一種氮氧傳感器加熱控制電路及方法
【專利摘要】本發明公開了一種氮氧傳感器加熱控制電路及方法，包括單片機模塊、供電電源、電壓轉換模塊、第一開關、第二開關、定值電阻和氮氧傳感器加熱層；通過單片機控制第一開關和第二開關的開閉使得電路工作在加熱和測量兩種狀態下。測量時：第一開關斷開，第二開關閉合，給定值電阻的一端提供一個恒定電壓，同時采集加熱層參考極和定值電阻一端的電壓，推導計算出加熱層的等效電阻值，進而可以得到傳感器的溫度；加熱時：第一開關閉合，第二開關斷開，供電電源直接給加熱層供電加熱；重復測量和加熱狀態，同時單片機根據傳感器溫度控制加熱時間，直至將傳感器溫度控制在目標溫度范圍內。在保證精度的前提下，減少恒流源的使用，降低電路成本和復雜性。
【專利說明】
一種氮氧傳感器加熱控制電路及方法
技術領域
[0001]本發明涉及柴油機SCR系統中的氮氧傳感器，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】
[0002]柴油機由于在動力性、經濟性和可靠性方面有著汽油機不可比擬的優勢，在大中型商用車上得到了廣泛應用。然而，日趨嚴格的排放法規促使國內柴油機生產企業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(SCR技術)是目前我國大中型柴油機達到排放標準的最佳選擇。SCR系統利用氮氧傳感器來檢測發動機排氣中的NOx濃度，并將檢測值反饋給SCR系統控制單元，再通過調整尿素噴射量來降低NOx的含量，從而使排氣能達到國家標準，氮氧傳感器的好壞直接影響到最終的排放結果。
[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責采集尾氣，其內部將進行氣體分離、電離分解和測量濃度三個步驟;電控單元通過線纜提供給探頭完成上述三個過程需要的電流，并采集各過程的電信號，同時通過CAN總線把測量信息發送給發動機或其它控制單元。而氮氧傳感器開始測量前，陶瓷芯片的頭部需要達到并穩定在700?750°C以保證反應的正常進行。
[0004]現有的方法中，多數需要借助恒定電流源來完成控制，增加了系統的成本和復雜性；同時難以避免加熱時會有電流流過外電阻，消耗了較大的能耗;并且沒有明確加熱控制策略。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的缺陷，本發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構，節約了成本;避免了不必要的能耗；明確了氮氧傳感器加熱控制的策略。實現本發明的技術方案如下:
[0006]—種氮氧傳感器加熱控制電路，包括單片機模塊、供電電源模塊、電壓轉換模塊、定值電阻、氮氧傳感器加熱層以及第一開關和第二開關;所述供電電源模塊經所述電壓轉換模塊轉換電壓后給所述單片機模塊供電;所述第一開關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換模塊的輸出端;所述單片機通過脈沖信號PWM輸出端與所述第一開關、所述第二開關相連，控制第一開關和第二開關的通斷;所述單片機通過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，用于采集連接點的電壓信息;所述氮氧傳感器加熱層的負極接地;所述氮氧傳感器加熱層用于給氮氧傳感器加熱。
[0007]所述單片機通過控制所述第一開關閉合、所述第二開關斷開實現氮氧傳感器的加熱;所述單片機通過控制所述第一開關斷開、所述第二開關閉合，并結合AD端口的采樣電壓值實現氮氧傳感器的溫度測量，并根據溫度調整傳感器的加熱時間。
[0008]進一步，所述氮氧傳感器加熱層采用三線式熱電阻，其內部等效為加熱電阻R_pt，正負極引線分別等效為電阻R+、R_，參考電極等效為電阻R_ref。
[0009]進一步，在20度左右時，所述R_pt= 1.4 Ω、R+ = R- = 2.I Ω、R_ref = 0.5 Ω。
[0010]進一步，所述供電電源采用外部電源或柴油車的蓄電池；所述單片機采用MC9S12XS128，或至少包括2個PffM輸出和2個AD輸入的單片機;所述電壓轉換模塊將24V電壓轉換為5V給單片機供電。
[0011 ]基于上述加熱控制電路，本發明還提出了一種加熱控制方法，單片機控制第一開關和第二開關的開閉使得控制電路工作在加熱狀態和測量狀態兩種狀態下，通過兩種狀態的重復切換實現傳感器溫度穩定，具體通過如下步驟實現:
[0012]步驟I，測量狀態時:單片機控制第一開關斷開，第二開關閉合，同時采集參考極電壓U2和定值電阻一端的電壓Ul，并結合電壓轉換模塊輸出電壓UO計算出氮氧傳感器加熱電阻尺_?〖的阻值，根據阻值得到氮氧傳感器的溫度T;
[0013]步驟2，加熱狀態時:單片機控制第一開關閉合、第二開關斷開，供電電源為加熱電阻尺_口〖供電加熱，加熱電阻加熱陶瓷芯片實現氮氧傳感器的加熱；
[0014]步驟3，重復步驟I和步驟2，初始時迅速加熱，在隨后階段，單片機根據氮氧傳感器溫度T的值控制第一開關的閉合時間以逐漸減低加熱速率，直至將傳感器溫度控制在目標溫度范圍內。
[0015]進一步地，步驟I中所述氮氧傳感器的溫度T的計算方法為:
[0016]a.根據電源模塊的轉換電壓U0、采集的電壓值Ul和定值電阻阻值R0，計算回路中的電流 I = (U0-U1)/R0;
[0017]b.根據電壓值U2計算正負極引線的電阻R+ = R_ = U2/I;
[0018]c.計算加熱電阻 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.根據加熱電阻阻值R_pt和溫度T之間的關系得出加熱電阻的溫度，即為氮氧傳感器的溫度。
[0021]進一步地，所述定值電阻阻值R0 = 3 Ω。
[0022]進一步地，所述加熱電阻阻值R_pt和溫度T之間的關系通過實驗標定得出。
[0023]進一步地，所述目標溫度范圍為700?750°C。
[0024]本發明的有益效果:
[0025]本發明通過將測量狀態和加熱狀態完全分離，避免處于加熱狀態時，額外的電阻RO產生熱量;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雜性;通過合理地改變測量和加熱狀態的時間，使得氮氧傳感器在開始工作時加熱迅速，在達到工作溫度后能保持溫度穩定，這個溫度為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構示意圖。
[0027]圖2是本發明的氮氧傳感器加熱控制電路。
[0028]圖3是本發明的氮氧傳感器加熱控制策略示意圖。
[0029]圖4是本發明的氮氧傳感器加熱控制的溫度變化趨勢圖。
[0030]圖中標記:1-單片機模塊;2-供電電源模塊;3-電壓轉換模塊;4-第一開關;5-第二開關;6-定值電阻;7-氮氧傳感器加熱層。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并不限于此。
[0032]圖1示出了氮氧傳感器中三線式熱電阻的等效結構示意圖。共三根引線，分別為正極、負極和參考極;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 ;加熱部分和正負極部分的電阻阻值會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前的溫度。
[0033]圖2示出了本發明氮氧傳感器加熱控制電路。供電電源2通過電壓轉換模塊3為單片機模塊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，單片機在本發明實施例中采用MC9S12XS128，電壓轉換模塊將24V轉換為5V為單片機供電;第一開關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4的通斷由單片機模塊I通過輸出脈沖信號PWMl控制;第二開關5的一端連接到定值電阻6的一端，定值電阻6的另一端與電壓轉換模塊3的輸出端相連，第二開關5的另一端連接到氮氧傳感器加熱層7的正極，第二開關5的通斷由單片機模塊I通過輸出脈沖信號PWM2控制;氮氧傳感器加熱層7的負極接地;單片機模塊I分別通過2個AD端口采集氮氧傳感器加熱層7的參考極信號和定值電阻6—端的電壓信號，計算出當前狀態下氮氧傳感器加熱部分的電阻并得到對應溫度。
[0034]加熱狀態時，單片機模塊I通過PWMl使第一開關4閉合，此時第二開關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]測量狀態時，單片機模塊I通過PWM2使第二開關5閉合，此時第一開關4斷開，進過電壓轉換模塊3轉換的電壓UO為定值電阻6和氮氧傳感器加熱層7供電，此時單片機模塊I的一個AD端口采集得到定值電阻6后的電壓信號Ul，另一個AD端口采集得到參考極處的電壓信號U2，此時:
[0036]回路中的電流I = (U0_U1)/R0;
[0037]正負極引線的電阻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系需要事先通過實驗標定得到，通過標定的關系就能夠獲取溫度的數值。
[0042]大概經過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示出了本發明的加熱控制策略，氮氧傳感器開始工作時，首先檢測此時加熱電阻尺_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，加熱到一定時間后再次切換到測量狀態，并交替重復上述狀態，當達到T1、T2、T3溫度時，通過減少第一開關I的閉合時間，控制加熱的速率。本發明實施例中，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]所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明并不限于上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種氮氧傳感器加熱控制電路，其特征在于，包括單片機模塊(I)、供電電源模塊(2)、電壓轉換模塊(3)、定值電阻(6)、氮氧傳感器加熱層(7)以及第一開關(4)和第二開關(5);所述供電電源模塊(2)經所述電壓轉換模塊(3)轉換電壓后給所述單片機模塊(I)供電；所述第一開關(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(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換模塊(3)的輸出端;所述單片機模塊(I)通過脈沖信號PffM輸出端與所述第一開關(4)、所述第二開關(5)相連，控制第一開關(4)和第二開關(5)的通斷;所述單片機模塊(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，用于采集連接點的電壓信息;所述氮氧傳感器加熱層(7)的負極接地;所述氮氧傳感器加熱層(7)用于給氮氧傳感器加熱。 所述單片機模塊(I)通過控制所述第一開關(4)閉合、所述第二開關(5)斷開實現氮氧傳感器的加熱；所述單片機模塊(I)通過控制所述第一開關(4)斷開、所述第二開關(5)閉合，并結合AD端口的采樣電壓值實現氮氧傳感器的溫度測量，并根據溫度調整傳感器的加熱時間。2.根據權利要求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，其內部等效為加熱電阻R_pt，正負極引線分別等效為電阻R+、1?-，參考電極等效為電阻1?_代;^3.根據權利要求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，所述R_pt = 1.4 Ω、R+ = R- = 2.I Ω、R_ref = 0.5 Ω。4.根據權利要求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;所述單片機模塊(I)采用MC9S12XS128，或至少包括2個PWM輸出和2個AD輸入的單片機;所述電壓轉換模塊(3)將24V電壓轉換為5V給單片機供電。5.根據權利要求1-4任意一項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，單片機控制第一開關(4)和第二開關(5)的開閉使得控制電路工作在加熱狀態和測量狀態兩種狀態下，通過兩種狀態的重復切換實現傳感器溫度穩定，具體通過如下步驟實現: 步驟I，測量狀態時:單片機控制第一開關(4)斷開，第二開關(5)閉合，同時采集參考極電壓U2和定值電阻一端的電壓Ul，并結合電壓轉換模塊(3)輸出電壓UO計算出氮氧傳感器加熱電的阻值，根據阻值得到氮氧傳感器的溫度Τ; 步驟2，加熱狀態時:單片機控制第一開關(4)閉合、第二開關(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現氮氧傳感器的加熱； 步驟3，重復步驟I和步驟2，初始時迅速加熱，在隨后階段，單片機根據氮氧傳感器溫度T的值控制第一開關(4)的閉合時間以逐漸減低加熱速率，直至將傳感器溫度控制在目標溫度范圍內。6.根據權利要求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的計算方法為: a.根據電源模塊的轉換電壓U0、采集的電壓值Ul和定值電阻阻值R0，計算回路中的電流I = (U0-U1)/R0; b.根據電壓值U2計算正負極引線的電阻R+= R- = U2/I; c.計算加熱電阻R_pt= (Ul-U2)/1-R+; d.由步驟a-c得出R_pt= R0*(Ul-2*U2)/(U0-Ul); e.根據加熱電阻阻值R_pt和溫度T之間的關系得出加熱電阻的溫度，即為氮氧傳感器的溫度。7.根據權利要求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.根據權利要求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之間的關系通過實驗標定得出。9.根據權利要求5所述的加熱控制方法，其特征在于，所述目標溫度范圍為700?750Γ。
【文檔編號】G05D23/24GK105892529SQ201610407104
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】段暢, 李捷輝, 林華定, 林慶俊, 林慶樞, 胡立, 梁鋒
【申請人】上海感先汽車傳感器有限公司