DE102009059137A1 - Diagnostic method for on-board determination of wear state of fuel cell system in motor vehicle, involves using values and measuring values from operating region, which comprises reduced model accuracy, for adaptation of model parameter - Google Patents

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Abstract

The method involves calculating an output value (Ym) from an input value (u) by a behavior model (4), and determining model accuracy by comparison of the values with real measurement values of a component. Continuous adaptation of a model parameter is performed. The components are used for adaptation of model parameter values and the measuring values from a predefined working region, which is divided into multiple operating regions. The values and the measuring values from one of the operating regions comprising reduced model accuracy are used for adaptation of the model parameter.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur bordseitigen Bestimmung eines Verschleißzustandes eines aus mehreren Komponenten bestehenden Systems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, in einem Kraftfahrzeug.The The present invention relates to an on-board diagnostic method Determining a state of wear of one of several Components of existing system, in particular a fuel cell system, in a motor vehicle.

Aus der DE 10 2005 020 821 A1 ist ein Verfahren zur vereinfachten Echtzeitdiagnose unter Verwendung adaptiver Modellierung bekannt. Dabei ist ein solches Verfahren zur bordeigenen Echtzeitdiagnose eines mobilen technischen Systems mit einer adaptiven Technik ausgestattet, um die beim mobilen Einsatz des technischen Systems auftretenden sogenannten Vermengungsvariablen, wie zum Beispiel eine Außentemperatur, soweit zu berücksichtigen, dass aufgrund der während des mobilen Einsatz gewonnenen nicht stationären Daten ein Vergleich mit stationär, z. B. im Prüfstand ermittelten Kennlinien möglich wird, da dadurch der Einfluss der Vermengungsvariablen berücksichtigt werden kann.From the DE 10 2005 020 821 A1 For example, a method for simplified real-time diagnostics using adaptive modeling is known. In this case, such a method for on-board real-time diagnosis of a mobile technical system is equipped with an adaptive technology in order to take into account the so-called mixing variables occurring during mobile use of the technical system, such as an outside temperature, to such an extent that due to the non-stationary ones obtained during mobile use Data comparison with stationary, z. B. determined in the test bench characteristics is possible, since thereby the influence of the mixing variables can be considered.

Bei einem Diagnoseverfahren zum bordseitigen bzw. mobilen Einsatz an Systemen ist die Verwendung eines Modells des jeweiligen Systems gewünscht, das den Gesetzmäßigkeiten der Naturgesetze möglichst genau entspricht. Solche den Naturgesetzen folgenden Modelle erreichen eine hohe Genauigkeit, jedoch auch eine ebenso hohe Komplexität, so dass die Eignung solcher exakten Modelle aufgrund der begrenzten Rechnerressourcen z. B. in Kraftfahrzeugen für den mobilen bzw. bordseitigen Einsatz nicht gegeben ist. Alternativ dazu lässt sich ein solches rechenintensives Verfahren basierend auf einem exakten Modell zur Zustandsbestimmung von Komponenten eines Systems durch Vermessung auf einen Prüfstand stationär durchführen. Jedoch ist eine solche Vermessung auf einem Prüfstand nicht nur aufgrund der notwendigen Rechnerkapazität teuer und aufwendig, sondern kann auch bei sehr hohen Systemstückzahlen, wie z. B. bei einem Fuhrpark, hohe Kosten verursachen. Im Gegensatz dazu kann bei mobiler Eignung eines solchen Diagnoseverfahrens auf eine Vermessung in einem Prüfstand gegebenenfalls verzichtet werden, so dass der Aufwand und die Kosten bezüglich der Diagnose des Verschleißzustandes von Komponenten eines Systems deutlich verringert werden kann.at a diagnostic method for on-board or mobile use Systems is the use of a model of each system desired, that the laws the laws of nature as closely as possible. Such the Natural laws following models achieve high accuracy, however, it also has an equally high complexity, so the suitability such exact models due to the limited computational resources z. B. in motor vehicles for mobile or on-board use is not given. Alternatively, such can be computationally intensive process based on an exact model for Determining the state of components of a system by surveying perform a stationary test bench. However, such a survey on a test bench is not only due to the necessary computer capacity expensive and expensive, but can even with very high system quantities, such as z. B. in a fleet, high costs. In contrast this may be due to mobile suitability of such a diagnostic procedure a measurement in a test stand possibly omitted so that the effort and costs regarding the Diagnosis of the wear condition of components of a System can be significantly reduced.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Diagnoseverfahren zur bordseitigen Bestimmung eines Verschleißzustandes eines aus mehreren Komponenten bestehenden Systems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine hohe Genauigkeit des Diagnoseverfahrens bei reduzierter aber dennoch ausreichender Komplexität eines dem Diagnoseverfahren zugrundeliegenden Modells auszeichnet.The The present invention addresses the problem of for a diagnostic method for onboard determination of a Wear state of a multi-component system, in particular a fuel cell system in a motor vehicle, an improved or at least another embodiment Specifically, due to the high accuracy of the Diagnostic procedure with reduced but sufficient complexity of a model underlying the diagnostic procedure.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention this problem by the subject-matter of the independent claim solved. Advantageous embodiments are the subject the dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Diagnoseverfahren zur bordseitigen Bestimmung eines Verschleißzustandes eines aus mehreren Komponenten bestehenden Systems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, insbesondere für den mobilen Einsatz, für jede Komponente ein parametrisiertes, aus einem theoretisch exakten und einem empirisch angenäherten Teilmodell bestehendes Verhaltensmodell zu verwenden, das empirische oder physikalisch interpretierbare Modellparameter aufweist, wobei zur Adaption dieser Modellparameter mittels eines Parameterschätzverfahren durch das Verhaltensmodell berechnete Werte und reale Messwerte aus einem vordefinierten in mehrere Betriebsbereiche unterteilten Arbeitsbereich der Komponente verwendet werden und wobei ebenfalls zur Adaption der Modellparameter bevorzugt diejenigen Werte und Messwerte verwendet werden, die aus einem Betriebsbereich stammen, der eine geringe Modellgenauigkeit aufweist. Durch Ersetzen vor allem der komplexen Teilbereiche des theoretisch exakten Verhaltensmodells durch ein empirisch angenähertes Teilmodell, lässt sich die Komplexität des Verhaltensmodells reduzieren, so dass ebenfalls die zur Verarbeitung notwendige Rechnerkapazität verringert werden kann. Gleichzeitig kann aber eine ausreichend hohe Genauigkeit unter anderem durch weitere Maßnahmen sichergestellt werden.The The invention is based on the general idea in a diagnostic procedure for on-board determination of a state of wear of a multi-component system, in particular one Fuel cell system in a vehicle, in particular for mobile use, a parameterized one for each component a theoretically exact and an empirically approximated Partial model to use existing behavioral model, the empirical or physically interpretable model parameters, wherein for adapting these model parameters by means of a parameter estimation method values calculated by the behavioral model and real measurements a predefined work area divided into several operating areas the component can be used and where also for adaptation the model parameter preferably uses those values and measured values that come from an operating area that has a low Model accuracy has. By replacing especially the complex Subareas of the theoretically exact behavioral model by a empirically approximated partial model, can be reduce the complexity of the behavioral model, so that likewise the computer capacity necessary for the processing can be reduced. At the same time, however, a sufficiently high Accuracy among other things ensured by further measures become.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, einen vordefinierten Arbeitsbereich zu betrachten. Dadurch kann verhindert werden, dass außergewöhnliche Betriebszustände, wie zum Beispiel ein Systemstart eines Brennstoffzellensystems, die Adaption der Modellparameter negativ beeinflussen. Da in solchen außergewöhnlichen Betriebszuständen meist große Schwankungen und Nichtreproduzierbarkeiten auftauchen, erscheint eine Adaption des Verhaltensmodells für solche außergewöhnlichen Betriebszustände nicht sinnvoll. Somit umfasst der vordefinierte Arbeitsbereich lediglich diejenigen Betriebsbereiche, für die eine Aufstellung eines Verhaltensmodells überhaupt sinnvoll möglich ist. Zur Adaption der Modellparameter des Verhaltensmodells werden somit nur Messwerte und Werte verwendet, die aus diesem Arbeitsbereich stammen. Durch diese Maßnahme lassen sich sowohl die notwendige Rechnerkapazität verringern als auch die Genauigkeit des Diagnoseverfahrens erhöhen.Of Furthermore, it is advantageous to have a predefined workspace consider. This can prevent that extraordinary Operating conditions, such as a system start of a fuel cell system, adversely affect the adaptation of the model parameters. Because in such unusual operating conditions mostly large fluctuations and non-reproducibility arise, appears an adaptation of the behavioral model for such unusual operating conditions not meaningful. Thus, the predefined workspace includes only those operating areas for which a list of a Behavioral model makes sense at all possible. For adaptation of the model parameters of the behavioral model are thus only Measurements and values used in this workspace are used. By this measure, both the necessary Reduce computer capacity as well as the accuracy of the Increase diagnostic procedure.

Des Weiteren ist ein solcher Arbeitsbereich in mehrere Betriebsbereiche unterteilbar. Dabei unterscheidet man zwischen Betriebsbereichen, in denen die Modellgenauigkeit relativ hoch ist und Betriebsbereichen, in denen die Modellgenauigkeit sehr gering ist. Bevorzugt werden Werte und Messwerte aus Betriebsbereichen erhoben, die zum Betrachtungszeitpunkt eine sehr geringe Modellgenauigkeit aufweisen. Vorteilhaft an der Verwendung von Messwerten aus Betriebsbereichen geringerer Modellgenauigkeit ist eine weitere Reduktion der notwendigen Rechnerkapazität, da das Diagnoseverfahren nicht mit der Verarbeitung von Daten aus Betriebsbereichen beschäftigt wird, für die sowieso schon eine hohe Modellgenauigkeit besteht. Dadurch kann das Diagnoseverfahren entlastet werden und auf die Betriebsbereiche konzentriert werden, für die eine hohe Unsicherheit bezüglich der Modellgenauigkeit besteht.Furthermore, such a workspace can be subdivided into several operating areas. A distinction is made between operating areas in which the model accuracy is relatively high and operating areas in which the model accuracy is very low. Values and measured values are preferably collected from operating areas which have a very low model accuracy at the time of the observation. An advantage of the use of measured values from operating areas of lower model accuracy is a further reduction of the necessary computer capacity, since the diagnostic method is not concerned with the processing of data from operating areas, for which there is already a high degree of model accuracy. This can relieve the burden of the diagnostic process and focus on those operating areas that are highly uncertain of model accuracy.

Um ein Verhaltensmodell zu erhalten, das bei einer ausreichend hoher Genauigkeit eine reduzierte Komplexität und somit einen geringen Bedarf an Rechnerressourcen aufweist, kann man im ersten Schritt auf Basis der Gesetzmäßigkeiten der Naturgesetze ein physikalisches Modell für die jeweilige Komponente herleiten. Ein solches Modell erreicht eine sehr hohe Genauigkeit, jedoch eine ebenso sehr hohe Komplexität, so dass die Eignung für Berechnungen im mobilen Einsatz aufgrund begrenzter Rechnerkapazitäten nicht gegeben ist. Durch Ersetzen komplexer rechenintensiver Modellabschnitte durch empirisch ermittelte Teilmodelle entsteht ein aus einem theoretisch exakten und einem empirisch angenäherten Teilmodell bestehendes Verhaltensmodel der jeweiligen Komponente. In diesem Verhaltensmodell ist die Modellkomplexität soweit verringert, dass sowohl eine ausreichende hohe Genauigkeit als auch eine reduzierte Komplexität erreicht wird. Ein solches Diagnoseverfahren mit einem solchen Verhaltensmodell ist für den mobilen Einsatz aufgrund der reduzierten Rechnerkapazität hervorragend geeignet.Around to obtain a behavioral model that is sufficiently high Accuracy a reduced complexity and thus a low demand for computer resources, you can in the first step based on the laws of natural laws a physical model for each component derived. Such a model achieves very high accuracy, however, an equally high level of complexity, so the suitability for calculations in mobile use due to limited computer capacity is not given. By replacing complex compute-intensive model sections by empirically determined partial models arises from a theoretical one exact and an empirically approximated submodel existing Behavioral model of the respective component. In this behavioral model model complexity is reduced so much that both sufficient accuracy as well as reduced complexity is reached. Such a diagnostic method with such a behavioral model is for mobile use due to the reduced computer capacity excellent.

Des Weiteren können zur Berücksichtigung dynamischer Effekte der Komponente eben diese dynamischen Effekte empirisch aus Messdaten ermittelt werden und als Korrekturglied dem statischen Modell vorgeschaltet werden. Demnach ergibt sich ein gesamtes Verhaltensmodell in Art eines Wiener Modells, eine spezielle Modellform für nicht lineare dynamische Systeme mit einem dynamischen linearen Anteil und einem statischen nicht linearen Anteil. Als Modellparameter eines solchen kombinierten Verhaltensmodells wählt man bevorzugt Modellparameter, aus denen sich physikalische und/oder chemische, insbesondere verschleißrelevante, Eigenschaften der Komponente herleiten lassen, so dass durch den gesamten derzeit gültigen Satz an Modellparametern jederzeit auf den Betriebszustand bzw. Verschleißzustand der Komponente rückgeschlossen werden kann. Dadurch kann im mobilen Einsatz des Systems der jeweilige Komponentenzustand zu jedem Zeitpunkt abgerufen werden, so dass zum Beispiel rechtzeitig Wartungsmaßnahmen eingeleitet werden können, eine aufwendige Vermessung auf dem Prüfstand entfallen oder die Betriebsstrategie an den jeweiligen Verschleißzustand bzw. Betriebszustand der Komponente angepasst werden kann. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines solchen Verhaltensmodells bei einem mobilen Diagnoseverfahren ist der Wegfall einer komponenten-individuellen Parametrisierung innerhalb eines Systems aus mehreren Komponenten, so dass ein solches Diagnoseverfahren besonders für hohe Komponentenstückzahlen bzw. Systemstückzahlen geeignet ist.Of Further, to account for dynamic Effects of the component just these dynamic effects empirically be determined from measured data and as a correction element the static model upstream. This results in an entire behavioral model in the style of a Viennese model, a special model for non-linear dynamic systems with a dynamic linear Share and a static non-linear share. As a model parameter one chooses such a combined behavioral model prefers model parameters that make up physical and / or chemical, in particular wear-relevant, properties Derive the component, so that through the entire current valid set of model parameters at any time on the operating condition or state of wear of the component are inferred can. Thus, in mobile use of the system of the respective Component status can be retrieved at any time, so that For example, timely maintenance actions are initiated can, a costly measurement on the test bench omitted or the operating strategy to the respective state of wear or operating state of the component can be adjusted. Another Advantage of using such a behavioral model in one Mobile diagnostic procedure is the elimination of a component-individual parameterization within a system of multiple components, so that one Diagnostic procedures especially for high component quantities or system quantities is suitable.

Zur kontinuierlichen Adaption der Modellparameter wird aus zumindest einem Eingangswert mittels des Verhaltensmodells zumindest ein im realen System messbarer Ausgangswert berechnet. Zu diesen Werten werden die jeweils realen Messwerte der Komponente bestimmt. Durch Vergleich der berechneten Werte mit den Messwerten lässt sich die Abweichung der durch das Verhaltensmodell berechneten Werte von dem tatsächlichen Zustand der realen Komponente wiedergebenden Messwerte als Modellgenauigkeit definieren. Diese Modellgenauigkeit kann in der prozentualen Abweichung des Modellwertes vom gemessenen Messwert angegeben werden.to continuous adaptation of the model parameters will be out at least an input value by means of the behavioral model at least one in real system measurable output value calculated. To these values the respective real measured values of the component are determined. By Comparison of the calculated values with the measured values leaves the deviation of the values calculated by the behavioral model from the actual state of the real component Defining measured values as model accuracy. This model accuracy can in the percentage deviation of the model value from the measured value be specified.

Da auch aus mehreren Eingangswerten jeweils mehrere Ausgangswerte mittels des Verhaltensmodells berechnet werden können, sind zu jedem Eingangswert bzw. Ausgangswert auch die jeweiligen Messwerte bezüglich der Komponente zu bestimmen. Dies führt mathematisch ausgedrückt zu einem Quadrupel von n-Tupeln. In einem solchen mehrdimensionalen System ist die Modellgenauigkeit durch die Abweichung des n-Tupels der über das Verhaltensmodell berechneten Ausgangswerte zu dem n-Tupel der dazugehörigen realen Messwerte gegeben. Da bei der Erhebung von realen Messwerten immer auch ein Messwertrauschen auftritt, kann je nach Größe des Messwertrauschens und der Genauigkeitsanforderung zum Beispiel ein stochastischer Minimum-Varianz-Schätzer (Kalman Filter) oder ein biss-eliminierendes Least-Square-Verfahren zur Rauschunterdrückung eingesetzt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sowohl die zu den Eingangswerten gehörigen als auch die zu den Ausgangswerten gehörigen Messwerte mit einem Messwertrauschen beaufschlagt sein können, so dass gegebenenfalls für alle n-Tupel der Messwerte eine solche Rauschunterdrückung durchgeführt werden muss.There also from several input values in each case several output values by means of of the behavioral model are too each input value or output value also the respective measured values with respect to the component. this leads to mathematically expressed as a quadruple of n-tuples. In such a multi-dimensional system is the model accuracy by the deviation of the n-tuple of the behavioral model calculated initial values to the n-tuple of the associated given real measured values. As in the collection of real metrics always a measured value noise can occur, depending on the size the measurement noise and the accuracy requirement for example a stochastic minimum variance estimator (Kalman filter) or a bite-eliminating least-square method for noise reduction be used. It should be noted that both those belonging to the input values as well as to the Output values belonging to measured values with a measured value noise can be applied, so if necessary for all n-tuples of the measurements such noise reduction must be performed.

Des Weiteren ist in einem solchen Diagnoseverfahren mit einem solchen Verhaltensmodell eine Komponentenstreuung schon berücksichtigt, so dass eine komponenten-individuelle Anpassungen bei einem solchen Diagnoseverfahren nicht durchgeführt werden müssen.Furthermore, such a behavioral model already takes account of component scattering in such a diagnostic method, so that a component-individual adjustments in such a diagnostic method need not be performed.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the Subclaims, from the drawings and from the associated Description of the figures with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in each case specified combination, but also in other combinations or can be used in isolation, without the scope of the present To leave invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.preferred Embodiments of the invention are in the drawings and will become more apparent in the following description explained, wherein the same reference numerals to the same or similar or functionally identical components relate.

Es zeigen, jeweils schematisch,It show, in each case schematically,

1 das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren einschließlich der Abläufe und Ergebnisse eines Adaptionsschrittes, 1 the diagnostic method according to the invention, including the sequences and results of an adaptation step,

2 einen Ablauf des Diagnoseverfahrens einschließlich der Datenflüsse in Art eines Fließschematas. 2 a sequence of the diagnostic procedure including the data flows in the manner of a flowchart.

Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Diagnoseverfahren 1 im Wesentlichen ein Teilverfahren 2 zur Berücksichtigung des Messwertrauschens, ein Adaptionsverfahren 3 zum Anpassen der Modellparameter, ein Verhaltensmodell 4 zur Berechnung zumindest eines Ausgangswertes ym aus einem Eingangswert u, ein Diagnosekontrolle/Fehlererkennung 5 und ein Messverfahren 6 zur Vermessung der Messwerte u, yk. Des Weiteren ist das Diagnoseverfahren mit einer Abweichungsbestimmung 7 ausgestattet, die die Abweichung e zwischen dem Messwert yk und dem errechneten Ausgangswert ym ermittelt. Dabei ist in der Abweichung e durch das Teilverfahren 2 des Messwertrauschens das Messwertrauschen berücksichtigt.As in 1 illustrated includes a diagnostic method 1 essentially a sub-procedure 2 to take account of measured value noise, an adaptation method 3 for adjusting the model parameters, a behavioral model 4 for calculating at least one output value y m from an input value u, a diagnostic check / error detection 5 and a measuring method 6 to measure the measured values u, y k . Furthermore, the diagnostic method with a deviation determination 7 equipped, which determines the deviation e between the measured value y k and the calculated output value y m . In this case, deviation e is the subprocedure 2 the measured value noise takes into account the measured value noise.

Das Adaptionsverfahren 3 weist im Wesentlichen einen Schritt der Modellfehlererkennung 8 und einen Schritt der Modellanpassung 9 auf. Nach erfolgter Modellanpassung 9 ist in der Regel ein gültiger Parametersatz 10 ermittelt, aus dem ein dementsprechend angepasstes Verhaltensmodell 4 resultiert. Des Weiteren kann aufgrund des Parametersatzes eine Kennlinie 11 ermittelt werden. Aus dem Parametersatz selbst bzw. aus der Kennlinie 11 kann, da die Modellparameter den tatsächlichen Zustand der jeweiligen Komponente widerspiegeln, ein Verschleißzustand 12 und eine Restlebensdauer 13 gegebenenfalls unter Zuhilfenahme historischer Daten ermittelt werden. Durch das Adaptionsverfahren 3 werden die Modellparameter kontinuierlich derart angepasst, dass die Abweichung zwischen dem realen Messwert yk der Komponente und dem berechneten Ausgangswert ym minimiert wird. Dadurch wird erreicht, dass das Verhaltensmodell 4 zu jedem Zeitpunkt an das reale Verhalten der Komponente angelehnt ist und der Unterschied zwischen Modell und Komponente weitestgehend minimiert ist. Da das Verhaltensmodell 4 und dessen Modellparameter auf den physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Fahrzeugkomponente aufbauen, sind die ermittelten Modelparameter sowohl für das Verhaltensmodell 4 als auch für die Komponente gültig. Dadurch gelingt es aufgrund des gültigen Parametersatzes eine Aussage über den Verschleißzustand bzw. den Betriebszustand der Komponente zu generieren.The adaptation method 3 essentially has a step of model error detection 8th and a step of model matching 9 on. After model adaptation 9 is usually a valid parameter set 10 determines from which a correspondingly adapted behavioral model 4 results. Furthermore, due to the parameter set, a characteristic curve 11 be determined. From the parameter set itself or from the characteristic curve 11 Because the model parameters reflect the actual state of the particular component, it can become a wear state 12 and a remaining life 13 possibly with the help of historical data. Through the adaptation process 3 the model parameters are continuously adjusted so that the deviation between the real measured value y k of the component and the calculated output value y m is minimized. This will achieve that behavioral model 4 At all times the real behavior of the component is based and the difference between model and component is minimized as much as possible. Because the behavioral model 4 and whose model parameters are based on the physical and / or chemical properties of the vehicle component, are the determined model parameters for both the behavioral model 4 as well as for the component. This makes it possible to generate a statement about the state of wear or the operating state of the component due to the valid parameter set.

Die Abweichung e findet sowohl Eingang in das Adaptionsverfahren 3 als auch in die Diagnosekontrolle/Fehlererkennung 5, die aufgrund der Abweichung e ebenfalls Steuersignale an das Adaptionsverfahren 3 übergibt. Aufgrund des Adaptionsverfahrens 3 findet ein wie schon oben beschriebene Anpassung des Verhaltensmodells 4 statt. Das Adaptionsverfahren 3 wird derart ausgewählt, dass es ein nachlassendes Gedächtnis zur Verfolgung eines schleichenden Modellparameterdrifts aufweist. Zudem ist es aufgrund des Teilverfahrens 2 robust gegenüber verrauschten Eingangssignalen. Des Weiteren wird ein Konfidenzintervall zur Signifikanzbewertung der Modellparameter bereitgestellt und es ist durch rekursive Schätzung der Modellparameter für den mobilen Einsatz tauglich.The deviation e is both included in the adaptation process 3 as well as in the diagnostic control / error detection 5 , which due to the deviation e also control signals to the adaptation method 3 passes. Due to the adaptation process 3 finds an adaptation of the behavioral model as described above 4 instead of. The adaptation method 3 is chosen such that it has a diminishing memory for tracking a creeping model parameter drift. It is also due to the sub-procedure 2 robust against noisy input signals. Furthermore, a confidence interval is provided for significance evaluation of the model parameters, and it is fit for purpose for mobile use by recursive estimation of the model parameters.

Gemäß der 2 wird in einem ersten Schritt 14 des Diagnoseverfahrens 1 ein neuer Messdatensatz vom Fahrzeugbus gelesen. In einem ersten Filter 15 wird überprüft, ob das System im gültigen Arbeitsbereich liegt, unter Zuhilfenahme der vorbestimmten Grenzen 16 des gültigen Arbeitsbereiches. Liegt das System nicht im gültigen Arbeitsbereich, so wird ein neuer Messdatensatz eingelesen. Falls es im gültigen Arbeitsbereich liegt, wird in einem Prädiktionsschritt 17 mittels des Komponentenmodells zumindest ein Ausgangswert ym errechnet. Unter Zuhilfenahme der Schwellwertberechnung 18 wird eine Abweichungsbewertung 19 durchgeführt. Gegebenenfalls wird, wenn notwendig, eine Fehlerbehandlung 20 eingeleitet. Im einem zweiten Filter 21 wird aufgrund eines Maßes 22 der aktuellen Modellgenauigkeit beurteilt, ob der Datensatz zur Erhöhung der Modellgenauigkeit beiträgt. Erhöht der Datensatz die Modellgenauigkeit nicht, so wird ein der aktuelle Messdatensatz verworfen. Erhöht der Datensatz die Modellgenauigkeit, so werden in einem nachfolgenden Korrekturschritt 23 ein Auswerten des Modellfehlers und eine Korrektur der Modellparameter vorgenommen.According to the 2 will be in a first step 14 of the diagnostic procedure 1 read a new measurement data record from the vehicle bus. In a first filter 15 a check is made as to whether the system is within the valid working range, with the aid of the predetermined limits 16 the valid work area. If the system is not in the valid workspace, a new measurement data record is read. If it is in the valid workspace, it will be in a prediction step 17 calculated by means of the component model at least one output value y m . Using the threshold value calculation 18 becomes a deviation score 19 carried out. If necessary, an error treatment is performed if necessary 20 initiated. In a second filter 21 is due to a measure 22 the current model accuracy judges whether the data set contributes to increasing model accuracy. If the dataset does not increase the model accuracy, then the current dataset is discarded. If the data set increases the model accuracy, then in a subsequent correction step 23 an evaluation of the model error lers and a correction of the model parameters.

In einem nachfolgenden Aktualisierungsschritt 24 wird sowohl das Maß 22 der aktuellen Modellgenauigkeit, die Schwellwertberechnung 18 und die Grenzen 16 des gültigen Arbeitsbereiches aktualisiert. In einem weiteren Überprüfungsschritt 25 wird überprüft, ob sich die Modellparameter zum letzten Zyklus verändert haben. Ist dies der Fall, so werden im Wesentlichen drei Aktionen durchgeführt, während im Falle unveränderter Modellparameter ein neuer Datensatz vom Fahrzeugbus eingelesen wird. Eine erste Aktion 26 führt zu einem Speichern der Modellparameter, wobei in dieser Aktion auch eine Verfolgung des Modellparameterdrifts durchgeführt wird. Dabei ist ein Verschleiß der Komponente und die damit verbundene Änderung der komponenten-internen Parameter direkt aus der Betrachtung der Gradienten der Modellparameter ersichtlich. Um den Komponentenverschleiß zu verfolgen, werden die Modellparameter nach jeder Anpassung auf eine Änderung überprüft. Wird eine Abweichung zu vergangenen Parametern festgestellt, so werden die neu ermittelten Modellparameter gespeichert und aus diesen ein neuer Verschleißindex mittels der zweiten Aktion 27 berechnet. Dabei kann der Verschleißindex aus einem einzigen Parameter bestehen bzw. hergeleitet sein, wie z. B. dem Innenwiderstand einer Brennstoffzelle oder er kann eine Kombination aus mehreren Parametern bzw. eine Herleitung aus einer Kombination von mehreren Parametern darstellen.In a subsequent update step 24 is both the measure 22 the current model accuracy, the threshold value calculation 18 and the limits 16 Updated the valid workspace. In another verification step 25 Checks whether the model parameters have changed to the last cycle. If this is the case, essentially three actions are carried out, while in the case of unchanged model parameters, a new data record is read from the vehicle bus. A first action 26 results in a saving of the model parameters, whereby a tracking of the model parameter drift is also performed in this action. In this case, a wear of the component and the associated change in the component-internal parameters directly from the consideration of the gradients of the model parameters can be seen. To track component wear, the model parameters are checked for a change after each adjustment. If a deviation to past parameters is detected, then the newly determined model parameters are stored and from these a new wear index by means of the second action 27 calculated. In this case, the wear index consist of a single parameter or derived, such. B. the internal resistance of a fuel cell or it may represent a combination of several parameters or a derivation of a combination of several parameters.

In einer dritten Aktion wird aus den ermittelten Modellparametern unmittelbar eine Kennlinie 11 der Komponente erzeugt. Dabei wird über das parametrisierte Verhaltensmodell 4 mit Hilfe zuvor gewählter Stützstellen der jeweilige zugehörige Ausgangswert ym berechnet. Dadurch ist durch eine geeignete Auswahl an Stützstellen der Eingangswert u über die dementsprechende Kennlinie 11 in beliebigen Bereichen rekonstruierbar und darüber hinaus deren Abhängigkeit von anderen Einganswerten u' darstellbar. Diese Information gleicht dem Ergebnis einer statischen Vermessung der I-U-Kennlinie auf einem Prüfstand, die durch diese Vorgehensweise ersetzt werden kann. Des Weiteren kann die Kennlinie direkt in die Regel- und Betriebsstrategie der Komponente einfließen.In a third action, the determined model parameters immediately become a characteristic curve 11 the component is generated. It is about the parameterized behavioral model 4 with the aid of previously selected interpolation points, the respective associated output value y m is calculated. As a result, by a suitable selection of nodes of the input value u on the corresponding characteristic 11 can be reconstructed in arbitrary ranges and moreover its dependency on other input values u 'can be represented. This information is similar to the result of a static measurement of the IU characteristic on a test bench, which can be replaced by this procedure. Furthermore, the characteristic can be incorporated directly into the control and operating strategy of the component.

Des Weiteren kann die Adaption des Verhaltensmodells 4 zur Verfolgung des Komponentenverschleißes herangezogen werden, da die Adaption mit einer gewissen Trägheit den Veränderungen der realen Komponente folgt. Somit können schnelle Verhaltensänderungen, die außerhalb der erwarteten Dynamik der verschleißbedingten Verhaltensänderungen der Komponente liegen, durch die Auswertung der Abweichung e über die Bewertung 19 erkannt werden. Hierzu wird mit jedem ersten Schritt 14, bei dem ein neuer Messdatensatz vom Fahrzeugbus eingelesen wird, die Abweichung e ausgewertet und mit einem aus der Schwellwertberechnung 18 resultierenden Schwellwert verglichen. Wird der Schwellwert erreicht oder überschritten, so liegt das Komponentenverhalten außerhalb des Nominalverhaltens und eine entsprechende Fehlerbehandlung kann eingeleitet werden. Durch die Verfolgung der Modellgenauigkeit über das Genauigkeitsmaß kann dieser Schwellwert an die Modellgenauigkeit angepasst werden, um sowohl eine hohe Robustheit als auch eine hohe Empfindlichkeit des Diagnoseverfahrens 1 zu erreichen.Furthermore, the adaptation of the behavioral model 4 be used to track the component wear, since the adaptation with a certain inertia follows the changes of the real component. Thus, rapid behavioral changes that are outside the expected dynamics of the component's wear-related behavioral changes can be evaluated by evaluating the deviation e over the score 19 be recognized. This is done with every first step 14 , in which a new measured data record is read in by the vehicle bus, the deviation e is evaluated and with one from the threshold value calculation 18 resulting threshold value compared. If the threshold value is reached or exceeded, the component behavior is outside the nominal behavior and a corresponding error treatment can be initiated. By tracking the model accuracy over the accuracy measure, this threshold can be adapted to the model accuracy to provide both high robustness and high sensitivity of the diagnostic procedure 1 to reach.

Ein solches Diagnoseverfahren 1 ist zum Beispiel für ein Brennstoffzellensystem, das als Komponenten mehrere Brennstoffzellen aufweist, einsetzbar. Des Weiteren ist es aber auch zum Beispiel bei einem Fuhrpark einsetzbar, wobei der Fuhrpark das System mit mehreren Fahrzeugen als Komponenten darstellt. Im Falle eines Brennstoffzellensystems oder eines Fuhrparks mit mehreren ein Brennstoffzellensystem aufweisenden Fahrzeugen kann als zumindest ein Eingangswert die Stromstärke einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellensystems so wie die Temperatur verwendet werden, wobei als Ausgangswert die Spannung des Brennstoffzellensystems bzw. der Brennstoffzelle bestimmt werden kann. Dementsprechend wird als Kennlinie 11 eine Stromspannungskennlinie durch das Diagnoseverfahren 1 ermittelt. Dabei kann ein solches für Brennstoffzellen geeignetes Diagnoseverfahren 1 einen Modellparameter aufweisen, der zum Beispiel gegebenenfalls zusammen mit anderen Parametern den Innenwiderstand der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems wiedergibt. Dabei könnte ausgehend von der physikalischen und/oder chemisch exakten Beschreibung der Brennstoffzelle und des Brennstoffzellensystems durch empirisch ermittelte Näherungen und Verknüpfung von Modellparametern mit verschleißrelevanten Eigenschaften der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems ein erfindungsgemäßes Verhaltensmodell 4 hergeleitet werden.Such a diagnostic procedure 1 For example, it is applicable to a fuel cell system having a plurality of fuel cells as components. Furthermore, it can also be used, for example, in a vehicle fleet, wherein the vehicle fleet represents the system with several vehicles as components. In the case of a fuel cell system or a vehicle fleet having multiple vehicles having a fuel cell system, the current of a fuel cell or a fuel cell system as the temperature may be used as at least one input value, wherein the output of the voltage of the fuel cell system or the fuel cell can be determined. Accordingly, as a characteristic 11 a current-voltage characteristic through the diagnostic process 1 determined. In this case, such a fuel cell suitable diagnostic method 1 have a model parameter, for example, where appropriate, together with other parameters, the internal resistance of the fuel cell or the fuel cell system reproduces. Starting from the physical and / or chemically exact description of the fuel cell and the fuel cell system, an inventive behavioral model could be based on empirically determined approximations and connection of model parameters with wear-relevant properties of the fuel cell or the fuel cell system 4 be derived.

11
Diagnoseverfahrendiagnostic procedures
22
Teilverfahren Messwertrauschenindexing method Measurement noise
33
Adaptionsverfahrenadaptation method
44
Verhaltensmodellmodel behavior
55
Diagnosekontrolle/FehlererkennungDiagnostic control / fault detection
66
Messverfahrenmeasurement methods
77
Abweichungsbestimmungdeviation determination
88th
ModelfehlererkennungModel error detection
99
ModelanpassungModel adaptation
1010
Gültigervalid
1111
Kennliniecurve
1212
Verschleißzustandwear state
1313
RestlebensdauerRemaining life
1414
erster Schrittfirst step
1515
erster Filterfirst filter
1616
Grenzenborder
1717
PrädikationsschrittPrädikationsschritt
1818
Schwellwertberechnungthresholding
1919
Abweichungsbewertungdeviation review
2020
Fehlerbehandlungerror handling
2121
zweiter Filtersecond filter
2222
Maßmeasure
2323
Korrekturschrittcorrection step
2424
Aktualisierungsschrittupdate step
2525
Prüfungsschrittverification step
2626
erste Aktionfirst action
2727
zweite Aktionsecond action
2828
dritte Aktionthird action

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (3)

Diagnoseverfahren (1) zur bordseitigen Bestimmung eines Verschleißzustandes eines aus mehreren Komponenten bestehenden Systems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug, – wobei jeder Komponente jeweils ein parametrisiertes, aus einem theoretisch exakten und einem empirisch angenäherten Teilmodel bestehendes, Verhaltensmodell (4) zugeordnet ist, das zumindest einen Modellparameter aufweist, aus dem zumindest ein chemischer und/oder physikalischer, insbesondere verschleißrelevanter, Eigenschaftswert (yk) der zugehörigen Komponente herleitbar ist, – wobei aus zumindest einem Eingangswert (u) mit dem Verhaltensmodell (4) zumindest ein Ausgangswert (ym) berechnet wird und durch Vergleich dieser Werte mit realen Messwerten (ym) der Komponente eine Modellgenauigkeit bestimmt wird, – wobei zur Verbesserung der Modellgenauigkeit eine kontinuierliche Adaption der Modelparameter durchgeführt wird, – wobei zur Adaption der Modelparameter Werte und Messwerte aus einem vordefinierten, in mehrere Betriebsbereiche unterteilten Arbeitsbereich der Komponente verwendet werden, – wobei zur Adaption der Modelparameter bevorzugt Werte und Messwerte aus zumindest einem Betriebsbereich verwendet werden, der eine geringe Modellgenauigkeit aufweist.Diagnostic procedure ( 1 ) for the on-board determination of a state of wear of a multi-component system, in particular of a fuel cell system in a motor vehicle, wherein each component has a parameterized behavioral model consisting of a theoretically exact and an empirically approximated partial model ( 4 ), which has at least one model parameter, from which at least one chemical and / or physical, in particular wear-relevant, property value (y k ) of the associated component can be derived, - wherein at least one input value (u) with the behavioral model ( 4 ) at least one output value (y m ) is calculated and by comparing these values with real measured values (y m ) of the component, a model accuracy is determined, - in order to improve the model accuracy, a continuous adaptation of the model parameters is performed, - wherein for adapting the model parameters values and measured values from a predefined operating range of the component subdivided into several operating ranges are used, wherein values and measured values from at least one operating range having a low model accuracy are preferably used to adapt the model parameters. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein solcher Betriebsbereich mit geringer Modellgenauigkeit eine Modelgenauigkeit von weniger als 90% aufweist.Diagnostic method according to claim 1, characterized that such an operating range with low model accuracy has a modeling accuracy of less than 90%. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als 10% der zur Adaption der Modelparameter herangezogenen Werte und Messwerte aus zumindest einem Betriebsbereich mit geringer Modellgenauigkeit stammen.Diagnostic method according to one of the preceding claims, characterized in that more than 10% of the used for the adaptation of the model parameters Values and measured values from at least one operating range with low Model accuracy come.
DE102009059137A 2009-12-19 2009-12-19 Diagnostic method for on-board determination of wear state of fuel cell system in motor vehicle, involves using values and measuring values from operating region, which comprises reduced model accuracy, for adaptation of model parameter Withdrawn DE102009059137A1 (en)

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