DE102019131406A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Zustands eines Magnet-Schaltelements - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß eine Vorrichtung (220) zur Ermittlung von Zustandsinformation in Bezug auf einen Zustand eines Magnet-Schaltelements (115). Die Vorrichtung (220) ist eingerichtet, eine Wechsel-Messspannung (211) und einen korrespondierenden Wechsel-Messstrom (212) an einer Spule (201) des Magnet-Schaltelements (115) zu ermitteln. Die Vorrichtung (220) ist ferner eingerichtet, basierend auf der Phasendifferenz zwischen der Messspannung (211) und dem Messstrom (212) den Wert der Induktivität der Spule (201) des Magnet-Schaltelements (115) zu ermitteln. Des Weiteren ist die Vorrichtung (220) eingerichtet, die Zustandsinformation auf Basis des ermittelten Wertes der Induktivität der Spule (201) zu ermitteln.

Description

  • Die in diesem Dokument beschriebene Technologie betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung des Zustands eines Magnet-Schaltelements, insbesondere eines Magnetventils.
  • Ein Kraftfahrzeug kann eine Brennstoffzelle aufweisen, die auf Basis eines Brennstoffs wie z.B. Wasserstoff elektrische Energie für den Betrieb, insbesondere für den Antrieb, des Fahrzeugs generiert. Der Brennstoff kann in einem oder mehreren Druckbehältern des Fahrzeugs gespeichert werden, wobei ein Druckbehälter typischerweise ein elektrisch ansteuerbares Ventil, insbesondere ein Magnetventil, aufweist, das stromlos geschlossen ist und das durch Bewirken eines Ansteuerstroms geöffnet werden kann, um dem Druckbehälter Brennstoff zu entnehmen.
  • Um eine sichere Bereitstellung von Brennstoff aus einem Druckbehälter zu ermöglichen, ist es typischerweise vorteilhaft, den Zustand des Magnetventils zum Verschließen des Druckbehälters in präziser und zuverlässiger Weise zu ermitteln und/oder zu überwachen.
  • Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie den Zustand eines Magnetventils in präziser und zuverlässiger Weise zu ermitteln. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 und durch den Gegenstand des Patentanspruchs 10. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die in diesem Dokument beschriebenen Aspekte können in Zusammenhang mit Druckbehältern verwendet werden, die zur Speicherung eines Fluids, insbesondere eines Brennstoffs, ausgelegt sind. Ein Druckbehälter kann Teil eines Brennstoffbereitstellungssystems (insbesondere eines compressed hydrogen storage system (=CHS-System)) sein. Das Brennstoffbereitstellungssystem kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff (H2) betrieben wird. Der Druckbehälter des Brennstoffbereitstellungssystems kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Der in dem Druckbehälter gespeicherte Brennstoff kann flüssig und/oder gasförmig sein.
  • Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur eines Kraftfahrzeuges liegen.
  • Ein in diesem Dokument beschriebener Druckbehälter kann somit ausgebildet sein, einen flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff (d.h. ein Fluid), insbesondere Wasserstoff, zu speichern. Dabei kann bevorzugt ein Fluid mit einem Druck von 350barü, 700barü oder mehr gespeichert werden. Ein in diesem Dokument beschriebenes Magnetventil kann ausgebildet sein, einen derartigen Druckbehälter zu verschließen und/oder die selektive Entnahme von Brennstoff aus einem derartigen Druckbehälter zu ermöglichen.
  • Die in diesem Dokument beschriebenen Aspekte werden in Zusammenhang mit einem Magnetventil beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf einen Magnetschalter angewendet werden können (z.B. für den Magnetschalter eines Anlassers für einen Verbrennungsmotor). In diesem Dokument kann daher der Begriff Magnetventil durch den allgemeinen Begriff Magnet-Schaltelement ersetzt werden, wobei ein Magnet-Schaltelement z.B. ein Magnetventil oder ein Magnetschalter sein kann.
  • Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Ermittlung von Zustandsinformation in Bezug auf einen Zustand eines Magnet-Schaltelements (insbesondere eines Magnetventils) beschrieben. Das Magnet-Schaltelement (insbesondere das Magnetventil) kann ausgebildet sein, den Zugang zu einem Druckbehälter zu verschließen und/oder zu öffnen. Das Magnet-Schaltelement kann dabei eine Spule umfassen, die ausgebildet ist, bei Einwirkung eines Ansteuerstroms ein Magnetfeld zu bewirken, durch das ein Anker des Magnet-Schaltelements bewegt wird, und dabei den Öffnungsgrad bzw. die Schließposition des Magnet-Schaltelements verändert. Die Zustandsinformation kann z.B. den Schließzustand des Magnet-Schaltelements und/oder die Position des Ankers des Magnet-Schaltelements und/oder den Öffnungsgrad bzw. die Stellung des Magnet-Schaltelements anzeigen bzw. umfassen.
  • Die Vorrichtung ist eingerichtet, eine Wechsel-Messspannung und einen korrespondierenden Wechsel-Messstrom an der Spule des Magnet-Schaltelements zu ermitteln. Der Messstrom kann dabei mit dem Ansteuerstrom, durch den der Zustand des Magnet-Schaltelements bewirkt wird, überlagert sein. Dabei ist der Messstrom (insbesondere die Amplitude und/oder der Betrag des Messstroms) bevorzugt signifikant kleiner als der Ansteuerstrom, z.B. um einen Faktor 10 oder mehr kleiner.
  • Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, eine Messspannung an die Spule anzulegen, und den sich daraus ergebenden Messstrom zu erfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung ausgebildet sein, einen Messstrom durch die Spule zu bewirken, und die sich daraus ergebende Messspannung zu erfassen. Die Wechsel-Messspannung und/oder der Wechsel-Messstrom weisen dabei eine bestimmte Frequenz auf, die sich bevorzugt von der PWM Frequenz zur Einstellung des Ansteuerstroms unterscheidet. Besonders bevorzugt wird eine bestimmte Frequenz für die Wechsel-Messspannung und/oder den Wechsel-Messstrom verwendet, die höher als die PWM Frequenz ist.
  • Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, auf Basis der Phasendifferenz zwischen der Messspannung und dem Messstrom den Wert der Induktivität der Spule des Magnet-Schaltelements zu ermitteln. Insbesondere kann die Vorrichtung eingerichtet sein, Phaseninformation in Bezug auf die Phasendifferenz zwischen der Messspannung und dem Messstrom zu ermitteln. Die Phaseninformation, insbesondere die Phasendifferenz, kann dabei in besonders präziser Weise anhand einer Phasenregelschleife, anhand eines Lock-In Verstärkers und/oder anhand einer Phase-Locked-Loop Schaltung ermittelt werden. Basierend auf der Phaseninformation kann dann der Wert der Induktivität der Spule des Magnet-Schaltelements ermittelt werden.
  • Alternativ oder ergänzend kann eine Phasenregelschleife dazu verwendet werden, den Wert der Messspannung bzw. des Messstroms bei einer bestimmten Phasendifferenz (z.B. 90°) zu erfassen. Es kann dann basierend auf dem gemessenen Wert der Messspannung bzw. des Messstroms bei der definierten Phasendifferenz der Wert der Induktivität der Spule des Magnet-Schaltelements ermittelt werden.
  • Die Vorrichtung kann somit eingerichtet sein, durch Anwenden einer Phasenregelschleife an der Messspannung und/oder dem Messstrom den Wert der Induktivität der Spule des Magnet-Schaltelements zu ermitteln.
  • Der Wert der Induktivität der Spule kann in besonders präziser Weise auf Basis der Phaseninformation und auf Basis eines im Vorfeld bekannten Wertes des ohmschen Widerstands der Spule ermittelt werden. Der im Vorfeld bekannte Wert des ohmschen Widerstands kann dabei in Abhängigkeit der Spulentemperatur ermittelt oder tabelliert worden sein. Mit anderen Worten, die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die Temperatur der Spule zu ermitteln, und basierend auf der Temperatur den Wert des ohmschen Widerstands der Spule zu ermitteln (z.B. aus einer Tabelle auszulesen).
  • Die Messspannung und der Messstrom sind an dem ohmschen Widerstand der Spule gleichphasig. Andererseits weisen die Messspannung und der Messstrom an der Induktivität der Spule eine Phasendifferenz von 90° auf. Die effektive Phasendifferenz zwischen dem Messstrom und der Messspannung ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen dem Wert des ohmschen Widerstands und dem Wert der Induktivität (und kann typischerweise über eine trigonometrische Beziehung berechnet werden). Folglich kann auf Basis der gemessenen Phaseninformation (insbesondere der gemessenen Phasendifferenz) und auf Basis des Wertes des ohmschen Widerstands der Spule der Wert der Induktivität der Spule in präziser Weise ermittelt werden (unter Verwendung der bekannten trigonometrischen Beziehung).
  • Wie oben dargelegt, kann durch den Ansteuerstrom in der Spule eine bestimmte Stellung bzw. Position des Ankers des Magnet-Schaltelements bewirkt werden. Der Anker und/oder der mit dem Anker verbundene Spulenkern sind je nach Position des Ankers unterschiedlich tief innerhalb der Spule des Magnet-Schaltelements angeordnet. Als Folge daraus ändert sich der Wert der Induktivität der Spule. Folglich kann der Wert der Induktivität als Indikator für die Position des Ankers des Magnet-Schaltelements verwendet werden.
  • Die Vorrichtung kann somit eingerichtet sein, die Zustandsinformation, insbesondere den Öffnungsgrad und/oder die Stellung des Magnet-Schaltelements und/oder die Position des Ankers des Magnet-Schaltelements, auf Basis des ermittelten Wertes der Induktivität der Spule zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung auf ein im Vorfeld ermitteltes Modell des Magnet-Schaltelements zurückgreifen. Das Modell kann dabei ausgebildet sein, für eine Vielzahl von unterschiedlichen Werten der Induktivität und ggf. für ein oder mehrere weitere Parameter, wie z.B. die Spulentemperatur, jeweils einen Zustand (z.B. jeweils den Öffnungsgrad bzw. die Stellung und/oder die Position des Ankers) des Magnet-Schaltelements anzuzeigen.
  • Das Modell kann experimentell im Vorfeld ermittelt worden sein. Das Modell kann z.B. Kenndaten, insbesondere zumindest eine Kennlinie, umfassen, die für den jeweiligen Wert der Induktivität den entsprechenden Zustand des Magnet-Schaltelements anzeigt. Alternativ oder ergänzend kann das Modell ein maschinen-erlerntes Modell, insbesondere ein neuronales Netz, umfassen bzw. sein, das den ermittelten Wert der Induktivität als Eingangswert aufnimmt und den Zustand des Magnet-Schaltelements als Ausgangswert bereitstellt.
  • Durch die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung kann der Zustand eines Magnet-Schaltelements in effizienter und präziser Weise ermittelt werden. Dadurch kann die Sicherheit eines Druckbehälters erhöht werden, an dem das Magnet-Schaltelement, insbesondere das Magnetventil, verwendet wird.
  • Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, als Zustandsinformation zu bestimmen, ob das Magnet-Schaltelement möglicherweise einen Defekt aufweist oder nicht. Beispielsweise kann auf Basis des ermittelten Wertes der Induktivität erkannt werden, dass die tatsächliche Position des Ankers des Magnet-Schaltelements von einer erwarteten Referenz- bzw. Sollposition des Ankers des Magnet-Schaltelements abweicht. Dies kann als Indiz für einen möglichen Defekt des Magnet-Schaltelements verwendet werden.
  • Des Weiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, zu bewirken, dass ein (optischer und/oder akustischer und/oder haptischer) Hinweis an einen Nutzer des Magnet-Schaltelements ausgegeben wird, wenn bestimmt wird, dass das Magnet-Schaltelement möglicherweise einen Defekt aufweist. So kann die Zuverlässigkeit des Betriebs eines Magnet-Schaltelements erhöht werden.
  • Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, während eines Schließvorgangs und/oder während eines Öffnungsvorgangs des Magnet-Schaltelements einen zeitlichen Verlauf des Wertes der Induktivität der Spule des Magnet-Schaltelements zu ermitteln. Der zeitliche Verlauf kann eine Sequenz von Werten der Induktivität der Spule für eine entsprechende Sequenz von Zeitpunkten während des Öffnungsvorgangs bzw. des Schließvorgangs umfassen. Die Sequenz von Werten der Induktivität der Spule zeigt den zeitlichen Verlauf des Öffnungsgrades bzw. der Stellung des Magnet-Schaltelements und/oder den zeitlichen Verlauf der Position des Ankers des Magnet-Schaltelements an.
  • Die Zustandsinformation kann dann in besonders präziser Weise auf Basis des zeitlichen Verlaufs des Wertes der Induktivität der Spule ermittelt werden. Beispielsweise kann auf Basis des zeitlichen Verlaufs des Wertes der Induktivität erkannt werden, dass die Bewegung des Ankers bei einem Öffnungsvorgang bzw. bei einem Schließvorgang beeinträchtigt, z.B. gehemmt, wird (wobei das Magnet-Schaltelement zwar verzögert, letztlich aber ggf. weiterhin vollständig schließt bzw. öffnet). Dennoch kann eine Beeinträchtigung der Bewegung des Ankers als Frühindikator für eine mögliche Fehlfunktion bzw. für einen möglichen Defekt des Magnet-Schaltelements betrachtet werden. Eine reine Messung der jeweiligen Endposition des Magnet-Schaltelements kann dies nicht leisten.
  • Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, den ermittelten zeitlichen Verlauf des Wertes der Induktivität mit einem Referenzverlauf des Wertes der Induktivität zu vergleichen. Die Zustandsinformation kann dann in präziser Weise auf Basis des Vergleichs ermittelt werden. Beispielsweise kann der Wert eines Abstandsmaßes (z.B. der mittleren quadratischen Abweichung) zwischen dem ermittelten zeitlichen Verlauf und dem Referenzverlauf ermittelt werden. Der Wert des Abstandsmaßes kann dann mit einem Abstands-Schwellenwert verglichen werden, um in zuverlässiger Weise zu bestimmen, ob das Magnet-Schaltelement möglicherweise defekt ist oder nicht. Insbesondere kann erkannt werden, dass das Magnet-Schaltelement möglicherweise defekt ist, wenn der ermittelte Werte des Abstandsmaßes größer als der Abstands-Schwellenwert ist.
  • Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die Zustandsinformation anhand eines maschinen-erlernten Klassifikators, insbesondere anhand eines maschinen-erlernten neuronalen Netzes, zu ermitteln. Dabei kann der maschinen-erlernte Klassifikator ausgebildet sein, den Werteraum von möglichen zeitlichen Verläufen des Wertes der Induktivität auf den Werteraum von möglichen Zuständen des Magnet-Schaltelements (z.B. Defekt oder Nicht-Defekt) abzubilden. Der Klassifikator kann im Vorfeld angelernt worden sein. Durch die Verwendung eines maschinen-erlernten Klassifikators kann der Zustand des Magnet-Schaltelements in besonders zuverlässiger und präziser Weise ermittelt werden.
  • Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, Betriebsinformation in Bezug auf ein oder mehrere Betriebsbedingungen des Magnet-Schaltelements (bei einem Öffnungsvorgang und/oder bei einem Schließvorgang) zu ermitteln. Insbesondere kann Betriebsinformation ermittelt werden, die beim Erfassen der Messspannung und/oder des Messstroms vorliegt. Beispielhafte Betriebsinformation ist z.B. die Betriebstemperatur des Magnet-Schaltelements; der Druck in dem Druckbehälter, an dem das Magnet-Schaltelement betrieben wird; und/oder die Höhe des Ansteuerstroms).
  • Der Wert der Induktivität, insbesondere der ermittelte zeitliche Verlauf des Wertes der Induktivität, kann dann in Abhängigkeit von der Betriebsinformation ausgewertet werden, um die Zustandsinformation in besonders präziser Weise zu ermitteln. Dabei kann z.B. der Referenzverlauf in Abhängigkeit von der Betriebsinformation angepasst und/oder ausgewählt werden. Alternativ oder ergänzend können das Modell des Magnet-Schaltelements und/oder der Klassifikator in Abhängigkeit von der Betriebsinformation angepasst werden, und/oder die Betriebsinformation kann als zusätzliche Eingangsgröße zu dem Modell und/oder dem Klassifikator berücksichtigt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Druckbehälter-System bzw. eine Druckbehälter-Anordnung beschrieben, das bzw. die ein Magnetventil und die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung zur Ermittlung des Zustands eines Magnetventils umfasst.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug, etwa ein Personenkraftfahren, ein Lastkraftfahren, ein Bus und/oder ein Motorrad, beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung zur Ermittlung des Zustands eines Magnet-Schaltelements umfasst.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung von Zustandsinformation in Bezug auf den Zustand eines Magnet-Schaltelements beschrieben. Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer Wechsel-Messspannung und eines korrespondierenden Wechsel-Messstroms an einer Spule des Magnet-Schaltelements. Des Weiteren kann das Verfahren das Ermitteln von Phaseninformation in Bezug auf eine Phasendifferenz zwischen der Messspannung und dem Messstrom umfassen. Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln, auf Basis der Phaseninformation oder basierend auf (oder bei Ausnutzung bzw. bei Verwendung) der Phasendifferenz zwischen der Messspannung und dem Messstrom, eines Wertes einer Induktivität der Spule des Magnet-Schaltelements. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln der Zustandsinformation auf Basis des ermittelten Wertes der Induktivität der Spule.
  • Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können j egliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
  • Im Weiteren wird die hier offenbarte Technologie anhand von Beispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
    • 1 eine beispielhafte Druckbehälter-Anordnung, z.B. in einem Fahrzeug;
    • 2 ein beispielhaftes Magnetventil;
    • 3 beispielhafte zeitliche Verläufe der Induktivität bei einem Schließ- bzw.
    • bei einem Öffnungsvorgang eines Magnetventils; und
    • 4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung von Zustandsinformation in Bezug auf den Zustand eines Magnetventils.
  • Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der präzisen und zuverlässigen Ermittlung des Zustands, insbesondere der Schließposition, eines Magnetventils. In diesem Zusammenhang zeigt 1 eine beispielhafte Druckbehälter-Anordnung 100 mit einem Druckbehälter 110, der dazu verwendet werden kann, Brennstoff (insbesondere Wasserstoff) für einen Brennstoff-Verbraucher (z.B. eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoff-Verbrennungsmotor) 101 eines Fahrzeugs bereitzustellen. Der Druckbehälter 110 ist über eine Leitung 112 mit dem Brennstoff-Verbraucher 101 verbunden. Der Druckbehälter 110 weist typischerweise an einem Endstück 111 eine Öffnung auf, durch die Brennstoff über ein Ventil 115 aus dem Druckbehälter 110 geführt werden kann.
  • 2 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Magnetventils 115. Das Magnetventil 115 umfasst einen Anker 205, der ausgebildet ist, einen Teller 203 des Ventils 115 in einen Brennstoff-Kanal 206 für Brennstoff 207 zu drücken, um den Kanal 206 zu verschließen. Dabei kann der Anker 205 z.B. durch eine Druckfeder 204 in den Kanal 206 gedrückt werden, wobei sich die Druckfeder 204 z.B. an dem Gehäuse des Ventils 115 abstützt. So kann das Ventil 115 stromlos geschlossen werden.
  • Der Anker 205 kann einen (ferromagnetischen) Spulenkern 202 aufweisen, der zumindest teilweise in einer Spule 201 angeordnet ist und/oder der durch das von der Spule 201 bewirkte Magnetfeld beeinflusst wird (so dass eine Kraft auf den Spulenkern 202 wirkt). Die Spule 201 kann eine Mehrzahl von Windungen eines elektrischen Leiters aufweisen. Die Spule 201 kann ausgebildet sein, ein Magnetfeld zu erzeugen, wenn durch die Spule 201 ein bestimmter Ansteuerstrom bewirkt werden. Dabei kann das Magnetfeld derart ausgebildet sein, dass der Anker 205 und/oder der Spulenkern 202 durch das Magnetfeld von dem Brennstoff-Kanal 206 weg und/oder zu der Druckfeder 204 hin bewegt wird, um den Brennstoff-Kanal 206 zu öffnen. Zum Öffnen des Kanals 206 bzw. des Ventils 115 kann ein bestimmter Betätigungsstrom durch die Spule 201 bewirkt werden. Des Weiteren kann zum Halten des Ventils 115 in dem geöffneten Zustand ein Haltestrom durch die Spule 201 bewirkt werden, wobei der Haltestrom typischerweise betraglich kleiner als der Betätigungsstrom ist.
  • Der Ansteuerstrom durch die Spule 201 kann durch eine Stromquelle (nicht dargestellt) bewirkt werden. Dabei kann die Höhe des (Gleich-) Stroms durch die Spule 201 in effizienter und präziser Weise mittels einer PWM (Pulsweiten-Modulation) des Stroms eingestellt werden. Die PWM-basierte Einstellung des Ansteuerstroms kann mit einer bestimmten PWM Frequenz erfolgen.
  • Durch die Änderung der Lage des Spulenkerns 202 bzw. des Ankers 205 innerhalb der Spule 201 verändert sich typischerweise die Induktivität der Spule 201. Beispielsweise kann der Spulenkern 202 im geschlossenen Zustand des Ventils 115 zumindest teilweise außerhalb der Spule 201 angeordnet sein. Andererseits kann sich der Spulenkern 202 im geöffneten Zustand des Ventils 115 ggf. zu einem größeren Teil innerhalb der Spule 201 befinden als im geschlossenen Zustand. Als Folge daraus ist die Permeabilität der Spule 201 und damit auch die Induktivität der Spule 201 in diesem beispielhaften Fall größer, wenn sich das Magnetventil 115 im geöffneten Zustand befindet als wenn sich das Magnetventil 115 im geschlossenen Zustand befindet.
  • Folglich kann die sich beim Öffnen bzw. beim Schließen des Magnetventils 115 verändernde Induktivität der Spule 201 als Indikator für den Schließzustand des Magnetventils 115 verwendet werden.
  • 2 zeigt eine Messeinheit 210, die eingerichtet ist, eine Messspannung 211 an der Spule 201 zu bewirken und den sich für die Messspannung 211 ergebenden Messstrom 212 zu erfassen, und/oder die eingerichtet ist, einen Messstrom 212 durch die Spule 201 zu bewirken und die sich für den Messstrom 212 ergebende Messspannung 211 zu erfassen. Durch die Messeinheit 210 kann somit ein korrespondierendes Paar aus Messspannung 211 und Messstrom 212 bereitgestellt werden.
  • Die Messspannung 211 und/oder der Messstrom 212 sind bevorzugt derart klein, dass durch die Messspannung 211 und/oder den Messstrom 212 der Schließzustand des Ventils 115 nicht, zumindest nicht wesentlich, beeinflusst wird. Dabei überlagert sich der Messstrom 212 mit dem Ansteuerstrom, der ggf. zum Schalten und/oder zum Halten des Ventils 115 in der Spule 201 bewirkt wird.
  • Im Folgenden wird eine Messung der Induktivität beispielhaft für das Anlegen einer Messspannung 211 und für das Erfassen eines von der Messspannung 211 bewirkten Messstroms 212 beschrieben. Die Messung der Induktivität kann in entsprechender Weise durch das Bewirken eines Messstroms 212 und durch das Erfassen einer dadurch bewirkten Messspannung 211 durchgeführt werden.
  • Es wird eine Wechsel-Messspannung 211 mit einer bestimmten SpannungsAmplitude, einer bestimmten Frequenz und einer bestimmten Spannungs-Phase an die Spule 201 angelegt. Die Frequenz der Messspannung 211 unterscheidet sich dabei bevorzugt von der PWM-Frequenz zum Einstellen des Betätigungs- und/oder Haltestroms der Spule 201.
  • Der von der Messeinheit 210 erfasste Messstrom 212 weist eine bestimmte Strom-Amplitude, die bestimmte Frequenz, und eine bestimmte Strom-Phase auf. Dabei hängen die Strom-Amplitude und die Strom-Phase von dem ohmschen Widerstand R des elektrischen Leiters der Spule 201 und von der Induktivität L der Spule 201 ab, wobei der ohmsche Widerstand R typischerweise im Vorfeld bekannt ist.
  • Die Strom-Phase des Messstroms 212 kann in präziser Weise mittels einer Phase-Locked-Loop (PLL) Schaltung und/oder mittels eines Lock-In Verstärkers ermittelt werden. Die Strom-Amplitude kann z.B. als Maximalwert des erfassten Messstroms 212 ermittelt werden. Auf Basis der gemessenen Strom-Amplitude und/oder der gemessenen Strom-Phase kann dann, z.B. mittels einer Mess-Vorrichtung 220, in präziser Weise die Induktivität der Spule 201 ermittelt werden (durch Anwendung der bekannten Zusammenhänge zwischen dem Strom und der Spannung an einer eine Induktivität umfassenden Impedanz).
  • Der ermittelte Wert der Induktivität kann dazu genutzt werden, die Zustand des Ventils 115 zu ermitteln. Beispielsweise können Kenndaten für das Ventil 115 bereitgestellt werden, wobei die Kenndaten für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Stellungen des Spulenkerns 202 (und für eine entsprechende Mehrzahl von unterschiedlichen Schließstellungen des Ventils 115) jeweils einen Referenzwert für die Induktivität anzeigen. Es kann dann aus den Kenndaten der Referenzwert identifiziert werden, der dem gemessenen Wert der Induktivität am Nächsten kommt. Aus dem identifizierten Referenzwert ergibt sich dann aus den Kenndaten die mit diesem Referenzwert assoziierte Schließstellung des Ventils 115. Somit kann in präziser Weise auf Basis des gemessenen Wertes der Induktivität der Schließzustand des Ventils 115 ermittelt werden.
  • Die Mess-Vorrichtung 220 kann eingerichtet sein, während eines Schließvorgangs des Ventils 115 und/oder während eines Öffnungsvorgangs des Ventils 115 einen zeitlichen Verlauf der Induktivität der Spule 201 des Ventils 115 zu messen. Zu diesem Zweck kann an einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten während des Schließvorgang und/oder während des Öffnungsvorgang jeweils ein Wert der Induktivität gemessen werden (anhand des oben dargelegten Verfahrens). Es ergibt sich somit eine Sequenz von Werten der Induktivität für die entsprechende Sequenz von Zeitpunkten. Aus der Sequenz von Werten der Induktivität kann über die Kenndaten des Ventils auf eine Sequenz von Schließstellungen des Ventils 115 während des Schließvorgang bzw. während des Öffnungsvorgangs geschlossen werden.
  • Der während eines Schließvorgangs bzw. während eines Öffnungsvorgangs erfasste zeitliche Verlauf des Wertes der Induktivität (d.h. die erfasste Sequenz von Werten der Induktivität) kann dazu verwendet werden, bereits zu einem relativ frühen Zeitpunkt ein Fehlverhalten eines Magnetventils 115 zu detektieren. Beispielsweise kann, wie in 3 beispielhaft dargestellt, der erfasste zeitliche Verlauf 302 des Wertes der Induktivität mit einem Referenzverlauf 301 des Wertes der Induktivität verglichen werden. Es kann dann ein Abweichungsmaß (z.B. eine mittlere quadratische Abweichung) zwischen dem erfassten Verlauf 302 und dem Referenzverlauf 301 ermittelt werden. Wenn der ermittelte Wert des Abweichungsmaßes einen bestimmten Abweichungs-Schwellenwert erreicht oder überschreitet, so kann dies als Hinweis dafür gewertet werden, dass das Magnetventil 115 ein Fehlverhalten aufweist oder aufweisen wird. So kann bereits frühzeitig ein Austausch bzw. eine Wartung eines Magnetventils 115 veranlasst werden.
  • Alternativ oder ergänzend kann der erfasste zeitliche Verlauf 302 des Wertes der Induktivität mittels eines Klassifikators, insbesondere mittels eines Maschinen-erlernten Klassifikators, ausgewertet werden. Der Klassifikator kann eingerichtet sein, auf Basis des erfassten zeitlichen Verlaufs 302 zu entscheiden, ob das Magnetventil 115 OK oder NOK (d.h. Not OK) ist. Der Klassifikator kann z.B. ein für diese Klassifikationsaufgabe angelerntes neuronales Netz umfassen.
  • Es wird somit ein Verfahren beschrieben, mit dem der Zustand eines Magnetventils 115 in präziser Weise ermittelt werden kann. Dabei können eine Messspannung 211 und/oder ein Messstrom 212 verwendet werden. Die verwendeten Messströme 212 sind bevorzugt derart klein, dass durch die Messströme 212 die Ventilposition nicht beeinflusst wird, insbesondere dass durch die Messströme 212 das geschlossene Ventil 115 nicht geöffnet wird. Zu diesem Zweck können relativ kleine Messströme 212, insbesondere Wechselströme, mit relativ kleinen und genau definierten Wechselstromamplituden, verwendet werden.
  • Die Induktivität der Spule 201 kann mittels einer Phasenregelschleife, z.B. mittels eines Lock-in-Verstärkers oder einer Phase-Locked-Loop (PLL) Schaltung, ermittelt werden. Dabei kann die Phasenverschiebung zwischen dem Messstrom 212 und der Messpannung 211 ermittelt werden, um eine präzise Trennung zwischen dem ohmschen Widerstand R der Spulenleitung und der Induktivität L der Spule 201 zu ermöglichen.
  • Die Messung der Induktivität ermöglicht die Erkennung der Endpositionen (geschlossen bzw. offen) des Magnetventils 115. Des Weiteren können auch Zwischenpositionen präzise erfasst werden (z.B. 20% geöffnet). Zu diesem Zweck können Kenndaten für das Magnetventil 115 bereitgestellt und verwendet werden, die für unterschiedliche Induktivitätswerte die jeweilige Position des Magnetventils 115 anzeigen.
  • Die Verwendung einer relativ hohen Modulationsfrequenz und/oder einer relativ hohen Abtastrate zur Erfassung der Messspannung 211 und/oder des Messstroms 212 ermöglichen es, die Bewegung des Magnetventils 115 während eines Schließvorgangs und/oder während eines Öffnungsvorgangs zu erfassen und zu überwachen. Insbesondere kann ein zeitlicher Verlauf 302 der Induktivität bei einem Schließvorgang und/oder bei einem Öffnungsvorgang erfasst und ggf. mit einem Referenzverlauf 301 verglichen werden. Dabei kann der Referenzverlauf 301 von der jeweiligen Betriebsbedingung (z.B. Druck, Temperatur, Ansteuerstrom, etc.) des Magnetventils 115 abhängen. So kann der Zustand des Magnetventils 115 in zuverlässiger Weise ermittelt werden.
  • Wie bereits oben dargelegt, kann der Wechsel-Messstrom 212, der zur Positionserfassung verwendet wird, dem eigentlichen Ansteuerstrom zum Öffnen, Schließen und/oder Halten des Ventils 115 überlagert werden. Der Messstrom 212 weist dabei bevorzugt eine andere Frequenz auf als der Ansteuerstrom. So kann eine präzise Messung der Induktivität auf Basis des Messstroms 212 ermöglicht werden.
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zur Ermittlung von Zustandsinformation in Bezug auf einen Zustand eines Magnetventils 115. Das Magnetventil 115 weist eine Spule 201 auf, die eingerichtet ist, einen Anker 205 des Magnetventils 115 zu bewegen, um den Öffnungsgrad des Magnetventils 115 zu verändern, insbesondere um das Magnetventil 115 zu öffnen oder zu schließen.
  • Das Verfahren 400 umfasst das Ermitteln 401 einer Wechsel-Messspannung 211 und eines korrespondierenden Wechsel-Messstroms 212 an der Spule 201 des Magnetventils 115. Dabei kann ggf. der Wechsel-Messstrom 212 gemessen werden, der durch eine an die Spule 201 angelegte Wechsel-Messspannung 211 bewirkt wird. Alternativ oder ergänzend kann die Wechsel-Messspannung 221 gemessen werden, die durch einen in der Spule 201 bewirkten Wechsel-Messstrom 212 bewirkt wird. Dabei können insbesondere der Maximalwert der Amplitude bzw. die effektive Amplitude der Messspannung 211 und/oder des Messstroms 212 ermittelt werden.
  • Das Verfahren 400 kann das Ermitteln 402 von Phaseninformation in Bezug auf die Phasendifferenz zwischen der Messspannung 211 und dem Messstrom 212 umfassen. Die Phaseninformation kann in besonders präziser und effizienter Weise mittels eines Lock-In Verstärkers und/oder mittels einer Phase-Locked-Loop Schaltung ermittelt werden.
  • Des Weiteren umfasst das Verfahren 400 das Ermitteln 403, basierend auf der Phasendifferenz zwischen der Messspannung 211 und dem Messstrom 212 und/oder basierend auf der Phaseninformation, des Wertes der Induktivität L der Spule 201 des Magnetventils 115. Dabei kann die Tatsache berücksichtigt werden, dass durch die Induktivität der Spule 201 eine Phasenverschiebung von 90° zwischen der Messspannung 211 und dem Messstrom 212 bewirkt wird. Des Weiteren kann der (ggf. im Vorfeld bekannte) ohmsche Widerstand R der Spule 201 berücksichtigt werden, wobei durch den Widerstand R keine Phasenverschiebung zwischen der Messspannung 211 und dem Messstrom 212 bewirkt wird. Aus der gemessenen Phasendifferenz zwischen der Messspannung 211 und dem Messstrom 212 sowie aus dem Wert des ohmschen Widerstands R der Spule 201 kann dann in präziser Weise der Wert der Induktivität L der Spule 201 ermittelt werden.
  • Das Verfahren 400 umfasst ferner das Ermitteln 404 der Zustandsinformation auf Basis des ermittelten Wertes der Induktivität der Spule 201. Die Zustandsinformation kann z.B. den Öffnungsgrad des Magnetventils 115 als Zustand des Magnetventils 115 anzeigen. Der Öffnungsgrad kann z.B. zwischen 0% bei dem vollständig geschlossenen Magnetventil 115 bis zu 100% bei dem vollständig geöffneten Magnetventil 115 variieren.
  • Zur Ermittlung der Zustandsinformation können im Vorfeld ermittelte Kenndaten verwendet werden, die den Werteraum von möglichen Werten der Induktivität der Spule 201 auf den Werteraum von möglichen Zuständen des Magnetventils 115 abbilden. Beispielsweise können die Kenndaten für unterschiedliche Werte der Induktivität der Spule 201 jeweils den entsprechenden Öffnungsgrad des Magnetventils 115 anzeigen.
  • Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann der Zustand, insbesondere der Öffnungsgrad bzw. die Schließposition, eines Magnetventils 115 in effizienter und präziser Weise ermittelt bzw. überwacht werden. So kann z.B. die Sicherheit einer Druckbehälter-Anordnung 100 erhöht werden, in der das Magnetventil 115 verwendet wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Druckbehälter-Anordnung
    101
    Brennstoff-Verbraucher
    110
    Druckbehälter
    111
    Endstück
    112
    Leitung
    115
    Magnet-Schaltelement (Magnetventil)
    201
    Spule
    202
    Spulenkern
    203
    Ventilteller
    204
    Druckfeder
    205
    Anker
    206
    Brennstoff-Kanal
    207
    Brennstoff
    210
    Messeinheit
    211
    Messspannung
    212
    Messstrom
    220
    (Mess-)Vorrichtung
    301
    Referenzverlauf (Induktivität)
    302
    Ist-Verlauf (Induktivität)
    400
    Verfahren zur Ermittlung des Zustands eines Ventils
    401-404
    Verfahrensschritte

Claims (10)

  1. Vorrichtung (220) zur Ermittlung von Zustandsinformation in Bezug auf einen Zustand eines Magnet-Schaltelements (115); wobei die Vorrichtung (220) eingerichtet ist, - eine Wechsel-Messspannung (211) und einen korrespondierenden Wechsel-Messstrom (212) an einer Spule (201) des Magnet-Schaltelements (115) zu ermitteln; - basierend auf einer Phasendifferenz zwischen der Messspannung (211) und dem Messstrom (212) einen Wert einer Induktivität der Spule (201) des Magnet-Schaltelements (115) zu ermitteln; und - die Zustandsinformation auf Basis des ermittelten Wertes der Induktivität der Spule (201) zu ermitteln.
  2. Vorrichtung (220) gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (220) eingerichtet ist, - Phaseninformation in Bezug auf die Phasendifferenz zwischen der Messspannung (211) und dem Messstrom (212) zu ermitteln; und - den Wert einer Induktivität der Spule (201) des Magnet-Schaltelements (115) auf Basis der Phaseninformation zu ermitteln.
  3. Vorrichtung (220) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (220) eingerichtet ist, den Wert der Induktivität anhand einer Phasenregelschleife, anhand eines Lock-In Verstärkers und/oder anhand einer Phase-Locked-Loop Schaltung zu ermitteln.
  4. Vorrichtung (220) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (220) eingerichtet ist, - während eines Schließvorgangs und/oder während eines Öffnungsvorgangs des Magnet-Schaltelements (115) einen zeitlichen Verlauf (302) des Wertes der Induktivität der Spule (201) des Magnet-Schaltelements (115) zu ermitteln; und - die Zustandsinformation auf Basis des zeitlichen Verlaufs (302) des Wertes der Induktivität der Spule (201) zu ermitteln.
  5. Vorrichtung (220) gemäß Anspruch 4, wobei die Vorrichtung (220) eingerichtet ist, - den ermittelten zeitlichen Verlauf (302) des Wertes der Induktivität mit einem Referenzverlauf (301) zu vergleichen; und - die Zustandsinformation auf Basis des Vergleichs zu ermitteln.
  6. Vorrichtung (220) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei - die Vorrichtung (220) eingerichtet ist, die Zustandsinformation anhand eines maschinen-erlernten Klassifikators, insbesondere anhand eines neuronalen Netzes, zu ermitteln; und - der maschinen-erlernte Klassifikator ausgebildet ist, einen Werteraum von möglichen zeitlichen Verläufen (302) des Wertes der Induktivität auf einen Werteraum von möglichen Zuständen des Magnet-Schaltelements (115) abzubilden.
  7. Vorrichtung (220) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Vorrichtung (220) ausgebildet ist, - Betriebsinformation in Bezug auf ein oder mehrere Betriebsbedingungen des Magnet-Schaltelements (115) zu ermitteln; und - den ermittelten zeitlichen Verlauf (302) des Wertes der Induktivität in Abhängigkeit von der Betriebsinformation auszuwerten, um die Zustandsinformation zu ermitteln.
  8. Vorrichtung (220) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (220) eingerichtet ist, - als Zustandsinformation zu bestimmen, ob das Magnet-Schaltelement (115) möglicherweise einen Defekt aufweist oder nicht; und - zu bewirken, dass ein Hinweis an einen Nutzer des Magnet-Schaltelements (115) ausgegeben wird, wenn bestimmt wird, dass das Magnet-Schaltelement (115) möglicherweise einen Defekt aufweist.
  9. Vorrichtung (220) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Vorrichtung (220) eingerichtet ist, die Zustandsinformation anhand eines im Vorfeld ermittelten Modells des Magnet-Schaltelements (115) zu ermitteln; und - das Modell ausgebildet ist, für eine Vielzahl von unterschiedlichen Werten der Induktivität jeweils einen Zustand des Magnet-Schaltelements (115) anzuzeigen.
  10. Verfahren (400) zur Ermittlung von Zustandsinformation in Bezug auf einen Zustand eines Magnet-Schaltelements (115); wobei das Verfahren (400) umfasst, - Ermitteln (401) einer Wechsel-Messspannung (211) und eines korrespondierenden Wechsel-Messstroms (212) an einer Spule (201) des Magnet-Schaltelements (115); - Ermitteln (403), basierend auf einer Phasendifferenz zwischen der Messspannung (211) und dem Messstrom (212), eines Wertes einer Induktivität der Spule (201) des Magnet-Schaltelements (115); und - Ermitteln (404) der Zustandsinformation auf Basis des ermittelten Wertes der Induktivität der Spule (201).
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