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
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
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,
Wie
in
Das
Adaptionsverfahren
Die
Abweichung e findet sowohl Eingang in das Adaptionsverfahren
Gemäß der
In
einem nachfolgenden Aktualisierungsschritt
In
einer dritten Aktion wird aus den ermittelten Modellparametern unmittelbar
eine Kennlinie
Des
Weiteren kann die Adaption des Verhaltensmodells
Ein
solches Diagnoseverfahren
- 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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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OAV | Applicant agreed to the publication of the unexamined application as to paragraph 31 lit. 2 z1 | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
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Effective date: 20140701 |