KR101552025B1 - 광대역 산소 센서 시뮬레이터 - Google Patents

광대역 산소 센서 시뮬레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광대역 산소 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광대역 산소 센서와 동일한 전기적 특성을 갖는 광대역 산소 센서 시뮬레이터에 관한 것이다. 본 발명은 네른스트 셀 양단의 출력 전압에 대신하여 사용자로부터 사용자 입력 전압을 입력받는 전압 조절부, 광대역 산소 센서를 제어하는 제어 장치로부터 펌핑 전류를 입력받는 펌핑 전류 입력부, 상기 사용자 입력 전압 및 상기 펌핑 전류를 이용하여 네른스트 전압을 생성하는 전압 제어부 및 상기 네른스트 전압을 출력하는 전압 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 광대역 산소 센서가 출력하는 산소 분압에 따른 전압에 대신하여 사용자로부터 전압을 입력받음으로써, 광대역 산소 센서와 동일한 전기적 특성을 가지면서 다양한 입출력 범위를 갖는 광대역 산소 센서 시뮬레이터를 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

광대역 산소 센서 시뮬레이터{WIDE BAND OXYGENSEMSOR SIMULATOR}
본 발명은 광대역 산소 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광대역 산소 센서와 동일한 전기적 특성을 갖는 광대역 산소 센서 시뮬레이터에 관한 것이다.
산소 센서란 일정 구역에서 산소가 존재하는지 여부를 검출하는 센서로 차량의 엔진에 공급된 연료와 산소가 완전히 연소되었는지 확인하기 위하여 사용된다.
특히, 산소 센서를 이용하여 차량에서 배출되는 배기 가스 내에 존재하는 산소의 비율을 알고, 엔진의 연소 상태나 공연비를 통해 연료량을 연속적으로 변화시키는 시스템을 폐회로 제어 또는 피드백 시스템이라 한다.
일반적으로 폐회로 제어 시스템 또는 피드백 시스템에 사용되는 산소 센서는 셀 내의 산소 분압에 따라 전압을 발생시키는 네른스트 셀과 제어 전류에 따라 네른스트 셀에 산소를 공급하는 펌핑 셀 및 센서 동작 온도를 조절하기 위한 히터를 포함한다. 차량의 제어 시스템은 산소 센서의 동작을 제어하기 위하여 내부저항을 측정하고 센서 내의 산소 분압을 일정하게 유지시키기 위하여 전류를 제어한다.
종래에는 이러한 제어 시스템을 설계하거나 개발 시 실제 산소 센서를 사용하여 실제 시험 환경의 산소 분압이 출력에 반영된다.
종래의 산소 센서에 의하면, 동작 시험 범위가 시험 환경의 산소 분압에 국한되고 산소 분압이 일정하게 고정되지 않는 시험 환경에서는 제어 시스템의 동작 검증이 어려운 문제점이 존재한다.
본 발명은 광대역 산소 센서가 출력하는 산소 분압에 따른 전압에 대신하여 사용자로부터 전압을 입력받음으로써, 광대역 산소 센서와 동일한 전기적 특성을 가지면서 다양한 입출력 범위를 갖는 광대역 산소 센서 시뮬레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 네른스트 셀 양단의 출력 전압에 대신하여 사용자로부터 사용자 입력 전압을 입력받는 전압 조절부, 광대역 산소 센서를 제어하는 제어 장치로부터 펌핑 전류를 입력받는 펌핑 전류 입력부, 상기 사용자 입력 전압 및 상기 펌핑 전류를 이용하여 네른스트 전압을 생성하는 전압 제어부 및 상기 네른스트 전압을 출력하는 전압 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 광대역 산소 센서가 출력하는 산소 분압에 따른 전압에 대신하여 사용자로부터 전압을 입력받음으로써, 광대역 산소 센서와 동일한 전기적 특성을 가지면서 다양한 입출력 범위를 갖는 광대역 산소 센서 시뮬레이터를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 광대역 산소 센서의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 산소 센서 시뮬레이터의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 산소 센서 시뮬레이터의 동작을 설명하기 위한 순서도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
산소 센서는 람다 센서의 일종으로 기체나 액체 내의 산소의 분압을 측정하는 전자 소자이다. 산소 센서는 엔진 제어 시스템에서 연소실에 공급되는 이론 연료 혼합비인 람다 1(공기 연료비 14.7:1)을 목표로 산소량에 따라 연료량을 조절할 수 있게 한다. 여기서 람다(λ)는 공기 과잉률을 기호로 표현한 것으로, 이론상 연료가 완전 연소하는 이론 공연비에서 람다는 1이다. 이렇게 공연비를 피드백 제어하는 것을 람다 컨트롤이라 한다. 산소 센서는 람다 컨트롤을 위해 차량의 배기 가스 내의 산소 분압을 측정하는데 사용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 광대역 산소 센서의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 광대역 산소 센서는 두 개의 지르코니아 셀(102, 104)로 구성된다.
지르코니아(ZrO2)는 일정 온도 이상의 조건에서 양단 전극 사이에 산소 분압차가 존재하면 그에 대응하는 전위차를 발생시킨다. 지르코니아 산소 센서는 산소 분압차에 따른 전위차를 측정하는 네른스트 셀(102), 전위 차를 형성시켜 산소를 이동시키는 펌핑 셀(104)을 포함한다. 즉, 차량의 배기가스가 확산되면 산소 센서 내의 기준 산소와 분압차를 형성하고 그에 따라 네른스트 셀(102) 양단의 전위차를 발생시킨다.
도 1의 산소 센서는 히터(106)를 더 포함한다. 지르코니아의 특성을 활용하기 위해서는 온도를 일정하게 유지시켜야 한다. 산소 센서의 온도는 내부 저항을 측정하여 추정할 수 있다. 내부 저항은 전압의 변화량에 대한 전류 변화량의 비율로 구할 수 있다.
도 1의 산소 센서를 제어하는 제어 장치는 PWM 제어를 통해 센서 내의 히터(106)를 제어하여 내부 저항값을 300옴으로 유지시킬 수 있다. 이 때, 온도는 780℃이다.
제어 장치는 산소 센서의 네른스트 셀(102)의 전압을 450 mV로 유지시키기 위한 제어를 수행한다. 즉, 전류를 제어하여 펌핑 셀(104)에 전위차를 형성하고 펌핑 셀(104)은 산소를 펌핑하여 네른스트 셀(102)의 산소 분압을 유지시킨다.
보다 상세하게는, 확산된 배기 가스가 희박할 때에는 펌핑 셀(104)에 전류를 공급하여 센서 내부 확산실로부터 센서 외부로 산소를 펌핑한다. 확산된 배기 가스가 농후할 때에는 펌핑 셀(104)에 반대 방향의 전류를 공급하여 센서 외부에서 센서 내부로 산소를 펌핑한다. 이 때 공급되는 전류는 크기를 측정할 수 있고, 측정된 전류 값으로 확산된 배기 가스의 람다를 추정할 수 있다. 결과적으로, 제어 장치는 람다가 1로 유지되도록 제어한다.
이와 같이, 도 1에 나타난 종래의 산소 센서는 실제 측정 환경에서의 산소 분압을 반영한다. 따라서, 제어 장치를 통해 검증할 수 있는 범위는 실제 측정 환경의 산소 분압에 한정된다. 본 발명은 도 1의 종래의 산소 센서가 출력하는 산소 분압에 따른 전압에 대신하여 사용자로부터 전압을 입력받음으로써, 광대역 산소 센서와 동일한 전기적 특성을 가지면서 다양한 입출력 범위를 갖는 광대역 산소 센서 시뮬레이터에 관한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 산소 센서 시뮬레이터의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 광대역 산소 센서 시뮬레이터(202)는 전압 조절부(204), 펌핑 전류 입력부(206), 전압 제어부(210), 전압 출력부(220)를 포함한다. 광대역 산소 시뮬레이터(202)는 제어 장치(290)에 의해 제어된다. 보다 상세하게는 광대역 산소 시뮬레이터(202)는 제어 장치로부터 펌핑 전류를 입력 받고, 네른스트 전압을 제어 장치로 출력한다. 여기서 제어 장치(290)는 광대역 산소 센서 시뮬레이터(202)를 제어하기 위한 MCU, 센서 환경 인터페이스 또는 차량의 ECU일 수 있다.
전압 조절부(204)는 네른스트 셀 양단의 출력 전압에 대신하여 사용자로부터 사용자 입력 전압을 입력받는 기능을 수행한다. 도 1의 종래 산소 센서는 배기 가스 내의 산소 분압을 전압으로 출력한다. 전압 조절부(204)는 이러한 배기 가스 내의 산소 분압에 대신하여 사용자로부터 사용자 입력 전압을 입력받는다. 구체적인 전압치를 입력받거나 다이얼을 통해 사용자 입력 전압이 조정될 수 있다.
펌핑 전류 입력부(206)는 광대역 산소 센서를 제어하는 제어 장치(290)로부터 펌핑 전류를 입력받는 기능을 수행한다. 도 1에서 펌핑 셀(104)은 입력 전류에 따라 네른스트 셀(102)에 산소를 제공한다. 펌핑 전류 입력부(206)는 도 1의 펌핑 셀(104)에 대응하여 펌핑 전류를 입력받는다.
본 발명은 펌핑 전류 측정부(206)를 더 포함할 수 있다. 펌핑 전류 측정부(206)는 펌핑 전류 입력부(206)를 통해 입력받는 펌핑 전류를 측정하는 기능을 수행한다. 이 때, 펌핑 전류 측정부(208)는 펌핑 전류의 크기, 펌핑 전류의 방향을 측정할 수 있다. 또한, 펌핑 전류의 크기, 펌핑 전류의 방향을 제어 장치(290)에 출력할 수도 있다.
전압 제어부(210)는 사용자 입력 전압 및 펌핑 전류를 이용하여 네른스트 전압을 생성하는 기능을 수행한다. 전압 제어부(210)는 펌핑 저항(212), 가산기(214), 적분기(216), 버퍼(218)를 포함할 수 있다.
펌핑 저항(212)은 펌핑 전류를 펌핑 전압으로 변환하는 기능을 수행한다. 즉, 펌핑 전류 입력부(206)로부터 입력된 펌핑 전류는 펌핑 저항(212)을 통해 펌핑 전압으로 변환된다. 펌핑 저항(212) 양단의 펌핑 전압은 종래의 산소 센서의 펌핑 셀 양단의 전압에 대응된다. 펌핑 저항(212)은 저항 네트워크로 구성될 수 있다.
가산기(214)는 사용자 입력 전압 및 펌핑 전압을 더하여 네른스트 전압을 생성하는 기능을 수행한다. 가산기(214)는 비반전 가산기 회로로 구성될 수 있고, 입력단의 일 단에는 사용자 입력 전압이 인가되고 다른 일 단에는 펌핑 전압이 인가될 수 있다. 그 결과, 가산기(214)의 출력단에는 사용자 입력 전압과 펌핑 전압을 합한 전압이 출력된다.
적분기(216)는 네른스트 전압으로부터 오프셋을 제거하고 오차를 없애는 기능을 수행한다. 가산기(214) 출력 결과에는 펌핑 전류의 측정에 필요한 오프셋이 발생할 수 있다. 이러한 오프셋을 제거하기 위하여 적분 동작이 수행될 수 있다. 적분을 포함한 제어를 통해 네른스트 전압이 오차가 제거된 목표치에 도달할 수 있다.
버퍼(218)는 네른스트 전압을 일정하게 유지하는 기능을 수행한다. 즉, 버퍼(218)의 출력단에서 출력하는 네른스트 전압은 다른 소자의 연결에 관계 없이 동일한 전압값으로 출력될 수 있다. 또한, 버퍼(218)는 출력단에서의 내부 저항의 측정에 영향을 미치지 않게 한다.
전압 출력부(220)는 네른스트 전압을 출력하는 기능을 수행한다. 전압 출력부(220)는 내부 저항 측정부(222), 히팅 제어부(224), 가변 저항(226)을 포함한다.
내부 저항 측정부(222)는 본 발명에 따른 광대역 산소 시뮬레이터의 내부 저항값을 측정하고 측정된 내부 저항값을 제어 장치(290)에 제공하는 기능을 수행한다. 제어 장치(290)는 내부 저항값에 따라 히팅 PWM 신호를 발생시킨다.
또한, 본 발명에 따른 광대역 산소 센서 시뮬레이터의 출력단에 가변 저항(226)을 구성하고 히팅 제어부(224)는 제어 장치(290)로부터 입력되는 히팅 PWM 신호에 따라 가변 저항값을 변경할 수 있다. 가변 저항은 여러 값의 저항이 연결된 아날로그 MUX로 구성될 수 있다. 히팅 PWM 신호를 통해 아날로그 MUX의 채널을 보다 낮은 값의 가변 저항에 연결되도록 한다. 그 결과, PWM 신호의 변화를 통해 히터를 제어하는 PWM 신호의 타당성을 검증할 수 있다.
즉, 본 발명의 광대역 산소 센서 시뮬레이터(202)는 제어 장치(290)로부터 입력받는 펌핑 전류와 사용자로부터 입력받는 사용자 입력 전압을 이용하여 네른스트 전압을 생성하고, 이를 출력한다. 제어 장치(290)는 출력되는 네른스트 전압으로부터 펌핑 전류의 크기와 방향을 조절한다. 펌핑 전류는 네른스트 전압이 450 mV로 유지되도록 제어될 수 있다. 네른스트 전압이 450 mV일 때 람다 1의 공연비가 달성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 산소 센서 시뮬레이터의 동작을 설명하기 위한 순서도이다. 도 3을 참조하면, 먼저 사용자로부터 사용자 입력 전압을 입력받는다(302). 사용자 입력 전압은 종래의 산소 센서의 네른스트 셀 양단의 출력 전압에 대응된다. 즉, 배기 가스 내의 산소 분압에 따라 전압을 출력하는 네른스트 셀 양단의 전압을 대신하여 사용자로부터 입력 받은 사용자 입력 전압을 사용한다.
그 다음, 제어 장치로부터 펌핑 전류를 입력받는다(304). 종래의 산소 센서에서 펌핑 셀에 흐르는 전류는 산소를 발생시킨다. 산소는 네른스트 셀에 공급되고 네른스트 셀 양단의 전압에 반영된다. 단계(304)에서 입력받는 펌핑 전류는 종래의 산소 센서의 펌핑 셀에 흐르는 펌핑 전류에 대응된다.
단계(304)는 펌핑 전류를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있고, 해당 단계는 펌핑 전류의 크기, 펌핑 전류의 방향을 측정할 수 있다. 펌핑 전류의 측정 값은 제어 장치로 출력될 수 있다.
그 다음, 사용자 입력 전압 및 펌핑 전류를 이용하여 네른스트 전압을 생성한다(306). 단계(306)는 펌핑 저항을 통해 펌핑 전압으로 변환하는 단계, 단계(302)에서 입력받은 사용자 입력 전압과 펌핑 전압을 더하여 네른스트 전압을 생성하는 단계, 오프셋을 제거하고 오차를 없애기 위한 적분 단계를 포함할 수 있다. 그 결과, 네른스트 전압이 생성된다. 생성된 네른스트 전압은 버퍼를 통해 다른 소자의 영향을 받지 않고 일정하게 유지될 수 있다.
마지막으로, 네른스트 전압을 출력한다(308). 상술한 바와 같이, 내부 저항값을 측정하고 이를 제어 장치에 제공할 수 있다. 제어 장치는 내부 저항값에 따라 히팅 PWM 신호를 출력할 수 있다. 제어 장치로부터의 히팅 PWM 신호에 따라 가변 저항값을 변경할 수 있다. 단계(308)를 통해 종래의 산소 센서의 히터를 제어하는 히팅 PWM 신호의 출력 타당성이 검증될 수 있다.
네른스트 전압은 본 발명의 광대역 산소 센서 시뮬레이터를 제어하는 제어 장치에 입력될 수 있고, 그에 따라 제어 장치는 펌핑 전류를 제어한다. 제어 장치는 네른스트 전압이 450 mV로 유지되도록 펌핑 전류를 제어할 수 있다. 네른스트 전압이 450 mV일 때, 람다는 1이다.
단계(302) 내지 단계(308)는 연속적일 수 있고 반복될 수 있다.
본 발명에 따른 광대역 산소 센서 시뮬레이터에 의하면, 사용자로부터 입력받는 사용자 입력 전압에 따라 다양한 범위의 네른스트 전압이 출력될 수 있다. 그 결과, 다양한 범위의 네른스트 전압이 입력될 때 그에 따른 제어 장치의 펌핑 전류 제어가 적절하게 수행되는지 여부를 검증할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (10)

  1. 차량에서 배출되는 배기 가스 내의 산소 분압에 따라 전압을 출력하기 위한 네른스트 셀 및 펌핑 전류에 따라 상기 네른스트 셀에 산소를 공급하기 위한 펌핑 셀을 포함하는 광대역 산소 센서의 시뮬레이터에 있어서,
    상기 네른스트 셀 양단의 출력 전압에 대신하여 사용자로부터 복수의 사용자 입력 전압 중 어느 하나의 사용자 입력 전압을 선택적으로 입력받는 전압 조절부;
    상기 광대역 산소 센서를 제어하는 제어 장치로부터 상기 펌핑 전류를 입력받는 펌핑 전류 입력부;
    상기 펌핑 전류를 펌핑 전압으로 변환한 후, 변환된 상기 펌핑 전압과 선택된 상기 사용자 입력 전압을 더하여 네른스트 전압을 생성하는 전압 제어부; 및
    상기 전압 제어부로부터 생성된 네른스트 전압을 출력하는 전압 출력부를 포함하는 광대역 산소 센서 시뮬레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑 전류를 측정하는 펌핑 전류 측정부
    를 더 포함하는 광대역 산소 센서 시뮬레이터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 펌핑 전류 측정부는
    상기 펌핑 전류의 크기, 상기 펌핑 전류의 방향을 측정하는
    광대역 산소 센서 시뮬레이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제어부는
    상기 펌핑 전류를 펌핑 전압으로 변환하기 위한 펌핑 저항; 및
    상기 사용자 입력 전압 및 상기 펌핑 전압을 더하여 네른스트 전압을 생성하는 가산기
    를 포함하는 광대역 산소 센서 시뮬레이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전압 제어부는
    상기 네른스트 전압으로부터 오프셋을 제거하고 오차를 없애기 위한 적분기를 포함하는
    광대역 산소 센서 시뮬레이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압 출력부는
    상기 네른스트 전압을 일정하게 유지하기 위한 버퍼를 더 포함하는 광대역 산소 센서 시뮬레이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전압 출력부는
    상기 광대역 산소 시뮬레이터의 내부 저항값을 측정하고 측정된 내부 저항값을 상기 제어 장치에 제공하는 내부 저항 측정부
    를 더 포함하는 광대역 산소 센서 시뮬레이터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전압 출력부는
    가변 저항; 및
    상기 내부 저항값에 따라 결정되는 히팅 PWM 신호에 따라 상기 가변 저항값을 변경하는 히팅 제어부
    를 더 포함하는 광대역 산소 센서 시뮬레이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가변 저항은
    아날로그 MUX로 구성되는
    광대역 산소 센서 시뮬레이터.

  10. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑 전류는 상기 네른스트 전압이 450mV로 유지되도록 제어되는
    광대역 산소 센서 시뮬레이터.


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