KR20190066609A

KR20190066609A - 람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛

Info

Publication number: KR20190066609A
Application number: KR1020197011289A
Authority: KR
Inventors: 안네-카트린 미타쉬; 미하엘 클라우스
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-06-13
Also published as: CN109863392A; DE102016220649A1; WO2018072949A1; CN109863392B; EP3529602A1

Abstract

본 발명은 전기화학 셀(401)을 포함하는 람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛에 관한 것이다. 전기화학 셀(401)은 제 1 전극(342), 제 2 전극(343), 및 상기 전극들(342, 343) 사이에 배치되는 고체 전해질을 포함한다. 람다 센서는 전기화학 셀(401)의 전극들(342, 343) 사이에 인가되는 펌프 전압(303)에 의해 한계 전류 모드로 유지되며, 그럼으로써 배기가스 내의 잔류 산소에 비례하는 펌프 전류(304)가 전기화학 셀(401)에 의해 설정된다. 입력 전위(UA)는 전기화학 셀(401)의 제 1 전극(342)에 인가되며, 입력 전위(UA)는 설정되는 펌프 전류(304)에 따라서 추적된다. 펌프 전류(304)는 전기화학 셀(401)과 직렬로 연결되는 측정 저항기(345)에 의해 검출되며, 전기화학 셀(401)의 제 2 전극(343)은 직접 또는 측정 저항기를 통해 가상 접지(355)와 연결되며, 가상 접지(355)의 전위는 입력 전위(UA)에 따라서 변경된다.

Description

람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛

본 발명은 전기화학 셀을 포함하는 람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛에 관한 것이다.

DE 10 2013 224 811 A1호에는, 이미, 내연기관의 배기가스 후처리 시스템의 단일 셀형 광대역 람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛이 개시되어 있으며, 여기서 람다 센서는 펌프 전압(pump voltage)에 의해 한계 전류 모드(limit current operation)로 유지되며, 그럼으로써 배기가스 내의 잔류 산소에 비례하는 펌프 전류가 설정되고, 펌프 전압은 설정되는 펌프 전류에 따라서 추적(tracking)된다.

이 경우, 펌프 전압은 저장된 특성곡선에 의해 펌프 전류로부터 결정되며, 펌프 전류는, 전류원 및/또는 전류 싱크(current sink)로서 사용되면서 정전압(constant voltage)을 공급하는 가상 접지(virtual ground)와 연결되어 있는 측정 저항기(measurement resistor)에 의해 검출된다.

본 발명의 과제는 공지된 제어 유닛의 정확성, 작동 안전성, 및 기설정된 람다 센서들과의 호환성을 향상시키는 것이다.

상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 제어 유닛에 의해 해결된다. 본 발명은 우선, 한계 전류 모드에서 전기화학 셀을 포함한 람다 센서의 작동을 위해 람다 센서에 인가되는 펌프 전압과 관련해서 상호 간에 충돌하는 경계 조건들이 주어진다는 인식을 전제로 한다. 따라서, 한편으로, 펌프 전류가 큰 경우 입력 전위의 충분한 추적이 더 이상 완전하게 가능하지 않을 수도 있을 정도로, 가용 공급 전압에 의해 주어지는 전압 버짓(voltage budget)에 심한 부하를 가하지 않기 위해, (하기에서 가상 접지라고도 하는) 가상 접지의 전위는 가능한 한 낮게 선택된다. 다른 한편으로는, 가상 접지의 전위는 리치 모드(rich mode)에서도 측정 저항기를 통한 최대로 예상되는 펌프 전류의 전압 강하보다 항상 더 커야만 한다.

이런 충돌은, 본 발명에 따라서, 가상 접지의 전위가 입력 전위에 따라서 변경됨으로써 해결된다.

특히, 입력 전위가 감소하면, 가상 접지의 전위는 증가하고, 입력 전위가 증가하면, 가상 접지의 전위는 감소한다.

가상 접지의 전위는, 특히 린번 모드에서, 예컨대 상대적으로 큰 펌프 전류 및 이와 결부되는, 측정 저항기에서의 전압 강하가 발생한다면, 상대적으로 낮으며, 그럼으로써 한계 전류 모드가 유지될 수 있게 된다.

그런 다음, 가상 접지의 전위는 다른 한편으로 특히 리치 모드에서 상대적으로 높으며, 측정 저항기를 통한 펌프 전류의 전압 강하를 능가할 수 있다.

결국, 본 발명에 따른 방법에 의해, 상대적으로 높은 저항(예: 적어도 20 ~ 600 Ohm)을 갖는 측정 저항기가 사용될 수 있다.

예컨대 입력 전위가 값(Δφ)만큼 감소한다면, 가상 접지의 전위는 상기 값(Δφ)만큼 증가하도록, 가상 접지의 전위가 입력 전위에 따라 변경되는 것이 가능하며 바람직하다. 예컨대 입력 전위가 1/3 Δφ 내지 3 Δφ의 값만큼 감소한다면, 가상 접지의 전위는 값(Δφ)만큼 증가하도록, 가상 접지의 전위가 입력 전위에 따라 변경되는 것도 가능하다.

예컨대 가상 접지가 적어도 하나의 연산 증폭기를 포함하는 회로에 의해 구현되고, 상기 연산 증폭기의 반전 입력단 및 출력단이 제 1 전기 저항기를 통해 서로 연결되어 있고 상기 연산 증폭기의 반전 입력단이 추가로 제 2 전기 저항기를 통해 입력 전위와 연결되는 방식으로, 아날로그 또는 디지털 회로에 의해 가상 접지의 전위가 입력 전위에 따라 신속하면서도 신뢰성 있게 변경될 수 있다.

개선예에서, 연산 증폭기의 비반전 입력단에 정전위(constant potential)가 인가될 수 있으며, 그럼으로써 가상 접지의 전위는 값(VM = UB - (UA - UB) * R1/R2)을 갖는데, 상기 식에서 VM은 가상 접지의 전위이고, UB는 연산 증폭기의 비반전 입력단에 인가되는 정전위이며, UA는 입력 전위이고, R1은 제 1 전기 저항기의 옴 저항이며, R2는 제 2 전기 저항기의 옴 저항이다.

이 경우, 바람직하게는 1/3 R1 < R2 < 3 R1이며, 특히 R1 = R2이다.

도 1은 본 발명에 따른 제어 유닛을 도시한 블록회로도.
도 2는 입력 전위(UA)에 따르는 가상 접지의 전위(VM)의 변경을 위한 아날로그 회로를 도시한 도면.

도 1에는, 바람직하게는 전술한 단일 셀형 한계 전류 센서(330)의 작동을 위한 본 발명에 따른 회로 어셈블리, 또는 상기 회로 어셈블리를 포함하는 본 발명에 따른 제어 유닛이 도시되어 있다. 공지된 한계 전류 센서(330)는 IPE 단자(343)(내부 펌프 전극, 제 2 전극) 및 전술한 ALE 단자(342)(외부 펌프 전극 또는 배기 전극, 제 1 전극)를 통해 회로 어셈블리와 연결된다.

한계 전류 센서(330)는 펌프 전류(Ip)(304)의 생성을 위해 사용된다. 한계 전류 센서(330)에 의해 측정되는 펌프 전류(304)는, 공지된 것처럼, 배기가스 내의 잔류 산소 함량에 대한 척도이다. Ip = 0인 경우, 람다는 1(람다 = 1)이다. 공기-연료 혼합기가 상대적으로 희박하다면(람다 > 1), 전기 펌프 전류(304)는 센서의 내부에서 배기 전극(ALE)(342)으로부터 한계 전류 센서(330)의 내부 펌프 전극(IPE)(343) 쪽으로 흐른다. 이와 반대로, 혼합기가 상대적으로 농후하다면(람다 < 1), 펌프 전류(304)는 반대 방향으로 흐른다.

전압 생성기(315)는 필터, 특히 저역 통과 필터(305)를 이용하여 펌프 전압(Up)(303)의 생성을 위해 사용되며, 펌프 전압(303)의 값은 각각의 펌프 전류(304)에 따라서, 공지된 방식으로, 펄스폭 변조(PWM) 신호(307)에 의해 설정될 수 있다["업 추적(Up-tracking)"]. 펌프 전류(304)는 본 실시예에서, 제 4 스위치(T4)(400)를 통해 회로의 후속 부분으로부터 분리될 수 있는 펌프 전류 센서(405)에 의해 공급된다.

파선(380)에 의해 예시된 것처럼, 상기 펌프 전류 센서(405) 및 제 4 스위치(400)는 반드시 필요한 것이 아닌데, 그 이유는 펌프 전류(304)가 원칙상 마이크로컨트롤러(310)에 의해서도 공급될 수 있기 때문이다.

PWM 신호(307)는 전압 생성기(315)에 의해 공급되고 본 실시예에서는 약 20 내지 30㎑의 주파수 범위 이내이다. 그러나 주지할 사항은, 본 발명 또는 본 발명의 적용이 상기 주파수 범위로 제한되지 않는다는 것이다. 생성기(315)는 내부 또는 외부 마이크로컨트롤러(μC)(310) 내에 배치된다. 또한, 이렇게 설정된 펌프 전압(303)은 제 1 저역 통과 필터(305)를 통해 평활화될 수 있다. 펌프 전압(303)은 제 2 저역 통과 필터(306) 및 아날로그/디지털 변환기(ADC)(320)를 통해 다시 마이크로컨트롤러(310) 내로 판독된다.

펌프 전류(304)는 측정 저항기(345)에 의해 측정된다. 필요한 경우, 예컨대 정확도의 이유에서, 측정 저항기에서 강하하는 전압 값은 예컨대 (미도시한) 차동 증폭기에 의해, 또는 마이크로컨트롤러(310) 내에 이미 제공되어 있는 ADC(320)에 의해 증폭될 수 있다. 마이크로컨트롤러(310) 내에 저장된 특성곡선(325)에 의해, 펌프 전류(304)로부터, 설정 가능한 시간 지연으로, 생성 대상 펌프 전압(303)이 생성된다.

펌프 전류(Ip)(304)가 전술한 두 전류 방향(395)으로 흐를 수 있도록 하기 위해, 측정 저항기(345)의 하류에 "가상 접지"(VM)(355)가 배치된다. 가상 접지(355)는 본 실시예의 경우 전류원으로서뿐만 아니라 전류 싱크로서도 사용되며, 측정 저항기(345)의 하류에서 전위를 공급하며, 그에 따라 펌프 전류(304)에 직접 의존하지 않고 이런 점에서 고정되거나 일정한 전위를 공급한다. 상기 전압 값은 필요한 경우, 예컨대 정확도의 이유로 추가로 배치된 제 3 저역 통과 필터(370)를 통해 다시 판독될 수 있다. 파선(375)에 의해 예시된 것처럼, VM 값의 재판독이 바람직하기는 하지만, 회로 어셈블리의 작동 모드를 위해 필요한 것은 아니다.

전류가 센서의 내부에서 제 2 전극(343)으로부터 제 1 전극(342) 쪽으로 흐를 수 있도록 하기 위해, ALE(342)에서의 전압 값은 IPE(343)에서의 전압 값보다 더 작아야 한다. 왜냐하면, 이런 경우에만, 농후 배기 가스에서 상기의 반대 전류 흐름이 가능하기 때문이다. 정전압의 값, 다시 말하면 가상 접지(355)의 전위는 본 발명에 따라서 입력 전위(UA)에 따라 결정된다: 입력 전위(UA)가 감소하면 가상 접지의 전위가 증가하고, 입력 전위(UA)가 증가하면 가상 접지의 전위가 감소한다.

본 발명에 따라서, 입력 전위(UA)는 설정되는 펌프 전류(304)에 따라서 추적되기 때문에, 가상 접지(355)의 전위가 펌프 전류(304)에 의해 간접적인 영향을 받는다. 그러나 상기 영향은 오직 간접적일 뿐이며, 그리고 가상 접지의 특성을 변경시키지 않는다. 가상 접지는 펌프 전류(Ip)에 직접 의존하지 않고 이런 점에서 고정되거나 일정한 고정 전위이다.

입력 전압(UA)에 대한 가상 접지(355)의 전위의 의존성은 도 2에 도시된 아날로그 회로에 의해 실현될 수 있다. 그 대안으로서, 디지털 회로가 실현될 수 있다.

펌프 전류 센서(405)뿐만 아니라 가상 접지(355)도 이 실시예에서 연산 증폭기 회로들로서 실현된다.

이 경우, 가상 접지(355)에는 연산 증폭기(OP1)가 할당되며, 이 연산 증폭기의 반전 입력단(OP1-) 및 그의 출력단(OP1A)은 제 1 전기 저항기(R1)를 통해 서로 연결되며, 연산 증폭기의 반전 입력단(OP1-)은 추가로 제 2 전기 저항기(R2)를 통해 입력 전위(UA)와 연결된다. 본 실시예에서 입력 전위(UA)는 저역 통과 필터(305)를 통해 평활화된 PWM 입력 신호(307)에 의해 주어진다. UB는 연산 증폭기(OP1)의 비반전 입력단(OP+)에 인가되는 정전위이다. 이 정전위는 별도의 전압원에 의해 공급될 수 있거나, 또는 분압기를 통해 이미 언급한 다른 전압 공급부로부터 유도될 수 있다. 이 경우, 가상 접지(355)의 전위는 하기 식에 따른 값(VM)을 갖는다:

VM = UB - (UA - UB) * R1/R2.

특별한 예에서, R1 = R2이며, 다시 말하면 VM = 2UB - UA이다.

측정 저항기는 20 ~ 600 Ohm의 옴 저항을 가질 수 있다.

저항기들(R1 및 R2)의 선택에 의해, 전기화학 셀(401)의 대칭 제어뿐만 아니라 비대칭 제어도 가능하다. 특히, 가상 접지(355)의 변경은 입력 전압(UA)에 의해 제어의 부분 영역에서만 수행되고 그 외의 가상 접지는 일정한 값, 다시 말하면 입력 전압과 무관한 값을 갖는 것이 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 회로 어셈블리는 이산 컴포넌트를 구비하여 구성될 수 있을 뿐만 아니라, ASIC(응용 주문형 집적회로) 내에 통합될 수도 있다.

303: 펌프 전압
304: 펌프 전류
305: 제 1 저역 통과 필터
306: 제 2 저역 통과 필터
307: PWM 신호
310: 마이크로컨트롤러
315: 전압 생성기
320: 아날로그/디지털 변환기(ADC)
325: 특성곡선
330: 단일 셀형 한계 전류 센서
342: ALE 단자, 제 1 전극
343: IPE 단자, 제 2 전극
345: 측정 저항기
355: 가상 접지
370: 제 3 저역 통과 필터
375: 파선
380: 파선
395: 전류 방향
400: 제 4 스위치
401: 전기화학 셀
405: 펌프 전류 센서
R1: 제 1 전기 저항기
R2: 제 2 전기 저항기

Claims

전기화학 셀(401)을 포함하는 람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛으로서, 상기 전기화학 셀(401)은 제 1 전극(342), 제 2 전극(343), 및 상기 전극들(342, 343) 사이에 배치되는 고체 전해질을 포함하며, 상기 람다 센서는 상기 전기화학 셀(401)의 전극들(342, 343) 사이에 인가되는 펌프 전압(303)에 의해 한계 전류 모드로 유지되고, 그럼으로써 배기가스 내의 잔류 산소에 비례하는 펌프 전류(304)가 상기 전기화학 셀(401)에 의해 설정되며, 입력 전위(UA)는 상기 전기화학 셀(401)의 제 1 전극(342)에 인가되고, 상기 입력 전위(UA)는 상기 설정되는 펌프 전류(304)에 따라서 추적되며, 상기 펌프 전류(304)는 상기 전기화학 셀(401)과 직렬로 연결되는 측정 저항기(345)에 의해 검출되고, 상기 전기화학 셀(401)의 상기 제 2 전극(343)은 직접 또는 측정 저항기를 통해 가상 접지(355)와 연결되며, 상기 가상 접지(355)의 전위는 상기 입력 전위(UA)에 따라서 변경되는, 람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛.
제 1 항에 있어서, 상기 입력 전위(UA)가 감소한다면, 상기 가상 접지(355)의 전위는 증가하고, 및/또는 상기 입력 전위(UA)가 증가한다면, 상기 가상 접지(355)의 전위는 감소하는 것을 특징으로 하는, 람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가상 접지(355)의 전위는 상기 입력 전위(UA)에 따라서 아날로그 또는 디지털 회로에 의해 변경되는 것을 특징으로 하는, 람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가상 접지(355)는 적어도 하나의 연산 증폭기(OP1)를 포함하는 회로에 의해 형성되며, 상기 연산 증폭기의 반전 입력단(OP1-) 및 상기 연산 증폭기의 출력단(OP1A)은 제 1 전기 저항기(R1)를 통해 서로 연결되고, 상기 연산 증폭기의 반전 입력단(OP1-)은 또한 제 2 전기 저항기(R2)를 통해 상기 입력 전위(UA)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛.
제 4 항에 있어서, 상기 연산 증폭기(OP1)의 비반전 입력단(OP+)에는 정전위(UB)가 인가되고, 그럼으로써 상기 가상 접지(355)의 전위는 하기 식의 값을 가지며;
VM = UB - (UA - UB) * R1/R2,
상기 식에서, VM은 가상 접지(355)의 전위이고, UB는 연산 증폭기(OP1)의 비반전 입력단(OP1+)에 인가되는 정전위(UB)이고, UA는 입력 전위(UA)이며, R1은 제 1 전기 저항기(R1)의 옴 저항이며, R2는 제 2 전기 저항기(R2)의 옴 저항인 것을 특징으로 하는, 람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 전위(UA)는 네거티브 피드백(negative feedback)으로 작동되는 연산 증폭기(OP2)에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는, 람다 센서의 작동을 위한 제어 유닛.