KR101792537B1 - Apparatus and method for battery status estimation, recording medium for performing the method - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for estimating a battery state which estimates a state of charge (SOC) of a battery. The method comprises: calculating an open circuit voltage reflecting a diffusion phenomenon by using a diffusion index determined by a predetermined relaxation time; calculating an open circuit voltage analyzing a hysteresis phenomenon of the battery, and reflecting the hysteresis phenomenon from a modeled hysteresis loop; and estimating an SOC of the battery by applying the open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon and the open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon to a dispersion point Kalman filter.

Description

배터리 상태 추정 장치 및 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체{APPARATUS AND METHOD FOR BATTERY STATUS ESTIMATION, RECORDING MEDIUM FOR PERFORMING THE METHOD}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a battery state estimation device and method, and a recording medium for performing the same. BACKGROUND OF THE INVENTION [0002]

본 발명은 배터리 상태 추정 장치 및 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실드 플러디드 납축 배터리의 확산 현상 및 히스테리시스 현상을 고려한 배터리 상태 추정 장치 및 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for estimating a battery state, a recording medium for performing the same, and more particularly, to an apparatus and method for estimating a battery state considering diffusion phenomenon and hysteresis phenomenon of a shielded flooded lead-acid battery, .

에너지 저장 시스템은 스마트 그리드부터 플러그인 하이브리드 전기차 및 전기차와 같은 전기 운송 시스템에 이르기까지 그 수요가 증가하고 있는 추세이다. 에너지 저장 시스템 중에서 배터리는 플라이휠(flywheel), 울트라 커패시터(ultracapacitor) 또는 수소 저장장치와 같은 다른 시스템들에 비해 넓은 범위의 전력, 에너지 밀도 및 낮은 가격을 갖는다는 점에서 주목받고 있다.Energy storage systems are increasingly in demand from smart grids to plug-in hybrid electric vehicles and electric vehicles such as electric vehicles. Among energy storage systems, batteries are attracting attention in that they have a wider range of power, energy density and lower cost than other systems such as flywheels, ultracapacitors or hydrogen storage devices.

이러한 배터리는 리튬 이온(Li Ion), 납축(Lead acid) 및 니켈 카드뮴(Nickel Cadmium) 등과 같이 다양한 종류가 사용되고 있다. 이 중에서 납축 배터리는 낮은 가격과 긴 수명을 갖는 플러디드(flooded) 타입이 널리 사용되고 있다. Such batteries are used in various types such as lithium ion (Li Ion), lead acid, and nickel cadmium. Of these, lead-acid batteries are widely used because of their low cost and long life.

한편, 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)에 있어서 배터리의 SOC(State of Charge)를 측정하는 것은 가장 기본적인 요구 사항 중에 하나이다. 배터리 관리 시스템은 배터리의 적절한 등가 모델을 이용하여 배터리를 과전압 및 과전류로부터 보호하고, SOC(State of Charge) 또는 SOH(State of Health)등과 같은 배터리의 상태를 측정할 수 있다.Meanwhile, measuring the state of charge (SOC) of a battery in a battery management system (BMS) is one of the most basic requirements. The battery management system can use an appropriate equivalent model of the battery to protect the battery from overvoltage and overcurrent, and to measure the state of the battery, such as State of Charge (SOC) or State of Health (SOH).

이때, 배터리 등가 회로를 모델링하는 데 있어서 SOC-OCV 관계는 매우 중요한 요소이다. 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)은 SOC 입력 및 SOC-OCV 관계에 의해 계산되고, 배터리 극성과 결합될 수 있다. SOC-OCV 관계는 일대일 맵핑되는 것이 아닌 히스테리시스 현상(hysteresis effect)를 보인다. 즉, OCV는 동일한 SOC에서도 충전 및 방전 히스토리에 따라 다른 값을 가지게 된다. At this time, the SOC-OCV relationship is a very important factor in modeling the battery equivalent circuit. Open circuit voltage (OCV) is calculated by SOC input and SOC-OCV relationship and can be combined with battery polarity. The SOC-OCV relationship is not a one-to-one mapping, but a hysteresis effect. That is, the OCV has a different value depending on the charge and discharge history even in the same SOC.

한편, 이러한 히스테리시스 현상은 리튬 이온 배터리에서는 거의 고려되지 않는데, 그 이유는 대부분의 영역에서의 SOC-OCV 충전 및 방전 커브의 차이가 매우 작기 때문이다. 반면, 납축 배터리, 특히 실드 플러디드 납축 배터리에 있어서 히스테리시스 현상은 매우 중요하게 고려되어야 한다. 즉, 납축 배터리의 SOC를 측정하는데 있어서 히스테리시스 현상을 모델링하는 것이 가장 중요하다. 히스테리시스 현상에 큰 영향을 받지 않는 배터리들의 SOC-OCV 관계를 확인할 때에는 평균 충전 및 방전 커브를 이용하는데, 이와 같은 방식으로 히스테리시스 현상에 큰 영향을 받는 배터리들의 SOC-OCV 관계를 확인하는 경우 큰 오류가 발생하게 된다. 예를 들면, 실험에 의해 히스테리시스 커브를 모델링하는 방법, 전압 특성을 표현하기 위한 일차 미분 방정식을 이용하는 방법, 평행사변형을 이용하는 방법, 히스테리시스 모양을 모델링하기 위한 이차 다항식을 이용하는 방법 등이 있다. 이러한 방법들은 모두 SOC-OCV 방전 커브가 SOC-OCV 충전 커브에 적용될 때마다 히스테리시스 루프가 항상 닿는다는 사실에 기반한 것이다.On the other hand, this hysteresis phenomenon is hardly taken into consideration in a lithium ion battery because the difference between SOC-OCV charge and discharge curves in most regions is very small. On the other hand, hysteresis phenomena should be considered very important for lead-acid batteries, especially shielded pledged lead-acid batteries. In other words, it is most important to model the hysteresis phenomenon in measuring the SOC of the lead-acid battery. The average charge and discharge curves are used to check the SOC-OCV relationship of the batteries that are not significantly affected by the hysteresis phenomenon. When checking the SOC-OCV relationship of the batteries, which are greatly affected by the hysteresis phenomenon in this way, . For example, there are a method of modeling a hysteresis curve by an experiment, a method using a first-order differential equation for expressing a voltage characteristic, a method using a parallelogram, and a method using a quadratic polynomial for modeling a hysteresis shape. All of these methods are based on the fact that the hysteresis loop always touches whenever the SOC-OCV discharge curve is applied to the SOC-OCV charge curve.

그러나, 종래의 제안된 히스테리시스 현상 모델링 방법들을 실드 플러디드 납축 배터리에 적용하기에는 적합하지 않으며, 실드 플러디드 납축 배터리의 특성에 맞는 새로운 히스테리시스 현상 모델링 방법이 필요하다.However, the conventional hysteresis phenomenon modeling methods are not suitable for use in a shielded flooded lead-acid battery, and a new hysteresis phenomenon modeling method suited to the characteristics of a shielded flooded lead-acid battery is needed.

본 발명의 일측면은 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 현상을 모델링하여 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압(OCV)을 산출하고 이를 반영하여 배터리 상태를 추정하는 배터리 상태 추정 장치 및 방법, 이를 수행하기 위한 기록매체를 제공한다.One aspect of the present invention is a battery state estimating apparatus and method for estimating a battery state by calculating an open circuit voltage (OCV) reflecting a hysteresis phenomenon by modeling a hysteresis phenomenon of a shielded flooded lead-acid battery, Media.

본 발명의 일측면은 배터리의 SOC(State of Charge)를 추정하는 배터리 상태 추정 방법에 있어서, 미리 정해진 완화 시간에 따라 결정되는 확산 지수를 이용하여 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하고, 상기 배터리의 히스테리시스 현상을 분석하여 모델링한 히스테리시스 루프로부터 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하며, 상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압 및 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 분산점 칼만 필터에 적용하여 상기 배터리의 SOC를 추정한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a battery state estimation method for estimating a state of charge (SOC) of a battery, the method comprising: calculating an open circuit voltage reflecting diffusion phenomenon using a diffusion index determined according to a predetermined relaxation time; The open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon and the open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon are applied to the dispersion point Kalman filter to calculate the open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon, Estimate the SOC.

한편, 상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것은, 3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압과 3시간의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압을 산출하는 것을 더 포함할 수 있다.On the other hand, calculating the open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon may further include calculating an open circuit voltage having an open circuit voltage having a mitigation time of 3 minutes and a mitigation time of 3 hours.

또한, 상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것은, 확산 현상을 반영하는 파라미터인 확산 지수에 따라 상기 3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압과 상기 3시간의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압 사이에서 결정되는 상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것일 수 있다.The calculation of the open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon may be performed between the open circuit voltage having the relaxation time of 3 minutes and the open circuit voltage having the relaxation time of 3 hours according to the diffusion index, Circuit voltage that reflects the diffusion phenomenon that is determined by the open circuit voltage.

또한, 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것은, 평행사변형 형상의 히스테리시스 루프를 모델링하는 것을 포함할 수 있다.Further, calculating the open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon may include modeling a hysteresis loop of a parallelogram shape.

또한, 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것은, 상기 히스테리시스 루프의 평행사변형의 기울기를 이용하여 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것일 수 있다.The calculation of the open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon may be performed using the slope of the parallelogram of the hysteresis loop to calculate the open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon.

또한, 상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압 및 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 분산점 칼만 필터에 적용하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 것은, 상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압 및 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압과 상기 배터리의 파라미터를 예측(prediction), 관찰(observation) 및 측정(measurement) 단계로 이루어지는 상기 분산점 칼만 필터에 적용하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 것일 수 있다.The estimation of the SOC of the battery by applying the open-circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon and the open-circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon to the distributed point Kalman filter may include estimating the SOC of the battery based on the open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon and the hysteresis phenomenon The SOC of the battery may be estimated by applying the open circuit voltage and the parameters of the battery to the dispersion point Kalman filter including prediction, observation, and measurement steps.

또한, 상기 배터리는, 실드 플러디드 납축 배터리일 수 있다.Further, the battery may be a shielded float lead-acid battery.

또한, 배터리 상태 추정 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체일 수 있다.Further, it may be a computer-readable recording medium on which a computer program for performing the battery state estimation method is recorded.

한편, 본 발명의 다른 측면은 배터리의 SOC(State of Charge)를 추정하는 배터리 상태 추정 장치에 있어서, 미리 정해진 완화 시간에 따라 결정되는 확산 지수를 이용하여 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 제1 OCV(Open Circuit Voltage) 산출부, 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 제2 OCV 산출부 및 상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압 및 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 분산점 칼만 필터에 적용하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a battery state estimating apparatus for estimating an SOC (State of Charge) of a battery, the battery state estimating apparatus estimating an SOC (State of Charge) of the battery using a diffusion index determined according to a predetermined relaxation time, A second OCV calculator for calculating an open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon and an open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon and an open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon to a dispersion point Kalman filter And an SOC estimation unit for estimating an SOC of the battery.

한편, 상기 제1 OCV 산출부는, 3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압과 3시간의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압을 산출하는 것을 더 포함할 수 있다.On the other hand, the first OCV calculator may further include calculating an open circuit voltage having an open circuit voltage having a relaxation time of 3 minutes and a relaxation time of 3 hours.

또한, 상기 제1 OCV 산출부는, 확산 현상을 반영하는 파라미터인 확산 지수에 따라 상기 3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압과 상기 3시간의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압 사이에서 결정되는 상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출할 수 있다.Further, the first OCV calculation unit calculates the first OCV based on the diffusion phenomenon determined between the open-circuit voltage having the relaxation time of 3 minutes and the open-circuit voltage having the relaxation time of 3 hours according to the diffusion index, The open circuit voltage can be calculated.

또한, 상기 제2 OCV 산출부는, 평행사변형 형상의 히스테리시스 루프를 모델링하는 것을 더 포함할 수 있다.Further, the second OCV calculator may further include modeling a hysteresis loop of a parallelogram shape.

또한, 상기 제2 OCV 산출부는, 상기 히스테리시스 루프의 평행사변형의 기울기를 이용하여 상기 히스테리시스 현상을 방영한 개방 회로 전압을 산출할 수 있다.In addition, the second OCV calculator may calculate an open circuit voltage using the slope of the parallelogram of the hysteresis loop to display the hysteresis phenomenon.

또한, 상기 SOC 추정부는, 상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압 및 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압과 상기 배터리의 파라미터를 예측(prediction), 관찰(observation) 및 측정(measurement) 단계로 이루어지는 상기 분산점 칼만 필터를 이용하여 상기 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.Also, the SOC estimating unit may calculate the SOC of the battery based on the open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon, the open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon, and the dispersion point including the prediction, observation, The SOC of the battery can be estimated using the Kalman filter.

또한, 상기 배터리는, 실드 플러디드 납축 배터리일 수 있다.Further, the battery may be a shielded float lead-acid battery.

상술한 본 발명의 일측면에 따르면 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 특성에 맞는 히스테리시스 루프를 모델링하고, 이를 이용하여 산출한 파라미터를 분산점 칼만 필터(UKF)에 적용하여 배터리의 SOC를 추정함으로써 그 오차를 최소화할 수 있다.According to an aspect of the present invention, a hysteresis loop matching a hysteresis characteristic of a shielded flooded lead-acid battery is modeled and a parameter calculated using the hysteresis loop is applied to a dispersion point Kalman filter UKF to estimate an SOC of the battery, Can be minimized.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 장치의 제어 블록도이다.
도 2는 납축 배터리의 등가 회로도이다.
도 3은 3시간 및 3분의 완화 시간을 갖는 SOC-OCV 커브의 일 예를 도시한 그래프이다.
도 4 내지 도 6은 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 현상의 특징을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 제2 OCV 산출부에서 모델링한 히스테리시스 루프의 일 예이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 추정 장치를 이용하여 배터리의 SOC를 추정한 결과와, 종래의 방식으로 배터리의 SOC를 추정한 결과를 비교하기 위해 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
1 is a control block diagram of a battery state estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is an equivalent circuit diagram of a lead-acid battery.
3 is a graph showing an example of an SOC-OCV curve with 3 and 3 minute relaxation times.
FIGS. 4 to 6 are graphs for explaining the characteristics of the hysteresis phenomenon of the shielded flooded lead-acid battery.
7 is an example of a hysteresis loop modeled by the second OCV calculator.
FIG. 8 is a graph illustrating a result of estimating the SOC of a battery using a battery estimating apparatus according to an embodiment of the present invention and a result of estimating the SOC of the battery in a conventional manner.
9 is a flowchart illustrating a battery state estimation method according to an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 장치의 제어 블록도이다.1 is a control block diagram of a battery state estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 장치(100)는 제1 OCV(Open Circuit Voltage) 산출부(110), 제2 OCV 산출부(120) 및 SOC(State of Charge) 추정부(130)를 포함할 수 있다.1, a battery state estimation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a first OCV (Open Circuit Voltage) calculation unit 110, a second OCV calculation unit 120, and a State of Charge (SOC) ) Estimating unit 130 in accordance with the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 장치(100)는 실드 플러디드 납축 배터리의 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압(OCV)을 산출하고, 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압(OCV)을 산출하며, 이러한 개방 회로 전압(OCV)들을 분산점 칼만 필터(UKF: Unscented Kalman Filter)에 적용하여 실드 플러디드 납축 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.The battery condition estimating apparatus 100 according to an embodiment of the present invention calculates an open circuit voltage (OCV) reflecting a diffusion phenomenon of a shielded flooded lead-acid battery, calculates an open circuit voltage (OCV) reflecting a hysteresis phenomenon, These open circuit voltages (OCVs) can be applied to a distributed point Kalman filter (UKF) to estimate the SOC of a shielded flooded lead-acid battery.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 장치(100)는 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 특성을 관찰하여 히스테리시스 현상을 모델링하고, 이를 반영하여 배터리의 SOC를 추정함으로써 그 오차를 줄일 수 있다.Particularly, the battery condition estimating apparatus 100 according to an embodiment of the present invention can estimate the SOC of the battery by modeling the hysteresis phenomenon by observing the hysteresis characteristic of the shielded flooded lead-acid battery, .

이하, 도 1에 도시된 배터리 상태 추정 장치(100)의 각 구성요소에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, each component of the battery condition estimation apparatus 100 shown in FIG. 1 will be described in detail.

먼저, 제1 OCV 산출부(110)는 배터리의 확산 현상(diffusion effect)을 반영한 개방 회로 전압(OCV)을 산출할 수 있다. 이와 관련하여 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.First, the first OCV calculator 110 may calculate an open circuit voltage (OCV) reflecting the diffusion effect of the battery. This will be described with reference to FIG. 2 and FIG.

도 2는 납축 배터리의 등가 회로도이다.2 is an equivalent circuit diagram of a lead-acid battery.

도 2를 참조하면, 배터리의 등가 회로는 내부 저항(Ri)이 병렬로 연결된 충전 전달 저항(Rct) 및 이중층 커패시터(Cdl)와 직렬 연결된 상태에서 개방 회로 전압(OCVf)에 연결되어, 배터리 전류에 의한 전압 응답을 나타낼 수 있다. 이때, 개방 회로 전압(OCVf)는 확산 현상(diffusion) 및 히스테리시스 현상(hysteresis)을 모두 포함하는 마지막 단계의 개방 회로 전압(OCV)일 수 있다.2, an equivalent circuit of a battery is connected to an open circuit voltage OCV f in series with a charge transfer resistor R ct and a double layer capacitor C dl , to which an internal resistor R i is connected in parallel , And a voltage response due to the battery current. At this time, the open circuit voltage OCV f may be the last stage open circuit voltage OCV including both diffusion and hysteresis.

한편, SOC와 개방 회로 전압(OCV)의 관계를 나타내는 SOC-OCV 커브는 3시간 및 3분의 완화 시간을 갖고 계산될 수 있다. 이때, 3시간 동안 OCV가 거의 일정해져 충전 전달 저항(Rct) 및 이중층 커패시터(Cdl)의 확산 현상이 끝나기 때문에 3분의 완화 시간이 선택될 수 있다. On the other hand, the SOC-OCV curve showing the relationship between the SOC and the open circuit voltage (OCV) can be calculated with a relaxation time of 3 hours and 3 minutes. At this time, the relaxation time of 3 minutes can be selected because the OCV is almost fixed for 3 hours and the diffusion phenomenon of the charge transfer resistance (R ct ) and the bilayer capacitor (C dl ) is finished.

도 3은 이와 같이 3시간 및 3분의 완화 시간을 갖는 SOC-OCV 커브의 일 예를 도시한 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing an example of an SOC-OCV curve having a relaxation time of 3 hours and 3 minutes in this manner.

도 3을 참조하면, 서로 다른 SOC에서의 3분 및 3시간의 완화 시간을 갖는 커브 사이의 차이가 다름을 확인할 수 있다. 이때, 3분 및 3시간의 완화 시간을 갖는 SOC-OCV 커브는 5차 다항식으로 표현될 수 있다. Referring to FIG. 3, it can be seen that the differences between the curves with the relaxation times of 3 minutes and 3 hours at different SOCs are different. At this time, the SOC-OCV curve having a relaxation time of 3 minutes and 3 hours can be expressed by a fifth-order polynomial.

한편, 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압(OCV)은 아래의 수학식 1을 이용하여 산출될 수 있다.On the other hand, the open circuit voltage (OCV) reflecting the diffusion phenomenon can be calculated using the following equation (1).

Figure 112016078420394-pat00001
Figure 112016078420394-pat00001

수학식 1에서 OCVd는 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 나타내고, OCV3h 및 OCV3m은 각각 3시간 및 3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압, s는 SOC를 의미하고,

Figure 112016078420394-pat00002
는 확산 지수를 의미하며 아래의 수학식 2를 이용하여 산출될 수 있다.OCV d represents the open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon, OCV 3h and OCV 3m are the open circuit voltages having a relaxation time of 3 hours and 3 minutes respectively, s means SOC,
Figure 112016078420394-pat00002
Means a diffusion index and can be calculated using the following equation (2).

Figure 112016078420394-pat00003
Figure 112016078420394-pat00003

수학식 2에서

Figure 112016078420394-pat00004
는 확산 시간 상수, t는 완화 시간(단, 180s<t<10800s)을 의미한다. In Equation 2,
Figure 112016078420394-pat00004
Is the diffusion time constant, and t is the relaxation time (note that 180s <t <10800s).

수학식 1 및 2에 따르면 확산 지수

Figure 112016078420394-pat00005
는 0과 1 사이에서 변할 수 있으며, 이에 따라 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압(OCVd)은 3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압(OCV3m)과 3시간의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압(OCV3h) 사이에서 변할 수 있다.According to equations (1) and (2)
Figure 112016078420394-pat00005
(OCV d ) reflecting the diffusion phenomenon can be varied between 0 and 1 so that the open circuit voltage (OCV d ) having an open circuit voltage (OCV 3 m ) with a mitigation time of 3 min and an open circuit voltage OCV 3h. &Lt; / RTI &gt;

다시 도 1을 참조하면, 제2 OCV 산출부(120)는 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 현상을 모델링하여 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출할 수 있다.Referring again to FIG. 1, the second OCV calculator 120 may model the hysteresis phenomenon of the shielded flooded lead-acid battery to calculate an open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon.

히스테리시스 현상이란 일반적으로 독립 변수의 변화에 따라 종속 변수가 변하는 경로를 다시 되돌아가는 경우 순방향의 경로와 차이가 있는 현상을 의미한다. 이를 전기화학시스템 측면에서 설명하면, 포텐셜(potential)이 단지 SOC에만 의존하는 대신에 충전 및 방전 이력에 의존하는 것을 의미한다. 예를 들어, 니켈 전극에서의 히스테리시스 현상과 관련한 특징은 다음과 같다. 먼저, 충전 또는 방전 전류가 꺼진 이후, 전극 안으로의 대량 수송의 초과 시간 구간에서의 히스테리시스 현상은 고정되어 있고, 또한, 히스테리시스 현상과 충방전율(current rate)은 독립적이고, 마지막으로, 히스테리시스 현상은 커브의 경계선뿐만 아니라 미분된 서브 히스테리시스 루프에 의해 결정될 수 있다. 이러한 히스테리시스 현상과 관련한 특징은 도메인 이론에 부합하는데, 도메인 이론은 전극 물질은 둘 이상의 준안정 상태의 불리된 영역으로 이루어진다는 것이다. 플러디드 배터리 또한 이와 같은 히스테리시스 현상 특징을 가지며, 제2 OCV 산출부(120)는 이러한 히스테리시스 현상 특성을 반영하여 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 현상을 모델링할 수 있다.The hysteresis phenomenon generally refers to a phenomenon in which the dependent variable is different from the forward path when the dependent variable changes back to the changed path. In terms of the electrochemical system, this means that the potential depends on the charge and discharge history instead of solely depending on the SOC. For example, the characteristics related to the hysteresis phenomenon in the nickel electrode are as follows. First, after the charging or discharging current is turned off, the hysteresis phenomenon in the excess time period of mass transport into the electrode is fixed, and the hysteresis phenomenon and the charge and discharge rate are independent, and finally, the hysteresis phenomenon occurs in the curve Lt; RTI ID = 0.0 &gt; sub-hysteresis loop. &Lt; / RTI &gt; The characteristics associated with this hysteresis phenomenon correspond to the domain theory, which is that the electrode material consists of two discrete regions of metastable state. The fludit battery also has such a hysteresis phenomenon characteristic, and the second OCV calculator 120 can model the hysteresis phenomenon of the shielded flooded lead-acid battery by reflecting the hysteresis developing characteristic.

도 4 내지 도 6은 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 현상의 특징을 설명하기 위한 그래프이다.FIGS. 4 to 6 are graphs for explaining the characteristics of the hysteresis phenomenon of the shielded flooded lead-acid battery.

도 4를 참조하면, 3시간의 완화 시간의 5% SOC펄스를 이용하여 획득한 4 가지의 히스테리시스 루프와 3시간의 완화 시간을 갖는 SOC-OCV 충전 및 방전 커브가 도시되었으며, 모든 히스테리시스 루프의 OCV는 SOC-OCV 충전 커브와 닿지 않음을 확인할 수 있다. 특히, 40~80%의 SOC를 갖는 히스테리시스 루프는 SOC-OCV 충전 커브와 거의 평행함을 확인할 수 있는데, 이는 히스테리시스 루프가 확장되더라도 히스테리시스 루프의 OCV는 SOC-OCV 충전 커브와 닿지 않는다는 것을 보여준다. 도 4에 도시된 그래프는 이와 같은 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 루프의 특징을 보여주며, 반면, 납축 AGM 배터리 또는 NiMH 리튬 이온 배터리와 같은 배터리는 도 4의 그래프와는 다르게 몇몇 스테이지에서의 히스테리시스 루프의 OCV가 SOC-OCV 충전 커브와 항상 닿게 된다. Referring to FIG. 4, four hysteresis loops obtained using a 5% SOC pulse of 3 hours of relaxation time and SOC-OCV charge and discharge curves with a 3 hour relaxation time are shown and the OCV of all hysteresis loops Can not be seen to touch the SOC-OCV charge curve. In particular, it can be seen that a hysteresis loop with an SOC of 40-80% is approximately parallel to the SOC-OCV charge curve, which shows that the OCV of the hysteresis loop does not touch the SOC-OCV charge curve, even if the hysteresis loop is extended. The graph shown in FIG. 4 shows the characteristics of such a hysteresis loop of a shielded flooded lead-acid battery, whereas a battery such as a lead-acid AGM battery or a NiMH lithium ion battery has a hysteresis loop OCV is always in contact with the SOC-OCV charge curve.

도 5를 참조하면, 20%의 SOC 범위에서의 3가지의 히스테리시스 루프가 도시되었으며, 서로 다른 SOC 영역에서의 OCV 증가율이 다름을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 루프의 OCV는 SOC-OCV 충전 커브와 닿지 않기 때문이며, 따라서, 이러한 현상을 반영하여 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 현상을 모델링하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 5, three hysteresis loops in the SOC range of 20% are shown, and it can be seen that the OCV increase rates in different SOC regions are different. This phenomenon is due to the fact that the OCV of the hysteresis loop of the shielded flooded lead battery does not touch the SOC-OCV charge curve, and thus it is desirable to model the hysteresis phenomenon of the shielded flooded lead battery to reflect this phenomenon.

이처럼, 제2 OCV 산출부(120)는 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 루프의 OCV는 SOC-OCV 충전 커브와 닿지 않기 때문에, SOC-OCV 충전 커브를 사용하지 않고 히스테리시스 루프를 모델링할 수 있다. 특정 SOC 값에서 배터리의 충전이 시작될 때마다 개방 회로 전압(OCV)은 히스테리시스 루프를 따라 변하게 된다.Since the OCV of the hysteresis loop of the shielded flooded lead-acid battery does not touch the SOC-OCV charge curve, the second OCV calculator 120 can model the hysteresis loop without using the SOC-OCV charge curve. Each time the battery starts charging at a particular SOC value, the open circuit voltage (OCV) changes along the hysteresis loop.

도 6을 참조하면, 복수의 서로 다른 SOC 구간에서의 3분의 완화 시간의 히스테리시스 루프가 도시되었으며, 각 히스테리시스 루프는 모두 평행사변형 형상임을 확인할 수 있다. 따라서, 제2 OCV 산출부(120)는 평행사변형을 이용하여 히스테리시스 현상을 모델링할 수 있다.Referring to FIG. 6, a hysteresis loop of three minutes relaxation time in a plurality of different SOC intervals is shown, and it can be confirmed that each hysteresis loop is a parallelogram shape. Accordingly, the second OCV calculator 120 can model the hysteresis phenomenon using the parallelogram.

한편, 도 7은 제2 OCV 산출부(120)에서 모델링한 히스테리시스 루프의 일 예이다. 7 is an example of a hysteresis loop modeled by the second OCV calculator 120. In FIG.

도 7을 참조하면, 0~5%의 SOC 구간에서는 개방 회로 전압(OCV)이 k1의 기울기를 따라 변하고, 그 이후의 구간에서는 개방 회로 전압(OCV)이 k2의 기울기를 따라 변함을 확인할 수 있다. 이때, 각 구간에서의 기울기는 아래의 수학식 3을 이용하여 산출할 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the open circuit voltage (OCV) changes along the slope of k1 in the SOC interval of 0 to 5%, and the open circuit voltage (OCV) changes along the slope of k2 in the subsequent period . At this time, the slope in each section can be calculated using the following equation (3).

Figure 112016078420394-pat00006
Figure 112016078420394-pat00006

수학식 3은 도 7에서 y축의 변화량을 x축의 변화량으로 나누어 기울기를 구하는 공식으로, 즉, 개방 회로 전압(OCV)의 변화량(Difference in OCV value)을 충전 쓰루풋(Charge Throughput)의 변화량(Difference in Ah value)으로 나눈 값이다.Equation 3 is a formula for obtaining the slope by dividing the amount of change in the y-axis by the amount of change in the x-axis in Fig. 7, that is, the amount of change in the open circuit voltage (OCV) Ah value).

아래의 표 1은 수학식 3을 이용하여 서로 다른 SOC 값에서 배터리의 충전이 시작되는 경우 계산된 히스테리시스 루프의 기울기이다.Table 1 below is the slope of the hysteresis loop calculated when charging of the battery starts at different SOC values using Equation 3. &lt; EMI ID = 3.0 &gt;

Figure 112016078420394-pat00007
Figure 112016078420394-pat00007

한편, 도 7을 참조하면, 방전 시의 기울기 또한 SOC 값에 종속됨을 확인할 수 있는데, 구체적으로는, 특정 SOC 구간에서의 방전 시의 기울기와 충전 시의 기울기가 매칭됨을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, it can be seen that the slope at discharge also depends on the SOC value. Specifically, it can be confirmed that the slope at discharging and the slope at charging are matched in a specific SOC interval.

이처럼, 히스테리시스 루프의 기울기와 충방전 시작 지점에서의 SOC 값 사이의 관계는 선형적이며, 따라서, 아래의 수학식 4를 이용하여 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출할 수 있다.Thus, the relationship between the slope of the hysteresis loop and the SOC value at the charge / discharge start point is linear, and therefore, the open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon can be calculated using Equation (4) below.

Figure 112016078420394-pat00008
Figure 112016078420394-pat00008

수학식 4에서 OCVhys는 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압, k1 및 k2는 각각 히스테리시스 루프의 기울기를 의미한다. 또한, Cn 은 배터리의 규격 용량(nominal capacity), I는 배터리 전류를 의미한다.In Equation (4), OCV hys is an open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon, and k 1 and k 2 denote the slope of the hysteresis loop, respectively. C n is the nominal capacity of the battery, and I is the battery current.

다시 도 1을 참조하면, SOC 추정부(130)는 분산점 칼만 필터(UKF)를 이용하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. 이때, SOC 추정부(130)는 확산 현상 및 히스테리시스 현상을 반영한 배터리 개방 회로 전압(OCV) 파라미터를 분산점 칼만 필터(UKF)에 적용하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.Referring again to FIG. 1, the SOC estimator 130 may estimate the SOC of the battery using the dispersion point Kalman filter UKF. At this time, the SOC estimating unit 130 can estimate the SOC of the battery by applying the battery open circuit voltage (OCV) parameter reflecting the diffusion phenomenon and the hysteresis phenomenon to the dispersion point Kalman filter UKF.

분산점 칼만 필터(UKF)는 비선형 시스템을 위한 Jacobian matrix 대신에 분산점 변환(unscented transformation)을 이용하는데, 이에 따라 더욱 안정적이고 나은 성능을 보인다. 이러한 분산점 칼만 필터(UKF)는 크게 예측(prediction), 관찰(observation) 및 측정(measurement) 단계로 이루어질 수 있다. 분산점 칼만 필터(UKF)의 비선형 시스템을 위한 이산 시간 단계의 방정식은 아래의 수학식 5와 같다.The distributed point Kalman filter (UKF) uses an unscented transformation instead of a Jacobian matrix for nonlinear systems, resulting in a more stable and better performance. Such a distributed point Kalman filter (UKF) can be largely composed of prediction, observation, and measurement steps. The equation of the discrete time step for the nonlinear system of the dispersion point Kalman filter (UKF) is shown in Equation (5) below.

Figure 112016078420394-pat00009
Figure 112016078420394-pat00009

수학식 5에서 xk 는 단계 파라미터(state parameter)를 나타내고, f는 비선형 함수(non-linear system function)를 의미하며, uk 는 입력(input), wk 는 단계 노이즈 벡터(process noise vector)를 나타내고, yk 는 관측 측정 신호(observed measurement signal)를 나타내고, h는 비선형 함수(non-linear system function)를 의미하며, vk 는 측정 노이즈 벡터(measurement noise vector)를 나타낸다.In Equation (5), x k denotes a state parameter, f denotes a non-linear system function, u k denotes an input, w k denotes a process noise vector, Y k denotes an observed measurement signal, h denotes a non-linear system function, and v k denotes a measurement noise vector.

분산점 칼만 필터(UKF)의 알고리즘에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 데이터 초기화(initialization) 단계는 아래의 수학식 6과 같다.The algorithm of the dispersion point Kalman filter (UKF) will be described in detail as follows. First, the data initialization step is expressed by Equation (6) below.

Figure 112016078420394-pat00010
Figure 112016078420394-pat00010

수학식 6에서

Figure 112016078420394-pat00011
는 x0의 기대값(expected value)을 나타내고, x0는 state 'x'의 초기값을 나타내며, P0는 초기 단계의 공분산 매트릭스(covariance matrix)를 나타낸다.In Equation (6)
Figure 112016078420394-pat00011
Denotes the expected value of x 0 (expected value), x 0 represents the initial value of the state 'x', P 0 represents a covariance matrix (covariance matrix) of the initial stage.

그 다음 단계인 시그마 포인트를 생성(Generate Sigma Points) 단계는 아래의 수학식 7과 같다.The next step, Generate Sigma Points, is shown in Equation (7) below.

Figure 112016078420394-pat00012
Figure 112016078420394-pat00012

수학식 7에서 chol은 매트릭스의 촐래스키 분해법(cholesky decomposition)이고, Pk |k-1은 공분산 매트릭스의 'k-1' 스텝에서의 값을 나타내고,

Figure 112016078420394-pat00013
은 모든 시그마 포인트들을 포함하는 매트릭스를 나타내고,
Figure 112016078420394-pat00014
은 'k-1'에서의 상태 값을 나타낸다. 그리고, 수학식 7에서
Figure 112016078420394-pat00015
은 스케일링 지수(scaling factor)이고,
Figure 112016078420394-pat00016
는 시그마 포인트의 분산(spread of sigma points)을 결정하게 되며 그 값은 10-4와 1 사이에서 변할 수 있다. K는 일반적으로 '0'으로 설정될 수 있으며, L은 상태 벡터(state vector)의 숫자를 나타낸다.In Equation 7 chol is cholrae ski decomposition (decomposition cholesky) of the matrix, P k | k-1 denotes a value at a 'k-1' step of the covariance matrix,
Figure 112016078420394-pat00013
Represents a matrix containing all sigma points,
Figure 112016078420394-pat00014
Represents the state value at 'k-1'. In Equation 7,
Figure 112016078420394-pat00015
Is a scaling factor,
Figure 112016078420394-pat00016
Will determine the spread of sigma points, which can vary between 10 -4 and 1. K is generally set to '0', and L represents the number of state vectors.

그리고, 다음 단계인 예측 변환(prediction transformation) 단계는 시그마 포인트를 입력 함수로 전파하여 예측 상태를 계산할 수 있으며, 아래의 수학식 8과 같다.In the next step, a prediction transformation step, the prediction state can be calculated by propagating the sigma point to the input function.

Figure 112016078420394-pat00017
Figure 112016078420394-pat00017

수학식 8에서

Figure 112016078420394-pat00018
은 입력 함수 f에 시그마 포인트들을 전파시킨 뒤의 행렬을 나타내고, i는 시그마 포인트 넘버를 나타내며,
Figure 112016078420394-pat00019
는 상태의 예측값(predicted value of the state)을 나타내고, -는 예측 업데이트(prediction update)를 나타내고,
Figure 112016078420394-pat00020
평균 웨이트 매트릭스(mean weight matrix)를 나타낸다.In Equation (8)
Figure 112016078420394-pat00018
Represents a matrix after propagating sigma points to an input function f, i represents a sigma point number,
Figure 112016078420394-pat00019
Indicates a predicted value of the state, - indicates a prediction update,
Figure 112016078420394-pat00020
Represents a mean weight matrix.

전파 공분산은(propagated covariance)은 아래의 수학식 9에 의해 계산될 수 있다.The propagated covariance can be calculated by the following equation (9).

Figure 112016078420394-pat00021
Figure 112016078420394-pat00021

수학식 9에서

Figure 112016078420394-pat00022
는 공분산 매트릭스(covariance matrix)를 나타내고, 여기서 -는 예측 업데이트(prediction update)를 나타내며,
Figure 112016078420394-pat00023
는 공분산 웨이트 매트릭스(covariance weight matrix), Qw 는 단계 노이즈(process noise)의 공분산 값을 나타낸다. In Equation (9)
Figure 112016078420394-pat00022
Represents a covariance matrix, where - represents a prediction update,
Figure 112016078420394-pat00023
Is the covariance weight matrix, and Qw is the covariance value of the process noise.

다음 단계인 관찰 변환(observation transformation) 단계는 시그마 포인트를 출력 함수로 전파하여 예측 측정값을 계산할 수 있으며, 아래의 수학식 10과 같다.The next step, the observation transformation step, can propagate the sigma point to the output function to calculate the predicted measurement, as shown in Equation 10 below.

Figure 112016078420394-pat00024
Figure 112016078420394-pat00024

수학식 10에서

Figure 112016078420394-pat00025
는 출력 함수 h 로 전파된 뒤의 시그마 포인트들을 포함하는 매트릭스를 나타내고,
Figure 112016078420394-pat00026
는 출력 예측 값(predicted value of the output)을 나타낸다.In Equation (10)
Figure 112016078420394-pat00025
Represents a matrix containing the sigma points that have propagated to the output function h,
Figure 112016078420394-pat00026
Represents a predicted value of the output.

측정 공분산(estimated covariance)은 아래의 수학식 11에 의해 계산될 수 있다.The estimated covariance can be calculated by Equation (11) below.

Figure 112016078420394-pat00027
Figure 112016078420394-pat00027

수학식 11에서

Figure 112016078420394-pat00028
는 time step 'k'에서의 출력 공분산 매트릭스(output covariance matrix)를 나타내고, Rv는 측정 노이즈(measurement noise)의 공분산값을 나타낸다.In Equation (11)
Figure 112016078420394-pat00028
Represents the output covariance matrix (covariance matrix output) at time step 'k', R v represents the covariance value of the measured noise (noise measurement).

교차 공분산(cross covariance)은 아래의 수학식 12에 의해 계산될 수 있다.The cross covariance can be calculated by Equation (12) below.

Figure 112016078420394-pat00029
Figure 112016078420394-pat00029

수학식 12에서

Figure 112016078420394-pat00030
는 time step 'k'에서의 교차 공분산 매트릭스(cross covariance matrix)를 나타낸다.In Equation 12,
Figure 112016078420394-pat00030
Represents the cross covariance matrix at time step 'k'.

마지막으로, 측정 업데이트(Measurement update) 단계가 있으며, 이때 칼만 이득(Kalman gain)은 아래의 수학식 13과 같이 계산될 수 있다.Finally, there is a measurement update step, in which the Kalman gain can be calculated as: &lt; EMI ID = 13.0 &gt;

Figure 112016078420394-pat00031
Figure 112016078420394-pat00031

수학식 13에서 Gk 는 칼만 이득(Kalman gain)을 나타내고,

Figure 112016078420394-pat00032
Figure 112016078420394-pat00033
는 각각 time step 'k'에서의 교차 공분산 매트릭스 및 출력 공분산 매트릭스를 나타낸다.In Equation 13 G k denotes the Kalman gain (Kalman gain),
Figure 112016078420394-pat00032
And
Figure 112016078420394-pat00033
Denote the crossover covariance matrix and the output covariance matrix at time step 'k', respectively.

그리고, 상태 및 공분산 값은 각각 아래의 수학식 14와 같이 업데이트 될 수 있다.Then, the state and the covariance value can be updated as shown in Equation (14) below.

Figure 112016078420394-pat00034
Figure 112016078420394-pat00034

수학식 14에서

Figure 112016078420394-pat00035
및 Pk 는 각각 time step 'k'에서의 상태 업데이트 값 및 공분산 매트릭스를 나타내고,
Figure 112016078420394-pat00036
는 상태의 예측값(predicted value of the state),
Figure 112016078420394-pat00037
는 출력 예측 값(predicted value of the output)을 나타내고, yk는 출력 측정 값(measured value of the output),
Figure 112016078420394-pat00038
는 공분산 매트릭스(covariance matrix)를 나타낸다.In Equation (14)
Figure 112016078420394-pat00035
And Pk denote the state update value and the covariance matrix at time step 'k', respectively,
Figure 112016078420394-pat00036
A predicted value of the state,
Figure 112016078420394-pat00037
Yk is a measured value of the output, yk is a measured value of the output,
Figure 112016078420394-pat00038
Represents a covariance matrix.

SOC 추정부(130)는 이와 같은 단계를 갖는 분산점 칼만 필터(UKF)를 이용하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있으며, 이를 위한 상태 방정식은 아래 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다. The SOC estimating unit 130 can estimate the SOC of the battery using the dispersion point Kalman filter UKF having such a step. The state equation for this can be expressed by Equation (15) below.

Figure 112016078420394-pat00039
Figure 112016078420394-pat00039

수학식 15에서 △t는 estimation algorithm의 step time을 나타내고, T는 전치행렬(transpose of matrix)을 의미한다. VCdl은 배터리 등가회로의 병렬로 연결된 충전 전달 저항(Rct) 및 이중층 커패시터(Cdl)에 걸리는 전압, Rct 및 Cdl 은 각각 배터리 등가회로의 충전 전달 저항 및 이중층 커패시터, Cn 은 배터리의 규격 용량(nominal capacity)을 나타내고, Ri는 배터리 등가회로의 내부 저항, Ik 및 Vk는 각각 배터리의 전류 및 전압을 나타내며, 이때, 충전 전류는 음의 값을 가지게 되고, wk 및 vk 는 각각 단계 노이즈 벡터(process noise vector) 및 vk 는 측정 노이즈 벡터(measurement noise vector)를 나타낸다. In Equation 15, Δt represents a step time of the estimation algorithm, and T represents a transpose of matrix. V Cdl is the voltage across the charge transfer resistor (R ct ) and the bilayer capacitor (C dl ) connected in parallel to the battery equivalent circuit, R ct And C dl are charge transfer resistances and double layer capacitors, respectively, of the battery equivalent circuit, C n is the nominal capacity of the battery, R i is the internal resistance of the battery equivalent circuit, I k and V k are the current Where w k and v k denote the process noise vector, and v k denotes the measurement noise vector, respectively.

또한, OCVd는 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압으로 수학식 1로부터 산출될 수 있으며, OCVh는 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압으로 수학식 4로부터 산출될 수 있다.Also, OCV d can be calculated from Equation 1 with an open circuit voltage reflecting diffusion phenomenon, and OCV h can be calculated from Equation 4 with an open circuit voltage reflecting a hysteresis phenomenon.

여기에서, 배터리 파라미터들은 ARX 방식을 통해 갱신될 수 있으며, 이는 “Ngoc-Tham Tran, Kim-Hung Nguyen, Van-Long Pham and Woo-Jin Choi. ' SOC/SOH Estimation method for AGM VRLA battery by combining ARX model for online parameters estimation and DEKF considering hysteresis and diffusion effects' , 9th International Conference on Power Electronics and ECCA (ICPE-ECCA Asia), IEEE; June 2015.”에 자세히 개시되어 있다. Here, the battery parameters can be updated through the ARX method, which is described in &quot; Ngoc-Tham Tran, Kim-Hung Nguyen, Van-Long Pham and Woo-Jin Choi. 'SOC / SOH Estimation method for AGM VRLA battery by combining ARX model for online parameters estimation and DEKF considering hysteresis and diffusion effects', 9 th International Conference on Power Electronics and ECCA (ICPE-ECCA Asia), IEEE; Quot; June 2015. &quot;

이하에서는, 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 장치(100)를 이용하여 배터리의 SOC를 추정하는 경우 유리한 효과에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, an advantageous effect of estimating SOC of a battery using the battery state estimation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 장치(100)를 이용하여 배터리의 SOC를 추정한 결과와, 종래의 방식으로 배터리의 SOC를 추정한 결과를 비교하기 위해 도시한 그래프이다.FIG. 8 is a graph for comparing the SOC estimation result of the battery using the battery state estimation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention and the SOC estimation result of the battery in a conventional manner.

먼저, 도 7과 같은 그래프를 획득하기 위해 90Ah, 12V의 사양을 갖는 실드 플러디드 납축 배터리를 이용하여 실험을 수행하였다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 장치(100)에서의 SOC 추정 결과(SOC-Variable Slopes)는 배터리가 방전 상태에서 충전 상태로 변할 때마다 배터리의 SOC에 따라 변하는 것을 확인할 수 있다. First, to obtain the graph shown in FIG. 7, experiments were conducted using a shielded pludded lead-acid battery having specifications of 90 Ah and 12 V. FIG. Referring to FIG. 7, the SOC estimation results (SOC-Variable Slopes) in the battery condition estimating apparatus 100 according to an embodiment of the present invention vary depending on the SOC of the battery every time the battery changes from the discharging state to the charging state .

여기에서, 종래의 방식(SOC-Fixed Slopes)은 모든 SOC 영역에서 하나의 히스테리시스 모델만을 이용하며, 이에 따라 히스테리시스 전압이 커질수록 SOC 추정 오차 또한 증가하여 그 오차가 6%까지 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 종래의 방식은 실드 플러디드 납축 배터리의 SOC 추정 방식으로 적합하지 않다. Here, in the conventional system (SOC-Fixed Slopes), only one hysteresis model is used in all the SOC regions, and accordingly, as the hysteresis voltage increases, the SOC estimation error also increases and the error increases to 6% . That is, the conventional method is not suitable as the SOC estimation method of the shielded flooded lead-acid battery.

반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 장치(100)의 SOC 추정 오차는 대체적으로 매우 정확하며 최대 3%인 것으로 확인된다.On the other hand, the SOC estimation error of the battery state estimation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention is generally very accurate and is confirmed to be 3% at maximum.

이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 장치(100)는 실드 플러디드 납축 배터리의 히스테리시스 특성에 맞는 히스테리시스 루프를 모델링하고, 이를 이용하여 산출한 파라미터를 분산점 칼만 필터(UKF)에 적용하여 배터리의 SOC를 추정함으로써 그 오차를 최소화할 수 있다.As described above, the battery condition estimating apparatus 100 according to an embodiment of the present invention models a hysteresis loop matching a hysteresis characteristic of a shielded flooded lead-acid battery and applies the calculated parameters to the distributed point Kalman filter UKF So that the error can be minimized by estimating the SOC of the battery.

이하에서는, 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a battery state estimation method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.9 is a flowchart illustrating a battery state estimation method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 추정 방법은 도 1에 도시된 배터리 상태 추정 장치(100)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 배터리 상태 추정 장치(100)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.The battery state estimating method according to an embodiment of the present invention can be performed in substantially the same configuration as the battery state estimating apparatus 100 shown in FIG. Therefore, the same components as those of the battery state estimation apparatus 100 shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and a repeated description thereof will be omitted.

도 9를 참조하면, 제1 OCV 산출부(110)는 배터리의 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압(OCV)을 산출할 수 있다(900). 여기에서, 배터리는 실드 플러디드 납축 배터리일 수 있으며, 제1 OCV 산출부(110)는 3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압과 3시간의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압을 산출하고, [수학식 1] 과 같이 확산 현상을 반영하는 파라미터인 확산 지수에 따라 3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압과 3시간의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압 사이에서 결정되는 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출할 수 있다.Referring to FIG. 9, the first OCV calculator 110 may calculate an open circuit voltage (OCV) reflecting the diffusion phenomenon of the battery (900). Here, the battery may be a shielded flooded lead-acid battery, the first OCV calculation unit 110 calculates an open circuit voltage having an open circuit voltage having a relaxation time of 3 minutes and a relaxation time of 3 hours, The open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon determined between the open circuit voltage having the relaxation time of 3 minutes and the open circuit voltage having the relaxation time of 3 hours is calculated according to the diffusion index which is a parameter reflecting the diffusion phenomenon can do.

그리고, 제2 OCV 산출부(120)는 배터리의 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압(OCV)을 산출할 수 있다(910). 실드 플러디드 납축 배터리는 히스테리시스 루프가 확장되더라도 히스테리시스 루프의 OCV는 SOC-OCV 충전 커브와 닿지 않는다는 것을 확인하였으며, 이에 따라, 제2 OCV 산출부(120)는 SOC-OCV 충전 커브를 사용하지 않고 히스테리시스 루프를 모델링할 수 있다. 결론적으로는, 제2 OCV 산출부(120)는 평행사변형 형상의 히스테리시스 루프를 모델링하고, [수학식 4]와 같이 평행사변형의 기울기를 이용하여 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압(OCV)을 산출할 수 있다.The second OCV calculator 120 may calculate an open circuit voltage (OCV) reflecting the hysteresis of the battery (910). The shielded plodd lead-acid battery has confirmed that the OCV of the hysteresis loop does not touch the SOC-OCV charge curve even if the hysteresis loop is extended. Accordingly, the second OCV calculator 120 can detect the hysteresis loop without using the SOC- Loops can be modeled. The second OCV calculator 120 models a hysteresis loop of a parallelogram shape and calculates an open circuit voltage (OCV) reflecting the hysteresis phenomenon using the slope of the parallelogram as shown in [Equation 4] .

마지막으로, SOC 추정부(130)는 확산 현상 및 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 분산점 칼만 필터(UKF)에 적용하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다. SOC 추정부(130)는 [수학식 15]로부터 배터리의 SOC를 추정할 수 있으며, 이때, 배터리 파라미터들은 ARX 방식을 통해 갱신될 수 있다.Finally, the SOC estimator 130 may estimate the SOC of the battery by applying the open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon and the hysteresis phenomenon to the dispersion point Kalman filter UKF. The SOC estimating unit 130 can estimate the SOC of the battery from Equation (15), and the battery parameters can be updated through the ARX method.

이와 같은, 배터리 상태 추정 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.Such a battery state estimation method may be implemented in an application or may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer components and recorded in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program commands, data files, data structures, and the like, alone or in combination.

상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.The program instructions recorded on the computer-readable recording medium may be ones that are specially designed and configured for the present invention and are known and available to those skilled in the art of computer software.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floptical disks, media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드 뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of program instructions include machine language code such as those generated by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules for performing the processing according to the present invention, and vice versa.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.

100: 배터리 상태 추정 장치100: Battery condition estimating device

Claims (15)

배터리의 SOC(State of Charge)를 추정하는 배터리 상태 추정 방법에 있어서,
미리 정해진 완화 시간에 따라 결정되는 확산 지수를 이용하여 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하고,
상기 배터리의 히스테리시스 현상을 분석하여 모델링한 히스테리시스 루프로부터 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하며,
상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압 및 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압과 상기 배터리의 파라미터를 예측(prediction), 관찰(observation) 및 측정(measurement) 단계로 이루어지는 분산점 칼만 필터에 적용하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 배터리 상태 추정 방법.
A battery state estimation method for estimating an SOC (State of Charge) of a battery,
An open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon is calculated using a diffusion index determined according to a predetermined relaxation time,
The open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon is calculated from the hysteresis loop modeled by analyzing the hysteresis phenomenon of the battery,
Applying an open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon, an open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon and a parameter of the battery to a dispersion point Kalman filter composed of prediction, observation, and measurement steps, A method for estimating a battery state for estimating an SOC.
제1항에 있어서,
상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것은,
3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압과 3시간의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압을 산출하는 것을 더 포함하는 배터리 상태 추정 방법.
The method according to claim 1,
The calculation of the open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon,
Further comprising calculating an open circuit voltage having an open circuit voltage having a relaxation time of 3 minutes and a relaxation time of 3 hours.
제2항에 있어서,
상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것은,
확산 현상을 반영하는 파라미터인 확산 지수에 따라 상기 3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압과 상기 3시간의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압 사이에서 결정되는 상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것인 배터리 상태 추정 방법.
3. The method of claim 2,
The calculation of the open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon,
Calculating an open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon determined between an open circuit voltage having the relaxation time of 3 minutes and an open circuit voltage having the relaxation time of 3 hours in accordance with a diffusion index which is a parameter reflecting the diffusion phenomenon Of the battery state.
제1항에 있어서,
상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것은,
평행사변형 형상의 히스테리시스 루프를 모델링하는 것을 포함하는 배터리 상태 추정 방법.
The method according to claim 1,
The calculation of the open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon,
And modeling a hysteresis loop of a parallelogram shape.
제4항에 있어서,
상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것은,
상기 히스테리시스 루프의 평행사변형의 기울기를 이용하여 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 것인 배터리 상태 추정 방법.
5. The method of claim 4,
The calculation of the open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon,
And calculating an open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon by using the slope of the parallelogram of the hysteresis loop.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 배터리는,
실드 플러디드 납축 배터리인 배터리 상태 추정 방법.
The method according to claim 1,
The battery includes:
A method for estimating battery condition as a shielded pledged lead-acid battery.
제1항 내지 제5항, 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 배터리 상태 추정 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.A computer-readable recording medium on which a computer program is recorded, for performing the battery state estimation method according to any one of claims 1 to 5 and 7. 배터리의 SOC(State of Charge)를 추정하는 배터리 상태 추정 장치에 있어서,
미리 정해진 완화 시간에 따라 결정되는 확산 지수를 이용하여 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 제1 OCV(Open Circuit Voltage) 산출부;
상기 배터리의 히스테리시스 현상을 분석하여 모델링한 히스테리시스 루프로부터 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 제2 OCV 산출부; 및
상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압 및 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압을 분산점 칼만 필터에 적용하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정부를 포함하고,
상기 배터리는,
실드 플러디드 납축 배터리인 배터리 상태 추정 장치.
A battery state estimation apparatus for estimating a state of charge (SOC) of a battery,
A first OCV (Open Circuit Voltage) calculating unit for calculating an open circuit voltage reflecting diffusion phenomenon by using a diffusion index determined according to a predetermined relaxation time;
A second OCV calculation unit for calculating an open circuit voltage reflecting a hysteresis phenomenon from a hysteresis loop modeled by analyzing a hysteresis phenomenon of the battery; And
And an SOC estimator for estimating an SOC of the battery by applying an open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon and an open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon to a distributed point Kalman filter,
The battery includes:
A battery condition estimating device, which is a shielded pledged lead-acid battery.
제9항에 있어서,
상기 제1 OCV 산출부는,
3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압과 3시간의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압을 산출하는 것을 더 포함하는 배터리 상태 추정 장치.
10. The method of claim 9,
Wherein the first OCV calculation unit comprises:
Further comprising calculating an open circuit voltage having an open circuit voltage having a relaxation time of 3 minutes and a relaxation time of 3 hours.
[청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.][Claim 11 is abandoned upon payment of the registration fee.] 제10항에 있어서,
상기 제1 OCV 산출부는,
확산 현상을 반영하는 파라미터인 확산 지수에 따라 상기 3분의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압과 상기 3시간의 완화 시간을 갖는 개방 회로 전압 사이에서 결정되는 상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압을 산출하는 배터리 상태 추정 장치.
11. The method of claim 10,
Wherein the first OCV calculation unit comprises:
A battery for calculating an open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon, which is determined between an open circuit voltage having the relaxation time of 3 minutes and an open circuit voltage having the relaxation time of 3 hours according to a diffusion index, State estimator.
제9항에 있어서,
상기 제2 OCV 산출부는,
평행사변형 형상의 히스테리시스 루프를 모델링하는 것을 더 포함하는 배터리 상태 추정 장치.
10. The method of claim 9,
Wherein the second OCV calculation unit calculates,
Further comprising modeling a hysteresis loop of a parallelogram shape.
[청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.][13] has been abandoned due to the registration fee. 제12항에 있어서,
상기 제2 OCV 산출부는,
상기 히스테리시스 루프의 평행사변형의 기울기를 이용하여 상기 히스테리시스 현상을 방영한 개방 회로 전압을 산출하는 배터리 상태 추정 장치.
13. The method of claim 12,
Wherein the second OCV calculation unit calculates,
And calculates an open-circuit voltage that has caused the hysteresis phenomenon by using the slope of the parallelogram of the hysteresis loop.
제9항에 있어서,
상기 SOC 추정부는,
상기 확산 현상을 반영한 개방 회로 전압 및 상기 히스테리시스 현상을 반영한 개방 회로 전압과 상기 배터리의 파라미터를 예측(prediction), 관찰(observation) 및 측정(measurement) 단계로 이루어지는 상기 분산점 칼만 필터를 이용하여 상기 배터리의 SOC를 추정하는 배터리 상태 추정 장치.

10. The method of claim 9,
The SOC estimator may include:
Wherein the battery voltage is measured by using the distributed point Kalman filter consisting of an open circuit voltage reflecting the diffusion phenomenon, an open circuit voltage reflecting the hysteresis phenomenon, and a parameter of the battery to predict, observe, and measure, And estimates the SOC of the battery.

삭제delete
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