DE102007052240A1

DE102007052240A1 - Verfahren zur Diagnose eines technischen Systems

Info

Publication number: DE102007052240A1
Application number: DE200710052240
Authority: DE
Inventors: Christof Dipl.-Ing. Nitsche
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2008-06-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines technischen Systems während dessen Betriebes unter instationären Bedingungen. Dabei wird zunächst ein funktionales Referenzmodell erstellt, mit dem das Verhalten des Systems in einem vorgebbaren Abnutzungszustand unter veränderlichen Bedingungen anhand einer Anzahl von Ausgangsvariablen in Abhängigkeit von einer Anzahl von Eingangsvariablen beschrieben wird. Jede der Eingangsvariablen parametrisiert eine das Verhalten des Systems beeinflussende Größe, jede der Ausgangsvariablen eine Betriebskenngröße des Systems. Das momentane Verhalten des Systems wird mit dem Referenzmodell verglichen, indem Istwerte der Ausgangsvariablen und der Eingangsvariablen erfasst werden und die Istwerte der Ausgangsvariablen mit aus dem Referenzmodell gewonnenen Referenzwerten der Ausgangsvariablen verglichen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines technischen Systems während dessen Betriebes unter instationären Bedingungen.
Um die Funktionstüchtigkeit und -güte eines technischen Systems zu untersuchen und zu beurteilen, wird das System üblicherweise in einem Messstand unter vorgebbaren stationären Bedingungen getestet. Dadurch lassen sich häufig insbesondere genaue Aussagen über eine Abnutzung oder einen Verschleiß des Systems ableiten. Eine derartige Untersuchung eines Systems ist jedoch aufwändig und erfordert das Einbringen des Systems in einen Messstand. Insbesondere erlaubt es keine Untersuchung eines Systems unter instationären Bedingungen während des Betriebes.
In US 7,136,779 B2 wird ein Verfahren für eine Echtzeit-Diagnose eines mobilen technischen Systems während dessen Betriebes vorgeschlagen. Dabei wird mit einer adaptiven Methode aus einer Anzahl von Messungen unter instationären Bedingungen ein momentaner Zustand des technischen Systems ermittelt und mit einem Referenzzustand verglichen. Das beschriebene Verfahren ist aufgrund seines adaptiven Charakters aufwändiger und schwieriger zu implementieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zur Diagnose eines technischen Systems während dessen Betriebes unter instationären Bedingungen anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Diagnose eines technischen Systems während dessen Betriebes vor, bei dem ein funktionales Referenzmodell erstellt wird, mit dem das Verhalten des Systems in einem vorgebbaren Abnutzungszustand, beispielsweise in einem Neuzustand, unter allgemeinen, insbesondere instationären Bedingungen modelliert wird. In dem funktionalen Referenzmodell wird das Systemverhalten anhand einer Anzahl von Ausgangsvariablen in Abhängigkeit von einer Anzahl von Eingangsvariablen modelliert. Dabei wird durch jede der Eingangsvariablen eine das Verhalten des Systems beeinflussende Größe und durch jede der Ausgangsvariablen eine Betriebskenngröße des Systems parametrisiert. Zur Diagnose des Systems wird im laufenden Betrieb des Systems ein momentaner Istzustand des Systems mit dem Referenzmodell verglichen.
Dazu werden Istwerte der Ausgangsvariablen und der Eingangsvariablen erfasst und die Istwerte der Ausgangsvariablen mit Referenzwerten der Ausgangsvariablen verglichen, die aus dem Referenzmodell für die Istwerte der Eingangsvariablen gewonnen werden.
Das Verfahren erlaubt es, einen momentanen Zustand des Systems während dessen Betriebes unter instationären Bedingungen zu ermitteln. Ferner erlaubt es, die zeitliche Entwicklung des Systemsverhaltens des Systems zu überwachen. So kann insbesondere eine Abnutzung des Systems erkannt werden und festgestellt oder abgeschätzt werden, ob oder wann das System ersetzt oder ausgebessert werden muss. Dafür ist es nicht erforderlich, das System in einen Messstand zu bringen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Anwendungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen. Dabei zeigen:
1 Strom-Spannungs-Kennlinien einer Brennstoffzellenanordnung in verschiedenen Abnutzungszuständen unter jeweils den gleichen stationären Bedingungen,
2 Abweichungen erfasster Istwerte einer stromstärkeabhängigen Spannung einer neuwertigen Brennstoffzellenanordnung von Spannungswerten eines Referenzmodells,
3 zeitabhängige Ist- und Referenzwerte einer Spannung einer neuwertigen Brennstoffzellenanordnung,
4 Abweichungen erfasster Istwerte einer stromstärkeabhängigen Spannung einer abgenutzten Brennstoffzellenanordnung von Spannungswerten eines Referenzmodells,
5 zeitabhängige Ist- und Referenzwerte einer Spannung einer abgenutzten Brennstoffzellenanordnung,
6 ein Langzeitverhalten von Abweichungen zusammengehörender Istwerte von Stromstärke und Spannung einer Brennstoffzellenanordnung von den Werten eines Referenzmodells, und
7 zeitabhängige Abweichungen erfasster Istwerte der Umdrehungszahl eines Kompressors von den Umdrehungszahlwerten eines Referenzmodells.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt Strom-Spannungs-Kennlinien 1 bis 3 einer Brennstoffzellenanordnung in verschiedenen Abnutzungszuständen unter jeweils den gleichen stationären Bedingungen. Dabei ist jeweils eine von der Brennstoffzellenanordnung erzeugte Spannung U gegen eine erzeugte Stromstärke I aufgetragen. Mit zunehmender Abnutzung der Brennstoffzellenanordnung fällt die Spannung U stärker mit steigender Stromstärke I ab, d. h. von der Strom-Spannungs-Kennlinie 1 über die Strom-Spannungs-Kennlinie 2 zu der Strom-Spannungs-Kennlinie 3 nimmt der Abnutzungsgrad der Brennstoffzellenanordnung zu.
Form und Lage von Strom-Spannungs-Kennlinien 1 bis 3 einer Brennstoffzellenanordnung hängen von verschiedenen Bedingungen ab, beispielsweise von der Betriebstemperatur der Brennstoffzellenanordnung und von den Temperaturen und Drücken des Brennstoffes und des Oxidationsmittels innerhalb der Brennstoffzellenanordnung. während des Betriebes einer Brennstoffzellenanordnung, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug während einer Fahrt, ändern sich diese Bedingungen im Allgemeinen mit der Zeit. Unter derart instationären Bedingungen werden von der Stromstärke I und der Spannung U der Brennstoffzellenanordnung im Laufe der Zeit Werte angenommen, die mehr oder weniger stark von einer der stationären Strom-Spannungs-Kennlinien 1 bis 3 abweichen. Dieser Sachverhalt ist mit der Spannungswolke in 2 dargestellt.
Um eine Brennstoffzellenanordnung auch während des Betriebes unter instationären Bedingungen zu diagnostizieren, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst ein geeignetes Referenzmodell der Brennstoffzellenanordnung in einem vorgebbaren Benutzungszustand, beispielsweise einem Neuzustand, erstellt. Dabei handelt es sich um ein funktionales Referenzmodell, das Werte der Spannung U in Abhängigkeit von Werten einer Anzahl von Eingangsvariablen liefert. Die Eingangsvariablen parametrisieren Größen, die das Verhalten der Brennstoffzellenanordnung beeinflussen. Geeignete derartige Eingangsvariablen sind beispielsweise der von der Brennstoffzellenanordnung abgegebene elektrische Strom, die Temperaturen, Drücke und Volumenströme des Brennstoffes und des Oxidationsmittels innerhalb der Brennstoffzellenanordnung und eine Umgebungstemperatur der Brennstoffzellenanordnung.
Um ein solches funktionales Referenzmodell zu erstellen, wird eine Brennstoffzellenanordnung des gewählten Abnutzungsgrades beispielsweise in einem Messstand unter verschiedenen Bedingungen betrieben und dabei die jeweiligen Werte der Spannung U der Brennstoffzellenanordnung sowie der Eingangsvariablen gemessen. Aus diesen Messdaten wird das funktionale Referenzmodell gewonnen.
Mit Hilfe des Referenzmodells lässt sich die Brennstoffzellenanordnung im laufenden Betrieb auch unter instationären Bedingungen diagnostizieren. Dazu werden im laufenden Betrieb fortwährend mittels geeigneter Sensoren Istwerte der Spannung U der Brennstoffzellenanordnung und der Eingangsvariablen erfasst. Den Istwerten der Eingangsvariablen werden mittels des Referenzmodells Referenzwerte der Spannung U zugeordnet. Diese Referenzwerte werden mit den Istwerten der Spannung U verglichen. Aus diesem Vergleich wird auf den momentanen Zustand der Brennstoffzellenanordnung, insbesondere auf deren Abnutzungsgrad geschlossen.
2 zeigt ein Ergebnis eines derartigen Vergleiches über einen mehrstündigen Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung. Aufgetragen sind in einem Strom-Spannungs-Diagramm als einzelne Messpunkte die Abweichungen ΔU der Istwerte der Spannung U von deren Referenzwerten in Abhängigkeit von den Istwerten der Stromstärke I, wobei die Referenzwerte für die Spannung einem Referenzmodell einer neuwertigen Brennstoffzellenanordnung entstammen. Die Streuung der einzelnen Messpunkte in einem solchen Diagramm hat im Allgemeinen unterschiedliche Ursachen, beispielsweise Messungenauigkeiten und/oder von den verwendeten Eingangsvariablen nicht erfasste zeitlich fluktuierende Einflüsse auf die Brennstoffzellenanordnung. Um derartige Streueffekte zu reduzieren, wird auf die Abweichung bevorzugt ein geeignetes Mittelungsverfahren, beispielsweise eine Regressionsanalyse angewendet.
In 2 ist das Ergebnis eines derartigen Mittelungsverfahrens durch die Ausgleichskurve 4 dargestellt. Daraus, dass die Ausgleichskurve 4 sehr gut mit der Nulllinie der Spannungsabweichung ΔU von dem Referenzwert übereinstimmt, wird in diesem Fall geschlossen, dass sich die Brennstoffzelle in einem neuwertigen Zustand befindet.
3 zeigt einen Verlauf von Istwerten 5 und Referenzwerten 6 einer Spannung U einer Brennstoffzellenanordnung in Abhängigkeit von der Zeit t über ein Zeitintervall von etwa einer Minute. Dabei entstammen die Referenzwerte wiederum einem Referenzmodell der Brennstoffzellenanordnung im Neuzustand und werden mittels dieses Referenzmodells aus den zu dem jeweiligen Messzeitpunkt erfassten Istwerten der Eingangsvariablen ermittelt. Auch in diesem Fall wird aus der guten Übereinstimmung der Istwerte 5 mit den Referenzwerten 6 der Spannung U auf einen neuwertigen Zustand der Brennstoffzellenanordnung geschlossen.
Die 4 und 5 zeigen zu den 2 und 3 analoge Diagramme für eine abgenutzte Brennstoffzellenanordnung. Dabei wird die Abnutzung der Brennstoffzellenanordnung in 4 aus der Abweichung der Ausgleichskurve 4 von der Nulllinie der Spannungsabweichung ΔU von dem Referenzwert, und in 5 aus der Abweichung der Istwerte 5 von den Referenzwerten 6 der Spannung U ersichtlich.
6 zeigt die Langzeitentwicklung zusammengehörender Istwerte von Spannung U und Stromstärke I einer Brennstoffzellenanordnung in Abhängigkeit von der Betriebszeit top in einem dreidimensionalen Diagramm über eine Betriebsdauer von etwa 2000 Stunden. Dargestellt ist die Abweichung der Istwerte der Spannung U von aus einem Referenzmodell einer neuwertigen Brennstoffzellenanordnung gelieferten Referenzwerten in Abhängigkeit von der Stromstärke I und der Betriebszeit top. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass das Systemverhalten der Brennstoffzellenanordnung mit zunehmender Betriebszeit top immer weiter von dem Systemverhalten einer neuwertigen Brennstoffzellenanordnung abweicht.
7 zeigt ein Ergebnis einer weiteren Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In diesem Anwendungsbeispiel wird das Verfahren zur Diagnose des Verhaltens eines Kompressors für die Luftzufuhr einer Brennstoffzellenanordnung verwendet. Als Betriebskenngröße und einzige Ausgangsvariable wird die Drehzahl des Kompressors verwendet, als eine Eingangsvariable eine Umgebungstemperatur des Kompressors. 7 zeigt die Abweichung Δn(= Kurve 7) des Istwertes der Drehzahl vom Referenzwert in Abhängigkeit von der Betriebszeit top des Kompressors über eine Betriebsdauer von etwa 100 Stunden. Dabei entstammen die Referenzwerte einem funktionalen Referenzmodell eines neuwertigen Kompressors. Ferner ist ein Toleranzbereich 8 dargestellt, innerhalb dessen eine Abweichung Δn der Drehzahl von dem Referenzwert unkritisch ist. Bei einer Drehzahl außerhalb des Toleranzbereiches 8 wird die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzellenanordnung beeinträchtigt und/oder die Brennstoffzellenanordnung beschädigt oder sogar zerstört. Das Verfahren ist in diesem Anwendungsbeispiel daher auch dazu geeignet, durch Kopplung an eine geeignetes Warn- oder Steuersystem eine drohende Beschädigung der Brennstoffzellenanordnung anzuzeigen oder zu verhindern.

1: erste Strom-Spannungs-Kennlinie
2: zweite Strom-Spannungs-Kennlinie
3: dritte Strom-Spannungs-Kennlinie
4: Ausgleichskurve
5: Istwerte der Spannung
6: Referenzwerte der Spannung
7: Drehzahlabweichung vom Referenzwert
8: Toleranzbereich der Drehzahl
U: Spannung
I: Stromstärke
ΔU: Spannungsabweichung vom Referenzwert
t: Zeit
top: Betriebszeit
Δn: Drehzahlabweichung vom Referenzwert

Claims

Verfahren zur Diagnose eines technischen Systems während dessen Betriebes unter instationären Bedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein funktionales Referenzmodell erstellt wird, mit dem das Verhalten des Systems in einem vorgebbaren Abnutzungszustand unter veränderlichen Bedingungen anhand einer Anzahl von Ausgangsvariablen in Abhängigkeit von einer Anzahl von Eingangsvariablen beschrieben wird, wobei durch jede der Eingangsvariablen eine das Verhalten des Systems beeinflussende Größe und durch jede der Ausgangsvariablen eine Betriebskenngröße des Systems parametrisiert wird; b) ein momentanes Verhalten des Systems mit dem Referenzmodell verglichen wird, indem Istwerte der Ausgangsvariablen und der Eingangsvariablen erfasst werden und die Istwerte der Ausgangsvariablen mit Referenzwerten der Ausgangsvariablen verglichen werden, die aus dem Referenzmodell für die Istwerte der Eingangsvariablen gewonnenen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abnutzungszustand des Systems, für den das Referenzmodell erstellt wird, als ein Neuzustand definiert wird.
Verfahren Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Istwerte der Ausgangsvariablen und/oder der Eingangsvariablen gemittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass fortlaufend das momentane Verhalten des Systems ermittelt und mit dem Referenzmodell verglichen und der Abnutzungszustand des Systems aktualisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erfasste momentane Verhalten des Systems, der ermittelte Abnutzungszustand des Systems und/oder die ermittelten Istwerte der Ausgangsvariablen und der Eingangsvariablen einem Warn- oder Steuersystem zur Verarbeitung und/oder Ausgabe zugeführt werden.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Diagnose einer Brennstoffzellenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsvariablen mindestens eine von der Brennstoffzellenanordnung gelieferte Spannung (U) und/oder Stromstärke (I) umfassen und die Eingangsvariablen mindestens einen Druck und/oder eine Temperatur und/oder einen Volumenstrom eines Brennstoffes und/oder eines Oxidationsmittels der Brennstoffzellenanordnung und/oder eine Umgebungstemperatur der Brennstoffzellenanordnung umfassen.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Diagnose der Gasversorgung (z.B. Luftkompressor) einer Brennstoffzellenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsvariablen mindestens eine von der Gasversorgung gelieferte Umdrehungszahl (n) und/oder Volumenstrom (Q) umfassen und die Eingangsvariablen mindestens einen Druck und/oder eine Temperatur des Brennstoffes und/oder eines Oxidationsmittels der Brennstoffzellenanordnung und/oder eine Umgebungstemperatur der Gasversorgung umfassen.