CN104007160B - 气体传感器的加热器控制方法和加热器控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供气体传感器的加热器控制方法和加热器控制装置，即使施加在加热器的电源电压比以往高，也能够抑制由加热引起的施加到检测元件的负荷，并且能够实现检测元件的提前激活。与电源电压比16V高的电源装置连接，以在加热器元件上施加了12V的电源电压时描绘的升温曲线为目标，进行基于PWM控制的针对加热器元件的通电。由于在加热器元件上施加高电源电压，因此PWM控制的接通时间中的每单位时间的温度上升幅度变大。通过将PWM频率提高到30Hz以上，从而缩短每一周期的接通时间，将每一周期的温度上升幅度抑制得低，使得每0.1秒小于25℃。

Description

气体传感器的加热器控制方法和加热器控制装置

技术领域

本发明涉及用于对加热器的通电进行控制的加热器控制方法和加热器控制装置，该加热器对气体传感器的检测元件进行激活。

背景技术

公知有如下的气体传感器：具有检测元件，该检测元件具有至少一个由固体电解质体和一对电极构成的电池，对氧气等特定气体的浓度进行检测。检测元件在温度上升时激活，根据被固体电解质体隔开的两个气氛间的氧气浓度差，在一对电极之间产生电动势。检测元件是通过从内燃机排出的排气的热量而被加热，而另一方面为了检测元件的提前激活，在气体传感器上设置有加热器。在加热器上施加电源电压，但是存在如下的问题：当电源电压高时每单位时间的温度上升幅度大，对检测元件施加负荷并产生裂缝等。

因此，公知有通过PWM控制来进行针对加热器的通电的技术（例如参照专利文献1）。如果通过PWM控制对施加在加热器的有效电压进行控制，则能够使加热器的温度上升中的每单位时间的温度上升曲线接近适当的温度上升曲线。因此，能够减少针对检测元件的负荷，并且能够有效地确保加热器的升温速度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平9-127035号公报

另外，期望在电源电压比以往高的车辆（例如，具有超过16V的电源电压的车辆）上使用气体传感器。此时，当设定与电源电压一致的占空比来进行通电，以使通过PWM控制而施加到加热器的有效电压与以往的有效电压相同可知，存在有可能在检测元件上产生裂缝的问题。发明人研究的结果，即使PWM控制的一周期的接通时间（通电期间）比以往变短，在接通期间施加到加热器的电压（以下，也称为“施加电压”。）也比以往变高，因此可知接通期间的加热器的温度上升比以往急剧。针对该情况，为了减少接通期间的加热器的温度上升，当降低占空比以缩短接通时间时，由于施加到加热器的有效电压变低，因此加热器的温度上升曲线比以往变得平缓，存在检测元件的激活耗时的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供如下的气体传感器的加热器控制方法和加热器控制装置：即使施加到加热器的电源电压比以往高，也能够抑制由加热引起的施加到检测元件的负荷，并且能够实现检测元件的提前激活。

根据本发明的第1方式，提供气体传感器的加热器控制方法，用于控制针对气体传感器的加热器的通电，该气体传感器具有：气体检测元件，具有至少一个以上的电池，所述电池具有固体电解质体和设置于所述固体电解质体的一对电极；以及所述加热器，从电源装置施加电源电压而发热，对所述气体检测元件进行加热而使其激活，在所述加热器与具有比16V高的电源电压的电源装置连接，使用能够将针对所述加热器的电源电压的施加切换到通电或非通电的状态的开关单元，以30Hz以上的PWM频率对针对所述加热器的通电进行PWM控制时，将小于100%且使每0.1秒所述加热器的温度变化小于25℃的占空比设定到所述开关单元而进行所述PWM控制，以使施加在所述加热器的有效值成为对于所述加热器预先设定的施加电压值。

对于所述加热器预先设定的施加电压值是指使得从常温到成为能够检测的温度的时间小于15秒并且有效电压值为小于16V的电压值。

根据第1方式的气体传感器的加热器控制方法，将PWM频率设定为30Hz以上。由此，能够缩短每一周期的接通时间，即使将比16V高的电源电压施加到加热器，也能够将接通期间的加热器的温度上升幅度抑制得低。由此，如果以30Hz以上的PWM频率、设定为加热器的温度变化每0.1秒小于25℃的占空比来进行PWM控制，则能够抑制施加到检测元件的负荷。而且，即使缩短接通时间，也能够维持施加到加热器的电压的有效值，因此能够实现检测元件的提前激活。

根据本发明的第2方式，提供气体传感器的加热器控制装置，用于控制针对气体传感器的加热器的通电，该气体传感器具有：气体检测元件，具有至少一个以上的电池，所述电池具有固体电解质体和设置于所述固体电解质体的一对电极；以及所述加热器，从电源装置施加电源电压而发热，对所述气体检测元件进行加热而使其激活，所述气体传感器的加热器控制装置具有：开关单元，所述加热器与具有比16V高的电源电压的电源装置连接，所述开关单元能够将针对所述加热器的电源电压的施加切换到通电或非通电的状态；以及控制单元，以30Hz以上的PWM频率对所述开关单元进行驱动，对针对所述加热器的通电进行PWM控制，所述控制单元将小于100%且使每0.1秒所述加热器的温度变化小于25℃的占空比设定到所述开关单元而进行所述PWM控制，以使施加在所述加热器的有效值成为对于所述加热器预先设定的施加电压值。

在第2方式的气体传感器的加热器控制装置中，将控制单元驱动开关单元的PWM频率设定为30Hz以上。由此，能够缩短每一周期的接通时间，即使将比16V高的电源电压施加到加热器，也能够将接通期间的加热器的温度上升幅度抑制得低。由此，如果以30Hz以上的PWM频率、设定为使每0.1秒加热器的温度变化小于25℃的占空比来进行PWM控制，则能够抑制施加到检测元件的负荷。而且，即使缩短了接通时间，也能够维持施加到加热器的电压的有效值，因此能够实现检测元件的提前激活。

附图说明

图1是示出具有加热器元件7的全范围空燃比传感器2和传感器控制装置1的电结构的框图。

图2是示出加热器元件7的温度上升与通电时间之间的关系的升温曲线的曲线图。

图3是说明以电源电压16V、PWM频率10Hz来对加热器元件7进行了通电时的温度变化的图。

图4是说明以电源电压32V、PWM频率10Hz来对加热器元件7进行了通电时的温度变化的图。

图5是说明以电源电压32V、PWM频率100Hz来对加热器元件7进行了通电时的温度变化的图。

具体实施方式

以下，参照附图对具体化了本发明的气体传感器的加热器控制方法和加热器控制装置的一实施方式进行说明。首先，参照图1，作为加热器控制装置的一例，举出对全范围空燃比传感器2的驱动进行控制的传感器控制装置1，对其电结构进行说明。

图1所示的传感器控制装置1是搭载在车辆上的电子控制单元（ECU），与全范围空燃比传感器2电连接。本实施方式中的气体传感器，将输出值（检测信号的值）根据从发动机排出的排气中含有的氧气浓度而线性地变化的、所谓的全范围空燃比传感器2作为其一例。另外，对于全范围空燃比传感器2使用公知的传感器，因此省略对其构造等的详细说明，以下对其示意性结构进行说明。

全范围空燃比传感器2具有如下构造：在未图示的壳体内保持了构成细长且长条的板状的传感器元件5。从全范围空燃比传感器2抽出用于取出该传感器元件5输出的信号的信号线，与传感器控制装置1电连接，该传感器控制装置1安装在与全范围空燃比传感器2分开的位置。

如公知那样，传感器元件5是如下的元件：用于检测排气中的氧气浓度的气体检测元件6、和用于对气体检测元件6进行加热的加热器元件7成为一体。气体检测元件6内置有在以氧化锆为主体并具有氧离子传导性的固体电解质体的两面形成了以Pt为主体的电极的两种类的电池（Vs电池61、Ip电池62）。气体检测元件6构成为如下构造：层压上述Vs电池61和Ip电池62并形成能够导入排气的作为小室的气体检测室（未图示），在该气体检测室内分别露出两电池的一个电极。该两电池的一个电极彼此导通，经由未图示的信号线与传感器控制装置1具有的ASIC20（后述）的COM端口连接。另外，Vs电池61的另一个电极是作为在对导入到上述气体检测室内的排气中的氧气浓度进行检测时成为基准的氧气基准电极来发挥功能，经由未图示的信号线与ASIC20的Vs+端口连接。并且，Ip电池62的另一个电极为了进行气体检测室内与外气之间的氧气交换而被暴露于气体检测元件6的外气，与ASIC20的Ip+端口电连接。

加热器元件7对气体检测元件6的固体电解质体进行加热而实现提前激活，在激活之后，维持固体电解质体的温度而确保气体检测元件6的动作的稳定性。加热器元件7具有如下构造：在以氧化铝为主体的两个绝缘基体之间，夹着以铂为主体的发热电阻体71而进行配置。另外，传感器元件5的具体的构造是公知的，在图1中将全范围空燃比传感器2示出为电路结构。

接着，对连接有全范围空燃比传感器2的传感器控制装置1的示意性的结构进行说明。传感器控制装置1具有微机10、ASIC20以及加热器控制电路30。另外，虽然未图示，但是除此之外还具有与发动机的控制有关的各种电路（装置）。微机10通过ASIC20和加热器控制电路30来控制针对全范围空燃比传感器2的电力供给，并且能够将与排气中的氧气浓度对应的电流值作为电压信号而从气体检测元件6获得。

微机10是用于电子地控制汽车发动机的驱动等的装置。微机10根据各种控制程序的执行，对包含ASIC20的、与自身连接的各电路（装置）进行控制，从而对燃料的喷射定时和点火时期进行控制。为此，微机10通过未图示的信号入输出部，将用于控制对于全范围空燃比传感器2的电力供给的信号，输出到ASIC20和加热器控制电路30。另外，微机10通过ASIC20获取全范围空燃比传感器2的输出（检测信号）。而且，在微机10中还输入有发动机的活塞位置和能够检测转速的曲柄角、或者燃烧压力等信息。

在该微机10上搭载有公知结构的CPU11、ROM12以及RAM13。CPU11执行包括上述控制的各种控制，在ROM12中存储有用于进行这些各种控制的程序和初始值等。在RAM13中暂时存储有在程序的执行中使用的各种变量和标志、计数器等。

其次，ASIC20是面向如下特定用途的集成电路：对用于进行全范围空燃比传感器2的驱动控制的电路进行集成而实现单芯片化，容易地组装到传感器控制装置1。ASIC20根据从微机10输入的信号向气体检测元件6供给电力，并且将气体检测元件6的氧气浓度的检测结果输出至微机10。具体地讲，在ASIC20中，在气体检测元件6的Vs电池61中流过微小的恒电流Icp，使氧离子向上述另一个电极侧移动而积攒氧气，作为氧气基准电极来发挥功能。另外，对在Vs电池61的一对电极之间产生的电动势Vs进行检测，进行与预先确定的基准电压（例如450mV）之间的比较。根据该比较结果，通过对在Ip电池62的一对电极之间流过的泵电流Ip的方向和大小进行控制，从而进行基于Ip电池62的氧气向气体检测室的进入和氧气从气体检测室的放出。另外，虽然Vs电池61、Ip电池62具有内部电阻，但是公知该电阻值（内部电阻值、阻抗）具有根据固体电解质体的温度上升而降低的特性，内部电阻值与Vs电池61、Ip电池62的温度之间存在预定的相关关系。ASIC20另行对Vs电池61的内部电阻值的变化进行检测，输出到微机10。

加热器控制电路30对设置于传感器元件5上的加热器元件7的发热电阻体71的两端施加来自蓄电池8的电压Vh。详细地讲，加热器控制电路30具有用于通过PWM控制（脉冲宽度调制控制）进行针对发热电阻体71的通电的开关元件31（例如晶体管）。施加到发热电阻体71的两端的电压Vh的电压波形的占空比由微机10的CPU11计算。具体地讲，ASIC20检测与Vs电池61的加热状态对应的内部电阻值，CPU11根据该内部电阻值的变化，通过公知的运算式、或者预先制作的表，求出占空比。加热器控制电路30将构成与占空比对应的电压波形的电压Vh加到CPU11输出的脉冲信号并施加到发热电阻体71。发热电阻体71发热，对Ip电池61和Vs电池62进行加热。另外，作为加热器控制电路30的开关元件31，不限于上述晶体管，也可以使用FET等。

另外，如图2所示，公知表示在对发热电阻体71通电时的加热器元件7的温度上升与通电时间之间的关系的温度上升曲线（以下，也称为“升温曲线”。）描绘出与针对发热电阻体71的电力对应的曲线（温度的变动方式）。为了气体检测元件6的提前激活，优选增加向加热器元件7（发热电阻体71）供给的电力，使加热器元件7的温度在更短的时间内到达能够激活的温度。但是，当短时间内的温度上升幅度大时，存在气体检测元件6产生裂缝或破损的问题。

在本实施方式中，作为抑制施加到固体电解质体的负荷且能够实现气体检测元件6的提前激活的升温曲线，设定对加热器元件7施加的有效电压成为12V的升温曲线（以下，也称为“12V升温曲线”。另外，在图2中，用虚线表示12V升温曲线。）。但是，有时根据搭载传感器控制装置1的车辆，蓄电池8的电源电压不同。因此，传感器控制装置1以加热器元件7的温度上升描绘12V升温曲线的方式进行PWM控制。

具体地讲，在本实施方式中，特别是在与电源电压比16V高的蓄电池8连接的情况下，关于CPU11对加热器控制电路30输出的脉冲信号，将其PWM频率设定为30Hz以上，例如100Hz。即，传感器控制装置1的CPU11以在PWM周期的一周期中通过占空比设定的定时来进行开关元件31的一次接通/断开，将该PWM周期的一周期设为0.01秒（100Hz的情况），进行PWM控制。除此之外，设定为加热器元件7的温度变化每0.1秒小于25℃的占空比。通过该两个设定，即使施加到加热器元件7的蓄电池8的电源电压比16V高，也能够抑制施加到气体检测元件6的负荷。

以下，说明根据上述设定进行对于加热器元件7的PWM控制的理由。另外，在向加热器元件7施加的有效电压成为12V时描绘的12V升温曲线中，将开始通电并经过了预定时间时的加热器元件7的温度设为T1℃，将其0.1秒之后的加热器元件7的温度设为T2℃。

例如，考虑了如下情况：将传感器控制装置1与电源电压16V的蓄电池8连接，将PWM频率设定为10Hz，进行以12V升温曲线为目标设定了占空比的PWM控制。由于PWM频率为10Hz，因此PWM周期的一周期为0.1秒。如图3所示，CPU11通过基于Vs电池61的内部电阻值的运算求出占空比，使得从开始通电并经过了预定时间时起0.1秒后的加热器元件7（发热电阻体71）的温度达到T2℃。如果从通电开始起预定时间后的加热器元件7（发热电阻体71）的温度与施加了12V的电源电压的情况同样为T1℃，则CPU11以电压有效值成为12V的方式设定占空比。此时，从0秒到P秒开关元件31接通，在加热器元件7上施加16V，从P秒到0.1秒开关元件31断开。加热器元件7（发热电阻体71）在开关元件31接通期间（以下，也称为“接通时间”。）通过16V电压的施加而温度上升Tx℃，在开关元件31断开期间（以下，也称为“断开时间”。）通过自然冷却而温度降低，预定时间0.1秒后的温度达到T2℃。

另外，对与图3不同的、在图2所示的12V升温曲线中在断开时间中也观察到温度上升的点进行说明。另外，在图2中，加热器元件7的温度是如下测量的实测值：在加热器元件7的表面与形成于加热器元件7的内部的发热电阻体71的图案对应的位置处，使热电偶接触而配置，通过温度检测器进行了测量。因此，在升温曲线中，由于温度检测器的分辨率，有时示出比PWM周期细的阶梯状的温度变化。在接通期间，通过发热电阻体71的发热，加热器元件7的温度上升。之后，当成为断开时间时，如图3所示发热电阻体71的温度降低，发热电阻体71的温度还是比加热器元件7的表面的温度高，因此加热器元件7的温度上升。之后，加热器元件7的表面的温度上升，在接近发热电阻体71的温度时，温度上升幅度变小，但是加热器元件7表面的温度继续上升。由此，在图3中，虽然加热器元件7的温度在接通时间上升、在断开时间下降，但这是为了便于说明，在测量了发热电阻体71自身的温度的情况和PWM频率非常低的情况下有时会反映出。另一方面，在测量了加热器元件7的表面温度时，如图2所示，有时在PWM周期的每一周期温度上升幅度发生变化并持续温度上升的状态。

此处，发明人确认到：在将蓄电池8的电源电压设定为比16V高的32V，传感器控制装置1以12V升温曲线为目标进行了PWM控制时，有时在气体检测元件6上裂缝或破损。

另外，如图2所示，在12V升温曲线中，每单位时间的温度上升幅度根据从通电开始起经过的时期而不同。在12V升温曲线中，每单位时间的温度上升幅度在通电的初期大。发明人得出了如下的结论：通过对该通电的初期中的每单位时间的温度上升幅度进行控制，从而即使是当对气体检测元件6施加负荷时容易产生裂缝或破损的时期、例如加热器元件7的温度上升的时期，也能够抑制气体检测元件6的裂缝或破损。

因此，考虑了如下的情况：在传感器控制装置1上连接电源电压32V的蓄电池8，将PWM频率设定为与上述同样的10Hz，如图2所示，进行以12V升温曲线为目标设定了占空比的PWM控制。如图4所示，PWM周期的一周期为0.1秒。由于从通电开始起经过预定时间后的加热器元件7（发热电阻体71）的温度为T1℃，因此CPU11以施加到加热器元件7的电压的有效值成为12V的方式设定占空比。在加热器元件7上从0秒到Q秒为止的接通时间施加32V，经过从Q秒到0.1秒的断开时间而经过一周期。施加有32V的接通时间中的加热器元件7（发热电阻体71）的温度上升率（斜率）比电源电压为16V的情况大。加热器元件7（发热电阻体71）通过在接通时间施加32V的电压而温度上升Ty℃，在断开时间通过自然冷却而温度降低，与上述同样，预定时间0.1秒后的温度达到T2℃。在PWM频率为10Hz且电源电压为32V时，在接通时间上升的加热器元件7的温度Ty℃比PWM频率为10Hz且电源电压为16V时在接通时间上升的温度Tx℃高。

另外，在图2中，在PWM频率为10Hz且电源电压为32V时（用单点划线示出此时的升温曲线。），加热器元件7的温度上升幅度最大且为每0.1秒25.5℃。

如上所述，在与传感器控制装置1连接的蓄电池8的电源电压为32V时，由于PWM频率为10Hz，因此接通期间的温度上升Ty℃，是比较高的，容易对气体检测元件6施加负荷。其结果，存在在气体检测元件6上产生裂缝或破损的问题。

并且，在蓄电池8的电源电压比16V高的32V时的PWM控制中，传感器控制装置1为了抑制在以12V升温曲线为目标时施加到固体电解质体的负荷，考虑减少向加热器元件7供给的电力。但是，当通过电力的减少而加热器元件7的温度上升变慢时，会对气体检测元件6的提前激活产生影响。因此发明人关注PWM频率，考虑通过提高PWM频率来抑制每一周期的温度上升幅度，并实现气体检测元件6的提前激活。

考虑了如下的情况：将传感器控制装置1与电源电压32V的蓄电池8连接，将PWM频率设定为100Hz，进行以12V升温曲线为目标设定了占空比的PWM控制。如图5所示，PWM周期的一周期为0.01秒。由于从通电开始起经过预定时间之后的加热器元件7（发热电阻体71）的温度为T1℃，因此CPU11以施加到加热器元件7的电压的有效值成为12V的方式设定占空比。在加热器元件7上在从0秒到R秒的接通时间施加32V，经过从R秒到0.1秒的断开时间而经过一周期。施加32V的接通时间中的加热器元件7（发热电阻体71）的温度上升率（斜率）与图4的情况相同，比电源电压为16V的情况大。加热器元件7通过在接通时间施加32V的电压而温度上升Tz℃，在断开时间通过自然冷却而温度降低。将这种温度上升和下降重复进行10周期，加热器元件7与上述同样预定时间0.1秒后的温度达到T2℃。在PWM频率为100Hz且电源电压为32V的情况下在接通时间上升的加热器元件7的温度Tz℃比在PWM频率为10Hz且电源电压为32V的情况下在接通时间上升的温度Ty℃低。

另外，在图2中，在PWM频率为100Hz且电源电压为32V时（用实线示出此时的升温曲线。），加热器元件7的温度上升幅度最大且为每0.1秒18.3℃。

如上所述，在与传感器控制装置1连接的蓄电池8的电源电压为32V时，通过将PWM频率设为100Hz，使接通期间的温度上升Tz℃，是比较低的。在上述电源电压为32V且PWM频率为10Hz的情况下，与Ty℃的温度上升相比确实降低，其结果，在气体检测元件6上很难施加负荷，能够抑制裂缝或破损。

也就是说，如果将PWM频率设定得高，并缩短PWM频率的一周期的时间，则还能够缩短每一周期的接通时间。因此，即使将比16V高的电源电压施加到加热器元件7，也能够将接通期间的加热器的温度上升幅度抑制得低。由此，如果与32V的蓄电池8连接，在100Hz的PWM频率下，设定为加热器的温度变化每0.1秒小于25℃的占空比而进行PWM控制，则能够抑制施加在检测元件上的负荷。而且，即使缩短接通时间，也能够维持施加在加热器的电压的有效值。由此，如果为了气体检测元件6的提前激活，以12V升温曲线为目标控制施加在加热器元件7的电压的有效值而进行PWM控制，则能够如以往那样确保向加热器元件7（发热电阻体71）供给的电力，并能够实现提前激活。

即使在电源电压为32V时使PWM频率为30Hz以上，并以12V升温曲线为目标设定占空比而进行PWM控制，在气体检测元件6上也没有产生裂缝或破损。发明人确认到：在蓄电池8的电源电压比16V高时的以12V升温曲线为目标的PWM控制中，如果PWM频率为30Hz以上则在气体检测元件6上不产生裂缝或破损。

另外，本发明不限定于上述实施方式，也可以在不脱离本发明的主旨的范围内施加各种变更。虽然传感器控制装置1以汽车的ECU为例，但是也可以设置与ECU独立的控制装置。虽然作为气体传感器的一例举出了全范围空燃比传感器，但是本发明也可以在具有以固体电解质体为基体的气体检测元件、和对固体电解质体进行加热而实现提前激活的加热器元件的气体传感器，例如氧气传感器、NOx传感器、空气质量传感器、HC传感器等中应用。

另外，在本发明中，以12V升温曲线为目标，但并不限于此，也可以例如以10V升温曲线、8V升温曲线为目标。即，有效电压为使从常温到成为能够检测的温度的时间小于15秒这样的小于16V的电压值即可。

Claims (2)

1.一种气体传感器的加热器控制方法，用于控制针对气体传感器的加热器的通电，该气体传感器具有：气体检测元件，具有至少一个电池，所述电池具有固体电解质体和设置于所述固体电解质体的一对电极；以及所述加热器，从电源装置施加电源电压而发热，对所述气体检测元件进行加热而使所述气体检测元件激活，所述气体传感器的加热器控制方法的特征在于，

在所述加热器与具有比16V高的电源电压的电源装置连接，使用能够将针对所述加热器的电源电压的施加切换到通电或非通电的状态的开关单元，以30Hz以上的PWM频率对针对所述加热器的通电进行PWM控制时，

将小于100％且使每0.1秒所述加热器的温度变化小于25℃的占空比设定到所述开关单元而进行所述PWM控制，以使施加在所述加热器的电压的有效值成为对于所述加热器预先设定的施加电压值。

2.一种气体传感器的加热器控制装置，用于控制针对气体传感器的加热器的通电，该气体传感器具有：气体检测元件，具有至少一个电池，所述电池具有固体电解质体和设置于所述固体电解质体的一对电极；以及所述加热器，从电源装置施加电源电压而发热，对所述气体检测元件进行加热而使所述气体检测元件激活，所述气体传感器的加热器控制装置的特征在于，具有：

开关单元，所述加热器与具有比16V高的电源电压的电源装置连接，所述开关单元能够将针对所述加热器的电源电压的施加切换到通电或非通电的状态；以及

控制单元，以30Hz以上的PWM频率对所述开关单元进行驱动，对针对所述加热器的通电进行PWM控制，

所述控制单元将小于100％且使每0.1秒所述加热器的温度变化小于25℃的占空比设定到所述开关单元而进行所述PWM控制，以使施加在所述加热器的电压的有效值成为对于所述加热器预先设定的施加电压值。