CN113795753B - 用于确定陶瓷排气传感器的电化学电池的内阻的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种借助分析处理与控制单元来确定排气传感器的电化学电池的内阻的方法，所述分析处理与控制单元还具有电流源。本发明基于以下构思：尤其至少在冷的、高电阻的电池中，在测量期间将第一电阻与电化学电池并联连接。以这种方式能够避免不允许的高电压被施加到电化学电池上。
Description
背景技术
由DE 10 2010 000 663 A1已经公开了一种用于在内燃机的排气管道中运行宽带λ探针(Lambdasonden)并且用于检测关于宽带λ探针的运行状态的信息的设备，其中，宽带λ探针具有参考电极连接端、内部泵电极连接端、外部泵电极连接端和测量连接端，其中，该设备与宽带λ探针的连接端以及接地电阻和校准电阻连接，其中，该设备具有第一开关矩阵，用于将泵电流源和参考电流源与宽带λ探针的连接端、接地电阻、校准电阻和参考电压源互相连接，其中，该设备具有第二开关矩阵，用于将宽带λ探针的连接端、接地电阻、校准电阻以及泵电流源和参考电流源与数字测量系统互相连接。
为了测量宽带λ探针的电化学电池的内阻，在这方面根据现有技术设置设备的开关状态，在该设备中，电流源之一的电流完全流过所涉及的电化学电池。
发明内容
然而，本发明基于发明人的基本知识：在先前已知的处理方式中在相对冷的电化学电池的情况下、即在电化学电池的高内阻的情况下，在根据欧姆定律测量电化学电池的内阻时，电化学电池上可能下降这样的电压：所述电压如此高，使得可能出现陶瓷固体电解质的不可逆的损害，并由此缩短λ探针的使用寿命。在此已经证明，不仅施加在电化学电池上的电压的高峰值而且施加在电化学电池上的电压的高平均值都是潜在有危害的。
通过根据本发明的措施，即在第一运行模式中在第一开关闭合和第二开关闭合的情况下进行电化学电池的内阻的确定，其方式是：在测量期间将第一电阻与电化学电池并联连接，这实现在电化学电池上即使在相对低的温度下、即在电化学电池的高内阻下，在平均值和峰值方面仅下降这样的电压：所述电压不会对固体电解质造成不可逆的损害。因此，通过根据本发明的方法可以延长λ探针的使用寿命。
符合目的地可以设置，当电化学电池的内阻的值高于阈值时，至少总是根据第一运行模式确定电化学电池的内阻。当电化学电池的内阻还未知时，也可以根据第一运行模式确定电化学电池的内阻。
另一方面，在一种扩展方案中设置，如果满足电化学电池的内阻的值不高于阈值的先决条件，则电化学电池的内阻的确定根据第二运行模式进行，在第二运行模式中第二开关断开，即特别是电流源仅仅通过电化学电池与信号分析处理单元连接。例如，为了评估是否满足先决条件，可以使用先前的内阻测量的结果(如果存在这种结果)。
所提及的阈值例如可以是4k欧姆，和/或例如在1k欧姆至8k欧姆的范围中。第一电阻也可以具有4k欧姆的电阻值或1k欧姆与8k欧姆之间的电阻值。阈值可以尤其精确地或近似地(例如+/-30％)等于第一电阻的电阻值。
附加地或替代地设置，在低于电化学电池的确定温度的情况下根据第一运行模式进行且在高于电化学电池的确定温度的情况下根据第二运行模式进行。确定的温度可以是例如500℃，或在400℃和600℃之间的范围内。
然而，替代地，也可以始终根据第一运行模式地进行。
尤其设置，当未确定第一电化学电池的内阻时，第一开关断开。在这种情况下，电化学电池不与电流源电连接。
另一方面可以设置，当未确定第一电化学电池的内阻时，第二开关也始终或至少暂时地根据第一运行模式闭合。电化学电池的电极然后通过第一电阻彼此连接，由此导致在该阶段也防止施加到电化学电池上的、有危害的电压，并且进一步降低施加到电化学电池的平均电压。
设置，信号分析处理单元基于输送给它的电信号确定电化学单元的内阻。例如可以分析处理在电化学电池上下降的电压、或在电化学电池与第一电阻的并联电路上下降的电压，例如相对地通过电化学电池通电所处的状态与电化学电池未通电所处的状态的比较。
此外，可以灵巧地考虑在第一开关闭合之后发生的瞬态振荡过程如在WO18206191A1中所描述的。
以上已基于电化学电池阐述了本发明。在具有两个或多个电化学电池的λ探针或其他排气传感器(Abgassensor)的情况下，也能够分别以根据本发明的方式和方法确定两个或所有电化学电池的内阻。
本发明的一种扩展方案，其涉及具有两个电化学电池的λ探针，在这方面设置，分析处理与控制单元具有第三电连接端，用于与陶瓷排气传感器的第二电化学电池的第一电极连接，其中，分析处理与控制单元的第二电连接端设置用于与陶瓷排气传感器的第二电化学电池的第二电极连接，并且第二电化学电池的内阻的确定通过如下方式进行：分析处理与控制单元的电流源能够通过分析处理与控制单元的第一开关或通过分析处理与控制单元的其他第一开关与第三连接端连接，其中，分析处理与控制单元的信号分析处理单元与第二电连接端连接，使得电流源通过第二电化学电池与分析处理与控制单元的信号分析处理单元连接，其中，电流源(当其与第三连接端连接时)也能够通过分析处理与控制单元的其他第二开关，或通过分析处理与控制单元的与其他第二开关串联连接的第一电阻，或通过分析处理与控制单元的其他第一电阻与分析处理与控制单元的信号分析处理单元连接，使得串联连接有分析处理与控制单元的其他第二开关和分析处理与控制单元的第一电阻或分析处理与控制单元的其他第一电阻的路径与连接有所述第二电化学电池的路径并联连接，其中，信号分析处理单元基于输送给它的电信号求取第二电化学电池的内阻。
可以设置，电化学电池内阻的确定和第二电化学电池内阻的确定不是同时进行，而是周期性地交替进行。
附图说明
图1示意性地示出分析处理与控制单元，并且基于子图a、b、c、d和e根据示例示出根据本发明的方法的执行；
图2示出替代的分析处理与控制单元；
图3示例性地示出在根据本发明的方法期间和在比较测量期间由电流源产生的电流和施加到能斯特电池的电压。
具体实施方式
图1a示意性地示出用于执行根据本发明的方法的分析处理与控制单元10。分析处理与控制单元10具有四个输出端RE、IPE、APE和MES，所述分析处理与控制单元通过这些输出端与宽带λ探针20连接。在该示例中，连接端RE和IPE与宽带λ探针20的第一电化学电池21、例如宽带λ探针20的能斯特电池(Nernstzelle)连接，并且连接端IPE和APE与宽带λ探针20的第二电化学电池22、例如宽带λ探针20的泵电池连接。输出端APE和MES可以例如与宽带λ探针20的平衡电阻(Abgleichwiderstand)连接。
分析处理与控制单元10还具有电流源SR，其在一定限度内独立于连接到该电流源的负载地产生预给定的电流，例如在0.25mA范围内的电流。分析处理与控制单元10还具有信号分析处理单元12，其例如能够对连接到该信号分析处理单元上的电势相对于地电势和/或相对于先前或随后检测到的电势进行分析处理。
为了能够测量宽带λ探针的能斯特电池21的内阻Ri，电流源SR能够通过第一开关Scs1与连接端RE连接，并且信号分析处理单元12与连接端IPE连接。为了还能够测量宽带λ探针的泵电池22的内阻Ri2，电流源SR还能够附加地通过其他第一开关Scs2与连接端APE连接。与能斯特电池21并联地，在分析处理与控制单元10中，第二开关SCP1和第一电阻R_P(其电阻值RP在示例中为4k欧姆)彼此串联连接。
此外，与分析处理与控制单元10中的泵电池22并联，其他第二开关SCP2与第一电阻R_P彼此串联连接。第一电阻R_P在这方面既布置在与能斯特电池21并联的支路中又布置在与泵电池22并联的支路中。替代地，也可以使用两个不同的第一电阻R_P。
在图1a中，两个第一开关SCS1、SCS2断开而两个第二开关SCP1、SCP1闭合。在此，目前不进行内阻测量。能斯特电池21和泵电池22在此例如分别通过第一电阻R_P短路，从而导致保护两个电化学电池21、22免于施加到其上的有害电压。
图1b示出根据第一运行模式的能斯特电池21(即高电阻的、冷的能斯特电池21的情况下)的内阻Ri的测量。在此，第一开关SCS1和第二开关SCP1闭合，使得由电流源SR产生的例如ISR＝0.25mA的电流流向信号分析处理单元12，并在此根据基尔霍夫定律如此被划分为引导通过能斯特电池21的支路和引导通过第一电阻R_P的支路，使得在两个支路中的电阻与流动的电流的乘积是相等的。因此，即使在高电阻(冷)的能斯特电池21的情况下，从外部施加到能斯特电池21的电压不能大于第一电阻的电阻值RP与由电源产生的电流ISR的乘积，在示例中为1伏。这是能斯特电池21的陶瓷和固体电解质的非临界值(unkritischerWert)。通过检测相应的电位，可以在信号分析处理单元12中推断出能斯特电池21的高内阻和低温度。更详细地，可以灵巧地考虑在第一开关SCS1已经闭合之后发生的瞬态振荡过程，例如在WO18206191 A1中所描述的。
图1c示出根据第二运行模式的能斯特电池21(即低电阻的、热的能斯特电池21的情况下)的内阻Ri的测量。在此，第一开关SCS1仍然闭合，但第二开关SCP1是断开的，使得由电流源SR产生的例如ISR＝0.25mA的电流流过能斯特电池21并进一步流到信号分析处理单元12。在该示例中，在信号分析处理单元中测量的电位对应于能斯特电池上的50mV的电压降。由此推断，例如能斯特电池的内阻Ri为200欧姆，其对应于780℃的能斯特电池21的温度。
图1d示出根据第一运行模式的泵电池22(即高电阻的、冷的泵电池22的情况下)的内阻Ri2的测量。在此，其他第一开关SCS2和其他第二开关SCP2闭合，因此由电流源SR产生的例如ISR＝0.25mA的电流流至信号分析处理单元12，并且根据基尔霍夫定律如此被分划分为引导通过泵电池22的支路和引导通过第一电阻R_P的支路，使得两个支路中的电阻与流动的电流的乘积是相等的。因此，即使在高电阻(冷)的泵电池22的情况下，从外部施加到泵电池22的电压不能大于第一电阻的电阻值RP与由电源产生的电流ISR的乘积，在示例中为1伏。这对于泵电池22的陶瓷和固体电解质也是非临界值。通过检测相应的电位，可以在信号分析处理单元12中推断出泵电池的高内阻和低温度。
更详细地，可以灵巧地考虑在其他第一开关SCS2已经闭合之后发生的瞬态振荡过程，例如在WO18206191 A1中所描述的。
图1e示出根据第二运行模式的泵电池22(即低电阻的、热的泵电池22的情况下)的内阻Ri2的测量。在此，其他第一开关SCS2仍然闭合，但其他第二开关SCP2是断开的，使得由电流源SR产生的例如ISR＝0.25mA的电流流过泵电池22并进一步流到信号分析处理单元12。在该示例中，在信号分析处理单元12中测量的电位对应于泵电池上的50mV的电压降。由此推断，例如泵电池的内阻为200欧姆，其对应于780℃的泵电池温度。
在示例中设置，如果已知所述内阻Ri、Ri2小于4k欧姆，则周期性地且交替地、即根据第二运行模式进行能斯特电池21和泵电池22的内阻Ri、Ri2的测量，并且在其他情况下、即当从先前的测量中不知道能斯特电池21和泵电池22的内阻Ri、Ri2时或当已知所述内阻Ri、Ri2大于4k欧姆时，根据第一运行模式进行测量。
图2示出替代的分析处理与控制单元10，其中两个第一开关SCS1,SCS2布置在连接端RE和APE的正前方，并且其中只设置有唯一的第二开关SCP。在该示例中，还设置有两个其他开关S1和S2，电流源SR通过所述其他开关能够与信号分析处理单元12连接。
为了进一步阐述该方法，在图3中示出由电流源SR产生的泵电流ISR和在冷的λ探针20的能斯特电池21上下降的电压U的时间上的变化过程。
在此，泵电流ISR在0mA和0.25mA的数值之间来回跳动，参见虚线。第二开关SCP1根据设置用于冷探针20的第一运行模式闭合，使得能斯特电池21上下降的电压不高于1伏的值，参见实线。
仅出于比较的目的，在冷探针20的情况下已经根据第二运行模式(即在第二开关SCP1断开的情况下)测量能斯特电池21的内阻Ri，这不相应于根据本发明的方法，而是相应于根据开头提及的现有技术的方法。在此，在能斯特电池21上下降例如高达4.5V的高的电压U，参见虚线。尽管这种电压在能斯特电池21上并不直接破坏能斯特电池，但是根据申请人最近的发现，在周期性地施加所述电压时，所述电压会导致λ探针20的使用寿命缩短并且因此优选地避免。
例如，所描述的分析处理与控制单元可以集成在ASIC上。
Claims (15)
1.一种用于确定陶瓷排气传感器(20)的电化学电池(21)的内阻(Ri)的方法，其中，所述电化学电池(21)具有第一电极、第二电极和固体电解质，所述固体电解质布置在所述第一电极和所述第二电极之间，其中，所述电化学电池(21)的内阻(Ri)的确定借助分析处理与控制单元(10)进行，其中，所述分析处理与控制单元(10)具有第一电连接端(RE)，所述第一电连接端用于与所述陶瓷排气传感器(20)的电化学电池(21)的第一电极连接，其中，所述分析处理与控制单元(10)具有第二电连接端(IPE)，所述第二电连接端用于与所述陶瓷排气传感器的电化学电池(21)的第二电极连接，其中，所述分析处理与控制单元(10)具有电流源(SR)，所述电流源能够通过所述分析处理与控制单元(10)的第一开关(SCS1)与所述第一电连接端(RE)连接，其中，所述分析处理与控制单元(10)的信号分析处理单元(12)与所述第二电连接端(IPE)连接，使得所述电流源(SR)通过所述电化学电池(21)与所述分析处理与控制单元(10)的信号分析处理单元(12)连接，其中，当所述电流源与所述第一电连接端(RE)连接时，所述电流源(SR)也能够通过所述分析处理与控制单元(10)的第二开关(SCP1)并且通过所述分析处理与控制单元(10)的与所述第二开关(SCP1)串联连接的第一电阻(R_P)与所述分析处理与控制单元(10)的信号分析处理单元(12)连接，使得串联连接有所述分析处理与控制单元(10)的第二开关(SCP1)和所述分析处理与控制单元(10)的第一电阻(R_P)的路径与连接有所述电化学电池(21)的路径并联连接，其中，所述信号分析处理单元(12)基于如此输送给所述信号分析处理单元的电信号确定所述电化学电池(21)的内阻(Ri)，其特征在于，所述电化学电池(21)的内阻(Ri)的确定在第一运行模式中在所述第一开关(SCS1)闭合且所述第二开关(SCP1)闭合的情况下进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电化学电池(21)的内阻(Ri)的确定在第二运行模式中在所述第一开关(SCS1)闭合且所述第二开关(SCP1)断开的情况下进行。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述电化学电池(21)的内阻(Ri)高于预给定的阈值时，所述电化学电池(21)的内阻(Ri)的确定根据所述第一运行模式进行，并且当所述电化学电池(21)的内阻(Ri)低于预给定的阈值时，所述电化学电池(21)的内阻(Ri)的确定根据所述第二运行模式进行。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预给定的阈值与所述分析处理与控制单元(10)的第一电阻(R_P)的电阻值精确地或近似地一致。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，当未确定所述电化学电池(21)的内阻(Ri)时，所述第一开关(SCS1)断开。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，当未确定所述电化学电池(21)的内阻(Ri)时，所述第二开关(SCS2)始终闭合或至少暂时地闭合。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述信号分析处理单元(12)基于输送给所述信号分析处理单元的信号并且在考虑与所述信号相关的、在所述第一开关(SCS1)闭合之后发生的瞬态振荡过程的情况下确定所述电化学电池(21)的内阻(Ri)。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述分析处理与控制单元(10)具有第三电连接端(APE)，所述第三电连接端用于与所述陶瓷排气传感器(20)的另外的电化学电池(22)的第一电极连接，其中，所述分析处理与控制单元(10)的第二电连接端(IPE)设置用于与所述陶瓷排气传感器(20)的所述另外的电化学电池(22)的第二电极连接，并且所述另外的电化学电池(22)的内阻(Ri2)的确定按照针对所述电化学电池(21)那样进行。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电化学电池(21)的内阻(Ri)的确定和所述另外的电化学电池(22)的内阻(Ri2)的确定周期性地交替进行。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预给定的阈值与所述分析处理与控制单元(10)的第一电阻(R_P)的电阻值为1k欧姆至8k欧姆。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述预给定的阈值与所述分析处理与控制单元(10)的第一电阻(R_P)的电阻值为4k欧姆。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷排气传感器是λ探针。
13.一种用于确定陶瓷排气传感器(20)的电化学电池(21)的内阻(Ri)的分析处理与控制单元(10)，其中，所述电化学电池(21)具有第一电极、第二电极和固体电解质，所述固体电解质布置在所述第一电极和所述第二电极之间，其中，所述分析处理与控制单元(10)具有第一电连接端(RE)，所述第一电连接端用于与所述陶瓷排气传感器(20)的电化学电池(21)的第一电极连接，其中，所述分析处理与控制单元(10)具有第二电连接端(IPE)，所述第二电连接端用于与所述陶瓷排气传感器(20)的电化学电池(21)的第二电极连接，其中，所述分析处理与控制单元(10)具有电流源(SR)，所述电流源能够通过所述分析处理与控制单元(10)的第一开关(SCS1)与所述第一电连接端(RE)连接，其中，所述分析处理与控制单元(10)的信号分析处理单元(12)与所述第二电连接端(IPE)连接，使得所述电流源(SR)通过所述电化学电池(21)与所述分析处理与控制单元(10)的信号分析处理单元(12)连接，其中，当所述电流源与所述第一电连接端(RE)连接时，所述电流源(SR)也能够通过所述分析处理与控制单元(10)的第二开关(SCP1)并且通过所述分析处理与控制单元(10)的与所述第二开关(SCP1)串联连接的第一电阻(R_P)与所述分析处理与控制单元(10)的信号分析处理单元(12)连接，使得串联连接有所述分析处理与控制单元(10)的第二开关(SCP1)和所述分析处理与控制单元(10)的第一电阻(R_P)的路径与连接有所述电化学电池(21)的路径并联连接，其中，所述分析处理与控制单元(10)设置成，所述信号分析处理单元(12)基于如此输送给所述信号分析处理单元的电信号按照根据权利要求1至12中任一项所述的方法确定所述电化学电池(21)的内阻(Ri)。
14.根据权利要求13所述的分析处理与控制单元，其特征在于，所述分析处理与控制单元集成在ASIC上。
15.根据权利要求13所述的分析处理与控制单元，其特征在于，所述陶瓷排气传感器是λ探针。
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