KR101329915B1 - Maximum available power estimation technique of the hev lithium battery during on line driving situation and the apparatus thereof - Google Patents

Maximum available power estimation technique of the hev lithium battery during on line driving situation and the apparatus thereof Download PDF

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Abstract

하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명은 자동차 주행 중에도 입력되는 배터리 전압, 전류, 온도 정보를 이용하여 단기 비선형 관측기에서 충전량(

Figure 112011085038437-pat00343
)을 산출하고, 장기 비선형 관측기에서 저항
Figure 112011085038437-pat00344
를 산출한 다음 최대 출력을 산출하기 때문에 주행 중에도 최대 출력 파워를 정밀하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라 배터리의 노화나 파라미터 변화에 대해서도 고정밀도의 제어 성능을 보여줄 수 있는 효과가 있다.Disclosed are a method and an apparatus for predicting maximum output power while driving a battery for a hybrid electric vehicle. According to the present invention, the amount of charge in a short-term nonlinear observer using information of battery voltage, current, and temperature input even while driving a vehicle (
Figure 112011085038437-pat00343
) And resistance in long-term nonlinear observers
Figure 112011085038437-pat00344
Since the maximum output power is calculated, the maximum output power can be precisely measured even while driving, and high accuracy control performance can be shown even with aging or parameter change of the battery.

Description

하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 방법 및 장치{MAXIMUM AVAILABLE POWER ESTIMATION TECHNIQUE OF THE HEV LITHIUM BATTERY DURING ON LINE DRIVING SITUATION AND THE APPARATUS THEREOF}MAXIMUM AVAILABLE POWER ESTIMATION TECHNIQUE OF THE HEV LITHIUM BATTERY DURING ON LINE DRIVING SITUATION AND THE APPARATUS THEREOF}

본 발명은 하이브리드 전기 자동차(HEV)용 배터리의 최대 출력을 추정하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량에 장착되는 배터리의 최대출력에 영향을 미치는 여러 가지 환경 변수에 따른 최대 출력 파워를 주행 중에도 정확하게 추정하여 자동차의 성능과 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 추정 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for estimating the maximum output power of a battery for a hybrid electric vehicle (HEV), and more particularly, the maximum output power according to various environmental variables affecting the maximum output power of a battery mounted in a vehicle. The present invention relates to a method of estimating the maximum output power during driving of a hybrid electric vehicle battery that can accurately estimate and improve a vehicle's performance and fuel economy.

전기 자동차는 구동 연료로서 일반적으로 2차 전지인 리튬-이온 전지를 사용하고 있으며, 상기 전지에서 출력되는 전원으로 동력 발생 장치를 구동시키고, 이를 동력 전달 장치를 통해 구동휠로 전달하여 구동휠을 회전시킴으로써 자동차를 구동시키게 된다.2. Description of the Related Art [0002] An electric vehicle uses a lithium-ion battery, which is a secondary battery, as a driving fuel, drives a power generating device by a power source output from the battery, transmits it to a driving wheel through a power transmitting device, Thereby driving the automobile.

2차 전지는 방전이 진행됨에 따라 양극과 음극 간의 단자 전압은 점차 감소하다가 어느 한도에 이르게 되면, 급격히 저하하여 방전 종지 전압에 이르게 되며, 그 이후부터는 방전 능력이 없어진다. 방전 종지 전압 이하에서까지 방전하게 되면, 전해액과 화학적 반응을 일으켜 전류를 생성하는 극판이 손상되어, 축전지로서의 기능이 상실된다.In the secondary battery, as the discharge proceeds, the terminal voltage between the positive electrode and the negative electrode gradually decreases and reaches a certain limit, and then rapidly decreases to reach the discharge end voltage, and thereafter, the discharge capacity is lost. When discharge is performed up to the discharge termination voltage, the electrode plate which causes a chemical reaction with the electrolytic solution and generates a current is damaged, and the function as a storage battery is lost.

따라서, 전기 자동차는 배터리에 충전되어 있는 용량만큼 주행할 수 있고, 주행 중 구동휠의 회전력을 역이용하여 발전을 한 후 다시 재충전시키면서 사용할 수 있도록 하고 있으며, 배터리가 완전히 방전될 정도까지 차를 운행하다 주행 중 정지하게 되면, 재충전에 어려움이 있어 곤란하므로 주행 중 배터리의 잔존 용량(SOC; State of Charge)을 정확하게 파악하는 것이 중요하다. Accordingly, the electric vehicle can travel as much as the capacity charged in the battery. The electric vehicle can be used while reversing the power generated by reversing the rotational power of the driving wheel during driving, and the vehicle is operated until the battery is completely discharged It is difficult to recharge the battery, so it is important to accurately grasp the state of charge (SOC) of the battery during running.

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.

일반적으로, 하이브리드 차량에 적용된 배터리는 차량의 운행시 빈번히 발생하는 급가속 및 급감속에 의해 급격한 충방전을 겪게 된다. 이와 같은 급격한 충방전에 의해 배터리의 충전 상태와 최대 출력은 변화율이 큰 동적인 거동을 나타낸다. 또한, 배터리의 최대 출력은 온도에 따라 큰 변화를 나타낸다. 이러한 여러 가지 변수로 인해, 차량의 운행 중에 배터리의 최대 출력을 정확히 예측하는 것은 매우 어렵게 된다.In general, a battery applied to a hybrid vehicle undergoes rapid charging and discharging due to rapid acceleration and sudden deceleration that frequently occur when the vehicle is driven. Due to such rapid charging and discharging, the state of charge and the maximum output of the battery show a dynamic behavior with a large change rate. In addition, the maximum output of the battery shows a great change with temperature. Due to these various variables, it is very difficult to accurately predict the maximum output of the battery while the vehicle is running.

기존에는 배터리의 잔존 용량을 체크하는 방법으로서, 전압만을 이용하여 전압대비 최대 출력을 알아내는 방법을 사용하였다. In the past, as a method of checking the remaining capacity of a battery, a method of finding the maximum output to voltage using only voltage was used.

이 방법의 단점은 배터리를 사용함에 따른 노화에 의한 출력 감퇴를 알아낼 수 없다는 것이다.The disadvantage of this method is that it is not possible to detect the power loss due to aging due to the use of batteries.

배터리의 감퇴(용량, 저항)를 알아내는 기술들도 있지만,기존의 기술들은 모두 off-line 상태-차가 주행하지 않는 상태-에서 가능한 기술이다.There are techniques for detecting battery decay (capacity, resistance), but all of the existing techniques are available in the off-line state – when the car is not driving.

이러한 기존 방법은 배터리 전압 기반의 최대출력정보를 얻어내었기 때문에 온도나 기타 배터리 내부 상태 변화에 의해 정밀도가 나빠지고, 주행 중에 발생되는 배터리 파라미터 변화를 감지하지 못하며, 배터리 종류가 바뀌거나 크기가 달라질 경우 파라미터를 다시 조정해야 한다는 문제점이 있다.
Since the conventional method obtains the maximum output information based on the battery voltage, the accuracy is degraded due to temperature or other battery internal state change, and it does not detect the change of the battery parameter occurring while driving, and the battery type is changed or the size is changed. The problem is that the parameters need to be adjusted again.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 배터리 모델 기반(model-based battery) 상태 방정식을 이용한 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention to solve this problem is to provide a method for predicting the maximum output power during the running of the battery for a hybrid electric vehicle using a model-based battery state equation.

또한, 본 발명은 자동차 주행 중에 입력되는 배터리 전압, 전류, 온도 정보를 이용하여 배터리의 내부 상태 변수를 알아낼 수 있는 비선형 관측기인 슬라이딩 모드 관측기로 구성된 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention is a method of predicting the maximum output power during the driving of the hybrid electric vehicle battery consisting of a sliding mode observer that is a non-linear observer that can determine the internal state variables of the battery using the battery voltage, current, temperature information input while driving the vehicle. To provide another purpose.

그리고, 본 발명은 단기 비선형 관측기의 출력에서 충전량(Z)을 구하고, 장기 비선형 관측기의 출력에서 저항(R)을 구하여 최대출력 연산기에서 최대 출력을 계산할 수 있는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
In addition, the present invention obtains the amount of charge (Z) at the output of the short-term nonlinear observer, and obtains the resistance (R) at the output of the long-term nonlinear observer, the maximum output during the running of the hybrid electric vehicle battery that can calculate the maximum output in the maximum output calculator It is another object to provide a power prediction method.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 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 슬라이딩 관측기의 정 궤환 이득 상수, 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 이용한 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 장치는, 상기 관측기에 기초하여 Vt, Vp 및 Z의 예측치

Figure 112011085038437-pat00001
,
Figure 112011085038437-pat00002
Figure 112011085038437-pat00003
를 계산하는 수학적 알고리즘으로 충전량(
Figure 112011085038437-pat00004
)을 산출하는 단기 비선형 관측기와, 오프-라인 상태에서의 정 전류 방전 실험을 토대로 한 2차 전지의 모델링 회로를 기준으로 저항
Figure 112011085038437-pat00005
을 산출하는 장기 비선형 관측기 및 상기 단기 비선형 관측기의 충전량(
Figure 112011085038437-pat00006
)과 상기 장기 비선형 관측기의 저항(
Figure 112011085038437-pat00007
)으로 최대 출력을 산출하는 최대 출력 연산기를 포함하여 이루어질 수 있다.Induced by RC circuit modeling considering the open circuit voltage (Voc (Z)) of the secondary battery of the present invention, the capacitor component (Cp) due to the polarization effect of the battery, and the resistance component inside the battery for achieving the above object. Parameters of each state equation for the secondary battery output voltage (Vt), the voltage across the capacitor (Vp), and the SOC (Z), the positive feedback gain constant of the sliding observer designed sliding mode based on each state equation, and the open circuit voltage. The maximum output power prediction device while driving the hybrid electric vehicle battery using a separate SOC table includes prediction values of Vt, Vp, and Z based on the observer.
Figure 112011085038437-pat00001
,
Figure 112011085038437-pat00002
And
Figure 112011085038437-pat00003
A mathematical algorithm for calculating the amount of charge (
Figure 112011085038437-pat00004
Resistance based on a short-term non-linear observer that calculates) and a secondary battery modeling circuit based on a constant current discharge experiment in the off-line state.
Figure 112011085038437-pat00005
The charge amount of the long-term nonlinear observer and the short-term nonlinear
Figure 112011085038437-pat00006
) And the resistance of the long-term nonlinear observer (
Figure 112011085038437-pat00007
It can be made by including a maximum output calculator for calculating the maximum output.

한편 본 발명의 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 방법은, 배터리 전압,전류,온도 정보 중 어느 하나의 정보로 구성된 배터리 파라미터를 전압에 관련된 단기 비선형 상태변수와 출력에 관련된 장기 비선형 상태변수로 구성하는 단계와, 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)의 예측치를 사용하여 단기 비선형 관측기에서 상기 단기 비선형 상태변수로 충전량(

Figure 112011085038437-pat00008
)을 산출하는 단계, 장기 비선형 관측기에서 오프-라인 상태에서의 정 전류 방전 실험을 토대로 한 2차 전지의 모델링 회로를 기준으로 저항
Figure 112011085038437-pat00009
을 산출하는 단계 및 최대 출력 연산기에서 상기 충전량(
Figure 112011085038437-pat00010
)과 상기 저항(
Figure 112011085038437-pat00011
)을 사용하여 최대 출력을 산출하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.Meanwhile, the method for predicting the maximum output power while driving the hybrid electric vehicle battery according to the present invention includes a battery parameter including any one of battery voltage, current, and temperature information, and a short-term nonlinear state variable related to voltage and a long-term nonlinear state related to output. The short-term nonlinear state variable in the short-term nonlinear observer by using a variable step and an estimate of the secondary battery output voltage (Vt), the voltage across the capacitor (Vp), and the SOC (Z).
Figure 112011085038437-pat00008
), The resistance based on the modeling circuit of the secondary battery based on the constant current discharge experiment in the off-line state in the long-term nonlinear observer
Figure 112011085038437-pat00009
Calculating the amount of charge in the maximum output calculator (
Figure 112011085038437-pat00010
) And the resistance (
Figure 112011085038437-pat00011
) To calculate the maximum output.

이상에서, 단기 비선형 관측기는 상기 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 각 상태 방정식이 다음의 수학식에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다.In the above, the short-term nonlinear observer is characterized in that each state equation for the secondary battery output voltage (Vt), the voltage across the capacitor (Vp) and SOC (Z) is represented by the following equation.

Figure 112011085038437-pat00012
Figure 112011085038437-pat00012

여기서,

Figure 112011085038437-pat00013
이고 ,
Figure 112011085038437-pat00014
이며,
Figure 112011085038437-pat00015
이다.here,
Figure 112011085038437-pat00013
ego ,
Figure 112011085038437-pat00014
Lt;
Figure 112011085038437-pat00015
to be.

또한, 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 단기 비선형 관측기는 다음의 수학식으로 표현된다.In addition, the short-term nonlinear observer for the secondary battery output voltage (Vt), the voltage across the capacitor (Vp) and SOC (Z) is expressed by the following equation.

Figure 112011085038437-pat00016
Figure 112011085038437-pat00016

여기서,

Figure 112011085038437-pat00017
,
Figure 112011085038437-pat00018
,
Figure 112011085038437-pat00019
는 정 궤환 이득 상수이다.here,
Figure 112011085038437-pat00017
,
Figure 112011085038437-pat00018
,
Figure 112011085038437-pat00019
Is the positive feedback gain constant.

또한, 장기 비선형 관측기는 2차 전지의 모델링 회로에 대한

Figure 112011085038437-pat00020
Figure 112011085038437-pat00021
가 다음의 수학식에 의하여 산출된다.In addition, long-term nonlinear observers can be used for modeling circuitry in secondary cells.
Figure 112011085038437-pat00020
and
Figure 112011085038437-pat00021
Is calculated by the following equation.

Figure 112011085038437-pat00022
Figure 112011085038437-pat00022

여기서,

Figure 112011085038437-pat00023
Figure 112011085038437-pat00024
의 예측치이고,
Figure 112011085038437-pat00025
Figure 112011085038437-pat00026
의 예측치이다.here,
Figure 112011085038437-pat00023
The
Figure 112011085038437-pat00024
Is an estimate of,
Figure 112011085038437-pat00025
silver
Figure 112011085038437-pat00026
Is an estimate of.

그리고, 상기 최대 출력 연산기는 다음의 수학식으로 최대 출력을 산출하는 것을 특징으로 한다.The maximum output calculator is configured to calculate the maximum output using the following equation.

Figure 112011085038437-pat00027
Figure 112011085038437-pat00027

여기서

Figure 112011085038437-pat00028
는 충전량에 해당되는 개방 전압으로 배터리 충방전 시험에 의해서 미리 얻어지는 상수이며, Vlimit은 충전과 방전에 따라 결정되는 전압치이다.
here
Figure 112011085038437-pat00028
Is an open voltage corresponding to the charge amount, and is a constant obtained by a battery charge / discharge test in advance, and V limit is a voltage value determined by charge and discharge.

따라서, 본 발명의 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 방법에 의하면, 자동차 주행 중에도 입력되는 배터리 전압, 전류, 온도 정보를 이용하여 최대 출력 파워를 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.Therefore, according to the method of predicting the maximum output power while driving the hybrid electric vehicle battery of the present invention, the maximum output power can be precisely measured by using the battery voltage, current, and temperature information input while driving the vehicle.

그리고, 본 발명에 의하면, 배터리의 노화나 파라미터 변화에 대해서도 고정밀도의 제어 성능을 보여줄 수 있는 효과가 있다.
In addition, according to the present invention, there is an effect that can show a high-precision control performance even with the aging of the battery and the change of parameters.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 방법을 사용한 하이브리드 자동차의 전기 추력(battery propulsion) 시스템의 주요 구성도,
도 2는 배터리 팩 시스템의 최대 출력 예측기의 구성도,
도 3은 최대 출력 예측기의 수학적 모델 추정도,
도 4는 리튬 배터리의 OCV(Z)커브도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차 전지의 모델링 회로도,
그리고,
도 6은 본 발명에 따른 정 전류 방전 실험 결과를 이용하여 SOC(State Of Charge) 전 구간(0~1)에 걸쳐 개방 회로 전압을 플로팅한 그래프이다.
1 is a main configuration diagram of a battery electric propulsion system of a hybrid vehicle using a method of predicting the maximum output power during the driving of the battery according to an embodiment of the present invention,
2 is a configuration diagram of a maximum output predictor of a battery pack system;
3 is a mathematical model estimation diagram of a maximum output predictor,
4 is an OCV (Z) curve of a lithium battery,
5 is a modeling circuit diagram of a secondary battery according to a preferred embodiment of the present invention;
And,
FIG. 6 is a graph in which open circuit voltages are plotted over an entire period of state of charge (SOC) (0 to 1) using the result of a constant current discharge experiment according to the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.It is to be understood that the words or words used in the present specification and claims are not to be construed in a conventional or dictionary sense and that the inventor can properly define the concept of a term in order to describe its invention in the best possible way And should be construed in light of the meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise. Also, the terms " part, "" module, "and" device "Lt; / RTI >

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 배터리의 주행 중 최대 출력파워를 예측 할 수 있는 하이브리드 자동차의 전기 추력(battery propulsion) 시스템의 주요 구성도이고, 도 2는 본 발명의 배터리팩 시스템(100)의 내부 구성도로서, 도시된 바와 같이, 차량의 제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)(230)에서 배터리팩 시스템(100)으로부터 배터리의 최대 출력(Pmax)과 인버터(210)로부터 인버터 상태 정보,그리고 모터(220)로부터 모터 토크와 RPM 정보 등을 입력받아서 원하는 모터의 출력을 결정하도록 구성된다.FIG. 1 is a main configuration diagram of a battery propulsion system of a hybrid vehicle capable of predicting a maximum output power of a battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a battery pack system 100 of the present invention. As shown in the figure, the maximum output (Pmax) of the battery from the battery pack system 100 and the inverter status information from the inverter 210 in the HCU (Hybrid Control Unit) 230, the controller of the vehicle, And it is configured to receive the motor torque and RPM information, etc. from the motor 220 to determine the output of the desired motor.

인버터(210)는 전원을 안정화시켜 모터(220)에 공급하도록 구성되어, 차량을 구동시키기 위해 배터리(120)에서 전원이 인가되면, 출력되는 에너지를 모터(220)에 출력하도록 구성되고 해당 상태를 HCU(230)로 전송하도록 동작된다.Inverter 210 is configured to stabilize the power supply to the motor 220, when power is applied from the battery 120 to drive the vehicle, it is configured to output the output energy to the motor 220 and the corresponding state And to transmit to HCU 230.

배터리팩 시스템(100)은 차량을 구동하기 위한 전원을 리튬 배터리(120)에 공급 및 충전하도록 구성되고, 주행 중 배터리(120)의 전압, 전류, 온도정보를 검출하여 최대 출력을 산출하여 HCU(230)로 전송하도록 동작된다.The battery pack system 100 is configured to supply and charge power for driving the vehicle to the lithium battery 120, detect the voltage, current, and temperature information of the battery 120 while driving to calculate the maximum output to calculate the HCU ( 230).

본 발명의 배터리팩 시스템(100)은 인버터(210)에서 주어진 충방전 전류값과 리튬배터리(120)의 배터리 전압을 입력받아서 충전량(Z)을 산촐하는 단기 비선형 관측기(Short-time sliding mode observer)(112)와 저항(R)을 산출하는 장기 비선형 관측기(Long-time sliding mode observer)(114)로 구성하고, 최대 출력 연산기(116)는 충전량(Z)과 저항(R)을 입력받아서 최대 출력(Pmax)을 계산한 후 산출된 최대 출력(Pmax)을 HCU(230)로 전송하는 구조로 이루어져 있다.The battery pack system 100 of the present invention receives a charge / discharge current value given from the inverter 210 and a battery voltage of the lithium battery 120 to calculate a charge amount Z, and a short-time sliding mode observer. And a long-time sliding mode observer 114 that calculates the resistance R. The maximum output calculator 116 receives the maximum amount of charge Z and the resistance R. the maximum power (P max) calculated after calculating the (P max) is constructed in a structure for transmitting to the HCU (230).

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 의한 배터리팩 시스템에서 주행 중 최대 출력을 산출하는 과정에 대하여 설명한다.Hereinafter, a process of calculating the maximum output while driving in the battery pack system according to an exemplary embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 2.

본 발명에서는 배터리 종류별(model-based battery) 상태 방정식을 이용하여 배터리 파라미터를 전압에 관련된 단기(short-time) 상태변수와 출력에 관련된 장기(long-time) 상태변수로 구성하고, 자동차 주행 중에 입력되는 배터리 전압,전류,온도 정보를 이용하여 배터리의 내부 상태변수를 알아내기 위해 비선형 관측기(sliding mode observer)로 구성하였다.According to the present invention, a battery parameter is composed of a short-time state variable related to a voltage and a long-time state variable related to an output using a model-based battery state equation, and is inputted while driving a vehicle. In order to determine the internal state variables of the battery by using the battery voltage, current, and temperature information, a nonlinear sliding observer was constructed.

즉, 단기(Short-time) 상태 변수를 알아내기 위한 단기 비선형 관측기(Short-time sliding mode observer)(112)와 장기(Long-time) 상태변수를 알아내기 위한 장기 비선형 관측기(Long-time sliding mode observer)(114)로 구성한다. That is, a short-time sliding mode observer 112 for finding short-time state variables and a long-time sliding mode for finding long-time state variables. observer 114).

그리고, 상태변수의 시상수에 차이가 나기 때문에 단기 비선형 관측기(112)는 배터리 제어기(110)의 내부루프에, 장기 비선형 관측기(114)는 배터리 제어기(110)의 외부루프에 사용되어 내부루프와 외부루프에 업데이트되는 상태변수들의 정보를 교환할 수 있게 구성된다.In addition, since the time constants of the state variables are different, the short-term nonlinear observer 112 is used in the inner loop of the battery controller 110 and the long-term nonlinear observer 114 is used in the outer loop of the battery controller 110 so that the inner loop and the outer It is configured to exchange information about the state variables that are updated in the loop.

단기 비선형 관측기(112)의 출력량인 충전량(Z)에 대한 변수와 장기 비선형 관측기(114)의 출력인 저항(R)에 대한 변수를 이용하여 최대 출력 연산기(116)에서 이용 가능한 최대 출력(Pmax)을 계산하게 된다.Maximum output Pmax available at the maximum output operator 116 using the variable for charge amount Z, which is the output of the short-term nonlinear observer 112, and the variable for resistance R, which is the output of the long-term nonlinear observer 114. Will be calculated.

이하, 도 3의 최대 출력 예측기의 수학적 모델 추정도를 이용하여 본 발명의 최대 출력(Pmax)을 추정하는 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of estimating the maximum output P max of the present invention using the mathematical model estimation diagram of the maximum output predictor of FIG. 3 will be described.

먼저 본 발명에서 이론적 배경인 슬라이딩 모드 관측기에 대하여 설명한다.First, a sliding mode observer which is a theoretical background 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)에 대하여 설명한다.First, a continuous-time single input system and a scalar measurement model mathematically modeled by Equations 1 and 2 will be described.

Figure 112011085038437-pat00029
Figure 112011085038437-pat00029

Figure 112011085038437-pat00030
Figure 112011085038437-pat00030

여기에서,

Figure 112011085038437-pat00031
는 모델링된 시스템의 시간 t에서의 상태(state variable)이고,
Figure 112011085038437-pat00032
는 시간 t에서의 스칼라 궤환 제어에 따른 시스템 제어 입력이고,
Figure 112011085038437-pat00033
는 시간 t에서의 경계가 있는(bounded) 오차 및 왜란(disturbance)을 정량화한 인자이고,
Figure 112011085038437-pat00034
는 시간 t에서의 시스템 출력이다.From here,
Figure 112011085038437-pat00031
Is the state variable at time t of the modeled system,
Figure 112011085038437-pat00032
Is the system control input according to scalar feedback control at time t,
Figure 112011085038437-pat00033
Is a factor that quantifies the bounded error and disturbance at time t,
Figure 112011085038437-pat00034
Is the system output at time t.

수학식1 및 2에 의하여 모델링된 시스템에서, 상태

Figure 112011085038437-pat00035
에 대한 슬라이딩 모드 관측기는 다음 수학식 3과 같이 정의된다. 수학식 3에서,
Figure 112011085038437-pat00036
은 각각
Figure 112011085038437-pat00037
의 예측치(estimate)이다.In the system modeled by Equations 1 and 2, states
Figure 112011085038437-pat00035
The sliding mode observer for is defined as in Equation 3 below. In Equation (3)
Figure 112011085038437-pat00036
Respectively
Figure 112011085038437-pat00037
Is an estimate of.

Figure 112011085038437-pat00038
Figure 112011085038437-pat00038

여기서,

Figure 112011085038437-pat00039
이고,
Figure 112011085038437-pat00040
이고,
Figure 112011085038437-pat00041
는 시그넘(signum)함수이고,
Figure 112011085038437-pat00042
은 스위칭 궤환 이득 상수이다.here,
Figure 112011085038437-pat00039
ego,
Figure 112011085038437-pat00040
ego,
Figure 112011085038437-pat00041
Is a signum function,
Figure 112011085038437-pat00042
Is the switching feedback gain constant.

슬라이딩 모드 관측기의 오차

Figure 112011085038437-pat00043
는 하기 수학식 4와 동적 특성을 갖는다.Error in Sliding Mode Observer
Figure 112011085038437-pat00043
Has a dynamic characteristic with the following equation (4).

Figure 112011085038437-pat00044
Figure 112011085038437-pat00044

여기서,

Figure 112011085038437-pat00045
이고, 스위칭 함수
Figure 112011085038437-pat00046
Figure 112011085038437-pat00047
이다.here,
Figure 112011085038437-pat00045
Switching function
Figure 112011085038437-pat00046
The
Figure 112011085038437-pat00047
to be.

한편, 슬라이딩 모드 이론에 따르면,

Figure 112011085038437-pat00048
이라는 조건이 성립되면 국소적인 슬라이딩 레자임(regime)은 시스템 상태 공간 내의
Figure 112011085038437-pat00049
이라는 평면상에 있게 된다.On the other hand, according to the sliding mode theory,
Figure 112011085038437-pat00048
If a condition is established, the local sliding regime is defined in the system state space.
Figure 112011085038437-pat00049
Is on the plane of.

한편 상기

Figure 112011085038437-pat00050
는 하기 수학식 5로 나타낼 수 있다. 수학식 5에서 T는 전치(transpose) 행렬을 의미한다.Meanwhile,
Figure 112011085038437-pat00050
Can be represented by Equation 5 below. In Equation 5, T means a transpose matrix.

Figure 112011085038437-pat00051
Figure 112011085038437-pat00051

상기 수학식 5에서,

Figure 112011085038437-pat00052
이 0보다 크면, 국소적인 슬라이딩 레자임은 조건In Equation (5)
Figure 112011085038437-pat00052
If this is greater than zero, the local sliding regime is a condition

Figure 112011085038437-pat00053
하에서
Figure 112011085038437-pat00054
라는 평면 위에 존재하게 된다. 이때 집합
Figure 112011085038437-pat00055
는 슬라이딩 패치(patch)라고 불린다.
Figure 112011085038437-pat00053
Under
Figure 112011085038437-pat00054
Will exist on the plane. At this time
Figure 112011085038437-pat00055
Is called a sliding patch.

한편, 이상적인 슬라이딩 모드 동역학에서,

Figure 112011085038437-pat00056
는 'Filippov'의 근(solution)에 의해 결정된다.On the other hand, in the ideal sliding mode dynamics,
Figure 112011085038437-pat00056
Is determined by the solution of 'Filippov'.

즉, 조건

Figure 112011085038437-pat00057
에 대하여,That is,
Figure 112011085038437-pat00057
about,

Figure 112011085038437-pat00058
이고,
Figure 112011085038437-pat00059
이다.
Figure 112011085038437-pat00058
ego,
Figure 112011085038437-pat00059
to be.

여기서,

Figure 112011085038437-pat00060
는 스위칭 함수를
Figure 112011085038437-pat00061
의 스팬(span)을 따라
Figure 112011085038437-pat00062
의 널 공간(null space)으로 투영했을 때의 행렬이다.here,
Figure 112011085038437-pat00060
The switching function
Figure 112011085038437-pat00061
Along the span of
Figure 112011085038437-pat00062
The matrix when projecting into null space.

상술한 슬라이딩 모드 관측기의 이론적 배경은 후술하는 본 발명의 일 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 an embodiment 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.

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 an open circuit voltage of a secondary battery while periodically charging a secondary battery and then periodically discharging a certain amount of current.

본 발명에서는 위와 같은 2차 전지의 비선형적 특성을 감안하여 도 5에 도시된 바와 같은 RC 회로 모델에 의해 2차 전지를 동적으로 모델링할 수 있다.In the present invention, the secondary battery can be dynamically modeled by the RC circuit model shown in FIG. 5 in view of the nonlinear characteristics of the secondary battery.

도 5를 참조하면, 2차 전지에 대한 모델링 회로는, 비선형적 특성을 나타내는 개방 회로 전압 Voc(Z)(참고로, Z는 SOC), 전지 내의 분극(polarization) 효과를 모델링하기 위한 캐패시터 성분 Cp, 파급 저항(propagation resistance)을 모델링하기 위한 파급 저항 성분 Rb, 전류(I)의 함수인 확산 저항(diffusion resistance) 성분 Rp, 오믹 저항 성분 Rt및 2차 전지의 출력 전압 Vt를 포함한다. Referring to FIG. 5, a modeling circuit for a secondary battery includes an open circuit voltage V oc (Z) (reference is Z is SOC) that exhibits nonlinear characteristics, and a capacitor component for modeling polarization effects in the battery. C p , the ripple component R b to model propagation resistance, the diffusion resistance component R p as a function of current (I), the ohmic resistance component R t, and the output voltage V t of the secondary battery. It includes.

2차 전지의 출력 전압 Vt는 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.The output voltage V t of the secondary battery can be expressed 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 112011085038437-pat00063
Figure 112011085038437-pat00063

Figure 112011085038437-pat00064
Figure 112011085038437-pat00064

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 112011085038437-pat00065
Figure 112011085038437-pat00065

여기서,

Figure 112011085038437-pat00066
는 개방 회로 전압의 전류이고
Figure 112011085038437-pat00067
는 2차 전지의 공칭 정전용량(nominal capacitance)이다.here,
Figure 112011085038437-pat00066
Is the current of the open circuit voltage
Figure 112011085038437-pat00067
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 112011085038437-pat00068
Figure 112011085038437-pat00068

상기 수학식 9에 하기 수학식 10의 키르호프(kirchoff) 법칙을 적용하면, 하기 수학식 11을 얻을 수 있다.By applying the Kirchoff's law of Equation 10 to Equation 9, Equation 11 can be obtained.

Figure 112011085038437-pat00069
Figure 112011085038437-pat00069

Figure 112011085038437-pat00070
Figure 112011085038437-pat00070

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

Figure 112011085038437-pat00071
Figure 112011085038437-pat00071

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 112011085038437-pat00072
Figure 112011085038437-pat00072

2차 전지의 출력 전압

Figure 112011085038437-pat00073
는 수학식 11의
Figure 112011085038437-pat00074
를 수학식 7에 대입하면 하기 수학식 14와 같이 얻을 수 있다.Output voltage of secondary battery
Figure 112011085038437-pat00073
Of equation (11)
Figure 112011085038437-pat00074
By substituting into Equation 7, it can be obtained as Equation 14 below.

Figure 112011085038437-pat00075
Figure 112011085038437-pat00075

상기 수학식 14에 따른 출력 전압을 시간 미분하고,

Figure 112011085038437-pat00076
이라는 조건을 적용하여 정리하면, 하기 수학식 15가 얻어진다.Time differential the output voltage according to Equation 14,
Figure 112011085038437-pat00076
If the following condition is applied and summarized, the following formula (15) is obtained.

Figure 112011085038437-pat00077
Figure 112011085038437-pat00077

마지막으로, 수학식 6을

Figure 112011085038437-pat00078
에 대하여 풀고 그 결과를 수학식 14에 대입하면, 하기 수학식 16과 같이
Figure 112011085038437-pat00079
,
Figure 112011085038437-pat00080
Figure 112011085038437-pat00081
에 대한 완전한 상태 방정식을 얻을 수 있다. 이로써, 본 발명에 따른 2차 전지의 회로 모델링이 완료된다.Finally, Equation 6
Figure 112011085038437-pat00078
Solving for and substituting the result into Equation 14,
Figure 112011085038437-pat00079
,
Figure 112011085038437-pat00080
And
Figure 112011085038437-pat00081
You can get the complete state equation for. This completes the circuit modeling of the secondary battery according to the present invention.

Figure 112011085038437-pat00082
Figure 112011085038437-pat00082

여기서,

Figure 112011085038437-pat00083
,
Figure 112011085038437-pat00084
,
Figure 112011085038437-pat00085
,
Figure 112011085038437-pat00086
,
Figure 112011085038437-pat00087
,
Figure 112011085038437-pat00088
,
Figure 112011085038437-pat00089
는 다음과 같다.here,
Figure 112011085038437-pat00083
,
Figure 112011085038437-pat00084
,
Figure 112011085038437-pat00085
,
Figure 112011085038437-pat00086
,
Figure 112011085038437-pat00087
,
Figure 112011085038437-pat00088
,
Figure 112011085038437-pat00089
Is as follows.

Figure 112011085038437-pat00090
Figure 112011085038437-pat00090

Figure 112011085038437-pat00091
Figure 112011085038437-pat00091

Figure 112011085038437-pat00092
Figure 112011085038437-pat00092

Figure 112011085038437-pat00093
Figure 112011085038437-pat00093

Figure 112011085038437-pat00094
Figure 112011085038437-pat00094

Figure 112011085038437-pat00095
Figure 112011085038437-pat00095

Figure 112011085038437-pat00096
Figure 112011085038437-pat00096

상기 상태 방정식에서, 파라미터

Figure 112011085038437-pat00097
,
Figure 112011085038437-pat00098
,
Figure 112011085038437-pat00099
,
Figure 112011085038437-pat00100
,
Figure 112011085038437-pat00101
,
Figure 112011085038437-pat00102
,
Figure 112011085038437-pat00103
의 계산을 위해 사용되는 2차 전지의 상수값
Figure 112011085038437-pat00104
,
Figure 112011085038437-pat00105
,
Figure 112011085038437-pat00106
,
Figure 112011085038437-pat00107
,
Figure 112011085038437-pat00108
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 112011085038437-pat00097
,
Figure 112011085038437-pat00098
,
Figure 112011085038437-pat00099
,
Figure 112011085038437-pat00100
,
Figure 112011085038437-pat00101
,
Figure 112011085038437-pat00102
,
Figure 112011085038437-pat00103
Constant value of secondary battery used for calculation of
Figure 112011085038437-pat00104
,
Figure 112011085038437-pat00105
,
Figure 112011085038437-pat00106
,
Figure 112011085038437-pat00107
,
Figure 112011085038437-pat00108
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.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단기 비선형 관측기(112)의 설계는 수학식 16에 따른 상태 방정식에 기초한다.The design of the short-term nonlinear observer 112 in accordance with the preferred embodiment of the present invention is based on a state equation according to (16).

구체적으로, 상기 수학식 16의 관측가능성 행렬(observability matrix)의 랭크는 전열 랭크(full rank)이다. 따라서 모델링 된 2차 전지의 내부 상태는 슬라이딩 모드 관측기에 의해 예측될 수 있다.Specifically, the rank of the observability matrix of Equation 16 is full rank. Therefore, the internal state of the modeled secondary battery 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 (1 0 0)이고 A는

Figure 112011085038437-pat00109
이다.Where C is (1 0 0) and A is
Figure 112011085038437-pat00109
to be.

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

Figure 112011085038437-pat00110
에 대한 상태 방정식에 적용하면,
Figure 112011085038437-pat00111
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 112011085038437-pat00110
Applying to the state equation for,
Figure 112011085038437-pat00111
The sliding mode observer for may be represented by Equation 17 below.

Figure 112011085038437-pat00112
Figure 112011085038437-pat00112

여기서,

Figure 112011085038437-pat00113
Figure 112011085038437-pat00114
의 예측치이고,
Figure 112011085038437-pat00115
은 정 궤환 이득 상수(positive feedback gain constant)이다.here,
Figure 112011085038437-pat00113
silver
Figure 112011085038437-pat00114
Is an estimate of,
Figure 112011085038437-pat00115
Is the positive feedback gain constant.

시스템 출력에 대한 예측치와 실제치의 오차

Figure 112011085038437-pat00116
Figure 112011085038437-pat00117
로 정의하면, 하기 수학식 18과 같은 오차 방정식을 얻을 수 있다.Estimation and Actual Error of System Output
Figure 112011085038437-pat00116
To
Figure 112011085038437-pat00117
If defined as, the error equation shown in Equation 18 can be obtained.

Figure 112011085038437-pat00118
Figure 112011085038437-pat00118

여기서, sgn(ey)는 다음과 같다.Where sgn (e y ) is

Figure 112011085038437-pat00119
Figure 112011085038437-pat00119

상기 수학식 18을 참조하면,

Figure 112011085038437-pat00120
이 충분히 크면
Figure 112011085038437-pat00121
에 의해
Figure 112011085038437-pat00122
의 부호가 결정된다. 그리고
Figure 112011085038437-pat00123
에 의해
Figure 112011085038437-pat00124
Figure 112011085038437-pat00125
의 부호는 항상 반대가 된다. 그 결과,
Figure 112011085038437-pat00126
값에 상관없이
Figure 112011085038437-pat00127
에 슬라이딩 모드 운동이 유발됨으로써 일정한 시간이 흐른 뒤에는
Figure 112011085038437-pat00128
Figure 112011085038437-pat00129
가 0으로 수렴한다. Referring to Equation 18,
Figure 112011085038437-pat00120
If this is big enough
Figure 112011085038437-pat00121
By
Figure 112011085038437-pat00122
The sign of is determined. And
Figure 112011085038437-pat00123
By
Figure 112011085038437-pat00124
Wow
Figure 112011085038437-pat00125
Is always reversed. As a result,
Figure 112011085038437-pat00126
Regardless of the value
Figure 112011085038437-pat00127
After a certain period of time,
Figure 112011085038437-pat00128
And
Figure 112011085038437-pat00129
Converges to zero.

여기서, 상기 정 궤환 이득 상수

Figure 112011085038437-pat00130
은 시행착오법(trial and error)에 의해 결정된다.Where the positive feedback gain constant
Figure 112011085038437-pat00130
Is determined by trial and error.

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

Figure 112011085038437-pat00131
가 그 등가 치인
Figure 112011085038437-pat00132
로 치환된 것과 같은 양상을 보인다. 이때,
Figure 112011085038437-pat00133
는 수학식 18에서
Figure 112011085038437-pat00134
Figure 112011085038437-pat00135
가 0이라고 가정하여 구하므로
Figure 112011085038437-pat00136
Figure 112011085038437-pat00137
사이에는 하기 수학식 19와 같은 관계가 성립한다.Meanwhile, according to the equivalent control method, the error system in the sliding mode
Figure 112011085038437-pat00131
That is equally hit
Figure 112011085038437-pat00132
It shows the same aspect as substituted with. At this time,
Figure 112011085038437-pat00133
In Equation 18
Figure 112011085038437-pat00134
And
Figure 112011085038437-pat00135
Is assumed to be 0, so
Figure 112011085038437-pat00136
Wow
Figure 112011085038437-pat00137
The following relationship holds for the following equation (19).

Figure 112011085038437-pat00138
Figure 112011085038437-pat00138

상기 수학식 19에 따른 관계식의 유도에 의해 2차 전지의 출력 전압(Vt)에 대한 슬라이딩 모드 관측기의 설계가 완료된다.The design of the sliding mode observer for the output voltage V t of the secondary battery is completed by derivation of the relation according to Equation 19.

다음으로 SOC

Figure 112011085038437-pat00139
에 대한 슬라이딩 모드 관측기 설계 방법을 설명한다.Next SOC
Figure 112011085038437-pat00139
A sliding mode observer design method is described.

구체적으로, 수학식 3을 수학식 16의

Figure 112011085038437-pat00140
에 대한 상태 방정식에 적용하면,
Figure 112011085038437-pat00141
에 대한 슬라이딩 모드 관측기는 하기 수학식 20과 같이 나타낼 수 있다.Specifically, Equation 3 is replaced by Equation 16
Figure 112011085038437-pat00140
Applying to the state equation for,
Figure 112011085038437-pat00141
The sliding mode observer for may be represented by Equation 20 below.

Figure 112011085038437-pat00142
Figure 112011085038437-pat00142

여기서,

Figure 112011085038437-pat00143
Figure 112011085038437-pat00144
의 예측치이고, 정 궤환 이득 상수이다.here,
Figure 112011085038437-pat00143
silver
Figure 112011085038437-pat00144
Is the predicted value and is the positive feedback gain constant.

SOC

Figure 112011085038437-pat00145
Figure 112011085038437-pat00146
의 오차
Figure 112011085038437-pat00147
Figure 112011085038437-pat00148
를 각각
Figure 112011085038437-pat00149
Figure 112011085038437-pat00150
로 정의하면, 하기 수학식 21과 같은 오차 방정식을 얻을 수 있다.SOC
Figure 112011085038437-pat00145
And
Figure 112011085038437-pat00146
Error
Figure 112011085038437-pat00147
And
Figure 112011085038437-pat00148
Respectively
Figure 112011085038437-pat00149
And
Figure 112011085038437-pat00150
If defined as, an error equation such as the following Equation 21 can be obtained.

Figure 112011085038437-pat00151
Figure 112011085038437-pat00151

여기서,

Figure 112011085038437-pat00152
는 다음과 같다.here,
Figure 112011085038437-pat00152
Is as follows.

Figure 112011085038437-pat00153
Figure 112011085038437-pat00153

한편 개방 회로 전압

Figure 112011085038437-pat00154
는 비선형적이긴 하지만 대체로 SOC
Figure 112011085038437-pat00155
에 비례한다. 따라서
Figure 112011085038437-pat00156
는 하기 수학식 22와 같이 구간 구간 별로
Figure 112011085038437-pat00157
에 비례한다고 근사할 수 있다.Open circuit voltage
Figure 112011085038437-pat00154
Is non-linear, but usually SOC
Figure 112011085038437-pat00155
Proportional to therefore
Figure 112011085038437-pat00156
Is for each section as shown in Equation 22 below.
Figure 112011085038437-pat00157
It can be approximated to be proportional to.

Figure 112011085038437-pat00158
Figure 112011085038437-pat00158

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

Figure 112011085038437-pat00159
Figure 112011085038437-pat00159

상기 수학식 23을 참조하면, 전술한

Figure 112011085038437-pat00160
의 오차 방정식(수학식 18)과 마찬가지로,
Figure 112011085038437-pat00161
가 충분히 크면
Figure 112011085038437-pat00162
Figure 112011085038437-pat00163
의 부호는 항상 반대가 되므로
Figure 112011085038437-pat00164
에 슬라이딩 모드 운동이 유발됨으로써 일정한 시간이 흐른 뒤에는
Figure 112011085038437-pat00165
Figure 112011085038437-pat00166
모두가 0으로 수렴한다. 여기서, 상기 정 궤환 이득 상수
Figure 112011085038437-pat00167
Figure 112011085038437-pat00168
과 마찬가지로 시행착오법에 의해 결정된다.Referring to Equation 23,
Figure 112011085038437-pat00160
As with the error equation (Equation 18),
Figure 112011085038437-pat00161
Is large enough
Figure 112011085038437-pat00162
And
Figure 112011085038437-pat00163
Is always reversed.
Figure 112011085038437-pat00164
After a certain period of time,
Figure 112011085038437-pat00165
And
Figure 112011085038437-pat00166
All converge to zero. Where the positive feedback gain constant
Figure 112011085038437-pat00167
The
Figure 112011085038437-pat00168
Similarly, it is determined by the trial and error method.

또한

Figure 112011085038437-pat00169
에 대한 슬라이딩 모드 관측기의 설계시와 마찬가지로 등가 제어 방법론을 적용하면, 하기 수학식 24와 같은 관계식을 도출할 수 있다.Also
Figure 112011085038437-pat00169
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 112011085038437-pat00170
Figure 112011085038437-pat00170

상기 수학식 24에 따른 관계식이 도출되면 2차 전지의 SOC

Figure 112011085038437-pat00171
에 대한 슬라이딩 모드 관측기의 설계가 완료된다.If the relation according to Equation 24 is derived, SOC of the secondary battery
Figure 112011085038437-pat00171
The design of the sliding mode observer for is completed.

마지막으로, 상술한 과정을 실질적으로 동일하게 적용하여

Figure 112011085038437-pat00172
에 대한 슬라이딩 모드 관측기와 오차 방정식을 설계하면 하기 수학식 25 및 26과 같다.Finally, apply the above process substantially the same
Figure 112011085038437-pat00172
When the sliding mode observer and the error equation is designed for Equations 25 and 26.

Figure 112011085038437-pat00173
Figure 112011085038437-pat00173

Figure 112011085038437-pat00174
Figure 112011085038437-pat00174

상기 수학식 26에서,

Figure 112011085038437-pat00175
가 충분이 크면
Figure 112011085038437-pat00176
Figure 112011085038437-pat00177
의 경우와 마찬가지로, 일정한 시간이 경과되면
Figure 112011085038437-pat00178
Figure 112011085038437-pat00179
는 0으로 수렴한다. 상기 정 궤환 이득 상수
Figure 112011085038437-pat00180
Figure 112011085038437-pat00181
과 마찬가지로 시행착오법에 의해 결정된다.In Equation 26,
Figure 112011085038437-pat00175
Is big enough
Figure 112011085038437-pat00176
And
Figure 112011085038437-pat00177
As in the case of,
Figure 112011085038437-pat00178
And
Figure 112011085038437-pat00179
Converges to zero. The positive feedback gain constant
Figure 112011085038437-pat00180
The
Figure 112011085038437-pat00181
Similarly, it is determined by the trial and error method.

또한, 단기 슬라이딩 모드 관측기(112)의 저장매체(미도시)는 2차 전지(120)의 상태 방정식에서 사용되는 파라미터인

Figure 112011085038437-pat00182
,
Figure 112011085038437-pat00183
,
Figure 112011085038437-pat00184
,
Figure 112011085038437-pat00185
,
Figure 112011085038437-pat00186
,
Figure 112011085038437-pat00187
,
Figure 112011085038437-pat00188
와, 이들 파라미터 계산에 사용되는 RC성분인
Figure 112011085038437-pat00189
,
Figure 112011085038437-pat00190
,
Figure 112011085038437-pat00191
,
Figure 112011085038437-pat00192
,
Figure 112011085038437-pat00193
와 상태 방정식의 정 궤환 이득 상수
Figure 112011085038437-pat00194
,
Figure 112011085038437-pat00195
Figure 112011085038437-pat00196
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; 전류 센서 및 전압 센서에 의해 수집되는 2차 전지(120)의 입력 전류(I) 및 출력 전압(Vt)을 이용하여 주기적으로 SOC의 예측치
Figure 112011085038437-pat00197
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.In addition, the storage medium (not shown) of the short-term sliding mode observer 112 is a parameter used in the state equation of the secondary battery 120.
Figure 112011085038437-pat00182
,
Figure 112011085038437-pat00183
,
Figure 112011085038437-pat00184
,
Figure 112011085038437-pat00185
,
Figure 112011085038437-pat00186
,
Figure 112011085038437-pat00187
,
Figure 112011085038437-pat00188
And the RC component used to calculate these parameters
Figure 112011085038437-pat00189
,
Figure 112011085038437-pat00190
,
Figure 112011085038437-pat00191
,
Figure 112011085038437-pat00192
,
Figure 112011085038437-pat00193
Feedback gain constants of equations and state equations
Figure 112011085038437-pat00194
,
Figure 112011085038437-pat00195
And
Figure 112011085038437-pat00196
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; Prediction of SOC periodically using input current (I) and output voltage (Vt) of secondary battery 120 collected by current sensor and voltage sensor
Figure 112011085038437-pat00197
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.

배터리제어기(110)는 단기 비선형 관측기(112)의 전반적인 동작을 제어한다. 배터리제어기(110)는 전원이 인가되면 단기 비선형 관측기(112)의 초기화를 진행하기 위해 저장매체에 수록된 상기 SOC 예측 프로그램을 실행하는 한편, 2차 전지 상태 방정식(수학식 16 참조)의 파라미터 값과 정 궤환 이득 상수를 메모리에 로드하고 초기 전류 및 전압 데이터를 메모리에 저장한다.The battery controller 110 controls the overall operation of the short-term nonlinear observer 112. The battery controller 110 executes the SOC prediction program stored in the storage medium to proceed with the initialization of the short-term nonlinear observer 112 when power is applied, and the parameter value of the secondary battery state equation (see Equation 16). Load the positive feedback gain constant into memory and store initial current and voltage data in memory.

여기서, 초기 전류 및 전압이라 함은 단기 비선형 관측기(112)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 전지인 리튬배터리(120)의 충전량에 따라 소정의 값을 갖는다. 이때 상기 초기 전압은 편의상 2차 전지인 리튬배터리(120)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 short-term nonlinear observer 112 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 lithium battery 120 which is the secondary battery. In this case, the initial voltage is regarded as an initial open circuit voltage of the lithium battery 120 which is a secondary battery for convenience.

한편 배터리제어기(110)는 내부 메모리에 저장된 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 참조하여 초기 전압 값에 상응하는 SOC 값을 리드 한다. 그런 다음 주기적으로

Figure 112011085038437-pat00198
,
Figure 112011085038437-pat00199
Figure 112011085038437-pat00200
를 계산하여 내부 메모리에 누적적으로 저장하는 한편, SOC의 예측치
Figure 112011085038437-pat00201
를 외부로 출력한다.Meanwhile, the battery controller 110 reads the SOC value corresponding to the initial voltage value by referring to the SOC table for each open circuit voltage stored in the internal memory. Then periodically
Figure 112011085038437-pat00198
,
Figure 112011085038437-pat00199
And
Figure 112011085038437-pat00200
Is computed and stored cumulatively in internal memory, while predicting SOC
Figure 112011085038437-pat00201
To the outside.

구체적으로, 본 발명에서는 2차 전지인 리튬배터리(120)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 112011085038437-pat00202
,
Figure 112011085038437-pat00203
Figure 112011085038437-pat00204
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 lithium battery 120 as a secondary battery, the sliding mode observation equation is Euler discrete as shown in Equation 27 Type sampling time Ts
Figure 112011085038437-pat00202
,
Figure 112011085038437-pat00203
And
Figure 112011085038437-pat00204
.

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

Figure 112011085038437-pat00205
,
Figure 112011085038437-pat00206
Figure 112011085038437-pat00207
의 구체적인 계산 방식은 다양하게 변형이 가능하며, 본 발명의 기술적 범위가
Figure 112011085038437-pat00208
,
Figure 112011085038437-pat00209
Figure 112011085038437-pat00210
의 구체적인 계산 방식에 의해 한정되지 않음은 당연하다.In an embodiment of the invention, the sampling time Ts is 1 second. On the other hand, the size of the sampling time,
Figure 112011085038437-pat00205
,
Figure 112011085038437-pat00206
And
Figure 112011085038437-pat00207
The specific calculation method of the can be variously modified, the technical scope of the present invention
Figure 112011085038437-pat00208
,
Figure 112011085038437-pat00209
And
Figure 112011085038437-pat00210
Of course, it is not limited by the specific calculation method of.

Figure 112011085038437-pat00211
Figure 112011085038437-pat00211

Figure 112011085038437-pat00212
Figure 112011085038437-pat00212

Figure 112011085038437-pat00213
Figure 112011085038437-pat00213

배터리제어기(110)는 2차 전지(120)의

Figure 112011085038437-pat00214
,
Figure 112011085038437-pat00215
Figure 112011085038437-pat00216
를 계산하기 위해 상기 수학식 27의 초기 조건을 다음과 같이 설정한다.The battery controller 110 of the secondary battery 120
Figure 112011085038437-pat00214
,
Figure 112011085038437-pat00215
And
Figure 112011085038437-pat00216
In order to calculate the initial condition of Equation 27 is set as follows.

즉,

Figure 112011085038437-pat00217
은 차량의 시동 전에 측정된 2차 전지(B)의 초기 전압 레벨로,
Figure 112011085038437-pat00218
은 차량의 시동 전에 측정된
Figure 112011085038437-pat00219
를 개방 회로 전압
Figure 112011085038437-pat00220
로 간주하여 메모리에 저장된 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 참조하여 얻은 2차 전지(120)의 초기 SOC 값으로,
Figure 112011085038437-pat00221
은 차량의 시동 전에 흐르는 전류 I가 0이라는 점을 감안하여
Figure 112011085038437-pat00222
과 동일한 값으로,
Figure 112011085038437-pat00223
;
Figure 112011085038437-pat00224
;
Figure 112011085038437-pat00225
는 계산상의 편의를 위해
Figure 112011085038437-pat00226
, 0,
Figure 112011085038437-pat00227
으로 초기 상태를 설정한다.In other words,
Figure 112011085038437-pat00217
Is the initial voltage level of the secondary battery (B) measured before starting of the vehicle,
Figure 112011085038437-pat00218
Is measured before the vehicle starts up.
Figure 112011085038437-pat00219
Open circuit voltage
Figure 112011085038437-pat00220
Initial SOC value of the secondary battery 120 obtained by referring to the SOC table for each open circuit voltage stored in the memory,
Figure 112011085038437-pat00221
Considering that the current I flowing before starting the vehicle is zero.
Figure 112011085038437-pat00222
Is the same value as
Figure 112011085038437-pat00223
;
Figure 112011085038437-pat00224
;
Figure 112011085038437-pat00225
For convenience of calculation
Figure 112011085038437-pat00226
, 0,
Figure 112011085038437-pat00227
Set the initial state with.

단기 슬라이딩 모드 관측기(112)의 특성상 초기 조건

Figure 112011085038437-pat00228
;
Figure 112011085038437-pat00229
;
Figure 112011085038437-pat00230
를 위와 같이 설정해도 관측기의 성능에 유의적인 영향을 미치지 않는다.Initial conditions due to the nature of the short-term sliding mode observer 112
Figure 112011085038437-pat00228
;
Figure 112011085038437-pat00229
;
Figure 112011085038437-pat00230
Setting as above does not significantly affect the performance of the observer.

초기 상태가 설정되면, 배터리제어기(110)는 다음 회차의 샘플링 타임(t=2초)이 도달되기 전에 위와 같은 초기 조건을 상기 수학식 27에 적용하여 t=2초에서의 예측치

Figure 112011085038437-pat00231
,
Figure 112011085038437-pat00232
,
Figure 112011085038437-pat00233
을 계산하여 내부 메모리에 저장하고
Figure 112011085038437-pat00234
는 외부로 출력한다.When the initial state is set, the battery controller 110 applies the initial condition as described above to Equation 27 before the next sampling time (t = 2 seconds) is reached, and predicts the value at t = 2 seconds.
Figure 112011085038437-pat00231
,
Figure 112011085038437-pat00232
,
Figure 112011085038437-pat00233
Calculate and store in internal memory
Figure 112011085038437-pat00234
Outputs to the outside.

그 이후, 배터리제어기(110)는 다음 회차의 샘플링 타임(t=2초)이 도달되면, 메모리에 저장된

Figure 112011085038437-pat00235
,
Figure 112011085038437-pat00236
,
Figure 112011085038437-pat00237
와 샘플링 타임(t=2초)에서 측정된
Figure 112011085038437-pat00238
와 I, 개방 회로 전압별 SOC 테이블에서
Figure 112011085038437-pat00239
에 상응하는
Figure 112011085038437-pat00240
에 의하여
Figure 112011085038437-pat00241
,
Figure 112011085038437-pat00242
,
Figure 112011085038437-pat00243
을 계산하고, 계산된
Figure 112011085038437-pat00244
는 최대 출력 연산기(116)로 출력하는 것이다.After that, when the next time sampling time (t = 2 seconds) is reached, the battery controller 110 is stored in the memory.
Figure 112011085038437-pat00235
,
Figure 112011085038437-pat00236
,
Figure 112011085038437-pat00237
And measured at sampling time (t = 2 seconds)
Figure 112011085038437-pat00238
And I, in the SOC table by open circuit voltage
Figure 112011085038437-pat00239
Equivalent
Figure 112011085038437-pat00240
By
Figure 112011085038437-pat00241
,
Figure 112011085038437-pat00242
,
Figure 112011085038437-pat00243
Is calculated,
Figure 112011085038437-pat00244
Is output to the maximum output operator 116.

위와 같은 2차 전지인 리튬 배터리(120)의

Figure 112011085038437-pat00245
,
Figure 112011085038437-pat00246
Figure 112011085038437-pat00247
에 대한 계산 과정은 샘플링 주기 Ts가 경과될 때마다 반복적으로 이루어진다.Lithium battery 120 of the secondary battery as described above
Figure 112011085038437-pat00245
,
Figure 112011085038437-pat00246
And
Figure 112011085038437-pat00247
The calculation process for is repeated every time the sampling period Ts elapses.

바람직하게, 단기 슬라이딩 모드 관측기(112)를 통해 출력되는 SOC의 예측치

Figure 112011085038437-pat00248
는 최대 출력 연산기(116)로 입력된다. Preferably, the prediction of the SOC output through the short term sliding mode observer 112
Figure 112011085038437-pat00248
Is input to the maximum output operator 116.

그러면 최대 출력 연산기(116)는 SOC의 예측치

Figure 112011085038437-pat00249
에 의해 2차 전지(120)의 내부 상태를 판정하고, 만약 충전이 필요한 경우(예컨대 값이 소정 레벨 이하로 떨어진 경우)는 전정류/정전압 모드에서 2차 전지(120)를 충전시킨다. 최대 출력 연산기(116)에 의한 2차 전지 충전 동작은 본 발명이 속한 기술분야에서 널리 알려진 기술이므로 여기에서의 상세한 설명은 생략하기로 한다The maximum output operator 116 then estimates the SOC
Figure 112011085038437-pat00249
The internal state of the secondary battery 120 is determined, and if the charging is necessary (for example, when the value falls below a predetermined level), the secondary battery 120 is charged in the pre-constant / constant voltage mode. Since the secondary battery charging operation by the maximum output calculator 116 is well known in the art to which the present invention pertains, a detailed description thereof will be omitted.

한편 파라미터인

Figure 112011085038437-pat00250
,
Figure 112011085038437-pat00251
,
Figure 112011085038437-pat00252
,
Figure 112011085038437-pat00253
,
Figure 112011085038437-pat00254
,
Figure 112011085038437-pat00255
,
Figure 112011085038437-pat00256
와, 이들 파라미터 계산에 사용되는 RC성분인
Figure 112011085038437-pat00257
,
Figure 112011085038437-pat00258
,
Figure 112011085038437-pat00259
,
Figure 112011085038437-pat00260
,
Figure 112011085038437-pat00261
는 상수일 수도 있지만, 2차 전지(120)의 입력 전류 및/또는 SOC 에 의해 변화될 수도 있다. 이러한 경우, 상기 저장매체는 입력 전류 및/또는 SOC의 변화에 따라 실험적으로 결정된 RC 성분 값들의 테이블을 추가로 수록하고 있을 수 있다. 그러면 배터리제어기(110)는 샘플링 시간 Ts가 경과될 때마다 저장매체에 수록된 RC성분들의 테이블을 참조하여 파라미터
Figure 112011085038437-pat00262
,
Figure 112011085038437-pat00263
,
Figure 112011085038437-pat00264
,
Figure 112011085038437-pat00265
,
Figure 112011085038437-pat00266
,
Figure 112011085038437-pat00267
,
Figure 112011085038437-pat00268
의 계산을 실시간으로 수행할 수 있다.On the other hand,
Figure 112011085038437-pat00250
,
Figure 112011085038437-pat00251
,
Figure 112011085038437-pat00252
,
Figure 112011085038437-pat00253
,
Figure 112011085038437-pat00254
,
Figure 112011085038437-pat00255
,
Figure 112011085038437-pat00256
And the RC component used to calculate these parameters
Figure 112011085038437-pat00257
,
Figure 112011085038437-pat00258
,
Figure 112011085038437-pat00259
,
Figure 112011085038437-pat00260
,
Figure 112011085038437-pat00261
May be a constant, but may be changed by the input current and / or the SOC of the secondary battery 120. In this case, the storage medium may further include a table of RC component values experimentally determined according to the change of the input current and / or SOC. Then, whenever the sampling time Ts elapses, the battery controller 110 refers to a table of RC components contained in the storage medium.
Figure 112011085038437-pat00262
,
Figure 112011085038437-pat00263
,
Figure 112011085038437-pat00264
,
Figure 112011085038437-pat00265
,
Figure 112011085038437-pat00266
,
Figure 112011085038437-pat00267
,
Figure 112011085038437-pat00268
Can be calculated in real time.

또한, 단기 비선형 관측기(Short-time sliding mode observer)(112)에서 산출된 충전량 예측치(

Figure 112011085038437-pat00269
)는 최대 출력 연산기(116)로 입력됨과 동시에 충전량 예측치(
Figure 112011085038437-pat00270
)는 충전량 동적 평균화부(Moving Average)(115a)에 입력되어 충전량의 동적 평균치인
Figure 112011085038437-pat00271
가 산출되어 장기 비선형 관측기(Long-time sliding mode observer)(114)로 궤환된다.In addition, the charge prediction value calculated by the short-time sliding mode observer 112 (
Figure 112011085038437-pat00269
) Is input to the maximum output calculator 116 and at the same time the charge estimate (
Figure 112011085038437-pat00270
) Is input to the moving amount moving average 115a, which is a dynamic average value of the filling amount.
Figure 112011085038437-pat00271
Is calculated and fed back to a long-time sliding mode observer 114.

그리고 장기 비선형 관측기(long-time sliding mode observer)(114)에서 산출된 저항 예측치(

Figure 112011085038437-pat00272
)는 최대 출력 연산기(116)로 입력됨과 동시에 저항 예측치(
Figure 112011085038437-pat00273
)는 저항 동적 평균화부(Moving Average)(115b)에 입력되어 저항의 동적 평균치가 산출되어 단기 비선형 관측기(short-time sliding mode observer)(112)로 궤환된다.And the resistance prediction value calculated by the long-time sliding mode observer 114.
Figure 112011085038437-pat00272
) Is input to the maximum output operator 116 and at the same time the resistance prediction value (
Figure 112011085038437-pat00273
) Is input to a moving average 115b to calculate a dynamic average of the resistance and is fed back to the short-time sliding mode observer 112.

한편, 장기 비선형 관측기(Long-time sliding mode observer)(114)에서는 수학식 16의 상태 방정식에서 사용되는 파라미터인 정의된 상태함수

Figure 112011085038437-pat00274
,
Figure 112011085038437-pat00275
,
Figure 112011085038437-pat00276
,
Figure 112011085038437-pat00277
,
Figure 112011085038437-pat00278
,
Figure 112011085038437-pat00279
,
Figure 112011085038437-pat00280
의 계산을 위해 사용되는 2차 전지의 상수값 중 일부인
Figure 112011085038437-pat00281
Figure 112011085038437-pat00282
는 2차 전지를 만 충전시킨 후 주기적으로 정 전류를 방전시키면서 개방 회로 전압을 측정한 후 그 실험 결과와 매칭될 수 있도록 시행착오법에 의해 결정된다.Meanwhile, in the long-time sliding mode observer 114, a defined state function that is a parameter used in the state equation of Equation 16 is used.
Figure 112011085038437-pat00274
,
Figure 112011085038437-pat00275
,
Figure 112011085038437-pat00276
,
Figure 112011085038437-pat00277
,
Figure 112011085038437-pat00278
,
Figure 112011085038437-pat00279
,
Figure 112011085038437-pat00280
Some of the constant values of secondary batteries used to calculate
Figure 112011085038437-pat00281
and
Figure 112011085038437-pat00282
Is determined by trial and error method to measure the open circuit voltage while periodically discharging a constant current and then to match the experimental results.

이러한 방법 중의 하나로 먼저 슬라이딩 모드 관측기의 파라미터

Figure 112011085038437-pat00283
,
Figure 112011085038437-pat00284
,
Figure 112011085038437-pat00285
,
Figure 112011085038437-pat00286
,
Figure 112011085038437-pat00287
,
Figure 112011085038437-pat00288
,
Figure 112011085038437-pat00289
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 수행한다. 정 전류 방전 실험은 180초 동안 5A의 전류를 방전시켰다가 3600초 동안 방전을 휴지하는 과정을 하나의 싸이클로 하여 20회 반복한다.One of these methods is the parameter of the sliding mode observer.
Figure 112011085038437-pat00283
,
Figure 112011085038437-pat00284
,
Figure 112011085038437-pat00285
,
Figure 112011085038437-pat00286
,
Figure 112011085038437-pat00287
,
Figure 112011085038437-pat00288
,
Figure 112011085038437-pat00289
After the secondary battery is 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 is performed. In the constant current discharge experiment, the cycle of discharging 5A for 180 seconds and stopping the discharge for 3600 seconds is repeated 20 times as one cycle.

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 6에 도시된 바와 같은 SOC 와 개방 회로 전압 간의 상호 관계를 나타내는 그래프를 얻었다.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. 6 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 112011085038437-pat00290
,
Figure 112011085038437-pat00291
를 산출하였다.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 112011085038437-pat00290
,
Figure 112011085038437-pat00291
Was calculated.

결국 장기 비선형 관측기(114)에서는 다음과 같은 수학식에 의하여

Figure 112011085038437-pat00292
를 산출하게 된다.After all, in the long-term nonlinear observer 114 by the following equation
Figure 112011085038437-pat00292
Will yield.

Figure 112011085038437-pat00293
Figure 112011085038437-pat00293

여기서

Figure 112011085038437-pat00294
Figure 112011085038437-pat00295
의 예측치이다.here
Figure 112011085038437-pat00294
The
Figure 112011085038437-pat00295
Is an estimate of.

상술한 바와 같이 산출된

Figure 112011085038437-pat00296
는 최대 출력 연산기(116)로 입력된다.Calculated as above
Figure 112011085038437-pat00296
Is input to the maximum output operator 116.

이후, 충전량(Z)에 대한 변수와 저항(R)에 대한 변수를 입력받은 최대 출력 연산기(116)는 이 두 변수를 이용하여 최대 출력(Pmax)을 계산하게 된다.Thereafter, the maximum output calculator 116 that receives the variable for the charge amount Z and the variable for the resistance R calculates the maximum output P max using these two variables.

즉, 단기 비선형 관측기(112)에서 산출된 충전량 예측치(

Figure 112011085038437-pat00297
)와 장기 비선형 관측기(114)에서 산출된 저항(
Figure 112011085038437-pat00298
)을 이용하여 먼저 최대 전류(Imax)를 수학식 28에 의하여 산출하고, 산출된 최대 전류(Imax)로부터 수학식 29에 의하여 최대 출력(Pmax)을 계산하게 된다.That is, the charge prediction value calculated by the short-term nonlinear observer 112 (
Figure 112011085038437-pat00297
) And the resistance calculated by the long-term nonlinear observer 114 (
Figure 112011085038437-pat00298
First, the maximum current I max is calculated by Equation 28, and the maximum output P max is calculated by Equation 29 from the calculated maximum current I max .

Figure 112011085038437-pat00299
Figure 112011085038437-pat00299

여기서

Figure 112011085038437-pat00300
는 충전량에 해당되는 개방 전압으로 배터리 충방전 시험에 의해서 미리 얻어진다. 도 6에 리륨 배터리의 OCV(Z) 커브가 나타나 있다.here
Figure 112011085038437-pat00300
Is obtained in advance by a battery charge / discharge test with an open voltage corresponding to the charge amount. 6 shows an OCV (Z) curve of a lithium battery.

도 6은 본 발명에 따른 정 전류 방전 실험 결과를 이용하여 SOC(State Of Charge) 전 구간(0~1)에 걸쳐 개방 회로 전압을 플로팅한 그래프이다.FIG. 6 is a graph in which open circuit voltages are plotted over an entire period of state of charge (SOC) (0 to 1) using the result of a constant current discharge experiment according to the present invention.

Vlimit은 충전과 방전에 따라 결정되며 일반적으로 충전시는 4.2V, 방전시는 2.8V이다.The V limit is determined by charging and discharging. Generally, 4.2V is charged and 2.8V is discharged.

Figure 112011085038437-pat00301
Figure 112011085038437-pat00301

계산된 Pmax는 충전과 방전값이 다르기 때문에 Pchg, max와 Pdis,max로 구분하여 표시하기도 한다.
The calculated P max is also expressed as P chg , max, P dis , and max because the charge and discharge values are different.

상술한 바와 같이, 주행 중 배터리의 출력에 영향을 미치는 배터리 전압, 전류, 온도 정보를 이용하여 배터리의 내부 상태 변수를 알아낼 수 있는 비선형 관측기인 슬라이딩 모드 관측기로 배터리의 출력을 미리 추출하여 양자 간의 상관 관계를 이용하여 최대 출력을 산출하고, 산출된 최대 출력값은 하이브리드 전기 자동차의 HCU(230)의 차량 제어 장치에 전달되어 배터리의 출력을 제어하게 된다.As described above, the output of the battery is previously extracted by a sliding mode observer, which is a nonlinear observer that can determine the internal state variables of the battery by using battery voltage, current, and temperature information that affects the output of the battery while driving. The maximum output is calculated using the relationship, and the calculated maximum output value is transmitted to the vehicle control apparatus of the HCU 230 of the hybrid electric vehicle to control the output of the battery.

본 발명에서는 배터리 최대 출력 추정 방법의 정확성을 검증하기 위한 실험을 실시하여, 도 4와 같은 리튬 배터리의 OCV(Z)커브도를 얻을 수 있었다.In the present invention, the experiment for verifying the accuracy of the battery maximum power estimation method was carried out, it was possible to obtain the OCV (Z) curve of the lithium battery as shown in FIG.

배터리의 충전 상태(SOC)가 복수의 온도(temp)에서 온도별 OCV(Z) 커버가 거의 동일한 커버로 일치함을 보여주기 때문에 온도의 차에 관계없이 배터리의 최대 출력을 추정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
Since the battery's state of charge (SOC) shows that the OCV (Z) cover by temperature at multiple temperatures (temp) is nearly identical, the maximum output of the battery can be estimated regardless of the temperature difference. Can be.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art.

100 : 배터리팩 시스템 110 : 배터리 제어기
112 : 단기 비선형 관측기 114 : 장기 비선형 관측기
116 : 최대 출력 연산기 120 : 2차전지
210 : 인버터 220 : 모터
230 : HCU
100: battery pack system 110: battery controller
112: short-term nonlinear observer 114: long-term nonlinear observer
116: maximum output calculator 120: secondary battery
210: inverter 220: motor
230: HCU

Claims (9)

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 슬라이딩 관측기의 정 궤환 이득 상수, 개방 회로 전압별 SOC 테이블을 이용한 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 장치에 있어서,
상기 관측기에 기초하여 Vt, Vp 및 Z의 예측치
Figure 112013049499531-pat00351
,
Figure 112013049499531-pat00352
Figure 112013049499531-pat00353
를 계산하는 수학적 알고리즘으로 충전량(
Figure 112013049499531-pat00354
)을 산출하는 단기 비선형 관측기;
오프-라인 상태에서의 정 전류 방전 실험을 토대로 한 2차 전지의 모델링 회로를 기준으로 저항
Figure 112013049499531-pat00355
을 산출하는 장기 비선형 관측기;및
상기 단기 비선형 관측기의 충전량(
Figure 112013049499531-pat00356
)과 상기 장기 비선형 관측기의 저항(
Figure 112013049499531-pat00357
)으로 최대 출력을 산출하는 최대 출력 연산기;
를 포함하되,
상기 단기 비선형 관측기는
상기 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 각 상태 방정식은 다음의 수학식에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 장치.
Figure 112013049499531-pat00358

여기서,
Figure 112013049499531-pat00359
이고 ,
Figure 112013049499531-pat00360

며,
Figure 112013049499531-pat00361

이며,
Cn은 2차 전지의 공칭 정전용량(nominal capacitance)이며,
I는 2차 전지에 대한 모델링 회로의 순시 전류이며,
Rb는 2차 전지에 대한 모델링 회로의 파급 저항(propagation resistance)을 모델링하기 위한 파급 저항 성분이며,
Rp는 2차 전지에 대한 모델링 회로의 상기 전류(I)의 함수인 확산 저항(diffusion resistance) 성분이며,
Rt는 는 2차 전지에 대한 모델링 회로의 오믹 저항 성분이다.
Secondary battery output voltage (Vt) induced by RC circuit modeling taking into account the open circuit voltage (Voc (Z)) of the secondary battery, the capacitor component (Cp) due to the polarization effect of the battery, and the resistance component inside the battery, Hybrid electric vehicle battery using the parameters of the state equations for the voltage across the capacitor (Vp) and SOC (Z), the positive feedback gain constant of the sliding observer designed in the sliding mode based on the above state equations, and the SOC table for each open circuit voltage. In the maximum output power prediction device while driving of,
Estimates of Vt, Vp and Z based on the observer
Figure 112013049499531-pat00351
,
Figure 112013049499531-pat00352
And
Figure 112013049499531-pat00353
A mathematical algorithm for calculating the amount of charge (
Figure 112013049499531-pat00354
A short-term nonlinear observer yielding;
Resistance based on the modeling circuit of a secondary battery based on experiments with constant current discharge in off-line state
Figure 112013049499531-pat00355
A long-term nonlinear observer that yields a; and
The charge amount of the short-term nonlinear observer (
Figure 112013049499531-pat00356
) And the resistance of the long-term nonlinear observer (
Figure 112013049499531-pat00357
A maximum output calculator for calculating a maximum output with;
Including,
The short-term nonlinear observer
Each state equation for the secondary battery output voltage (Vt), the capacitor voltage across the capacitor (Vp) and SOC (Z) is expressed by the following equation, the maximum output power during the driving of the hybrid electric vehicle battery Prediction device.
Figure 112013049499531-pat00358

here,
Figure 112013049499531-pat00359
ego ,
Figure 112013049499531-pat00360
this
In addition,
Figure 112013049499531-pat00361

Lt;
Cn is the nominal capacitance of the secondary battery,
I is the instantaneous current of the modeling circuit for the secondary battery,
Rb is a propagation resistance component for modeling propagation resistance of a modeling circuit for a secondary battery,
Rp is a diffusion resistance component that is a function of the current (I) of the modeling circuit for the secondary cell,
Rt is the ohmic resistance component of the modeling circuit for the secondary battery.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 단기 비선형 관측기는 다음의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 장치.
Figure 112013049499531-pat00313

여기서,
Figure 112013049499531-pat00314
,
Figure 112013049499531-pat00315
,
Figure 112013049499531-pat00316
는 정 궤환 이득 상수이다.
The method of claim 1,
The short-term nonlinear observer for the secondary battery output voltage (Vt), the capacitor voltage across the capacitor (Vp), and the SOC (Z) is expressed by the following equation. Device.
Figure 112013049499531-pat00313

here,
Figure 112013049499531-pat00314
,
Figure 112013049499531-pat00315
,
Figure 112013049499531-pat00316
Is the positive feedback gain constant.
제 1항에 있어서,
상기 장기 비선형 관측기는
2차 전지의 모델링 회로에 대한
Figure 112013049499531-pat00362
Figure 112013049499531-pat00363
는 다음의 수학식에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 장치.
Figure 112013049499531-pat00364

여기서,
Figure 112013049499531-pat00365
Figure 112013049499531-pat00366
의 예측치이고,
Figure 112013049499531-pat00367
Figure 112013049499531-pat00368
의 예측치이며,
ex는 X에 대한 시스템 출력의 예측치와 실제치의 오차이다.
The method of claim 1,
The long term nonlinear observer
For the modeling circuit of the secondary battery
Figure 112013049499531-pat00362
and
Figure 112013049499531-pat00363
The maximum output power prediction device during driving of the hybrid electric vehicle battery, characterized in that it is calculated by the following equation.
Figure 112013049499531-pat00364

here,
Figure 112013049499531-pat00365
The
Figure 112013049499531-pat00366
Is an estimate of,
Figure 112013049499531-pat00367
silver
Figure 112013049499531-pat00368
Is an estimate of
e x is the error between the predicted and actual values of the system output for X.
제 1항에 있어서,
상기 최대 출력 연산기는 다음의 수학식으로 최대 출력을 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 장치.
Figure 112011085038437-pat00324

여기서
Figure 112011085038437-pat00325
는 충전량에 해당되는 개방 전압으로 배터리 충방전 시험에 의해서 미리 얻어지는 상수이며, Vlimit은 충전과 방전에 따라 결정되는 전압치이다.
The method of claim 1,
The maximum output calculator is a maximum output power prediction device while driving the hybrid electric vehicle battery, characterized in that for calculating the maximum output by the following equation.
Figure 112011085038437-pat00324

here
Figure 112011085038437-pat00325
Is an open voltage corresponding to the charge amount, and is a constant obtained by a battery charge / discharge test in advance, and V limit is a voltage value determined by charge and discharge.
배터리 전압,전류,온도 정보 중의 어느 하나의 정보로 구성된 배터리 파라미터를 전압에 관련된 단기 비선형 상태변수와 출력에 관련된 장기 비선형 상태변수로 구성하는 단계;
2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)의 예측치를 사용하여 단기 비선형 관측기에서 상기 단기 비선형 상태변수로 충전량(
Figure 112013049499531-pat00369
)을 산출하는 단계;
장기 비선형 관측기에서 오프-라인 상태에서의 정 전류 방전 실험을 토대로 한 2차 전지의 모델링 회로를 기준으로 저항
Figure 112013049499531-pat00370
을 산출하는 단계;및
최대 출력 연산기에서 상기 충전량(
Figure 112013049499531-pat00371
)과 상기 저항(
Figure 112013049499531-pat00372
)을 사용하여 최대 출력을 산출하는 단계;
를 포함하되,
상기 2차 전지 출력 전압(Vt), 캐패시터 양단 전압(Vp) 및 SOC(Z)에 대한 단기 비선형 관측기는 다음의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 방법.
Figure 112013049499531-pat00373

여기서,
Figure 112013049499531-pat00374
,
Figure 112013049499531-pat00375
,
Figure 112013049499531-pat00376
는 정 궤환 이득 상수이며,
.
Figure 112013049499531-pat00377
이고 ,
Figure 112013049499531-pat00378

며,
Figure 112013049499531-pat00379

이며,
Cn은 2차 전지의 공칭 정전용량(nominal capacitance)이며,
I는 2차 전지에 대한 모델링 회로의 순시 전류이며,
Rb는 2차 전지에 대한 모델링 회로의 파급 저항(propagation resistance)을 모델링하기 위한 파급 저항 성분이며,
Rp는 2차 전지에 대한 모델링 회로의 상기 전류(I)의 함수인 확산 저항(diffusion resistance) 성분이며,
Rt는 는 2차 전지에 대한 모델링 회로의 오믹 저항 성분이다.
Constructing a battery parameter composed of any one of battery voltage, current, and temperature information into a short-term nonlinear state variable related to a voltage and a long-term nonlinear state variable related to an output;
Using the estimates of the secondary battery output voltage (Vt), the voltage across the capacitor (Vp), and the SOC (Z), the amount of charge
Figure 112013049499531-pat00369
);
Resistance based on modeling circuit of secondary battery based on constant current discharge experiment in off-line state in long-term nonlinear observer
Figure 112013049499531-pat00370
Calculating a; and
The charge amount at the maximum output calculator (
Figure 112013049499531-pat00371
) And the resistance (
Figure 112013049499531-pat00372
Calculating a maximum output using;
Including,
The short-term nonlinear observer for the secondary battery output voltage (Vt), the voltage across the capacitor (Vp), and the SOC (Z) is expressed by the following equation. Way.
Figure 112013049499531-pat00373

here,
Figure 112013049499531-pat00374
,
Figure 112013049499531-pat00375
,
Figure 112013049499531-pat00376
Is the positive feedback gain constant,
.
Figure 112013049499531-pat00377
ego ,
Figure 112013049499531-pat00378
this
In addition,
Figure 112013049499531-pat00379

Lt;
Cn is the nominal capacitance of the secondary battery,
I is the instantaneous current of the modeling circuit for the secondary battery,
Rb is a propagation resistance component for modeling propagation resistance of a modeling circuit for a secondary battery,
Rp is a diffusion resistance component that is a function of the current (I) of the modeling circuit for the secondary cell,
Rt is the ohmic resistance component of the modeling circuit for the secondary battery.
삭제delete 제 6항에 있어서,
상기 장기 비선형 관측기는
2차 전지의 모델링 회로에 대한
Figure 112013049499531-pat00380
Figure 112013049499531-pat00381
는 다음의 수학식에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 방법.
Figure 112013049499531-pat00382

여기서,
Figure 112013049499531-pat00383
Figure 112013049499531-pat00384
의 예측치이고,
Figure 112013049499531-pat00385
Figure 112013049499531-pat00386
의 예측치이며,
ex는 X에 대한 시스템 출력의 예측치와 실제치의 오차이다.
The method according to claim 6,
The long term nonlinear observer
For the modeling circuit of the secondary battery
Figure 112013049499531-pat00380
and
Figure 112013049499531-pat00381
The maximum output power prediction method of driving a hybrid electric vehicle battery, characterized in that it is calculated by the following equation.
Figure 112013049499531-pat00382

here,
Figure 112013049499531-pat00383
The
Figure 112013049499531-pat00384
Is an estimate of,
Figure 112013049499531-pat00385
silver
Figure 112013049499531-pat00386
Is an estimate of
e x is the error between the predicted and actual values of the system output for X.
제 8항에 있어서,
상기 최대 출력 연산기는 다음의 수학식으로 최대 출력을 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 배터리의 주행 중 최대 출력파워 예측 방법.
Figure 112011085038437-pat00341

여기서
Figure 112011085038437-pat00342
는 충전량에 해당되는 개방 전압으로 배터리 충방전 시험에 의해서 미리 얻어지는 상수이며, Vlimit은 충전과 방전에 따라 결정되는 전압치이다.
The method of claim 8,
The maximum output calculator is a maximum output power prediction method of driving a hybrid electric vehicle battery, characterized in that for calculating the maximum output by the following equation.
Figure 112011085038437-pat00341

here
Figure 112011085038437-pat00342
Is an open voltage corresponding to the charge amount, and is a constant obtained by a battery charge / discharge test in advance, and V limit is a voltage value determined by charge and discharge.
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