KR20070074621A - Method and system for battery state and parameter estimation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 디지털 필터링 기법 특히, 칼만 필터링(kalman filtering)과 확장 칼만 필터링(dual extended kalman filtering)을 이용한 배터리 팩 시스템의 상태와 파라미터의 추정(estimation)을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 배터리 팩에서의 배터리 관리 시스템은 배터리 팩의 현재 동작 여건(condition)을 나타내는 값을 추정하여야 한다. 상기 현재 동작 상태는 SOC(State Of Charge), 전력 감퇴(power-fade), 용량 감퇴(capacity-fade) 및 즉각적으로 이용가능한 전력 등을 포함한다. 상기 전력 감퇴와 상기 용량 감퇴는 주로 SOH(State Of Health)의 표현으로 취급된다. 본원은 배터리 SOC 및 SOH를 포함하는 팩의 현재 동작 여건을 나타내는 값을 추정하기 위한 개선된 방법과 장치를 제공한다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating the status and parameters of a battery pack system using digital filtering techniques, in particular Kalman filtering and dual extended kalman filtering. The battery management system in the battery pack must estimate a value indicating the current operating condition of the battery pack. The current operating state includes a state of charge (SOC), power-fade, capacity-fade, and readily available power. The power decay and the capacity decay are treated primarily as a representation of state of health (SOH). The present application provides an improved method and apparatus for estimating values indicative of current operating conditions of a pack including battery SOC and SOH.
배터리는 전자 및 전기 장치에 광범위하게 사용된다. 각 응용례에서 배터리에 얼마만큼의 충전이 남아 있는지를 측정하는 것이 유용하게 이용되며 필요하다. 그러한 측정은 충전상태(SOC)로 불린다. 예를 들어, 셀 폰 사용자가 자신의 전화기로 어느 정도 오래 이야기할 수 있는지를 아는 것은 유용하다. 한편, 재충전 장치들은 과충전을 방지하기 위하여 배터리 안에 얼마만큼의 충전이 존재하는지 알 필 요가 있다. 많은 형태의 배터리는 과충전(overchaging)뿐만 아니라 과소충전(undercharging)에 민감하다. 과충전과 과소충전은 배터리의 효율성을 저하시킬 수 있으며 심지어 손상시킬 수 있다.Batteries are widely used in electronic and electrical devices. In each application, it is useful and necessary to measure how much charge remains in the battery. Such a measurement is called a state of charge (SOC). For example, it is useful to know how long cell phone users can talk on their phones. Rechargeable devices, on the other hand, need to know how much charge is present in the battery to prevent overcharging. Many types of batteries are sensitive to overcharging as well as undercharging. Overcharging and undercharging can reduce the battery's efficiency and even damage it.
현재, 배터리의 남아 있는 충전을 측정하는 많은 기술들이 존재한다. 이러한 SOC 결정 기술들 각각은 결점을 가지고 있다. 암페어 아워 카운팅(Ampere-hour counting)과 같은 기술은 측정 오차에 민감하고, Coup de fouet과 같은 것들은 단지 하나의 배터리 형태에만 동작한다. 임피던스 분광법(Impedance Spectroscopy)과 같은 다른 기술들은 급변하는 온도와 같은 배터리 조건에 여전히 제한된다. 또한, 많은 기술들은 SOC의 추정에 불확정성 범위(uncertainty range)를 제공하지 않는다. HEV 및 EV과 같은 응용례에서 SOC 측정과 연관된 상기 불확정성 범위는 매우 중요하다. 만약 불확정성 범위가 알려지지 않고 배터리가 오류적으로 과소충전된다면, 운송수단들은 길 위에서 전력을 잃을 수 있고 위험을 초래할 수 있다. 불확정성 범위를 아는 것은 이러한 것을 막을 수 있다. 예를 들어, 배터리 SOC가 최소 충전 임계값의 10%이내에 존재한다고 결정되고, 불확정성 범위가 15%라고 알려져 있으면, 시스템은 배터리를 충전해야 한다는 것을 알 수 있다. 왜냐하면, 불확정성 범위가 상기 임계값의 간격보다 크기 때문이다.At present, there are many techniques for measuring the remaining charge of a battery. Each of these SOC determination techniques has drawbacks. Techniques such as ampere-hour counting are sensitive to measurement errors, and things like the Coup de fouet only work on one battery type. Other techniques, such as impedance spectroscopy, are still limited to battery conditions, such as rapidly changing temperatures. In addition, many techniques do not provide an uncertainty range for the estimation of SOC. In applications such as HEV and EV, the uncertainty range associated with SOC measurements is very important. If the uncertainty range is unknown and the battery is undercharged in error, vehicles can lose power on the road and pose a risk. Knowing the uncertainty range can prevent this. For example, if the battery SOC is determined to be within 10% of the minimum charge threshold, and the uncertainty range is known to be 15%, then the system can know that the battery needs to be charged. This is because the uncertainty range is larger than the interval of the threshold.
현존하는 기술들Existing Technologies
현존하는 기술과 그들의 단점에 대한 개관이 여기에 개시된다. 방전 테스트라고 불리는 하나의 방법은 테스팅의 정확한 한 형태이다. 이것은 제어되는 조건 하에서의 SOC를 결정하기 위하여 배터리를 완전히 방전하는 것과 관련된다. 그러 나, 완전 방전에 대한 필요조건은 이 테스트를 실생활 응용에 대하여 비실용적으로 만든다. 이것은 유용하기에는 너무나 많은 시간이 소요되며 테스트가 수행되어지는 동안 시스템 기능을 중단시킨다.An overview of existing technologies and their shortcomings is disclosed herein. One method called discharge testing is an exact form of testing. This involves completely discharging the battery to determine the SOC under controlled conditions. However, the requirement for full discharge makes this test impractical for real life applications. This takes too much time to be useful and interrupts system functionality while the test is running.
다른 SOC 결정 기술은 암페어-아워 카운팅으로 불린다. 이것은 손쉽게 실행할 수 있기 때문에 SOC의 결정에 대한 가장 일반적인 기술이다. 이것은 배터리의 전류를 측정하고, SOC를 결정하기 위하여 상기 측정값을 이용한다. 암페어-아워 카운팅은 다음 수식을 이용한다.Another SOC decision technique is called amp-hour counting. This is the most common technique for SOC decision making because it is easy to implement. It measures the current in the battery and uses that measurement to determine the SOC. Ampere-hour counting uses the following formula:
상기 수식에서 Cn은 배터리의 평가된(rated) 용량이다. Ibatt는 배터리의 전류이며, Iloss는 손실 반응(loss reactions)에 의하여 소비된 전류이다. 상기 수식(방정식)은 시작지점인 초기값 SOCo에 기초하여 SOC를 결정한다. 암페어-아워 카운팅은 본질적으로, 쉽게 혼동되는 "개루프(open loop)" 방식이다. 측정 오차는 축적되며 시간이 지날수록 SOC 결정의 정확성을 저하시킨다. 전류 측정을 개선하는 방법이 있으나 큰 비용이 든다.C n in the above formula is the rated capacity of the battery. I batt is the current in the battery, and I loss is the current consumed by the loss reactions. The equation (Equation) determines the SOC based on the initial value SOC o which is the starting point. Ampere-hour counting is essentially an "open loop" method that is easily confused. Measurement errors accumulate and deteriorate the accuracy of SOC decisions over time. There is a way to improve the current measurement, but it is expensive.
전해질 측정은 또 다른 일반적 기술이다. 예를 들어, 납축 배터리(lead-acid batteries)에서 전해질은 충전과 방전 동안 반응에 관여한다. 그러므로, 선형 관계(linear relationship)가 산밀도(acid density)에서의 변화와 SOC 사이에 존재한 다. 그러므로 전해질 밀도를 측정하는 것은 SOC 추정값을 산출할 수 있다. 상기 밀도는 이온농도(ion-concentration), 전도율(conductivity), 굴절 지수(refraction index), 점성도(viscosity) 등에 의하여 직접 도는 간접적으로 측정된다. 더욱이, 이것은 배터리에서의 산 층화(acid stratification), 수분 상실(water loss), 센서의 장기간 불안정성에 영향을 받기 쉽다.Electrolyte measurement is another common technique. For example, in lead-acid batteries, the electrolyte is involved in the reaction during charging and discharging. Therefore, a linear relationship exists between the change in acid density and the SOC. Therefore, measuring electrolyte density can yield an SOC estimate. The density is measured directly or indirectly by ion concentration (concentration), conductivity (conductivity), refractive index (refraction index), viscosity (viscosity) and the like. Moreover, it is susceptible to acid stratification, water loss, and long term instability of the sensor in the battery.
개회로(open-circuit) 전압 측정이 배터리의 SOC 테스트에 수행될 수 있다. 개회로 전압과 SOC 사이의 관계가 비선형적(non-linear)임에도 불구하고, 실험실 테스트를 통하여 결정될 수 있다. 일단 관계가 결정되면, SOC는 개회로 전압을 측정함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 측정과 추정은 배터리가 긴 시간 동안의 비활동 후에만 이룰 수 있는 안정상태(steady state)에 있는 경우에만 정확하다. 이것은 상기 개회로 전압 기술을 동적 실 시간(dynamic real time) 응용에 비실용적으로 되게 한다. Open-circuit voltage measurements can be performed on the battery's SOC test. Although the relationship between the open circuit voltage and the SOC is non-linear, it can be determined through laboratory testing. Once the relationship is determined, the SOC can be determined by measuring the open circuit voltage. However, measurements and estimates are accurate only when the battery is in a steady state that can only be achieved after long periods of inactivity. This makes the open circuit voltage technique impractical for dynamic real time applications.
임피던스 분광법은 SOC의 결정에 이용되는 다른 기술이다. 임피던스 분광법은 배터리의 다양한 특성 결정에 있어 넓은 다양한 응용례를 가지고 있다. 임피던스 분광법은 임피던스 분광법 측정으로부터 유도되는 배터리 모델 파라미터와 SOC 사이의 관계를 활용한다. 그러나 이 기술의 단점은 임피던스 곡선이 온도 효과에 의해 강하게 영향을 받는다는 것이다. 그래서, 이것의 응용례는 온도가 안정적인 환경하에서의 응용례로 제한된다.Impedance spectroscopy is another technique used to determine SOC. Impedance spectroscopy has a wide variety of applications in the determination of various characteristics of batteries. Impedance spectroscopy takes advantage of the relationship between SOC and battery model parameters derived from impedance spectroscopy measurements. However, a disadvantage of this technique is that the impedance curve is strongly influenced by the temperature effect. Therefore, its application is limited to the application under a temperature stable environment.
내적 저항은 임피던스 분광법에 관계된 기술이다. 내적 저항은 동일한 시간 간격 동안 전류 변화에 의하여 나누어지는 전압 강하에 따라 계산된다. 10ms보다 긴 모든 시간 간격은 더욱 복잡한 저항 측정을 초래하기 때문에 상기 선택된 시간 간격은 중요하다. 내적 저항의 측정은 측정 정확성에 아주 민감하다. 이러한 필요조건은 이종 전기 수송수단(Hybrid Electric Vehicle: HEV)과 전기 수송 수단(Electric Vehicles: EV)의 응용례에서 특히 이루기 어렵다. Internal resistance is a technique related to impedance spectroscopy. Internal resistance is calculated as the voltage drop divided by the current change over the same time interval. The selected time interval is important because all time intervals longer than 10 ms result in more complex resistance measurements. Measurement of internal resistance is very sensitive to measurement accuracy. This requirement is particularly difficult in applications of heterogeneous electric vehicles (HEVs) and electric vehicles (EVs).
어떤 기술들은 측정으로 직접 SOC를 추정하기 위하여 비선형 모델링을 이용한다. 하나의 예가 인위적 신경망 네크워크(neural networks)이다. 인위적 신경망 네트워크는 어떠한 시스템에서도 동작하며 입력과 출력 사이의 관계를 예측한다. 상기 네트워크는 그것의 추정을 개선할 수 있도록 반복적으로 훈련되어야 한다. 데이터의 정확성은 네크워크에 대한 훈련 프로그램에 기초하기 때문에 인위적 신경망 네트워크에 의해 주어지는 SOC 예측과 관련된 오차를 결정하는 것은 어렵다.Some techniques use nonlinear modeling to estimate SOC directly from measurements. One example is artificial neural networks. Artificial neural networks operate on any system and predict the relationship between input and output. The network must be trained repeatedly to improve its estimation. Since the accuracy of the data is based on a training program for the network, it is difficult to determine the error associated with the SOC prediction given by the artificial neural network.
해석 기술(interpretive techniques)로 불리는 SOC 추정 기술의 다른 그룹이 있다. 해석 기술들은 직접적으로 SOC를 주지 않는다. 대신, 그것들은 SOC를 결정하기 위하여 전기적 방전 및 충전 특성을 이용한다. 그 자체로, SOC는 계산된 값으로부터 추론되어야 한다. 이러한 기술 중 하나가 coup de fouet로 불린다. coup de fouet는 납축 배터리의 완전 충전에 뒤따르는 방전의 시작지점에서 발생하는 짧은 전압 강하 영역을 나타낸다. 이 coup de fouet 영역에서 발생하는 전압 파라미터들 사이의 특별한 상관관계를 이용하여 SOC를 추론할 수 있다. 상기 coup de fouet에 대한 하나의 한계는 납축 배터리에서만 동작한다는 것이다. 더욱이, 이것은 배터리 작동 중 완전 충전이 빈번하게 이루어지는 경우에서만 효과적이다. There is another group of SOC estimation techniques called interpretive techniques. Analysis techniques do not give SOC directly. Instead, they use electrical discharge and charge characteristics to determine the SOC. As such, the SOC has to be inferred from the calculated values. One such technique is called coup de fouet. The coup de fouet represents a short voltage drop region that occurs at the beginning of the discharge following a full charge of the lead acid battery. The SOC can be inferred using a special correlation between the voltage parameters occurring in this coup de fouet region. One limitation to the coup de fouet is that it only works with lead acid batteries. Moreover, this is only effective if full charge is frequently made during battery operation.
칼만 필터(Kalman filter ( TheThe KalmanKalman FilterFilter ))
SOC 결정 기술의 하나는 수학적으로 배터리의 동작을 모델링하고 상기 모델에 근거한 SOC를 예측하는 것과 관련된다. 그런 하나의 모델이 칼만 필터이다. 그것은 통계, 확률 및 시스템 모델링에서의 수학적 기초를 가지고 있다. 칼만 필터의 주요한 목적은 시스템의 출력값만을 사용하여 동적 시스템의 내적 상태를 순환적으로(recursively) 예측하는 것이다. 시스템의 내적 상태는 알려지지 않고 또한 직접적으로 측정할 수 없게 때문에 많은 예에서 이것은 상당히 유용하다. 그 자체로, 칼만 필터는 배터리의 모든 타입에서 동작할 수 있으며, 언급된 많은 기술들의 제한을 다룬다.One of the SOC determination techniques involves mathematically modeling the operation of a battery and predicting SOC based on the model. One such model is the Kalman filter. It has a mathematical basis in statistics, probability and system modeling. The main purpose of the Kalman filter is to recursively predict the internal state of a dynamic system using only the output of the system. In many instances this is quite useful because the internal state of the system is unknown and cannot be measured directly. By itself, Kalman filters can operate on any type of battery and address the limitations of many of the technologies mentioned.
칼만 필터는 많은 다른 유사한 수학적 시스템 모델들에 비해 몇 가지 장점을 가지기 때문에 항공학과 컴퓨터 그래픽과 같은 분야에 널리 이용되고 있다. 특히, 칼만 필터는 연속적인 단계에서 추정을 업데이터 할 때 측정 불확정성과 추정 불확정성 모두를 고려한다. 칼만 필터는 센서들로부터 수신한 새로운 측정값에 기초하여 두 가지 불확정성을 보정한다. 이것은 두 가지 이유에서 매우 중요하다. 첫째, 센서들은 종종 그것의 측정과 관련된 불확성실 또는 노이즈 성분을 가진다. 시간이 지남에 따라, 보정되지 않으면, 상기 측정 불확정성은 축적될 수 있다. 둘째, 어떠한 모델 시스템에서도 추정 그 자체는 본래적으로 불확정성을 가진다. 왜냐하면 시스템의 내적 동적 상태(internal dynamic)은 시간이 지남에 따라 변화될 수 있기 때문이다. 시스템은 모델에 덜 유사하게 구동하도록 내적으로 변화될 수 있기 때문에 하나의 시간 단계(one time step)의 추정은 다음(next)보다 덜 정확할 수 있다. 칼만 필터의 보정 매카니즘(correction mechanism)은 각 시간 단계에서의 이러한 불확정성들을 최소화하며, 시간의 경과에 따른 정확성의 저하를 방지할 수 있다. Kalman filters are widely used in areas such as aeronautics and computer graphics because they have several advantages over many other similar mathematical system models. In particular, the Kalman filter considers both measurement uncertainty and estimation uncertainty when updating the estimate in successive steps. The Kalman filter compensates for two uncertainties based on new measurements received from the sensors. This is very important for two reasons. First, sensors often have uncertainty or noise components associated with their measurements. Over time, if not corrected, the measurement uncertainty may accumulate. Second, the estimation itself inherently uncertain in any model system. This is because the internal dynamics of the system can change over time. Estimation of one time step may be less accurate than next because the system can be changed internally to drive the model less similarly. The Kalman filter's correction mechanism minimizes these uncertainties in each time step and prevents the degradation of accuracy over time.
도 1은 칼만 필터의 기본적인 동작을 나타내고 있다. 칼만 필터에서 두 개의 주요한 컴퍼넌트(component)가 있는데 예측 컴퍼넌트(predict component)(101)와 보정 컴퍼넌트(correct component)(102)이다. 시작해서, 일련의 초기 파라미터들이 예측 컴퍼넌트(101)에 입력된다. 예측 컴퍼넌트(101)는 일련의 입력 파라미터를 이용하여 특정한 시간 지점에서 시스템의 내적 상태를 예측한다. 내적 상태를 예측하는 것과 더불어, 예측의 불확정성 또한 제공한다. 그래서, 도 1에 도시된 바와 같이, 예측 컴퍼넌트(101)의 두 가지 출력은 예측된 내적 상태 벡터(내적 상태를 포함하는)와 그것의 불확정성이다. 1 shows the basic operation of the Kalman filter. There are two major components in the Kalman filter: predict
보정 컴퍼넌트(102)의 역할은 예측 컴퍼넌트(101)로부터 수신한 상기 예측된 내적 상태와 불확정성을 보정하는 것이다. 상기 보정은 상기 예측된 내적 상태와 예측된 불확정성을 센서로부터 수신한 새로운 측정값과 비교함으로써 이루어진다. 결과는 보정된 내적 상태와 보정된 불확정성이며, 그 후, 양자 모두는 다시 다음 반복(next iteration)을 위하여 예측 컴퍼넌트(101)에 파라미터로서 피드백된다. 다음 반복에서, 상기 사이클 자체가 다시 되풀이된다. The role of the
칼만 필터의 수학적 기초Mathematical Basics of Kalman Filters
도 1A와 도 1B는 칼만 필터의 예측 및 보정 컴퍼넌트 모두의 안에서 이용되는 수학식을 나타낸다. 이용된 수학식의 근원을 이해하기 위하여 다음 형태의 n차 계차 방정식(n-th order difference equation)에 의하여 표현되는 동적 프로세스를 고려한다. 1A and 1B show the equations used within both the prediction and correction components of the Kalman filter. To understand the source of the equations used, consider the dynamic process represented by the n-th order difference equation of the form:
상기 수식에서 uk는 제로 민 화이트 랜덤 프로세스 노이즈(zero-mean white random process noise)이다. 몇 가지 기초 조건 하에서, 상기 계차 방정식은 다음과 같이 재표현될 수 있다.U k in the above equation is zero-mean white random process noise. Under some basic conditions, the above equation can be re-expressed as follows.
상기 수식에서 는 이전 상태(previous state)와 입력 uk의 선형적 조합에 의하여 모델된 새로운 상태(new state)를 나타낸다. 매트릭스 A와 B의 표기법에 주시하여야 한다. 이것은 상태-공간 모델(state-space)을 이끌어 낸다.In the above formula Is the previous state The new state is modeled by the linear combination of and the input u k . Attention is drawn to the notations of matrices A and B. This leads to a state-space model.
또는 더욱 일반적인 형태로,Or in a more general form,
상기 수식은 많은 선형 추정 모델(linear estimation models)의 기초가 된다. [수학식 3] 에서 [수학식 5]는 단일(single) 입력과 단일(single) 출력을 가지는 시스템을 나타내고 있는 반면, B가 다중 열(columns)을 가지고, C가 다중 행(rows)을 가진다면, [수학식 6], [수학식 7] 및 다음의 수학식은 다중(multiple) 입력과 다중(multiple) 출력을 허용한다.The equation is the basis of many linear estimation models. Equation 3 to Equation 5 represent a system with a single input and a single output, while B has multiple columns and C has multiple rows. Equations 6, 7 and the following equations allow multiple inputs and multiple outputs.
[수학식 6]과 [수학식 7]에 기초하여, 상기 칼만 필터는 다음 수식에 의하여 운용된다.Based on Equations 6 and 7, the Kalman filter is operated by the following equation.
D가 흔히 0으로 가정됨에도 불구하고 [수학식 9]는 더욱 일반적인 형태이다. [수학식 8]에서의 매트릭스 A와 B는 각각 [수학식 6]에서 매트릭스 Ak, Bk와 연관된다. [수학식 9]에서의 매트릭스 C와 D는 [수학식 7]에서 Ck, Dk와 연관된다. [수학 식 8]은 동적 시스템 프로세스(dynamic system process)의 추정을 운용하기 때문에 프로세스 함수(process function)로 불린다. [수학식 8]과 [수학식 9]에서 추가된 랜덤 변수 wk 와 vk는 각각 프로세스 노이즈와 측정 노이즈를 나타낸다. 추정에 대한 그것들의 기여는 도 1A와 1B에서 그것들의 공분산 매트릭스(covarinace matrices) 및 에 의하여 표현된다.Although D is often assumed to be 0, Equation 9 is a more general form. Matrix A and B in
다시 도 1A(예측 컴퍼넌트(101)에서의 수식을 나타내는)을 참조하면, 수식 151는 [수학식 8]에 기초되고, 수식 152는 [수학식 9]의 일부에 기초한다. 수식 151은 [수학식 8]의 형태와 매우 비슷하나, 수식 152에 나타난 형태로 [수학식 9]를 변환하기 위하여 필요한 단계들은 여기에 도시되어 있지 않다. 수식 151은 현재 시간 단계(current time step)로부터 파라미터를 이용하여 로 표현된 벡터인, 다음 시간 단계(next time step)에서의 시스템의 내적 상태를 예측한다. 음수 표시는 벡터가 상기 예측 컴퍼넌트의 결과임을 나타낸다. 양수 표시는 벡터가 상기 보정 컴퍼넌트의 결과임을 나타낸다. 수식 151에서, 현재 시간 단계에서 보정 컴퍼넌트의 결과는 다음 시간 단계의 결과를 예측하기 위하여 사용된다. 수식 152는 불확정성을 예측하는 데 사용되며, 이는 또한 오차 공분산(error covariance)으로서 참조된다. 수식 152에서 매트릭스는 프로세스 노이즈 공분산 매트릭스(process noise covariance matrix)이다.Referring again to FIG. 1A (which represents the equation in the predictive component 101), equation 151 is based on [Equation 8], and equation 152 is based on part of [Equation 9]. Equation 151 is very similar to the form of
도 1B는 보정 컴퍼넌트(102)내에서의 수식을 나타낸다. 이러한 세 개의 수식 은 연속적으로 수행된다. 첫째, 수식 161은 칼만 게인 팩터(kalman gain factor) 를 결정한다. 상기 칼만 게인 팩터는 수식 162와 163에서의 보정을 정정하는데 이용된다. 수식 161에서 매트릭스 C는 [수학식 9]에서 연유하며, 이것은 상태와 측정값yk를 연관시킨다. 수식 162에서 칼만 게인 팩터는 실제 측정값 yk와 예측된 측정값 의 사이에 가중치를 부여하기 위하여 이용된다. 수식 161에서 나타난 바와 같이 매트릭스 , 실제 측정 노이즈 공분산(actual measurement noise covariance)는 칼만 게인 팩터 Lk와 역비례 된다.가 줄어들수록 Lk는 증가하고, 실제 측정값 yk에게 더 많은 가중치를 제공한다. 그러나, 예측된 불확정성인 매트릭스가 감소한다면 Lk는 감소하고, 예측된 측정값에 더 많은 가중치를 제공한다. 그래서, 칼만 게인 팩터는 더 작은 불확정성을 가지는 측정 형태에 의존하는 실제 측정값 또는 예측된 측정값을 선호한다.1B shows the equation within the
가중치를 부여하는 이 방법을 사용하여, 수식 162는 예측된 내적 상태 벡터 (예측 컴퍼넌트(101)로부터), 새로운 측정값 yk 및 예측된 측정값에 기초하여, 보정된 내적 상태 벡터 를 연산한다. 결국, 보정 컴퍼넌트(102)의 마지막 수식에서 수식 163은 상기 예측된 불확정성 또는 상태-오차 공분산(state-error covariance)을 보정한다. 수식 163에서 매트릭스 I는 단위 행 렬(identity matrix)을 의미한다. 수식 162 및 163의 출력은 다음 반복을 위하여 예측 컴퍼넌트(101)에 입력된다. 더욱 구체적으로, 수식 162에서 상기 계산된 값 은 다음 반복을 위하여 수식 151로 교체되고, 수식 163에서 상기 계산된 값 은 다음 반복을 위하여 수식 152와 교체된다. 그래서 칼만 필터는 내적 상태와 이와 연관된 불확정성을 반복적으로 예측하고 보정한다. 실제적으로 A, B, C, D, 및는 각 시간 단계에서 변경될 수 있다는 것이 주목되어야 한다.Using this method of weighting, Equation 162 uses the predicted dot product (From predictive component 101), the new measurement y k and the predicted measurement Based on the corrected dot product Calculate As a result, Equation 163 in the last equation of
확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)Extended Kalman Filter
칼만 필터는 그 모델에서 선형 함수들을 사용함에 반면, 확장 칼만 필터는 비선형 함수로 시스템을 모델링하기 위하여 발전 되었다. 이러한 구별은 차치하고, 확장 칼만 필터의 수학적 기초 또는 작동은 칼만 필터와 본질적으로 동일하다. 상기 확장 칼만 필터는 추정을 획득하기 위하여 함수들을 선형화(linearize)하는 테일러 시리즈(Taylor series)와 유사한 근사치 모델(approximation model)을 사용한다. 상기 선형화는 현재 비선형 프로세스와의 편도함수(partial derivatives), 측정 함수들, 예측 컴퍼넌트에서의 두 개의 수식에 대한 기초를 취함으로써 달성된다. The Kalman filter uses linear functions in the model, while the extended Kalman filter was developed to model the system as a nonlinear function. Apart from this distinction, the mathematical basis or operation of the Extended Kalman Filter is essentially the same as the Kalman Filter. The extended Kalman filter uses an approximation model similar to the Taylor series, which linearizes the functions to obtain an estimate. The linearization is achieved by taking the basis of two equations in the partial derivatives, measurement functions, and prediction components with current nonlinear processes.
상기 확장 칼만 필터는 다음 수학식에 의하여 운용된다.The extended Kalman filter is operated by the following equation.
및And
상기 수식에서 변수 wk 및 vk는 각각 프로세스 노이즈와 측정 노이즈를 의미한다. [수학식 10]에서 비선형 함수 f는 현재 단계 k에서의 상태 벡터 xk를 다음 시간 단계 k+1에서의 내적 상태 벡터 xk + 1와 연관시킨다. 함수 f는 또한 파라미터로서 드라이빙 함수 uk와 프로세스 노이즈 wk를 포함한다. [수학식 11]에서 상기 비선형 함수 h는 내적 상태 벡터 xk와 입력 uk를 측정값 yk와 연관시킨다.In the above equations, the variables w k and v k mean process noise and measurement noise, respectively. Non-linear function in Equation 10] f is thus associated with the current state vector x k at step k and internal state vector x k + 1 at the next time step k + 1. The function f also includes the driving function u k and the process noise w k as parameters. In Equation 11, the nonlinear function h associates the internal state vector x k and the input u k with the measured value y k .
도 2A 및 도 2B는 확장 칼만 필터의 수식을 나타낸다. 작동 시퀀스는 칼만 필터와 동일하다. 여기에서도 두 개의 컴퍼넌트-예측 컴퍼넌트(201)과 보정 컴퍼넌트(202)-가 있다. 수식들은 조금 다르다. 구체적으로, 매트릭스 A 및 C는 각 시간 단계마다 변경된다는 의미를 가지는 시간 단계 첨자(sub-script) k를 지금 가지고 있다. 이 변경은 함수들이 지금 비선형적이기 때문에 필요하다. 더 이상 칼만 필터의 경우와 같이 매트릭스들이 상수라고 가정할 수 없다. 그들을 근사화하기 위하여 야코비 행렬(jacobian matrices)이 각 시간 단계에서 함수 f와 h의 편도함수를 취함으로써 연산된다. 야코비 행렬은 아래에 리스트 된다.2A and 2B show the formula of the Extended Kalman Filter. The working sequence is the same as the Kalman filter. Here too, there are two components-the
A는 x에 대한 f의 편도함수를 취함으로써 연산된 야코비 행렬이다, 즉, A is a Jacobian matrix computed by taking the partial derivative of f with respect to x, i.e.
C는 x에 대한 h의 편도함수를 취함으로써 연산된 야코비 행렬이다. 즉, C is a Jacobian matrix computed by taking the partial derivative of h with respect to x. In other words,
함수들의 편도함수를 취하는 이러한 추가적인 단계는 차치하고, 확장 칼만 필터의 작동은 본질적으로 칼만 필터와 동일하다. Apart from this additional step of taking the partial derivatives of the functions, the operation of the extended Kalman filter is essentially the same as the Kalman filter.
배터리에서 From battery SOCSOC 를 결정하기 위한 칼만 필터의 이용The Kalman filter to determine
배터리 출력을 측정하기만 하면 되기 때문에, 칼만 필터는 HEV와 EV와 같은 동적 응용례를 포함하는 배터리 시스템의 모든 형태에서 작용할 수 있다는 점에서 장점을 가진다. 배터리의 SOC를 결정하기 위하여 칼만 필터를 사용하는 현존하는 응용례들이 있다. 그러나, 그것들 중 어떤 것도 모델의 내적 상태로서 SOC를 이용하지 않는다. 그래서, SOC 추정과 연관된 불확정성이 결정될 수 없다. 상기 결점은 불확정 범위(uncertainty range)가 운송수단의 전력 손실 또는 배터리의 과소충전을 방지하기 위하여 필요한 HEV 및 EV에서 특히 중요하다. 또한, 현존하는 방법들 중 어떠한 것도 배터리 SOC를 비선형적으로 모델하기 위하여 확장 칼만 필터를 사용하지 않는다. Since only the battery output needs to be measured, the Kalman filter has the advantage that it can work in all types of battery systems, including dynamic applications such as HEV and EV. There are existing applications using Kalman filters to determine the SOC of a battery. However, none of them use SOC as the internal state of the model. Thus, the uncertainty associated with SOC estimation cannot be determined. This drawback is particularly important in HEVs and EVs where an uncertainty range is necessary to prevent power loss in vehicles or undercharging of batteries. In addition, none of the existing methods use an extended Kalman filter to nonlinearly model the battery SOC.
칼만 필터는 단지 일반적 모델로서 다루어 진다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 칼만 필터의 각 응용례는, SOC를 추정하기 위하여 배터리의 구동을 정확히 나타낼 수 있는, 여전히 좋은 특정한 배터리 모델과 초기 파라미터를 사용할 필요가 있다. 예를 들어, 칼만 필터를 이용하여 내적 상태로서 SOC를 측정하기 위해 상기 필터는 하나의 시간 단계에서 다음 단계로의 SOC 전이(transition)방법을 나타내는 특정한 수식을 가지고 있을 필요가 있다. 그런 수식의 결정은 사소한 것이 아니다. It is important to note that the Kalman filter is only treated as a general model. Each application of the Kalman filter still needs to use a good specific battery model and initial parameters that can accurately represent the drive of the battery to estimate the SOC. For example, to measure SOC as an internal state using a Kalman filter, the filter needs to have a specific formula that describes how the SOC transitions from one time step to the next. The decision of such a formula is not trivial.
배터리에서 From battery SOHSOH 를 결정하기 위한 칼만 필터의 사용The Kalman filter to determine
더욱이, 재충전 가능한 배터리 팩 기술 분야에서 직접적으로 측정될 수는 없으나, 현재 배터리 팩의 여건을 나타내는 양적 요소(quantities)를 추정할 수 있는 것이 어떤 응용례에서 바람직하다. 이러한 양적 요소 중 수 분 내에 전체 범위를 선회(traverse)할 수 있는 팩 충전 상태(pack state of charge)와 같은 어떤 요소들은 급격히 변화될 수 있고, 10년 또는 그 이상의 통상적인 사용으로 20% 정도의 작은 범위에서 변화할 수 있는 셀 용량과 같은 다른 어떤 것들은 아주 천천히 변화한다. 급속히 변화하는 경향이 있는 양적 요소(quantities)는 시스템의 "상태(state)"를 구성하고, 느리게 변화하는 경향이 있는 양적 요소는 시스템의 시변(time varying) 파라미터를 구성한다.Moreover, although not directly measurable in the rechargeable battery pack art, it is desirable in some applications to be able to estimate quantities that represent the condition of current battery packs. Some of these quantitative factors, such as the pack state of charge, which can traverse the full range in minutes, can change dramatically, with 20% of normal use over 10 years or more. Something else changes very slowly, such as cell capacity, which can change in a small range. Quantitative factors that tend to change rapidly constitute the “state” of the system, and quantitative factors that tend to change slowly constitute the time varying parameter of the system.
배터리 시스템 분야, 예를 들어, 이종 전기 수송수단(Hybrid Electric Vehicle: HEV), 배터리 전기 수송 수단(Battery Electric Vehicles: BEV), 랩탑(laptop) 컴퓨터 배터리, 이동가능한 장비 배터리 팩 등과 같이 배터리 생명에 악영향을 주지 않고 가능한 한 활발히 긴 시간 동안 작동할 필요가 있는 것들에서 특히, 완변하는(slowly varying) 파라미터(예를 들어, 전체 용량)들에 대한 정보가 팩의 양호상태(pack health)를 결정하고, SOC 연산을 포함한 다른 연산에서 도움을 주는데 유용하다.Battery system applications, such as heterogeneous electric vehicles (HEV), battery electric vehicles (BEV), laptop computer batteries, portable equipment battery packs, etc., adversely affect battery life In those that need to operate for as long a time as actively as possible without any information, information about slowly varying parameters (e.g. total capacity) determines the pack health of the pack, This is useful for helping with other operations, including SOC operations.
셀의 SOH(State Of Health)를 추정하기 위한 현존하는 많은 방법들이 있는데, 이것들은 두 개의 양적 요소(전력 감퇴 및 용량 감퇴(양자 모두 완변))를 추정하는 것과 관련된다. 전력 감퇴는 현재와 초기 팩 전기 저항을 알고 있으면 계산될 수 있고, 용량 감퇴는, 예를 들어 다른 방법들 또한 사용될 수 있더라도, 현재와 초기 팩 전체 용량을 알고 있으면 계산될 수 있다. There are many existing methods for estimating the state of health (SOH) of a cell, which are related to estimating two quantitative factors: power decay and capacity decay (both full). Power decay can be calculated if the current and initial pack electrical resistance are known, and capacity decay can be calculated if the current and initial pack total capacity is known, for example, although other methods may also be used.
전력과 용량 감퇴는 흔히 양호상태(state of health:SOH)의 표현으로 나타낸다. 어떤 주워진 시간에서의 팩으로부터 이용가능한 최대 전력과 같은 이러한 변수들의 값을 사용하여 다른 정보가 유추될 수 있다. 추가적인 파라미터들 또한 특정한 응용에 필요할 수 있으며, 개별적인 알고리즘은 각각의 것을 알아내기 위하여 전형적으로 요구될 것이다.Power and capacity decay is often expressed in terms of state of health (SOH). Other information can be inferred using the values of these variables, such as the maximum power available from the pack at any given time. Additional parameters may also be required for a particular application, and individual algorithms will typically be required to find each one.
종래기술은 SOH의 추정에 대한 다음의 다른 접근방법 즉, 방전 테스트, 화학의존적 방법(chemistry-dependent methods), 옴 테스트(ohmic tests) 그리고 부분 방전을 이용한다. 방전 테스트는 셀의 전체 용량을 결정하기 위하여 완전히 충전된 셀을 완전히 방전시킨다. 이 테스트는 시스템 기능을 중단시키고, 셀 에너지를 낭비하게 한다. 화학 의존적 방법은 플레이트 부식, 전해질 밀도의 수준을 측정하는 것을 포함한다. coup de fouet는 납축 전지에 이용된다. 옴 테스트는 저항, 컨덕턴 스, 임피던스 테스트를 포함하는데, 퍼지 로직(fuzzy-logic) 알고리즘 및/또는 신경망(neural networks)과 경우에 따라 연계된다. 이러한 방법들은 침습성(invasive)의 측정들을 필요로 한다. 부분적 방전과 다른 방법들은 실험 대상 셀을 양질의 셀 또는 양질 셀의 모델과 비교한다.The prior art uses the following other approaches to the estimation of SOH: discharge tests, chemistry-dependent methods, ohmic tests and partial discharges. The discharge test completely discharges a fully charged cell to determine the total capacity of the cell. This test disrupts system functionality and wastes cell energy. Chemically dependent methods include measuring the level of plate corrosion, electrolyte density. Coup de fouet is used in lead acid batteries. Ohm tests include resistance, conductance, and impedance tests, which are optionally associated with fuzzy-logic algorithms and / or neural networks. These methods require invasive measurements. Partial discharges and other methods compare the cell under test with a model of a good cell or a good cell.
셀 저항과 용량과 같은 셀의 파라미터를 끊임없이 추정하는 방법에 대한 필요성이 있다. 더욱이, 시스템 기능을 중단시키지 않고, 에너지를 낭비하지 않는 테스트, 일반적 적용(예를 들어, 셀 전기화학의 다른 타입, 다른 응용례)이 가능한 방법, 침습적인 측정과 상당히 가혹한 접근이 요구되지 않는 방법에 대한 필요성이 있다. 배터리 팩에서의 병렬 및/또는 직렬 셀의 다른 구성에 동작할 수 있는 방법에 대한 필요성이 있다.There is a need for a method of constantly estimating cell parameters such as cell resistance and capacity. Moreover, methods that do not disrupt system function, do not waste energy, enable general applications (e.g., other types of cell electrochemistry, other applications), and methods that do not require invasive measurements and fairly harsh approaches. There is a need for. There is a need for a method that can operate on other configurations of parallel and / or series cells in a battery pack.
본원발명은 배터리 전력 응용례에 대한 배터리 충전상태(SOC) 및 양호 상태(state-of-health(SOH))를 포함하는 팩(packs)의 현재 동작 여건을 나타내는 값들의 추정을 실행하는 것에 관한 것이다. 배터리는 일차 형태 또는 이차(재충전가능한)형태일 수 있다. 더욱이, 본 발명은 어떠한 배터리 화학분야에도 적용될 수 있다. 그것은 높은 오차 불확정성, 제한된 응용 범위(예를 들어, 단 하나의 배터리 타입) 및 온도 변화에 대한 민감성과 같은 현존하는 실행과 관련된 문제들을 다룬다. The present invention relates to performing estimation of values indicative of current operating conditions of packs including battery state of charge (SOC) and state-of-health (SOH) for battery power applications. . The battery may be in primary form or secondary (rechargeable) form. Moreover, the present invention can be applied to any battery chemistry. It addresses issues related to existing practices such as high error uncertainty, limited application range (eg, only one battery type) and sensitivity to temperature changes.
본 발명의 실시예는 내적 시스템 상태로서 SOC를 가지는 배터리 모델로 칼만 필터, 선형 알고리즘을 이용한다. 본 발명의 실시예는 내적 시스템 상태로 SOC를 가지는 배터리 모델로 확장 칼만 필터, 비선형 알고리즘을 이용한다. 내적 상태로 SOC를 가지는 것은 상기 발명이 SOC추정과 관련된 불확정성을 제공하도록 한다. 본 발명의 실시예는 SOC추정에서의 파라미터로서 배터리 온도를 취하지 않는다. 본 발명의 다른 실시예는 SOC추정을 조정하기 위한 파라미터로서 배터리 온도를 이용한다. 변화하는 온도에 의하여 영향을 받는 것으로부터 SOC추정의 정확성을 유지하는 것은 중요하다. An embodiment of the present invention uses a Kalman filter, a linear algorithm, as a battery model with SOC as an internal system state. An embodiment of the present invention employs an extended Kalman filter, nonlinear algorithm, as a battery model with SOC in internal system state. Having an SOC in an internal state allows the invention to provide uncertainty associated with an SOC estimate. Embodiments of the present invention do not take battery temperature as a parameter in SOC estimation. Another embodiment of the present invention uses battery temperature as a parameter to adjust the SOC estimate. It is important to maintain the accuracy of SOC estimates from being affected by changing temperatures.
일 실시예는, 그러한 이전에 구현(previous implementations)이 어려웠던 이종 전기 수송수단(Hybrid Electric Vehicle: HEV)과 전기 수송 수단(Electric Vehicles: EV)에 이용되는 고 동적 배터리(highly dynamic batteries)에 배터리 동작 동안 다른 모델링 파라미터가 적응되도록 허용하는 선택사항을 가진다.One embodiment is battery operation on highly dynamic batteries used in hybrid electric vehicles (HEV) and electric vehicles (EV), where such prior implementations were difficult. Has the option to allow other modeling parameters to be adapted.
더욱이, 본 발명은 전기 화학 셀(electrochemical cell)의 파라미터, 더욱 구체적으로 예를 들어 셀의 파라미터 값을 추정하는 장치 및 방법과 관련된다. Moreover, the present invention relates to an apparatus and method for estimating the parameters of an electrochemical cell, more particularly for example the parameter values of the cell.
본 발명의 또 다른 측면에 의한 전기 화학 셀의 현재 파라미터를 추정하는 방법은, 셀의 내적 파라미터 예측을 수행하는 단계; 내적 파라미터 예측의 불확정성 예측을 수행하는 단계; 상기 내적 파라미터 예측과 상기 불확정성 예측을 보정하는 단계; 및 파라미터에 대해 진행하는 추정과 파라미터 예측에 대해 진행하는 불확정성을 산출하기 위하여 상기 내적 파라미터 예측, 상기 불확정성 예측 및 상기 보정을 반복하는 알고리즘을 적용하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, a method of estimating a current parameter of an electrochemical cell includes: performing internal parameter prediction of the cell; Performing uncertainty prediction of the internal parameter prediction; Correcting the internal parameter prediction and the uncertainty prediction; And applying an algorithm that repeats the internal parameter prediction, the uncertainty prediction, and the correction to calculate an ongoing estimate for the parameter and an ongoing uncertainty for the parameter prediction.
본 발명의 또 다른 측면에 의한 전기 화학 셀의 현재 파라미터를 추정하도록 구성되는 장치는, 셀의 내적 파라미터 예측을 수행하도록 구성되는 컴퍼넌트; 상기 내적 파라미터 예측의 불확정성 예측을 수행하도록 구성되는 컴퍼넌트; 상기 내적 파라미터 예측과 상기 불확정성 예측을 보정하도록 구성되는 컴퍼넌트; 및 파라미터에 대해 진행하는 추정과 파라미터 예측에 대해 진행하는 불확정성을 산출하기 위하여 내적 파라미터 예측을 수행하도록 구성되는 컴퍼넌트, 불확정성 예측을 수행하도록 구성되는 컴퍼넌트 및 보정하도록 구성되는 컴퍼넌트에 의하여 취하여진 단계를 반복하도록 구성되는 컴퍼넌트를 포함한다.According to yet another aspect of the present invention, an apparatus configured to estimate a current parameter of an electrochemical cell includes: a component configured to perform internal parameter prediction of the cell; A component configured to perform an uncertainty prediction of the internal parameter prediction; A component configured to correct the internal parameter prediction and the uncertainty prediction; And repeating the steps taken by the component configured to perform the intrinsic parameter prediction, the component configured to perform the uncertainty prediction, and the component configured to correct to calculate the ongoing estimation for the parameter and the ongoing uncertainty for the parameter prediction. Contains components that are configured to.
또한, 여기서 일 실시예로 개시되는 전기 화학 셀의 현재 파라미터를 추정하기 위한 시스템은, 셀의 내적 파라미터 예측하기 위한 수단; 내적 파라미터 예측의 불확정성 예측을 수행하기 위한 수단; 상기 내적 파라미터 예측과 불확정성 예측을 보정하기 위한 수단; 및 상기 파라미터에 대해 진행하는 예측과 상기 파라미터 예측에 대해 진행하는 불확정성을 산출하기 위하여 상기 내적 파라미터 예측을 수행하는 단계, 상기 불확정성 예측을 수행하는 단계 및 상기 보정하는 단계를 반복하는 알고리즘을 적용하기 위한 수단을 포함한다.In addition, a system for estimating a current parameter of an electrochemical cell disclosed herein as an embodiment includes means for predicting an internal parameter of the cell; Means for performing uncertainty prediction of the internal parameter prediction; Means for correcting the internal parameter prediction and the uncertainty prediction; And to apply an algorithm that repeats performing the internal parameter prediction, performing the uncertainty prediction, and correcting to calculate the ongoing prediction for the parameter and the ongoing uncertainty for the parameter prediction. Means;
더욱이, 전기 화학 셀의 현재 파라미터를 추정하기 위한 상기방법을 컴퓨터가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는 기계 인식가능한 컴퓨터 프로그램 코드로 코드화된 저장 매체가 다른 실시예로 개시된다.Moreover, another embodiment discloses a storage medium encoded with machine readable computer program code that includes instructions for causing a computer to perform the method for estimating a current parameter of an electrochemical cell.
더욱이, 컴퓨터 인식 가능한 매체로 구현되는 컴퓨터 데이터 신호에 대한 다른 실시예가 개시된다. 상기 컴퓨터 데이터 신호는 전기 화학 셀의 현재 파라미터를 추정하는 상기 방법을 컴퓨터가 수행하기 위하여 구성된 코드를 포함한다.Moreover, another embodiment of a computer data signal implemented with a computer readable medium is disclosed. The computer data signal includes code configured for a computer to perform the method of estimating a current parameter of an electrochemical cell.
본 발명의 다양한 특징, 형태 및 이점들은 발명의 상세한 설명과 첨부된 청구범위 및 도면을 통하여 더욱 명확히 이해될 것이다. 또한, 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 의미한다.Various features, forms, and advantages of the invention will be more clearly understood from the following detailed description of the invention and the appended claims and drawings. In addition, the same reference numerals in the drawings means the same components.
도 1은 일반적 칼만 필터의 동작을 도시하는 도면, 1 is a view showing the operation of a general Kalman filter,
도 1A는 일반적 칼만 필터의 예측 컴퍼넌트의 수식을 도시하는 도면,1A is a diagram showing a formula of a prediction component of a general Kalman filter,
도 1B는 일반적 칼만 필터의 보정 컴퍼넌트의 수식을 도시하는 도면, 1B is a diagram showing the formula of a correction component of a general Kalman filter;
도 2A는 일반적 확장 칼만 필터의 예측 컴퍼넌트의 수식을 도시하는 도면,2A is a diagram showing a formula of a prediction component of a general extended Kalman filter;
도 2B는 일반적 확장 칼만 필터의 보정 컴퍼넌트의 수식을 도시하는 도면,2B is a diagram showing the equation of a correction component of a general extended Kalman filter,
도 3A는 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 추정자(estimator)의 컴퍼넌트를 도시하는 도면,FIG. 3A illustrates components of an SOC estimator in accordance with an embodiment of the present invention; FIG.
도 3B는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 SOC 추정자(estimator)의 컴퍼넌트를 도시하는 도면, 3B illustrates a component of an SOC estimator in accordance with another embodiment of the present invention;
도 4A는 본 발명의 일 실시예에 따른 확장 칼만 필터 실행의 예측 컴퍼넌트의 수식을 도시하는 도면, 4A is a diagram showing the equations of a predictive component of an extended Kalman filter implementation in accordance with an embodiment of the present invention;
도 4B는 본 발명의 일 실시예에 따른 확장 칼만 필터 실행의 보정 컴퍼넌트의 수식을 도시하는 도면, 4B is a diagram showing the equations of a correction component of an extended Kalman filter implementation in accordance with an embodiment of the present invention;
도 5A는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 확장 칼만 필터 실행의 예측 컴퍼넌트의 수식을 도시하는 도면, 5A is a diagram showing the formula of a predictive component of an extended Kalman filter implementation according to another embodiment of the present invention;
도 5B는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 확장 칼만 필터 실행의 보정 컴퍼넌트의 수식을 도시하는 도면, 5B is a diagram showing the equation of a correction component of an extended Kalman filter implementation according to another embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 확장 칼만 필터의 동작을 도시하는 도면, 6 illustrates the operation of an extended Kalman filter according to an embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 확장 칼만 필터의 동작을 도시하는 도면, 7 illustrates the operation of an extended Kalman filter according to another embodiment of the present invention;
도 8A는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼만 필터 수행의 예측 컴퍼넌트의 수식을 도시하는 도면,8A is a diagram showing the equation of a predictive component of performing a Kalman filter in accordance with an embodiment of the present invention;
도 8B는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼만 필터 수행의 보정 컴퍼넌트의 수식을 도시하는 도면, 8B is a diagram showing the formula of a correction component of performing a Kalman filter in accordance with an embodiment of the present invention;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼만 필터의 동작과정을 도시하는 도면,9 is a view illustrating an operation process of a Kalman filter according to an embodiment of the present invention;
도 10은 배터리 SOC에 대한 모델링 수식을 동적으로 변화시키는 본 발명의 일 실시예의 동작과정을 도시한 도면, FIG. 10 is a flowchart illustrating an operation of an embodiment of the present invention for dynamically changing a modeling equation for a battery SOC. FIG.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 파라미터 추정에 대한 예시적인 시스템을 나타내는 블록도, 11 is a block diagram illustrating an exemplary system for parameter estimation in accordance with an embodiment of the present invention;
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 파라미터 추정에 대한 필터링 방법을 나타내는 블록도이다.12 is a block diagram illustrating a filtering method for parameter estimation according to an embodiment of the present invention.
배터리 충전 상태(Battery charge status ( SOCSOC ) 추정의 구현Implementation of estimation
본 발명의 실시예는 모든 배터리 전력 응용례에 대한 배터리 SOC 추정자(estimator)의 구현에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relate to the implementation of a battery SOC estimator for all battery power applications.
본 발명은 일차(primary) 형태 또는 이차(재충전 가능한)형태의 배터리에 적 용될 수 있으며, 상기 발명은 어떠한 배터리 화학분야에도 적용가능할 수 있다. 본 발명의 실시예는 이전에 구현(previous implementations)이 어려웠던 이종 전기 수송수단(Hybrid Electric Vehicle: HEV)과 전기 수송 수단(Electric Vehicles: EV)에 이용되는 동적 배터리(dynamic batteries)에 작용한다. 그것은 SOC 추정과 SOC추정의 불확정성 모두를 제공하는 장점을 가진다. 그것은 높은 오차 불확정성, 제한된 응용 범위 및 온도 변화에 대한 민감성과 같은 현존하는 구현예와 관련된 문제들을 다룬다. The invention can be applied to batteries in primary or secondary (rechargeable) form, and the invention can be applicable to any battery chemistry. Embodiments of the present invention work on dynamic batteries used in hybrid electric vehicles (HEVs) and electric vehicles (EVs), which previously had difficult implementations. It has the advantage of providing both SOC estimation and uncertainty in SOC estimation. It addresses issues related to existing implementations such as high error uncertainty, limited application range and sensitivity to temperature changes.
온도-독립적 모델(Tempearture-Independent Model)Temperature-Independent Model
도 3A는 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 추정자의 컴퍼넌트를 나타낸다. 배터리(301)는 로드 회로(305)에 연결된다. 예를 들어, 로드 회로(305)는 전기 수송수단(Elctric Vehicle: EV)이나 이종 수송수단(Hybrid Electric Vehilce:HEV)의 모터일 수 있다. 배터리 단자 전압의 측정은 볼트미터(voltmeter)(302)로 이루어진다. 배터리 전류의 측정은 암미터(ammeter)(303)로 이루어진다. 볼트 및 전류 측정은 SOC를 추정하는 연산회로(304)로 처리된다. 배터리의 내재적 화학 성분으로부터 측정을 하는 데 있어 어떠한 수단도 필요하지 않다고 이해되어야 한다. 3A illustrates components of an SOC estimator in accordance with an embodiment of the present invention. The
또한, 모든 측정은 비침습적(non-invasive)임을 주목해야 한다. 즉, 로드 회로(305)의 정상적인 동작에 방해될 수 있는 어떠한 신호도 시스템에 주입되지 않는다.It should also be noted that all measurements are non-invasive. That is, no signal is injected into the system that may interfere with the normal operation of the
연산 회로(304)는 모델 상태로서 배터러 SOC를 포함하는 배터리의 수학적 모델을 사용한다. 본 발명의 일 실시예에서, 이산 시간 모델(discrete-time model)이 사용되고, 다른 실시예에서 연속 시간 모델(continuous-time model)이 사용된다. 일 실시예에서, 모델 수식은 다음과 같다.
및 And
상기 수식에서 xk는 시간 지표 k(xk는 스칼라 양 또는 벡터 일 수 있다)에서의 모델 상태이다. ik는 시간 지표 k에서의 배터리 전류이며, wk는 시간 지표 k에서의 교란(disturbance) 입력이다. 함수 f(xk, ik, wk)는 시간 지표 k에서의 모델 상태와 시간 지표 k+1에서의 모델 상태를 관련시키며, 선형 또는 비선형 함수일 수 있다. 본 발명의 실시예는 모델 상태 벡터 xk의 요소로서 배터리 SOC를 가진다. In the above equation, x k is the model state in time index k (x k may be a scalar quantity or a vector). i k is the battery current at time indicator k and w k is the disturbance input at time indicator k. The function f (x k , i k , w k ) associates the model state at time index k with the model state at time index k + 1 and can be a linear or nonlinear function. An embodiment of the invention has a battery SOC as an element of the model state vector x k .
[수학식 15]에서, 변수 vk는 시간 지표 k에서의 측정 노이즈이며, yk는 시간 지표 k에서의 배터리 단자 전압의 모델 예측이다. 함수 h(xk, ik, wk)는 모델의 상태, 전류 및 측정 노이즈를 시간 지표 k에서의 예측된 단자 전압과 관련시킨다. 이 함수는 선형적 또는 비선형적일 수 있다. 시간 지표들 사이에 경과하는 기간은 상기 발명이 측정이 때때로 생략되도록 함에도 불구하고 고정적일 수 있다. In Equation 15, the variable v k is measurement noise at time index k, and y k is model prediction of battery terminal voltage at time index k. The function h (x k , i k , w k ) correlates the state, current and measurement noise of the model with the predicted terminal voltage at time index k. This function can be linear or nonlinear. The period of time that elapses between the time indicators can be fixed even though the invention allows measurements to be omitted from time to time.
온도-종속적 모델(Temperature-Dependent Model)Temperature-Dependent Model
도 3B는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SOC 추정자의 컴퍼넌트를 나타낸다. 배터리(351)는 로드 회로(355)에 연결되어 있다. 예를 들어, 로드 회로(355)는 전기 수송수단(Elctric Vehicle: EV) 이나 이종 수송수단(Hybrid Electric Vehilce:HEV)의 모터일 수 있다. 배터리 단자 전압의 측정은 볼트미터(voltmeter)(352)로 이루어진다. 배터리 전류의 측정은 암미터(ammeter)(353)로 이루어진다. 배터리 온도는 온도 센서(356)에 의하여 측정된다. 전압, 전류, 온도 측정은 SOC를 추정하는 연산회로(354)로 처리된다.3B illustrates components of an SOC estimator in accordance with another embodiment of the present invention. The
연산 회로(354)는 모델 상태로서 배터리 SOC를 포함하는 배터리의 온도 종속적 수학모델을 이용한다. 본 발명의 일 실시예에서, 이산 시간 모델이 사용된다. 다른 실시에에서는 연속 시간 모델이 사용된다. 일 실시예에서 모델 수식은 다음과 같다. The
및And
상기 수식에서 xk는 시간 지표 k(xk는 스칼라 양 또는 벡터 일 수 있다)에서의 모델 상태이다. Tk는 시간 지표 k에서 배터리 팩 내의 하나 이상의 지점에서 측 정된 배터리 온도이며, wk는 시간 지표 k에서의 교란 입력이다. 종속적 파라미터로서 배터리 온도의 이용은 변화하는 온도에 의하여 영향을 받는 것으로부터 SOC추정의 정확성을 유지하는 데 중요하다. 함수 f(xk, ik, Tk, wk)는 시간 지표 k에서의 모델 상태와 시간 지표 k+1에서의 모델 상태를 관련시키며, 선형 또는 비선형 함수일 수 있다. 본 발명의 실시예는 모델 상태 벡터 xk의 요소로서 배터리 SOC를 가진다. In the above equation, x k is the model state in time index k (x k may be a scalar quantity or a vector). T k is the battery temperature measured at one or more points in the battery pack at time indicator k and w k is the disturbance input at time indicator k. The use of battery temperature as a dependent parameter is important to maintain the accuracy of the SOC estimate from being affected by varying temperatures. The function f (x k , i k , T k , w k ) associates the model state at time index k with the model state at time index k + 1 and can be a linear or nonlinear function. An embodiment of the invention has a battery SOC as an element of the model state vector x k .
[수학식 17]에서, 변수 vk는 시간 지표 k에서의 측정 노이즈이며, yk는 시간 지표 k에서의 배터리 단자 전압의 모델 예측이다. 함수 h(xk, ik, Tk, wk)는 모델의 상태, 전류 및 측정 노이즈를 시간 지표 k에서의 예측된 단자 전압과 관련시킨다. 이 함수는 선형적 또는 비선형적일 수 있다. 시간 지표들 사이에 경과하는 기간은 상기 발명이 측정이 때때로 생략되도록 함에도 불구하고 고정적일 수 있다. In Equation 17, the variable v k is measurement noise at time index k, and y k is model prediction of battery terminal voltage at time index k. The function h (x k , i k , T k , w k ) correlates the state, current and measurement noise of the model with the predicted terminal voltage at time index k. This function can be linear or nonlinear. The period of time that elapses between the time indicators can be fixed even though the invention allows measurements to be omitted from time to time.
상기 모델의 칼만 필터 및 확장 칼만 필터에 적용Applicable to Kalman filter and Extended Kalman filter of above models
본 발명의 일 실시예에서 [수학식 14]와 [수학식 15]의 상기 온도-독립적 수학 배터리 모델은 시스템이 동작할 때, 배터리 SOC를 추정하는 칼만 필터에 대한 기초로 이용된다. 이 실시예에서 함수 f와 h는 선형적이다. 본 발명의 다른 일 실시예에 [수학식 16]과 [수학식 17]의 상기 온도-종속적 수학 배터리 모델은 시스템이 동작할 때, 배터리 SOC를 추정하는 칼만 필터에 대한 기초로 이용된다. 이 실시예에서 함수 f와 h는 모두 선형적이다. In one embodiment of the present invention, the temperature-independent mathematical battery models of Equations 14 and 15 are used as a basis for the Kalman filter to estimate the battery SOC when the system is operating. In this embodiment the functions f and h are linear. In another embodiment of the present invention, the temperature-dependent mathematical battery models of Equations 16 and 17 are used as a basis for the Kalman filter to estimate the battery SOC when the system is operating. In this embodiment, the functions f and h are both linear.
본 발명의 다른 일 실시예에서 [수학식 14]와 [수학식 15]의 상기 온도-독립 적 수학 모델은 확장 칼만 필터에 대한 기초로 이용된다. 함수 f와 h는 이 실시예에서 비선형적이다. 본 발명의 다른 실시예에서 [수학식 16]과 [수학식 17]의 상기 온도-종속적 수학 모델은 확장 칼만 필터에 대한 기초로 이용된다. 이 실시예에서 함수 f와 h는 모두 비선형적이다. 본 기술의 당업자라면 어떤 루엔베르크 관측기(luenberger-like observer) 같은 것뿐만 아니라 칼만 필터의 다른 변형례, 또한 사용될 수 있다고 인식할 것이다. In another embodiment of the present invention, the temperature-independent mathematical models of Equations 14 and 15 are used as the basis for the extended Kalman filter. The functions f and h are nonlinear in this embodiment. In another embodiment of the present invention, the temperature-dependent mathematical models of Equations 16 and 17 are used as the basis for the Extended Kalman Filter. In this embodiment, the functions f and h are both nonlinear. Those skilled in the art will recognize that not only certain Luenberger-like observers, but also other variations of the Kalman filter, may also be used.
확장 칼만 필터의 동작Extended Kalman Filter Behavior
도 4A 및 도 4B는 확장 칼만 필터에 대한 일 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, 온도-독립적 모델로부터의 [수학식 14]와 [수학식 15]는 확장 칼만 필터의 기초로 이용된다. 두 도면 내에서 양 예측 컴퍼넌트와 보정 컴퍼넌트 내의 수식은 도 2에 도시된 바와 같이 확장 칼만 필터의 일반적 형태를 보유한다. 그러나, 이 실시예에서 변수 이름에 조금의 변동이 있다. 상기 차이는 배터리 SOC측정에 이용된 변수들과 [수학식 14]와 [수학식 15]의 이용을 반영한다. 는 배터리의 내적 상태를 나타내는 예측된 벡터를 지금 나타내는 반면, 은 상기 예측된 상태-오차 공분산(state-error covariance)(불확정성)을 지금 나타낸다. 함수 f와 h는 [수학식 14]와 [수학식 15]에서 나타난 그것들과 동일하다. 보정 컴퍼넌트(402)의 수식 462에서 실제 측정 항목은 지금 mk로 표현된다고 이해되어야 한다. 4A and 4B show one embodiment for an extended Kalman filter. In this embodiment, equations (14) and (15) from the temperature-independent model are used as the basis of the extended Kalman filter. In both figures, the equations in both the predictive component and the correction component retain the general form of the extended Kalman filter as shown in FIG. However, there is some variation in the variable name in this embodiment. The difference reflects the variables used in the battery SOC measurement and the use of Equations 14 and 15. Now represents a predicted vector representing the internal state of the battery, Now represents the predicted state-error covariance (uncertainty). The functions f and h are the same as those shown in Equations 14 and 15. It should be understood that the actual measurement item in equation 462 of the
도 5A와 도 5B는 확장 칼만 필터에 대한 다른 실시예를 나타내고 있다. 이 실시예에서, 온도-종속적 모델로부터의 [수학식 16]과 [수학식 17]이 확장 칼만 필 터의 기초로 이용된다. 모든 수식들은 도 4A와 도 4B에서의 그것들과 수식 551과 562가 추가적인 온도 항목 Tk를 지금 가지고 있다는 점을 제외하면 동일하다. 따라서, 이 실시예에서 확장 칼만 필터의 매 반복 수행마다 배터리의 온도는 추정을 결정하기 위하여 사용된다. 배터리 용량은 때때로 온도에 의하여 영향을 받기 때문에 이 추가적인 항목은 수식들이 더욱 정확하게 배터리를 모델링하도록 한다. 5A and 5B illustrate another embodiment of an extended Kalman filter. In this embodiment, Equations 16 and 17 from the temperature-dependent model are used as the basis of the Extended Kalman Filter. All equations are the same except that in Figures 4A and 4B and Equations 551 and 562 now have an additional temperature item T k . Thus, in this embodiment the temperature of the battery is used to determine the estimates for every iteration of the Extended Kalman Filter. Since battery capacity is sometimes affected by temperature, this additional entry allows equations to model the battery more accurately.
도 6은 온도-독립 모델을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 확장 칼만 필터의 동작과정을 나타낸다. 블록 600에서, 알고리즘은과의 이전 추정값(prior estimates)으로 초기화된다. 는 [수학식 14]의 함수 f에서 오는 반면, 은 [수학식 15]의 함수 h에서 온다. 블록 600의 완료 후, 과의 추정값으로 상기 알고리즘은 확장 칼만 필터의 보정 컴퍼넌트를 개시한다. 과의 추정값은 보정 컴퍼넌트에 의하여 요구된 예측 컴퍼넌트로부터의 출력으로 역할한다. 블록 601에서, x에 대한 수식 h의 편도 함수가 연산되며, 매트릭스 C를 산출한다. 블록 602에서는, 칼만 게인(kalman gain) Lk가 매트릭스 C,과을 이용하여 연산된다. 이것은 도 4B에서 보정 컴퍼넌트(402)의 첫번째 수식(수식 461)에 대응한다. 블록 603에서, 예측된 내적 상태 벡터, 칼만 게인 Lk와 단자전압의 측정값 mk는 보정된 상태 벡터 를 계산하는데 사용된다. 이것은 확장 칼만 필터에서 보정 컴퍼넌트의 두번째 수식 에 대응한다. 블록 604에서는, 상기 예측된 상태-오차 공분산 이 보정된 상태-오차 공분산 을 연산하기 위하여 이용된다. 이것은 보정 컴퍼넌트의 세번째 수식에 대응한다. 6 illustrates the operation of an extended Kalman filter according to an embodiment of the present invention using a temperature-independent model. At
블록 605에서, 상기 예측 컴퍼넌트의 수식들 모두가 연산된다. 매트릭스 A는 x에 대한 함수 f의 편도 함수를 취함으로써 연산되고, 다음 반복에 대한 예측값 즉, 과이 연산된다. 블록 606에서 시간 지표 k는 증대되고 동작과정은 블록 601에서 다시 다음 시간 단계로 시작된다. At
도 7은 온도-종속적 모델을 사용하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 확장 칼만 필터의 동작을 도시한다. 블록 700에서 알고리즘은 의 이전 추정값(prior estimates)으로 초기화된다. 는 [수학식 16]의 함수 f에서 오는 반면,은 [수학식 17]의 함수 h에서 온다. 블록 700의 완료 후,과의 추정값으로 상기 알고리즘은 확장 칼만 필터의 보정 컴퍼넌트를 개시한다. 과의 추정값은 보정 컴퍼넌트에 의하여 요구된 예측 컴퍼넌트로부터의 출력으로 역할한다. 블록 701에서, x에 대한 수식 h의 편도 함수가 연산되며, 매트릭스 C를 산출한다. 블록 702에서는, 칼만 게인 Lk가 매트릭스 C, 과을 이용하여 연산된다. 이것은 도 5B에서 보정 컴퍼넌트(502)의 첫번째 수식(수식 561)에 대응한다. 그 다음에 블록 703에서, 예측된 내적 상태 벡 터, 칼만 게인 Lk 및 단자전압의 측정값 mk가 보정된 상태 벡터 를 계산하는데 사용된다. 이것은 확장 칼만 필터에서 보정 컴퍼넌트의 두번째 수식에 대응한다. 블록 704에서는, 상기 예측된 상태-오차 공분산 이 보정된 상태-오차 공분산 을 연산하기 위하여 이용된다. 이것은 보정 컴퍼넌트의 세번째 수식에 대응한다. 7 illustrates operation of an extended Kalman filter according to another embodiment of the present invention using a temperature-dependent model. In
블록 705에서, 상기 예측 컴퍼넌트의 수식들 모두가 연산된다. 매트릭스 A는 x에 대한 함수 f의 편도 함수를 취함으로써 연산되고, 다음 반복에 대한 예측값 즉,과 이 연산된다. 블록 706에서 시간 지표 k는 증대되고 동작과정은 블록 701에서 다시 다음 시간 단계로 시작된다. At
칼만 필터의 동작Kalman Filter Behavior
도 8A 및 도 8B는 칼만 필터에 대한 실시예를 도시한다. 온도-독립적 모델로부터의 [수학식 14]와 [수학식 15]가 칼만 필터의 기초로 사용된다. 다른 실시예에서는 온도-종속적 모델로부터의 [수학식 16]과 [수학식 17]이 사용된다. 상기 두 도면 내에서 양 예측 컴퍼넌트와 보정 컴퍼넌트 내의 수식은 도 1에 도시된 것처럼 확장 칼만 필터의 일반적 형태를 보유한다. 그러나, 이 실시예에서 변수 이름에 다소의 변동이 있다. 하나의 실시예에서, 상기 차이는 배터리 SOC측정에 이용된 변수들, [수학식 14] 및 [수학식 15]의 이용을 반영한다. 다른 실시예에서, 상기 차이는 배터리 SOC 측정에 사용되는 변수들, [수학식 16] 및 [수학식 17]의 이용을 반 영한다. 는 배터리의 내적 상태를 나타내는 예측된 벡터를 지금 나타내는 반면, 은 상기 예측된 상태-오차 공분산(state-error covariance)(불확정성)을 지금 나타낸다. 보정 컴퍼넌트(802)의 수식 862에서 실제 측정 항목은 지금 mk로 표현된다고 이해되어야 한다. 8A and 8B show an embodiment for a Kalman filter. Equations 14 and 15 from a temperature-independent model are used as the basis for the Kalman filter. In another embodiment, Equations 16 and 17 from the temperature-dependent model are used. In both figures, the equations in both the predictive component and the correction component retain the general form of the Extended Kalman Filter, as shown in FIG. However, there are some variations in the variable names in this embodiment. In one embodiment, the difference reflects the use of variables, Equations 14 and 15, used in the battery SOC measurement. In another embodiment, the difference reflects the use of variables, [Equation 16] and [Equation 17], used to measure battery SOC. Now represents a predicted vector representing the internal state of the battery, Now represents the predicted state-error covariance (uncertainty). It is to be understood that the actual measurement item in Equation 862 of the
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼만 필터의 동작을 도시한다. 블록 900에서 알고리즘은 과의 이전 추정값(prior estimates)으로 초기화된다. 하나의 실시예에서, 는 [수학식 14]의 함수 f에서 오는 반면, 은 [수학식 15]의 함수 h에서 온다. 이 실시예는 온도-독립적이다. 다른 실시예에서, 는 [수학식 16]의 함수 f에서 오는 반면, 은 [수학식 17]의 함수 h에서 온다. 이 실시예는 온도-종속적이다. 블록 900의 완료 후, 과의 추정값으로 상기 알고리즘은 확장 칼만 필터의 보정 컴퍼넌트를 개시한다. 과의 추정값은 보정 컴퍼넌트에 의하여 요구된 예측 컴퍼넌트로부터의 출력으로 역할한다. 블록 901에서, 칼만 게인 Lk이 매트릭스 C, 과을 이용하여 연산된다. 이것은 도 8B에서 보정 컴퍼넌트(802)의 첫번째 수식(수식 861)에 대응한다. 그 다음, 블록 902에서, 예측된 내적 상태 벡터, 칼만 게인 Lk 및 단자전압의 측정값 mk가 보정된 상태 벡터 를 계산하는데 사용된다. 이것은 확장 칼만 필터에서 보정 컴퍼넌트의 두번째 수식에 대응한다. 블록 903에서는, 상기 예측된 상태-오차 공분산이 보정된 상태-오차 공분산 을 연산하기 위하여 이용된다. 이것은 보정 컴퍼넌트의 세번째 수식에 대응한다. 블록 904에서, 상기 예측 컴퍼넌트의 양 수식들이 연산된다. 다음 반복에 대한 예측값 즉,즉,과 이 연산된다. 블록 905에서 시간 지표 k는 증대되고 동작과정은 블록 901에서 다시 다음 시간 단계로 시작된다.9 illustrates an operation of a Kalman filter according to an embodiment of the present invention. In
구체적인 수식들Specific formulas
일 실시예에서, 함수 f에 대한 다음의 구체적인 형태가 사용된다. 상기 내적 상태 벡터 xk는,In one embodiment, the following specific form for the function f is used. The internal state vector x k is,
그리고, 각 상태에 대한 지배 방정식(goverining equation)은, And the governing equation for each state is
배터리 SOC는 상기 상태 벡터의 첫번째 요소이다. 상기 변수들은 다음과 같이 정의된다. Ik는 순간 전류(instantaneous current), △t는 순간 시간 사이의 간격, Cp(temp. . .)는 온도-종속적이도록 조정된 배터리의 "퓨커트" 용량("peukert" capacity)이며, n는 퓨거트에 관계된 퓨거트 멱지수(peukert exponent)이다. 용량 그리고 η(Ik)는 전류의 함수로서 배터리 쿨롬 효율(coulombic efficiency)이다. 상태 변수들 FILT 와 IF는 평탄하고 느린 배터리 동적 상태의 대부분을 획득하는 필터 상태들이다. Battery SOC is the first element of the state vector. The variables are defined as follows. I k is the instantaneous current, Δt is the interval between the instants of time, C p (temp ...) is the "peukert" capacity of the battery adjusted to be temperature-dependent, n Is the fuguert exponent relative to fugue. Capacity and η (I k ) are the battery coulombic efficiency as a function of current. State variables FILT and IF are filter states that obtain most of the flat, slow battery dynamic state.
일 실시예에서, 함수 h에 대한 다음의 구체적인 형태가 이용된다.In one embodiment, the following specific form for function h is used.
상기 수식에서 yk는 단자 전압이다. 다른 모든 변수들(k0, k1 등)은 모델의 계수들(coefficients)이며, 실험실 테스트로부터 결정된 아 프리오리(a priori)일 수 있으며, 여기에서 논의되지 않은 매카니즘을 사용하여 시스템 동작 중 조정될 수 있다. 이러한 계수들은, 예를 들어, 10 Amps의 순간 방전(instantaneous discharge)에 사용되는 계수들은 5 Amps의 순간 충전(instantaneous charge)에 사용되는 계수들과 달라지도록 본 발명에서 변한다. 이것은 본 발명이 모델의 전류-종속성을 더욱 정밀하게 모델링(모델링)하도록 한다. Y k in the above formula is the terminal voltage. All other variables (k 0 , k 1, etc.) are the coefficients of the model, can be a priori determined from laboratory tests, and can be adjusted during system operation using mechanisms not discussed herein. Can be. These coefficients vary in the present invention such that, for example, the coefficients used for instantaneous discharge of 10 Amps are different from those used for instantaneous charge of 5 Amps. This allows the present invention to more accurately model (model) the current-dependency of the model.
다른 실시예에서, 함수 f의 다음 형태가 사용된다. 내적 상태 벡터 xk는,In another embodiment, the following form of function f is used. The inner state vector x k is
여기서 SOCk는 현재 SOC 추정값이며, SOCk -1은 이전 SOC 추정값(등)이며, ik는 현재 전류 측정값(등)이며, yk -1은 이전 배터리 전압 추정값이다. α, β, γ는 양의 상수로 상태 변수들의 팔시모니어스 넘버(parsimonious number)를 가진 수용가능한 모델을 만들도록 선택된다. SOC 상태에 대한 지배 방정식은 다음과 같다. Where SOC k is the current SOC estimate, SOC k -1 is the previous SOC estimate (etc.), i k is the current current measurement (etc.), and y k -1 is the previous battery voltage estimate. α, β, and γ are positive constants that are chosen to create an acceptable model with parsimonious numbers of state variables. The governing equation for the SOC state is
상기 실시예에서, 함수 h의 구체적인 형태가 사용된다. In this embodiment, the specific form of function h is used.
상기 수식에서, h는 측정된 데이터에 부합되는 비선형 함수로서 구현된다. 예를 들어, h는 신경망 네트워크(neural network)를 사용하여 구현될 수 있다. In the above formula, h is implemented as a nonlinear function that matches the measured data. For example, h can be implemented using a neural network.
일 실시예에서 신경망 네트워크는 배터리의 내적 상태를 추정하는데 사용될 수 있다. 이 실시예와 종래 신경망 네트워크 사이의 차이는 다음과 같다. 종래 신경망 네트워크에서 추정된 SOC는 신경망 네트워크의 출력이다. 이 실시예는 상태들 중의 하나로서 SOC를 가지는 신경망 네트워크를 사용하여 상기 배터리 셀의 첫번째 모델링에 의하여 간접적으로 SOC를 측정한다. 그 후, SOC를 추정하기 위하여 신경망 네트워크를 가지는 칼만 필터를 사용한다. 이러한 접근방법은 두 가지의 주요한 이점을 가진다. 첫째, 작동되는 동안 온라인으로 훈련될 수 있고, 둘째, 추정에 대한 오차 한계(error bounds)가 연산될 수 있다. In one embodiment, the neural network may be used to estimate the internal state of the battery. The difference between this embodiment and the conventional neural network is as follows. The SOC estimated in the conventional neural network is the output of the neural network. This embodiment measures the SOC indirectly by first modeling the battery cell using a neural network with SOC as one of the states. The Kalman filter with neural network is then used to estimate the SOC. This approach has two main advantages. First, it can be trained online during operation, and second, error bounds for the estimate can be calculated.
파라미터의 변경(Changing Parameters)Changing parameters
도 10은 배터리 SOC에 대한 모델링 수식을 동적으로 변화시키는 본 발명의 일 실시예의 동작을 도시한다. 이 실시예에서, 연산회로는 다른 시간 간격(time period)에 대한 다른 파라미터들을 사용하는 배터리의 변화하는 거동들을 적응시킬 수 있다. 블록 1000에서, 배터리 전류 준위에서의 변화가 감지된다. 예를 들어, 이종 전기 수송 수단(HEV)에서, 배터리 전력의 갑작스런 유출(sudden drain)이 오르막을 올라가는 상기 수송수단에 의하여 유발된다. 조건상의 상기 갑작스런 변화는 새로운 조건 하에서 SOC를 더욱 정확히 추정하기 위한 다른 일련의 모델링 수식(set of modeling equations)을 사용하도록 연산 회로를 촉발시킨다. 블록 1010에서 새로운 일련의 모델링 수식이 사용된다. 블록 1020에서, 상기 새로운 수식이 SOC를 결정하기 위하여 사용된다. 이 적응적 모델링 거동(adaptive modeling behavior)은 이종 전기 수송수단(Hybrid Electric Vehicle: HEV)과 전기 수송 수단(Electric Vehicles: EV)과 같은 고 동적 응용례(highly dynamic application)에서 유용하다.10 illustrates the operation of one embodiment of the present invention to dynamically change modeling equations for battery SOC. In this embodiment, the computing circuit can adapt the changing behaviors of the battery using different parameters for different time periods. At
더욱이, 필터링을 사용하는 전기 화학 셀의 파라미터 추정의 방법, 시스템 및 장치에 대한 다양한 실시예가 여기에 개시된다. 도 11과 도 12를 참조할 때, 다음의 도면, 다수의 구체적인 세부요소는 본 발명의 더욱 완전한 이해를 제공하기 위하여 설명된다. 예제적인 실시예는 배터리 셀을 참조하여 설명되고 있지만 이하에 셀로 언급되는 다양한 전기 화학 셀은 배터리, 배터리 팩, 초고용량 캐패시터(ultracapacitors), 캐패시터 뱅크(capacitor banks), 연료 전지(fuel cell), 전기분해 전지(electrolysis cell) 등뿐만 아니라 전술된 것의 적어도 하나를 포함하는 조합을 제한을 두지 않고 포함하여 채용될 수 있고 이해되어야 한다. 더욱이, 배터리 또는 배터리 팩은 복수 개의 셀을 포함할 수 있으며, 여기에 개시되는 예제적인 실시예는 상기 복수 개의 하나 이상의 셀에 적용될 수 있다고 이해되어야 한다. Moreover, various embodiments of methods, systems, and apparatus for parameter estimation of electrochemical cells using filtering are disclosed herein. Referring to Figures 11 and 12, the following figures, numerous specific details, are set forth in order to provide a more complete understanding of the present invention. Example embodiments are described with reference to battery cells, but various electrochemical cells, referred to below as cells, include batteries, battery packs, ultracapacitors, capacitor banks, fuel cells, and electricity. It should be understood and understood to include, without limitation, combinations including at least one of the foregoing as well as electrolysis cells and the like. Moreover, it is to be understood that a battery or battery pack may comprise a plurality of cells, and the example embodiments disclosed herein may be applied to the plurality of one or more cells.
본 발명의 하나 이상의 예제적인 실시예는 필터링 방법을 이용하여 셀 파라미터 값을 추정한다. 본 발명의 하나 이상의 예제적인 실시예는 칼만 필터링을 이용하여 셀 파라미터 값을 추정한다. 본 발명의 어떤 실시예는 확장 칼만 필터링을 이용하여 셀 파라미터 값을 추정한다. 어떤 실시예는 셀 전체 용량(cell total capacity)을 추정한다. 어떤 실시예는 다른 시변(time-varying) 파라미터 값을 추정한다. 필터링이란 용어는 예제적인 실시예의 설명과 도해를 위하여 채용되고 있 으나, 상기 용어법은 칼만 필터링 및/또는 확장 칼만 필터링을 제한을 두지 않고 포함하는 필터링으로 일반적으로 표현되는 재귀적 예측과 보정에 대한 방법론을 포함하도록 의도된다고 또한 이해되어야 한다.One or more exemplary embodiments of the present invention estimate the cell parameter value using a filtering method. One or more exemplary embodiments of the present invention estimate the cell parameter value using Kalman filtering. Some embodiments of the present invention estimate extended cell parameter values using extended Kalman filtering. Some embodiments estimate cell total capacity. Some embodiments estimate other time-varying parameter values. The term filtering is employed for illustration and illustration of example embodiments, but the term method is used for recursive prediction and correction generally expressed by filtering including, without limitation, Kalman filtering and / or Extended Kalman filtering. It should also be understood that it is intended to include the methodology.
배터리 양호 상태(Battery good condition ( SOHSOH , , StateState OfOf HealthHealth ) 추정의 구현Implementation of estimation
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 파라미터 추정자(parameter estimator) 시스템(10)의 컴퍼넌트들을 도시한다. 복수 개의 셀(22)을 포함하는 전기 화학 셀 팩(20)(예를 들어 배터리)은 로드 회로(load circuit)(30)에 연결된다. 예를 들어 로드회로(30)는 전기 수송수단(Elctric Vehicle: EV) 이나 이종 수송수단(Hybrid Electric Vehilce:HEV)의 모터일 수 있다. 다양한 셀의 특성과 속성을 측정하기 위한 장치는 참조부호 40에 제공된다. 측정장치(40)는 전압 센서(42)(예를 들어, 볼트미터(voltmeter) 등)와 같은 셀 단자 전압을 측정하는 장치를 제한을 두지 않고 포함할 수 있다. 반면 셀 전류의 측정은 전류 센싱 장치(44)(예를 들어 암미터(ammeter) 등)에 의하여 이루어진다. 선택적으로 셀의 온도의 측정은 온도 센서(46)(예를 들어 온도계(thermometer) 등)에 의하여 이루어진다. 내적 압력 또는 임피던스와 같은 추가적인 셀 특성은 (예를 들어)압력 센서 및/또는 임피던스 센서(48)로 측정될 수 있고, 선택된 셀의 타입에 대하여 채용될 수 있다. 셀의 특성과 속성을 평가하기 위하여 필요한 다양한 센서가 채용될 수 있다. 전압, 전류 그리고 선택적으로 온도 및 셀-속성 측정은 연산회로(arithmetic circuit)(50)(예를 들어 프로세서, 컴퓨터)에 의하여 진행되며, 이것은 셀의 상태와 파라미터를 추정한다. 상기 시스템은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람들에 게 알려져 있는 컴퓨터에서 사용가능한 저장 매체를 포함하는 저장매체(52)를 또한 포함할 수 있다. 상기 저장 매체는 전파신호(54)를 제한 두지 않고 포함하는 다양한 수단을 채용하여 상기 연산회로(50)와 통신가능한 상태에 있다. 셀(12)의 내재적 화학 성분으로부터의 측정에 대한 어떠한 수단도 본 발명에 사용될 수 있을지라도 필요하지 않다고 이해되어야 한다. 또한, 모든 측정은 비침습적(non-invasive) 일 수 있다. 즉, 로드 회로(30)의 정상적인 동작에 방해될 수 있는 신호는 일절 시스템에 주입되지 않는다고 이해되어야 한다.11 illustrates components of a
상기 규정된 기능과 바람직한 프로세싱 및 연산을 수행하기 위한 결과로 연산회로(50)는 프로세서(processor(s)), 게이트 어레이(gate array(s)), 커스텀 로직(custom logic), 컴퓨터(computer(s)), 메모리(memory), 저장매체(storage), 레지스터(register(s)), 타이밍(timing), 인터럽트(interrupt(s)), 통신 인터페이스(communication interfaces), 그리고 입출력 신호 인터페이스(input/output signal interfaces)와 상술된 적어도 하나 이상으로 이루어지는 조합을 포함하여 제한을 두지 않고 포함할 수 있다. 연산회로(50)는 또한 통신 인터페이스와 입력d으로부터의 신호 획득이나 컨버젼(conversion) 및 정확한 샘플링을 수행하기 위하여 입력 및 입력 신호 필터링 등을 포함할 수 있다. 연산회로(50)의 추가적인 특징과 프로세서는 차후에 상세히 논의된다.As a result of performing the above-described functions and desirable processing and operations, the
본 발명의 하나 이상의 실시예는 연산회로(50) 및/또는 다른 프로세싱 제어수단들에서 실행되는, 새로이 업데이트되는 펌웨어와 소프트웨어에 의하여 구현될 수 있다. 소프트웨어 기능은 펌웨어를 제한을 두지 않고 포함하며, 하드웨어, 소프 트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 두드러진 이점은 전기 화학 셀의 충전과 제어를 위한 현재 및/또는 새로운 프로세싱 시스템의 이용을 통해 실현될 수 있다는 것이다.One or more embodiments of the present invention may be implemented by newly updated firmware and software that is executed in the
예시적인 실시예에 있어, 연산회로(50)는 동적 시스템 상태(dynamic system state)의 표지(indicia)를 포함하는 셀(22)의 수학적 모델을 사용한다. 본 발명의 일 실시예에서, 이산 시간 모델(discrete-time model)이 사용된다. 이산 시간 상태공간(discrete-time state-space)에서 예제적인 모델(가능한 비선형)은 다음의 형태를 가진다.In an exemplary embodiment, the
상기 수식에서 xk는 시스템 상태, θk는 시변 모델 파라미터의 세트(set), uk는 외부로부터의 입력, yk는 시스템 출력, wk와 vk는 "노이즈" 입력이다. 모든 양적 요소(quantities)는 스칼라 또는 벡터일 수 있다. f(·,·,·)와 g(·,·,·)는 사용되고 있는 모델에 의하여 정의되는 함수이다. 모델에 의하여 요구되는 불시변(non-time-varying) 수치값은 f(·,·,·)와 g(·,·,·) 내에 임베이드될 수 있고 θk에는 포함되지 않는다.In the above equation, x k is a system state, θ k is a set of time-varying model parameters, u k is an input from the outside, y k is a system output, and w k and v k are “noise” inputs. All quantities can be scalar or vector. f (·, ·, ·) and g (·, ·, ·) are functions defined by the model being used. The non-time-varying numerical values required by the model can be embedded within f (·, ·, ·) and g (·, ···) and not included in θ k .
시스템 상태 xk는 적어도 현재 출력을 예측하기 위하여 필요한 셀의 수학적 모델과 현재 입력과 함께 최소량의 정보를 포함한다. 셀(22)의 경우 상태는(예를 들어, SOC) 다른 시정수에 대한 분극 전압(polarization voltage) 준위, 히스테리시스 준위를 포함한다. 상기 시스템 외부로부터의 입력 uk는 현재 셀의 전류 ik의 최소값을 포함하며, 선택적으로 셀 온도를(만약 상태에서 온도변화 자체가 모델링되지 않는다면) 포함할 수 있다. 시스템 파라미터 θk는 시스템 측정된 입력과 출력을 아는 것에 의하여 직접적으로 결정될 수 없다는 그런 점에서 시간에 따라 단지 천천히 변하는 값이다. 이러한 것으로는 셀용량, 저항, 분극 전압 시정수(polarization voltge time constant(s)), 분극 전압 조화 요소(polarization voltage blending factor(s)), 히스테리시스 조화 요소(hysterisis blending factor(s)), 히스테리시스율 상수(hysteresis rate constant), 효율 요소(efficiency factor) 등을 포함한다. 모델 출력 yk는 물리적으로 측정가능한 셀 양적 요소 또는 최소값으로 측정된 양적 요소로부터 직접적으로 계산될 수 있는 것(예를 들어 로드 셀 전압)에 대응한다.The system state x k contains at least a minimum amount of information along with the current model and the mathematical model of the cell needed to predict the current output. For
셀(22)의 충전 상태에 제한되지 않고 포함하는 셀 상태를 추정하는 현존하는 많은 방법들이 있다. SOC는 전형적으로 퍼센트에 의한 값으로, 현재 동작할 수 있는 셀 용량의 부분을 지칭한다. SOC의 측정에 많은 접근방법이 채용되어져 왔다. 방전테스트, 암페어-아워 카운팅(쿨롬 카운팅), 전해질(electrolyte) 측정, 개방회로 전압 측정, 선형/비선형 회로 모델링, 임피던스 분광기, 내재 저항(internal registor)의 측정, coup de fouet 및 칼만 필터링의 몇몇 형태 등이 이에 해당한 다. 이러한 방법들 각각은 한계 뿐만 아니라 이점을 나타낸다.There are many existing methods of estimating the cell state to include without being limited to the state of charge of the
배터리 상태(SOC)의 구현에 대한 본 발명의 상기 실시예에 따라 필터, 바림직하게 칼만 필터가 셀 동역학(cell dynamics)과 셀 전압, 전류 및 온도 측정의 알려진 수학적 모델을 채용함으로써 이용된다. 바람직하게, 이 방법은 SOC가 적어도 상기 상태 중 하나인 경우의 셀에 대한 상태 값을 직접적으로 추정한다. 그러나, SOC의 연산에 대한 잘 알려진 다양한 방법론이 있다고 이해되어야 한다. Filters, preferably Kalman filters, are used by employing known mathematical models of cell dynamics and cell voltage, current and temperature measurements in accordance with this embodiment of the present invention for the implementation of a battery state (SOC). Preferably, the method directly estimates the state value for the cell when the SOC is at least one of the states. However, it should be understood that there are a variety of well known methodologies for the operation of SOC.
도 12에 이어, 동적 파라미터(parameter dynamics)의 수학적 모델 또한 활용된다. 예시적인 모델은 다음 형태를 가진다. Following FIG. 12, a mathematical model of parameter dynamics is also utilized. An exemplary model has the following form.
첫번째 수식은 파라미터는 본질적으로 상수이나, rk로 표시된 의사적 노이즈 프로세스(fictitious noise process)에 의하여 모델링된 예에서 시간에 따라 천천히 변화할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 출력값 dk은 추정 오차(estimation error) ek가 감안된 g( , ,)에 의해 모델링되는 최적 동적 파라미터의 함수로서, 시스템 상태 xk, 외부 입력 uk 및 일련의 시변 파라미터 θk의 함수이다.The first equation indicates that the parameter is essentially constant, but may change slowly over time in the example modeled by the fictitious noise process denoted by r k . The output value d k is a function of the optimal dynamic parameter modeled by g (,,) taking into account the estimation error e k, which is a function of the system state x k , the external input u k and a series of time-varying parameters θ k . .
일실시예에서, 셀 시스템, 동적 상태에 대한 필요조건 및 정의된 동적 파라미터의 모델로 필터링에 대한 절차가 적용된다. 다시 한번, 택일적으로 이중 칼만 필터 또는 이중 확장 칼만 필터가 채용될 수 있다. 테이블 1은 확장 칼만 필터(1100)를 활용하는 시스템과 방법의 예제적인 구현을 나타낸다. 셀 모델과 파라미터 추정 모델은 셀(22)의 상태 xk를 채용함에 반해, 상기 상태는 파라미터 추정 과정의 일부로서 반드시 예측될 필요는 없다고 다시 한번 이해되어야 한다. 예를 들어, 하나의 예제적인 실시예에서, 셀(22)의 상태 xk는 파라미터 모델에 공급된 결과 상태 정보로 다른 프로세스에 의하여 연산된다. 테이블 1의 예제적인 구현에 이어서, 상기 절차는 으로 표시되는 파라미터 추정값(parameter estimate)을 사실(true) 파라미터의 최상의 추측값(the best guess)(예를 들어, )으로 정함(setting)으로써 초기화된다. 상태 추정이 요구되거나 정의되지는 않지만 로 표시되는 상기 상태 추정값은 셀 상태의 최상의 추정값(best estimate)(예를 들어, 으로 정해질 수 있다. 추정-오차 공분산(estimation-error covariance) 매트릭스 또한 초기화된다. 예를 들어, 상태의 초기화, 그리고 특히 SOC는 룩업 테이블에서의 셀 전압 또는 배터리 팩/셀이 마지막으로 전력 다운(powerdown)된 때에 이전에 저장되었던 정보에 기초되거나/추정될 수 있다. 다른 예들은 전력다운 등으로부터 배터리 시스템이 휴지된(rested) 시간의 길이를 통합할 수 있다.In one embodiment, the procedure for filtering with a cell system, a requirement for dynamic state and a model of defined dynamic parameters is applied. Once again, alternatively a double Kalman filter or a double expansion Kalman filter can be employed. Table 1 shows an example implementation of a system and method utilizing the
테이블 1 : 파라미터 엡데이트에 대한 확장 칼만 필터Table 1: Extended Kalman Filters for Parameter Updates
이 예에서, 각 측정 간격에서 다양한 단계가 수행된다. 첫째, 이전 파라미터 추정값은 시간상에서 앞으로 진전된다. 새로운 파라미터 추정값은 이전의 파라미터 추정값과 동일하고 =, 파라미터 오차 불확정성은 시간의 흐름(구동 노이즈 rk에 의해 모델에서 적응된) 때문에 더 크다. 파라미터 불확정성 추정의 업데이터에 대한 많은 가능성이 존재하며, 상기 테이블은 설명적인 예를 제공한다. 셀 출력의 측정이 이루어지고, 상태 추정값 (추정되거나 제공되더라도)과 파라미터 추정값 에 기초하여 상기 예측된 출력값과 비교된다. 이 차이는 의 값을 업데이트하는 데 이용된다. 또한, 상태 추정값은 파라미터 추정값에 의해 앞으로 진전될 수 있거나 앞서 확인된 바와 같이 외부 수단을 경유하여 공급될 수도 있다. 는 다음의 순환 관계를 이용하여 연산될 수 있다.In this example, various steps are performed at each measurement interval. First, previous parameter estimates advance in time. The new parameter estimate is the same as the previous parameter estimate = However, the parameter error uncertainty is greater because of the passage of time (adapted in the model by the driving noise r k ). There are many possibilities for the updater of the parameter uncertainty estimation, and the table provides an illustrative example. Measurement of cell output is made and state estimates (Even if estimated or provided) and parameter estimates Based on the predicted output value. This difference is It is used to update the value of. Also, state estimate May be advanced by parameter estimates or may be supplied via external means as previously identified. Can be computed using the following recursive relationship.
상기 미분 계산은 본질적으로 재귀적이며, 상기 상태 xk가 전개됨에 따른 시간의 전개에 따라 전개된다. 주변 정보(side information)가 그 값의 더 나은 추정값을 산출하지 않는다면 dx0/dθ 항은 0으로 초기화된다. 상기 테이블에 나타난 스텝들은 다양한 순서에 의하여 실행될 수 있다고 분명히 이해되어야 한다. 상기 테이블이 설명을 위한 목적을 가지는 예제적인 순서를 리스트하고 있으나, 본 기술의 당업자라면 수식들의 많은 등가적인 일련의 순서를 확인할 수 있을 것이다. The differential calculation is essentially recursive and develops over time as the state x k develops. If the side information does not yield a better estimate of the value, then the dx 0 / dθ term is initialized to zero. It should be clearly understood that the steps shown in the above table can be executed in various orders. Although the table lists example sequences for purposes of illustration, those skilled in the art will recognize many equivalent sequences of equations.
다시 도 12로 돌아와서, 본 발명의 예제적인 실시예의 예시적인 구현이 도시된다. 재귀 필터(recursive filter)(1100)는 상기 파라미터 추정값 을 적합하게 한다. 상기 필터는 시간 업데이트 또는 예측(1100) 측면과 측정 업데이트 또는 보정(1104) 측면을 가진다. 파라미터 시간 업데이터/예측 블록(1103)은 입력으로서 이전 외부 입력 uk -1, 이전 시변 파라미트 예측값(previous time varying parameters estimate)및 보정된 파라미터 불확정성 추정값 을 수신한다. 파라미터 시간 업데이터/예측 블록(1103)은 예측된 파라미터 와 예측된 파라미터 불확정성 을 파라미터 측정 업데이트/보정 블록(1104)에 출력한다. Turning back to FIG. 12, an example implementation of an example embodiment of the present invention is shown.
현재 파라미터 추정값 과 파라미터 불확정성 추정값 을 제공하는 파라미터 측정 업데이트/보정 블록(1104)은 상기 예측된 파라미터 과 예측된 파라미터 불확정성 뿐만 아니라 외부 입력 uk 와 모델된 시스템 출력 yk를 수신한다. 마이너스 표기는 벡터가 상기 필터(1100)의 상기 예측 컴퍼넌트(1103)의 결과임을 의미하는 반면, 플러스 표기는 벡터가 상기 필터(1100)의 상기 보정 컴퍼넌트(1104)의 결과임을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.Current parameter estimate And parameter uncertainty estimates The parameter measurement update /
이 발명의 실시예는 특정 응용례에 대한 셀 상태와 동적 출력의 수학적 모델이 필요하다. 상기 실시예에서, 이것은 관심있는 여러 파라미터들의 다양한 상태와 추정의 수신 또는 추정을 원활하게 하기 위한 f( , , )와g( , , )에 대한 특정 함수를 정의함으로써 달성할 수 있다. 일 실시예는 셀의 개회로전압(OCV; Open Circuit Voltage), 내재 저항, 전압 분극 시정수(voltage polarization time constant) 및 히스테리시스 레벨의 하나 이상에 의한 효과를 포함하는 셀 모델을 사용한다. 상기 구조와 여기서 제시되는 방법들은 일반적이고 또한 다른 전기화학 에 적용될 수 있을지라도 예시를 위하여 파라미터 값들은 고전력 LiPB(Lithium-ion Polymer Battery) 셀의 동역학(dynamics)을 모델링하기 위한 이 모델 구조에 맞춰진다. 예를 들어, 일 실시예에서, 관심있는 상태와 파라미터는 f( , , )와g( , , )에 임베이드된다. 예는 다음과 같다. Embodiments of this invention require mathematical models of cell state and dynamic output for specific applications. In this embodiment, this can be achieved by defining specific functions for f (,,) and g (,,) to facilitate the reception or estimation of the various states and estimates of the various parameters of interest. One embodiment uses a cell model that includes the effects of one or more of the cell's open circuit voltage (OCV), intrinsic resistance, voltage polarization time constant, and hysteresis level. Although the structure and the methods presented herein are generic and can also be applied to other electrochemistries, for illustrative purposes the parameter values are tailored to this model structure for modeling the dynamics of a high power Lithium-ion Polymer Battery (LiPB) cell . For example, in one embodiment, the state and parameters of interest are embedded in f (,,) and g (,,). An example follows.
여기서, ηi,k 는 쿨롬 효율과 같은 효율 요소(factor), Where η i, k is an efficiency factor such as coulomb efficiency,
Ck는 셀 용량(들),C k is the cell capacity (s),
,... 는 분극 전압 시정수(들), , ... Is the polarization voltage time constant (s),
,...는 분극 전압 조화 요소(들), , ... Is the polarization voltage harmonic element (s),
Rk는 셀 저항(들),R k is the cell resistance (s),
Mk는 히스테리시스 조화 요소(들) 및M k is the hysteresis harmonic element (s) and
rk는 히스테리시스율 상수(들)이다. r k is the hysteresis rate constant (s).
이 예에서, SOC는 함수 f(·,·,·)의 부분으로서 모델의 한 상태에 의하여 획득된다. 이 수식은 다음과 같다. In this example, the SOC is obtained by one state of the model as part of the function f (..., ...). This formula is:
여기서, △t는 샘플간 기간(초 단위)을 의미하며, Ck는 셀 용량(암페어-초 단위)을 나타내고, Zk는 시간 지표 k에서의 셀 SOC이며, ik는 셀 전류 그리고 ηi,k는 전류 레벨 ik에서 셀의 쿨롬 효율이다.Where Δt represents the intersample period (in seconds), C k represents the cell capacity (in amperes-seconds), Z k is the cell SOC at time indicator k, i k is the cell current and η i , k is a coulomb efficiency of the cell at the current level i k.
이 예에서, 분극 전압 준위는 여러 필터 상태에 의해 획득된다. nf 분극 전압 시정수가 있다고 가정하면, In this example, the polarization voltage levels are obtained by various filter states. Assuming that n f polarization voltage time constant,
상기 매트릭스 는 실값(real-valued) 분극 전압 시정수... 를 가진 단위 행렬일 수 있다. 그러하다면, 모든 엔트리들이 1 보다 작은 값을 가지면 시스템은 안정적이다. 상기 벡터는 단순히 nf "1"로 정해질 수 있다. Bf의 엔트리들은 그것들이 0이 아닌 한 임계적이지 않다. Af 매트릭스에서 nf엔트리 값은 모델 파라미터를 측정된 셀 데이터에 가장 잘 맞도록 하는 시스템 확인 절차의 일부로 선택될 수 있다. 상기 Af와 Bf 매트릭스는 시간과 현재 배터리 팩 구동 조건과 관련된 다른 팩터들에 따라 변할 수 있다. The matrix Is the real-valued polarization voltage time constant ... It can be an identity matrix with If so, the system is stable if all entries have a value less than one. Vector Can simply be set to n f "1". The entries of B f are not critical unless they are zero. The n f entry value in the A f matrix may be selected as part of the system identification procedure to best fit the model parameter to the measured cell data. The Af and Bf matrices may vary depending on time and other factors related to current battery pack operating conditions.
이 예에서 히스테리시스 레벨은 단일 상태에 의해 획득된다. In this example the hysteresis level is obtained by a single state.
상기 수식에서 rk는 시스템 확인(system identification)에 의하여 다시 찾아진 히스테리시스율 상수이다. R k is the hysteresis rate constant found again by system identification.
다른 실시예에서 전체적인 모델 상태는 다음과 같이 상기 예들의 조합이다. In another embodiment the overall model state is a combination of the above examples as follows.
상기 수식에서 상태들의 다른 순서가 가능하다. Other orders of states in the above equations are possible.
이 예에서, 셀 전압을 예측하는 상태값을 조합하는 출력 수식은 다음과 같다.In this example, the output formula combining the state values for predicting the cell voltage is as follows.
상기 수식에서 는 출력에서 상기 분극 전압 상태를 함께 조화시키는 분극 전압 조화 팩터 ,...의 벡터이며, Rk는 셀 저항이다(다른 값들은 방전/충전에 사용될 수 있다). 그리고, Mk는 히스테리시스 조화 팩터이다. Gk는 ik에서 Gkfk까지의 dc게인이 0이 되도록 강제될 수 있고, 이것은 Rk의 추정값이 정확해지도록 한다.In the above formula Is a polarization voltage harmonic factor that harmonizes the polarization voltage states together at the output , ... Is the vector of R k is the cell resistance (other values can be used for discharge / charge). And M k is a hysteresis harmonic factor. G k can be forced so that the dc gain from i k to G k f k becomes zero, which allows the estimate of R k to be accurate.
본 발명의 어떤 실시예는 상기 모델의 파라미터가 안정한 시스템이 되도록 강제하는 방법을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상태 수식은 fk+1=Affk+Bfik의 형태(여기에서 상기 매트릭스 는 실값 분극 전압 시정수...를 가진 단위 행렬이다)에서 분극 전압 시정수에 대한 항을 포함할 수 있다. 이러한 시정수들은 ai ,k=tanh(αi,k)로써 연산될 수 있고, 상기 수식에서, 상기 모델의 파라미터 벡터는 αi,k를 포함하나 직접적으로 ai ,k를 포함하지는 않는다. 상기 tanh( )함수는 ai ,k가 αi,k의 값에 관계없이 항상 ±1 이내(즉, 안정적)가 되도록 확실하게 보장한다.Some embodiments of the invention may include a method of forcing a parameter of the model to be a stable system. In one embodiment, the state formula is of the form f k + 1 = A f f k + B f i k , where the matrix Is the real-time polarization voltage time constant ... It can be a unit matrix with the polarization voltage time constant. These time constants can be computed as a i , k = tanh (α i, k ) , where the parameter vector of the model includes α i, k but does not directly include a i , k . The tanh () function reliably ensures that a i , k is always within ± 1 (ie stable), regardless of the value of α i, k .
본 발명의 어떤 실시예는 그것의 정확한 값으로의 파라미터의 수렴을 확실히 하기 위하여 모델에 대한 제약을 포함한다. 여기서 나타낸 상기 모델을 사용하는 일 실시예는 ik에서 Gkfk까지의 dc게인이 0이 되도록 Gk를 강제하고, 이것은 Rk의 추정값이 정확해지도록 한다. 이것은 Gk의 다른 요소와 분극 전압 시정수 를 이용하여 Gk의 마지막 요소가 연산되도록 강제함으로써 이루어진다. 이것은 또한 Gk: .에 관계되는 의 요소를 연산하는 경우, 더욱 세심한 주의가 필요하다. 만약 ai ,k값이 항상 ±1 이내(예를 들어, 이전 단락에 기술된 방법을 사용하여)라면, 미분 연산에 서 0으로 나누어지는(divide-by-zero) 문제가 절대 없다.Some embodiments of the invention include constraints on the model to ensure convergence of the parameter to its exact value. One embodiment using the model shown here forces G k such that the dc gain from i k to G k f k is zero, which makes the estimate of R k accurate. This is due to the different elements of G k and the polarization voltage time constant By forcing the last element of G k to be computed. This is also Gk: Relative to When calculating the element of, you need to be more careful. If a i , k is always within ± 1 (for example, using the method described in the previous paragraph), there is never a problem of divide-by-zero in the derivative operation.
다른 실시예는 풀 필터(full filter)(1100)를 채용하지 않고 SOH의 중요한 측면을 추정하는 방법들을 포함한다. 상기 풀 필터(1100) 방법은 연산적으로 집중적이다. 셀 모델 파라미터의 풀 세트(full set)에 대한 정확한 값들이 필요한 것이 아니라면, 잠재적으로 덜 복잡하거나 계산적으로 덜 집중적인 다른 방법들이 이용될 수 있다. 예제적인 방법은 필터링 방법을 사용하여 셀 용량과 저항을 결정한다. 명목상(nominal)의 "새로운 셀(new cell)" 값들로부터 용량 및 저항의 차이는 용량 감퇴와 전력 감퇴를 제공하며, 이것은 셀 SOH의 가장 흔히 채용되는 지시자(indicator)이다. Another embodiment includes methods for estimating important aspects of SOH without employing a
이 예에서, 필터링 매카니즘을 이용하여 셀 저항을 추정하기 위하여 모델을 다음과 같이 공식화한다.In this example, the model is formulated as follows to estimate the cell resistance using a filtering mechanism.
상기 수식에서 Rk는 셀 저항이며 개조를 허용하는 의사적 노이즈 프로세스(fictitious noise process) rk와 함께 상수로 모델링된다. yk는 셀의 전압의 추정값이고, ik는 셀 전류 그리고 ek는 추정 오차를 모델링한다. 외부에서 생성되고 공급되는 zk의 추정값이 채용된다면, 필터(1100)는 셀 저항을 추정하기 위하여 이 모델에 적용될 수 있다. 표준 필터(110)에서, 상기 yk의 모델 예측이 실제 측정된 셀 전압과 비교된다. 상기 비교로 발생되는 어떠한 차이도 Rk를 적합하게 하는데 사용된다. In the above formula, R k is a cell resistance and is modeled as a constant with a fictitious noise process r k that allows modification. y k is an estimate of the cell's voltage, i k is the cell current and e k models the estimation error. If an externally generated and supplied estimate of z k is employed,
상기 언급된 모델은 셀(22)의 다양한 조건들에 대한 다른 저항값을 다루기 위하여 확장될 수 있음을 주목해야 한다(예를 들어, 충전과 방전에 기초를 둔 차이, 다른 SOC, 다른 온도). 상기 스칼라 Rk는 수정되는 모든 저항값을 포함하는 벡터로 이루어질 있으며, 상기 벡터로부터의 적절한 요소는 계산과정 동안 상기 필터의 각 시간 단계에 사용될 수 있다.It should be noted that the above mentioned model can be extended to handle different resistance values for various conditions of the cell 22 (eg, differences based on charge and discharge, different SOCs, different temperatures). The scalar R k consists of a vector containing all the resistance values to be modified, and an appropriate element from the vector can be used for each time step of the filter during the calculation.
이 예에서, 필터(1100)을 사용하여 셀 용량을 추정하기 위하여, 셀 모들을 다음과 같이 공식화한다. In this example, to estimate the cell
또한, 용량 추정값을 산출하기 위하여 이 모델을 사용하는 필터가 공식화된다. 상기 필터(1100)가 실시되면서, 두번째 수식의 연산은 0에 비교되고, 이 차이는 용량 추정값을 업데이트하기 위하여 이용된다. 현재와 이전 SOC의 양질의 추정이 가능하면 SOC를 추정하는 필터로부터 요구됨을 주목하여야 한다. 추정된 용량은 바람직하다면, 용량 벡터를 채용함으로써 다시 온도 등의 함수가 될 수 있으며, 상기 용량 벡터로부터 계산과정 동안 각 시간 단계에서 적절한 요소가 사용된다. In addition, a filter is formulated using this model to yield capacity estimates. As the
따라서, 셀 파라미터의 추정에 대한 방법이 많은 구체적인 실시예와 결합되어 설명되었다. 하나 이상의 실시예는 칼만 필터를 사용한다. 어떤 실시예는 확장 칼만 필터(1100)를 사용한다. 더욱이, 어떤 실시에는 하나 이상의 파라미터의 컨버젼스(convergence)를 강제하는 메카니즘을 포함한다. 하나 이상의 실시예는 저항을 추정하기 위하여 단순화된 파라미터 필터를 포함하는 반면, 어떤 실시에는 전제 용량을 추정하기 위하여 단순화된 파라미터 필터를 포함한다. 본 발명은 넓은 범위의 응용례 및 셀 전기화학에 적용될 수 있다. Thus, the method for estimating cell parameters has been described in conjunction with many specific embodiments. One or more embodiments use Kalman filters. Some embodiments use extended
본 개시된 방법은 컴퓨터에서 수행되는 절차 또는 상기 절차를 실행하는 장치의 형태로 구체화될 수 있다. 상기 방법은 플로피 디스크, CD-ROM, 하드 디스크 또는 어떠한 컴퓨터에서 인식가능한 저장매체 등의 유형 매체(52)에서 구체화/형상화되는 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램 코드의 형태로 또한 실현될 수 있다. 여기에서 상기 컴퓨터 프로그램 코드는 컴퓨터 내에 로딩되고 컴퓨터에 의하여 실행되며, 상기 컴퓨터는 상기 방법의 실행이 가능한 장비가 된다. 본 방법은 컴퓨터 프로그램 형태, 예를 들어, 저장매체에 저장된 형태, 컴퓨터에 의하여 실행되고/되거나 컴퓨터에 로딩되는 형태, 변조된 캐리어 웨이브의 형태, 어떤 전송매체, 전기배선 또는 케이블링, 광섬유, 전자기파장의 경유 등의 형태로 전송되는 데이터 신호(54) 등의 형태로도 또한 실현될 수 있다. 여기에서 상기 컴퓨터 프로그램 코드는 컴퓨터 내로 로딩되고 컴퓨터에 의하여 실행된다. 범용의 마이크로프로세서에서 구현되는 경우, 상기 컴퓨터 프로그램 코드 세그먼트들은 상기 마이크로프로세서가 특정한 논리 회로들을 만들도록 구성된다. The disclosed method can be embodied in the form of a procedure performed on a computer or an apparatus for executing the procedure. The method may also be realized in the form of computer program code comprising instructions embodied / shaped on a
유사한 구성을 나타내기 위한 첫 번째, 두 번째 또는 다른 유사한 명칭의 사용은 다른 언급이 없다면 어떤 특정한 순서를 암시하거나 명확하게 하는 의도가 아니라고 여겨져야 한다.The use of the first, second, or other similar names to indicate similar constructions should not be considered to imply or imply any particular order unless stated otherwise.
일 실시예를 참조하여 본 발명이 설명되고 있으나 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 영역에서 등가적인 구성요소들의 교체 및 다양한 변화가 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 이해될 것이다. 또한, 많은 변형례가 본 발명의 본질적 영역의 벗어남이 없이 본 발명의 교사에 대한 특별한 상황과 내용에 적용될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위하여 고려된 베스트 모드로서 개시된 특정 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명은 첨부된 청구범위 내에 있는 모든 실시예들을 포함한다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment, it will be understood by those skilled in the art that various changes and equivalent components may be made in the scope without departing from the scope of the present invention. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation and context to the teachings of the present invention without departing from the essential scope thereof. Therefore, the invention is not limited to the specific embodiments disclosed as the best mode contemplated for carrying out the invention, and the invention includes all embodiments falling within the scope of the appended claims.
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