Der sichere und wirtschaftliche Betrieb komplexer dynamischer Systeme erfordert nicht nur eine stabile Regelung, sondern auch eine zuverlässige Online-Überwachung. Dies ist in nahezu allen technischen Anwendungen von Bedeutung – von Fahrzeugen, Traktionsbatterien und Brennstoffzellen bis hin zu Kraftwerken, Kühlsystemen und industriellen Produktionsanlagen.

Eine zentrale Methode der Überwachung ist die modellbasierte Zustandsdiagnose, ein essenzielles Werkzeug der Regelungstechnik. Hierbei werden mathematische Modelle eingesetzt, um den aktuellen Zustand eines Systems zu schätzen, selbst wenn nicht alle relevanten Größen direkt messbar sind.

Da in realen Systemen oft nur wenige Messwerte zur Verfügung stehen, kommen sogenannte Beobachteralgorithmen zum Einsatz. Diese gleichen ein Simulationsmodell kontinuierlich mit den gemessenen Ausgangsgrößen des Systems ab und korrigieren Abweichungen. So lassen sich innere Zustände, wie z. B. die Temperaturverteilung in einer Brennstoffzelle oder der Ladezustand einer Batterie, zuverlässig bestimmen.

Modellbasierte Zustandsdiagnose trägt wesentlich zur Sicherheit, Effizienz und Langlebigkeit technischer Systeme bei und findet in vielen Bereichen Anwendung, darunter:

• Elektromobilität: Schätzung des Lade- und Alterungszustands von Batterien für eine präzise Reichweitenvorhersage.
• Brennstoffzellen: Überwachung der internen Zustände zur Vermeidung von Schädigung und Verbesserung der Effizienz.
• Maschinen und Anlagen: Diagnose von Fehlfunktionen oder Störungen zur Vermeidung von Ausfällen.
• GPS-Navigation: Gewährleisten von Positionsgenauigkeit durch Zustandsschätzung.

Darüber hinaus, kann, etwa auch der wellenförmige Verlauf von Pandemien durch modellbasierte Zustandsschätzung analysiert und prognostiziert werden.

Forschungsprojekte unseres Instituts

• HyStEPs
• CDL Battery Research
• DiNaMiC
• EDCSproof

Veröffentlichungen

Fuchs, Benjamin, Florian Altmann, Martin Vrlić, Stefan Braun, Martin Kozek, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "Nonlinear distributed-parameter observer design for efficient estimation of internal temperature profiles in polymer electrolyte membrane fuel cells., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" Nonlinear Dynamics (2025): 1-25.

Bartlechner, Johanna, Martin Vrlić, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "State-of-Health observer for PEM fuel cells—A novel approach for real-time online analysis., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" International Journal of Hydrogen Energy (2024).

Vrlić, Martin, Dominik Pernsteiner, Alexander Schirrer, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "Reduced-dimensionality nonlinear distributed-parameter observer for fuel cell systems., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" Energy Reports 10 (2023): 1-14.

Hametner, Christoph, Lukas Böhler, Martin Kozek, Johanna Bartlechner, Oliver Ecker, Zhang Peng Du, Robert Kölbl, Michael Bergmann, Thomas Bachleitner-Hofmann, and Stefan Jakubek. "Intensive care unit occupancy predictions in the COVID-19 pandemic based on age-structured modelling and differential flatness, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Nonlinear Dynamics (2022): 1-19.

Fuhrmann, Florian, Alexander Schirrer, and Martin Kozek. "Model-predictive energy management system for thermal batch production processes using online load prediction, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" Computers & Chemical Engineering 163 (2022): 107830.

Hametner, Christoph, Martin Kozek, Lukas Böhler, Alexander Wasserburger, Zhang Peng Du, Robert Kölbl, Michael Bergmann, Thomas Bachleitner-Hofmann, and Stefan Jakubek. "Estimation of exogenous drivers to predict COVID-19 pandemic using a method from nonlinear control theory, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" Nonlinear Dynamics 106, no. 1 (2021): 1111-1125.

Pernsteiner, Dominik, Alexander Schirrer, Lukas Kasper, René Hofmann, and Stefan Jakubek. "Data-based model reduction for phase change problems with convective heat transfer, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" Applied Thermal Engineering 184 (2021): 116228.

Böhler, Lukas, Daniel Ritzberger, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "Constrained extended Kalman filter design and application for on-line state estimation of high-order polymer electrolyte membrane fuel cell systems, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" international journal of hydrogen energy 46, no. 35 (2021): 18604-18614.

Pernsteiner, Dominik, Alexander Schirrer, Lukas Kasper, René Hofmann, and Stefan Jakubek. "State estimation concept for a nonlinear melting/solidification problem of a latent heat thermal energy storage, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" Computers & Chemical Engineering 153 (2021): 107444.

Ritzberger, Daniel, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "A real-time dynamic fuel cell system simulation for model-based diagnostics and control: Validation on real driving data, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" Energies 13, no. 12 (2020): 3148.

Hametner, Christoph, Stefan Jakubek, and Wenzel Prochazka. "Data-driven design of a cascaded observer for battery state of health estimation, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" IEEE Transactions on industry applications54.6 (2018): 6258-6266.

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