一種氮氧傳感器加熱控制電路及方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)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(kāi)關(guān)、第二開(kāi)關(guān)、定值電阻和氮氧傳感器加熱層；通過(guò)單片機(jī)控制第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉使得電路工作在加熱和測(cè)量?jī)煞N狀態(tài)下。測(cè)量時(shí)：第一開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，第二開(kāi)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(kāi)關(guān)閉合，第二開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，供電電源直接給加熱層供電加熱；重復(fù)測(cè)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。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)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。
技術(shù)介紹
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(chē)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(guó)內(nèi)柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)必須尋找有效途徑來(lái)控制和減少汽車(chē)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(guó)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(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NOx濃度，并將檢測(cè)值反饋給SCR系統(tǒng)控制單元，再通過(guò)調(diào)整尿素噴射量來(lái)降低NOx的含量，從而使排氣能達(dá)到國(guó)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。氮氧傳感器由傳感器探頭和電控單元組成，二者之間通過(guò)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(cè)量濃度三個(gè)步驟；電控單元通過(guò)線纜提供給探頭完成上述三個(gè)過(guò)程需要的電流，并采集各過(guò)程的電信號(hào)，同時(shí)通過(guò)CAN總線把測(cè)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(kāi)始測(cè)量前，陶瓷芯片的頭部需要達(dá)到并穩(wěn)定在700～750℃以保證反應(yīng)的正常進(jìn)行。現(xiàn)有的方法中，多數(shù)需要借助恒定電流源來(lái)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(guò)外電阻，消耗了較大的能耗；并且沒(méi)有明確加熱控制策略。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種氮氧傳感器加熱控制電路及方法，極大地簡(jiǎn)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)本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案如下：一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(kāi)關(guān)和第二開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)脈沖信號(hào)PWM輸出端與所述第一開(kāi)關(guān)、所述第二開(kāi)關(guān)相連，控制第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)的通斷；所述單片機(jī)通過(guò)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。所述單片機(jī)通過(guò)控制所述第一開(kāi)關(guān)閉合、所述第二開(kāi)關(guān)斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)氮氧傳感器的加熱；所述單片機(jī)通過(guò)控制所述第一開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、所述第二開(kāi)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(cè)量，并根據(jù)溫度調(diào)整傳感器的加熱時(shí)間。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。進(jìn)一步，在20度左右時(shí)，所述R_pt＝1.4Ω、R+＝R-＝2.1Ω、R_ref＝0.5Ω。進(jìn)一步，所述供電電源采用外部電源或柴油車(chē)的蓄電池；所述單片機(jī)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)換模塊將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V給單片機(jī)供電。基于上述加熱控制電路，本專(zhuān)利技術(shù)還提出了一種加熱控制方法，單片機(jī)控制第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉使得控制電路工作在加熱狀態(tài)和測(cè)量狀態(tài)兩種狀態(tài)下，通過(guò)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(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟1，測(cè)量狀態(tài)時(shí)：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制第一開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，第二開(kāi)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U1，并結(jié)合電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓U0計(jì)算出氮氧傳感器加熱電阻R_pt的阻值，根據(jù)阻值得到氮氧傳感器的溫度T；步驟2，加熱狀態(tài)時(shí)：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制第一開(kāi)關(guān)閉合、第二開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，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1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(kāi)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)。進(jìn)一步地，步驟1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U1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＝(U1–U2)/I–R+；d.由步驟a-c得出R_pt＝R0*(U1–2*U2)/(U0-U1)；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。進(jìn)一步地，所述定值電阻阻值R0＝3Ω。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(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得出。進(jìn)一步地，所述目標(biāo)溫度范圍為700～750℃。本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果：本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)將測(cè)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R0產(chǎn)生熱量；在保證測(cè)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(guò)合理地改變測(cè)量和加熱狀態(tài)的時(shí)間，使得氮氧傳感器在開(kāi)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℃中的某一值。附圖說(shuō)明圖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。圖2是本專(zhuān)利技術(shù)的氮氧傳感器加熱控制電路。圖3是本專(zhuān)利技術(shù)的氮氧傳感器加熱控制策略示意圖。圖4是本專(zhuān)利技術(shù)的氮氧傳感器加熱控制的溫度變化趨勢(shì)圖。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(kāi)關(guān)；5-第二開(kāi)關(guān)；6-定值電阻；7-氮氧傳感器加熱層。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本專(zhuān)利技術(shù)的保護(hù)范圍并不限于此。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(guò)測(cè)量，常溫下(約20℃)，R_pt＝1.4Ω、R+＝R-＝2.1Ω、R_ref＝0.5Ω；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(guò)測(cè)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。圖2示出了本專(zhuān)利技術(shù)氮氧傳感器加熱控制電路。供電電源2通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊3為單片機(jī)模塊1供電，柴油車(chē)的蓄電池可以作為供電電源，通常為24V直流電，單片機(jī)在本專(zhuān)利技術(shù)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(kāi)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(kāi)關(guān)
4的通斷由單片機(jī)模塊1通過(guò)輸出脈沖信號(hào)PWM1控制；第二開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)5的通斷由單片機(jī)模塊1通過(guò)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1分別通過(guò)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6一端的電壓信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下氮氧傳感器加熱部分的電阻值R_pt，并得到對(duì)應(yīng)溫度。加熱狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)模塊1通過(guò)PWM1使第一開(kāi)關(guān)4閉合，此時(shí)第二開(kāi)關(guān)5斷開(kāi)，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。測(cè)量狀態(tài)時(shí)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
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(1)、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(kāi)關(guān)(4)和第二開(kāi)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(1)供電；所述第一開(kāi)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(kāi)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(1)通過(guò)脈沖信號(hào)PWM輸出端與所述第一開(kāi)關(guān)(4)、所述第二開(kāi)關(guān)(5)相連，控制第一開(kāi)關(guān)(4)和第二開(kāi)關(guān)(5)的通斷；所述單片機(jī)模塊(1)通過(guò)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(1)通過(guò)控制所述第一開(kāi)關(guān)(4)閉合、所述第二開(kāi)關(guān)(5)斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)氮氧傳感器的加熱；所述單片機(jī)模塊(1)通過(guò)控制所述第一開(kāi)關(guān)(4)斷開(kāi)、所述第二開(kāi)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(cè)量，并根據(jù)溫度調(diào)整傳感器的加熱時(shí)間。...

【技術(shù)特征摘要】
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(1)、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(kāi)關(guān)(4)和第二開(kāi)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(1)供電；所述第一開(kāi)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(kāi)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(1)通過(guò)脈沖信號(hào)PWM輸出端與所述第一開(kāi)關(guān)(4)、所述第二開(kāi)關(guān)(5)相連，控制第一開(kāi)關(guān)(4)和第二開(kāi)關(guān)(5)的通斷；所述單片機(jī)模塊(1)通過(guò)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(1)通過(guò)控制所述第一開(kāi)關(guān)(4)閉合、所述第二開(kāi)關(guān)(5)斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)氮氧傳感器的加熱；所述單片機(jī)模塊(1)通過(guò)控制所述第一開(kāi)關(guān)(4)斷開(kāi)、所述第二開(kāi)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(cè)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+、R-，參考電極等效為電阻R_ref。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＝1.4Ω、R+＝R-＝2.1Ω、R_ref＝0.5Ω。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(chē)的24V蓄電池；所述單片機(jī)模塊(1)采用MC9S12XS128...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：段暢，李捷輝，林華定，林慶俊，林慶樞，胡立，梁鋒，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：上海感先汽車(chē)傳感器有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海;31