische Energie von dem ersten

Eingangsanschluss zu dem zweiten Eingangsanschluss zu übertragen. Auf diese Weise kann beispielsweise auch während der Fahrt, zum Beispiel bei Teillast oder ähnlichem, überschüssige elektrische Energie von der Brennstoffzelle am ersten Eingangsanschluss in den elektrischen Energiespeicher an dem zweiten Eingangsanschluss übertragen werden.

Gemäß einer Ausführungsform kann in einem fünften Betriebsmodus gleichzeitig elektrische Energie von dem zweiten Eingangsanschluss und von dem ersten Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss übertragen werden.

Insbesondere kann dabei an der elektrischen Maschine am Ausgangsanschluss eine Klemmenspannung eingestellt werden, welche größer ist als die

Ausgangsspannung der Brennstoffzelle an dem ersten Eingangsanschluss oder des angeschlossenen elektrischen Energiespeichers an dem zweiten

Eingangsanschluss. Auf diese Weise kann zumindest kurzfristig eine

Leistungsüberhöhung für eine besonders hohe Geschwindigkeit oder starke Beschleunigung bei großer Drehzahl erzielt werden.

Gemäß einer Ausführungsform kann der Betriebsmodus in Abhängigkeit von einer elektrischen Spannung am ersten Eingangsanschluss, insbesondere einer Ausgangsspannung einer angeschlossenen Brennstoffzelle und/oder einer elektrischen Spannung am zweiten Eingangsanschluss, insbesondere einer Klemmenspannung eines angeschlossenen elektrischen Energiespeichers eingestellt werden. Beispielsweise kann mittels geeigneter Sensorik der von der Brennstoffzelle bzw. dem elektrischen Energiespeicher abgegebenen elektrische Strom oder die jeweilige Spannung an der Brennstoffzelle und/oder des elektrischen Energiespeichers ermittelt werden. Alternativ können die Werte zur Steuerung und zur Auswahl des Betriebsmodus auch berechnet werden. Auf Grundlage dieser ermittelten Werte kann ein optimaler Betriebspunkt sowohl für ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, als auch für eine Brennstoffzelle eingestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren in einem Betriebsmodus elektrische Energie von dem ersten Eingangsanschluss zu dem zweiten

Eingangsanschluss übertragen. Alternativ kann auch elektrische Energie von dem zweiten Eingangsanschluss zu dem ersten Eingangsanschluss übertragen werden. In beiden Fällen kann die Übertragung der elektrischen Energie erfolgen, ohne dass hierbei ein Drehmoment an einer am Ausgangsanschluss angeschlossenen elektrischen Maschine eingestellt wird. Alternativ ist es auch möglich, die elektrische Energie zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss zu übertragen und gleichzeitig ein Drehmoment in einer an dem Ausgangsanschluss angeschlossenen elektrischen Maschine einzustellen.

Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren in einem Betriebsmodus elektrische Energie sowohl von dem ersten Eingangsanschluss als auch von dem zweiten Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss übertragen.

Insbesondere kann hierbei die elektrische Spannung an dem

Ausgangsanschluss größer sein als die elektrische Spannung an dem ersten bzw. zweiten Eingangsanschluss.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einem Schritt zum

Einstellen eines weiteren Betriebsmodus in dem Multilevel-Wechselrichter, in welchem elektrische Energie von dem zweiten Eingangsanschluss zu einem elektrischen Verbraucher übertragen wird, der an dem ersten Eingangsanschluss des Multilevel-Wechselrichters angeschlossen ist. Auf diese Weise können auch Verbraucher, die an dem ersten Eingangsanschluss angeordnet sind, von dem elektrischen Energiespeicher an dem zweiten Eingangsanschluss mit Energie versorgt werden, wenn eine Brennstoffzelle an dem ersten Eingangsanschluss nicht aktiv ist oder keine ausreichende Menge an elektrischer Energie

bereitstellen kann.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen und

Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

Figur 1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform;

Figur 2: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Figur 3: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß noch einer weiteren Ausführungsform;

Figur 4: eine schematische Darstellung eines Raumzeigerdiagramms, wie es der Steuerung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform bei gleich großen Spannungen von Batterie und Brennstoffzelle zugrunde liegt; und

Figur 5: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem

Verfahren zur Ansteuerung eines Multilevel-Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Vorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine

Brennstoffzelle 1, einen elektrischen Energiespeicher 2, einen Multilevel- Wechselrichter 3 sowie eine elektrische Maschine 4. Bei der Brennstoffzelle 1 kann es sich um eine beliebige Brennstoffzelle handeln, welche beispielsweise durch Oxidation von Wasserstoff elektrische Energie erzeugen kann.

Insbesondere kann die Brennstoffzelle 1 eine elektrische Spannung bereitstellen, welche ausreicht, die elektrische Maschine 4 anzusteuern. Ferner kann auch die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 1 auf den Leistungsbedarf der elektrischen Maschine 4 abgestimmt sein.

Bei dem elektrischen Energiespeicher 2 kann es sich um einen beliebigen elektrischen Energiespeicher handeln, welcher dazu geeignet ist, elektrische Energie zum Antrieb der elektrischen Maschine 4 bereitzustellen. Insbesondere kann hierbei die Ausgangsspannung des Energiespeichers 2 einer Spannung entsprechen, welche ausreicht, um die elektrische Maschine 4 anzusteuern. Darüber hinaus kann der elektrische Energiespeicher 2 auch dazu ausgelegt sein, von außen zugeführte elektrische Energie zeitweise zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben. Beispielsweise kann es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 2 um eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Darüber hinaus sind auch beliebige andere elektrische Energiespeicher, wie zum Beispiel Supercap, Schwungradspeicher oder ähnliches, möglich.

Bei der elektrischen Maschine 4 kann es sich um eine beliebige elektrische Maschine handeln. Insbesondere kann es sich bei der elektrischen Maschine 4 um eine mehrphasige Asynchronmaschine handeln. Aber auch mehrphasige Synchronmaschinen sind ebenso möglich. Die hier dargestellte Anzahl von drei Phasen dient lediglich dem besseren Verständnis und stellt dabei keine

Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Darüber hinaus ist auch eine beliebige von drei abweichende Anzahl von elektrischen Phasen der elektrischen Maschine 4 möglich. Dabei sollte die Anzahl der elektrischen Phasen der elektrischen Maschine 4 und die Anzahl der elektrischen Phasen am Ausgang des Multilevel-Wechselrichters 3 aufeinander abgestimmt sein, das heißt die Anzahl der Phasen am Ausgang des Multilevel-Wechselrichters 3 sollte der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine 4 entsprechen.

Bei dem Multilevel-Wechselrichter 3 kann es sich um einen beliebigen Multilevel- Wechselrichter mit mindestens zwei Eingangsanschlüssen 31, 32 und einem Ausgangsanschluss 34 handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Multilevel- Wechselrichter 3 um einen Drei- Level- Wechselrichter handeln, wie hier dargestellt.

Während bei einem konventionellen elektrischen Antriebssystem ein Multilevel- Wechselrichter in der Regel von mehreren gleichen oder zumindest gleichartigen Spannungsquellen gespeist wird, wird der Multilevel-Wechselrichter 3 gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel von zwei unterschiedlichen

Spannungsquellen 1, 2 gespeist. Ein erster Eingangsanschluss 31 des Multilevel- Wechselrichters 3 kann mit einer Brennstoffzelle 1 verbunden werden. Ein zweiter Eingangsanschluss 32 des Multilevel-Wechselrichters 3 kann mit dem elektrischen Energiespeicher 2 verbunden werden. Dabei können die

Brennstoffzelle 1 und der elektrische Energiespeicher 2 unterschiedliche elektrische Parameter wie beispielsweise Ausgangsspannung, maximale

Ausgangsleistung, etc. aufweisen. Die Brennstoffzelle 1 und der elektrische Energiespeicher 2 werden dabei in der Regel derart dimensioniert, dass sowohl die Brennstoffzelle 1 als auch der elektrische Energiespeicher 2 jeweils elektrische Energie bereitstellen kann, welche einen Betrieb der elektrischen Maschine 4 durch alleiniges Speisen von der Brennstoffzelle 1 oder dem elektrischen Energiespeicher 2 ermöglicht.

Bei dem Multilevel-Wechselrichter 3 kann es sich um einen beliebigen, gegebenenfalls konventionellen oder neuartigen Multilevel-Wechselrichter handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem Multilevel-Wechselrichter 3 um einen Drei- Level- Wechselrichter handeln, wie er in Figur 1 dargestellt ist. Ein solcher Drei- Level- Wechselrichter kann beispielsweise eingangsseitig eine Serienschaltung aus zwei Zwischenkreiskondensatoren CI und C2 umfassen. Dabei ist ein erster Zwischenkreiskondensator CI zwischen den beiden

Anschlusspunkten des ersten Eingangsanschluss 31 angeordnet und ein zweiter Zwischenkreiskondensator C2 ist zwischen den beiden Anschlusspunkten des zweiten Eingangsanschluss 32 angeordnet. Ferner kann der Wechselrichter 3 für jede Phase LI, L2, L3 des Ausgangsanschlusses 34 jeweils eine

Brückenschaltung aufweisen. Jede Brückenschaltung umfasst dabei zwischen einem oberen Spannungspotential +U1 und einem mittleren Spannungspotential 0 eine Schaltungsanordnung aus zwei Halbleiterschaltelementen MIA, M1B;

M3A, M3B bzw. M5A, M5B. Analog ist für jede Brücke zwischen dem mittleren Spannungspotential 0 und einem unteren Spannungspotential -U2 eine analoge Schaltungsanordnung aus den beiden Schaltelementen M2A, M2B; M4A, M4B bzw. M6A, M6B vorgesehen. Ferner ist parallel zu jedem Schaltelement eine Freilaufdiode vorgesehen. Darüber hinaus ist zwischen dem mittleren Potential 0 und jeweils einem Mittenanschluss der beiden Schaltelemente eine weitere Diode vorgesehen.

Da die an den Multilevel-Wechselrichter 3 angeschlossene Brennstoffzelle 1 nur elektrische Energie von der Brennstoffzelle in Richtung des Multilevel- Wechselrichters 3 speisen kann, kann zwischen der Brennstoffzelle 1 und dem Eingangsanschluss 31 des Multilevel-Wechselrichter 3 ein Schutzelement, beispielsweise eine Halbleiterdiode oder ähnliches vorgesehen sein. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass von dem Multilevel-Wechselrichter 3 keine elektrische Energie in Richtung der Brennstoffzelle 1 gespeist wird, was gegebenenfalls zu einer Beschädigung der Brennstoffzelle 1 führen könnte.

Mit einer solchen Schaltungsanordnung, bei der ein Multilevel-Wechselrichter 3 parallel von einer Brennstoffzelle 1 und einem weiteren elektrischen

Energiespeicher 2 gespeist wird, ist ein flexibler Betrieb der angeschlossenen elektrischen Maschine 4 möglich. Insbesondere da sowohl die Brennstoffzelle 1 als auch der elektrische Energiespeicher 2 jeweils eine Ausgangsspannung bereitstellen können, welche für sich alleine genommen zum Betrieb der elektrischen Maschine 4 ausreichend ist, kann zum Beispiel bei abgeschalteter Brennstoffzelle 1 die elektrische Maschine 4 alleine von dem elektrischen Energiespeicher 2 gespeist werden. Auf diese Weise ist es nahezu zu jedem Zeitpunkt möglich, das elektrische Antriebssystem sofort in Betrieb zu nehmen, auch wenn die Brennstoffzelle 1 nicht aktiv ist und daher keine ausreichende elektrische Energie zum Betrieb der elektrischen Maschine 4 bereitstellen kann.

Ist die Brennstoffzelle 1 aktiv und kann somit eine ausreichende elektrische Energie bereitstellen, die zum Betrieb der elektrischen Maschine 4 benötigt wird, so ist in einem weiteren Betriebsmodus auch ein Betrieb des elektrischen Antriebssystems möglich, bei dem ausschließlich die Brennstoffzelle 1 die elektrische Energie für den Antrieb der elektrischen Maschine 4 bereitstellt. In diesem Fall muss gegebenenfalls keine weitere elektrische Energie entnommen werden.

In den beiden zuvor beschriebenen Betriebsmodi werden dabei jeweils nur die Halbleiterschaltelemente MIA, M1B; M3A, M3B;. M5A, M5B in den oberen Zweigen sowie die„inneren“ Schaltelemente M2A, M4A und M6A in den unteren Zweigen oder alternativ die Halbleiterschaltelemente M2A, M2B; M4A, M4B;. M6A, M6B sowie MIA, A3A und M5A angesteuert, während die jeweils anderen Schaltelemente konstant geöffnet/gesperrt bleiben.

Darüber hinaus kann, insbesondere bei einem hohen Leistungsbedarf, auch gleichzeitig elektrische Energie von der Brennstoffzelle 1 und dem elektrischen Energiespeicher 2 entnommen werden, um die elektrische Maschine 4 anzutreiben.

Ferner ist es auch möglich, insbesondere bei einem Leistungsüberschuss der Brennstoffzelle 1, elektrische Energie von der Brennstoffzelle 1 zu entnehmen, um damit den elektrischen Energiespeicher 2 aufzuladen. Hierzu können grundsätzlich zwei Fälle unterschieden werden. In einem ersten Fall kann elektrische Energie von der Brennstoffzelle 1 in den elektrischen Energiespeicher 2 übertragen werden, ohne dass in der elektrischen Maschine 4 ein Drehmoment eingestellt wird. Hierbei wird der elektrische Fluss in der angeschlossenen elektrischen Maschine 4 durch Ansteuern der Schaltelemente M2A, M2B; M4A, M4B; M6A, M6B sowie MIA, M3A und M5A zunächst erhöht, ohne dass sich dabei ein signifikantes Drehmoment in der elektrischen Maschine 4 einstellt. Weiterhin werden die Schaltelemente MIA, M1B; M3A, M3B; M5A und M5B sowie M2A, M4A undM6A derart angesteuert, dass sie den erhöhten Fluss in der elektrischen Maschine 4 kompensieren und dabei der elektrischen Maschine 4 elektrische Energie entnehmen, um damit den elektrischen Energiespeicher 2 aufzuladen. Da hierbei nur der elektrische Fluss in der elektrischen Maschine 4 erhöht wird, ohne dass sich dabei ein signifikantes Drehmoment in der elektrischen Maschine 4 einstellt, kann auch bei Stillstand des elektrischen Antriebssystems die elektrische Energie von der Brennstoffzelle 1 zu dem elektrischen Energiespeicher 2 übertragen werden. Gegebenenfalls kann auf diese Weise auch elektrische Energie von der Brennstoffzelle an einen Verbraucher übertragen werden , der an dem zweiten Eingangsanschluss 32 des Multilevel-Wechselrichters 3 angeschlossen ist, wie dies weiter unten noch näher beschrieben wird.

Alternativ kann, insbesondere bei einem geringen Leistungsbedarf, das heißt bei einem geringen erforderlichen Soll-Drehmoment der elektrischen Maschine 4, auch gleichzeitig die elektrische Maschine 4 angetrieben werden und dabei elektrische Energie von der Brennstoffzelle 1 zu dem elektrischen

Energiespeicher 2 übertragen werden. Hierbei wird durch Ansteuern der

Schaltelemente M2A, M2B; M4A, M4B; M6A, M6B sowie M1A.M3A und M5A einerseits das gewünschte Drehmoment in der elektrischen Maschine 4 eingestellt und dabei auch Energie in der elektrischen Maschine 4 gespeichert. Ferner wird durch Ansteuern der Schaltelemente MIA, M1B; M3A, M3B und M5A, M5B sowie M2A, M4A und M6Ader elektrischen Maschine 4 elektrische Energie entnommen, welche zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2 verwendet werden kann.

Neben dem in Figur 1 dargestellten elektrischen Antriebssystem können ferner auch noch zusätzliche elektrische Verbraucher von der Brennstoffzelle 1 und/oder dem elektrischen Energiespeicher 2 gespeist werden. Hierbei können die zusätzlichen elektrischen Verbraucher beispielsweise an der elektrischen Energiequelle 2 angeschlossen werden, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. In diesem Fall speist die elektrische Energiequelle 2 parallel die zusätzlichen Verbraucher 5-i. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die elektrischen Verbraucher 5-i möglichst permanent von der elektrischen

Energiequelle 2 gespeist werden. Insbesondere ist auf diese Weise auch eine Versorgung der elektrischen Verbraucher 5-i möglich, wenn die Brennstoffzelle 1 noch keinen oder noch keine ausreichende elektrische Energie bereitstellen kann. Bei den elektrischen Verbrauchern 5-i kann es sich um beliebige elektrische Verbraucher handeln, welche direkt mit einer elektrischen Spannung im Bereich der Ausgangsspannung des elektrischen Energiespeichers 2 betrieben werden können. Darüber hinaus kann auch beispielsweise mittels eines Gleichspannungswandlers 51 ein elektrischer Verbraucher mit einer höheren oder niederen elektrischen Spannung betrieben werden. Insbesondere kann auch beispielsweise mittels eines Gleichspannungswandlers 51 der Ausgang des elektrischen Energiespeichers 2 mit einem Niedervolt- Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gekoppelt werden.

Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines elektrischen

Antriebssystems mit zusätzlichen elektrischen Verbrauchern 5-i. In diesem Fall sind die elektrischen Verbraucher 5-i am Ausgang der Brennstoffzelle 1 angeschlossen. Somit speist die Brennstoffzelle 1 parallel die zusätzlichen elektrischen Verbraucher 5-i und den ersten Eingangsanschluss 31 des

Multilevel-Wechselrichters 3. Auf diese Weise kann die von der Brennstoffzelle 1 bereitgestellte elektrische Energie direkt den elektrischen Verbrauchern 5-i zugeführt werden, ohne dass diese zusätzlich durch den Multilevel- Wechselrichter 3 von dem ersten Eingangsanschluss in Richtung des zweiten Eingangsanschluss 32 konvertiert werden muss.

Darüber hinaus können auch sowohl an dem ersten Gleichspannungsanschluss 31 als auch an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 gleichzeitig elektrische Verbraucher vorgesehen sein.

Figur 4 zeigt ein Raumzeigerdiagramm, wie es der Ansteuerung eines Multilevel- Wechselrichters 3 mittels Raumzeigermodulation zugrunde liegen kann.

Vereinfacht wird dabei angenommen, dass sowohl die Brennstoffzelle 1 als auch der elektrische Energiespeicher 2 zumindest annähernd gleiche

Ausgangsspannungen bereitstellen. Dies dient jedoch lediglich hier dem besseren Verständnis und soll keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung darstellen. Grundsätzlich sind auch Brennstoffzellen 1 und elektrische

Energiespeicher 2 mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen möglich.

Das Raumzeigerdiagramm gemäß Figur 4 umfasst ein inneres Sechseck mit fett dargestellten Linien, sowie ein äußeres Sechseck mit dünn dargestellten Linien. Die Raumzeiger des inneren Sechsecks können dabei eingestellt werden, indem ausschließlich elektrische Energie von der Brennstoffzelle 1 oder alternativ ausschließliche elektrische Energie von dem elektrischen Energiespeicher 2 bezogen wird. Positive Zahlen („1“) stellen dabei die Ansteuerung des Multilevel- Wechselrichters 3 dar, wobei elektrische Energie von dem elektrischen

Energiespeicher 2 bezogen wird oder in den elektrischen Energiespeicher 2 eingespeist wird. Negative Ziffern („-1“) stellen alternativ eine Ansteuerung des Multilevel-Wechselrichters 3 dar, wobei elektrische Energie von der

Brennstoffzelle 1 entnommen wird - wobei eine Einspeisung von elektrischer Energie in die Brennstoffzelle 1 vermieden werden sollte. Wie in dem

Raumzeigerdiagramm gemäß Figur 4 zu erkennen ist, kann dabei jeder Eckpunkt des Sechsecks mittels einer alternativen Ansteuerung entweder von der

Brennstoffzelle 1 oder dem elektrischen Energiespeicher 2 eingestellt werden. Gegebenenfalls können darüber hinaus auch durch abwechselndes Einstellen des zum elektrischen Energiespeicher 2 korrespondierenden Raumzeigers und des zur Brennstoffzelle 1 korrespondierenden Raumzeigers jeweils beide Energiequellen abwechselnd belastet werden.

Darüber hinaus können gegebenenfalls auch die Spannungen der

Brennstoffzelle 1 und der elektrischen Energiequelle 2 überlagert werden, um an der elektrischen Maschine 4 eine höhere elektrische Spannung einzustellen. Dies kann durch Ansteuern des Multilevel-Wechselrichters 3 gemäß dem äußeren Sechseck erfolgen. Auf diese Weise kann ein Boost-Betrieb eingestellt werden. Dieser Boost-Betrieb ist aber kein normaler Betriebszustand, da hier die

Verteilung der Leistungsentnahme aus Batterie und Brennstoffzelle nur noch eingeschränkt steuerbar ist.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung eines Multilevel-Wechselrichters zugrunde liegt, der zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 4 an einem ersten Eingangsanschluss 31 von einer Brennstoffzelle 1 und einem zweiten

Eingangsanschluss 32 von einem elektrischen Energiespeicher 2 gespeist werden kann. Das Verfahren umfasst einen ersten Betriebsmodus Sl, in welchem nur elektrische Energie von dem elektrischen Energiespeicher 2 an dem zweiten Eingangsanschluss 32 zu der elektrischen Maschine 4 an dem Ausgangsanschluss 34 übertragen wird. In einem alternativen zweiten

Betriebsmodus kann nur elektrische Energie von der Brennstoffzelle 2 an dem ersten Eingangsanschluss 31 zu der elektrischen Maschine 4 übertragen werden. Ferner kann in einem dritten Betriebsmodus S3 elektrische Energie sowohl von der Brennstoffzelle 1 an dem ersten Eingangsanschluss 31 als auch von dem elektrischen Energiespeicher 2 an dem zweiten Eingangsanschluss 32 zu der elektrischen Maschine 4 an dem Ausgangsanschluss 34 übertragen werden.

Die Auswahl des entsprechenden Betriebsmodus kann insbesondere in

Abhängigkeit von dem Leistungsbedarf der angeschlossenen elektrischen Maschine 4, beispielsweise einem einzustellenden Soll-Drehmoment erfolgen. Ferner können die von der Brennstoffzelle 1 bereitgestellte elektrische Spannung und/oder ein von der Brennstoffzelle 1 ausgegebener elektrischer Strom messtechnisch erfasst oder basierend auf weiteren Parametern berechnet werden. Auch diese Werte können zur Auswahl und zum Einstellen des jeweils geeigneten Betriebsmodus herangezogen werden. Zusätzlich oder alternativ ist auch eine Erfassung bzw. Berechnung der Werte des elektrischen

Energiespeichers 2 möglich. Insbesondere können beispielsweise die

Ausgangsspannung des elektrischen Energiespeichers 2 und/oder ein elektrischer Strom aus dem elektrischen Energiespeicher 2 bzw. in den elektrischen Energiespeicher 2 hinein ermittelt werden.

Darüber hinaus können durch das Verfahren zur Ansteuerung des Multilevel- Wechselrichters 3 auch sämtliche Betriebsmodi zu Energieübertragung realisiert werden, wie sie zuvor in Zusammenhang mit dem elektrischen Antriebssystem bereits beschrieben worden sind.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisches

Antriebssystem das von einer Brennstoffzelle als elektrischer Energiequelle gespeist werden kann. Hierbei ist ein Multilevel-Wechselrichter vorgesehen, der an einem ersten Eingang mit einer Brennstoffzelle elektrisch gekoppelt werden kann und der an einen weiteren Eingang mit einem elektrische Energiespeicher, wie zum Beispiel einer Batterie oder ähnlichem gekoppelt werden kann. Bei einer solchen Konfiguration kann der Multilevel-Wechselrichter sehr variabel angesteuert werden, so dass die Energieentnahme von der Brennstoffzelle und dem elektrischen Energiespeicher variabel auf die aktuellen

Betriebsbedingungen angepasst werden kann. Insbesondere ist auch eine Energieübertragung von der Brennstoffzelle zu dem elektrischen Energiespeicher möglich.