KR20080012079A - Method and apparatus for estimation of state of charge using sliding mode observer - Google Patents

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Abstract

A method and an apparatus for estimating an SOC(State Of Charge) of a secondary battery using a sliding mode observer are provided to dynamically estimate the accurate SOC of the secondary battery at various temperature and conditions by using a minimum parameter. An apparatus for estimating an SOC of a secondary battery(B) using a sliding mode observer(100) includes a storage medium(150), a current/voltage detecting unit, and a microprocessor(130). The storage medium stores parameters of state equations for secondary battery output voltage, capacitor voltage, and the SOC, which are induced by RC circuit modeling in consideration of open circuit voltage of the secondary battery, a capacitor component by battery polarization, and a resistance component inside the battery, a positive feedback gain constant of the sliding mode observer, SOC tables by open circuit voltages, and a secondary battery state estimating program. The current/voltage detecting unit measures input current and output voltage of the secondary battery at sampling time. The microprocessor loads the secondary battery state estimating program, the parameter, the positive feedback gain constant, and the SOC tables by open circuit voltages in a memory(140) and calculates an SOC estimate of the secondary battery by using the parameter, the positive feedback gain constant, and the SOC tables by open circuit voltages.

Description

슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지 SOC 예측 방법 및 장치{Method and Apparatus for estimation of State Of Charge using sliding mode observer}Method and apparatus for prediction of secondary battery SOC using sliding mode observer {Method and Apparatus for estimation of State Of Charge using sliding mode observer}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of the preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차 전지의 모델링 회로도이다.1 is a modeling circuit diagram of a secondary battery according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슬라이딩 모드 관측기를 구성하는 하드웨어 모듈의 블럭 다이어그램이다.2 is a block diagram of a hardware module constituting a sliding mode observer according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 정 전류 방전 실험에서 사용된 2차 전지의 외관 사진이다.3 is an external photograph of a secondary battery used in a constant current discharge experiment according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 정 전류 방전 실험 결과를 이용하여 SOC(State Of Charge) 전 구간(0~1)에 걸쳐 개방 회로 전압을 플로팅한 그래프이다.4 is a graph in which the open circuit voltage is plotted over the entire period of the state of charge (SOC) (0 ~ 1) using the results of the constant current discharge experiment according to the present invention.

도 5는 도 1에 도시된 모델링 회로에서 분극 저항 Rp의 전류 의존도를 도시한 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing the current dependence of the polarization resistance R p in the modeling circuit shown in FIG. 1.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 온-라인 상태의 정 전류 방전 실험에서, 시간 t에 대해 방전 전류, 2차 전지의 실제 출력 전압 및 예측 출력 전압, 그리고 이들 출력 전압 간 오차를 플로팅한 그래프이다.6 shows the discharge current, the actual output voltage and the predicted output voltage of the secondary battery, and these output voltages for time t in the constant current discharge experiment of the on-line state using the sliding mode observer according to the preferred embodiment of the present invention. A graph plotting the error of the liver.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 온-라인 상태의 정 전류 방전 실험에서, 시간 t에 대해 2차 전지의 출력 전압 및 SOC의 실제치와 예측치를 함께 플로팅한 그래프이다.FIG. 7 is a graph in which the output voltage of the secondary battery and the actual value and the predicted value of the SOC are plotted together for a time t in the constant current discharge experiment using the sliding mode observer according to the preferred embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 16 싸이클의 UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule) 실험에서, 시간 t에 대해 2차 전지의 입력 전류, 실제 출력 전압 및 예측 출력 전압, 이들 전압 간 오차 및 SOC 실제치를 플로팅한 그래프이다.FIG. 8 shows the input current, the actual output voltage and the predicted output voltage of these secondary batteries for time t in a 16-cycle Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) experiment using a sliding mode observer according to a preferred embodiment of the present invention. Plot of error and SOC actual values.

도 9는 도 8에 도시된 그래프 중 일부 구간을 확대 도시한 그래프이다.FIG. 9 is an enlarged graph illustrating some sections of the graph illustrated in FIG. 8.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 16 싸이클의 UDDS 실험에서, 시간 t에 대해 SOC의 예측치 및 실제치, 그리고 이들 값 간의 오차를 플로팅한 그래프이다.FIG. 10 is a graph plotting the prediction and actual values of SOC and an error between these values with respect to time t in a 16-cycle UDDS experiment using a sliding mode observer according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 11은 도 10에 도시된 그래프 중 일부 구간을 확대 도시한 그래프이다.FIG. 11 is an enlarged graph illustrating some sections of the graph illustrated in FIG. 10.

본 발명은 2차 전지의 SOC를 예측하는 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 2차 전지의 SOC를 정확하게 예측하는 방법과 이 방법을 구현할 수 있는 SOC 예측 장치에 대한 것이다.The present invention relates to a method for predicting SOC of a secondary battery, and more particularly, to a method for accurately predicting SOC of a secondary battery using a sliding mode observer and an SOC prediction apparatus capable of implementing the method.

최근 들어, 에너지 효율이 높고 연소 배출물이 적은 하이브리드 전기 자동차(Hybred electric vehicle: HEV)가 새로운 교통 수단의 대안으로 주목을 받고 있다. 하이브리드 전기 자동차의 주요 부분은 크게 내연 기관, 전기 모터 및 2차 전지로 나뉜다. 전기 모터는 2차 전지로부터 에너지를 공급받아 엔진에 시동을 거는 부스터로 기능하기도 하고, 제동 에너지를 재생할 때 또는 2차 전지의 충전을 위하여 잉여 전력을 2차 전지에 공급할 때에는 발전기로 기능하기도 한다. In recent years, hybrid electric vehicles (HEVs) with high energy efficiency and low combustion emissions have attracted attention as an alternative to new transportation. The major parts of hybrid electric vehicles are largely divided into internal combustion engines, electric motors and secondary batteries. The electric motor functions as a booster that receives energy from the secondary battery and starts the engine, and also functions as a generator when regenerating braking energy or supplying surplus power to the secondary battery for charging the secondary battery.

2차 전지의 충·방전 전류의 제어는 전지의 충전상태인 SOC에 기초한다. 2차 전지의 SOC 정보는 전기 모터의 파워 조절을 위해 CAN(Control Area Network) 통신 라인을 통해 전지 제어 시스템(Battery Management System: BMS)으로 전송된다.The control of the charge / discharge current of the secondary battery is based on the SOC which is the state of charge of the battery. The SOC information of the secondary battery is transmitted to a battery management system (BMS) through a control area network (CAN) communication line for power regulation of the electric motor.

SOC는 전지 내부의 화학적 상태에 의해 결정되므로 비선형적 특성을 갖는다. 따라서 SOC는 전기적인 신호에 의해 직접적으로 정확하게 측정할 수 없고 전지의 양단 전압, 입력 전류 등과 같은 물리적 측정값에 의해 간접적으로 예측된다. 특히 C-rate 가 높은 하이브리드 전기 전동차나 전기 자동차 등에 사용되는 대용량 2차 전지의 경우는 SOC의 비선형 정도가 크기 때문에 SOC의 정확한 예측은 어렵다고 잘 알려져 있다.SOC is nonlinear because it is determined by the chemical state inside the cell. Thus, SOC cannot be directly and accurately measured by an electrical signal, but indirectly predicted by physical measurements such as voltage across the battery, input current, and the like. In particular, large-capacity secondary batteries used for hybrid electric electric vehicles or electric vehicles having high C-rate are known to be difficult to accurately predict SOC because of their large nonlinearity.

2차 전지의 SOC를 예측하는 방법 중 가장 일반적인 방법에는 쿠울롱 계수(Coulomb counting)법, 임피던스 측정법, 칼만 필터(Kalman filter)법 등이 있다. Coulomb counting, impedance measurement, and Kalman filter are the most common methods for predicting SOC of a secondary battery.

쿠울롱 계수법은 전지로부터 방출될 수 있는 실제 충전량을 '1 Ampere- hours' 단위로 측정해 낸다. 예를 들어, '1 Ampere-hours'라는 것은, 전지의 상태가 1시간 동안 1A의 전류를 방출할 수 있는 충전 상태임을 나타낸다. 만약 정확한 전류 센서가 사용된다면, 쿠울롱 계수법은 상당히 정확하고 저렴하게 SOC를 예측할 수 있는 방법임에는 틀림없다. 하지만 쿠울롱 계수법을 채용한 SOC 예측기는 개방 루프 예측기이므로 전류 센서에서 발생된 에러가 SOC 예측기에 의해 누적되어 시간이 경과함에 따라 SOC의 에러가 증가되는 문제가 있다.The coulomb counting measures the actual amount of charge that can be released from a cell in '1 Ampere-hours'. For example, '1 Ampere-hours' indicates that the state of the battery is a state of charge capable of emitting 1 A of current for 1 hour. If an accurate current sensor is used, the Coulomb counting method must be a very accurate and inexpensive way of predicting SOC. However, since the SOC predictor employing the Coulomb counting method is an open loop predictor, an error generated in the current sensor accumulates by the SOC predictor, and thus, an error of the SOC increases with time.

임피던스 측정법은 전지의 임피던스 측정치로부터 전지의 SOC를 예측하는 방식이나 온도에 큰 영향을 받으므로, 임피던스가 측정된 온도 조건에 따라서 예측된 SOC의 정확도가 저하되는 문제가 있다. Since the impedance measurement method is greatly influenced by the method and temperature for predicting the SOC of the battery from the measured impedance of the battery, there is a problem that the accuracy of the predicted SOC is lowered according to the temperature condition at which the impedance is measured.

칼만 필터법은 타겟 추종, 네비게이션 등의 분야에서 동적 시스템의 상태 예측을 위해 사용되는 잘 알려진 기술 중 하나이다. 칼만 필터법은 동적 시스템 상태의 관찰 및 예측 문제 모두에 대해 최적의 선형 필터링에 대한 반복적인 해(recursive solution)를 제공하며, 시스템의 대역폭 내에 포함된 광역 잡음에 의해 시스템 상태가 영향을 받더라도 시스템 상태를 최적으로 예측할 수 있다는 장점이 있다.Kalman filtering is one of the well-known techniques used for predicting the state of dynamic systems in the field of target tracking, navigation and so on. The Kalman filter method provides a recursive solution for optimal linear filtering for both observation and prediction of dynamic system states, and even if the system state is affected by global noise contained within the system's bandwidth. The advantage is that it can be optimally predicted.

미국 특허 제6,534,954호는 칼만 필터법을 이용하여 전지의 충전량을 예측하는 방법을 개시한다. 하지만 칼만 필터법은 궤환 이득의 선택이 어렵다는 단점이 있다. 만약 궤환 이득이 적절하게 선택되지 않으면, 예측된 시스템의 상태는 발산하게 된다. 또한 칼만 필터법은 시스템 모델링이 정확하게 이루어져야 하고 외부 잡음이 가우시안(Gaussian) 분포를 가지고 있어야 한다는 제약이 있으므로, 실제적 인 적용에 있어서도 한계가 있다. 위와 같은 제약이 충족되지 않으면 칼만 필터의 성능은 저하되어 시스템의 상태를 최적으로 예측할 수 없기 때문이다.US Pat. No. 6,534,954 discloses a method of predicting the charge of a cell using the Kalman filter method. However, the Kalman filter method has a disadvantage in that it is difficult to select the feedback gain. If the feedback gain is not properly selected, the predicted state of the system will diverge. In addition, the Kalman filter method has limitations in practical applications because system modeling must be done correctly and external noise must have a Gaussian distribution. If the above constraints are not met, the Kalman filter's performance will degrade and the system's condition will not be optimally predicted.

SOC를 예측하는 또 다른 방법으로는 한국 공개특허 제2005-61386호에 게시된 바와 같이 인공 신경망 또는 퍼지 논리 이론에 기초한 방법이 있다. 하지만 이들 방법들은 고도의 복잡한 수학적 연산을 필요로 하기 때문에 전지 관리 시스템(Battery Management System: 이하, 'BMS'라 함)에 과도한 부하를 유발하는 문제가 있다. Another method of predicting SOC is a method based on artificial neural network or fuzzy logic theory, as published in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2005-61386. However, since these methods require highly complex mathematical operations, there is a problem of causing excessive load on a battery management system (hereinafter, referred to as 'BMS').

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 외란(disturbance), 전지의 상수값 변화, 모델링된 2차 전지 시스템의 파라미터 변화에 대하여 강인성(robustness)을 갖는 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 2차 전지의 SOC를 정확하게 예측할 수 있는 방법과 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems of the prior art, and includes a sliding mode observer having robustness against disturbance, constant value change of a battery, and parameter change of a modeled secondary battery system. The purpose of the present invention is to provide a method and apparatus for accurately predicting SOC of a secondary battery.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 불확실성(uncertainty)이 있는 간단한 2차 전지의 시스템 모델링에 의하더라도 2차 전지의 SOC를 정확하게 예측할 수 있는 방법과 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for accurately predicting SOC of a secondary battery even by system modeling of a simple secondary battery having uncertainty.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 다양한 온도, C-rate 등의 다양한 환경 하에서 최소한의 파라미터를 이용하여 2차 전지의 SOC를 동적으로 정확하게 예측할 수 있는 방법과 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for dynamically and accurately predicting SOC of a secondary battery using minimal parameters under various environments such as various temperatures and C-rates. .

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 방법은, 2차 전지의 개방 회로 전압(Voc(Z)), 전지의 분극 효과에 의한 캐패시터 성분(Cp) 및 전지 내부의 저항 성분을 고려한 RC 회로 모델링에 의해 유도된 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 각 상태 방정식의 파라미터; 상기 각 상태 방정식을 토대로 슬라이딩 모드 디자인된 관측기의 정 궤환 이득 상수; 개방 회로 전압별 SOC 테이블; 및 상기 관측기에 기초하여 Vt, Vp 및 Z의 예측치

Figure 112006055725880-PAT00001
,
Figure 112006055725880-PAT00002
Figure 112006055725880-PAT00003
를 계산하는 2차 전지 상태 예측 프로그램;을 수록한 저장매체를 이용하여 마이크로프로세서가 2차 전지의 SOC를 예측하는 방법이다. SOC prediction method of a secondary battery using a sliding mode observer according to the present invention for achieving the above technical problem, the capacitor component (C) by the open circuit voltage (V oc (Z)) of the secondary battery, the polarization effect of the battery p ) and the parameters of the respective state equations for the secondary cell output voltage (V t ), capacitor across voltage (V p ) and SOC (Z) derived by RC circuit modeling taking into account the resistance components inside the cell; A positive feedback gain constant of the observer designed in sliding mode based on each state equation; Open circuit voltage-specific SOC tables; And estimates of V t , V p, and Z based on the observer
Figure 112006055725880-PAT00001
,
Figure 112006055725880-PAT00002
And
Figure 112006055725880-PAT00003
The secondary battery state prediction program for calculating the; is a method of predicting the SOC of the secondary battery using a storage medium containing the microprocessor.

구체적으로, 먼저 상기 저장매체로부터 상기 프로그램, 파라미터, 정 궤환 이득 상수 및 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 메모리에 로드한다. 그런 다음 샘플링 타임 t에서 전류/전압 검지 수단으로부터 이차 전지의 입력 전류(I)와 출력 전압(Vt)을 입력받는다. 그러고 나서 로드된 파라미터 및 정 궤환 이득 상수에 의해 상기 관측기의 방정식을 확립하고, 입력 전류(I) 및 출력 전압(Vt)과 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 이용하여 2차 전지의 SOC 예측치

Figure 112006055725880-PAT00004
를 계산하여 출력한다.Specifically, first, the SOC table for each program, parameter, positive feedback gain constant, and open circuit voltage is loaded from the storage medium into a memory. Then, at the sampling time t, the input current I and the output voltage V t of the secondary battery are input from the current / voltage detection means. Then, the equation of the observer is established by the loaded parameters and the positive feedback gain constant, and the SOC prediction value of the secondary battery using the SOC table for each input current (I) and output voltage (V t ) and open circuit voltage.
Figure 112006055725880-PAT00004
Calculate and output

바람직하게, 상기 저항 성분은 파급 저항 성분 Rb, 확산 저항 성분 Rp 및 오믹 저항 성분 Rt를 포함한다.Preferably, the resistance component comprises a ripple resistance component R b , a diffusion resistance component R p and an ohmic resistance component R t .

본 발명에 따르면, 상기 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 각 상태 방정식은 다음의 수학식에 의해 표현되고,According to the present invention, each state equation for the secondary battery output voltage (V t ), the voltage across the capacitor (V p ) and SOC (Z) is represented by the following equation,

Figure 112006055725880-PAT00005
Figure 112006055725880-PAT00005

상기 저장매체에 수록된 파라미터는 상기 상태 방정식의 계수인

Figure 112006055725880-PAT00006
,
Figure 112006055725880-PAT00007
,
Figure 112006055725880-PAT00008
,
Figure 112006055725880-PAT00009
,
Figure 112006055725880-PAT00010
,
Figure 112006055725880-PAT00011
,
Figure 112006055725880-PAT00012
로서, 다음과 같이 2차 전지의 RC 상수값에 의해 계산된다. The parameter contained in the storage medium is a coefficient of the state equation.
Figure 112006055725880-PAT00006
,
Figure 112006055725880-PAT00007
,
Figure 112006055725880-PAT00008
,
Figure 112006055725880-PAT00009
,
Figure 112006055725880-PAT00010
,
Figure 112006055725880-PAT00011
,
Figure 112006055725880-PAT00012
It is calculated by the RC constant value of the secondary battery as follows.

Figure 112006055725880-PAT00013
Figure 112006055725880-PAT00013

Figure 112006055725880-PAT00014
Figure 112006055725880-PAT00014

Figure 112006055725880-PAT00015
Figure 112006055725880-PAT00015

Figure 112006055725880-PAT00016
Figure 112006055725880-PAT00016

Figure 112006055725880-PAT00017
Figure 112006055725880-PAT00017

Figure 112006055725880-PAT00018
Figure 112006055725880-PAT00018

Figure 112006055725880-PAT00019
Figure 112006055725880-PAT00019

그리고, 상기 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 슬라이딩 모드 관측기는 다음의 수학식에 의해 표현되고,And, the sliding mode observer for the secondary battery output voltage (V t ), the voltage across the capacitor (V p ) and SOC (Z) is represented by the following equation,

Figure 112006055725880-PAT00020
Figure 112006055725880-PAT00020

Figure 112006055725880-PAT00021
Figure 112006055725880-PAT00021

Figure 112006055725880-PAT00022
Figure 112006055725880-PAT00022

상기 저장매체에 수록되는 정 궤환 이득 상수는 상기 슬라이딩 모드 관측기 수식의

Figure 112006055725880-PAT00023
,
Figure 112006055725880-PAT00024
Figure 112006055725880-PAT00025
이다.The positive feedback gain constant stored in the storage medium is defined by the sliding mode observer equation.
Figure 112006055725880-PAT00023
,
Figure 112006055725880-PAT00024
And
Figure 112006055725880-PAT00025
to be.

바람직하게, 상기 SOC의 예측치를 계산하여 출력하는 단계는, 먼저 상기 저장매체에 수록된 파라미터와 정 궤환 이득 상수를 하기 수학식에 대입함으로써 2차 전지의 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)의 예측치

Figure 112006055725880-PAT00026
,
Figure 112006055725880-PAT00027
Figure 112006055725880-PAT00028
의 계산을 위한 수학적 알고리즘을 확립하고,Preferably, the step of calculating and outputting the predicted value of the SOC, the output voltage (V t ) of the secondary battery, the voltage across the capacitor (V t ) by first substituting the parameters and positive feedback gain constant stored in the storage medium to the following equation: p ) and SOC (Z) estimates
Figure 112006055725880-PAT00026
,
Figure 112006055725880-PAT00027
And
Figure 112006055725880-PAT00028
Establish a mathematical algorithm for the calculation of

Figure 112006055725880-PAT00029
Figure 112006055725880-PAT00029

Figure 112006055725880-PAT00030
Figure 112006055725880-PAT00030

Figure 112006055725880-PAT00031
Figure 112006055725880-PAT00031

샘플링 시간 t 에 입력된 입력 전압(I) 및 출력 전압(Vt)와, 개방 회로 전압별 SOC 테이블에 수록된 시간 t에서의 개방 회로 전압 및 SOC를 상기 이산 식에 대입하여 2차 전지의 출력 전압, 캐패시터의 양단 전압 및 SOC의 예측치

Figure 112006055725880-PAT00032
,
Figure 112006055725880-PAT00033
Figure 112006055725880-PAT00034
를 계산하여 출력하는 단계이다.The input voltage (I) and output voltage (V t ) input at the sampling time t, and the open circuit voltage and SOC at the time t contained in the SOC table for each open circuit voltage are substituted into the discrete equations to output the secondary battery output voltage. , Estimate of voltage across capacitor and SOC
Figure 112006055725880-PAT00032
,
Figure 112006055725880-PAT00033
And
Figure 112006055725880-PAT00034
It calculates and outputs it.

바람직하게, 상기 계산된 SOC 예측치는 전지 관리 시스템(BMS)에 입력된다. Preferably, the calculated SOC prediction is input to a battery management system (BMS).

바람직하게, 상기 SOC 예측치

Figure 112006055725880-PAT00035
와 실제치
Figure 112006055725880-PAT00036
사이의 오차는 3% 이내이다.Preferably, the SOC prediction
Figure 112006055725880-PAT00035
And actual value
Figure 112006055725880-PAT00036
The error between is within 3%.

경우에 따라, 상기 저장매체는 2차 전지의 입력 전류 크기에 따른 캐패시터 성분값 리스트 및 저항 성분값 리스트를 더 수록하고 있을 수 있다. 이러한 경우, SOC의 예측치를 계산하여 출력하는 단계는, 2차 전지의 입력 전류가 검지되는 시점 t에서 검지된 입력 전류의 크기에 따른 캐패시터 성분값 및 저항 성분값을 상기 리스트로부터 리드하여 상기 파라미터를 실시간으로 계산하는 단계이고, SOC 예측치를 계산하기 위한 수학적 알고리즘의 확립시 사용되는 파라미터는 상기 실시간으로 계산된 파라미터이다.In some cases, the storage medium may further include a capacitor component value list and a resistance component value list according to the input current magnitude of the secondary battery. In this case, calculating and outputting the predicted value of the SOC, the capacitor component value and the resistance component value according to the magnitude of the detected input current at the time t when the input current of the secondary battery is detected from the list to read the parameter The calculation is performed in real time, and the parameters used in the establishment of a mathematical algorithm for calculating the SOC prediction are the parameters calculated in real time.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 장치는, 2차 전지의 개방 회로 전압(Voc(Z)), 전 지의 분극 효과에 의한 캐패시터 성분(Cp) 및 전지 내부의 저항 성분을 고려한 RC 회로 모델링에 의해 유도된 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 각 상태 방정식의 파라미터; 상기 각 상태 방정식을 토대로 슬라이딩 모드 디자인된 관측기의 정 궤환 이득 상수; 개방 회로 전압별 SOC 테이블; 및 상기 관측기에 기초하여 Vt, Vp 및 Z의 예측치

Figure 112006055725880-PAT00037
,
Figure 112006055725880-PAT00038
Figure 112006055725880-PAT00039
를 계산하는 수학적 알고리즘을 포함하는 2차 전지 상태 예측 프로그램;을 수록하고 있는 저장매체; 샘플링 타임 t에서 이차 전지의 입력 전류(I)와 출력 전압(Vt)을 측정하여 출력하는 전류/전압 검지 수단; 및 상기 저장매체로부터 상기 2차 전지 상태 예측 프로그램, 상기 파라미터, 상기 정 궤환 이득 상수 및 상기 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 메모리에 로드하는 한편, 상기 전류/전압 검지 수단으로부터 출력된 이차 전지의 입력 전류 및 출력 전압을 입력받아 상기 로드된 프로그램의 수학적 알고리즘에 따라 상기 파라미터, 정 궤환 이득 상수 및 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 이용하여 2차 전지의 SOC 예측치
Figure 112006055725880-PAT00040
를 계산하여 출력하는 마이크로프로세서;를 포함한다.The SOC prediction apparatus of a secondary battery using the sliding mode observer according to the present invention for achieving the above another technical problem, the capacitor component by the open circuit voltage (V oc (Z)), the polarization effect of the battery ( C p ) and the parameters of the respective state equations for the secondary cell output voltage (V t ), capacitor across voltage (V p ) and SOC (Z) derived by RC circuit modeling taking into account the resistance components inside the cell; A positive feedback gain constant of the observer designed in sliding mode based on each state equation; Open circuit voltage-specific SOC tables; And estimates of V t , V p, and Z based on the observer
Figure 112006055725880-PAT00037
,
Figure 112006055725880-PAT00038
And
Figure 112006055725880-PAT00039
A secondary battery state prediction program comprising a mathematical algorithm for calculating a; storage medium containing; Current / voltage detecting means for outputting the sampling time t by measuring the input current (I) and output voltage (V t) of the secondary battery; And loading the secondary battery state prediction program, the parameter, the positive feedback gain constant, and the open circuit voltage-specific SOC table from the storage medium into a memory, and inputting the secondary battery output from the current / voltage detection means. And an SOC prediction value of a secondary battery using the SOC table for each parameter, positive feedback gain constant, and open circuit voltage according to a mathematical algorithm of the loaded program.
Figure 112006055725880-PAT00040
It includes; a microprocessor for calculating and outputting.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의기와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as a concept and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

<슬라이딩 Sliding 모드mode 관측기의 이론적 배경> Theoretical Background of Observers>

본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기에 앞서, 본 발명에서 채용한 슬라이딩 모드 관측기의 이론적 배경을 설명한다. Prior to describing the preferred embodiment of the present invention in detail, the theoretical background of the sliding mode observer employed in the present invention will be described.

먼저, 하기 수학식 1 및 2에 의해 수학적으로 모델링 된 시간 연속 단일 입력 시스템(continuous-time single input system)과 스칼라 측정 모델(scalar measurement model)을 고려해 보자. First, consider a continuous-time single input system and a scalar measurement model mathematically modeled by Equations 1 and 2 below.

Figure 112006055725880-PAT00041
Figure 112006055725880-PAT00041

Figure 112006055725880-PAT00042
Figure 112006055725880-PAT00042

여기에서,

Figure 112006055725880-PAT00043
는 모델링 된 시스템의 시간 t에서의 상태(sate variable)이고,
Figure 112006055725880-PAT00044
는 시간 t에서의 스칼라 궤환 제어에 따른 시스템 제어 입력이고,
Figure 112006055725880-PAT00045
는 시간 t에서의 경계가 있는(bounded) 오차 및 왜란(disturbance)을 정량화한 인 자이고,
Figure 112006055725880-PAT00046
은 시간 t에서의 시스템 출력이다. 그리고,
Figure 112006055725880-PAT00047
이고,
Figure 112006055725880-PAT00048
이고,
Figure 112006055725880-PAT00049
이다.From here,
Figure 112006055725880-PAT00043
Is the state variable at time t of the modeled system,
Figure 112006055725880-PAT00044
Is the system control input according to scalar feedback control at time t,
Figure 112006055725880-PAT00045
Is a factor that quantifies bounded errors and disturbances at time t,
Figure 112006055725880-PAT00046
Is the system output at time t. And,
Figure 112006055725880-PAT00047
ego,
Figure 112006055725880-PAT00048
ego,
Figure 112006055725880-PAT00049
to be.

상기 수학식1 및 2에 의하여 모델링된 시스템에서, 상태

Figure 112006055725880-PAT00050
에 대한 슬라이딩 모드 관측기는 다음 수학식 3과 같이 정의된다. 수학식 3에서,
Figure 112006055725880-PAT00051
은 각각
Figure 112006055725880-PAT00052
의 예측치(estimate)이다.In the system modeled by Equations 1 and 2 above, states
Figure 112006055725880-PAT00050
The sliding mode observer for is defined as in Equation 3 below. In Equation 3,
Figure 112006055725880-PAT00051
Are each
Figure 112006055725880-PAT00052
Is an estimate of.

Figure 112006055725880-PAT00053
Figure 112006055725880-PAT00053

여기서,

Figure 112006055725880-PAT00054
이고,
Figure 112006055725880-PAT00055
이고,
Figure 112006055725880-PAT00056
는 시그넘(signum) 함수이고,
Figure 112006055725880-PAT00057
은 스위칭 궤환 이득 상수이다. here,
Figure 112006055725880-PAT00054
ego,
Figure 112006055725880-PAT00055
ego,
Figure 112006055725880-PAT00056
Is the signum function,
Figure 112006055725880-PAT00057
Is the switching feedback gain constant.

슬라이딩 모드 관측기의 오차

Figure 112006055725880-PAT00058
는 하기 수학식 4와 같은 동적 특성을 갖는다. Error in Sliding Mode Observer
Figure 112006055725880-PAT00058
Has dynamic characteristics as shown in Equation 4 below.

Figure 112006055725880-PAT00059
Figure 112006055725880-PAT00059

여기서,

Figure 112006055725880-PAT00060
이고, here,
Figure 112006055725880-PAT00060
ego,

스위칭 함수

Figure 112006055725880-PAT00061
Figure 112006055725880-PAT00062
이다.Switching function
Figure 112006055725880-PAT00061
Is
Figure 112006055725880-PAT00062
to be.

한편, 슬라이딩 모드 이론에 따르면,

Figure 112006055725880-PAT00063
이라는 조건이 성립되면 국소적인 슬라이딩 레자임(regime)은 시스템 상태 공간 내의
Figure 112006055725880-PAT00064
이라는 평면 상에 있게 된다. On the other hand, according to the sliding mode theory,
Figure 112006055725880-PAT00063
If a condition is established, the local sliding regime is defined in the system state space.
Figure 112006055725880-PAT00064
Is on the plane of.

한편 상기

Figure 112006055725880-PAT00065
는 하기 수학식 5로 나타낼 수 있다. 수학식 5에서 T는 전치(transpose) 행렬을 의미한다. Meanwhile above
Figure 112006055725880-PAT00065
Can be represented by Equation 5 below. In Equation 5, T means a transpose matrix.

Figure 112006055725880-PAT00066
Figure 112006055725880-PAT00066

상기 수학식 5에서,

Figure 112006055725880-PAT00067
이 0보다 크면, 국소적인 슬라이딩 레자임은 조건 In Equation 5,
Figure 112006055725880-PAT00067
If this is greater than zero, the local sliding regime is a condition

Figure 112006055725880-PAT00068
하에서
Figure 112006055725880-PAT00069
라는 평면 위에 존재하게 된다. 이때 집합
Figure 112006055725880-PAT00070
는 슬라이딩 패치(patch)라고 불린다.
Figure 112006055725880-PAT00068
Under
Figure 112006055725880-PAT00069
Will exist on the plane. At this time
Figure 112006055725880-PAT00070
Is called a sliding patch.

한편, 이상적인 슬라이딩 모드 동역학에서,

Figure 112006055725880-PAT00071
는 'Filippov'의 근(solution)에 의해 결정된다. On the other hand, in the ideal sliding mode dynamics,
Figure 112006055725880-PAT00071
Is determined by the solution of 'Filippov'.

즉, 조건

Figure 112006055725880-PAT00072
에 대하여,That is, the condition
Figure 112006055725880-PAT00072
about,

Figure 112006055725880-PAT00073
이고,
Figure 112006055725880-PAT00074
이다.
Figure 112006055725880-PAT00073
ego,
Figure 112006055725880-PAT00074
to be.

여기서,

Figure 112006055725880-PAT00075
는 스위칭 함수를
Figure 112006055725880-PAT00076
의 스팬(span)을 따라
Figure 112006055725880-PAT00077
의 널 공간(null space)으로 투영했을 때의 행렬이다.here,
Figure 112006055725880-PAT00075
The switching function
Figure 112006055725880-PAT00076
Along the span of
Figure 112006055725880-PAT00077
The matrix when projecting into null space.

상술한 슬라이딩 모드 관측기의 이론적 배경은 후술하는 본 발명의 실시예에서 참조될 것이다. 하지만, 본 명세서에서 제시된 이론 이외에도 여러 가지 다양한 공지된 슬라이딩 모드 관측기의 이론들이 적용될 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 당연하다. The theoretical background of the sliding mode observer described above will be referred to in the embodiments of the present invention described below. However, it will be apparent to those skilled in the art that various well-known sliding mode observer theories may be applied in addition to the theories presented herein.

<슬라이딩 Sliding 모드mode 관측기의 디자인을 위한 2차 전지의  Of secondary battery for the design of observer 모델링modelling >>

다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 2차 전지의 SOC를 예측하기 위하여 본 발명이 채용한 2차 전지의 모델링 회로를 설명한다. Next, a modeling circuit of the secondary battery employed in the present invention will be described in order to predict the SOC of the secondary battery according to a preferred embodiment of the present invention.

일반적으로, 2차 전지의 출력 전압은 전지의 SOC 에 대해 비선형적으로 변화되는 특성이 있다. 이러한 비선형적 특성은 2차 전지를 만 충전 한 후 일정량의 전류를 주기적으로 방전시키면서 2차 전지의 개방 회로 전압(open-circuit voltage)을 측정하면 용이하게 확인할 수 있다. In general, the output voltage of the secondary battery has a characteristic of changing nonlinearly with respect to the SOC of the battery. Such nonlinear characteristics can be easily confirmed by measuring the open-circuit voltage of the secondary battery while periodically charging the secondary battery and then periodically discharging a certain amount of current.

본 발명자는 위와 같은 2차 전지의 비선형적 특성을 감안하여 도 1에 도시된 바와 같은 RC 회로 모델에 의해 2차 전지를 동적으로 모델링하였다. The present inventors dynamically modeled the secondary battery by the RC circuit model as shown in FIG. 1 in view of the nonlinear characteristics of the secondary battery as described above.

도 1을 참조하면, 2차 전지에 대한 모델링 회로는, 비선형적 특성을 나타내는 개방 회로 전압

Figure 112006055725880-PAT00078
(참고로, Z는 SOC), 전지 내의 분극(polarization) 효과를 모델링하기 위한 캐패시터 성분
Figure 112006055725880-PAT00079
, 파급 저항(propagation resistance)을 모델링하기 위한 파급 저항 성분
Figure 112006055725880-PAT00080
, 전류(I)의 함수인 확산 저항(diffusion resistance) 성분
Figure 112006055725880-PAT00081
, 오믹 저항 성분
Figure 112006055725880-PAT00082
및 2차 전지의 출력 전압
Figure 112006055725880-PAT00083
를 포함한 다. 도 1에서, 캐패시터
Figure 112006055725880-PAT00084
의 양단 전압은
Figure 112006055725880-PAT00085
로 표시하였다.Referring to FIG. 1, a modeling circuit for a secondary battery includes an open circuit voltage exhibiting nonlinear characteristics.
Figure 112006055725880-PAT00078
(For reference, Z is SOC), a capacitor component for modeling the polarization effect in the cell
Figure 112006055725880-PAT00079
Ripple component for modeling propagation resistance
Figure 112006055725880-PAT00080
, Diffusion resistance component as a function of current (I)
Figure 112006055725880-PAT00081
Ohmic resistance components
Figure 112006055725880-PAT00082
And output voltage of secondary battery
Figure 112006055725880-PAT00083
It includes. In Figure 1, a capacitor
Figure 112006055725880-PAT00084
The voltage at both ends of
Figure 112006055725880-PAT00085
Marked as.

2차 전지의 출력 전압

Figure 112006055725880-PAT00086
는 하기 수학식 6 및 7로 표시할 수 있다. 하기 수학식 6 및 7에서, I는 순시 전류(instantaneous current)이다. 순시 전류는 충전일 경우 '양'의 값을, 방전일 경우 '음'의 값을 갖는다.Output voltage of secondary battery
Figure 112006055725880-PAT00086
Can be represented by the following equations (6) and (7). In Equations 6 and 7, I is instantaneous current. Instantaneous current has a positive value for charging and a negative value for discharging.

Figure 112006055725880-PAT00087
Figure 112006055725880-PAT00087

Figure 112006055725880-PAT00088
Figure 112006055725880-PAT00088

한편 2차 전지의 SOC Z 에 대한 시간 미분은 하기 수학식 8과 같다.On the other hand, the time derivative of SOC Z of the secondary battery is expressed by Equation 8 below.

Figure 112006055725880-PAT00089
Figure 112006055725880-PAT00089

여기서,

Figure 112006055725880-PAT00090
는 개방 회로 전압의 전류이고
Figure 112006055725880-PAT00091
는 2차 전지의 공칭 정전용량(nominal capacitance)이다.here,
Figure 112006055725880-PAT00090
Is the current of the open circuit voltage
Figure 112006055725880-PAT00091
Is the nominal capacitance of the secondary battery.

상기 수학식 6과 7의 좌변은 서로 동일하므로, 간단한 대수 연산 과정을 통해 하기 수학식 9의 유도가 가능하다. Since the left sides of Equations 6 and 7 are identical to each other, the following Equation 9 can be derived through a simple algebra operation.

Figure 112006055725880-PAT00092
Figure 112006055725880-PAT00092

상기 수학식 9에 하기 수학식 10의 키르호프(kirchoff) 법칙을 적용하면, 하 기 수학식 11을 얻을 수 있다.If Kirchoff's law of Equation 10 is applied to Equation 9, Equation 11 can be obtained.

Figure 112006055725880-PAT00093
Figure 112006055725880-PAT00093

Figure 112006055725880-PAT00094
Figure 112006055725880-PAT00094

또한 상기 수학식 11을 수학식 8에 대입하면 하기 수학식 12가 얻어지고,Substituting Equation 11 into Equation 8 provides Equation 12 below.

Figure 112006055725880-PAT00095
Figure 112006055725880-PAT00095

유사한 방법으로 수학식 12를 수학식 10에 대입하여 정리하면, 하기 수학식 13이 얻어진다.By substituting Equation 12 into Equation 10 in a similar manner, Equation 13 is obtained.

Figure 112006055725880-PAT00096
Figure 112006055725880-PAT00096

2차 전지의 출력 전압

Figure 112006055725880-PAT00097
는 수학식 11의
Figure 112006055725880-PAT00098
를 수학식 7에 대입하면 하기 수학식 14와 같이 얻을 수 있다. Output voltage of secondary battery
Figure 112006055725880-PAT00097
Of equation (11)
Figure 112006055725880-PAT00098
By substituting into Equation 7, it can be obtained as Equation 14 below.

Figure 112006055725880-PAT00099
Figure 112006055725880-PAT00099

상기 수학식 14에 따른 출력 전압을 시간 미분하고,

Figure 112006055725880-PAT00100
이라는 조건을 적용하여 정리하면, 하기 수학식 15가 얻어진다.Time differential the output voltage according to Equation 14,
Figure 112006055725880-PAT00100
If the following condition is applied and summarized, the following formula (15) is obtained.

Figure 112006055725880-PAT00101
Figure 112006055725880-PAT00101

마지막으로, 수학식 6을

Figure 112006055725880-PAT00102
에 대하여 풀고 그 결과를 수학식 14에 대입하면, 하기 수학식 16과 같이
Figure 112006055725880-PAT00103
,
Figure 112006055725880-PAT00104
Figure 112006055725880-PAT00105
에 대한 완전한 상태 방정식을 얻을 수 있다. 이로써, 본 발명에 따른 2차 전지의 회로 모델링이 완료된다.Finally, Equation 6
Figure 112006055725880-PAT00102
Solving for and substituting the result into Equation 14,
Figure 112006055725880-PAT00103
,
Figure 112006055725880-PAT00104
And
Figure 112006055725880-PAT00105
You can get the complete state equation for. This completes the circuit modeling of the secondary battery according to the present invention.

Figure 112006055725880-PAT00106
Figure 112006055725880-PAT00106

여기서,

Figure 112006055725880-PAT00107
,
Figure 112006055725880-PAT00108
,
Figure 112006055725880-PAT00109
,
Figure 112006055725880-PAT00110
,
Figure 112006055725880-PAT00111
,
Figure 112006055725880-PAT00112
,
Figure 112006055725880-PAT00113
는 다음과 같다.here,
Figure 112006055725880-PAT00107
,
Figure 112006055725880-PAT00108
,
Figure 112006055725880-PAT00109
,
Figure 112006055725880-PAT00110
,
Figure 112006055725880-PAT00111
,
Figure 112006055725880-PAT00112
,
Figure 112006055725880-PAT00113
Is as follows.

Figure 112006055725880-PAT00114
Figure 112006055725880-PAT00114

Figure 112006055725880-PAT00115
Figure 112006055725880-PAT00115

Figure 112006055725880-PAT00116
Figure 112006055725880-PAT00116

Figure 112006055725880-PAT00117
Figure 112006055725880-PAT00117

Figure 112006055725880-PAT00118
Figure 112006055725880-PAT00118

Figure 112006055725880-PAT00119
Figure 112006055725880-PAT00119

Figure 112006055725880-PAT00120
Figure 112006055725880-PAT00120

상기 상태 방정식에서, 파라미터

Figure 112006055725880-PAT00121
,
Figure 112006055725880-PAT00122
,
Figure 112006055725880-PAT00123
,
Figure 112006055725880-PAT00124
,
Figure 112006055725880-PAT00125
,
Figure 112006055725880-PAT00126
,
Figure 112006055725880-PAT00127
의 계산을 위해 사용되는 2차 전지의 상수값
Figure 112006055725880-PAT00128
,
Figure 112006055725880-PAT00129
,
Figure 112006055725880-PAT00130
,
Figure 112006055725880-PAT00131
,
Figure 112006055725880-PAT00132
는 2차 전지를 만 충전시킨 후 주기적으로 정 전류를 방전시키면서 개방 회로 전압을 측정한 후 그 실험 결과와 매칭될 수 있도록 시행착오법에 의해 상기 상수값들을 결정한다.In the above state equation, the parameter
Figure 112006055725880-PAT00121
,
Figure 112006055725880-PAT00122
,
Figure 112006055725880-PAT00123
,
Figure 112006055725880-PAT00124
,
Figure 112006055725880-PAT00125
,
Figure 112006055725880-PAT00126
,
Figure 112006055725880-PAT00127
Constant value of secondary battery used for calculation of
Figure 112006055725880-PAT00128
,
Figure 112006055725880-PAT00129
,
Figure 112006055725880-PAT00130
,
Figure 112006055725880-PAT00131
,
Figure 112006055725880-PAT00132
After the battery is charged only, the open circuit voltage is measured while periodically discharging a constant current, and the constant values are determined by a trial and error method so as to match the experimental result.

<슬라이딩 Sliding 모드mode 관측기의 설계> Observer Design>

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슬라이딩 모드 관측기의 설계는 상기 수학식 16에 따른 상태 방정식에 기초한다. 구체적으로, 상기 수학식 16의 관측가능성 행렬(observability matrix)의 랭크는 전열 랭크(full rank)이다. 따라서 도 1에 도시된 회로에 의해 모델링 된 2차 전지의 내부 상태는 슬라이딩 모드 관측기에 의해 예측될 수 있다. The design of the sliding mode observer according to the preferred embodiment of the present invention is based on the state equation according to Equation 16 above. Specifically, the rank of the observability matrix of Equation 16 is full rank. Therefore, the internal state of the secondary battery modeled by the circuit shown in FIG. 1 can be predicted by the sliding mode observer.

참고로, 상기 관측 가능성 행렬은 [C CA CAA]이다.For reference, the observability matrix is [C CA CAA].

여기서, C는

Figure 112006055725880-PAT00133
이고, A는
Figure 112006055725880-PAT00134
이다. Where C is
Figure 112006055725880-PAT00133
And A is
Figure 112006055725880-PAT00134
to be.

본 발명에서, 슬라이딩 모드 관측기의 설계는 상술한 수학식 3 및 5로부터 출발한다. 구체적으로 수학식 3을 수학식 16의

Figure 112006055725880-PAT00135
에 대한 상태 방정식에 적용하면,
Figure 112006055725880-PAT00136
에 대한 슬라이딩 모드 관측기는 하기 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.In the present invention, the design of the sliding mode observer starts from the equations (3) and (5) described above. Specifically, Equation 3 is expressed in Equation 16
Figure 112006055725880-PAT00135
Applying to the state equation for,
Figure 112006055725880-PAT00136
The sliding mode observer for may be represented by Equation 17 below.

Figure 112006055725880-PAT00137
Figure 112006055725880-PAT00137

여기서,

Figure 112006055725880-PAT00138
Figure 112006055725880-PAT00139
의 예측치이고,
Figure 112006055725880-PAT00140
은 정 궤환 이득 상수(positive feedback gain constant)이다. here,
Figure 112006055725880-PAT00138
silver
Figure 112006055725880-PAT00139
Is an estimate of,
Figure 112006055725880-PAT00140
Is the positive feedback gain constant.

시스템 출력에 대한 예측치와 실제치의 오차

Figure 112006055725880-PAT00141
Figure 112006055725880-PAT00142
로 정의하면, 하기 수학식 18과 같은 오차 방정식을 얻을 수 있다.Estimation and Actual Error of System Output
Figure 112006055725880-PAT00141
To
Figure 112006055725880-PAT00142
If defined as, the error equation shown in Equation 18 can be obtained.

Figure 112006055725880-PAT00143
Figure 112006055725880-PAT00143

여기서,

Figure 112006055725880-PAT00144
는 다음과 같다.here,
Figure 112006055725880-PAT00144
Is as follows.

Figure 112006055725880-PAT00145
Figure 112006055725880-PAT00145

상기 수학식 18을 참조하면,

Figure 112006055725880-PAT00146
이 충분히 크면
Figure 112006055725880-PAT00147
에 의해
Figure 112006055725880-PAT00148
의 부호가 결정된다. 그리고
Figure 112006055725880-PAT00149
에 의해
Figure 112006055725880-PAT00150
Figure 112006055725880-PAT00151
의 부호는 항상 반대가 된다. 그 결과,
Figure 112006055725880-PAT00152
값에 상관없이
Figure 112006055725880-PAT00153
에 슬라이딩 모드 운동이 유발됨으로써 일정한 시간이 흐른 뒤에는
Figure 112006055725880-PAT00154
Figure 112006055725880-PAT00155
가 0으로 수렴한다. 여기서, 상기 정 궤 환 이득 상수
Figure 112006055725880-PAT00156
은 시행착오법(trial and error)에 의해 결정된다.Referring to Equation 18,
Figure 112006055725880-PAT00146
If this is big enough
Figure 112006055725880-PAT00147
By
Figure 112006055725880-PAT00148
The sign of is determined. And
Figure 112006055725880-PAT00149
By
Figure 112006055725880-PAT00150
Wow
Figure 112006055725880-PAT00151
Is always reversed. As a result,
Figure 112006055725880-PAT00152
Regardless of the value
Figure 112006055725880-PAT00153
After a certain period of time,
Figure 112006055725880-PAT00154
And
Figure 112006055725880-PAT00155
Converges to zero. Where the positive feedback gain constant
Figure 112006055725880-PAT00156
Is determined by trial and error.

한편, 등가 제어 방법론(equivalent control method)에 의하면, 슬라이딩 모드에서 오차 시스템은

Figure 112006055725880-PAT00157
가 그 등가 치인
Figure 112006055725880-PAT00158
로 치환된 것과 같은 양상을 보인다. 이때,
Figure 112006055725880-PAT00159
는 수학식 18에서
Figure 112006055725880-PAT00160
Figure 112006055725880-PAT00161
가 0이라고 가정하여 구하므로
Figure 112006055725880-PAT00162
Figure 112006055725880-PAT00163
사이에는 하기 수학식 19와 같은 관계가 성립한다.Meanwhile, according to the equivalent control method, the error system in the sliding mode
Figure 112006055725880-PAT00157
That is equally hit
Figure 112006055725880-PAT00158
It shows the same aspect as substituted with. At this time,
Figure 112006055725880-PAT00159
In Equation 18
Figure 112006055725880-PAT00160
And
Figure 112006055725880-PAT00161
Is assumed to be 0, so
Figure 112006055725880-PAT00162
Wow
Figure 112006055725880-PAT00163
The following relationship holds for the following equation (19).

Figure 112006055725880-PAT00164
Figure 112006055725880-PAT00164

상기 수학식 19에 따른 관계식의 유도에 의해 2차 전지의 출력 전압

Figure 112006055725880-PAT00165
에 대한 슬라이딩 모드 관측기의 설계가 완료된다.Output voltage of the secondary battery by derivation of the relationship according to Equation 19
Figure 112006055725880-PAT00165
The design of the sliding mode observer for is completed.

다음으로 SOC

Figure 112006055725880-PAT00166
에 대한 슬라이딩 모드 관측기 설계 방법을 설명한다. Next SOC
Figure 112006055725880-PAT00166
A sliding mode observer design method is described.

구체적으로, 수학식 3을 수학식 16의

Figure 112006055725880-PAT00167
에 대한 상태 방정식에 적용하면,
Figure 112006055725880-PAT00168
에 대한 슬라이딩 모드 관측기는 하기 수학식 20과 같이 나타낼 수 있다.Specifically, Equation 3 is replaced by Equation 16
Figure 112006055725880-PAT00167
Applying to the state equation for,
Figure 112006055725880-PAT00168
The sliding mode observer for may be represented by Equation 20 below.

Figure 112006055725880-PAT00169
Figure 112006055725880-PAT00169

여기서,

Figure 112006055725880-PAT00170
Figure 112006055725880-PAT00171
의 예측치이고,
Figure 112006055725880-PAT00172
정 궤환 이득 상수이다. here,
Figure 112006055725880-PAT00170
silver
Figure 112006055725880-PAT00171
Is an estimate of,
Figure 112006055725880-PAT00172
Positive feedback gain constant.

SOC

Figure 112006055725880-PAT00173
Figure 112006055725880-PAT00174
의 오차
Figure 112006055725880-PAT00175
Figure 112006055725880-PAT00176
를 각각
Figure 112006055725880-PAT00177
Figure 112006055725880-PAT00178
로 정의하면, 하기 수학식 21과 같은 오차 방정식을 얻을 수 있다.SOC
Figure 112006055725880-PAT00173
And
Figure 112006055725880-PAT00174
Error
Figure 112006055725880-PAT00175
And
Figure 112006055725880-PAT00176
Each
Figure 112006055725880-PAT00177
And
Figure 112006055725880-PAT00178
If defined as, an error equation such as the following Equation 21 can be obtained.

Figure 112006055725880-PAT00179
Figure 112006055725880-PAT00179

여기서,

Figure 112006055725880-PAT00180
는 다음과 같다.here,
Figure 112006055725880-PAT00180
Is as follows.

Figure 112006055725880-PAT00181
Figure 112006055725880-PAT00181

한편 개방 회로 전압

Figure 112006055725880-PAT00182
는 비선형적이긴 하지만 대체로 SOC
Figure 112006055725880-PAT00183
에 비례한다. 따라서
Figure 112006055725880-PAT00184
는 하기 수학식 22와 같이 구간 구간 별로
Figure 112006055725880-PAT00185
에 비례한다고 근사할 수 있다.Open circuit voltage
Figure 112006055725880-PAT00182
Is non-linear, but usually SOC
Figure 112006055725880-PAT00183
Proportional to therefore
Figure 112006055725880-PAT00184
Is for each section as shown in Equation 22 below.
Figure 112006055725880-PAT00185
It can be approximated to be proportional to.

Figure 112006055725880-PAT00186
Figure 112006055725880-PAT00186

따라서 상기 수학식 21은 하기 수학식 23과 같이 정리할 수 있다.Therefore, Equation 21 may be arranged as Equation 23 below.

Figure 112006055725880-PAT00187
Figure 112006055725880-PAT00187

상기 수학식 23을 참조하면, 전술한

Figure 112006055725880-PAT00188
의 오차 방정식(수학식 18)과 마찬가지로,
Figure 112006055725880-PAT00189
가 충분히 크면
Figure 112006055725880-PAT00190
Figure 112006055725880-PAT00191
의 부호는 항상 반대가 되므로
Figure 112006055725880-PAT00192
에 슬라이딩 모 드 운동이 유발됨으로써 일정한 시간이 흐른 뒤에는
Figure 112006055725880-PAT00193
Figure 112006055725880-PAT00194
모두가 0으로 수렴한다. 여기서, 상기 정 궤환 이득 상수
Figure 112006055725880-PAT00195
Figure 112006055725880-PAT00196
과 마찬가지로 시행착오법에 의해 결정된다.Referring to Equation 23,
Figure 112006055725880-PAT00188
As with the error equation (Equation 18),
Figure 112006055725880-PAT00189
Is large enough
Figure 112006055725880-PAT00190
And
Figure 112006055725880-PAT00191
Is always reversed.
Figure 112006055725880-PAT00192
After a certain period of time,
Figure 112006055725880-PAT00193
And
Figure 112006055725880-PAT00194
All converge to zero. Where the positive feedback gain constant
Figure 112006055725880-PAT00195
Is
Figure 112006055725880-PAT00196
Similarly, it is determined by the trial and error method.

또한

Figure 112006055725880-PAT00197
에 대한 슬라이딩 모드 관측기의 설계시와 마찬가지로 등가 제어 방법론을 적용하면, 하기 수학식 24와 같은 관계식을 도출할 수 있다.Also
Figure 112006055725880-PAT00197
By applying the equivalent control methodology as in the design of the sliding mode observer for the relation, it is possible to derive the relational expression as shown in Equation (24).

Figure 112006055725880-PAT00198
Figure 112006055725880-PAT00198

상기 수학식 24에 따른 관계식이 도출되면 2차 전지의 SOC

Figure 112006055725880-PAT00199
에 대한 슬라이딩 모드 관측기의 설계가 완료된다. If the relation according to Equation 24 is derived, SOC of the secondary battery
Figure 112006055725880-PAT00199
The design of the sliding mode observer for is completed.

마지막으로, 상술한 과정을 실질적으로 동일하게 적용하여

Figure 112006055725880-PAT00200
에 대한 슬라이딩 모드 관측기와 오차 방정식을 설계하면 하기 수학식 25 및 26과 같다.Finally, apply the above process substantially the same
Figure 112006055725880-PAT00200
When the sliding mode observer and the error equation is designed for Equations 25 and 26.

Figure 112006055725880-PAT00201
Figure 112006055725880-PAT00201

Figure 112006055725880-PAT00202
Figure 112006055725880-PAT00202

상기 수학식 26에서,

Figure 112006055725880-PAT00203
가 충분이 크면
Figure 112006055725880-PAT00204
Figure 112006055725880-PAT00205
의 경우와 마찬가지로, 일 정한 시간이 경과되면
Figure 112006055725880-PAT00206
Figure 112006055725880-PAT00207
는 0으로 수렴한다. 상기 정 궤환 이득 상수
Figure 112006055725880-PAT00208
Figure 112006055725880-PAT00209
와 마찬가지로 시행착오법에 의해 결정된다.In Equation 26,
Figure 112006055725880-PAT00203
Is big enough
Figure 112006055725880-PAT00204
And
Figure 112006055725880-PAT00205
As in the case of,
Figure 112006055725880-PAT00206
And
Figure 112006055725880-PAT00207
Converges to zero. The positive feedback gain constant
Figure 112006055725880-PAT00208
Is
Figure 112006055725880-PAT00209
Similarly, it is determined by the trial and error method.

<슬라이딩 Sliding 모드mode 관측기의 구성 및 동작> Configuration and Operation of Observer>

본 발명에 따른 슬라이딩 모드 관측기는 도 2에 도시된 바와 같이 2차 전지와 전기적으로 결합되는 하드웨어 모듈로 구현된다.The sliding mode observer according to the present invention is implemented as a hardware module electrically coupled with the secondary battery as shown in FIG. 2.

도면을 참조하면, 슬라이딩 모드 관측기(100)는 전류 센서(110), 전압 센서(120), 마이크로프로세서(130), 메모리(140), 저장매체(150), A/D 컨버터(160) 및 I/O 인터페이스(170)를 포함한다.Referring to the drawings, the sliding mode observer 100 includes a current sensor 110, a voltage sensor 120, a microprocessor 130, a memory 140, a storage medium 150, an A / D converter 160 and I. / O interface 170 is included.

상기 전류 센서(110)는 2차 전지(B)로 입력되는 전류(I)를 측정하여 아날로그 신호의 형태로 A/D 컨버터(160)에 입력한다. 상기 전압 센서(120)는 2차 전지(B)의 출력 전압(Vt)을 측정하여 아날로그 신호 형태로 A/D 컨버터(160)에 입력한다. 그러면 A/D 컨버터(160)는 입력된 아날로그 전압 및 전류 신호를 디지털 신호로 변환하여 마이크로프로세서(130)로 입력한다.The current sensor 110 measures the current I input to the secondary battery B and inputs it to the A / D converter 160 in the form of an analog signal. The voltage sensor 120 measures the output voltage V t of the secondary battery B and inputs it to the A / D converter 160 in the form of an analog signal. The A / D converter 160 then converts the input analog voltage and current signals into digital signals and inputs them to the microprocessor 130.

상기 저장매체(150)는, 2차 전지(B)의 상태 방정식에서 사용되는 파라미터인

Figure 112006055725880-PAT00210
,
Figure 112006055725880-PAT00211
,
Figure 112006055725880-PAT00212
,
Figure 112006055725880-PAT00213
,
Figure 112006055725880-PAT00214
,
Figure 112006055725880-PAT00215
,
Figure 112006055725880-PAT00216
와, 이들 파라미터 계산에 사용되는 RC 성분인
Figure 112006055725880-PAT00217
,
Figure 112006055725880-PAT00218
,
Figure 112006055725880-PAT00219
,
Figure 112006055725880-PAT00220
,
Figure 112006055725880-PAT00221
와, 상태 방정식의 정 궤환 이득 상수
Figure 112006055725880-PAT00222
,
Figure 112006055725880-PAT00223
Figure 112006055725880-PAT00224
와, 정 전압 방전 실험을 통하여 획득한 개방 회로 전압별 SOC 값을 수록하고 있는 테이블과, 상기 파라미터; 상기 정 궤환 이득 상수; 상기 개방 회로 전압별 SOC 테이블; 상기 전류 센서(110) 및 전압 센서(120)에 의해 수집되는 2차 전지(B)의 입력 전 류(I) 및 출력 전압(Vt)을 이용하여 주기적으로 SOC의 예측치
Figure 112006055725880-PAT00225
를 출력하는 SOC 예측 프로그램이 수록되어 있다. 상기 저장매체는 불활성 메모리인 것이 바람직하고, 예컨대 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM 등이 채용될 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.The storage medium 150 is a parameter used in the state equation of the secondary battery B.
Figure 112006055725880-PAT00210
,
Figure 112006055725880-PAT00211
,
Figure 112006055725880-PAT00212
,
Figure 112006055725880-PAT00213
,
Figure 112006055725880-PAT00214
,
Figure 112006055725880-PAT00215
,
Figure 112006055725880-PAT00216
And the RC component used to calculate these parameters
Figure 112006055725880-PAT00217
,
Figure 112006055725880-PAT00218
,
Figure 112006055725880-PAT00219
,
Figure 112006055725880-PAT00220
,
Figure 112006055725880-PAT00221
And the positive feedback gain constant of the state equation
Figure 112006055725880-PAT00222
,
Figure 112006055725880-PAT00223
And
Figure 112006055725880-PAT00224
And a table for storing SOC values for each open circuit voltage obtained through the constant voltage discharge experiment, and the parameters; The positive feedback gain constant; An SOC table for each of the open circuit voltages; The prediction value of the SOC periodically using the input current I and the output voltage V t of the secondary battery B collected by the current sensor 110 and the voltage sensor 120.
Figure 112006055725880-PAT00225
The SOC prediction program that outputs is shown. Preferably, the storage medium is an inert memory. For example, a flash memory, a ROM, an EEPROM, or the like may be employed, but the present invention is not limited thereto.

마이크로프로세서(130)는 슬라이딩 모드 관측기(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 마이크로프로세서(130)는 전원이 인가되면 슬라이딩 모드 관측기(100)의 초기화를 진행하기 위해 저장매체(150)에 수록된 상기 SOC 예측 프로그램을 실행하는 한편, 2차 전지 상태 방정식(수학식 16 참조)의 파라미터 값과 정 궤환 이득 상수를 메모리(140)에 로드하고 A/D 컨버터(160)로부터 입력되는 초기 전류 및 전압 데이터를 메모리(140)에 저장한다. The microprocessor 130 controls the overall operation of the sliding mode observer 100. The microprocessor 130 executes the SOC prediction program contained in the storage medium 150 in order to proceed with the initialization of the sliding mode observer 100 when power is applied, while the secondary battery state equation (see Equation 16) The parameter value and the positive feedback gain constant are loaded into the memory 140 and the initial current and voltage data input from the A / D converter 160 are stored in the memory 140.

여기서, 초기 전류 및 전압이라 함은 슬라이딩 모드 관측기(100)가 탑재된 차량에 시동이 걸리기 직전(점화가 시작되기 전)에 측정된 전류 및 전압 레벨을 의미한다. 따라서 상기 초기 전류는 0이고, 상기 초기 전압은 2차 전지(B)의 충전량에 따라 소정의 값을 갖는다. 이때 상기 초기 전압은 편의상 2차 전지(B)의 초기 개방 회로 전압으로 간주한다.Here, the initial currents and voltages refer to currents and voltage levels measured just before starting of the vehicle on which the sliding mode observer 100 is mounted (before ignition starts). Therefore, the initial current is 0, and the initial voltage has a predetermined value according to the charge amount of the secondary battery B. In this case, the initial voltage is regarded as an initial open circuit voltage of the secondary battery B for convenience.

한편 마이크로프로세서(130)는 메모리(140)에 저장된 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 참조하여 초기 전압 값에 상응하는 SOC 값을 리드 한다. 그런 다음 주기적으로

Figure 112006055725880-PAT00226
,
Figure 112006055725880-PAT00227
Figure 112006055725880-PAT00228
를 계산하여 메모리(140)에 누적적으로 저장하는 한편, SOC의 예측치
Figure 112006055725880-PAT00229
를 외부로 출력한다. Meanwhile, the microprocessor 130 reads the SOC value corresponding to the initial voltage value by referring to the SOC table for each open circuit voltage stored in the memory 140. Then periodically
Figure 112006055725880-PAT00226
,
Figure 112006055725880-PAT00227
And
Figure 112006055725880-PAT00228
Is calculated and stored cumulatively in the memory 140, while the estimated value of the SOC
Figure 112006055725880-PAT00229
To the outside.

구체적으로, 본 발명에서는 2차 전지(B)의 슬라이딩 모드 관측 방정식인 수학식 17, 20 및 25에 상술한 등가 제어 방법론을 적용하여 슬라이딩 모드 관측 방정식을 하기 수학식 27과 같은 오일러 이산형으로 변환한 후 샘플링 타임 Ts 를 주기로

Figure 112006055725880-PAT00230
,
Figure 112006055725880-PAT00231
Figure 112006055725880-PAT00232
를 계산한다. Specifically, in the present invention, by applying the above-described equivalent control methodology to the equation 17, 20 and 25 of the sliding mode observation equation of the secondary battery (B) to convert the sliding mode observation equation to Euler discrete type as shown in Equation 27 Sampling time T s
Figure 112006055725880-PAT00230
,
Figure 112006055725880-PAT00231
And
Figure 112006055725880-PAT00232
Calculate

본 발명의 실시 예에서, 상기 샘플링 타임 Ts 는 1초이다. 한편 샘플링 타임의 크기, 그리고

Figure 112006055725880-PAT00233
,
Figure 112006055725880-PAT00234
Figure 112006055725880-PAT00235
의 구체적인 계산 방식은 다양하게 변형이 가능하며, 본 발명의 기술적 범위가
Figure 112006055725880-PAT00236
,
Figure 112006055725880-PAT00237
Figure 112006055725880-PAT00238
의 구체적인 계산 방식에 의해 한정되지 않음은 당연하다. In an embodiment of the invention, the sampling time T s Is 1 second. On the other hand, the size of the sampling time,
Figure 112006055725880-PAT00233
,
Figure 112006055725880-PAT00234
And
Figure 112006055725880-PAT00235
The specific calculation method of the can be variously modified, the technical scope of the present invention
Figure 112006055725880-PAT00236
,
Figure 112006055725880-PAT00237
And
Figure 112006055725880-PAT00238
Of course, it is not limited by the specific calculation method of.

Figure 112006055725880-PAT00239
Figure 112006055725880-PAT00239

Figure 112006055725880-PAT00240
Figure 112006055725880-PAT00240

Figure 112006055725880-PAT00241
Figure 112006055725880-PAT00241

상기 마이크로프로세서(130)는 2차 전지(B)의

Figure 112006055725880-PAT00242
,
Figure 112006055725880-PAT00243
Figure 112006055725880-PAT00244
를 계산하기 위해 상기 수학식 27의 초기 조건을 다음과 같이 설정한다.The microprocessor 130 of the secondary battery (B)
Figure 112006055725880-PAT00242
,
Figure 112006055725880-PAT00243
And
Figure 112006055725880-PAT00244
In order to calculate the initial condition of Equation 27 is set as follows.

즉,

Figure 112006055725880-PAT00245
은 차량의 시동 전에 측정된 2차 전지(B)의 초기 전압 레벨로,
Figure 112006055725880-PAT00246
은 차량의 시동 전에 측정된
Figure 112006055725880-PAT00247
를 개방 회로 전압
Figure 112006055725880-PAT00248
로 간주하여 메모 리(140)에 저장된 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 참조하여 얻은 2차 전지(B)의 초기 SOC 값으로,
Figure 112006055725880-PAT00249
은 차량의 시동 전에 흐르는 전류 I가 0이라는 점을 감안하여
Figure 112006055725880-PAT00250
과 동일한 값으로,
Figure 112006055725880-PAT00251
;
Figure 112006055725880-PAT00252
;
Figure 112006055725880-PAT00253
는 계산상의 편의를 위해
Figure 112006055725880-PAT00254
, 0,
Figure 112006055725880-PAT00255
으로 초기 상태를 설정한다. 슬라이딩 모드 관측기의 특성상 초기 조건
Figure 112006055725880-PAT00256
;
Figure 112006055725880-PAT00257
;
Figure 112006055725880-PAT00258
를 위와 같이 설정해도 관측기의 성능에 유의적인 영향을 미치지 않는다.In other words,
Figure 112006055725880-PAT00245
Is the initial voltage level of the secondary battery (B) measured before starting of the vehicle,
Figure 112006055725880-PAT00246
Is measured before the vehicle starts up.
Figure 112006055725880-PAT00247
Open circuit voltage
Figure 112006055725880-PAT00248
As the initial SOC value of the secondary battery B obtained by referring to the SOC table for each open circuit voltage stored in the memory 140,
Figure 112006055725880-PAT00249
Considering that the current I flowing before starting the vehicle is zero.
Figure 112006055725880-PAT00250
Is the same value as
Figure 112006055725880-PAT00251
;
Figure 112006055725880-PAT00252
;
Figure 112006055725880-PAT00253
For convenience of calculation
Figure 112006055725880-PAT00254
, 0,
Figure 112006055725880-PAT00255
Set the initial state with. Initial conditions due to the nature of the sliding mode observer
Figure 112006055725880-PAT00256
;
Figure 112006055725880-PAT00257
;
Figure 112006055725880-PAT00258
Setting as above does not significantly affect the performance of the observer.

초기 상태가 설정되면, 마이크로프로세서(130)는 다음 회차의 샘플링 타임(t=2초)이 도달되기 전에 위와 같은 초기 조건을 상기 수학식 27에 적용하여 t=2초에서의 예측치

Figure 112006055725880-PAT00259
,
Figure 112006055725880-PAT00260
,
Figure 112006055725880-PAT00261
을 계산하여 메모리(140)에 저장하고
Figure 112006055725880-PAT00262
는 I/O 인터페이스(170)를 통해 외부로 출력한다.When the initial state is set, the microprocessor 130 applies the above initial condition to Equation 27 before the next time sampling time (t = 2 seconds) is reached, and estimates at t = 2 seconds.
Figure 112006055725880-PAT00259
,
Figure 112006055725880-PAT00260
,
Figure 112006055725880-PAT00261
Calculate and store in memory 140
Figure 112006055725880-PAT00262
Outputs to the outside through the I / O interface 170.

그 이후, 마이크로프로세서(130)는 다음 회차의 샘플링 타임(t=2초)이 도달되면, 메모리(140)에 저장된

Figure 112006055725880-PAT00263
,
Figure 112006055725880-PAT00264
,
Figure 112006055725880-PAT00265
와 샘플링 타임(t=2초)에서 측정된
Figure 112006055725880-PAT00266
와 I, 개방 회로 전압별 SOC 테이블에서
Figure 112006055725880-PAT00267
에 상응하는
Figure 112006055725880-PAT00268
에 의하여
Figure 112006055725880-PAT00269
,
Figure 112006055725880-PAT00270
,
Figure 112006055725880-PAT00271
을 계산하고 I/O 인터페이스(170)을 통해
Figure 112006055725880-PAT00272
를 외부로 출력한다. After that, the microprocessor 130 stores the memory 140 when the next time sampling time (t = 2 seconds) is reached.
Figure 112006055725880-PAT00263
,
Figure 112006055725880-PAT00264
,
Figure 112006055725880-PAT00265
And measured at sampling time (t = 2 seconds)
Figure 112006055725880-PAT00266
And I, in the SOC table by open circuit voltage
Figure 112006055725880-PAT00267
Equivalent
Figure 112006055725880-PAT00268
By
Figure 112006055725880-PAT00269
,
Figure 112006055725880-PAT00270
,
Figure 112006055725880-PAT00271
Is computed and through the I / O interface 170
Figure 112006055725880-PAT00272
To the outside.

위와 같은 2차 전지(B)의

Figure 112006055725880-PAT00273
,
Figure 112006055725880-PAT00274
Figure 112006055725880-PAT00275
에 대한 계산 과정은 샘플링 주기 Ts가 경과될 때마다 반복적으로 이루어진다. Of the secondary battery (B)
Figure 112006055725880-PAT00273
,
Figure 112006055725880-PAT00274
And
Figure 112006055725880-PAT00275
The calculation process for is repeated every time the sampling period T s has elapsed.

바람직하게, 상기 슬라이딩 모드 관측기(100)를 통해 출력되는 SOC의 예측치

Figure 112006055725880-PAT00276
는 전지 관리 시스템(BMS)에 입력된다. 그러면 전지 관리 시스템(BMS)은 SOC의 예측치
Figure 112006055725880-PAT00277
에 의해 2차 전지(B)의 내부 상태를 판정하고, 만약 충전이 필요한 경우(예컨대
Figure 112006055725880-PAT00278
값이 소정 레벨 이하로 떨어진 경우)는 전정류/정전압 모드에서 2차 전지(B)를 충전시킨다. 전지 관리 시스템(BMS)에 의한 2차 전지 충전 동작은 본 발명이 속한 기술분야에서 널리 알려진 기술이므로 여기에서의 상세한 설명은 생략하기로 한다.Preferably, the predicted value of the SOC output through the sliding mode observer 100
Figure 112006055725880-PAT00276
Is input to the battery management system (BMS). The battery management system (BMS) then estimates the SOC
Figure 112006055725880-PAT00277
Determine the internal state of the secondary battery B, and if charging is necessary (e.g.,
Figure 112006055725880-PAT00278
Value drops below a predetermined level), the secondary battery B is charged in the pre-constant / constant voltage mode. Since the secondary battery charging operation by the battery management system (BMS) is well known in the art to which the present invention pertains, a detailed description thereof will be omitted.

한편 파라미터인

Figure 112006055725880-PAT00279
,
Figure 112006055725880-PAT00280
,
Figure 112006055725880-PAT00281
,
Figure 112006055725880-PAT00282
,
Figure 112006055725880-PAT00283
,
Figure 112006055725880-PAT00284
,
Figure 112006055725880-PAT00285
의 계산을 위해 사용되는 RC 성분
Figure 112006055725880-PAT00286
,
Figure 112006055725880-PAT00287
,
Figure 112006055725880-PAT00288
,
Figure 112006055725880-PAT00289
,
Figure 112006055725880-PAT00290
는 상수일 수도 있지만, 2차 전지(B)의 입력 전류 및/또는 SOC 에 의해 변화될 수도 있다. 이러한 경우, 상기 저장매체(150)는 입력 전류 및/또는 SOC의 변화에 따라 실험적으로 결정된 RC 성분 값들의 테이블을 추가로 수록하고 있을 수 있다. 그러면 마이크로프로세서(130)는 샘플링 시간 Ts가 경과될 때마다 저장매체(150)에 수록된 RC 성분들의 테이블을 참조하여 파라미터
Figure 112006055725880-PAT00291
,
Figure 112006055725880-PAT00292
,
Figure 112006055725880-PAT00293
,
Figure 112006055725880-PAT00294
,
Figure 112006055725880-PAT00295
,
Figure 112006055725880-PAT00296
,
Figure 112006055725880-PAT00297
의 계산을 실시간으로 수행할 수 있다. On the other hand,
Figure 112006055725880-PAT00279
,
Figure 112006055725880-PAT00280
,
Figure 112006055725880-PAT00281
,
Figure 112006055725880-PAT00282
,
Figure 112006055725880-PAT00283
,
Figure 112006055725880-PAT00284
,
Figure 112006055725880-PAT00285
RC component used for calculation of
Figure 112006055725880-PAT00286
,
Figure 112006055725880-PAT00287
,
Figure 112006055725880-PAT00288
,
Figure 112006055725880-PAT00289
,
Figure 112006055725880-PAT00290
May be a constant, but may be changed by the input current and / or SOC of the secondary battery B. In this case, the storage medium 150 may further include a table of RC component values experimentally determined according to the change of the input current and / or SOC. The microprocessor 130 may then refer to the table of RC components contained in the storage medium 150 every time the sampling time T s elapses.
Figure 112006055725880-PAT00291
,
Figure 112006055725880-PAT00292
,
Figure 112006055725880-PAT00293
,
Figure 112006055725880-PAT00294
,
Figure 112006055725880-PAT00295
,
Figure 112006055725880-PAT00296
,
Figure 112006055725880-PAT00297
Can be calculated in real time.

<실험예>Experimental Example

본 발명자는 본 발명에 따라 설계된 슬라이딩 모드 관측기의 성능을 테스트해 보기 위해 도 3에 도시된 바와 같은 2차 전지를 실험대상 전지로 채택하였다. 채택된 2차 전지는 음극 및 양극이 각각 LiMn2O4 및 그라파이트인 리튬-폴리머 2차 전지이며, 전지의 공칭 캐패시티는 5.0Ah, 공칭 전압은 3.8V, 디멘션은 '250 x 125 x 5 [mm]', 전지의 무게는 120 [g] 이었다.The present inventors adopted a secondary battery as shown in FIG. 3 as a test cell to test the performance of the sliding mode observer designed according to the present invention. The secondary battery employed is a lithium-polymer secondary battery with negative and positive electrodes of LiMn 2 O 4 and graphite, respectively, with a nominal capacity of 5.0 Ah, a nominal voltage of 3.8 V, and a dimension of '250 x 125 x 5 [ mm] 'and the weight of the battery was 120 [g].

먼저 슬라이딩 모드 관측기의 파라미터

Figure 112006055725880-PAT00298
,
Figure 112006055725880-PAT00299
,
Figure 112006055725880-PAT00300
,
Figure 112006055725880-PAT00301
,
Figure 112006055725880-PAT00302
,
Figure 112006055725880-PAT00303
,
Figure 112006055725880-PAT00304
를 결정하고 전지의 개방 회로 전압을 SOC의 전 구간(0 ~ 1)에 대해 설정하기 위한 목적으로 2차 전지를 4.2V까지 완충전시킨 후 정 전류 방전 실험을 수행하였다. 정 전류 방전 실험은 180초 동안 5A의 전류를 방전시켰다가 3600초 동안 방전을 휴지하는 과정을 하나의 싸이클로 하여 20회 반복하였다. 참고로, 180초 동안 5A의 전류를 방전시키는 것은 공칭 캐패시티 5.0Ah의 '1-C rate'에 해당한다. 그리고 상기 정 전류 방전 실험에서 5A의 전류가 방전되면 5%의 SOC가 감소된다. 본 발명자는 정 전류 방전 실험에서 전류가 방전되는 동안 1초 주기로 개방 회로 전압을 측정함으로써 도 4에 도시된 바와 같은 SOC 와 개방 회로 전압 간의 상호 관계를 나타내는 그래프를 얻었다. First, the parameters of the sliding mode observer
Figure 112006055725880-PAT00298
,
Figure 112006055725880-PAT00299
,
Figure 112006055725880-PAT00300
,
Figure 112006055725880-PAT00301
,
Figure 112006055725880-PAT00302
,
Figure 112006055725880-PAT00303
,
Figure 112006055725880-PAT00304
After the secondary battery was fully charged to 4.2V for the purpose of determining and setting the open circuit voltage of the battery for the entire interval (0 to 1) of the SOC, a constant current discharge experiment was performed. In the constant current discharge experiment, a cycle of discharging a current of 5A for 180 seconds and stopping a discharge for 3600 seconds was repeated 20 times as one cycle. For reference, discharging a current of 5A for 180 seconds corresponds to a '1-C rate' of nominal capacity 5.0Ah. In the constant current discharge experiment, when the current of 5A is discharged, the SOC of 5% is reduced. In the constant current discharge experiment, the present inventors obtained a graph showing the correlation between the SOC and the open circuit voltage as shown in FIG. 4 by measuring the open circuit voltage at one second intervals during the current discharge.

그런 다음 위와 같은 오프-라인 상태에서의 정 전류 방전 실험을 토대로 본 발명에서 채용한 2차 전지의 모델링 회로에 대한

Figure 112006055725880-PAT00305
,
Figure 112006055725880-PAT00306
,
Figure 112006055725880-PAT00307
,
Figure 112006055725880-PAT00308
Figure 112006055725880-PAT00309
를 계산하였다. 계산된 결과는
Figure 112006055725880-PAT00310
= 17000[F],
Figure 112006055725880-PAT00311
= 200 [F],
Figure 112006055725880-PAT00312
= 0.001 [Ω] 및
Figure 112006055725880-PAT00313
= 0.003 [Ω] 이었고, 전류에 따라 비선형적으로 변화하는
Figure 112006055725880-PAT00314
의 경우는 도 5에 도시된 바와 같았다. 이러한 계산 결과와 도 5에 도시된 그래프를 이용하여 슬라이딩 모드 관측기(100)에 포함된 파라미터
Figure 112006055725880-PAT00315
,
Figure 112006055725880-PAT00316
,
Figure 112006055725880-PAT00317
,
Figure 112006055725880-PAT00318
,
Figure 112006055725880-PAT00319
,
Figure 112006055725880-PAT00320
,
Figure 112006055725880-PAT00321
를 계산하였다. 그런 다음 계산된 파라미터 값, 정 전류 방전 실험을 통하여 획득한 개방 회로 전압별 SOC 값(도 4 참조) 및 전류에 따른
Figure 112006055725880-PAT00322
값을 슬라이딩 모드 관측기의 저장매체에 수록하여 슬라이딩 모드 관측기를 세팅하였다.Then, based on the constant current discharge experiment in the off-line state as described above for the modeling circuit of the secondary battery employed in the present invention
Figure 112006055725880-PAT00305
,
Figure 112006055725880-PAT00306
,
Figure 112006055725880-PAT00307
,
Figure 112006055725880-PAT00308
And
Figure 112006055725880-PAT00309
Was calculated. The calculated result is
Figure 112006055725880-PAT00310
= 17000 [F],
Figure 112006055725880-PAT00311
= 200 [F],
Figure 112006055725880-PAT00312
= 0.001 [kV] and
Figure 112006055725880-PAT00313
= 0.003 [Ω], which varies nonlinearly with current
Figure 112006055725880-PAT00314
The case was as shown in FIG. Parameters included in the sliding mode observer 100 using the calculation result and the graph shown in FIG. 5.
Figure 112006055725880-PAT00315
,
Figure 112006055725880-PAT00316
,
Figure 112006055725880-PAT00317
,
Figure 112006055725880-PAT00318
,
Figure 112006055725880-PAT00319
,
Figure 112006055725880-PAT00320
,
Figure 112006055725880-PAT00321
Was calculated. Then, the calculated parameter value, SOC value for each open circuit voltage obtained through the constant current discharge experiment (see FIG. 4), and the current
Figure 112006055725880-PAT00322
The values were stored in the storage medium of the sliding mode observer to set the sliding mode observer.

슬라이딩 모드 관측기의 세팅이 완료되면, 도 2에 도시된 바와 같이 슬라이딩 모드 관측기를 온라인 모드로 2차 전지에 결합시켰다. 이때 2차 전지는 다시 4.2V 까지 충전시켜 놓은 상태이다. 이러한 온-라인 상태에서 정 전류 방전 실험을 다시 한번 재연하면서 슬라이딩 모드 관측기를 통해 출력되는 SOC의 예측치

Figure 112006055725880-PAT00323
를 수집하였다.Once the setting of the sliding mode observer was completed, the sliding mode observer was coupled to the secondary battery in online mode as shown in FIG. 2. At this time, the secondary battery is charged to 4.2V again. Predict the SOC output through the sliding mode observer while replaying the constant current discharge experiment once again in this on-line state.
Figure 112006055725880-PAT00323
Was collected.

도 6은 상기 온-라인 정 전류 방전 실험에서 측정된 방전 전류, 실제 전지의 출력 전압, 모델링 회로를 통해 예측된 출력 전압 및 출력 전압의 오차를 시간 t에 대하여 플로팅한 그래프이다. 도면을 참조하면, 정 전류 방전 싸이클의 개시와 종료 시점에서 약간의 오차가 발생되는 것을 제외하면 출력 전압의 예측치와 실제치가 실질적으로 동일하다는 것을 알 수 있다. 한편 정 전류 방전 싸이클의 개시와 종료 시점에 오차가 발생되는 이유는 실제 전지의 경우 공칭 캐패시터 Cn이 비선형적 특성을 가지고 있고 저항 성분이 SOC 에 의해 변화되기 때문이다. 6 is a graph plotting the error of the discharge current measured in the on-line constant current discharge experiment, the output voltage of the actual battery, the output voltage and the output voltage predicted through the modeling circuit with respect to time t. Referring to the drawings, it can be seen that the predicted value and the actual value of the output voltage are substantially the same except that a slight error occurs at the start and end points of the constant current discharge cycle. On the other hand, an error occurs at the start and end of the constant current discharge cycle because the nominal capacitor C n has a nonlinear characteristic and the resistance component is changed by SOC in the case of an actual battery.

도 7은 온-라인 상태에서 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 얻은 SOC

Figure 112006055725880-PAT00324
를 시간 t에 대해 플로팅한 그래프이다. 슬라이딩 모드 관측기의 정 궤환 이득 상수 L1, L2 및 L3는 각각 0.02, 0.02 및 0.1로 설정하였다. 도 7을 참조하면, 예측된 전지의 출력 전압은 미세한 채터링을 수반하면서 실제 출력 전압을 정확하게 추종하고 있고, 예측된 SOC 또한 방전 초기와 종료 시점을 제외하면 실제 SOC를 정확하게 추종한다는 것을 확인할 수 있다. 방전 초기 및 종료 시점에서 예측된 SOC와 실제 SOC 간에 오차가 발생되는 이유는 불연속적인 전류의 변화와 이에 따른 파급저항 성분 Rp의 급격한 변화 때문이다. 하지만 본 발명에 따른 슬라이딩 모드 관측기는 짧은 시간 안에 SOC예측치가 실제 SOC를 추종하는 우수한 성능이 있음을 확인할 수 있다.7 is an SOC obtained using a sliding mode observer in an on-line state.
Figure 112006055725880-PAT00324
Is a graph plotted against time t. The positive feedback gain constants L 1 , L 2 and L 3 of the sliding mode observer were set to 0.02, 0.02 and 0.1, respectively. Referring to FIG. 7, it can be seen that the predicted output voltage of the battery accurately follows the actual output voltage with fine chattering, and the predicted SOC also accurately follows the actual SOC except for the discharge start and end points. . The reason for the error between the predicted SOC and the actual SOC at the beginning and end of the discharge is due to the change in the discontinuous current and the sudden change in the ripple component R p . However, it can be seen that the sliding mode observer according to the present invention has excellent performance that the SOC prediction value follows the actual SOC in a short time.

다음으로 본 발명자는 실제 자동차의 주행 상황에서 본 발명에 따른 슬라이딩 모드 관측기의 성능을 규명하기 위해 16 싸이클의 UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule) 실험을 수행하였다. 이때, 각 UDDS 싸이클이 종료되면 5분 동안 40A의 방전 펄스를 슬라이딩 모드 관측기로 입력하였다. 방전 펄스를 입력한 이유는 외부에서 입력되는 잡음이나 외란에 대한 슬라이딩 모드 관측기의 강인성(robustness)을 확인해 보기 위함이다. 본 UDDS 실험은 90% 내지 10%의 SOC 구간에 대해 이루어졌으며, 각 UDDS 싸이클마다 5%의 SOC가 감소되었다.Next, the inventors conducted 16 cycles of Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) experiments in order to investigate the performance of the sliding mode observer according to the present invention in a driving situation of an actual vehicle. At this time, when each UDDS cycle is completed, the discharge pulse of 40A was input to the sliding mode observer for 5 minutes. The reason for entering the discharge pulse is to check the robustness of the sliding mode observer against external noise or disturbance. This UDDS experiment was conducted for 90% to 10% SOC intervals with 5% SOC reduction for each UDDS cycle.

도 8은 UDDS 실험에서 얻은 전체적인 UDDS 싸이클 방전 전류, 전지의 실제 출력 전압과 모델링 회로를 통해 예측된 출력 전압, 실제 출력 전압과 예측 출력 전압의 오차 및 SOC의 예측치를 시간 t에 대하여 플로팅한 그래프이고, 도 9는 한 싸이클의 UDDS 방전 전류, 실제 출력 전압 및 예측된 출력 전압을 확대하여 도시한 그래프이다. 도면들을 참조하면, SOC의 20% 내지 80% 구간에서 출력 전압의 오차가 20mV 미만임을 확인할 수 있으며, 실제적인 드라이빙 상황에서도 예측 출력 전압이 실제 출력 전압을 상당히 정확하게 추종하고 있는 것을 확인할 수 있다.8 is a graph plotting the overall UDDS cycle discharge current obtained in the UDDS experiment, the output voltage predicted through the battery's actual output voltage and the modeling circuit, the error between the actual output voltage and the predicted output voltage, and the SOC's prediction with respect to time t. 9 is an enlarged graph of the UDDS discharge current, the actual output voltage, and the predicted output voltage of one cycle. Referring to the drawings, it can be seen that the error of the output voltage is less than 20mV in the 20% to 80% section of the SOC, and it can be seen that the predicted output voltage follows the actual output voltage fairly accurately even in the actual driving situation.

도 10은 UDDS 전체 싸이클에 대하여 획득한 SOC의 실제치와 예측치, 그리고 SOC의 오차를 시간 t에 대하여 플로팅한 그래프이고, 도 11은 도 10의 일 부분을 확대하여 도시한 것이다. 도면을 참조하면, SOC의 예측치가 그리는 궤적은 일정한 상한과 하한을 가지는 미세한 채터링을 수반하면서 SOC의 실제치를 추종하는 것을 알 수 있고, SOC의 예측치 평균은 실제치와 실질적으로 동일하다는 것을 알 수 있다. 한편, 상기 채터링은 슬라이딩 모드 관측기의 설계시 시그넘 함수를 포화 함수로 대체하면 어느 정도 평활할 수 있다.FIG. 10 is a graph in which the actual and predicted values of SOC obtained for the entire UDDS cycle and the SOC errors are plotted against time t. FIG. 11 is an enlarged view of a portion of FIG. 10. Referring to the drawings, it can be seen that the trajectory of the SOC prediction value follows the actual value of the SOC with fine chattering having a constant upper limit and lower limit, and the average of the predicted value of the SOC is substantially the same as the actual value. . On the other hand, the chattering may be smooth to some extent by replacing the signum function with the saturation function in the design of the sliding mode observer.

상술한 실험 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 슬라이딩 모드 관측기는 비교적 간단한 RC 회로 모델링에 기초하여 설계되었더라도 실제 SOC를 정확하게 추종하는 성능을 가지고 있으므로 하이브리드 전기 자동차 등에 직접적으로 탑재되어 높은 성능을 발휘할 수 있다.As can be seen from the above-described experimental results, the sliding mode observer according to the present invention has a performance of accurately following the actual SOC even though it is designed based on a relatively simple RC circuit modeling. Can be exercised.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.

본 발명의 일 측면에 따르면, 외란이나 파라미터 변화에 대하여 강인성을 갖는 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 2차 전지의 SOC를 예측한다. 따라서 2차 전지의 상수값이 변화되거나 2차 전지의 입력 전류 및/또는 출력 전압에 대한 측정값에 다소 오차가 있더라도 SOC를 정확하게 예측할 수 있다. According to an aspect of the present invention, the SOC of the secondary battery is predicted using a sliding mode observer having robustness against disturbance or parameter change. Therefore, the SOC can be accurately predicted even if the constant value of the secondary battery changes or there is a slight error in the measured value of the input current and / or output voltage of the secondary battery.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 2차 전지를 모델링하기 위해 간단한 RC 모델링 회로를 사용하였으므로, 종래의 신경망 회로를 이용한 기술 등에 비해 2차 전지의 SOC를 예측하기 위한 계산 과정을 단순화시킬 수 있다. 따라서 동일한 하드웨어 사양 대비 고성능의 슬라이딩 모드 관측기를 구현할 수 있다. According to another aspect of the present invention, since a simple RC modeling circuit is used to model the secondary battery, it is possible to simplify the calculation process for predicting the SOC of the secondary battery compared to a technique using a conventional neural network circuit. This allows the implementation of a high performance sliding mode observer against the same hardware specifications.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 3% 이내의 오차 범위 내에서 SOC를 예측할 수 있으므로 하이브리드 전기 자동차 등에 곧 바로 상용화될 수 있다. According to another aspect of the present invention, since the SOC can be predicted within an error range of 3% or less, it may be immediately commercialized in a hybrid electric vehicle.

Claims (17)

2차 전지의 개방 회로 전압(Voc(Z)), 전지의 분극 효과에 의한 캐패시터 성분(Cp) 및 전지 내부의 저항 성분을 고려한 RC 회로 모델링에 의해 유도된 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 각 상태 방정식의 파라미터; 상기 각 상태 방정식을 토대로 슬라이딩 모드 디자인된 관측기의 정 궤환 이득 상수; 개방 회로 전압별 SOC 테이블; 및 상기 관측기에 기초하여 Vt, Vp 및 Z의 예측치
Figure 112006055725880-PAT00325
,
Figure 112006055725880-PAT00326
Figure 112006055725880-PAT00327
를 계산하는 수학적 알고리즘을 포함하는 2차 전지 상태 예측 프로그램;을 수록하고 있는 저장매체;
Secondary battery output voltage (V t) induced by RC circuit modeling considering the open circuit voltage (V oc (Z)) of the secondary battery, the capacitor component (C p ) due to the polarization effect of the battery, and the resistance component inside the battery. ), The parameters of each state equation for the capacitor across voltage (V p ) and SOC (Z); A positive feedback gain constant of the observer designed in sliding mode based on each state equation; Open circuit voltage-specific SOC tables; And estimates of V t , V p, and Z based on the observer
Figure 112006055725880-PAT00325
,
Figure 112006055725880-PAT00326
And
Figure 112006055725880-PAT00327
A secondary battery state prediction program comprising a mathematical algorithm for calculating a; storage medium containing;
샘플링 타임 t에서 이차 전지의 입력 전류(I)와 출력 전압(Vt)을 측정하여 출력하는 전류/전압 검지 수단; 및Current / voltage detecting means for outputting the sampling time t by measuring the input current (I) and output voltage (V t) of the secondary battery; And 상기 저장매체로부터 상기 2차 전지 상태 예측 프로그램, 상기 파라미터, 상기 정 궤환 이득 상수 및 상기 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 메모리에 로드하는 한편, 상기 전류/전압 검지 수단으로부터 출력된 이차 전지의 입력 전류 및 출력 전압을 입력받아 상기 로드된 프로그램의 수학적 알고리즘에 따라 상기 파라미터, 정 궤환 이득 상수 및 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 이용하여 2차 전지의 SOC 예측치
Figure 112006055725880-PAT00328
를 계산하여 출력하는 마이크로프로세서;를 포함하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 장치.
The secondary battery state prediction program, the parameter, the positive feedback gain constant, and the open circuit voltage-specific SOC table are loaded from the storage medium into the memory, and the input current of the secondary battery output from the current / voltage detection means and The SOC prediction value of the secondary battery using the SOC table according to the parameter, the positive feedback gain constant, and the open circuit voltage according to the output algorithm after receiving the output voltage.
Figure 112006055725880-PAT00328
SOC prediction apparatus of a secondary battery using a sliding mode observer comprising a; microprocessor for calculating and outputting.
제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 저항 성분은 파급 저항 성분 Rb, 확산 저항 성분 Rp 및 오믹 저항 성분 Rt를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 장치.The resistance component comprises a ripple resistance component R b , a diffusion resistance component R p and an ohmic resistance component R t SOC prediction apparatus of a secondary battery using a sliding mode observer. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 각 상태 방정식은 다음의 수학식에 의해 표현되고,Each state equation for the secondary battery output voltage (V t ), the voltage across the capacitor (V p ) and SOC (Z) is represented by the following equation,
Figure 112006055725880-PAT00329
Figure 112006055725880-PAT00329
상기 저장매체에 수록된 파라미터는 상기 상태 방정식의 계수
Figure 112006055725880-PAT00330
,
Figure 112006055725880-PAT00331
,
Figure 112006055725880-PAT00332
,
Figure 112006055725880-PAT00333
,
Figure 112006055725880-PAT00334
,
Figure 112006055725880-PAT00335
,
Figure 112006055725880-PAT00336
로서,
The parameters contained in the storage medium are coefficients of the state equation.
Figure 112006055725880-PAT00330
,
Figure 112006055725880-PAT00331
,
Figure 112006055725880-PAT00332
,
Figure 112006055725880-PAT00333
,
Figure 112006055725880-PAT00334
,
Figure 112006055725880-PAT00335
,
Figure 112006055725880-PAT00336
as,
Figure 112006055725880-PAT00337
Figure 112006055725880-PAT00337
Figure 112006055725880-PAT00338
Figure 112006055725880-PAT00338
Figure 112006055725880-PAT00339
Figure 112006055725880-PAT00339
Figure 112006055725880-PAT00340
Figure 112006055725880-PAT00340
Figure 112006055725880-PAT00341
Figure 112006055725880-PAT00341
Figure 112006055725880-PAT00342
Figure 112006055725880-PAT00342
Figure 112006055725880-PAT00343
Figure 112006055725880-PAT00343
인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 장치.SOC prediction device for a secondary battery using a sliding mode observer, characterized in that.
제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 슬라이딩 모드 관측기는 다음의 수학식에 의해 표현되고,The sliding mode observer for the secondary battery output voltage (V t ), the voltage across the capacitor (V p ) and SOC (Z) is represented by the following equation,
Figure 112006055725880-PAT00344
Figure 112006055725880-PAT00344
Figure 112006055725880-PAT00345
Figure 112006055725880-PAT00345
Figure 112006055725880-PAT00346
Figure 112006055725880-PAT00346
상기 저장매체에 수록된 정 궤환 이득 상수는 상기 관측기 수식의
Figure 112006055725880-PAT00347
,
Figure 112006055725880-PAT00348
Figure 112006055725880-PAT00349
인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 장치.
The positive feedback gain constant contained in the storage medium is
Figure 112006055725880-PAT00347
,
Figure 112006055725880-PAT00348
And
Figure 112006055725880-PAT00349
SOC prediction device for a secondary battery using a sliding mode observer, characterized in that.
제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 마이크로프로세서는 상기 슬라이딩 모드 관측기의 수식을 오일러 이산 식으로 변환한 다음의 수학식에 의해 Vt, Vp 및 Z의 예측치
Figure 112006055725880-PAT00350
,
Figure 112006055725880-PAT00351
Figure 112006055725880-PAT00352
를 계산하고,
The microprocessor converts the equation of the sliding mode observer into Euler discrete equation and then estimates V t , V p and Z by the following equation.
Figure 112006055725880-PAT00350
,
Figure 112006055725880-PAT00351
And
Figure 112006055725880-PAT00352
And calculate
Figure 112006055725880-PAT00353
Figure 112006055725880-PAT00353
Figure 112006055725880-PAT00354
Figure 112006055725880-PAT00354
Figure 112006055725880-PAT00355
Figure 112006055725880-PAT00355
상기 Ts는 2차 전지의 입력 전압(I) 및 출력 전압(Vt)에 대한 샘플링 주기이 고, K는 샘플링이 이루어지는 회차(K≥1)인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 장치.The secondary battery using the sliding mode observer, wherein T s is a sampling period for the input voltage (I) and output voltage (V t ) of the secondary battery, and K is a cycle (K≥1) at which sampling is performed. SOC prediction device.
제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 SOC 예측치 는 전지 관리 시스템(BMS)에 입력되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 장치.The SOC prediction SOC prediction apparatus for a secondary battery using a sliding mode observer, characterized in that input to a battery management system (BMS). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 SOC 예측치
Figure 112006055725880-PAT00357
와 실제치
Figure 112006055725880-PAT00358
사이의 오차가 3% 이내인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 장치.
The SOC prediction
Figure 112006055725880-PAT00357
And actual value
Figure 112006055725880-PAT00358
SOC prediction device of a secondary battery using a sliding mode observer, characterized in that the error between the 3%.
제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 저장매체는 RC 모델링 회로에 포함된 캐패시터 성분값 및 저항 성분값을 더 수록하고 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 장치.The storage medium further includes a capacitor component value and a resistance component value included in the RC modeling circuit, SOC prediction apparatus of a secondary battery using a sliding mode observer. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 저장매체는 2차 전지의 입력 전류 크기에 따른 캐패시터 성분값 리스트 및 저항 성분값 리스트를 더 수록하고 있고,The storage medium further includes a capacitor component value list and a resistance component value list according to the input current magnitude of the secondary battery. 상기 마이크로프로세서는 2차 전지의 입력 전류가 검지되는 시점 t에서 검지된 입력 전류의 크기에 따른 캐패시터 성분값 및 저항 성분값을 상기 리스트로부터 리드하여 상기 파라미터를 실시간으로 계산하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 장치.The microprocessor reads from the list a capacitor component value and a resistance component value corresponding to the magnitude of the detected input current at the time t when the input current of the secondary battery is detected, and calculates the parameter in real time. SOC prediction device for a secondary battery using an observer. 2차 전지의 개방 회로 전압(Voc(Z)), 전지의 분극 효과에 의한 캐패시터 성분(Cp) 및 전지 내부의 저항 성분을 고려한 RC 회로 모델링에 의해 유도된 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 각 상태 방정식의 파라미터; 상기 각 상태 방정식을 토대로 슬라이딩 모드 디자인된 관측기의 정 궤환 이득 상수; 개방 회로 전압별 SOC 테이블; 및 상기 관측기에 기초하여 Vt, Vp 및 Z의 예측치
Figure 112006055725880-PAT00359
,
Figure 112006055725880-PAT00360
Figure 112006055725880-PAT00361
를 계산하는 2차 전지 상태 예측 프로그램;을 수록한 저장매체를 이용하여 마이크로프로세서가 2차 전지의 SOC를 예측하는 방법에 있어서,
Secondary battery output voltage (V t) induced by RC circuit modeling considering the open circuit voltage (V oc (Z)) of the secondary battery, the capacitor component (C p ) due to the polarization effect of the battery, and the resistance component inside the battery. ), The parameters of each state equation for the capacitor across voltage (V p ) and SOC (Z); A positive feedback gain constant of the observer designed in sliding mode based on each state equation; Open circuit voltage-specific SOC tables; And estimates of V t , V p, and Z based on the observer
Figure 112006055725880-PAT00359
,
Figure 112006055725880-PAT00360
And
Figure 112006055725880-PAT00361
In the method for predicting the SOC of a secondary battery using a storage medium containing a secondary battery state prediction program for calculating a;
(a) 상기 저장매체로부터 상기 프로그램, 파라미터, 정 궤환 이득 상수 및 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 메모리에 로드하는 단계;(a) loading an SOC table for each program, parameter, positive feedback gain constant, and open circuit voltage from the storage medium into a memory; (b) 샘플링 타임 t에서 전류/전압 검지 수단으로부터 이차 전지의 입력 전류(I)와 출력 전압(Vt)을 입력받는 단계; 및(b) receiving the input current I and the output voltage V t of the secondary battery from the current / voltage detection means at the sampling time t; And (c) 로드된 파라미터 및 정 궤환 이득 상수에 의해 상기 관측기의 방정식을 확립하고, 입력 전류(I) 및 출력 전압(Vt)과 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 이용하 여 2차 전지의 SOC 예측치
Figure 112006055725880-PAT00362
를 계산하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 방법.
(c) The equation of the observer is established by the loaded parameters and the positive feedback gain constant, and the SOC prediction value of the secondary battery using the SOC table for each input current (I) and output voltage (V t ) and open circuit voltage.
Figure 112006055725880-PAT00362
Computing and outputting; SOC prediction method of a secondary battery using a sliding mode observer comprising a.
제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 저항 성분은 파급 저항 성분 Rb, 확산 저항 성분 Rp 및 오믹 저항 성분 Rt를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 방법.The resistance component comprises a ripple resistance component R b , a diffusion resistance component R p and an ohmic resistance component R t SOC prediction method of a secondary battery using a sliding mode observer. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 각 상태 방정식은 다음의 수학식에 의해 표현되고,Each state equation for the secondary battery output voltage (V t ), the voltage across the capacitor (V p ) and SOC (Z) is represented by the following equation,
Figure 112006055725880-PAT00363
Figure 112006055725880-PAT00363
상기 저장매체에 수록된 파라미터는 상기 상태 방정식의 계수인
Figure 112006055725880-PAT00364
,
Figure 112006055725880-PAT00365
,
Figure 112006055725880-PAT00366
,
Figure 112006055725880-PAT00367
,
Figure 112006055725880-PAT00368
,
Figure 112006055725880-PAT00369
,
Figure 112006055725880-PAT00370
로서,
The parameter contained in the storage medium is a coefficient of the state equation.
Figure 112006055725880-PAT00364
,
Figure 112006055725880-PAT00365
,
Figure 112006055725880-PAT00366
,
Figure 112006055725880-PAT00367
,
Figure 112006055725880-PAT00368
,
Figure 112006055725880-PAT00369
,
Figure 112006055725880-PAT00370
as,
Figure 112006055725880-PAT00371
Figure 112006055725880-PAT00371
Figure 112006055725880-PAT00372
Figure 112006055725880-PAT00372
Figure 112006055725880-PAT00373
Figure 112006055725880-PAT00373
Figure 112006055725880-PAT00374
Figure 112006055725880-PAT00374
Figure 112006055725880-PAT00375
Figure 112006055725880-PAT00375
Figure 112006055725880-PAT00376
Figure 112006055725880-PAT00376
Figure 112006055725880-PAT00377
Figure 112006055725880-PAT00377
인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 방법.SOC prediction method of a secondary battery using a sliding mode observer, characterized in that.
제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 슬 라이딩 모드 관측기는 다음의 수학식에 의해 표현되고,The sliding mode observer for the secondary battery output voltage (V t ), the voltage across the capacitor (V p ) and SOC (Z) is represented by the following equation,
Figure 112006055725880-PAT00378
Figure 112006055725880-PAT00378
Figure 112006055725880-PAT00379
Figure 112006055725880-PAT00379
Figure 112006055725880-PAT00380
Figure 112006055725880-PAT00380
상기 저장매체에 수록되는 정 궤환 이득 상수는 상기 슬라이딩 모드 관측기 수식의
Figure 112006055725880-PAT00381
,
Figure 112006055725880-PAT00382
Figure 112006055725880-PAT00383
인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 방법.
The positive feedback gain constant stored in the storage medium is defined by the sliding mode observer equation.
Figure 112006055725880-PAT00381
,
Figure 112006055725880-PAT00382
And
Figure 112006055725880-PAT00383
SOC prediction method of a secondary battery using a sliding mode observer, characterized in that.
제13항에 있어서, 상기 (c) 단계는,The method of claim 13, wherein step (c) comprises: (c1) 상기 저장매체에 수록된 파라미터와 정 궤환 이득 상수를 하기 수학식에 대입함으로써 2차 전지의 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)의 예측치
Figure 112006055725880-PAT00384
,
Figure 112006055725880-PAT00385
Figure 112006055725880-PAT00386
의 계산을 위한 수학적 알고리즘을 확립하는 단계; 및
(c1) Estimates of the output voltage (V t ), the voltage across the capacitor (V p ), and the SOC (Z) of the secondary battery by substituting the parameters and positive feedback gain constants stored in the storage medium into the following equation.
Figure 112006055725880-PAT00384
,
Figure 112006055725880-PAT00385
And
Figure 112006055725880-PAT00386
Establishing a mathematical algorithm for the calculation of; And
Figure 112006055725880-PAT00387
Figure 112006055725880-PAT00387
Figure 112006055725880-PAT00388
Figure 112006055725880-PAT00388
Figure 112006055725880-PAT00389
Figure 112006055725880-PAT00389
(c2) 샘플링 시간 t 에 입력된 입력 전압(I) 및 출력 전압(Vt)와, 개방 회로 전압별 SOC 테이블에 수록된 시간 t에서의 개방 회로 전압 및 SOC를 상기 이산 식에 대입하여 2차 전지의 출력 전압, 캐패시터의 양단 전압 및 SOC의 예측치
Figure 112006055725880-PAT00390
,
Figure 112006055725880-PAT00391
Figure 112006055725880-PAT00392
를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 방법.
(c2) The secondary battery is substituted with the input voltage (I) and output voltage (V t ) input at the sampling time t, and the open circuit voltage and SOC at the time t contained in the SOC table for each open circuit voltage in the discrete equation. Output voltage, the voltage across the capacitor and the estimated SOC
Figure 112006055725880-PAT00390
,
Figure 112006055725880-PAT00391
And
Figure 112006055725880-PAT00392
Computing; SOC prediction method of a secondary battery using a sliding mode observer comprising a.
제10항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,The method of claim 10, wherein in step (c), 상기 계산된 SOC 예측치는 전지 관리 시스템(BMS)에 입력되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 방법.The calculated SOC prediction value is input to a battery management system (BMS) SOC prediction method of a secondary battery using a sliding mode observer, characterized in that. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 SOC 예측치
Figure 112006055725880-PAT00393
와 실제치
Figure 112006055725880-PAT00394
사이의 오차가 3% 이내인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 방법.
The SOC prediction
Figure 112006055725880-PAT00393
And actual value
Figure 112006055725880-PAT00394
SOC prediction method of a secondary battery using a sliding mode observer, characterized in that the error between within 3%.
제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 저장매체는 2차 전지의 입력 전류 크기에 따른 캐패시터 성분값 리스트 및 저항 성분값 리스트를 더 수록하고 있고,The storage medium further includes a capacitor component value list and a resistance component value list according to the input current magnitude of the secondary battery. 상기 (c) 단계는, 2차 전지의 입력 전류가 검지되는 시점 t에서 검지된 입력 전류의 크기에 따른 캐패시터 성분값 및 저항 성분값을 상기 리스트로부터 리드하여 상기 파라미터를 실시간으로 계산하는 단계;를 더 포함하고,The step (c) may include: calculating the parameter in real time by reading a capacitor component value and a resistance component value corresponding to the magnitude of the detected input current at the time t when the input current of the secondary battery is detected; Including more, 상기 (c) 단계에서, 수학적 알고리즘의 확립시 사용되는 파라미터는 상기 실시간으로 계산된 파라미터인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 2차 전지의 SOC 예측 방법.In the step (c), the parameter used in the establishment of the mathematical algorithm is a SOC prediction method of a secondary battery using a sliding mode observer, characterized in that the parameter calculated in real time.
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