DE102010054178A1

DE102010054178A1 - Heizungsregelkreis und Verfahren zur Heizungsregelung, insbesondere bei Zirkonoxid-basierten Sensoren

Info

Publication number: DE102010054178A1
Application number: DE201010054178
Authority: DE
Inventors: Dr. Ante Johannes; Torsten Reitmeier; Dr. Wildgen Andreas
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-14
Also published as: DE112011104337A5; DE112011104337B4; WO2012076593A1

Abstract

Ein Halbleiterkörper, insbesondere für einen Zirkon basierten Sensor, umfasst eine erste Regelschleife (1) mit einem Signaleingang (10) zur Zuführung eines ersten Messsignals (ZP), das von einer elektrischen Eigenschaft eines Sensors (S) abgeleitet ist. Die erste Regelschleife (1) weist ferner einen ersten Stelleingang (11) für ein erstes Referenzsignal (ZP_Z) sowie einen ersten Regelausgang (12) auf. Dieser ist an einen Rückführungseingang (23) einer zweiten Regelschleife (2) angeschlossen, die ferner einen zweiten Stelleingang (21) für ein zweites Referenzsignal (RH_Z) sowie einen Rückführungseingang (20) zur Zuführung eines zweiten Messsignals (RH), abgeleitet von einem temperaturabhängigen Verhalten eines Heizelements (W) umfasst. Ein Signal an einem Regelausgang (22) der zweiten Regel(SH) zur Temperatureinstellung des Heizelements (W).

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizungsregelkreis, insbesondere für einen Zirkonoxid-basierten Sensor, sowie ein Verfahren zur Heizungsregelung.
Für bestimmte Sensoren, beispielsweise λ-Sonden in Autos, ist es erforderlich, diese durch eine externe Temperaturregelung auf einer für den Betrieb der Sonde optimalen Temperatur zu halten. Problematisch wird dies vor allem bei Zirkonoxid-basierten Sensoren, wie sie in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Bei diesen Sensoren liegt die Betriebstemperatur von 600 bis 650°C, eine Temperatur, die erst nach einiger Zeit im Betrieb des Kraftfahrzeugs ohne externe Heizungsregelung erreicht werden würde. Durch eine zusätzlich angeordnete Heizung in der Nähe des Sensors wird der Sensor schnell auf eine Betriebstemperatur gebracht.
Eine Temperaturregelung im laufenden Betrieb erfolgt anschließend über eine Auswertesignal beispielsweise der Zellimpedanz des Sensors in einem Regelkreis, dessen Regelsignal die Heizung des Sensors steuert.
Wenn jedoch in einem Anfangszustand die Temperatur des Sensors weit unterhalb der Betriebstemperatur des Sensors liegt, ist das Auswertesignal nicht aussagekräftig, sodass eine Temperaturregelung nicht gewährleistet ist. Im Bereich der Kraftfahrzeuge und den dort verwendeten λ-Sonden besteht dieses Problem vor allem während einer Startphase des Kraftfahrzeugs, bei der die λ-Sonde auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist.
Es besteht somit das Bedürfnis an einer Heizungsregelung mit einer schnellen Ansprechzeit auf starke Änderungen in der Anströmung sowie einer verbesserten Aufheizphase und Einhaltung einer Aufheizrampe.
Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer Ausführungsform umfasst ein Heizungsregelkreis eine erste Regelschleife mit einem Signaleingang zur Zuführung eines ersten Messsignals, welches von einer elektrischen Eigenschaft eines Sensors abgeleitet ist. Die erste Regelschleife weist ferner einen ersten Stelleingang für ein Referenzsignal und einen ersten Regelausgang auf. In Abhängigkeit vom ersten Messsignal und vom Referenzsignal erzeugt die Regelschleife an ihrem Regelausgang ein entsprechendes Regelsignal.
Erfindungsgemäß weist der Heizungsregelkreis nun eine zweite Regelschleife auf, die einen ersten Rückführungseingang zur Zuführung eines zweiten Messsignals umfasst. Das zweite Messsignal ist von einem temperaturabhängigen Verhalten eines Heizelements abgeleitet. Die zweite Regelschleife umfasst ferner einen zweiten Stelleingang sowie einen zweiten Rückführungseingang, der an den ersten Regelausgang angeschlossen ist. Mir der zweiten Regelschleife wird ein Steuersignal zur Temperatureinstellung des Heizelements aus dem zweiten Messsignal, dem Ausgangssignal der ersten Regelschleife sowie dem zweiten Referenzsignal erzeugt.
Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung durch zwei Regelschleifen kann einerseits eine präzise und schnelle Aufheizrampe für einen Sensor und andererseits eine ausreichend genaue Temperaturregelung für diesen Sensor während des laufenden Betriebs realisiert werden.
In einer Ausgestaltung basiert das erste Messsignal auf einer Zellimpedanz eines auf Zirkonoxid-basierten Sensors. Alternativ kann es auch ein Lastleitwert des Sensors sein. Das Heizelement ist in einer Ausgestaltung ein Heizwiderstand, wobei der temperaturabhängige Widerstand des Heizelements das zweite Messsignal bildet.
Die Ausgestaltung erlaubt es, auch in einem kalten Zustand des Sensors, wenn dieser kein sinnvolles Messsignal abgibt, eine geregelte Aufheizung des Sensors über das zweite Messsignal zu gewährleisten.
Hierzu kann ein zusätzliches Schwellwertelement vorgesehen sein, welches erst bei Über- bzw. Unterschreiten eines vordefinierten Werts durch das erste Messsignal dieses an den zweiten Rückführungseingang der zweiten Regelschleife weiterleitet. Damit ist gewährleistet, dass in einer Aufwärmphase des Sensors erst dann das Regelsignal der ersten Schleife für die Temperaturregelung herangezogen wird, wenn der Sensor eine durch einen vordefinierten Wert vorgegebene Betriebstemperatur erreicht hat.
Bei einem Verfahren zur Heizungsregelung, insbesondere eines Zirkonoxid-basierten Sensors, wird ein erstes Messsignal ausgewertet, das von einer elektrischen Eigenschaft des Sensors abgeleitet ist. Die Auswertung erzeugt ein erstes Regelsignal, das gemeinsam mit einem zweiten Messsignal einer zweiten Regelschleife zugeführt wird. Das zweite Messsignal ist hierbei von einem temperaturabhängigen Verhalten eines Heizelements abgeleitet. Die Verarbeitung des zweiten Messsignals sowie des Ausgangssignals der ersten Regelschleife gemeinsam mit einem Referenzsignal erzeugt ein Steuersignal, das zur Temperatureinstellung des Heizelements verwendet wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur im Detail erläutert.
1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung einer Heizungsregelung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Regelung dient zur Heizung und zur Temperatureinstellung einer Glüh- bzw. Platinwendel W, die wiederum in thermischer Verbindung mit einem Sensorelement S steht. Das Sensorelement kann beispielsweise ein Sauerstoffsensor sein, insbesondere eine λ-Sonde. Eine λ-Sonde ist mit einem Zirkonoxid-basierten Sensor aufgebaut, dessen Aufgabe eine Sauerstoffmessung im Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs ist. Die Heizwendel ist wiederum direkt auf dem Sensorsubstrat angeordnet, so dass eine Heizung schnell auf das Sensormaterial einwirkt.
Zum Erreichen guter aussagekräftiger Messwerte sollte die λ-Sonde in einem engen Temperaturbereich betrieben werden. Unterhalb einer Grenztemperatur im Bereich von 500°C erzeugt der Sensor selbst kein vernünftiges Signal, sodass eine Temperaturregelung durch das Sensorsignal alleine unterhalb der Temperatur nicht ausreichend gewährleistet ist.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung zwei miteinander gekoppelte Regelschleifen vor, wobei einer erste Regelschleife 1 zur Auswertung eines Messsignals des Sensors S dient, eine zweite Regelschleife zur Auswertung eines Signals abhängig vom Temperaturverhalten des Heizwiderstands W.
Durch die zweite Regelschleife kann zudem auf Temperaturänderungen durch Anströmung des Sensors schneller reagiert werden. Die erste Regelschleife ermöglicht wiederum eine exakte Regelung der Elementtemperatur und kompensiert somit eine durch eine veränderte Temperaturverteilung auf der Sensorkeramik basierte Drift.
Die Regelschleife 1 umfasst einen Regelsignaleingang 10, an dem das Messsignal des Sensors S, beispielsweise die Zellimpedanz, oder der Lastleitwert des Sensors S anliegt. An einem zweiten Eingang 11 der Regelschleife 1 wird das Referenzsignal ZP_set angelegt. Beide Signale werden in einem Summenglied 14 voneinander subtrahiert und anschließend einer PD-Regelung zugeführt. Die PD-Regelung 16 der ersten Regelschleife umfasst ein Proportionalglied 164 in Form eines Verstärkers sowie ein Differenzglied 161, 162 und 163.
Der Proportionalanteil sowie der differenzielle Anteil der Differenz aus dem Summenglied 14 werden in einem nachgeschalteten Summenglied 18 miteinander addiert und einem Integrator 17 zugeführt. Der Integrator 17 enthält ein Summenglied 170 sowie ein rückgekoppeltes Verzögerungsglied 171 und erzeugt an seinem Ausgang das erste Regelsignal. Das erste Regelsignal am Ausgang 12 der Regelschleife 1 wird einem Regeleingang 23 der zweiten Regelschleife 2 zugeführt.
Die zweite Regelschleife 2 umfasst einen weiteren Eingang 20 für das Messsignal RH, beispielsweise ein Messwiderstand des Heizelements W. An einem Referenzeingang 21 liegt das Referenzsignal RH_set an. Alle drei Signale sind auf ein Summenglied 24 geführt, wobei das Messsignal RH am Eingang 20 von dem Signal am Eingang 23, dem Regelsignal der ersten Regelschleife 1, sowie dem Referenzsignal RH_set abgezogen wird.
Auch die Regelschleife 2 umfasst ein PD-Glied aus einem Proportionalpfad mit einem verstärkenden Element 264 sowie einem differenziellen Pfad mit den Elementen 261, 262 und dem Verstärker 263. Der differenzielle Anteil wird in gleicher Weise wie in der Regelschleife 1 gebildet, d. h. das Signal wird verzögert im Element 261 und dann das verzögerte Signal im Element 262 vom dem Signal des Summenglieds 24 subtrahiert.
Der proportionale Anteil sowie der differenzielle Anteil des Gesamtsignals des Addierers 24 wird einem zweiten Addierer 28 zugeführt und anschließend an einen Integrator 27 aus einem Summierglied 270 und einem rückgekoppelten Verzögerungsglied 271 gegeben. Der Ausgang 22 der Regelschleife 2 ist schließlich mit dem Ausgang des Integrators 27 verbunden. Das so gebildete zweite Regelsignal SH am Ausgang 22 wird als Steuersignal zur Temperatureinstellung des Heizelements W benutzt.
Der vorliegende Heizungsregelkreis kann mit Hardware-Elementen, aber auch durch reine Software implementiert werden. Zu diesem Zweck kann hinter den beiden Addiergliedern 14 bzw. 24 in den Regelschleifen 1 und 2 eine Abtastschaltung 15 und 25 vorgesehen sein, die abhängig von einem vorgegebenen Takt die Ergebnissignale der Addierer 14 und 24 an die jeweiligen PD-Glieder 16 und 26 weiterleitet.
Durch eine entsprechende Realisierung der Verzögerungsglieder 171 und 271 werden die Zeitkonstanten der Integratoren 17 und 27 eingestellt und können an den entsprechenden Betriebsmodus bzw. an die spezifischen Eigenschaften des Sensors S bzw. des Heizelements W angepasst werden. Gleiches gilt auch für die Einstellung der verstärkenden Elemente 163 und 164 bzw. 263 und 264 in den PD-Gliedern 16 und 26.
Zusätzlich kann zwischen dem Ausgang 12 der ersten Regelschleife 1 und dem Eingang 23 der zweiten Regelschleife 2 ein Vergleichselement vorgesehen sein, welches das Regelausgangssignal der ersten Regelschleife mit einem Schwellwert vergleicht. Dies ist vor allem dann zweckmäßig, wenn das Ausgangssignal der ersten Regelschleife gerade in der Anfangsphase einer Heizungsregelung einer λ-Sonde noch kein vernünftiges Signal liefert. Während dieser Aufheizphase liegt am Eingang 23 im Wesentlichen ein Nullsignal an, so dass das Regelsignal SH für die Heizungsregelung einzig durch das Messsignal RH und den Einstellwert RH_set bestimmt wird. Erst wenn eine vordefinierte Temperatur überschritten ist und der Sensor S zu arbeiten beginnt, wird von der ersten Regelschleife ein sinnvolles Regelsignal geliefert und der hier nicht dargestellte Vergleichsschalterkreis gibt das Regelsignal am Ausgang 12 an den Eingang 23 weiter.
Im laufenden Betrieb wird das Ausgangssignal der Regelschleife 1 dem zweiten Regeleingang 23 und dem Addierglied 24 zugeführt, wodurch das Gesamtsignal des Addierers 24 um diesen Betrag erhöht wird. Durch die Kombination der beiden Regelkreise, der Regelung der Zellimpedanz des Sensors S sowie der Heizwiderstandsregelung des Elements W erfolgt sowohl eine schnelle Reaktion auf sich sprunghaft ändernde Anströmungen, wodurch sich der Heizwiderstand des Elements W ändert, als auch eine genaue Temperaturregelung des Sensors.
Bezugszeichenliste

S: Sensor
W: Heizelement
RH: Heizwiderstandmesswert
ZP: Zellimpedanzmesswert
SH: Steuersignal Heizregelung
RH_set: Heizwiderstand, Referenzsignal
ZP_set: Zellimpedanz, Referenzsignal
1, 2: Regelschleife
10, 20: Signaleingang
23: Signaleingang
11, 21: Referenzeingang
12, 22: Regelausgang
14, 24: Addierer
15, 25: Taktgeber
16, 26: PD-Glied
18, 28: Addierer
17, 27: Integrator
161, 261: Verzögerungsglied
162, 262: Addierer
163, 263: Verstärker
164, 264: Proportionalpfad-Verstärkungsglieder
170, 270: Addierglied
171, 271: Verzögerungsglied

Claims

Heizungsregelkreis, insbesondere für einen Zirkonoxid-basierten Sensor, umfassend: – eine erste Regelschleife (1) mit einem Signaleingang (10) zur Zuführung eines ersten Messsignals (ZP), das von einer elektrischen Eigenschaft eines Sensors (S) abgeleitet ist, mit einem ersten Referenzeingang (11) für ein erstes Referenzsignal (Zp_set) und mit einem ersten Regelausgang (12) für ein erstes Stellsignal; – eine zweite Regelschleife (2) – mit einem ersten Rückführungseingang (20) zur Zuführung eines zweiten Messsignals (RH), das von einem temperaturabhängigen Verhalten eines Heizelementes (W) abgeleitet ist; – mit einem zweiten Referenzeingang (21) ein zweites Referenzsignal (RH_Set); – mit einem zweiten Rückführungseingang (23), der an den ersten Regelausgang (12) angeschlossen ist zur Zuführung des Stellsignals; – und mit einem zweiten Regelausgang (22) zur Abgabe eines Steuersignals (SH) zur Temperatureinstellung des Heizelements (W).
Heizungsregelkreis nach Anspruch 1, bei dem das erste Messsignal von einer Zellimpedanz des Sensors oder einem Lastleitwert des Sensors abgeleitet ist.
Heizungsregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem das zweite Messsignal von einem Widerstandswert des Heizelementes (W) abgeleitet ist.
Heizungsregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Ausgang der ersten Regelschleife an eine Thresholdschaltung angeschlossen ist, die eingerichtet ist, das von der ersten Regelschleife abgegebene Stellsignal bei einem Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Referenzwertes weiterzugeben an den zweiten Rückführungseingang (23).
Heizungsregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die ersten und/oder die zweite Regelschleife (1, 2) ein PD-Glied (16, 26) umfasst, welches mit den Eingängen der jeweiligen Regelschleife gekoppelt ist.
Heizungsregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste und/oder die zweite Regelschleife einen Integrator (17, 27) umfasst, dessen Ausgang den ersten und/oder zweiten Regelausgang bildet.
Heizungsregelkreis nach Anspruch 6, bei dem die Integrationszeitkonstante des Integrators (17, 27) einstellbar ist.
Heizungsregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Sensor eine λ-Sonde ist.
Verfahren zur Heizungsregelung, insbesondere für einen Zirkonoxid-basierten Sensor, umfassend: – Erfassen eines ersten Messsignal, das von einer elektrischen Eigenschaft des Sensors abgeleitet; Erzeugen eines Stellsignals aus dem ersten Messsignal und einem ersten Referenzsignals unter Differenzbildung; – Erfassen eines zweiten Messsignals, das von einem temperaturabhängigen Verhalten eines Heizelements abgeleitet ist; – Erzeugen eines Steuersignals (SH) aus dem Stellsignals, einem zweiten Referenzsignal und dem zweiten Messsignals unter Bildung einer Differenz; – Einstellen einer Heizleistung des Heizelementes mittels des Steuersignals.
Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend: – Vergleichen des ersten Stellsignals mit einem Schwellwert; – Erzeugen des Steuersignals aus dem Stellsignals, dem zweiten Referenzsignal und dem zweiten Messsignals, dann wenn der Schwellwert über- oder unterschritten wird und andernfalls Erzeugen des Steuersignals aus dem zweiten Referenzsignal und dem zweiten Messsignals.