CN105892529A - 一种氮氧传感器加热控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮氧传感器加热控制电路及方法，包括单片机模块、供电电源、电压转换模块、第一开关、第二开关、定值电阻和氮氧传感器加热层；通过单片机控制第一开关和第二开关的开闭使得电路工作在加热和测量两种状态下。测量时：第一开关断开，第二开关闭合，给定值电阻的一端提供一个恒定电压，同时采集加热层参考极和定值电阻一端的电压，推导计算出加热层的等效电阻值，进而可以得到传感器的温度；加热时：第一开关闭合，第二开关断开，供电电源直接给加热层供电加热；重复测量和加热状态，同时单片机根据传感器温度控制加热时间，直至将传感器温度控制在目标温度范围内。在保证精度的前提下，减少恒流源的使用，降低电路成本和复杂性。

Description

一种氮氧传感器加热控制电路及方法

技术领域

本发明涉及柴油机SCR系统中的氮氧传感器，尤其涉及一种氮氧传感器电控单元的加热控制电路及控制策略。

背景技术

柴油机由于在动力性、经济性和可靠性方面有着汽油机不可比拟的优势，在大中型商用车上得到了广泛应用。然而，日趋严格的排放法规促使国内柴油机生产企业必须寻找有效途径来控制和减少汽车排放污染物，而选择性催化还原技术(SCR技术)是目前我国大中型柴油机达到排放标准的最佳选择。SCR系统利用氮氧传感器来检测发动机排气中的NOx浓度，并将检测值反馈给SCR系统控制单元，再通过调整尿素喷射量来降低NOx的含量，从而使排气能达到国家标准，氮氧传感器的好坏直接影响到最终的排放结果。

氮氧传感器由传感器探头和电控单元组成，二者之间通过线束连接。氮氧传感器的探头部分负责采集尾气，其内部将进行气体分离、电离分解和测量浓度三个步骤；电控单元通过线缆提供给探头完成上述三个过程需要的电流，并采集各过程的电信号，同时通过CAN总线把测量信息发送给发动机或其它控制单元。而氮氧传感器开始测量前，陶瓷芯片的头部需要达到并稳定在700～750℃以保证反应的正常进行。

现有的方法中，多数需要借助恒定电流源来完成控制，增加了系统的成本和复杂性；同时难以避免加热时会有电流流过外电阻，消耗了较大的能耗；并且没有明确加热控制策略。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种氮氧传感器加热控制电路及方法，极大地简化了电路结构，节约了成本；避免了不必要的能耗；明确了氮氧传感器加热控制的策略。实现本发明的技术方案如下：

一种氮氧传感器加热控制电路，包括单片机模块、供电电源模块、电压转换模块、定值电阻、氮氧传感器加热层以及第一开关和第二开关；所述供电电源模块经所述电压转换模块转换电压后给所述单片机模块供电；所述第一开关的一端连接所述供电电源的输出端、另一端连接所述氮氧传感器加热层的正极端；所述第二开关的一端连接所述定值电阻的一端、另一端连接所述氮氧传感器加热层的正极端，所述定值电阻的另一端连接所述电压转换模块的输出端；所述单片机通过脉冲信号PWM输出端与所述第一开关、所述第二开关相连，控制第一开关和第二开关的通断；所述单片机通过AD输入端口与所述定值电阻的一端、所述氮氧传感器加热层的参考极相连，用于采集连接点的电压信息；所述氮氧传感器加热层的负极接地；所述氮氧传感器加热层用于给氮氧传感器加热。

所述单片机通过控制所述第一开关闭合、所述第二开关断开实现氮氧传感器的加热；所述单片机通过控制所述第一开关断开、所述第二开关闭合，并结合AD端口的采样电压值实现氮氧传感器的温度测量，并根据温度调整传感器的加热时间。

进一步，所述氮氧传感器加热层采用三线式热电阻，其内部等效为加热电阻R_pt，正负极引线分别等效为电阻R+、R-，参考电极等效为电阻R_ref。

进一步，在20度左右时，所述R_pt＝1.4Ω、R+＝R-＝2.1Ω、R_ref＝0.5Ω。

进一步，所述供电电源采用外部电源或柴油车的蓄电池；所述单片机采用MC9S12XS128，或至少包括2个PWM输出和2个AD输入的单片机；所述电压转换模块将24V电压转换为5V给单片机供电。

基于上述加热控制电路，本发明还提出了一种加热控制方法，单片机控制第一开关和第二开关的开闭使得控制电路工作在加热状态和测量状态两种状态下，通过两种状态的重复切换实现传感器温度稳定，具体通过如下步骤实现：

步骤1，测量状态时：单片机控制第一开关断开，第二开关闭合，同时采集参考极电压U2和定值电阻一端的电压U1，并结合电压转换模块输出电压U0计算出氮氧传感器加热电阻R_pt的阻值，根据阻值得到氮氧传感器的温度T；

步骤2，加热状态时：单片机控制第一开关闭合、第二开关断开，供电电源为加热电阻R_pt供电加热，加热电阻加热陶瓷芯片实现氮氧传感器的加热；

步骤3，重复步骤1和步骤2，初始时迅速加热，在随后阶段，单片机根据氮氧传感器温度T的值控制第一开关的闭合时间以逐渐减低加热速率，直至将传感器温度控制在目标温度范围内。

进一步地，步骤1中所述氮氧传感器的温度T的计算方法为：

a.根据电源模块的转换电压U0、采集的电压值U1和定值电阻阻值R0，计算回路中的电流I＝(U0-U1)/R0；

b.根据电压值U2计算正负极引线的电阻R+＝R-＝U2/I；

c.计算加热电阻R_pt＝(U1–U2)/I–R+；

d.由步骤a-c得出R_pt＝R0*(U1–2*U2)/(U0-U1)；

e.根据加热电阻阻值R_pt和温度T之间的关系得出加热电阻的温度，即为氮氧传感器的温度。

进一步地，所述定值电阻阻值R0＝3Ω。

进一步地，所述加热电阻阻值R_pt和温度T之间的关系通过实验标定得出。

进一步地，所述目标温度范围为700～750℃。

本发明的有益效果：

本发明通过将测量状态和加热状态完全分离，避免处于加热状态时，额外的电阻R0产生热量；在保证测量精度的前提下，减少了恒流源的使用，降低了电路的成本和复杂性；通过合理地改变测量和加热状态的时间，使得氮氧传感器在开始工作时加热迅速，在达到工作温度后能保持温度稳定，这个温度为700～750℃中的某一值。

附图说明

图1是氮氧传感器所用的三线式加热层的等效结构示意图。

图2是本发明的氮氧传感器加热控制电路。

图3是本发明的氮氧传感器加热控制策略示意图。

图4是本发明的氮氧传感器加热控制的温度变化趋势图。

图中标记：1-单片机模块；2-供电电源模块；3-电压转换模块；4-第一开关；5-第二开关；6-定值电阻；7-氮氧传感器加热层。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1示出了氮氧传感器中三线式热电阻的等效结构示意图。共三根引线，分别为正极、负极和参考极；加热部分的电阻为R_pt，正极引线的电阻为R+，负极引线的电阻为R-，参考极的电阻为R_ref，其中R+＝R-；通过测量，常温下(约20℃)，R_pt＝1.4Ω、R+＝R-＝2.1Ω、R_ref＝0.5Ω；加热部分和正负极部分的电阻阻值会随温度的升高而变大，通过测量加热部分的电阻R_pt的阻值可以反映出传感器当前的温度。

图2示出了本发明氮氧传感器加热控制电路。供电电源2通过电压转换模块3为单片机模块1供电，柴油车的蓄电池可以作为供电电源，通常为24V直流电，单片机在本发明实施例中采用MC9S12XS128，电压转换模块将24V转换为5V为单片机供电；第一开关4的一端连接到供电电源2的输出端，另一端连接到氮氧传感器加热层7的正极，第一开关4的通断由单片机模块1通过输出脉冲信号PWM1控制；第二开关5的一端连接到定值电阻6的一端，定值电阻6的另一端与电压转换模块3的输出端相连，第二开关5的另一端连接到氮氧传感器加热层7的正极，第二开关5的通断由单片机模块1通过输出脉冲信号PWM2控制；氮氧传感器加热层7的负极接地；单片机模块1分别通过2个AD端口采集氮氧传感器加热层7的参考极信号和定值电阻6一端的电压信号，计算出当前状态下氮氧传感器加热部分的电阻值R_pt，并得到对应温度。

加热状态时，单片机模块1通过PWM1使第一开关4闭合，此时第二开关5断开，供电电源2为氮氧传感器加热层7提供电压，加热电阻R_pt为氮氧传感器加热。

测量状态时，单片机模块1通过PWM2使第二开关5闭合，此时第一开关4断开，进过电压转换模块3转换的电压U0为定值电阻6和氮氧传感器加热层7供电，此时单片机模块1的一个AD端口采集得到定值电阻6后的电压信号U1，另一个AD端口采集得到参考极处的电压信号U2，此时：

回路中的电流I＝(U0-U1)/R0；

正负极引线的电阻R+＝R-＝U2/I；

加热部分的电阻R_pt＝(U1–U2)/I–R+

＝R0*(U1–2*U2)/(U0-U1)；

其中，R0的阻值为3Ω。

加热电阻的温度和阻值的关系需要事先通过实验标定得到，通过标定的关系就能够获取温度的数值。

大概经过20秒左右，陶瓷芯片被加热到T_aim(700～750℃中的某一值)。

图3示出了本发明的加热控制策略，氮氧传感器开始工作时，首先检测此时加热电阻R_pt的温度，若小于T_aim(700～750℃中的某一值)，则切换到加热状态，加热到一定时间后再次切换到测量状态，并交替重复上述状态，当达到T1、T2、T3温度时，通过减少第一开关1的闭合时间，控制加热的速率。本发明实施例中，取T1＝200℃，T2＝500℃，T3＝700℃，T_aim＝750℃。

图4示出了本发明加热控制策略的效果图，前期迅速加热，在随后的不同温度段，逐渐减低加热速率，最终缓慢加热到并维持在T_aim温度。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种氮氧传感器加热控制电路，其特征在于，包括单片机模块(1)、供电电源模块(2)、电压转换模块(3)、定值电阻(6)、氮氧传感器加热层(7)以及第一开关(4)和第二开关(5)；所述供电电源模块(2)经所述电压转换模块(3)转换电压后给所述单片机模块(1)供电；所述第一开关(4)的一端连接所述供电电源模块(2)的输出端、另一端连接所述氮氧传感器加热层(7)的正极端；所述第二开关(5)的一端连接所述定值电阻(6)的一端、另一端连接所述氮氧传感器加热层(7)的正极端，所述定值电阻(6)的另一端连接所述电压转换模块(3)的输出端；所述单片机模块(1)通过脉冲信号PWM输出端与所述第一开关(4)、所述第二开关(5)相连，控制第一开关(4)和第二开关(5)的通断；所述单片机模块(1)通过AD输入端口与所述定值电阻(6)的一端、所述氮氧传感器加热层(7)的参考极相连，用于采集连接点的电压信息；所述氮氧传感器加热层(7)的负极接地；所述氮氧传感器加热层(7)用于给氮氧传感器加热。

所述单片机模块(1)通过控制所述第一开关(4)闭合、所述第二开关(5)断开实现氮氧传感器的加热；所述单片机模块(1)通过控制所述第一开关(4)断开、所述第二开关(5)闭合，并结合AD端口的采样电压值实现氮氧传感器的温度测量，并根据温度调整传感器的加热时间。

2.根据权利要求1所述的一种氮氧传感器加热控制电路，其特征在于，所述氮氧传感器加热层(7)采用三线式热电阻，其内部等效为加热电阻R_pt，正负极引线分别等效为电阻R+、R-，参考电极等效为电阻R_ref。

3.根据权利要求2所述的一种氮氧传感器加热控制电路，其特征在于，在20度左右时，所述R_pt＝1.4Ω、R+＝R-＝2.1Ω、R_ref＝0.5Ω。

4.根据权利要求1所述的一种氮氧传感器加热控制电路，其特征在于，所述供电电源模块(2)采用外部电源或柴油车的24V蓄电池；所述单片机模块(1)采用MC9S12XS128，或至少包括2个PWM输出和2个AD输入的单片机；所述电压转换模块(3)将24V电压转换为5V给单片机供电。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的氮氧传感器加热控制电路的加热控制方法，其特征在于，单片机控制第一开关(4)和第二开关(5)的开闭使得控制电路工作在加热状态和测量状态两种状态下，通过两种状态的重复切换实现传感器温度稳定，具体通过如下步骤实现：

步骤1，测量状态时：单片机控制第一开关(4)断开，第二开关(5)闭合，同时采集参考极电压U2和定值电阻一端的电压U1，并结合电压转换模块(3)输出电压U0计算出氮氧传感器加热电阻R_pt的阻值，根据阻值得到氮氧传感器的温度T；

步骤2，加热状态时：单片机控制第一开关(4)闭合、第二开关(5)断开，供电电源为加热电阻R_pt供电加热，加热电阻加热陶瓷芯片实现氮氧传感器的加热；

步骤3，重复步骤1和步骤2，初始时迅速加热，在随后阶段，单片机根据氮氧传感器温度T的值控制第一开关(4)的闭合时间以逐渐减低加热速率，直至将传感器温度控制在目标温度范围内。

6.根据权利要求5所述的加热控制方法，其特征在于，步骤1中所述氮氧传感器的温度T的计算方法为：

a.根据电源模块的转换电压U0、采集的电压值U1和定值电阻阻值R0，计算回路中的电流I＝(U0-U1)/R0；

b.根据电压值U2计算正负极引线的电阻R+＝R-＝U2/I；

c.计算加热电阻R_pt＝(U1–U2)/I–R+；

d.由步骤a-c得出R_pt＝R0*(U1–2*U2)/(U0-U1)；

e.根据加热电阻阻值R_pt和温度T之间的关系得出加热电阻的温度，即为氮氧传感器的温度。

7.根据权利要求6所述的加热控制方法，其特征在于，所述定值电阻阻值R0＝3Ω。

8.根据权利要求6所述的加热控制方法，其特征在于，所述加热电阻阻值R_pt和温度T之间的关系通过实验标定得出。

9.根据权利要求5所述的加热控制方法，其特征在于，所述目标温度范围为700～750℃。