WO2022175046A1 - Verfahren und vorrichtung zur ausfallvorhersage eines elektrisch angetriebenen verdichters oder turboladers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ausfallvorhersage eines elektrisch angetriebenen verdichters oder turboladers Download PDF

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Definitions

  • a further preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the rotor oscillations are detected with the aid of changes in capacitance of a capacitor formed via a bearing surface with a running surface of the rotor. In this way, the use of expensive sensors that would otherwise be required can advantageously be dispensed with.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the electrically driven compressor from FIG. 1 in longitudinal section
  • FIGS. 3 to 5 there is a Cartesian coordinate diagram with an X-axis 131; 141; 151 and a y-axis 132; 142; 152 shown.
  • On the x-axis 131; 141; 151 is a rotor speed in kilo revolutions per minute.
  • On the y-axis 132; 142 is an amplitude of Rotor vibrations plotted.
  • a radius-related orbit amplitude is plotted on the y-axis 152 .
  • the sensor 121 is an acceleration sensor which is arranged on the outside of the housing 101 radially outside of the compressor wheel 107 .
  • the sensor 122 is attached to the compressor wheel 107 .
  • the sensor 123 is attached to the bearing 106 .
  • the data recorded by the sensors 121, 122, 123 are transmitted to the control unit of the fuel cell system. In the case of the sensor 122, this is preferably done wirelessly.
  • the vibration signals detected by the sensors 121, 122, 123 are subjected to a trend and fluctuation analysis in real time in the form of time series. By analyzing the signal noise, a state change in the vibration behavior of the rotor, which indicates a sudden failure, can be detected in good time.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausfallvorhersage eines elektrisch angetriebenen Verdichters (18) in einem Brennstoffzellensystem (10), wobei der Verdichter (18) einen Rotor umfasst, der in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Um unerwünschte Ausfälle im Betrieb des elektrisch angetriebenen Verdichters (18) zu vermeiden, werden im Betrieb des Verdichters (18) auftretende Rotorschwingungen erfasst, wobei ein zusammen mit Schwingungsdaten erfasstes Signalrauschen in Echtzeit dahingehend analysiert wird, dass eine kritische Zustandsänderung, die auf einen zu erwartenden Ausfall des Verdichters (18) hindeutet, erkannt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Ausfallvorhersage eines elektrisch angetriebenen
Verdichters oder Turboladers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausfallvorhersage eines elektrisch angetriebenen Verdichters in einem Brennstoffzellensystem, wobei der Verdichter einen Rotor umfasst, der in einem Gehäuse drehbar gelagert ist.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 224052 Al sind Brennstoffzellensysteme mit Verdichtern bekannt. Bei Brennstoffzellensystemen oder Brennkraftmaschinen wird beispielsweise zur Erhöhung der Leistung die Luftfüllung in einem Brennraum der Brennstoffzelle oder der Brennkraftmaschine durch den Einsatz eines elektrisch angetriebenen Verdichters oder eines Turboladers, erhöht. Der Druck, mit dem die Luft in den Brennraum der Brennstoffzelle oder der Brennkraftmaschine gepresst wird, wird auch als Ladedruck bezeichnet und im Allgemeinen in der Nähe des Brennraums von einem Drucksensor gemessen. Das Drucksignal wird einem geschlossenen Regelkreis zugeführt, welcher den Verdichter steuert und so einen gewünschten Ladedruck einstellt.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, unerwünschte Ausfälle im Betrieb eines elektrisch angetriebenen Verdichters in einem Brennstoffzellensystem, wobei der Verdichter einen Rotor umfasst, der in einem Gehäuse drehbar gelagert ist, zu vermeiden. Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zur Ausfallvorhersage eines elektrisch angetriebenen Verdichters oder Turboladers in einem Brennstoffzellensystem, wobei der Verdichter einen Rotor umfasst, der in einem Gehäuse drehbar ist, dadurch gelöst, dass im Betrieb des Verdichters auftretende Rotorschwingungen erfasst werden, wobei ein zusammen mit Schwingungsdaten erfasstes Signalrauschen in Echtzeit dahingehend analysiert wird, dass eine kritische Zustandsänderung, die auf einen zu erwartenden Ausfall des Verdichters hindeutet, erkannt wird. Verschleiß oder andere Alterungserscheinungen könnten durch erhöhte Schwingungsamplituden, insbesondere durch Berührungen zwischen einem Verdichterrad und dem Gehäuse, zum Ausfall des elektrisch angetriebenen Verdichters und damit zum Ausfall des gesamten Brennstoffzellensystems führen. Aufgrund des Kostendrucks in der Automobilindustrie, wo das Brennstoffzellensystem bevorzugt eingesetzt wird, kommen teuere Sensoren und Überwachungselektroniken, wie sie bei größeren Turbomaschinen verwendet werden, zur Vermeidung von unerwünschten Ausfällen nicht in Frage. Bei herkömmlichen Messungen der Schwingungsamplituden wird ein meist unvermeidbares Signalrauschen nicht weiter beachtet oder herausgefiltert. Bei dem beanspruchten Verfahren wird das Signalrauschen nicht herausgefiltert, sondern bei der Analyse gezielt genutzt, um kritische Zustandsänderungen zu prognostizieren. Wenn eine kritische Zustandsänderung erkannt wird, dann kann eine rechtzeitige Wartung des Verdichters veranlasst und durchgeführt werden. Entsprechende Signale oder Benachrichtigungen werden über ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems erzeugt und/oder ausgegeben. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistung des Verdichters und gegebenenfalls des Brennstoffzellensystems über das Steuergerät herabgesetzt werden, um einen Notlaufbetrieb eines mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Kraftfahrzeugs sicherzustellen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschwingungen in Zeitreihen erfasst werden, die einer Trend- und Fluktuationsanalyse unterzogen werden. Dabei werden vorteilhaft alle erfassten Schwingungssignale inklusive des Signalrauschens analysiert, um einen Ausfall rechtzeitig vorherzusagen. So können geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um den unerwünschten Ausfall sicher zu vermeiden. Die Analyse der Schwingungsdaten kann insbesondere durch moderne statistische Methoden in Echtzeit geschehen. Durch die Analyse des Signalrauschens kann eine Zustandsänderung, die auf einen plötzlichen Ausfall hindeutet, rechtzeitig erkannt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschwingungen mit Hilfe von Beschleunigungssensoren erfasst werden. Die Beschleunigungssensoren sind kostengünstig verfügbar. Wenn die Beschleunigungssensoren an geeigneten Stellen, zum Beispiel am Verdichtergehäuse oder den Lagern, platziert werden, dann können die Schwingungssignale kostengünstig erfasst werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschwingungen mit Hilfe von hochfrequenten elektrischen Signalen eines elektrischen Antriebsmotors des Rotors erfasst werden. Diese hochfrequenten elektrischen Signale des elektrischen Antriebsmotors beziehungsweise eines dem elektrischen Antriebsmotor zugeordneten Inverters werden bereits zum Teil in herkömmlichen Brennstoffzellensystemen erfasst. Aufgrund von magnetischen Wechselwirkungen zwischen einem Magneten im Rotor und Spulen des elektrischen Antriebs können die hochfrequenten elektrischen Signale des elektrischen Antriebsmotors effektiv genutzt werden, um Rückschlüsse auf mechanisch verursachte Schwingungsänderungen im Betrieb des Verdichters zu ziehen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschwingungen mit Hilfe von Kapazitätsänderungen eines über eine Lagerfläche mit einer Lauffläche des Rotors gebildeten Kondensators erfasst werden. So kann vorteilhaft auf den Einsatz ansonsten benötigter teuerer Sensoren verzichtet werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsdaten zusammen mit dem Signalrauschen hochfrequent in regelmäßigen Abständen und für eine kurze Dauer von weniger als einer zehntel Sekunde pro Minute aufgezeichnet werden. So kann zum einen eine ausreichende Überwachung des Schwingungsverhaltens des Rotors des elektrisch angetriebenen Verdichters im Betrieb des Brennstoffzellensystems sichergestellt werden. Darüber hinaus bleibt die bei der Überwachung anfallende Datenmenge auch mit herkömmlichen Datenverarbeitungsmitteln handhabbar.
Bei einer Vorrichtung zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass dem Verdichter mindestens eine Sensoreinrichtung zugeordnet ist, mit der die im Betrieb des Verdichters auftretenden Rotorschwingungen erfasst werden und die signalübertragungsmäßig mit einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems verbunden ist. Die Sensoreinrichtung umfasst mindestens einen Sensor, mit welchem Rotorschwingungen direkt oder indirekt erfasst werden können. Je nach Sensorausführung kann eine Signalübertragung zwischen dem Sensor, der zum Beispiel am Verdichtergehäuse angebracht ist, auch kontaktlos beziehungsweise berührungslos erfolgen. Dann ist es sogar möglich, den Sensor oder ein Teilelement des Sensors, direkt am Rotor anzubringen. Die Sensoreinrichtung umfasst gemäß einem weiteren Aspekt mehrere Sensoren, welche zum Beispiel Abstandsänderungen zwischen dem Rotor und dem Gehäuse, insbesondere zwischen einem Verdichterrad und dem Gehäuse, in lateraler Richtung, das heißt quer zur Drehachse des Rotors, erfassen. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass kostengünstige Sensoren verwendet werden können, um die Rotorschwingungen zu erfassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung mindestens einen Beschleunigungssensor umfasst, der radial außerhalb eines Verdichterrads an dem Gehäuse des Verdichters angeordnet ist. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass die Sensoreinrichtung über herkömmliche Signalleitungen mit dem Steuergerät des Brennstoffzellensystems verbunden werden kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung mindestens einen Beschleunigungssensor umfasst, der mindestens einem der Lager des Verdichters zugeordnet ist. So kann der Sensor mit relativ geringem Aufwand effektiv angebracht werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Recheneinheit, die durch ein auf einem Datenträger gespeichertes Computerprogramm dazu eingerichtet ist, ein vorab beschriebenes Verfahren durchzuführen. Die Recheneinheit ist zum Beispiel im Steuergerät des Brennstoffzellensystems angeordnet.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein vorab beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird. Das maschinenlesbare Speichermedium ist separat handelbar.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter;
Figur 2 eine schematische Darstellung des elektrisch angetriebenen Verdichters aus Figur 1 im Längsschnitt; und die
Figuren 3 bis 5 drei kartesische Koordinatendiagramme, die dazu dienen, ein Verfahren zur Ausfallvorhersage des elektrisch angetriebenen Verdichters in dem Brennstoffzellensystem zu veranschaulichen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur 1 zeigt ein herkömmliches Brennstoffzellensystem 10. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12, eine Luftzuführungsleitung 14, eine Abgasleitung 16, einen Verdichter 18, eine Abgasturbine 20, ein Bypassventil 22 zur Druckabsenkung und eine nicht näher gezeigte Zuführungsleitung für Brennstoff zu der Brennstoffzelle 12. Das Bypassventil 22 kann beispielsweise eine Regelklappe sein.
Die Brennstoffzelle 12 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über die nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt, das bei der hier gezeigten Ausführungsform Ansaugluft ist, die über die Luftzuführungsleitung 14 der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird.
Der Brennstoff kann Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf oder Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Brennstoffzelle 12 ist beispielsweise eingerichtet, eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Beispielsweise treibt die durch die Brennstoffzelle 12 erzeugte elektrische Energie einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs an.
Der Verdichter 18 ist in der Luftzuführungsleitung 14 angeordnet. Die Abgasturbine 20 ist in der Abgasleitung 16 angeordnet. Der Verdichter 18 und die Abgasturbine 20 sind über eine Welle 24 mechanisch verbunden. Die Welle 24 ist von einer Antriebsvorrichtung 26 elektrisch antreibbar. Die Antriebsvorrichtung 26 wird auch als elektrischer Antrieb 26 bezeichnet. Dabei handelt es sich zum Beispiel um einen Elektromotor.
Die Abgasturbine 20 dient der Unterstützung der Antriebsvorrichtung 26 zum Antreiben des Verdichters 18. In der Luftzuführungsleitung 14 sind ein Luftmassenmesser 28 und ein Drucksensor 30 stromaufwärts des Verdichters 18 und/oder ein Drucksensor 32 stromabwärts des Verdichters 18 angeordnet. Der Luftmassenmesser 28 und der Drucksensor 30 sind rein optional, so dass das nachstehend ausführlich beschriebene Verfahren ohne diese ausführbar ist. Der Verdichter 18, die Welle 24 und die Abgasturbine 20 bilden zusammen einen Turbolader 34, der Teile eines Luftsystems 38 des Brennstoffzellensystems 10 ist. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 10 ein Regelungsgerät oder Steuerungsgerät beziehungsweise Steuergerät 36, das auch verkürzt als Steuerung oder Regelung 36 bezeichnet werden kann. Das Regelungsgerät 36 ist eingerichtet zum Durchführen eines nachfolgend ausführlich beschriebenen Verfahrens.
In Figur 2 ist ein Verdichter 100 eines Brennstoffzellensystems schematisch dargestellt. Der Verdichter 100 umfasst ein Gehäuse 101, in welchem ein Elektromotor 102 angeordnet ist. Der Elektromotor 102 dient zum Antrieb eines Rotors 103 des Verdichters 100.
Der Rotor 103 des Verdichters 100 ist mit Hilfe von zwei Radial-Gaslagern 104, 105 radial in dem Gehäuse 101 gelagert. Zur axialen Lagerung des Rotors 103 dient ein Axial-Gaslager 106.
An dem in Figur 2 linken Ende des Rotors 103 ist ein Verdichterrad 107 angebracht. Das Verdichterrad 107 dient zur Verdichtung von Luft, die in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, wenn das Verdichterrad 107 über den Rotor 103 durch den Elektromotor 102 angetrieben wird.
Die Gaslager 104, 105; 106 umfassen jeweils einen Gehäusekörper 108, 109; 110. Der Rotor 103 umfasst zwei Rotorabschnitte, die auch als Rotorkörper 111, 112 bezeichnet werden, mit denen der Rotor 103 in den Radial-Gaslagern 104, 105 radial gelagert ist.
Der Rotor 103 umfasst darüber hinaus einen Rotorbund, der auch als Rotorkörper 113 bezeichnet wird. Über den Rotorkörper 113 ist der Rotor 103 durch das Axial-Gaslager 106 axial in dem Gehäuse 101 gelagert. Der Rotorkörper 113 wird auch als Rotorscheibe bezeichnet.
In den Figuren 3 bis 5 ist jeweils ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer X-Achse 131; 141; 151 und einer y-Achse 132; 142; 152 dargestellt. Auf der x- Achse 131; 141; 151 ist jeweils eine Rotordrehzahl in Kiloumdrehungen pro Minute aufgetragen. Auf der y-Achse 132; 142 ist eine Amplitude der Rotorschwingungen aufgetragen. Auf der y-Achse 152 ist eine radiusbezogene Orbitamplitude aufgetragen.
In Figur 3 ist gezeigt, wie sich die Orbitamplitude 132 im Betrieb des Rotors über der Drehzahl 131 ändert. Durch ein Symbol 133 ist ein normaler Schwingungszustand mit einem linearen Orbit angedeutet.
In Figur 4 ist gezeigt, dass die Orbitamplitude 142 einen kritischen Bereich 145 erreicht. Hier kann der Rotor beziehungsweise das Verdichterrad in Kontakt mit dem Gehäuse des Verdichters kommen. Durch ein Symbol 144 ist ein anormaler oder kritischer Schwingungszustand symbolisiert, der mit Hilfe des beanspruchten Verfahrens erfasst und erkannt wird.
In Figur 5 sieht man an den erfassten Schwingungsamplituden 152, dass sich der Rotor mit dem Verdichterrad zwischen achtzigtausend und einhundertzwanzigtausend Umdrehungen pro Minute schwingungstechnisch normal verhält. In diesem Drehzahlbereich sieht man auch ein Signalrauschen 154. Bei 155 ist angedeutet, das oberhalb von einhundertzwanzigtausend Umdrehungen pro Minute ein kritischer Zustand erreicht wird.
Das Signalrauschen 154 aus Figur 5 wird mit dem beanspruchten Verfahren gezielt analysiert, um kritische Zustände vorzeitig zu erkennen. Im Betrieb des Verdichters kann dieser stundenlang normal arbeiten. Dabei wird das Signalrauschen 154 in definierten Zeitabständen erfasst und analysiert. Mit Hilfe einer Zeitreihenanalyse werden zum Beispiel Beschleunigungssignale im Betrieb des Verdichters aufgenommen, um daraus auf einen zu erwartenden kritischen Schwingungszustand des Rotors zu schließen.
In Figur 2 sind symbolisch drei Sensoren 121, 122, 123 angedeutet. Bei dem Sensor 121 handelt es sich um einen Beschleunigungssensor, der außen an dem Gehäuse 101 radial außerhalb des Verdichterrads 107 angeordnet ist. Der Sensor 122 ist am Verdichterrad 107 angebracht. Der Sensor 123 ist an dem Lager 106 angebracht. Die mit den Sensoren 121, 122, 123 erfassten Daten werden an das Steuergerät des Brennstoffzellensystems übermittelt. Im Fall des Sensors 122 erfolgt dies vorzugsweise kabellos. Die mit den Sensoren 121, 122, 123 erfassten Schwingungssignale werden in Echtzeit in Form von Zeitreihen einer Trend- und Fluktuationsanalyse unterzogen. Durch die Analyse des Signalrauschens kann eine Zustandsänderung im Schwingungsverhalten des Rotors, die auf einen plötzlichen Ausfall hindeutet, rechtzeitig erkannt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ausfallvorhersage eines elektrisch angetriebenen Verdichters oder Turboladers (18;100) in einem Brennstoffzellensystem (10), wobei der Verdichter (18;100) einen Rotor (103) umfasst, der in einem Gehäuse (101) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Verdichters (18;100) auftretende Rotorschwingungen erfasst werden, wobei ein zusammen mit Schwingungsdaten erfasstes Signalrauschen (154) in Echtzeit dahingehend analysiert wird, dass eine kritische Zustandsänderung (155), die auf einen zu erwartenden Ausfall des Verdichters (18;100) hindeutet, erkannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschwingungen in Zeitreihen erfasst werden, die einer Trend- und Fluktuationsanalyse unterzogen werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschwingungen mit Hilfe wenigstens eines Beschleunigungssensors (121) erfasst werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschwingungen mit Hilfe von hochfrequenten elektrischen Signalen eines elektrischen Antriebsmotors (102) des Rotors (103) erfasst werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschwingungen mit Hilfe von Kapazitätsänderungen eines über eine Lagerfläche mit einer Lauffläche des Rotors (103) gebildeten Kondensators erfasst werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsdaten zusammen mit dem Signalrauschen (154) hochfrequent in regelmäßigen Abständen und für eine kurze Dauer von weniger als einer zehntel Sekunde pro Minute aufgezeichnet werden.
7. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter (18:100) mindestens eine Sensoreinrichtung zugeordnet ist, mit der die im Betrieb des Verdichters (18;100) auftretenden Rotorschwingungen erfasst werden und die signalübertragungsmäßig mit einem Steuergerät (36) des Brennstoffzellensystems(lO) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sensoreinrichtung mindestens einen Beschleunigungssensor (121) umfasst, der radial außerhalb eines Verdichterrads (107) an dem Gehäuse (101) des Verdichters (100) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung mindestens einen Beschleunigungssensor (123) umfasst, der mindestens einem der Lager (104,105,106) des Verdichters (100) zugeordnet ist.
10. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen, wenn es auf der
Recheneinheit ausgeführt wird.
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