GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Antrieb- system für oder in einem Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen elektrischen Antriebssystems.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Ein Wechselrichter, auch Inverter oder Drehrichter genannt, ist ein elektrisches Gerät, das Gleichspannung in Wechselspan- nung umwandelt. Solche Wechselrichter finden zum Beispiel An- wendung in modernen Kraftfahrzeugen, in der Photovoltaik (So- larinverter), als Komponenten bei Frequenzumrichtern und vie- len anderen Anwendungen, bei denen aus einer Gleichspannung eine geeignete Wechselspannung erzeugt werden soll. Derartige Wechselrichter sowie deren Anwendungsgebiete sind in vielfäl- tigen schaltungstechnischen Varianten allgemein bekannt, so- dass auf deren schaltungstechnischen Aufbau und Funktionsweise nicht näher eingegangen werden muss.

Bei modernen Kraftfahrzeugen werden - unter anderem auch aus Nachhaltigkeitsgründen und zur Vermeidung von C02-Emmision - zunehmend elektrisch gespeiste Antriebssysteme eingesetzt. Derartige Antriebssysteme beinhalten zum Beispiel ein oder mehrere elektrische Maschinen, wie etwa Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen, welche über eine mehrphasige Wechselspan- nung gespeist werden. Zur Erzeugung der Wechselspannung werden im Allgemeinen so genannte zwei-Stufen Wechselrichter (auch 2- Level Wechselrichter oder kurz 2L-Wechselrichter genannt) ein- gesetzt. Bei zwei-Stufen Wechselrichtern wird aus der Gleich- spannung einer Gleichspannungsquelle eine Wechselspannung mit zwei Spannungsniveaus erzeugt.

Zwei-Stufen Wechselrichtern haben sich insbesondere im Bereich Antriebswechselrichter für Elektrofahrzeuge gegenüber anderen Wechselrichtertopologien durchgesetzt. Derzeit werden bei zwei-Stufen Wechselrichtern überwiegend IGBT-Schaltelemente eingesetzt. Ein Beispiel eines solchen zwei-Stufen Wechsel- richters ist zum Beispiel in dem Paper von H. v. Hoeck, „Power Electronic Architectures for Electric Vehicle", erschienen in dem vom IEEE im Jahr 2010 herausgegebenen Buch „Emobility - Electrical Power Train" beschrieben.

Neben der eben genannten zwei-stufigen Wechselrichtertopologie existieren auch drei- oder mehrstufige Wechselrichtertopolo- gien, mit denen also drei- oder mehrstufige Spannungsniveaus erzeugbar sind. Beispiele von mehrstufigen Wechselrichtertopo- logien sind zum Beispiel in der US 10,903,758 B2 oder der US 2017/0185130 Al beschrieben.

Die Vorteile mehrerer Spannungslevel sind geringere Ober- schwingungen, eine langsamere Spannungsänderung an den Phasen- ausgängen, geringe elektromagnetische Emissionen (EME) sowie vor allem die Verarbeitung von höheren Spannungen. Aus diesen Gründen werden solche drei- oder mehr-Stufen Wechselrichter derzeit vornehmlich für Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Energietechnische Anwendungen, wie z.B. Solarwechselrichter oder Windkraftanlagen, sind dabei etablierte Einsatzbereiche solcher drei- oder mehrstufiger Wechselrichtertopologien. Hö- here Spannungen sind bei Elektrofahrzeugen (mit Spannungen von z.B. 400V) nicht zu finden. In der Photovoltaik sind demgegen- über Spannungen von mehr als IkV üblich, bei anderen erneuer- baren Energien, wie etwa der Windenergie, liegen die Spannun- gen noch deutlich darüber.

Die eben genannten Vorteile von drei- oder mehrstufigen Wech- selrichtern sind der herrschenden Meinung zufolge jedoch nicht ausreichend, um deren Einsatz bei elektrischen Antrieben von Elektrofahrzeugen zu rechtfertigen, wie dies in dem Artikel von Andreas Bubert et. al., „Experimental Validation of Design Concepts for Future EV-Traction Inverters", 2018 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), Seiten 795-802 ausgeführt wurde. Aus all diesen Gründen wer- den drei- oder mehrstufigen Wechselrichtertopologien bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen heute nicht einge- setzt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ei- nen drei- oder mehrstufigen Wechselrichter anzugeben, der für den effizienten Einsatz bei elektrischen Antriebssystemen von Kraftfahrzeugen geeignet ist. Insbesondere stellt sich die vorliegende Erfindung die weiteren optionalen Aufgaben, die Effizienz eines mit einem Doppelrotor aus flussführendem Mate- rial aus Vollmaterial ausgestatteten elektrischen Antriebssys- tems zu verbessern und/oder ein besseres Kosten/Nutzen- Verhältnis im Vergleich zu zwei-stufigen Wechselrichtern zu ermöglichen .

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein elektrisches An- triebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 24 gelöst.

Demgemäß ist vorgesehen:

Ein elektrisches Antriebssystem für oder in einem Kraftfahr- zeug, mit zumindest einer mehrphasigen elektrischen Maschi- ne, die einen Doppelrotor aufweist, wobei der Doppelrotor aus flussführendem Material aus Vollmaterial aufgebaut ist, mit einer drei- oder mehrstufigen Wechselrichterschaltung zum Antreiben der elektrischen Maschine, welche aufweist: einen ausgangsseitig mit der elektrischen Maschine gekoppel- ten steuerbaren drei- oder mehrstufigen Wechselrichter, wel- cher dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine mit einer Wechselspannung zu versorgen, und eine Betriebsmodus- Einstelleinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, den Wechsel- richter in Abhängigkeit zumindest eines die Gesamteffizienz des elektrischen Antriebssystems beeinflussenden Parameters wahlweise in einem drei- oder mehrstufigen Betrieb oder in einem zwei-stufigen Betrieb zu betreiben.

Ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems, wobei die Synchronmaschine mittels eines steuerbaren drei- oder mehrstufige Wechsel- richters in Abhängigkeit einer Gesamteffizienz des elektri- schen Antriebssystems sowohl in einem drei- oder mehrstufi- ge Betriebsmodus als auch in einem zwei-stufigen Betriebs- modus betreibbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei elektrischen Antrieben für Kraftfahrzeuge derzeit im We- sentlichen zweistufige Wechselrichter zum Einsatz kommen. Drei- oder mehrstufige Wechselrichter sind derzeit meist bei nicht-automobilen (Hochspannungs-)Anwendungen zu finden. Der mit der Verwendung von drei- oder mehrstufigen Wechselrichtern einhergehende Zusatznutzen rechtfertigt bei automobilen Anwen- dungen die damit einhergehenden Mehrkosten bislang nicht.

Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch die Ver- wendung einer speziellen Wechselrichterschaltung verbunden mit einer Anpassung des gesamten Antriebssystems, wodurch zwar ei- ne Erhöhung des Gesamtnutzens möglich ist, ohne dass damit ei- ne Erhöhung der Kosten einhergeht.

Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Überlegung besteht in der Verwendung eines neuartigen steuerbaren drei- oder mehrstufigen Wechselrichters, der in einem Drei- oder Mehrstufenbetrieb (nachfolgende als 3L-Betrieb bezeichnet) und in einem Zweistufenbetrieb (nachfolgende als 2L-Betrieb be- zeichnet) betreibbar ist. Eine eigens dafür vorgesehen Be- triebsmodus-Einstelleinrichtung stellt dabei den jeweiligen Betriebsmodus ein, indem die Leistungsschalter des Wechsel- richters in geeigneter Weise angesteuert werden. Die Einstel- lung des Betriebsmodus erfolgt dabei nach Maßgabe der Gesamt- effizienz des gesamten Antriebssystems - und damit nicht etwa nur auf der Basis der elektrischen Maschine und/oder des ver- wendeten Wechselrichters. Für die Gesamteffizienz kann in ers- ter Linie der Phasenstrom der elektrischen Maschine herangezo- gen werden. Für die Gesamteffizienz können darüber hinaus ne- ben dem erfassten Phasenstrom der elektrischen Maschine - zu- sätzlich - auch weitere die Gesamteffizienz beeinflussende Ei- genschaften der elektrischen Maschine und des Wechselrichters berücksichtigt werden.

Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die Verluste vor allem bei kleinen Lasten zu reduzieren, indem der Wechselrichter in diesem Fall in einem 3L-Betrieb betrieben wird. Dabei werden die Verluste des Wechselrichters in allen Betriebspunkten höchstens unwesentlich erhöht oder sogar ver- ringert. Die Gesamteffizienz des Antriebssystems, also des Wechselrichters und der elektrischen Maschine, steigt damit besonders bei Anwendung in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen signifikant an.

Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht nun in der Verwen- dung einer speziellen elektrischen Maschine, die mit einem Doppelrotor aus massiven Rotormaterial, also in Vollbauweise, ausgestattet ist. Derartige Elektromotoren weisen besonders hohe Verluste auf. Die vorliegende Erfindung löst das Problem hoher Verluste im Doppelrotor aus Massivmaterial in bekannten elektrischen Maschinen. Die hier zugrundeliegende Erkenntnis besteht darin, dass elektrische Maschinen mit Doppelrotor aus Vollmaterial hohe Verluste im Rotor aufweisen. Konstruktiv können die Verluste in der elektrischen Maschine nicht oder nur unwesentlich verringert werden. Eine Verringerung der Ver- luste durch Frequenzerhöhung im 2L-Betrieb zeigt nur geringe Wirkung und erhöht die Verluste im Wechselrichter, was wiede- rum die Gesamteffizienz beeinflusst. Der grundlegende Mecha- nismus zur Verringerung der Verluste im Massivmaterial des Doppelrotors basiert darauf, dass die Amplitude derjenigen magnetischen Flussdichte im Massivmaterial des Doppelrotors verringert werden sollte, welche nicht zur Drehmomentbildung beiträgt. Dieser Anteil, welche durch Oberwellen in der Fluss- dichte definiert ist, ist näherungsweise im Quadrat seiner Amplitude direkt proportional zur Änderung der THD-induzierten Verluste. Somit führt also eine Änderung der Wechselrichter- Schaltfrequenz zu einer indirekt proportionalen linearen Ver- änderung der Verluste und ist daher weniger effektiv. Eine Verlustverringerung im massiven Material trägt wesentlich zur Reduzierung der Gesamtverluste der elektrischen Maschine bei und zu deren wirtschaftlichem Einsatz. Die sich daraus erge- bende Erkenntnis, die Teil der vorliegenden Erfindung ist, be- steht also darin, dass die Verluste in der elektrischen Ma- schine durch eine Wechselrichterschaltung, die ausschließlich die Amplitude der Oberwellen in der Flussdichte reduziert, ef- fektiv verringert werden können.

Um dies zu erreichen, wurden folgende Maßnahmen und Aspekte bei der Ausgestaltung und bei der Wahl der Betriebsweise des Wechselrichters in Betracht gezogen:

Die Funktion des 2L-Wechselrichters wird durch die Funktion eines eigens dafür vorgesehenen steuerbaren 3L-Wechselrichters ersetzt, um die Oberschwingungen an den Phasenausgängen des Wechselrichters zu reduzieren. Dadurch reduzieren sich die Oberschwingungen in der Flussdichte und im Statorstrom. Eine Frequenzänderung ist hierfür nicht notwendig.

Durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz im 2L-Betrieb reduzie- ren sich die Verluste zwar ebenfalls, jedoch wird davon abge- sehen, da dadurch die Schaltverluste im Wechselrichter eben- falls stark ansteigen würden und die Gesamteffizienz somit nicht signifikant verbessert wird. Eine Erhöhung der Schalt- frequenz könnte die Verlustoptimierung zwar positiv unterstüt- zen, ist aber kein wesentlicher Aspekt dieser. Der verwendete 3L-Wechselrichter bietet drei Spannungslevel (3L) und ist vorzugsweise (jedoch nicht notwendigerweise) dreiphasig ausgeführt. Bei drei Spannungslevels und drei Pha- sen kann eine relative große Kosteneffizienz realisiert wer- den. Das System kann aber unter gleicher Ausführung aller Pha- sen auf beliebig viele Phasen und auf beliebig viele Span- nungslevel erweitert werden.

Im Gegensatz zu bekannten 2L-Wechselrichtern sind beim Betrieb eines erfindungsgemäßen 3L-Wechselrichters aufgrund der gerin- geren Oberschwingungen die Leistungsverluste in der elektri- schen Maschine stark verringert. Die Schaltverluste des 3L- Wechselrichters werden vergleichsweise ebenfalls reduziert, die Durchlassverluste hingegen erhöht.

Sowohl in der elektrischen Maschine als auch im 3L- Wechselrichter verändern sich die vorherrschenden Verlustme- chanismen in Abhängigkeit der Last. Im 3L-Betrieb ist die Oberschwingungen geringer, sodass die Maschinenverluste stark verringert sind. Durch Oberschwingungen induzierte Verluste sind bei niedrigen Strömen dominierend. Bei größeren Strömen ändert sich der vorherrschende Verlustmechanismus und resisti- ve Leitungs- bzw. Kupferverluste dominieren, wohingegen durch Oberschwingungen induzierte Verluste eher untergeordnet sind bzw. vergleichsweise gering ausfallen. Schaltverluste im Wech- selrichter sind im 3L- Wechselrichter im Vergleich zu 2L- Wechselrichtern reduziert (näherungsweise um 50%). Bei kleinen Lasten (Strömen) sind diese Schaltverluste vorherrschend, wo- hingegen bei größeren Strömen Leitungsverluste dominieren und ein 2L-Betrieb effizienter ist. Diese Erkenntnisse führen zu der erfindungsgemäßen Idee, bei niedrigen Lasten einen 3L- Wechselrichter und bei hohen Lasten einen 2L-Wechselrichter zu verwenden. Mittels des erfindungsgemäßen steuerbaren drei- o- der mehrstufigen Wechselrichters ist dieser Betrieb möglich.

Insgesamt lassen sich somit - vor allem bei mit Doppelrotormo- toren ausgestatteten elektrischen Maschinen - die Vorteile des 2L-Betriebs mit den Vorteilen des 3L-Betriebs kombinieren, um so insgesamt die Gesamteffizienz des elektrischen Antriebssys- tems im Vergleich zu bekannten elektrischen Antriebssystemen signifikant zu verbessern.

Wesentlich dabei ist, dass die Betriebsmodus- Einstelleinrichtung nicht notwendigerweise hart vom 2L-Betrieb in den 3L-Betrieb und umgekehrt umschaltet. Vielmehr wäre auch denkbar, wenn eine solches Umschalten stattdessen sukzessive erfolgt, beispielsweise indem ein Fading von den inneren Leis- tungsschaltern zu den äußeren Leistungsschaltern stattfindet. Dieses Fading kann zum Beispiel unter Berücksichtigung der Strommittelwerte der verschiedenen Leistungsschalter vorgenom- men werden, sodass die Betriebszeiten bzw. die Zeiten, in de- nen die jeweiligen Leistungsschalter angeschaltet sind, be- rücksichtigt werden. Zusätzlich oder alternativ wäre auch denkbar, wenn die Leistungsschalter nach einer vorgegebenen Reichenfolge und/oder langsam geschaltet werden.

Die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung beinhaltet, welche zum Beispiel eine Auswerteeinrichtung, eine Steuereinrichtung und/oder Messeinrichtungen aufweist, kann beispielsweise als Programm-gesteuerte Einrichtung, wie etwa als Mikroprozessor oder Mikrocontroller, ausgebildet sein. Denkbar wäre für diese Funktion jedoch auch eine Logikschaltung, wie etwa ein FPGA, PLD oder dergleichen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung eine Auswerteein- richtung auf. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgelegt, an- hand des Phasenstroms und optional zumindest einer weiteren Eigenschaft des elektrischen Antriebssystems eine Optimierung der Gesamteffizienz des elektrischen Antriebssystems vorzuneh- men.

Typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, wird dabei die Gesamteffizienz von der Auswerteschaltung nummerisch berech- net. Zusätzlich oder alternativ kann die Gesamteffizienz an- hand eines vorgegebenen Kennlinienfelds, welche zum Beispiel in einer Lookup-Tabelle abgebildet ist, ermittelt werden. Da- bei kann die Ermittlung der Gesamteffizienz während des Be- triebs oder etwa auch im Voraus berechnet bzw. ermittelt wer- den. Bevorzugterweise wird dabei in einem so genannten Off- line-Betrieb die optimale, d.h. möglichst effiziente Betriebs- strategie vor dem Betrieb des elektrischen Antriebssystems, zum Beispiel numerisch, berechnet. Dies lässt sich mit ver- gleichsweise geringen Rechnerressourcen bewerkstelligen und ist vor allem dann zu bevorzugten, wenn eine Vielzahl von Ei- genschaften bei der numerischen Vorausberechnung der optimalen Gesamteffizienz berücksichtigt werden. Zudem steht für den Offline-Betrieb mehr Zeit für die Berechnung zur Verfügung. In einem so genannten Real-Time-Betrieb ist anschließend eine sehr dynamische Ermittlung des jeweiligen Betriebsmodus (2L- Betrieb oder 3L-Betrieb) denkbar und möglich, zum Beispiel über eine Lookup-Tabelle. Beispielsweise könnte man für diese Zwecke ein trainiertes künstliches Netzwerk verwenden, welches auf der Basis von vorherigen Eigenschaften, Kennlinien und dergleichen trainiert wurde.

Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge weist die Auswerteein- richtung ein Optimierungsmodul auf, welches dazu ausgebildet ist, die Gesamteffizienz zunächst zu ermitteln. Alternativ o- der zusätzlich kann anschließend über eine Optimierungsfunkti- on die Gesamteffizienz unter Berücksichtigung des Phasenstroms sowie optional zumindest einer weiteren Eigenschaft optimiert werden. Die Optimierung der Gesamteffizienz kann dabei analy- tisch und/oder über eine geeignete Lookup-Table, welche zum Beispiel vorher generiert wurde, erfolgen. Der jeweils verwendete Betriebsmodus (z.B. 2L-Betrieb oder 3L- Betrieb) wäre zum Beispiel ein die Gesamteffizienz beeinflus- sende Eigenschaft der elektrischen Maschine. Eine weitere Ei- genschaft kann in der speziellen Ausgestaltung des Rotors der elektrischen Maschine gesehen werden, etwa dergestalt, dass der Rotor ein Doppelrotor ist und/oder dass der Doppelrotor aus flussführendem Material aus Vollmaterial ausgebildet ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Be- triebsmodus-Einstelleinrichtung eine Messeinrichtung auf:

Diese Messeinrichtung weist zumindest einen Sensoreingang auf, über den die erste Messeinrichtung mit der elektrischen Ma- schine koppelbar ist. Die erste Messeinrichtung ist dabei dazu ausgebildet, den Phasenstrom, zu erfassen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet der Wechselrichter eine T-Typ neutralpunkt geklemmte (TNPC = t- type neutral point clamped) Wechselrichterarchitektur. Diese weisen gegenüber mehrstufigen Active Neutral Point Clamped- (ANPC) Wechselrichtertopologien diverse Vorteile auf: Im Ge- gensatz zu ANPC Topologien sind nicht vier, sondern maximal drei Schalter in Serie leitend und somit die Durchlassverluste geringer. Die Ausgangsspannungsformen sind identisch, was zu ähnlich geringen Schaltverlusten führt, jedoch ist bei höheren Schaltfrequenzen (zum Beispiel >10kHz) die benötigte Gesamt- chipfläche der TNPC-Topologie im Vergleich zur Zwei-Level To- pologie geringer. Ähnlich wie bei ANPC, kann auch bei TNPC eine hybride Wechselrichtertopologie aufgebaut werden, um die Effizienz weiter zu erhöhen und/oder die Herstellungskosten zu optimieren. Zum Beispiel können hierfür im Nullpotential- oder mittleren Brückenzweig unterschiedliche Schaltertechnologien verwendet werden. Vor allem im Falle eines vollständig mit IG- BTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) aufgebauten TNPC- Wechselrichters können die Verluste unter Verwendung von Gal- liumnitrid (GaN) drastisch reduziert werden. Eine Verwendung der hybriden TNPC-Wechselrichtertopologie in Motorregelungen auch in Elektrofahrzeugen ist möglich, in der Praxis aber nicht vorzufinden.

TNPC-basierte 3L-Wechselrichter können in zwei Betriebsarten betrieben werden, um die Systemeffizienz zu erhöhen. Bei 3L- TNPC Wechselrichtern können die Nullpotential (mittleren) Brü- ckenzweige abgeschaltet werden, um im 2L-Betrieb zu arbeiten, und hinzugeschaltet zu werden, um in den 3L-Betrieb zu wech- seln. Zwischen beiden Betriebsmodi wird gewechselt, um den Systemwirkungsgrad zu erhöhen. Dafür wird die Last in der Steuer- und Regelungslogik gemessen und mit Hilfe einer zuvor ermittelten Optimierungskennlinie zwischen 2L- und 3L- Operation gewechselt.

Zusätzlich oder alternativ können TNPC-basierte 3L- Wechselrichter asymmetrisch ausgelegt werden, um die Kosten des Wechselrichters zu reduzieren. Die Asymmetrie bezieht sich auf die Stromtragfähigkeit der Nullpotential (mittleren) Brü- ckenzweige, welche geringer ist als die der äußeren Brücken- zweige. Dies ist möglich, da die Nullpotential-Brückenzweige bei höheren Lasten nicht mehr genutzt werden, um die Gesamtef- fizienz zu optimieren. Die äußeren Brückenzweige sind auf Spitzenströme und die Nullpotential-Brückenzweige auf kleine oder kontinuierliche Ströme ausgelegt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Wech- selrichter eine erste Treiberstufe und zumindest eine zweite Treiberstufe auf. Die zweite Treiberstufe ist dazu ausgelegt, Ausgangslastströme an den Lastausgang zu führen, welche klei- ner sind als die von der ersten Treiberstufe bereit gestellten Ausgangslastströme .

Vorzugsweise ist dabei die Betriebsmodus-Umschalteinrichtung dazu ausgelegt, den Wechselrichter derart zu steuern, dass ab- hängig von der Gesamteffizienz im drei- oder mehrstufigen Be- trieb die erste Treiberstufe sowie die zweite Treiberstufe ak- tiviert sind und im zwei-stufigen Betrieb zumindest eine der Treiberstufen deaktiviert ist, vorzugsweise die innere, zweite Treiberstufe.

Typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, weist die erste Treiberstufe zumindest eine Brückenschaltung, insbesondere ei- ne Halbbrückenschaltung, auf, deren Mittelabgriff den Aus- gangslastanschluss der Wechselrichterschaltung bildet. Jede Brückenschaltung weist dabei zumindest einen ersten (Halblei- ter-)Leistungsschalter auf, welche mit einem ersten Versor- gungsanschluss (welcher zum Beispiel mit einem positiven Ver- sorgungspotential beaufschlagt ist) verbunden sind und welche dazu ausgelegt sind, am Lastausgang eine erste Spannungsstufe bereitzustellen. Jede Brückenschaltung weist ferner zumindest einen zweiten (Halbleiter-)Leistungsschalter auf, welche mit einem zweiten Versorgungsanschluss (welcher zum Beispiel mit einem negativen Versorgungspotential oder einem Bezugspotenzi- al beaufschlagt ist) verbunden sind und welche dazu ausgelegt sind, am Lastausgang eine zweite Spannungsstufe bereitzustel- len. Die halbleiterbasierten Leistungsschalter können mit ver- schiedenen beliebig wählbaren Halbleitermaterialien realisiert werden. Üblicherweise eingesetzte Materialien sind Si (Silizi- um) für IGBTs und MOSFETs, SiC (Siliziumkarbid) für MOSFETs und GaN (Galliumnitrid) für MOSFETs.

Typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, weist die zwei- te Treiberstufe zumindest einen dritten Leistungsschalter auf, deren Laststrecken in Reihe zwischen einer Zwischenkreisschal- tung und dem Mittelabgriff der ersten Treiberschaltung ge- schaltet sind. Die Leistungsschalter der zweiten Treiberstufe sind dazu ausgelegt, am Lastausgang einen dritten Spannungsle- vel, der zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungslevel liegt, bereitzustellen.

Im Fall einer bevorzugten, so genannten homogenen Wechsel- richtertopologie sind alle Leistungsschalter des Wechselrich- ters, also die Leistungsschalter der ersten Treiberstufe und/oder der zweiten Treiberstufe, als Halbleiterschalter des- selben Schaltertyps und/oder derselben Halbleitertechnologie ausgebildet. Schaltertypen sind zum Beispiel, Bipolartransis- toren, Feldeffekttransistoren (wie etwa MOSFETs, JFETs, etc.), Thyristoren, IGBTs, etc.. Unter der Halbleitertechnologie wird diejenige Halbleitertechnologie bezeichnet, auf deren Basis der Leistungsschalter hergestellt wird, wie etwa auf Basis der Si-, SiC-, GaAs- oder GaN-Technologie.

In einer ersten, bevorzugten Variante der homogenen Wechsel- richtertopologie sind die Halbleiterschalter als GaN- Leistungsschalter, zum Beispiel als GaN-MOSFET, ausgebildet. In einer zweiten, besonders bevorzugten Variante sind die Halbleiterschalter als SiC-Leistungsschalter, insbesondere als SiC-MOSFETs, ausgelegt. Darüber hinaus wären IGBT-basierte Leistungsschalter, beispielsweise Silizium-basierte IGBTs mit Si-Diode oder SiC-Diode, ebenfalls denkbar

Im Fall einer besonders bevorzugten, so genannten hybriden Wechselrichtertopologie sind für die Halbleiterschalter des Wechselrichters, also für die Halbleiterschalter der ersten Treiberstufe und/oder für die Halbleiterschalter der zweiten Treiberstufe, zumindest zwei unterschiedliche Schaltertypen und/oder zumindest zwei unterschiedliche Halbleitertechnolo- gien vorgesehen. Bei der hybriden Wechselrichtertopologie wer- den innerhalb des Wechselrichters nicht die gleichen Halb- leitermaterialien für alle Leistungsschalter verwendet. Insbe- sondere wird für die Leistungsschalter des Nullpotential- Brückenzweiges, also für die zweite Treiberstufe, eine andere Technologie (andere Schaltertypen) verwendet als für die äuße- ren Schalter der ersten Treiberstufe. Dadurch realisiert man Effizienzvorteile bedingt durch reduzierten Schalt- und Durch- lassverlusten. Zusätzlich ergeben sich auch Kostenvorteile. Empfehlenswert ist insbesondere die Optimierung der Leistungs- schalter in den Nullpotential-Brückenzweigen (zweite Treiber- stufe) auf niedrige Schaltverluste und möglichst geringe Re- verse-Recovery Verluste. Dies ist sinnvoll, da die Nullpoten- tial-Brückenzweige (zweite Treiberstufe) bei geringen Strömen aktiviert sind und niedrige Reverse-Recovery Verluste zudem die Schaltverluste in den äußeren Schaltern reduzieren. Ein hybrides Design ist insbesondere dann zu empfehlen, wenn der Wechselrichter asymmetrisch ausgelegt ist. Je geringer die Stromtragfähigkeit der Nullpotential-Brückenzweige (zweite Treiberstufe) ist, desto geringer sind die Mehrkosten für schaltverlustoptimierte Schalter.

In einer ersten, besonders bevorzugten Variante sind die Halb- leiterschalter der ersten Treiberstufe als IGBTs (Silizium o- der SiC) mit Freilaufdiode ausgebildet. In diesem Fall können die Halbleiterschalter der zweiten Treiberstufe vorzugsweise als SiC-Leistungsschalter, insbesondere als SiC-MOSFETs, aus- gebildet sein.

In einer zweiten, gleichfalls bevorzugten Variante sind die Halbleiterschalter der ersten Treiberstufe als SiC-MOSFETs ausgelegt. In diesem Fall können die Halbleiterschalter der zweiten Treiberstufe als GaN-basierte MOSFETs ausgelegt sein.

In einer dritten bevorzugten Variante sind die Halbleiter- schalter der ersten Treiberstufe als IGBTs mit Freilaufdiode ausgelegt. In diesem Fall können die Halbleiterschalter der zweiten Treiberstufe als GaN-Leistungsschalter, insbesondere als GaN-MOSFETs, ausgelegt sein.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das flussführende Material im Rotor aus Eisen oder einer Ei- senlegierung. Elektrische Drehfeldmaschinen - und hier vor- zugsweise Synchronmaschinen mit Doppelrotor - können im Rotor mit flussführendem Material in Massivbauweise d.h. aus Vollma- terial, ausgeführt werden. Das ist damit zu begründen, dass in einer idealisierten Betrachtung bei Synchronmaschinen keine periodische Relativbewegung zwischen dem Richtungsvektor des von der Ständerwicklung erzeugten Drehfelds und dem Doppelro- tor stattfindet. Die magnetische Flussdichte in einem Be- triebspunkt ist damit konstant und es treten keine Eisenver- luste im Material auf. Bei solchen permanentmagneterregten Ma- schinen, deren Magnete auf der Läuferoberfläche montiert sind, ermöglicht der hierdurch gewährleistete Abstand zwischen Stän- dernuten und flussführendem Material den Einsatz von Vollmate- rial ohne ein Ansteigen der Zusatzverluste.

Gemäß einem ebenfalls besonders bevorzugten Ausführungsbei- spiel weist die elektrische Maschine einen Stator mit einem Ständer auf, wobei der Ständer zur Führung eines vorrangig ra- dialen Magnetflusses, insbesondere zur Vermeidung einer Mag- netflussführung in tangentialer Richtung, ausgebildet ist. Es handelt sich somit um eine so genannte „jochlose" Ausführung des Stators, die insbesondere eine Magnetflussführung in um- fänglicher Richtung vermeidet. Ein magnetischer Rückschluss im Ständer ist dabei nicht erforderlich, wodurch Gewicht und Ei- senverluste reduziert werden.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Ständer des Stators eine radiale Jochdicke auf, welche weniger als 30%, vorzugsweise weniger als 20%, besonders bevorzugt weniger als 10% einer ge- samten radialen Ständerdicke beträgt. Bei einer so genannten „jochlosen" Ausführung wird auf diese Weise dennoch eine me- chanische Verbindung der Ständerzähne bereitgestellt, was elektromagnetisch jedoch nicht notwendig wäre und worüber auch kein funktionsrelevanter Magnetfluss stattfindet. Der Begriff „jochlos" bezieht sich somit auf die elektromagnetische Ausle- gung des Ständers.

Gemäß einem ebenfalls besonders bevorzugten Ausführungsbei- spiel ist die Synchronmaschine eine dreiphasige Synchronma- schine ist. In diesem Fall ist die Wechselrichterschaltung vorzugsweise zumindest als Dreiphasenwechselrichter ausgebil- det. Eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht auch darin, dass Synchronmaschinen, die sich einer drei- oder mehr- stufigen Wechselrichtertopologie bedienen, eine wesentlich verbesserte Gesamteffizienz des Antriebssystems zeigen. Gemäß einem ebenfalls besonders bevorzugten Ausführungsbei- spiel ist die elektrische Maschine als Radnabenmotor für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet. Ein Rad- nabenmotor ist eine elektrische Maschine, die direkt in ein Rad und insbesondere in die Nabe eines Fahrzeugs eingebaut ist und gleichzeitig die Radnabe trägt. Ein Teil des Nabenmotors überträgt das erzeugte Drehmoment direkt auf das anzutreibende Rad, mit dem er umläuft. Bei elektrischen Radnabenmotoren sind dabei sowohl Innen- als auch Außenläufermotoren denkbar.

Hauptvorteil von solchen elektrischen Radnabenmotoren in Fahr- zeugen ist gegenüber Antriebskonzepten mit einem zentralen Mo- tor der Wegfall des klassischen Antriebsstrangs mit den je nach Ausprägung notwendigen Komponenten (Getriebe, Kardanwel- le, Differenzialgetriebe, Antriebswelle, etc.). Da auch deren Übertragungsverluste wegfallen, bieten sich Potenziale zur Wirkungsgradsteigerung des gesamten Antriebssystems. Auch lässt sich bei einem elektrischen Radnabenmotor eine effizien- te Rekuperation, also eine Rückgewinnung von elektrischer Energie beim Bremsen des Fahrzeugs, implementieren.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierun- gen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombi- nationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausfüh- rungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbeson- dere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesse- rungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vor- liegenden Erfindung hinzufügen.

INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungs- beispiele näher erläutert. Es zeigen dabei: Fig. 1 anhand eines Blockschaltbildes ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem;

Fig. 2 anhand einer schematischen Querschnittsdarstellung ein Beispiel für eine elektrische Maschine des er- findungsgemäßen elektrischen Antriebssystems gemäß Figur 1;

Fig. 3 anhand eines Blockschaltbildes eine drei- oder mehr- stufige Wechselrichterschaltung für ein erfindungs- gemäßes elektrisches Antriebssystem entsprechend Fi- gur 1;

Fig. 4 anhand eines Schaltbildes ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wechsel- richterschaltung;

Fig. 5 anhand eines Flussdiagramms ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebs- systems.

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veran- schaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genann- ten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabs- getreu zueinander gezeigt.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - so- fern nichts Anderes ausführt ist - jeweils mit denselben Be- zugszeichen versehen.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN Fig. 1 zeigt anhand eines Blockschaltbildes ein erfindungsge- mäßes elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug.

Das hier mit Bezugszeichen 10 bezeichnete elektrische An- triebssystem ist vorzugsweise - jedoch nicht notwendigerweise - für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Das An- triebssystem 10 umfasst zumindest eine mehrphasige elektrische Maschine 11 sowie eine Wechselrichterschaltung 12.

Die elektrische Maschine 11 ist eingangsseitig mit der Wech- selrichterschaltung 12 verbunden, die die elektrische Maschine 11 antreibt. Die Wechselrichterschaltung 12 ist erfindungsge- mäß als drei- oder mehrstufige Wechselrichterschaltung 12 aus- gebildet. Die Wechselrichterschaltung 12 weist einen Wechsel- richter 13 sowie eine Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 auf.

Der Wechselrichter 13 ist über seinen Lastausgang 15 mit der elektrischen Maschine 11 und über Versorgungsanschlüsse 16, 17 mit einer Versorgungsspannungsquelle 18 gekoppelt. Der Wech- selrichter 13 ist dabei dazu ausgelegt, eine versorgungsseitig aufgenommene Gleichspannung VDC in eine Wechselspannung VAC zu wandeln. Der Wechselrichter 13 ist als mehrphasiger Wechsel- richter 13 ausgebildet, wobei die Anzahl der Phasen des Wech- selrichters 13 typischerweise der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine 11 entspricht. Die elektrische Maschine 11 wird über die vom Wechselrichter 13 am Lastausgang 15 be- reitgestellten Phasenströme angetrieben.

Erfindungsgemäß ist der Betriebsmodus der Wechselrichterschal- tung 12 über die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14, welche eingangsseitig u.a. mit der elektrischen Maschine 11 gekoppelt ist, einstellbar. Insbesondere ist über die Betriebsmodus- Einstelleinrichtung 14 einstellbar, ob der Wechselrichter 13 in einem zweistufigen Betrieb, in einem drei- oder mehrstufi- gen Betrieb oder in einem Mischbetrieb arbeitet. Der Mischbe- trieb bezeichnet einen Betriebsmodus, bei dem der Wechselrich- ter sowohl in einem zweistufigen Betrieb als auch drei- oder mehrstufigen Betrieb betrieben wird, wie dies zum Beispiel bei einem Übergang von einem Betriebsmodus zum nächsten vorkommen kann. Der Aufbau und die Funktionsweise der Betriebsmodus- Einstelleinrichtung 14 wird nachfolgend anhand der folgenden Figuren 3 bis 6 noch im Detail erläutert.

Die elektrische Maschine 11 ist vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise eine dreiphasige Synchronmaschine 11. In die- sem Fall beinhaltet die Wechselrichterschaltung 12 vorzugswei- se einen Dreiphasenwechselrichter 13.

Ebenfalls bevorzugt ist es, wenn die elektrische Maschine 11 des elektrischen Antriebssystems 10 ein Radnabenmotor für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug ist. Jedoch wären auch andere Anwendungen denkbar und vorteilhaft.

Fig. 2 zeigt anhand einer schematischen Querschnittsdarstel- lung ein Beispiel für eine elektrische Maschine des erfin- dungsgemäßen elektrischen Antriebssystems gemäß Figur 1.

Die elektrische Maschine 11 ist vorzugsweise als Synchronma- schine 11 ausgebildet. Ein für die Erfindung wesentlicher, je- doch nicht zwingend erforderlicher Aspekt ist der Umstand, dass die Synchronmaschine bzw. die elektrische Maschine 11 mit einem Doppelrotor 20 ausgestattet ist und dass der Doppelrotor ferner aus flussführendem Material aus Vollmaterial aufgebaut ist. Der Querschnitt des Doppelrotor- Synchronmaschine 11 ist in Figur 2 dargestellt. Die Doppelrotormaschine 20 umfasst da- bei den äußeren Rotor 21 und den inneren Rotor 22. Zwischen den beiden Rotoren 21, 22 ist der Stator 23 in an sich bekann- ter Weise angeordnet. Der Stator 23 kann dabei vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, ein jochloser Stator 23 sein.

Der äußere Rotor 21 und innere Rotor 22 sind vorzugsweise nicht geblecht, sondern aus Vollmaterialaufgebaut. Der innere Rotor 22 ist dabei rohrförmig ausgebildet. Denkbar wäre jedoch eine massive, vollvolumige Ausgestaltung des inneren Rotors 22.

Zwischen dem äußeren Rotor 21 und dem Stator 23 sind im ge- zeigten Bespiel zwei gegenpolige Magnete 24, 25 auf der inne- ren Oberfläche des äußeren Rotors 21 im äußeren Luftspalt 26 aufgesetzt. Denkbar und vorteilhaft wäre es, wenn die Magnete 24, 25 in eigens dafür vorgesehenen taschenförmige Ausnehmun- gen äußeren Rotors 21 eingebettet sind. Denkbar wäre jedoch auch, wenn die Magnete 24, 25 vom äußeren Rotor 21 beabstandet sind, also nicht direkt auf dessen innerer Oberfläche ange- bracht sind. Die Flusslinien 27 zwischen Nord- und Südpol der gegenpoligen Magnete 24, 25 verlaufen hier im Kernmaterial des äußeren Rotors 21.

Zwischen dem inneren Rotor 22 und dem Stator 23 sind im ge- zeigten Bespiel ebenfalls zwei gegenpolige Magnete 28, 29 auf der inneren Oberfläche des inneren Rotors 22 im inneren Luft- spalt 30 aufgesetzt. Auch hier können die Magnete 28, 29 in entsprechende Taschen des inneren Rotors 22 eingebettet sein oder vom inneren Rotor 22 beabstandet sein. Die Flusslinien 31 zwischen Nord- und Südpol der gegenpoligen Magnete 28, 29 ver- laufen hier im Kernmaterial des inneren Rotors 22.

Das flussführende Material im äußeren und/oder inneren Rotor 21, 22 besteht dabei vorzugsweise aus massivem Eisen oder ei- ner entsprechenden massiven Eisenlegierung.

Fig. 3 zeigt anhand eines Blockschaltbildes eine drei- oder mehrstufige Wechselrichterschaltung für ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem entsprechend Figur 1.

Die Wechselrichterschaltung 12 umfasst dabei - wie bereits an- hand der Figur erläutert, zwei Versorgungsanschlüsse 16, 17, einen Lastausgang 15, einen drei- oder mehrstufigen Wechsel- richter 13 sowie eine Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14. An dem ersten Versorgungsanschluss 16 ist ein erstes Versor- gungspotenzial Vll, beispielsweise ein positives Versorgungs- potenzial, abgreifbar. An dem zweiten Versorgungsanschluss 17 ist ein zweites Versorgungspotenzial V12, beispielsweise ein negatives Versorgungspotenzial oder ein Bezugspotenzial, ab- greifbar. Damit liegt zwischen den Versorgungsanschlüssen 16, 17 eine Versorgungsgleichspannung VDC=V11-V12 an.

Am Lastausgang 15 ist ein mehrphasiger Laststrom II abgreif- bar, über welchen die verschiedenen Phasen der über den Last- ausgang 15 anschließbaren elektrischen Maschine 11 betrieben werden.

Zwischen den Versorgungsanschlüssen 16, 17 und dem Lastausgang 15 ist der steuerbare drei- oder mehrstufige Wechselrichter 13 angeordnet. Der Wechselrichter 13 ist dazu ausgelegt, eine versorgungsseitig aufgenommene Gleichspannung VDC in eine Wechselspannung VAC zu wandeln, um am Lastausgang den mehrpha- siger Laststrom II bereitzustellen.

Der Wechselrichter 13 weist eine erste Treiberstufe 40 und zu- mindest eine zweite Treiberstufe 41 auf. Die zweite Treiber- stufe 41 ist dazu ausgelegt, Ausgangslastströme an den Last- ausgang 15 zu führen, welche kleiner sind als die von der ers- ten Treiberstufe 40 bereit gestellten Ausgangslastströme.

Die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 dient dem Zweck, den Betriebsmodus des Wechselrichters 13 und damit der gesamten Wechselrichterschaltung 12 einzustellen und somit zu steuern. Insbesondere ist der Wechselrichter 13 dazu ausgelegt, den Wechselrichter 13 entweder in einem ersten Betriebsmodus in einem drei- oder mehrstufigen Betrieb oder in einem zweiten Betriebsmodus in einem zwei-stufigen Betrieb zu betreiben. Denkbar wäre auch zumindest ein dritter Betriebsmodus, welcher eine Mischform von zwei-stufigem Betrieb und drei- oder mehr- stufigem Betrieb beinhaltet. Der dritte Betriebsmodus wäre insbesondere bei einem Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und umgekehrt denkbar und sinnvoll.

Die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 steuert dabei den verwendeten Betriebsmodus des Wechselrichters 13 abhängig von der Gesamteffizienz des gesamten elektrischen Antriebssystems 10. Die Gesamteffizienz ist dabei eine Funktion des erfassten Phasenstroms der elektrischen Maschine 11 sowie optional zu- mindest einer weiteren die Gesamteffizienz beeinflussende Ei- genschaft des elektrischen Antriebssystems.

Zum Zwecke der Einstellung des jeweils verwendeten Betriebsmo- dus umfasst die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 zumindest eine der nachfolgenden Einrichtungen:

- eine Auswerteeinrichtung 42;

- eine Messeinrichtung 43;

- eine Steuereinrichtung 45.

Die Auswerteeinrichtung 42 ist dazu ausgelegt, anhand des Pha- senstroms sowie optional zumindest einer weiteren Eigenschaft eine Optimierung der Gesamteffizienz des elektrischen An- triebssystems 10 vorzunehmen. Dies kann zum Beispiel in-situ, also während des Betriebs des elektrischen Antriebssystems 10 erfolgen. Vorzugsweise wird die relativ rechenaufwändige Be- rechnung jedoch im Vorhinein vorgenommen, beispielsweise durch geeignete Berechnung (z.B. numerisch oder analytisch) und/oder unter Verwendung eines vorgegebenen Kennlinienfelds. Bei- spielsweise erfolgt die nummerische Effizienzberechnung für den 2L-Betrieb und 3L-Betrieb sowie das Abbilden der Funktion mit Entscheidungsausgang im Vorherein, also offline. Die Wahl der besseren Effizienz mit Hilfe der Umschaltung sowie die An- wendung der Lookup-Tabelle auf die Effizienzermittlung kann auch - jedoch nicht ausschließlich - mehr oder weniger dyna- misch während des Betriebs vorgenommen werden.

Zum Zweck der Optimierung weist die Auswerteeinrichtung 42 ein Optimierungsmodul 46 auf. Das Optimierungsmodul 46 berechnet zunächst die Gesamteffizienz. Anschließend wird zum Beispiel über eine Optimierungsfunktion die Gesamteffizienz unter Be- rücksichtigung des Phasenstroms sowie optional zumindest einer Eigenschaft analytisch oder über eine Lookup-Table optimiert.

Die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 umfasst darüber hin- aus auch eine erste Messeinrichtung 43. Die erste Messeinrich- tung 43 weist einen Sensoreingang 47 auf. Dabei ist die Be- triebsmodus-Einstelleinrichtung 14 über den Sensoreingang 47 mit der elektrischen Maschine 11 koppelbar, um den Phasenstrom der elektrischen Maschine 11 zu erfassen.

Die eigentliche Steuerung des Wechselrichters erfolgt dabei über eine eigens dafür vorgesehen Steuereinrichtung 45. Die Steuereinrichtung 45 stellt dabei den jeweiligen Betriebsmodus des Wechselrichters 13 ein, d.h. ob der Wechselrichter 13 im drei- oder mehrstufigen Betrieb oder im zwei-stufigen Betrieb betrieben wird. Die Steuereinrichtung 45 kann zum Beispiel den Wechselrichter 13 derart steuern, dass im drei- oder mehrstu- figen Betrieb beide Treiberstufen 40, 41 aktiviert sind und im zwei-stufigen Betrieb die zweite Treiberstufe 40 deaktiviert ist.

Fig. 4 zeigt anhand eines Schaltbildes ein besonders bevorzug- tes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wechsel- richterschaltung .

An den Versorgungsanschlüssen 16, 17 liegt die Versorgungs- gleichspannung VDC, wobei am ersten Versorgungsanschluss 16 das Versorgungspotenzial Vll = VDC/2 und am zweiten Versor- gungsanschluss 17 das Versorgungspotenzial V12 = -VDC/2 ab- greifbar ist. Denkbar wäre auch eine Konstellation, bei der am zweiten Versorgungsanschluss 17 ein Bezugspotenzial, bei- spielsweise das Potenzial der Bezugsmasse GND, anliegt. In dem Fall würde am ersten Versorgungsanschluss 16 das Versorgungs- potenzial Vll = VDC abgreifbar sein. Eingangsseitig des Wechselrichters 13 ist eine Zwischenkreis- schaltung 50 bestehend aus einer Reihenschaltung zweier Zwi- schenkreiskondensatoren 51, 52 geschaltet. Die Zwischenkreis- schaltung 50 fungiert als Energiespeicher.

Der in Figur 4 dargestellte Wechselrichter 13 beinhaltet eine T-Typ neutralpunkt geklemmte Wechselrichterarchitektur.

Zu diesem Zweck weist die erste, äußere Treiberstufe im ge- zeigten Fall eines 3-phasigen Wechselrichters drei Halbbrü- ckenschaltungen 53a-53c auf, die bezüglich deren Laststrecken jeweils ebenfalls lastseitig zwischen den Versorgungsanschlüs- sen 16, 17 geschaltet sind. Die jeweiligen Mittelabgriffe 54a- 54c der Halbbrückenschaltungen 53a-53c bilden jeweils eine Ausgangslastanschluss 15a-15c des Wechselrichters 13. Jede der Halbbrückenschaltungen 53a-53c weist dabei jeweils einen ers- ten steuerbaren Leistungsschalter TI, T2, T3 auf, die als High-Side-Schalter ausgebildet sind. Diese ersten Leistungs- schalter TI, T2, T3 sind mit dem ersten Versorgungsanschluss 16 verbunden. Die ersten Leistungsschalter TI, T2, T3 sind da- zu ausgelegt sind, am Lastausgang 15 eine erste Spannungsstufe bereitzustellen. Jede der Halbbrückenschaltungen 53a-53c weist ferner jeweils einen zweiten steuerbaren Leistungsschalter T4, T5, T6 auf, die als Low-Side-Schalter ausgebildet sind. Diese zweiten Leistungsschalter T4, T5, T6 sind mit dem zweiten Ver- sorgungsanschluss 17 verbunden. Die zweiten Leistungsschalter T4, T5, T6 sind dazu ausgelegt, am Lastausgang 15 eine zweite Spannungsstufe bereitzustellen.

Die zweite, innere Treiberstufe 41 ist zwischen dem Mittelab- griff 55 der Zwischenkreisschaltung und den Ausgangslastan- schlüssen 15a-15c - und somit den jeweiligen Mittelabgriffen 54a-54c der Halbbrückenschaltungen 53a-53c - geschaltet. Die zweite Treiberstufe 41 umfasst im gezeigten Beispiel jeweils drei Schaltungszweige 56a-56c. Jeder der Schaltungszweige 56a- 56c umfasst dabei eine Reihenschaltung aus zwei steuerbaren Leistungsschaltern T7/T8; T9/T10; T11/T12, die bezüglich derer Laststrecken antiparallel angeordnet sind. Die steuerbaren Leistungsschalter T7/T8; T9/T10; T11/T12 sind dazu ausgelegt, am Lastausgang 15a-15c einen dritten Spannungslevel, der zwi- schen dem ersten und dem zweiten Spannungslevel liegt, bereit- zustellen.

Zu Ansteuerung der jeweiligen steuerbaren Leistungsschalter weist die Steuereinrichtung 45 eine erste Steuereinheit 45a und eine zweite Steuereinheit 45b auf. Die erste Steuereinheit 45a ist dazu ausgebildet, die Leistungsschalter T1-T6 der ers- ten Treiberstufe 40 anzusteuern. Die zweite Steuereinheit 45b ist dazu ausgebildet, die Leistungsschalter T7-T12 der zweiten Treiberstufe 41 anzusteuern.

Bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 4 ist der Wechselrichter 13 hybrid ausgebildet. In diesem Falle sind die Leistungs- schalter des Wechselrichters 13 nicht in derselben Halbleiter- technologie hergestellt und/oder vom selben Schaltertyp. Ins- besondere sind im gezeigten Beispiel die Leistungsschalter Tl- T6 Si-IGBTs mit Si-Freilaufdioden ausgebildet. Die Leistungs- schalter T7-T12 sind als SiC-MOSFETs ausgebildet.

Alternativ (nicht in Fig. 4 gezeigt) können die Leistungs- schalter T7-T12 als SiC-MOSFETs und die Leistungsschalter Tl- T6 als GaN-MOSFETs ausgebildet sind.

Alternativ (ebenfalls nicht in Fig. 4 gezeigt) können die Leistungsschalter T7-T12 als IGBT mit Freilaufdiode und die Leistungsschalter T1-T6 als GaN-Leistungsschalter, insbesonde- re als GaN-MOSFETs, ausgebildet sind.

Alternativ (ebenfalls nicht in Fig. 4 gezeigt) können in einer so genannten homogenen Wechselrichtertopologie alle Leistungs- schalter T1-T12 des Wechselrichters 13 vom selben Schaltertyps sein und/oder mit derselben Halbleitertechnologie hergestellt sein, zum Beispiel als GaN-Leistungsschalter, SiC-

Leistungsschalter, wie etwa SiC-MOSFETs, ausgelegt. Figur 5 zeigt anhand eines Flussdiagramms ein erfindungsgemä- ßes Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssys- tems. Das elektrische Antriebssystem, welches beispielsweise ein Antriebssystem entsprechend Figur 1 sein kann, weist dabei eine mit einem Doppelrotor ausgestattete Synchronmaschine auf. Der Doppelrotor ist aus flussführendem Material aus Vollmate- rial aufgebaut.

In einem ersten Schritt S1 wird die Gesamteffizienz des elektrischen Antriebssystems ermittelt, beispielsweise off- line. Hierzu wird zunächst der Phasenstrom der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems erfasst (Sil). Zu- sätzlich wird optional zumindest eine weitere die Gesamteffi- zienz beeinflussende Eigenschaft (S13) der elektrischen Ma- schine ermittelt.

Aus all diesen Informationen wird in einem nächsten Schritt S2 die Synchronmaschine betrieben. Hierzu wird eine steuerbare drei- oder mehrstufige Wechselrichterschaltung verwendet. Der steuerbare drei- oder mehrstufige Wechselrichter der Wechsel- richterschaltung wird dabei in Abhängigkeit der Gesamteffizi- enz des elektrischen Antriebssystems sowie des diese beein- flussenden Parameters und optional Eigenschaften entweder so- wohl im drei- oder mehrstufigen Betriebsmodus S21 oder im zwei-stufigen Betriebsmodus S22 betrieben.

Denkbar wäre auch eine Mischform aus drei- oder mehrstufigem Betrieb und zwei-stufigem Betrieb. Eine solche Mischbetriebs- form wäre beispielsweise bei einem Übergang vom drei- oder mehrstufigen Betrieb in den zwei-stufigen Betrieb denkbar und vorteilhaft, um zum Beispiel ein hartes Umschalten zu vermei- den. Letzteres könnte mit Verlusten und somit Effizienzeinbu- ßen einhergehen.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh- rungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Bezugszeichenliste

10 elektrisches Antriebssystem

11 elektrische Maschine, Synchronmaschine

12 (drei- oder mehrstufige) Wechselrichterschal- tung

13 (drei- oder mehrstufiger) Wechselrichter

14 Betriebsmodus-Einstelleinrichtung

15 Lastausgang

15a-15c Ausgangslastanschluss

16, 17 Versorgungsanschlüsse

18 Versorgungsspannungsquelle

20 Doppelrotor, Doppelrotormaschine

21 äußerer Rotor

22 innerer Rotor

23 Stator

24, 25 gegenpolige Magnete (des äußeren Rotors)

26 (äußerer) Luftspalt

27 (äußere) Flusslinien

28, 29 gegenpolige Magnete (des inneren Rotors)

30 (innerer) Luftspalt

31 (innere) Flusslinien

40 erste (äußere) Treiberstufe

41 zweite (innere) Treiberstufe

42 Auswerteeinrichtung

43 erste Messeinrichtung

45 Steuereinrichtung

46 Optimierungsmodul

47 Sensoreingang

50 Zwischenkreisschaltung

51, 52 Zwischenkreiskondensatoren

53a-53c Halbbrückenschaltung

54a-54c Mittelabgriffe

55 Mittelabgriff Il (mehrphasiger) Laststrom

SI, S2 Verfahrensschritte

Sil, S13 Unterschritte S21, S22 Unterschritte

TI - T3 erste Leistungsschalter der Halbbrückenschal- tung, High-Side-Schalter

T4 - T6 zweite Leistungsschalter der Halbbrückenschal- tung, Low-Side-Schalter T7 - T12 Leistungsschalter

VAC (ausgangsseifige) WechselSpannung

VDC (eingangsseitige) Gleichspannung

VI1 (positives) Versorgungspotenzial

V12 (negatives) Versorgungspotenzial, Bezugspoten- zial