EP4710122A1 - Diagnoseverfahren und messanordnung für ein zu untersuchendes bauteil - Google Patents

Diagnoseverfahren und messanordnung für ein zu untersuchendes bauteil

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EP4710122A1
EP4710122A1 EP24724497.3A EP24724497A EP4710122A1 EP 4710122 A1 EP4710122 A1 EP 4710122A1 EP 24724497 A EP24724497 A EP 24724497A EP 4710122 A1 EP4710122 A1 EP 4710122A1
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EP
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measuring
signal
excitation
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Markus Ochs
Stefan GRANZOW
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils mit den Schritten: Betreiben des zu untersuchenden Bauteils (10) in einem elektrischen Stromkreis (11) bei einem vorgegebenen Betriebspunkt für ein vorgegebenes erstes Messintervall (12); und während dieses ersten Messintervalls detektieren eines Messsignals und eines Anregungssignals (13) im Stromkreis in Abhängigkeit von der Zeit, wobei das Anregungssignal ein Signal eines passiven Bauelementes (14) in dem Stromkreis ist, welches sich zu Beginn des ersten Messintervalls in einem vorgegebenen ersten Anregungszustand (15) befindet, und sich das Messignal aus einer Überlagerung des Anregungssignals des passiven Bauelements und eines Betriebssignals des zu untersuchenden Bauteils ergibt.

Description

Beschreibung
Diagnoseverfahren und Messanordnung für ein zu untersuchendes Bauteil
Die Erfindung betrifft die Diagnostik von elektrochemischen Elementen, wie beispielsweise galvanischen Primär- oder Sekundärzellen, Batterien, Elektrolyseoder Brennstoffzellen oder -stapel.
Zur tieferen Analyse des Zustandes elektrochemischer Elemente (z.B. bei Li-Ionen Batterien wie auch bei Brennstoffzellen und Elektrolysezellen) ist unter anderem das Verfahren der Impedanzspektroskopie bekannt.
Bei diesem Verfahren wird die Zelle (Li-Zelle oder Brennstoffzelle etc.) während des Betriebs von außen periodisch angeregt. Diese Anregung kann eine zyklische Anhebung- und Senkung des Ausgangsstromes (z.B. über eine frequenzmodulierte Last) oder auch eine der Betriebsspannung überlagerte Anregungsspannung sein. Typisch wird hierfür ein Frequenzgenerator genutzt, der ein vollsymmetrisches Signal erzeugt (z.B. eine Sinuswelle), welches per Spannungsquelle (genannt "potentiostatisch") oder elektrischer Last (genannt "galvanostatisch") auf die Zelle übertragen wird. Das entstehende Antwortsignal (Spannungs-Fluktuation im Falle galvanostatischer Anregung, bzw. Stromsignal-Schwankung im Falle potentiostatischer Anregung) wird an der untersuchten Zelle gemessen. Eine Fourier-Analyse der entstandenen Phasenverschiebung von Anregungs- zu Antwortsignal bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen gibt Aufschluss über Real- und Imaginärteil der zell-intrinsischen Impedanz. Grundlegende Funktion bzw. Ablauf kann z.B. in zahlreichen Büchern und Veröffentlichungen nachgelesen werden.
Technisch ist dieses Verfahren aus mehreren Gründen aufwändig und störanfällig: Die Erzeugung der periodischen Anregungssignale erfordert in der Regel einen Frequenzgenerator, weicher ein großes Spektrum verschiedener Frequenzen erzeugen kann. Üblicherweise werden viele Frequenzen pro Messung durchfahren, um ein komplexes, frequenzabhängiges Impedanz-Bild abbilden zu können. Weiterhin müssen die Signale mittels geeigneter Spannungsquellen/Stromsenken etc. sauber und Signal-treu auf die Zelle übertragen werden. Störende Einflüsse durch Kabel und Leitungen oder den Messaufbau bezüglich Induktivitäten und Kapazitäten müssen aufwändig umgangen oder mittels Kalibrierung herausgemessen werden, um aus der Analyse eine "saubere" Diagnose der untersuchten Messzelle ableiten zu können. Idealerweise muss ein Aufbau für alle (Wiederholungs-)Messungen (z.B. zeitliche Alterungsmessungen oder nach Schädigung der Messzelle ggf. Temperatureinfluß etc.) identisch sein, d.h. orts- und/oder aufbaugetreu wiederholbar sein. Ebenso sind äußere Störgrößen auf dem zu untersuchenden/anzuregenden Signalpfad zu vermeiden (z.B. Lastsprünge während eines Messzyklus). Die zu untersuchenden Signale müssen sehr präzise aufgelöst werden (sowohl die Signalstärke wie auch die zeitliche Korrelation zur Anregung). Die Prozedur - insbesondere für ein breites Frequenzspektrum (je nach beobachteter Charakteristik der untersuchten Zelle) - benötigt eine gewisse Messzeit. Diese ist - insbesondere im Fährbetrieb mobiler Anwendung (z.B. bei einer online Analyse im Fahrzeug) schwer umsetzbar. Die beschriebenen Restriktionen hinsichtlich benötigter Hardware schränken die Umsetzung in mobilen oder zeitlich nicht stationär betreibbaren Anwendungen stark ein. Zudem sind benötigte Geräte und Aufbauvarianten vergleichsweise kostenintensiv.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Zelldiagnostik anzugeben, welche die oben genannten Schwierigkeiten vermeidet.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren eignet sich beispielsweise zur Impedanzanalyse von Batterien, Brennstoff- oder Elektrolysezellen oder anderen elektrochemischen Elementen. Diese werden im Rahmen dieser Erfindung als zu untersuchende Bauteile bezeichnet. Insbesondere sind die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen vorteilhaft einsetzbar für die Diagnose von Brennstoffzellen(-stapeln) in Fahrzeugen. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zu untersuchendes Bauteil für ein vorgegebenes erstes Messintervall bei einem vorgegebenen Betriebspunkt in einem Stromkreis betrieben. Mit einem vorgegebenen Betriebspunkt ist hier insbesondere ein definierter, reproduzierbarer und/oder vorzugsweise konstanter Betriebspunkt gemeint, um vorteilhaft eine Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens zu ermöglichen.
Während des ersten Messintervalls ist ein passives Bauelement in den Stromkreis geschaltet. Zu Beginn des ersten Messintervalls befindet sich das passive Bauelement in einem vorgegebenen ersten Anregungszustand. Für die Dauer des Messintervalls wird nun erfindungsgemäß im Stromkreis ein Messsignal und ein Anregungssignal des passiven Bauelementes in Abhängigkeit von der zeit detektiert. Das Messignal ergibt sich dabei aus einer Überlagerung des Anregungssignals des passiven Bauelements und eines Betriebssignals des zu untersuchenden Bauteils.
Anschließend können vorzugsweise das Messignal und das Anregungssignal ausgewertet und daraus Rückschlüsse über den Zustand des zu untersuchenden Bauteils abgeleitet werden.
Das passive Bauelement ist z.B. beispielsweise ein Kondensator, eine Spule (Induktivität) oder ein Widerstand. Der vorgegebene Anregungszustand kann dann entsprechend beispielsweise eine Aufladung mit einer bestimmten Spannung im Falle eines Kondensators, eine bestimmte Temperatur eines (temperaturabhängigen) Widerstandes, oder ein bestimmter Magnetisierungszustand der Spule sein. Der vorgegebene Anregungszustand kann aber ebenfalls ein Grundzustand sein, d.h. beispielsweise im Fall eines Kondensators die Spannung 0 oder im Fall einer Spule, keine Magnetisierung.
Während das passive Bauelement in den Stromkreis geschaltet ist, gibt es innerhalb des ersten Messintervalls ein Anregungssignal in den Stromkreis ab. Das Anregungssignal eines Kondensators ist z.B. ein Lade- oder Entlade-strom. Dieser (Ent-)Ladestrom folgt je nach Bauart des Kondensators einem charakteristischen zeitlichen Verlauf. Verschiedene Kondensatoren können sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Kapazität und Spannungsfestigkeit, sowie ihrer Lade- und Entlade-Charakteristik und ihrer Zeitkonstante (T) unterscheiden. Typische Kapazitäten sind beispielsweise im Bereich von 200 pF bis 2 mF.
Entsprechend können sich Widerstände hinsichtlich ihrer Temperaturabhängigkeit und Induktivitäten z.B. hinsichtlich ihrer magnetischen Permeabilität, Wicklungszahl etc. unterscheiden. Diese Eigenschaften der passiven Bauelemente sind neben dem Anregungszustand maßgeblich für den Verlauf des Anregungssignals im Stromkreis, und werden im Rahmen dieser Anmeldung als Charakteristik des jeweiligen passiven Bauelementes bezeichnet.
Das vorgegebene Messintervall ist ein Zeitintervall, während dessen eine Messung vorgenommen wird. Das vorgegebene Messintervall kann vorzugsweise abhängig von der Charakteristik des jeweiligen passiven Bauelementes gewählt sein. Ein vorteilhaftes Messintervall für einen Kondensator beträgt beispielsweise ein Dreibis Vierfaches der Kondensator-Zeitkonstante. Die Dauer eines Messintervalls beträgt beispielsweise zwischen 0,5 ms und 5s. Eine Dauer zwischen 100 ms und 1 s, z.B. 150 ms ist beispielsweise vorteilhaft.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Ablauf des ersten Messintervalls für ein vorgegebenes weiteres Messintervall mindestens ein weiteres passives Bauelement zugeschaltet. Dieses befindet sich zu Beginn des weiteren Messintervalls in einem vorgegebenen zweiten Anregungszustand. Für die Dauer des weiteren Messintervalls wird nun wieder das Messsignal und das Anregungssignal im Stromkreis in Abhängigkeit von der zeit detektiert. In diesem Fall wird das Anregungssignal, von dem mindestens einen zusätzlichen passiven Bauelement erzeugt und das Messignal ergibt sich aus der Überlagerung des Anregungssignals mit dem Betriebssignal des zu untersuchenden Bauteils. Vorzugsweise wird das erste passive Bauelement, beispielsweise durch Öffnen eines Schalters vor dem weiteren Messintervall vom Stromkreis getrennt. Das erste passive Bauelement kann dann vorteilhaft wieder in den vorgegebenen ersten Anregungszustand zurückgeführt werden. Im Fall eines Kondensators kann dies beispielsweise durch Anschließen an eine Spannungsquelle und entsprechendes Aufladen des Kondensators erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es bei der beschriebenen Variante, wenn sich das erste passive Bauelement und das mindestens eine weitere passive Bauelement in Ihrer Charakteristik unterscheiden und/oder zumindest jeweils verschiedene vorgegebene Anregungszustände annehmen. Dadurch können nacheinander verschiedene Anregungssignale im Stromkreis erzeugt werden, die dann das Betriebssignal des zu untersuchenden Bauteils überlagern und somit unterschiedliche Messignale herbeiführen. Dadurch können zusätzliche Informationen über den Zustand des zu untersuchenden Bauteils gewonnen werden.
Es ist auch möglich, mehrere weitere passive Bauelemente nacheinander für jeweils ein vorgegebenes Messintervall in den Stromkreis zu schalten. Insbesondere vorteilhaft ist es, insgesamt 3, 4 oder 5 verschiedene passive Bauteile mit jeweils unterschiedlicher Charakteristik (Bezugsgröße, Zeitkonstanten, ... ) jeweils nacheinander in den Stromkreis zu schalten, und das jeweilige Messsignal zu detektieren. Dabei sind sowohl Kombinationen gleichartiger passiver Bauelemente möglich, also z.B. zwei oder mehr Kondensatoren mit verschiedener Charakteristik, als auch Kombinationen verschiedenartiger passiver Bauelemente miteinander, d.h. Kombinationen von Kondensator(en), Spulen und/oder Widerständen.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehreren verschiedenen passiven Bauelementen, können insbesondere auch verschieden lange Messintervalle nacheinander kombiniert werden. Die Länge der Messintervalle ist vorzugsweise an die Charakteristik der jeweiligen passiven Bauelemente angepasst. D.h. bei einem alternierend oder nacheinander durchgeführten Zuschalten verschiedener passiver Bauelemente, können unterschiedlich lange Messintervalle aufeinanderfolgen. Gemäß einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, ein und dasselbe passive Bauelement nacheinander in verschiedene Anregungszustände zu bringen und nacheinander mehrere Messungen ausgehend von verschiedenen Anregungszuständen durchzuführen. Demnach wird nach Ablauf des ersten (und/oder eines weiteren) Messintervalls, das erste passive Bauelement in einen vom ersten Anregungszustand abweichenden weiteren vorgegebenen Anregungszustand gebracht, und die Messung des Anregungssignals und des Messignals in einem weiteren Messintervall wiederholt, wobei sich das erste passive Bauelement zu Beginn des weiteren Messintervalls, in dem vom ersten Anregungszustand abweichenden weiteren Anregungszustand befindet. Mit dieser Variante können vorteilhaft verschiedene Anregungssignale und Messignale erzeugt werden, wobei zusätzliche Kosten für weitere passive Bauteile vermieden werden können.
Selbstverständlich können die beschriebenen Varianten auch miteinander kombiniert werden. Es können verschiedene passive Bauelemente kombiniert werden, die zusätzlich auch jeweils unterschiedliche Anregungszustände annehmen können.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können mit einem oder mehreren passiven Bauelementen zeitabhängige Anregungssignale im Stromkreis erzeugt werden und das Betriebssignal des zu untersuchenden Bauteils überlagern. Durch Auswerten einer zeitlichen Korrelation zwischen Anregungssignal und Messignal kann dann vorteilhaft auf ein Impedanzverhalten des zu untersuchenden Bauteils geschlossen werden.
Die oben beschriebenen Messungen können insbesondere vorteilhaft wiederholt durchgeführt werden. Dafür wird der jeweilige vorgegebene Anregungszustand für das passive Bauelement oder die passiven Bauelemente nach Ablauf ihrer jeweiligen vorgegebenen Messintervalle wieder hergestellt, bevor dann eine erneute Messung durchgeführt werden kann. Im Fall eines Kondensators erfolgt das beispielsweise durch Aufladen mit einer vorgegebenen Spannung, ein Widerstand wird beispielsweise auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden die Messungen mit einer bestimmten Wiederholfrequenz periodisch wiederholt durchgeführt. Im einfachsten Fall wird dafür ein erstes passives Bauelement jeweils periodisch wiederholt in seinen Anregungszustand gebracht, für die Dauer eines Messintervalls zur Erzeugung eines Anregungssignals in den Stromkreis geschaltet und nach dem Messintervall wieder in den Anregungszustand gebracht, bevor es wieder ein Anregungssignal im Stromkreis abgeben kann, und so weiter. Typische Wiederholfrequenzen können beispielsweise im Bereich zwischen 1 Hz und 10 kHz liegen, vorteilhaft etwa im Bereich von 1 kHz bis 3 kHz.
Durch die periodische Durchführung wird somit ein periodisches Anregungssignal im Stromkreis erzeugt. Vorzugsweise wird dann die zeitabhängige Messung des Anregungssignals und des Messignals nicht auf die einzelnen Messintervalle (zu denen das passive Bauelement in den Stromkreis zugeschaltet ist) beschränkt, sondern fortlaufend zumindest über mehrere Perioden weitergeführt. Das somit erhaltene gemessene Anregungssignal und Messignal ist somit ebenfalls periodisch mit der Wiederholfrequenz. Das Anregungssignal eines Kondensators entspricht dann beispielsweise periodischen Strompulsen, die den für den jeweiligen Kondensator charakteristischen Verlauf aufweisen.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Periode nicht nur aus einem einzelnen Anregungspuls, d.h. einem einzelnen Anregungssignal von nur einem passiven Bauelement besteht, sondern wenn mehrere verschiedene Anregungspulse kombiniert werden. Wie bereits oben beschrieben, kann dafür ein passives Bauelement nacheinander verschiedene Anregungspulse ausgehend von verschiedenen Anregungszuständen erzeugen, oder es können zwei oder mehr verschiedene passive Bauelemente jeweils nacheinander ein Anregungssignal abgeben. Grundsätzlich sind alle oben beschriebenen Kombinationen von Anregungssignalen und Messintervallen möglich. Eine Abfolge von mehreren Anregungspulsen bzw. Anregungssignalen und entsprechenden Messintervallen von einem oder mehreren passiven Bauelementen ergibt dann ein Anregungsmuster, welches dann vorzugsweise periodisch wiederholt wird.
Die beschriebene periodische Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht insbesondere vorteilhaft eine Auswertung des periodischen Anregungssignals und des periodischen Messignals mittels Fourier-Analyse oder anderer mathematischer Auswertungen hinsichtlich eines frequenzabhängigen Impedanzverhaltens des zu untersuchenden Bauteils.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung eine Messanordnung zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils, mit einem zu untersuchenden Bauteil, welches für ein vorgegebenes Messintervall in einem Stromkreis an einem vorgegebenen Betriebspunkt betreibbar ist. Der Stromkreis weist ferner mindestens ein passives Bauelement auf, welches zu Beginn des Messintervalls in einen vorgegebenen Anregungszustand bringbar ist, um während des Messintervalls ein Anregungssignal in dem Stromkreis abzugeben. Die Messanordnung umfasst außerdem mindestens ein Messgerät zum zeitabhängigen Messen eines Messsignals und/oder zum zeitabhängigen Messen des Anregungssignals während des Messintervalls, wobei sich das Messignal aus einer Überlagerung des Anregungssignals des passiven Bauelements und eines Betriebssignals des zu untersuchenden Bauteils ergibt. Insbesondere kann jeweils ein gesondertes Messgerät für die Messung des Messignals und ein Messgerät zur Detektion des Anregungssignals vorgesehen sein. Es können aber auch beide Messungen in einem Gerät vorgenommen werden.
Das Messignal und das Anregungssignal sind üblicherweise ein Stromverlauf und ein Spannungsverlauf im Stromkreis. Demnach ist das mindestens eine Messgerät vorzugsweise eingerichtet, eine an dem zu untersuchenden Bauteil anliegende Spannung und/oder einen Stromfluss in dem Stromkreis in Abhängigkeit von der Zeit zu erfassen. Vorzugsweise ist ein Strom messgerät und ein Spannungsmessgerät in dem Stromkreis enthalten. Die Messung von Strom und Spannung können auch in einem gemeinsamen Gerät durchgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung ist das passive Bauelement ein Kondensator, dessen vorgegebener Anregungszustand eine Aufladung mit einer vorgegebenen Spannung ist. Vorzugsweise ist der Kondensator durch Schließen eines ersten Schalters mit dem Stromkreis verbindbar, und durch Schließen eines zweiten Schalters mit einer Strom- und/oder Spannungsquelle verbindbar, um bei geschlossenem zweiten Schalter mit der vorgegebenen Spannung aufgeladen zu werden, und bei geöffnetem zweiten Schalter und geschlossenem ersten Schalter ein Entladesignal als Anregungssignal abzugeben. Das passive Bauelement ist dem zu untersuchendem Bauteil beispielsweise parallelgeschaltet.
Es ist auch möglich, einen oder mehrere Kondensatoren als Spannungs-Quelle oder Stromsenke zu nutzen. Die Lade- bzw. Entladekurve des/der verwendeten Kondensatoren beim Zu- bzw. Ausschalten aus dem Stromkreis, welcher die untersuchte Zelle im Betrieb hält, dient hierbei als Anregungssignal.
Das passive Bauelement kann auch eine Spule (Induktivität) oder ein elektrischer Widerstand sein. Bei einer Induktivität ist der vorgegebene Anregungszustand z.B. ein Magnetisierungszustand. Durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes oder mittels einer zweiten Spule außerhalb des Stromkreises kann die Induktivität in ihrer Charakteristik veränderbar sein, um einen veränderten Anregungszustand anzunehmen und/oder ein verändertes Anregungssignal in den Stromkreis abzugeben.
Dafür kann in der Messanordnung zusätzlich optional eine Anordnung zur Veränderung der Charakteristik des passiven Bauelementes oder des jeweiligen Anregungszustandes (z.B. Magnetisierung/Ladungszustand) vorgesehen sein. Diese Anordnung umfasst beispielsweise eine Spule, bzw. einen Elektromagneten oder eine Temperiereinrichtung zum Einstellen einer Temperatur eines passiven Bauteiles (z.B. eines Widerstandes).
Zusätzlich zu dem mindestens einen passiven Bauelement kann die erfindungsgemäße Messanordnung mindestens ein weiteres passives Bauelement aufweisen, welches alternativ zu bzw. abwechselnd mit dem ersten passiven Bauelement in den Stromkreis schaltbar ist und vorzugsweise eine von dem ersten passiven Bauelement verschiedene Charakteristik aufweist. Insbesondere können auch 3, 4, 5 oder mehrere passive Bauelemente vorhanden sein, die jeweils nacheinander in den Stromkreis geschaltet werden.
Es können auch zwei baugleiche passive Bauelemente vorgesehen sein, die jeweils abwechselnd in den Stromkreis geschaltet werden können und wieder in den Anregungszustand gebracht werden können. Somit können Anregungspulse in kürzeren zeitlichen Abständen erfolgen und die Messung beschleunigt werden.
Weiter umfasst die Messanordnung vorzugsweise eine Auswerteeinrichtung, welche es erlaubt, die gemessenen zeitabhängigen Anregungs- und Messignale hinsichtlich des Impedanzverhaltens auszuwerten, beispielsweise mittels einer Fourier Analyse, insbesondere mit einer Fast-Fourier-Transformation.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Messanordnung ist es möglich, ein Anregungssignal zu erzeugen, welches nicht vollsymmetrisch, aber periodisch wiederkehrend auf das zu untersuchende Bauteil aufgeprägt wird. Durch zyklisches Zu- oder Abschalten von mindestens einem passiven Bauelement zum untersuchten Stromkreis kann eine zyklische Anregung erzeugt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung eine Steuervorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche eingerichtet ist, eine erfindungsgemäße Messanordnung anzusteuern, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Vorzugsweise umfasst die Steuervorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Kommunikationsmittel um entsprechende Steuer- oder Schaltsignale an die jeweiligen Komponenten der Messanordnung, insbesondere an den oder die Schalter, an die Strom- bzw. Spannungsquelle und das mindestens eine Messgerät zu senden. Die Schalter und Strom-/Spannungsquelle, sowie das mindestens eine Messgerät sind dafür vorzugsweise über entsprechende Kommunikationsmittel, insbesondere elektronisch, steuerbar ausgestaltet. Das mindestens eine Messgerät kann aber auch in die Steuervorrichtung integriert sein.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt eine Auswertevorrichtung, welche eingerichtet ist, ein mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung erhaltenes Messsignal und Anregungssignal hinsichtlich einer zeitlichen Korrelation zwischen Anregungssignal und Messignal auszuwerten. Die Auswertevorrichtung umfasst vorzugsweise eine Recheneinheit mit einem Prozessor und ist eingerichtet, die zeitabhängigen Mess- und Anregungssignale über geeignete Kommunikationsmittel zu empfangen. Beispielsweise können auch das erste und zweite Messgerät in die Auswerteeinheit integriert sein. Die Auswertevorrichtung ist damit vorzugsweise eingerichtet, das Mess- und das Anregungssignal hinsichtlich eines Impedanzverhaltens des zu untersuchenden Bauteils hin auszuwerten.
Die Auswertevorrichtung und die beschriebene Steuervorrichtung können in einer Vorrichtung zusammengefasst sein, oder können als getrennte Vorrichtungen vorliegen. Vorzugsweise sind die Auswertevorrichtung und Steuervorrichtung als Komponente(n) im Fahrzeug vorgesehen. Sie können beispielsweise in eine Brennstoffzellensteuerung in einem Fahrzeug integriert sein. Vorteilhaft kann dann im Fahrzeug eine entsprechende Messung und Analyse der Brennstoffzelle vorgenommen werden. Dies kann z.B. zeitlich geplant (z.B. in regelmäßigen Abständen) oder bei Änderung bestimmter Betriebszustände geschehen (z.B. beim Abschaltvorgang).
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Figur 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Messanordnung;
Figur 2: ein Flussdiagramm zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsvariante; Figur 3: ein beispielhaftes Anregungssignal gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Figur 4: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Messanordnung.
In dem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung gemäß Figur 1 ist ein zu untersuchendes Bauteil 10 in einem Stromkreis 11 mit einer Last 16 verbunden. Ein erstes Messgerät 46 dient zur Messung der an dem zu untersuchende Bauteil 10 anliegenden, elektrischen Spannung. Ein zweites Messgerät 47 ist zur Messung des im Stromkreis fließenden, elektrischen Stromes vorgesehen. Ein erstes passives Bauelement 14 kann mittels eines ersten Schalters 41 dem zu untersuchenden Bauteil 10 parallel in den Stromkreis geschaltet werden. Über einen zweiten Schalter 44 kann das erste passive Bauelement 14, (beispielsweise ein Kondensator) mit einer (weiteren) Spannungsquelle 45 verbunden werden, um so mit einer Spannung aufgeladen und dadurch in einen vorgegebenen Anregungszustand gebracht zu werden.
In Figur 2 ist beispielhaft der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante gezeigt: In einem ersten Schritt 1 wird als zu untersuchendes Bauteil eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellenstapel bei einem konstantem Lastpunkt mit einer Last verbunden (z.B. eine Batterie, ein Fahrzeug-Antrieb, oder eine elektrische Last, etc.). Im zweiten Schritt 2 wird zur Anregung ein Kondensator geeigneter Größe (geeigneter Kapazität und Spannungsfestigkeit, Lade- und Entlade-Charakteristik) als passives Bauelement in seinen vorgegebenen Anregungszustand gebracht, d.h. mit einer festen Bezugsspannung vorgeladen (z.B. über ein 12V- Bordnetz im Fahrzeug oder 5V Spannungslage eines Steuergeräts etc.). In Schritt 3 wird zur Modulation des Brennstoffzellen-Stroms der Kondensator nun für ein vorgegebenes Messintervall parallel in den Stromkreis aus Brennstoffzelle und Last geschaltet (typischerweise bei z.B. 200V). Der Ladestrom (ergebend aus der Charakteristik des Kondensators und der Spannungsdifferenz zur Brennstoffzellen-Spannung) überlagert (in diesem Fall erhöht) den aktuellen Laststrom der Zelle. Nach Ablauf des Messintervalls (dessen Dauer beispielsweise dem 3 - 4-fachen der Zeitkonstante des Kondensators T entspricht) wird der Kondensator wieder aus dem Stromkreis herausgeschaltet (z.B. mittels eines Relais oder Transistor etc.). Optional kann danach in einem weiteren Schritt 4 seine Ladung über eine auf niedrigerem Spannungsniveau liegende Last, bzw. auf die Spannungsquelle aus Schritt 2 entladen werden. Vorzugsweise kann die enthaltene Energie beispielsweise zum Betrieb eines relevanten Verbrauchers (z.B. Steuergerät, 12V-Batterieladung, Beleuchtungsmodul, etc.) genutzt werden. Hierdurch wird möglichst wenig Energie aus der untersuchten Zelle verschwendet - dies erhöht die absolute Effizienz des Systems/Fahrzeugs.
Nun kann das Verfahren optional wiederholt werden. Dafür wird der Kondensator in Schritt 2 in den ursprünglichen Anregungszustand gebracht (vorkonditioniert). Nun kann er erneut in Schritt 3 für die Dauer eines Messintervalls in den Stromkreis geschaltet werden. Als bevorzugte Variante können mehrere Kondensatoren wechselnd zur Anregung zugeschaltet werden. Dies verringert die Messzeit (bzw. die Wartezeit bis zu einem erneuten Anregen des zu untersuchenden Bauteils) und erhöht die Effizienz der Analyse.
Besonders bevorzugt können mehrere unterschiedliche Kondensatoren (mit unterschiedlicher Charakteristik/Zeitkonstante) nacheinander oder periodisch alternierend zugeschaltet werden. Hierdurch werden unterschiedliche Anregungsformen erzeugt, die als Analogon zu verschiedenen Anregungsfrequenzen in klassischer Methode genutzt werden können.
Figur 3 zeigt exemplarisch ein Anregungssignal, welches von drei nacheinander zugeschalteten Kondensatoren erzeugt wird. In einem ersten Messintervall 12 ist ein erster Kondensator mit einem vorgegebenen Anregungszustand 15 zugeschaltet. Das sich ergebende Anregungssignal 13 hat eine bestimmte Charakteristik mit einer ersten Zeitkonstante. In einem drauffolgenden zweiten Messintervall 22 wird an Stelle des ersten Kondensators 14 ein zweiter Kondensator 24 (gezeigt in Figur 4) mit einem Anregungszustand 25 zugeschaltet. Anschließend wird an Stelle des zweiten Kondensators für ein drittes Messintervall 32 ein dritter Kondensator 34 (gezeigt in Figur 4) mit einem dritten Anregungszustand 35 zugeschaltet. Die drei Kondensatoren (14, 24, 34) können unterschiedliche Anregungszustände haben (hier nicht dargestellt) oder beispielsweise unterschiedliche Zeitkonstanten T. Dadurch unterscheidet sich die Charakteristik des Anregungssignals 13 zwischen den drei dargestellten Anregungspulsen. So ergeben sich in der Analyse des Messsignals (in diesem Beispiel die Betriebsspannung der Brennstoffzelle über die Zeit der Anregung gemessen) unterschiedliche Verläufe. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die Dauer des ersten, zweiten und dritten Messintervalls (12, 22, 32) zusammen einer Periodendauer 48. Danach kann erneut mit dem ersten Kondensator 14 und Messintervall 12 fortgefahren werden. Das somit erzeugte periodische Messignal und Anregungssignal kann anschließend mittels Fourier-Analyse oder anderer, geeigneter mathematischer Auswertung auf den Phasenverlauf - und damit auf das Impedanzverhalten - hin analysiert werden. Es ergeben sich abhängig vom Betriebs- und Funktionszustand des zu untersuchenden Bauteils charakteristische Signalantworten, die eine Deutung hinsichtlich Alterungs- oder "Gesundheitszustand" bzw. des aktuellen Betriebszustandes ermöglichen.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße Messanordnung mit drei passiven Bauelementen ist exemplarisch in Figur 4 gezeigt. Die Messanordnung gemäß Figur 4 unterscheidet sich gegenüber der in Figur 1 gezeigten Anordnung dadurch, dass drei verschiedene passive Bauelemente 14, 24, 34 vorgesehen sind, welche jeweils alternativ bzw. nacheinander oder auch gleichzeitig parallel mittels jeweiligen Schaltern 41 , 42, 43 dem zu untersuchenden Bauteil parallelgeschaltet werden können. Gleiche Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Figur 1. Parallel zu dem passiven Bauelement 14, welches über den Schalter 41 mit dem Schaltkreis verbindbar ist, sind die passiven Bauelemente 24, schaltbar über Schalter 42 und das passive Bauelement 34, schaltbar über Schalter 43 vorgesehen. Mit dem Schalter 40 können alle drei passiven Bauelemente 14, 24, 34 von dem Schaltkreis getrennt werden. Über den Schalter 44 sind sie mit der Strom- bzw. Spannungsquelle 45 verbindbar. Die drei passiven Bauelemente 14, 24, und 34 können gleichartige Bauelemente mit gleicher oder verschiedener Charakteristik sein. Es sind aber auch verschiedenartige Bauelemente möglich. Vorzugsweise werden die drei passiven Bauelemente 14, 24 und 34 alternierend in den Stromkreis 10 geschaltet, um jeweils für die Dauer eines Messintervalls 12, 22, 32 ein Anregungssignal abzugeben. Es kann aber auch sinnvoll sein, zwei oder mehrere passive Bauelemente gleichzeitig in den Schaltkreis 10 zu schalten, um ein gemeinsames Anregungssignal abzugeben. Durch die Schalter 41 , 42 und 43 können beliebige Kombinationen zwischen den drei passiven Bauelementen in den Stromkreis zugeschaltet werden. Somit können mit einer geringen Anzahl von passiven Bauelementen vorteilhaft unterschiedliche Anregungssignale erzeugt werden, und eine genauere Analyse des zu untersuchenden Bauteils ermöglichen. Eine Auswertevorrichtung 50 ermöglicht die Auswertung der gemessenen Messignale und Anregungssignale.
Bezugszeichenliste:
10. zu untersuchendes Bauteil
11 . elektrischer Stromkreis
12. erstes Messintervall
13. Anregungssignal
14. erstes passives Bauelement
15. vorgegebener erster Anregungszustand
16. Last
22. weiteres (zweites) Messintervall
24. zweites passives Bauelement
25. vorgegebener weiterer Anregungszustand
32. weiteres (drittes) Messintervall
34. drittes passives Bauelement
35. dritter vorgegebener Anregungszustand
40. Schalter 1
41 . Schalter erstes passives Bauelement
42. Schalter zweites passives Bauelement
43. Schalter drittes passives Bauelement
44. Schalter 2
45. Strom-/Spannungsquelle
46. erstes Messgerät
47. zweites Messgerät
48. Periode
50. Steuervorrichtung/Auswertevomchtung

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) mit den Schritten: a) Betreiben des zu untersuchenden Bauteils (10) in einem elektrischen Stromkreis (11 ) bei einem vorgegebenen Betriebspunkt für ein vorgegebenes erstes Messintervall (12); b) und während dieses ersten Messintervalls (12) detektieren eines Messsignals und eines Anregungssignals (13) im Stromkreis (11 ) in Abhängigkeit von der Zeit, wobei das Anregungssignal (13) ein Signal eines passiven Bauelementes
(14) in dem Stromkreis ist, welches sich zu Beginn des ersten Messintervalls
(12) in einem vorgegebenen ersten Anregungszustand (15) befindet, und sich das Messignal aus einer Überlagerung des Anregungssignals (13) des passiven Bauelements (14) und eines Betriebssignals des zu untersuchenden Bauteils (10) ergibt.
2. Verfahren zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß Anspruch 1 , mit den weiteren Schritten: c) Zuschalten mindestens eines weiteren passiven Bauelements (24, 34) nach Ablauf des ersten Messintervalls (12) für ein vorgegebenes weiteres Messintervall (22, 32), wobei sich das mindestens eine weitere passive Bauelement (24, 34) zu Beginn des weiteren Messintervalls (22, 32) in einem vorgegebenen weiteren Anregungszustand (25, 35) befindet, und d) detektieren des Messsignals und des Anregungssignals im Stromkreis in Abhängigkeit von der Zeit über das weitere Messintervall (22, 32).
3. Verfahren zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß Anspruch 2, wobei sich das passive Bauelement (14) und das mindestens eine weitere passive Bauelement (24, 34) in Ihrer Charakteristik unterscheiden und/oder jeweils verschiedene vorgegebene Anregungszustände (15, 25, 35) aufweisen. 4. Verfahren zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den weiteren Schritten: e) nach Ablauf des ersten und/oder des weiteren Messintervalls (12, 22): Bringen des passiven Bauelements (14) in einen vom ersten Anregungszustand (15) abweichenden weiteren vorgegebenen Anregungszustand (25, 35), und wiederholen der Schritte a) und b), wobei sich das erste passive Bauelement (14) zu Beginn des weiteren Messintervalls (22, 32) in dem vom ersten Anregungszustand (15) abweichenden weiteren Anregungszustand (25, 35) befindet.
5. Verfahren zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den weiteren Schritten: f) Auswerten des Messignals auf ein Impedanzverhalten des zu untersuchenden Bauteils (10) durch Auswertung einer zeitlichen Korrelation zwischen Anregungssignal (13) und Messignal.
6. Verfahren zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte a), und b), sowie optional zusätzlich c), und d) und/oder e) periodisch wiederholt durchgeführt werden.
7. Verfahren zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß Anspruch 6, wobei das zeitabhängige Messignal mittels Fourier-Analyse oder anderer mathematischer Auswertung hinsichtlich eines frequenzabhängigen Impedanzverhaltens ausgewertet wird.
8. Messanordnung zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10), mit einem zu untersuchenden Bauteil (10) in einem Stromkreis (11 ), welches für ein vorgegebenes Messintervall (12, 22) in einem vorgegebenen Betriebspunkt betreibbar ist, wobei der Stromkreis (11 ) ferner aufweist: - mindestens ein passives Bauelement (14, 24), welches zu Beginn des Messintervalls (12, 22) in einen vorgegebenen Anregungszustand (15, 25) bringbar ist, um während des Messintervalls (12, 22) ein Anregungssignal (13) in dem Stromkreis (11 ) abzugeben,
- Mindestens ein Messgerät (46, 47) zum Messen eines Messsignals und/oder zum Messen des Anregungssignals (13) in Abhängigkeit von der Zeit während des Messintervalls (12, 22), wobei sich das Messignal aus einer Überlagerung des Anregungssignals (13) des passiven Bauelements (14, 24) und eines Betriebssignals des zu untersuchenden Bauteils (10) ergibt.
9. Messanordnung zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß Anspruch 8, wobei das mindestens eine Messgerät (46, 47) eingerichtet ist, eine an dem zu untersuchenden Bauteil (10) anliegende Spannung und/oder einen Stromfluss in dem Stromkreis (11 ) in Abhängigkeit von der Zeit zu erfassen.
10. Messanordnung zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei das passive Bauelement (14, 24) ein Kondensator ist, dessen vorgegebener Anregungszustand (15, 25) eine Aufladung mit einer vorgegebenen Spannung ist.
11 . Messanordnung zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß Anspruch 10, wobei der Kondensator (14) durch Schließen eines ersten Schalters (40) mit dem Stromkreis (11 ) verbindbar ist, und durch Schließen eines zweiten Schalters (44) mit einer Strom- und/oder Spannungsquelle (46) verbindbar ist, um bei geschlossenem zweiten Schalter (44) mit einer Spannung aufgeladen zu werden, und bei geöffnetem zweiten Schalter (44) und geschlossenem ersten Schalter (40) ein Anregungssignal (13) abzugeben. 12. Messanordnung zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei das mindestens eine passive Bauelement (14, 24) dem zu untersuchendem Bauteil (10) parallelgeschaltet ist.
13. Messanordnung zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei das passive Bauelement (14) eine Spule ist, deren vorgegebener Anregungszustand ein vorgegebener Magnetisierungszustand ist.
14. Messanordnung zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß Anspruch 13, wobei die Spule durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes in einen veränderten Anregungszustand bringbar ist.
15. Messanordnung zur Diagnostik eines zu untersuchenden Bauteils (10) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Messanordnung mindestens ein weiteres passives Bauelement (24, 34) aufweist, welches alternativ zu dem ersten passiven Bauelement (14) in den Stromkreis (11 ) schaltbar ist und eine von dem ersten passiven Bauelement (14) verschiedene Charakteristik aufweist.
16. Steuervorrichtung (50), welche eingerichtet ist, eine Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 15 anzusteuern, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
17. Auswertevorrichtung (50), welche eingerichtet ist, ein mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder mit einer Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 15 erhaltenes Messsignal auf ein Impedanzverhalten des zu untersuchenden Bauteils (10) hin auszuwerten.
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