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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Fehlerdiagnoseverfahren zur eindeutigen
Identifizierung von Fehlerursachen und/oder fehlerhafter Komponenten im
Fahrzeug.
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Mit
den heutigen Systemen ist eine Identifizierung von Fehlerursachen
bzw. fehlerhafter Komponenten innerhalb des Fahrzeugs, also „onboard” sehr
schwierig. In der Regel werden Funktionen, Signalpfade und teilweise
auch Endstufen überwacht, der konkrete Ort einer Störung
kann onboard aber größtenteils nicht diagnostiziert
werden. Für die eindeutige Identifikation der Fehler bzw.
der Fehlerursachen und der notwendigen Maßnahmen zur Fehlerbehebung
sind somit aufwendige Diagnose- und Prüfroutinen erforderlich.
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Viele
durch fehlerhafte Komponenten verursachte Fehler treten jedoch nur
gelegentlich auf und sind während des Werkstattaufenthalts
oft nicht reproduzierbar. Infolge der zunehmenden Verteilung der
Funktionen auf verschiedene Steuergeräte wird eine eindeutige
Identifizierung von Fehlern (und somit auch der fehlerhaften Komponenten)
auch für das geschulte Fachper sonal immer schwieriger.
Somit können hohe Kosten aufgrund langer Diagnoseverfahren
entstehen und ggf. auch fälschlicherweise fehlerfreie Komponenten
ausgetauscht werden.
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Die
DE 197 42 446 B4 offenbart
ein Fehlerdiagnoseverfahren zur Erkennung fehlerhafter Komponenten
eines technischen Systems, welches sich auf die Tatsache stützt,
dass im Falle einer fehlerhaften Komponente eine fehlerrelevant
bezeichnete Prozessgröße des Systems ihren Zustand
von einem Fehlerfrei-Zustand in einem Fehlerzustand ändert. Durch
diese Zustandsänderung kann auf eine oder mehrere fehlerverdächtige
Systemkomponenten geschlossen werden. Das Diagnosemodul kann derart ausgebildet
sein, dass es die während des Diagnosevorgangs als fehlerverdächtig
ermittelten Systemkomponenten geordnet nach ihrer Ausfallwahrscheinlichkeit
anzeigt. Damit wird das Servicepersonal in die Lage versetzt, die
verschiedenen Fehlerursachen nach ihrer Ausfallwahrscheinlichkeit
zu prüfen. Eine eindeutige Identifizierung einer Fehlerursache
ist mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Fehlerdiagnoseverfahren anzugeben, welches
eine eindeutige Erkennung und Identifizierung einer fehlerhaften Systemkomponente
im Fahrzeug ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Grundgedanke
der Erfindung ist, ein Fehlerdiagnoseverfahren für eine
Fehlerdiagnose im Fahrzeug anzugeben, welches im Fehlerfall die
kleinste zu tauschende Komponente eindeutig lokalisiert bzw. identifiziert.
Damit können notwendige Instandhaltungsmaßnahmen über
eine Offboard-Diagnose ohne zusätzliche Prüfschritte
ermittelt und anschließend umgesetzt werden.
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Das
erfindungsgemäße Fehlerdiagnoseverfahren im Fahrzeug
zeichnet sich dadurch aus, dass für mindestens eine erkennbare
fehlerhafte Komponente bzw. eine erkennbare Fehlerursache eine von der
fehlerhaften Komponente aufgrund der Fehlerursache beeinflussbare
Systemgröße des Fahrzeugs (Messgröße
oder eine aus mehreren Messgrößen berechnete Größe)
ermittelt und mit einem Sollwert der Systemgröße
verglichen wird. Entspricht die Abweichung zwischen der ermittelten
tatsächlichen Systemgröße und dem Sollwert
der Systemgröße einer zuvor festgelegten und abgespeicherten
fehlercharakteristischen Signalabweichung, kann dadurch die Fehlerursache
bzw. fehlerhafte Komponente eindeutig identifiziert werden. Durch
dieses Verfahren können fehlerhafte Systemkomponenten allein
durch die bereits vorhandene Elektronik im Fahrzeug bzw. durch das
vorhandene Bordnetz identifiziert werden. Zusätzliche Sensoren
und spezielle, diagnoseoptimierte Aktuatoren werden nicht vorgesehen,
wodurch auch keine zusätzlichen Kosten entstehen. Die Identifizierung
der fehlerhaften Systemkomponenten beruht auf der Auswertung von
Systemgrößen, die bereits vorhanden sind, oder
aus vorhandenen Sensor- oder Systemgrößen ermittelt
werden können. Um eine Fehlerursache bzw. eine fehlerhafte
Komponente eindeutig identifizieren zu können, muss für jede
zu identifizierende Fehlerursache und/oder für jede zu
identifizierende fehlerhafte Komponente mindestens eine fehlercharakteristische
Signalabweichung – also eine charakteristische Änderung
zumindest einer Systemgröße – im Vorfeld
ermittelt werden und abgespeichert sein. Diese charakteristische
Signalabweichung ist für genau eine erkennbare Fehlerursache
eindeutig.
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Fehlerhafte
Komponenten gelten dann als erkennbar, wenn die Fehlerhaftigkeit
bzw. die Fehlerursache der Komponente zu einer für diesen
Fehler charakteristischen Änderung zumindest einer Systemgröße
führt. Ist die Änderung der Systemgröße bzw.
die aufgrund der fehlerhaften Systemkomponente entstandene Abweichung
der Systemgröße zu einem ermittelten Sollwert
der Systemgröße charakteristisch für
diesen Fehler, kann anhand dieser Abweichung der Systemgröße
der entsprechende Fehler eindeutig identifiziert werden.
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Vorteilhafterweise
wird der Sollwert der Systemgröße mittels eines
vorgegebenen Nominalmodells ermittelt, wobei das Nominalmodell den
Normalbetrieb der Systemkomponente wiedergibt. Als Eingangsgrößen
für das mathematische Nominalmodell werden solche Signale
und Größen herangezogen, die unabhängig
vom Vorliegen der Fehlerhaftigkeit der Systemkomponente sind.
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Anhand
nachfolgender Beschreibung wird verdeutlicht, auf welchen Überlegungen
das Fehlerdiagnoseverfahren aufbaut und wie eine eindeutige Identifizierung
einer fehlerhaften Komponente mittels dieses Verfahrens ermöglicht
wird.
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Der
gesamte Entwicklungsprozess für das erfindungsgemäße
Fehlerdiagnoseverfahren besteht im Wesentlichen aus sechs Einzelschritten,
welche sequenziell durchlaufen werden müssen.
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1. Auswahl der zu diagnostizierenden Fehler
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In
einem ersten Schritt werden die verschiedensten Komponenten des
Fahrzeugs dahingehend analysiert, dass für jede Komponente
die möglichen Fehlerursachen aufgeführt werden.
Dabei wird auch festgelegt, welche Art von Fehlern bzw. Fehlerursachen
tatsächlich als Fehler definiert werden. Bspw. könnte
bei einem Saugrohrsystem am Verbrennungsmotor ein Loch im Saugrohr
eine Fehlerursache sein. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass es
nicht ausreicht, eine qualitative Aussage über die Fehlerursache
zu treffen. Vielmehr muss gleichzeitig eine quantitative Aussage über
die Fehlerursache getroffen werden. So führt z. B. ein
Loch im Saugrohr erst ab einem Durchmesser von ca. 5 mm zu einem Fehler.
Ist das Loch kleiner, führt dies nicht zu einer Fehlreaktion
des Systems, d. h. es besteht keine Notwendigkeit in der Identifizierung
eines derartigen Lochs.
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Als
weitere Kriterien für die Definition eines Fehlers bzw.
einer Fehlerursache sind die Diagnosefähigkeit des Systems,
die Auftrittswahrscheinlichkeit und die wirtschaftliche Bedeutung
zu berücksichtigen. Bei der Diagnosefähigkeit
werden den möglichen Fehlerursachen die im Steuergerät
vorhandenen Diagnosen gegenübergestellt. Anhand dessen kann
ermittelt werden, welche Fehlerursachen bereits im bestehenden System
erkannt werden können, und welche Fehlerursachen noch nicht
abgedeckt sind. Zum Beispiel existiert in der Motorsteuerung in
der Regel noch keine Diagnosemöglichkeit, mit der ein Loch
im Saugrohr erkannt werden kann. Die in diesem Schritt ermittelten
Fehlerursachen können anschließend noch hinsichtlich
ihrer Auftrittwahrscheinlichkeit und den relevanten Kosten bewertet werden.
Ergebnis dieses Schrittes ist eine Auswahl an definierten, zu diagnostizierenden
Fehlerursachen.
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2. Strukturelle Analyse
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In
diesem Schritt wird überprüft, ob prinzipiell die
Möglichkeit einer modellbasierten Diagnostizierbarkeit
des Systems besteht. Dieser Nachweis wird über die Ermittlung
der Anzahl der im System verfügbaren analytischen Redundanzen
geführt. Analytische Redundanz ist gegeben, wenn sich eine
Variable bzw. Systemgröße auf zwei voneinander
unabhängigen Pfaden – bspw. mit Hilfe anderer
Systemgrößen – ermitteln lässt.
Somit kann ein direkter Vergleich zwischen den berechneten Ergebnissen
der Systemgrößen erfolgen. Bspw. lässt
sich der gemessene Frischluftmassenstrom des Luftmassensensors mit
dem aus dem Saugrohrdruck und dem Behältermodell berechneten
Luftmassenstrom in das Saugrohr vergleichen.
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Nach
der strukturellen Analyse ist somit eine objektive Aussage über
die Diagnostizierbarkeit der betrachteten Fehlerursachen bzw. der
fehlerhaften Komponenten möglich, d. h. es kann eine Aussage darüber
getroffen werden, ob eine modellbasierte Diagnose möglich
ist oder nicht.
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3. Erstellung eines Nominalmodells
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Im
nächsten Schritt werden für diejenigen Systemgrößen,
die für die Identifizierung einer fehlerhaften Systemkomponente
herangezogen und ausgewertet werden, sog. Nominalmodelle erstellt,
in denen der Normalbetrieb der Systemkomponente abgebildet wird.
Dies wird für die Sensitivitätsanalyse (siehe
Punkt 4.) benötigt. Als Basis für die Erstellung des
Nominalmodells kann die strukturelle Analyse dienen, in der zumindest
die notwendigen Verknüpfungen der relevanten Signale und
Systemgrößen aufgeführt sind. Gegenüber
der strukturellen Analyse ist bei der Erstellung eines Nominalmodell
notwendig, dass zusätzlich die mathematischen Zusammenhänge
bekannt sind. Die mathematischen Gleichungen und Verknüpfungen
der Signale untereinander können dann in einem Modellierungsprogramm,
wie z. B. MatLab/Simulink, abgebildet werden. Dabei ist darauf zu
achten, dass die wesentlichen Einflüsse mit abgebildet
werden und die Eingangsgrößen nicht von den zu
betrachtenden Fehlern bzw. Fehlerursachen abhängig sind.
Da ein Modell gegenüber der Realität immer nur
hinreichend genau sein kann, ist stets eine Überprüfung
des Modells dahingehend notwendig, ob ein bestimmter Effekt im Modell
berücksichtigt werden muss oder nicht.
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4. Sensitivitätsanalyse
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Bei
der Sensitivitätsanalyse werden in das System definierte
Fehlerursachen eingeprägt und deren Auswirkungen auf die
relevante Systemgröße oder die relevanten Systemgrößen
mit Hilfe des Nominalmodells betrachtet. Dadurch soll eine eindeutige
Zuordnung einer Fehlerursache bzw. einer fehlerhaften Systemkomponente
zu seiner Auswirkung im System bzw. auf die relevante Systemgröße
identifiziert werden. Um die Auswirkungen eindeutig einer Fehlerursache
zuordnen zu können, reicht es nicht aus, eine Abweichung
vom Nominalverhalten, also eine Abweichung der relevanten Systemgröße im Fehlerfall
zu erkennen. Vielmehr müssen die Änderungen in
den Systemgrößen eine Charakteristik aufweisen,
die für die Ursache eindeutig ist. Nur so ist es möglich,
eine eindeutige Aussage über eine Fehlerursache treffen
zu können. Grundlage ist hierbei, dass sich jede zu betrachtende
Fehlerursache unterschiedlich auf die einzelnen Systemgrößen
auswirkt und dabei eine eigene Charakteristik aufweist. Wenn z.
B. der Druckdifferenzsensor im Saugrohr eine Drift des Messwertes
als Systemgröße vom Sollwert des Messwerts aufweist,
kann das einerseits an einer Veränderung der Membran liegen,
und andererseits an einem kleinen Loch im Saugrohr. Der betrachtete Messwert
des Sensors verhält sich also bei beiden Fehlerursachen
gleich, wodurch eine eindeutige Identifizierung bei erkannter Drift
des Messwertes nicht möglich ist. Es wäre jedoch
möglich, zusätzlich zum Messwert des Druckdifferenzsensors
eine weitere Systemgröße mit der Sollgröße
zu vergleichen, und aufgrund der Abweichung beider tatsächlichen Systemgröße
von den mittels Nominalmodell berechneten Sollwerten der Systemgröße
eine charakteristische Abweichung zu ermitteln und somit eine eindeutige
Bestimmung der Fehlerursachen zu ermöglichen. Alternativ
könnte auch die charakteristische Abweichung einer alternativen
Größe herangezogen werden.
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5. Erstellung der Fehlermodelle
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Nachdem
in den vorangegangenen Schritten die Auswirkungen der Fehlerursache
auf das System erarbeitet wurden, wird im nächsten Schritt
das Wissen über die Auswirkung in einer Referenzquelle
onboard im Fahrzeug gespeichert. Anhand dieser Referenzquelle kann
zu jedem für die Diagnose gültigen Zeitpunkt eine
Aussage darüber getroffen werden, ob diese Fehlerursache
vorliegt oder nicht. Die Art der Referenzquelle kann in Abhängigkeit
von der gewählten Diagnosemethode gewählt werden.
So werden bei der qualitativen modellbasierten Diagnose Fehlermodelle
genutzt, die das Verhalten des fehlerhaften Systems abbilden. Ist
das Verhalten des Systems mit dem Fehlermodell kongruent, ist die
Fehlerursache eindeutig identifizierbar.
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Im
Gegensatz zur qualitativen modellbasierten Diagnose wird bei der
quantitativen modellbasierten Diagnose mit Hilfe des Nominalmodells
eine charakteristische Abweichung des Systems erkannt. Diese Abweichung
ist eine Differenz, die aus einer charakteristischen Größe
des Systems (z. B. Sensorwert) und dem korrespondierenden Wert des
Nominalmodells – auch Residuum genannt – gebildet
wird.
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6. Integration in ein Diagnosesystem
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Abschließend
erfolgt die Überführung des entwickelten Diagnoseverfahrens
auf das entsprechende Zielsteuergerät im Fahrzeug. Diese Überführung
kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Zum Beispiel kann der entwickelte
Algorithmus direkt in einen für das Steuergerät
lesbaren Code übertragen werden. Eine andere Möglichkeit
stellt der Export aus einem Berechnungsprogramm wie z. B. MatLab/Simulink,
und Einbindung des Exports in die Steuergeräte-Software
dar.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Onboard-Fehlerdiagnoseverfahrens
liegt darin, dass bei auftretenden Fehlern die Fehlerursache bis
zur kleinsten austauschbaren Einheit „onboard” erkennbar
ist und durch einen Eintrag in einen dafür vorgesehenen
Fehlerspeicher für das Servicepersonal schnell zugänglich
ist. Auf Basis des Speichereintrags kann direkt und eindeutig auf
die defekte Komponente geschlossen werden. Somit können
die hohen Gewährleistungskosten und die Instandsetzungswiederholungen
entscheidend reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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