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Dokumentenidentifikation DE102005020821A1 22.12.2005
Titel Verfahren zur vereinfachten Echtzeitdiagnose unter Verwendung adaptiver Modellierung
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Nitsche, Christof, Dipl.-Ing., Davis, Calif., US;
Schroedl, Stefan, San Francisco, Calif., US;
Weiss, Wolfgang, Gold River, Calif., US
DE-Anmeldedatum 04.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005020821
Offenlegungstag 22.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.12.2005
IPC-Hauptklasse G05B 23/02
IPC-Nebenklasse B60L 11/18   
Zusammenfassung Ein Verfahren zur bordeigenen Echtzeitdiagnose eines mobilen technischen Systems mittels einer adaptiven Technik, um sich stationären Kennlinien, die aus einem Prüfstandtest hervorgegangen sind, anzunähern. Diese adaptive Technik verwendet beobachtete nicht-stationäre Daten, die während eines normalen Fahrbetriebes gewonnen wurden, um Vermengungsvariablen auszuschalten.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft die bordeigene Echtzeitdiagnose von mobilen technischen Systemen.

Um in Fahrzeugsystemen Störungen zu ermitteln oder Alterungsprozesse zu beobachten, wird das System normalerweise in eine Werkstatt gebracht, wo unter zuvor festgelegten und kontrollierten Bedingungen das Verhalten getestet werden kann. Konstruktionstoleranzen und Bezugsparameter können dann mit gemessenen Variablen verglichen werden, um zu einer genauen Schätzung nicht nur einzelner Prüfpunkte, sondern auch der Funktion und des Verschleißes des Systems insgesamt zu gelangen.

Ein Verbrennungsmotor kann durch eine Drehzahl-Drehmoment-Kurve charakterisiert werden. Ein entsprechendes Analysewerkzeug für einen Brennstoffzellen-Antriebsstrang ist eine Polarisationskurve, wie sie in 2 zu sehen ist. Diese Polarisationskurve zeigt die Auswirkung des Entladestroms aus einem Brennstoffzellensystem auf die Zellenspannung und die Zellenleistung. Die Kurve wird gewöhnlich anhand eines speziell ausgearbeiteten Dynamometertestzyklus' ermittelt, wobei Strom und Spannung an zuvor festgelegten statischen Lastpunkten aufgezeichnet werden. Die Polarisationskurve, wie sie in 2 zu sehen ist, ergibt sich aus einer Interpolierung solcher statischer Lastpunkte.

Die vorliegende Erfindung ist ein Resultat der Erkenntnis, dass die Realisierung dieser Diagnose einer bordeigenen Komponente in Echtzeit während des normalen Fahrbetriebes ein wertvolles Hilfsmittel nicht nur für Kunden und Außendiensttechniker, sondern auch für Entwicklungsingenieure wäre. Die Möglichkeit einer Echtzeitdiagnose würde zu geringeren Wartungskosten, einer schnelleren Problemlösung und kürzeren Konstruktionszyklen führen. Es ist ebenso erkannt worden, dass die Aufgabe einer solchen Online-Diagnose sehr komplex ist, wobei ein Haupthindernis die Bandbreite der variierenden dynamischen Einflüsse ist. Bei Brennstoffzellenstapeln beispielsweise führen die Betriebstemperatur, die Luft-Wasserstoffgastemperaturen und – drücke im Inneren des Stapels und die Aufzeichnungen von Brennstoffzellenspannung und -strom zu einem Maß an Ungewissheit bezüglich der Messpunkte anstatt zu fest umrissenen Punkten, die bei zuvor festgelegten statischen Lasten aufgezeichnet werden. Dieser Vergleich ist in 3 zu sehen, wo Testdaten, die unter Prüfstandbedingungen gewonnen wurden, mit Daten verglichen werden, die während des normalen Fahrbetriebes gewonnen wurden.

Dieses Maß an Ungewissheit bezüglich der Faktoren kann sowohl der äußeren Umgebung als auch den Kontrollstrategien unterschiedlicher Systemkomponenten zugeschrieben werden. Das System befindet sich selten im Gleichgewicht. Beispielsweise hängt die Polarisation einer Brennstoffzelle nicht nur vom jeweils anliegenden Lastbedarf ab, sondern auch vom Druck auf der Luft- und Wasserstoffseite. Des Weiteren verhält sich das System am selben Punkt im Lastdiagramm während positiver und negativer Lastwechsel ganz unterschiedlich.

Infolgedessen ist die Aufgabe einer bordeigenen Diagnose aufgrund einer Reihe von Vermengungsvariablen deutlich komplexer als die stationäre Diagnose.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bordeigene Diagnose eines solchen Systems in Echtzeit während des normalen Fahrbetriebes bereitzustellen, die zu niedrigeren Wartungskosten, schnelleren Reaktionszeiten für die Problemlösung und kürzeren Konstruktionszyklen führt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden bekannte adaptive Techniken angewendet, um statische Kennlinien wie beispielsweise jene, die man in einer Testeinrichtung einer Werkstatt beobachtet, anhand beobachteter, nicht-stationärer täglicher Fahrdaten zu schätzen. Infolgedessen werden die oben erwähnten Vermengungsvariablen durch eine resultierende geschätzte Kennlinie ersetzt, die mit einer Referenzkurve verglichen werden kann.

Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor.

Dabei zeigen:

1 veranschaulicht eine Systemarchitektur für eine Echtzeitdiagnose gemäß der vorliegenden Erfindung.

2 ist eine Polarisationskurve, welche die Auswirkung des Entladestroms von einer Brennstoffzelle auf die Zellenspannung und den Zellenstrom veranschaulicht.

3 veranschaulicht einen Vergleich der Brennstoffzellenspannung und des Brennstoffzellenstroms zwischen einer Fahrzyklusmessung unter realen Bedingungen und einer stationären Testmessung.

4 veranschaulicht einen Vergleich von Daten aus einem stationären Test und von einer Vorhersage durch ein neurales Netz während des Fahrbetriebes unter realen Bedingungen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform:

Das Referenzmodell 11 von 1 enthält eine Designspezifikation für ein Referenzverhalten der Fahrzeugkomponente 7 in Form von vorgeschriebenen Ausgabevariablen 6, die beispielsweise die Brennstoffzellenleistung beinhalten können, als eine Funktion einer Anzahl unabhängiger und/oder Eingabevariablen 1. Beispiele für diese unabhängigen Eingabevariablen sind Gasdrücke und Gasströme. Während des normalen Fahrbetriebes verwischt eine Anzahl zusätzlicher Vermengungsvariablen 2, wie beispielsweise die Außentemperatur, die klare Funktionsbeziehung, die bestehen würde, wenn das Gerät unter Prüfstandbedingungen in der Werkstatt getestet werden würde.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, das Eingabe-Ausgabe-Verhalten der unter den Referenzeingabebedingungen arbeitenden Fahrzeugkomponente anhand ihres momentan beobachteten Verhaltens unter variierenden Umweltbedingungen zu schätzen. Das Diagnosemodul 10 hat die Funktion, unter Verwendung einer solchen Vorhersagekurve die erkannten Abweichungen von der gespeicherten Idealkurve zu verringern. Die Erkennung dieser Abweichungen erfolgt durch die adaptive Modulkomponente 8, die mittels einer beliebigen aus einer Reihe von einschlägig bekannten Maschinenlern techniken implementiert wird, wie sie beispielsweise in Principles of Data Mining (Adaptive Computation and Machine Learning) von David J. Hart et al und Data Mining: Practical Machine Learning Tools and Techniques with Java Implementation von Ian H. Witten und Eibe Franks beschrieben sind. Allgemein ausgedrückt, kann die Lernkomponente auf einem Modell oder auf einer Blackbox basieren oder ein Hybrid zwischen diesen beiden Extremen sein. Die modellgestützte Diagnose hat oft Schwierigkeiten mit komplexen technischen Systemen, weil es selbst mit einer kompletten Spezifikation problematisch ist, die große Anzahl von Parametern feinabzustimmen, um beobachtete Abhängigkeiten realistisch zu erfassen. Die vorliegende Erfindung verwendet einen Lösungsansatz, der mit einer Allzweckfunktionsmodellierung mit einer informierten Auswahl der relevanten Eingabe- und Ausgabeattribute arbeitet. Mittels adaptiver Kurvenpassungstechniken ist es daher auf diesem Wege möglich, die Kennlinien eines Systems zu erfassen und dabei den zusätzlichen Nutzen zu haben, dass sie in mehrdimensionalen Räumen sowie für kontinuierliche Bandbreiten aller Eingabevariablen verwendet werden können. In einer besonderen Ausführungsform für Brennstoffzellenanwendungen verwendet die vorliegende Erfindung die Klasse der dreischichtigen neuralen Zubringernetzwerke.

In die Lernkomponente werden nicht nur die unabhängigen Kennvariablen 1, sondern auch die Vermengungsvariablen 2 (wie beispielsweise die Außentemperatur) eingespeist. Das System ist in der Lage, ein Online-Lernszenario anzunehmen, wo Schulungs- und Diagnosephasen mittels des Schalters 5 miteinander verwoben werden. Das adaptive Modell 8 beobachtet unablässig das momentane Eingabe-Ausgabe-Verhalten mit dem Differenzkomparator 14, wodurch die Differenz zwischen der vorhergesagten Ausgabe und der tatsächlichen Systemausgabe erkennbar wird. Das Differenzsignal wird als Fehlersignal 9 zu Schulungszwecken verwendet. Um den Berechnungsaufwand zu verringern, genügt es, den Lernmechanismus nur dann auszulösen, wenn der durchschnittliche Fehler konstant zunimmt und schließlich eine bestimmte Schwelle überschreitet.

Die Diagnosephase tritt nur dann ein, wenn der durchschnittliche Fehler unterhalb der Schwelle liegt. Das zeigt an, dass die adaptive Komponente 8 exakt das echte System 7 modelliert. Eine Diagnose kann in regelmäßigen Zeitintervallen oder auf ausdrückliche Anforderung des Benutzers erfolgen. Das abgeleitete Funktionsmodell 8 ist in der Lage anzuzeigen, wie das System sich unter vorspezifischen Bedingungen auf dem Werkstattprüfstand verhalten würde. Um diese Funktion zu ermöglichen, werden in das Funktionsmodell 8 Werte für die Vermengungsvariablen 4 gemäß der Spezifikation der Werkstatttests eingespeist, während die unabhängigen Variablen 3 variiert werden, um seine simulierte Ausgabe zu studieren. Im Fall der Brennstoffzellendiagnose kann dies erreicht werden, indem man die Stapeltemperatur und den Druckunterschied (Wasserstoff-zu-Sauerstoff-Seite) auf einen festen Wert für eine bestimmte Ausgabeleistung einstellt oder indem man die gleichen exakten Werte als Eingabevariablen verwendet, wie sie zuvor unter Werkstattbedingungen beobachtet wurden. Auf der Grundlage des durch den Komparator 12 durchgeführten Vergleichs zwischen einer Referenzkurve und der geschätzten Kurve kann das Diagnosemodul 10 entweder den Fahrer über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) informieren oder das Ergebnis der Analyse über drahtlose Kommunikation an ein Datenzentrum senden, wo es wiederum an Techniker und Konstruktionsingenieure zurückgemeldet werden kann.

In 4 sieht man einen Vergleich der auf dem Werkstattprüfstand aufgezeichneten stationären Testdaten mit Werten, die durch das neurale Netzwerk geschätzt wurden, welches mit alltäglichen Fahrdaten geschult wurde, die am selben Tag aufgezeichnet wurden wie der Werkstatttest. In jeden Test werden dieselben Eingabedaten eingespeist. Was den Punkt der Bereiche der Ungewissheit hinsichtlich ihrer Größe und Form anbelangt, ist anzumerken, dass es zwischen den beiden Tests eine recht genaue Übereinstimmung gibt. Nach einer Interpolierung beider Datenmengen sind die resultierenden Kurven für Diagnosezwecke brauchbar, weil ein schmales Band oder eine einzelne Linie als Referenz lediglich geringe bordeigene Diagnosealgorithmen benötigt, um festzustellen, ob die momentanen, unter echten Bedingungen ermittelten Antriebsstrangdaten ein Toleranzband erbringen, das "zufriedenstellende" oder "normale" Bedingungen anzeigt.

Die oben beschriebene bordeigene Diagnose ermöglicht eine Beschleunigung des Entwicklungszyklus' neuer Technologien, weil Konstruktionsingenieure schneller Feedbackdaten über Verschleiß und Störungen des beobachteten Systems erhalten. Des Weiteren können der technische Support für die Benutzer und die Akzeptanz durch die Benutzer durch Frühwarnungen und verkürzte Ausfallzeiten (prädiktive Wartung) verbessert werden. Dadurch können die Wartungsintervalle an den tatsächlichen Wartungsbedarf angepasst werden, was besonders für aufkommende und noch nicht vollkommen ausgereifte Technologien, wie beispielsweise den Fahrzeugantrieb mittels Brennstoffzellen, von Bedeutung ist. Des Weiteren gestattet das erfindungsgemäße System eine bordeigene Diagnose mit einer deutlichen Verringerung der Datenmenge im Vergleich zu einer kompletten Datenaufzeichnung, wie es üblicherweise für Forschungsfuhrparks der Fall ist. Und aufgrund des automatisierten Ablaufs werden die hohen Arbeitskosten für eine manuelle Nachbearbeitung der Daten beträchtlich verringert.

Die kontinuierlich erstellten Modelle des Antriebsstrangs in dem adaptiven Modell 8 können über eine drahtlose Verbindung zu einer zentralen Fuhrparkdatenbank gesendet werden, um jedes einzelne Fahrzeug und den Fuhrpark als Ganzes im Rahmen eines statistischen Programms zu beobachten. Das erfindungsgemäße System unterstützt jede dieser Aufgaben, indem es praktikable und zuverlässige bordeigene Diagnosesysteme ermöglicht.

Die obige Offenbarung dient lediglich der Veranschaulichung der Erfindung und nicht ihrer Einschränkung. Dem Fachmann fallen Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen, welche den Geist und das Wesen der Erfindung verkörpern, ein, weshalb die Erfindung so zu interpretieren ist, dass sie alles in sich einschließt, was in den Geltungsbereich der angehängten Ansprüche und ihrer Äquivalente fällt.


Anspruch[de]
  1. Verfahren für die bordeigene Echtzeitdiagnose eines Systems, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

    Bereitstellen eines Referenzmodells, das zuvor festgelegte Betriebsbedingungen und zuvor festgelegte Vermengungsvariablen des Systems enthält und eine Referenzkennlinie ausgibt;

    Messen von echten Betriebsbedingungen des Systems und echten Vermengungsvariablen des Systems und Ausgeben mehrerer Systemausgabevariablen;

    Bereitstellen der Eingabe eines adaptiven Modells mit den echten Betriebsbedingungen und den echten Vermengungsvariablen in einer ersten Phase und Eingeben der zuvor festgelegten Betriebsbedingungen und der zuvor festgelegten Vermengungsvariablen in einer zweiten Phase;

    Bereitstellen eines ersten Komparators zum Vergleichen der mehreren Systemausgabevariablen mit einer Ausgabe des adaptiven Modells;

    ein Rückmeldemittel zum Einspeisen der Ausgabe des ersten Komparators in einen Eingang des adaptiven Modells während der ersten Phase;

    Bereitstellen eines zweiten Komparators zum Vergleichen der Ausgabe des adaptiven Modells während

    der zweiten Phase mit der Referenzkennlinienausgabe des Referenzmodells;

    Bereitstellen eines Diagnosemoduls, das die Ausgabe des zweiten Komparators während der zweiten Phase empfängt, um eine Diagnose des Systems auszugeben.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren den Schritt des Umschaltens zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase beinhaltet, wobei die erste Phase eine Schulungsphase ist und die zweite Phase eine Diagnosephase ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Referenzkennlinie eine Reihe von gemessenen Reaktionsfunktionen ist, die durch einen stationären Test des Systems erzeugt wurden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die gemessene Reaktionsfunktion eine Polarisationskurve erbringt, die durch einen stationären Test eines Brennstoffzellenantriebsstrangs erzeugt wurde.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die gemessene Reaktionsfunktion eine Drehzahl-Drehmoment-Kurve erbringt, die durch einen stationären Test eines Verbrennungsmotors erzeugt wurde.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem System um einen Brennstoffzellenantriebsstrang handelt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die echten Betriebsbedingungen und die echten Vermengungsvariablen erzeugt werden, wenn ein Fahrzeug, das dieses System enthält, im normalen Fahrbetrieb gefahren wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem System um ein mobiles technisches System eines Fahrzeugs handelt.
  9. Anordnung für die Echtzeitdiagnose eines Systems; umfassend:

    ein Referenzmodell, das zuvor festgelegte Betriebsbedingungen und zuvor festgelegte Vermengungsvariablen des Systems empfängt und eine Referenzkennlinie ausgibt;

    ein Mittel zum Eingeben von echten Betriebsbedingungen und echten Vermengungsvariablen des Systems in das System, wobei die Ausgabe des Systems Systemausgabevariablen erbringt;

    ein adaptives Modell, das in einer ersten Phase die echten Betriebsbedingungen und die echten Vermengungsvariablen empfängt und in einer zweiten Phase die zuvor festgelegten Betriebsbedingungen und die zuvor festgelegten Vermengungsvariablen empfängt, um während der ersten Phase eine erste Ausgabe zu erbringen und während der zweiten Phase eine zweiten Ausgabe zu erbringen;

    ein erstes Komparatormittel zum Vergleichen der Systemausgabevariablen mit der ersten Ausgabe des adaptiven Modells;

    ein Rückmeldemittel, das eine Ausgabe des ersten Komparatormittels empfängt und diesen Ausgang während der ersten Phase in das adaptive Modell einspeist;

    ein zweites Komparatormittel zum Vergleichen einer Ausgabe des Referenzmodells mit der zweiten Aus gabe des adaptiven Modells während der zweiten Phase;

    ein Diagnosemodul, das während der zweiten Phase eine Ausgabe des zweiten Komparators empfängt;

    ein Umschaltmittel zum Umschalten zwischen der ersten und der zweiten Phase.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die erste Phase eine Schulungsphase ist und die zweite Phase eine Diagnosephase ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Referenzkennlinie eine Reihe von gemessenen Reaktionsfunktionen ist, die durch einen stationären Test des Systems erzeugt wurden.
  12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei die gemessenen Reaktionsfunktionen eine Polarisationskurve erbringen, die durch einen stationären Test eines Brennstoffzellenantriebsstrangs erzeugt wurde.
  13. Anordnung nach Anspruch 11, wobei die gemessenen Reaktionsfunktionen eine Drehzahl-Drehmoment-Kurve erbringen, die durch einen stationären Test eines Verbrennungsmotors erzeugt wurde.
  14. Anordnung nach Anspruch 9, wobei es sich bei dem System um einen Brennstoffzellenantriebsstrang handelt.
  15. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die echten Betriebsbedingungen und die echten Vermengungsvariablen unter Verwendung eines Messmittels während des normalen Fahrbetriebes eines Fahrzeugs, das dieses System enthält, erzeugt werden.
  16. Verfahren für eine bordeigene Echtzeitmessung eines Systems, umfassend:

    Bereitstellen eines Referenzmodells für die Ausgabe einer Referenzkennlinienbeziehung als eine Funktion zuvor festgelegter Werte des Systems;

    Bereitstellen eines adaptiven Modells, das auf bordeigene Messungen echter Werte des Systems reagiert und eine echte Kennlinienbeziehung erbringt;

    Vergleichen der Referenzkennlinienbeziehung mit der echten Kennlinienbeziehung zum Erbringen einer Ausgabe, die eine Betriebsbedingung des Systems anzeigt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die zuvor festgelegten Werte Betriebsbedingungen und Vermengungsvariablen sind, die aus einem stationären Prüfstandtest des Systems hervorgegangen sind.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die echten Werte Betriebsbedingungen und Vermengungsvariablen sind, die aus dem Betrieb eines Fahrzeugs, welches das System enthält, unter normalen Fahrbedingungen hervorgegangen sind.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, das des Weiteren den Schritt des Betreibens des adaptiven Modells in einem Schulungsmodus beinhaltet, um vor dem Betrieb in einem Diagnosemodus ein Schulungsergebnis zu erhalten, um die Ausgabe zu erbringen, die eine Betriebsbedingung des Systems anzeigt.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, wobei es sich bei dem System um einen Brennstoffzellenantriebsstrang handelt.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, das des Weiteren den Schritt des kontrollierten Umschaltens zwischen dem Schulungsmodus und dem Diagnosemodus beinhaltet und wobei der Schulungsmodus eine Rückmeldungsanordnung verwendet.
  22. Verfahren nach Anspruch 16, wobei es sich bei dem System um ein mobiles technisches System eines Fahrzeugs handelt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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