一種氮氧傳感器加熱控制電路及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氮氧傳感器加熱控制電路及方法，包括單片機(jī)模塊、供電電源、電壓轉(zhuǎn)換模塊、第一開關(guān)、第二開關(guān)、定值電阻和氮氧傳感器加熱層；通過單片機(jī)控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的開閉使得電路工作在加熱和測量兩種狀態(tài)下。測量時(shí)：第一開關(guān)斷開，第二開關(guān)閉合，給定值電阻的一端提供一個(gè)恒定電壓，同時(shí)采集加熱層參考極和定值電阻一端的電壓，推導(dǎo)計(jì)算出加熱層的等效電阻值，進(jìn)而可以得到傳感器的溫度；加熱時(shí)：第一開關(guān)閉合，第二開關(guān)斷開，供電電源直接給加熱層供電加熱；重復(fù)測量和加熱狀態(tài)，同時(shí)單片機(jī)根據(jù)傳感器溫度控制加熱時(shí)間，直至將傳感器溫度控制在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)。在保證精度的前提下，減少恒流源的使用，降低電路成本和復(fù)雜性。
【專利說明】
一種氮氧傳感器加熱控制電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及柴油機(jī)SCR系統(tǒng)中的氮氧傳感器，尤其涉及一種氮氧傳感器電控單元的加熱控制電路及控制策略。
【背景技術(shù)】
[0002]柴油機(jī)由于在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面有著汽油機(jī)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在大中型商用車上得到了廣泛應(yīng)用。然而，日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)促使國內(nèi)柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)必須尋找有效途徑來控制和減少汽車排放污染物，而選擇性催化還原技術(shù)(SCR技術(shù))是目前我國大中型柴油機(jī)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的最佳選擇。SCR系統(tǒng)利用氮氧傳感器來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NOx濃度，并將檢測值反饋給SCR系統(tǒng)控制單元，再通過調(diào)整尿素噴射量來降低NOx的含量，從而使排氣能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，氮氧傳感器的好壞直接影響到最終的排放結(jié)果。
[0003]氮氧傳感器由傳感器探頭和電控單元組成，二者之間通過線束連接。氮氧傳感器的探頭部分負(fù)責(zé)采集尾氣，其內(nèi)部將進(jìn)行氣體分離、電離分解和測量濃度三個(gè)步驟;電控單元通過線纜提供給探頭完成上述三個(gè)過程需要的電流，并采集各過程的電信號(hào)，同時(shí)通過CAN總線把測量信息發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)或其它控制單元。而氮氧傳感器開始測量前，陶瓷芯片的頭部需要達(dá)到并穩(wěn)定在700?750°C以保證反應(yīng)的正常進(jìn)行。
[0004]現(xiàn)有的方法中，多數(shù)需要借助恒定電流源來完成控制，增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性；同時(shí)難以避免加熱時(shí)會(huì)有電流流過外電阻，消耗了較大的能耗;并且沒有明確加熱控制策略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種氮氧傳感器加熱控制電路及方法，極大地簡化了電路結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本;避免了不必要的能耗；明確了氮氧傳感器加熱控制的策略。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]—種氮氧傳感器加熱控制電路，包括單片機(jī)模塊、供電電源模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、定值電阻、氮氧傳感器加熱層以及第一開關(guān)和第二開關(guān);所述供電電源模塊經(jīng)所述電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換電壓后給所述單片機(jī)模塊供電;所述第一開關(guān)的一端連接所述供電電源的輸出端、另一端連接所述氮氧傳感器加熱層的正極端;所述第二開關(guān)的一端連接所述定值電阻的一端、另一端連接所述氮氧傳感器加熱層的正極端，所述定值電阻的另一端連接所述電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端;所述單片機(jī)通過脈沖信號(hào)PWM輸出端與所述第一開關(guān)、所述第二開關(guān)相連，控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的通斷;所述單片機(jī)通過AD輸入端口與所述定值電阻的一端、所述氮氧傳感器加熱層的參考極相連，用于采集連接點(diǎn)的電壓信息;所述氮氧傳感器加熱層的負(fù)極接地;所述氮氧傳感器加熱層用于給氮氧傳感器加熱。
[0007]所述單片機(jī)通過控制所述第一開關(guān)閉合、所述第二開關(guān)斷開實(shí)現(xiàn)氮氧傳感器的加熱;所述單片機(jī)通過控制所述第一開關(guān)斷開、所述第二開關(guān)閉合，并結(jié)合AD端口的采樣電壓值實(shí)現(xiàn)氮氧傳感器的溫度測量，并根據(jù)溫度調(diào)整傳感器的加熱時(shí)間。
[0008]進(jìn)一步，所述氮氧傳感器加熱層采用三線式熱電阻，其內(nèi)部等效為加熱電阻R_pt，正負(fù)極引線分別等效為電阻R+、R_，參考電極等效為電阻R_ref。
[0009]進(jìn)一步，在20度左右時(shí)，所述R_pt= 1.4 Ω、R+ = R- = 2.I Ω、R_ref = 0.5 Ω。
[0010]進(jìn)一步，所述供電電源采用外部電源或柴油車的蓄電池；所述單片機(jī)采用MC9S12XS128，或至少包括2個(gè)PffM輸出和2個(gè)AD輸入的單片機(jī);所述電壓轉(zhuǎn)換模塊將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V給單片機(jī)供電。
[0011 ]基于上述加熱控制電路，本發(fā)明還提出了一種加熱控制方法，單片機(jī)控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的開閉使得控制電路工作在加熱狀態(tài)和測量狀態(tài)兩種狀態(tài)下，通過兩種狀態(tài)的重復(fù)切換實(shí)現(xiàn)傳感器溫度穩(wěn)定，具體通過如下步驟實(shí)現(xiàn):
[0012]步驟I，測量狀態(tài)時(shí):單片機(jī)控制第一開關(guān)斷開，第二開關(guān)閉合，同時(shí)采集參考極電壓U2和定值電阻一端的電壓Ul，并結(jié)合電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓UO計(jì)算出氮氧傳感器加熱電阻尺_(dá)?〖的阻值，根據(jù)阻值得到氮氧傳感器的溫度T;
[0013]步驟2，加熱狀態(tài)時(shí):單片機(jī)控制第一開關(guān)閉合、第二開關(guān)斷開，供電電源為加熱電阻尺_(dá)口〖供電加熱，加熱電阻加熱陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)氮氧傳感器的加熱；
[0014]步驟3，重復(fù)步驟I和步驟2，初始時(shí)迅速加熱，在隨后階段，單片機(jī)根據(jù)氮氧傳感器溫度T的值控制第一開關(guān)的閉合時(shí)間以逐漸減低加熱速率，直至將傳感器溫度控制在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)。
[0015]進(jìn)一步地，步驟I中所述氮氧傳感器的溫度T的計(jì)算方法為:
[0016]a.根據(jù)電源模塊的轉(zhuǎn)換電壓U0、采集的電壓值Ul和定值電阻阻值R0，計(jì)算回路中的電流 I = (U0-U1)/R0;
[0017]b.根據(jù)電壓值U2計(jì)算正負(fù)極引線的電阻R+ = R_ = U2/I;
[0018]c.計(jì)算加熱電阻 R_pt = (Ul-U2)/I_R+;
[0019]d.由步驟a-c得出R_pt = R0*(m_2*U2)/(UO-Ul);
[0020]e.根據(jù)加熱電阻阻值R_pt和溫度T之間的關(guān)系得出加熱電阻的溫度，即為氮氧傳感器的溫度。
[0021]進(jìn)一步地，所述定值電阻阻值R0 = 3 Ω。
[0022]進(jìn)一步地，所述加熱電阻阻值R_pt和溫度T之間的關(guān)系通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得出。
[0023]進(jìn)一步地，所述目標(biāo)溫度范圍為700?750°C。
[0024]本發(fā)明的有益效果:
[0025]本發(fā)明通過將測量狀態(tài)和加熱狀態(tài)完全分離，避免處于加熱狀態(tài)時(shí)，額外的電阻RO產(chǎn)生熱量;在保證測量精度的前提下，減少了恒流源的使用，降低了電路的成本和復(fù)雜性;通過合理地改變測量和加熱狀態(tài)的時(shí)間，使得氮氧傳感器在開始工作時(shí)加熱迅速，在達(dá)到工作溫度后能保持溫度穩(wěn)定，這個(gè)溫度為700?750°C中的某一值。
【附圖說明】
[0026]圖1是氮氧傳感器所用的三線式加熱層的等效結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2是本發(fā)明的氮氧傳感器加熱控制電路。
[0028]圖3是本發(fā)明的氮氧傳感器加熱控制策略示意圖。
[0029]圖4是本發(fā)明的氮氧傳感器加熱控制的溫度變化趨勢(shì)圖。
[0030]圖中標(biāo)記:1-單片機(jī)模塊;2-供電電源模塊;3-電壓轉(zhuǎn)換模塊;4-第一開關(guān);5-第二開關(guān);6-定值電阻;7-氮氧傳感器加熱層。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0032]圖1示出了氮氧傳感器中三線式熱電阻的等效結(jié)構(gòu)示意圖。共三根引線，分別為正極、負(fù)極和參考極;加熱部分的電阻為R_pt，正極引線的電阻為R+，負(fù)極引線的電阻為R-，參考極的電阻為R_ref，其中R+ = R-;通過測量，常溫下(約20 °C)，R_pt = 1.4 Ω、R+ = R- = 2.1Ω ,R_ref = 0.5Q ;加熱部分和正負(fù)極部分的電阻阻值會(huì)隨溫度的升高而變大，通過測量加熱部分的電阻R_pt的阻值可以反映出傳感器當(dāng)前的溫度。
[0033]圖2示出了本發(fā)明氮氧傳感器加熱控制電路。供電電源2通過電壓轉(zhuǎn)換模塊3為單片機(jī)模塊I供電，柴油車的蓄電池可以作為供電電源，通常為24V直流電，單片機(jī)在本發(fā)明實(shí)施例中采用MC9S12XS128，電壓轉(zhuǎn)換模塊將24V轉(zhuǎn)換為5V為單片機(jī)供電;第一開關(guān)4的一端連接到供電電源2的輸出端，另一端連接到氮氧傳感器加熱層7的正極，第一開關(guān)4的通斷由單片機(jī)模塊I通過輸出脈沖信號(hào)PWMl控制;第二開關(guān)5的一端連接到定值電阻6的一端，定值電阻6的另一端與電壓轉(zhuǎn)換模塊3的輸出端相連，第二開關(guān)5的另一端連接到氮氧傳感器加熱層7的正極，第二開關(guān)5的通斷由單片機(jī)模塊I通過輸出脈沖信號(hào)PWM2控制;氮氧傳感器加熱層7的負(fù)極接地;單片機(jī)模塊I分別通過2個(gè)AD端口采集氮氧傳感器加熱層7的參考極信號(hào)和定值電阻6—端的電壓信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下氮氧傳感器加熱部分的電阻并得到對(duì)應(yīng)溫度。
[0034]加熱狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)模塊I通過PWMl使第一開關(guān)4閉合，此時(shí)第二開關(guān)5斷開，供電電源2為氮氧傳感器加熱層7提供電壓，加熱電阻R_pt為氮氧傳感器加熱。
[0035]測量狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)模塊I通過PWM2使第二開關(guān)5閉合，此時(shí)第一開關(guān)4斷開，進(jìn)過電壓轉(zhuǎn)換模塊3轉(zhuǎn)換的電壓UO為定值電阻6和氮氧傳感器加熱層7供電，此時(shí)單片機(jī)模塊I的一個(gè)AD端口采集得到定值電阻6后的電壓信號(hào)Ul，另一個(gè)AD端口采集得到參考極處的電壓信號(hào)U2，此時(shí):
[0036]回路中的電流I = (U0_U1)/R0;
[0037]正負(fù)極引線的電阻R+ = R- = U2/I;
[0038]加熱部分的電阻1?_?七=(1]1-1]2)/1-1?+
[0039]=R0*(m-2*U2)/(U0-Ul);
[0040]其中，RO的阻值為3 Ω。
[0041]加熱電阻的溫度和阻值的關(guān)系需要事先通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到，通過標(biāo)定的關(guān)系就能夠獲取溫度的數(shù)值。
[0042]大概經(jīng)過20秒左右，陶瓷芯片被加熱到T_aim(700?750°C中的某一值)。
[0043]圖3示出了本發(fā)明的加熱控制策略，氮氧傳感器開始工作時(shí)，首先檢測此時(shí)加熱電阻尺_(dá)口〖的溫度，若小于1'_&1111(700?750°C中的某一值)，則切換到加熱狀態(tài)，加熱到一定時(shí)間后再次切換到測量狀態(tài)，并交替重復(fù)上述狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到T1、T2、T3溫度時(shí)，通過減少第一開關(guān)I的閉合時(shí)間，控制加熱的速率。本發(fā)明實(shí)施例中，取TI = 200°C，Τ2 = 500°C，Τ3 = 700 °C，T_aim = 75(TCo
[0044]圖4示出了本發(fā)明加熱控制策略的效果圖，前期迅速加熱，在隨后的不同溫度段，逐漸減低加熱速率，最終緩慢加熱到并維持在T_aim溫度。
[0045]所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種氮氧傳感器加熱控制電路，其特征在于，包括單片機(jī)模塊(I)、供電電源模塊(2)、電壓轉(zhuǎn)換模塊(3)、定值電阻(6)、氮氧傳感器加熱層(7)以及第一開關(guān)(4)和第二開關(guān)(5);所述供電電源模塊(2)經(jīng)所述電壓轉(zhuǎn)換模塊(3)轉(zhuǎn)換電壓后給所述單片機(jī)模塊(I)供電；所述第一開關(guān)(4)的一端連接所述供電電源模塊(2)的輸出端、另一端連接所述氮氧傳感器加熱層(7)的正極端;所述第二開關(guān)(5)的一端連接所述定值電阻(6)的一端、另一端連接所述氮氧傳感器加熱層(7)的正極端，所述定值電阻(6)的另一端連接所述電壓轉(zhuǎn)換模塊(3)的輸出端;所述單片機(jī)模塊(I)通過脈沖信號(hào)PffM輸出端與所述第一開關(guān)(4)、所述第二開關(guān)(5)相連，控制第一開關(guān)(4)和第二開關(guān)(5)的通斷;所述單片機(jī)模塊(I)通過AD輸入端口與所述定值電阻(6)的一端、所述氮氧傳感器加熱層(7)的參考極相連，用于采集連接點(diǎn)的電壓信息;所述氮氧傳感器加熱層(7)的負(fù)極接地;所述氮氧傳感器加熱層(7)用于給氮氧傳感器加熱。 所述單片機(jī)模塊(I)通過控制所述第一開關(guān)(4)閉合、所述第二開關(guān)(5)斷開實(shí)現(xiàn)氮氧傳感器的加熱；所述單片機(jī)模塊(I)通過控制所述第一開關(guān)(4)斷開、所述第二開關(guān)(5)閉合，并結(jié)合AD端口的采樣電壓值實(shí)現(xiàn)氮氧傳感器的溫度測量，并根據(jù)溫度調(diào)整傳感器的加熱時(shí)間。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮氧傳感器加熱控制電路，其特征在于，所述氮氧傳感器加熱層(7)采用三線式熱電阻，其內(nèi)部等效為加熱電阻R_pt，正負(fù)極引線分別等效為電阻R+、1?-，參考電極等效為電阻1?_代;^3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氮氧傳感器加熱控制電路，其特征在于，在20度左右時(shí)，所述R_pt = 1.4 Ω、R+ = R- = 2.I Ω、R_ref = 0.5 Ω。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮氧傳感器加熱控制電路，其特征在于，所述供電電源模塊(2)采用外部電源或柴油車的24V蓄電池;所述單片機(jī)模塊(I)采用MC9S12XS128，或至少包括2個(gè)PWM輸出和2個(gè)AD輸入的單片機(jī);所述電壓轉(zhuǎn)換模塊(3)將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V給單片機(jī)供電。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的氮氧傳感器加熱控制電路的加熱控制方法，其特征在于，單片機(jī)控制第一開關(guān)(4)和第二開關(guān)(5)的開閉使得控制電路工作在加熱狀態(tài)和測量狀態(tài)兩種狀態(tài)下，通過兩種狀態(tài)的重復(fù)切換實(shí)現(xiàn)傳感器溫度穩(wěn)定，具體通過如下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟I，測量狀態(tài)時(shí):單片機(jī)控制第一開關(guān)(4)斷開，第二開關(guān)(5)閉合，同時(shí)采集參考極電壓U2和定值電阻一端的電壓Ul，并結(jié)合電壓轉(zhuǎn)換模塊(3)輸出電壓UO計(jì)算出氮氧傳感器加熱電的阻值，根據(jù)阻值得到氮氧傳感器的溫度Τ; 步驟2，加熱狀態(tài)時(shí):單片機(jī)控制第一開關(guān)(4)閉合、第二開關(guān)(5)斷開，供電電源為加熱電阻R_pt供電加熱，加熱電阻加熱陶瓷芯片實(shí)現(xiàn)氮氧傳感器的加熱； 步驟3，重復(fù)步驟I和步驟2，初始時(shí)迅速加熱，在隨后階段，單片機(jī)根據(jù)氮氧傳感器溫度T的值控制第一開關(guān)(4)的閉合時(shí)間以逐漸減低加熱速率，直至將傳感器溫度控制在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的加熱控制方法，其特征在于，步驟I中所述氮氧傳感器的溫度T的計(jì)算方法為: a.根據(jù)電源模塊的轉(zhuǎn)換電壓U0、采集的電壓值Ul和定值電阻阻值R0，計(jì)算回路中的電流I = (U0-U1)/R0; b.根據(jù)電壓值U2計(jì)算正負(fù)極引線的電阻R+= R- = U2/I; c.計(jì)算加熱電阻R_pt= (Ul-U2)/1-R+; d.由步驟a-c得出R_pt= R0*(Ul-2*U2)/(U0-Ul); e.根據(jù)加熱電阻阻值R_pt和溫度T之間的關(guān)系得出加熱電阻的溫度，即為氮氧傳感器的溫度。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加熱控制方法，其特征在于，所述定值電阻阻值RO= 3 Ω。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加熱控制方法，其特征在于，所述加熱電阻阻值R_pt和溫度T之間的關(guān)系通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得出。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的加熱控制方法，其特征在于，所述目標(biāo)溫度范圍為700?750Γ。
【文檔編號(hào)】G05D23/24GK105892529SQ201610407104
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】段暢, 李捷輝, 林華定, 林慶俊, 林慶樞, 胡立, 梁鋒
【申請(qǐng)人】上海感先汽車傳感器有限公司