KR20120028000A - A method for the soc estimation of li-ion battery and a system for its implementation - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A charged state estimation method of a lithium ion battery and a system for the same are provided to precisely estimate an SOC(State Of Charge) through calculated parameters of an equivalent impedance model by dividing an entire operation region into several operation points. CONSTITUTION: A load(20) and a battery charger(30) are operated by receiving power of a lithium ion battery(10). A temperature sensor(40) measures temperature of the lithium ion battery. A current sensor(45) measures charge and discharge current of the lithium ion battery. A voltage sensor(50) measures voltage between anode and cathode terminals of the lithium ion battery. An SOC(State Of Charge) estimator(60) calculates an open current of the battery and a voltage drop of the equivalent impedance model at a current operation point using an estimation algorithm with respect to a model bank. The SOC estimator estimates an SOC from the calculated open current.

Description

리튬이온전지의 충전상태 추정방법 및 이 방법을 구현하기 위한 시스템{A method for the SOC estimation of Li-ion battery and a system for its implementation } A method for the SOC estimation of Li-ion battery and a system for its implementation}

본 발명은 하이브리드 자동차 또는 전기자동차에 탑재되는 리튬이온전지(lithium-ion battery: LIB)의 충전상태 추정방법에 관한 것으로, 전지의 동작조건인 온도와 전류를 허용범위에 내에서 적정 개수로 분할하고 분할된 모든 동작 점에서 전기적 등가모델을 구하여 이루어진 모델뱅크를 근거로 실시간으로 측정되는 전류와 단자전압, 온도 데이터를 이용하여 임의의 동작점(온도, 전류)에서 전지의 충전상태(state of charge: SOC)를 정밀하게 추정하는 알고리즘 및 이 SOC 추정방법을 전지관리시스템 (battery management system; BMS)에 구현하는 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a method of estimating the state of charge of a lithium-ion battery (LIB) mounted in a hybrid vehicle or an electric vehicle, and dividing a temperature and a current, which are operating conditions of the battery, into an appropriate number within an allowable range. The state of charge of the battery at any operating point (temperature, current) is measured using current, terminal voltage, and temperature data measured in real time based on the model bank obtained by obtaining the electrical equivalent model at all divided operating points. An algorithm for accurately estimating SOC) and a system for implementing the SOC estimation method in a battery management system (BMS).

하이브리드 자동차 (hybrid electric vehicle: HEV) 또는 전기자동차(electric vehicle: EV)에는 전기에너지 저장장치로서 대용량 2차전지가 탑재되며 최근에는 주로 리튬이온전지가 대세를 이루고 있다. 하이브리드 자동차 또는 전기자동차에 탑재되는 리튬이온전지에 저장된 전력은 차량을 구동하기 위해 전동기의 구동전력으로 사용되고, 감속 시 전동기에 의해 회생되는 전력 또는 내연기관의 폐열을 이용한 발전기에 의해 생성되는 전력에 의해 충전된다. 리튬이온전지의 수명을 오래 유지하고 안전하게 사용하기 위해서는 리튬이온전지의 적정 충전범위 안에서 운전되어야 한다. 그러기 위해서는 리튬이온전지의 잔존충전용량을 실시간으로 알아야 한다. 그런데 리튬이온전지 내부의 잔존충전용량은 리튬이온전지의 단자전압과 전류, 온도, 충방전 횟수의 복잡한 함수관계를 갖는다. 측정 가능한 이들 변수의 정보로부터 리튬이온전지의 충전상태를 추정하는 것을 "SOC 추정"이라고 부른다. Hybrid electric vehicles (HEVs) or electric vehicles (EVs) are equipped with large-capacity secondary batteries as electric energy storage devices, and recently, lithium-ion batteries are prevalent. The electric power stored in the lithium ion battery mounted on the hybrid vehicle or the electric vehicle is used as the driving power of the electric motor to drive the vehicle, and is generated by the power generated by the generator using the waste heat of the internal combustion engine or the power regenerated by the electric motor when decelerating. Is charged. In order to maintain long life and safe use of Li-ion battery, it should be operated within proper charging range of Li-ion battery. To do this, it is necessary to know the remaining charge capacity of the lithium ion battery in real time. However, the remaining charge capacity inside the lithium ion battery has a complex functional relationship between the terminal voltage, the current, the temperature, and the number of charge / discharge cycles of the lithium ion battery. Estimating the state of charge of a lithium ion battery from the information of these measurable variables is called "SOC estimation".

전기자동차용 전지관리시스템에서는 전지의 온도와 전압, 충 방전 전류를 측정하여 축전지의 SOC를 추정한다. 주로 사용되는 추정 알고리즘(algorithm)은 크게 네 가지 범주로 구분할 수 있는데, 충방전 전류를 적산하는 쿨롱계산법(Coulomb counting method), 셀 내부의 화학적 반응을 분자단위로 나타내는 전기화학적 모델 기법, 전지의 동작시간과 SOC의 동적특성 (dynamic behavior)을 순 수학적 실험식으로 표현하는 기법, 그리고 전기적 등가모델을 이용하는 방법이 그것이다. 쿨롱계산법은 적분기를 사용하여 충방전 전류를 누적시키기 때문에 초기 값의 부정확성과 장시간 사용 시 누적오차가 매우 커지는 문제점이 있다. Battery management system for electric vehicle estimates SOC of storage battery by measuring battery temperature, voltage and charge / discharge current. There are four main categories of estimation algorithms: Coulomb counting method for integrating charge and discharge currents, electrochemical modeling techniques for chemical reactions in cells, and cell operation. These include techniques for expressing the dynamic behavior of time and SOC in pure mathematical empirical formulas, and using electrical equivalence models. Since the Coulomb calculation accumulates charge / discharge currents using an integrator, there is a problem that the initial value is inaccurate and the cumulative error becomes very large when used for a long time.

특히, HEV/ EV처럼 수시로 충방전이 이루어지는 환경에서는 적절하지 않을 수 있다. 두 번째, 세 번째 방법은 실시간으로 SOC를 추정하는데 적용하기가 쉽지 않다. 전기적 등가모델을 이용하는 종래의 방법들은 특정 동작조건에서 구한 하나의 등가모델을 기준으로 SOC를 추정하고 온도가 다른 영역에서는 실험적 보상 값을 고려하는 방식이 대부분이다. In particular, it may not be appropriate in an environment where charging and discharging are frequently performed, such as HEV / EV. The second and third methods are not easy to apply for estimating SOC in real time. In the conventional methods using the electrical equivalent model, the SOC is estimated based on one equivalent model obtained under a specific operating condition and the experimental compensation value is considered in the region where the temperature is different.

전체 동작조건(C-rate, 온도) 범위에서 적은 오차를 보장할 수 있는 SOC 추정 방법은 BMS의 핵심 기술이다. BMS 기능에는 SOC 추정 외에도 전지 셀(cell) 간 전압 평형, 과충전 보호, 과방전 보호 등이 포함되어 있다.The SOC estimation method, which can guarantee a small error over the entire operating conditions (C-rate, temperature), is a core technology of BMS. In addition to SOC estimation, BMS functions include voltage balancing between battery cells, overcharge protection, and overdischarge protection.

회생 제동 기능을 갖는 HEV 또는 EV에서는 수시로 충전과 방전이 이루어질 수 있으며 이 경우 단순히 충전 동작만 하거나 방전모드에서 동작하는 동안 SOC를 추정하는 방식으로는 충전시 리튬이온전지 내부 동특성(dynamics)이 방전시의 동특성과 다를 수 있기 때문에 SOC의 정확한 추정이 어려운 문제점이 있다. 더욱이 리튬이온전지의 일반적인 특성으로 SOC 레벨이 15~20%이하인 영역에서는 전지 양단의 개방회로전압(open circuit voltage: OCV)과 SOC 사이에는 강한 비선형 특성이 나타나기 때문에 고정된 하나의 선형등가회로 모델로는 정밀한 SOC 추정이 어렵다.In HEV or EV with regenerative braking function, charging and discharging can be performed at any time. In this case, the SOC is estimated only during charging or discharging mode. Because it may be different from the dynamic characteristics of, it is difficult to accurately estimate the SOC. Moreover, as a general characteristic of Li-ion batteries, a strong nonlinear characteristic appears between open circuit voltage (OCV) and SOC at both ends of the SOC level of 15-20% or less. Precise SOC estimation is difficult.

본 발명은 SOC 추정에 대한 상기의 문제점을 감안하여 발명된 것으로, 리튬이온전지의 온도와 전류의 표준 동작 범위 (예를 들어, 전류는 0~8 C-rate, 셀(Cell)온도는 -20~60 ℃)에서 정밀하게 SOC를 추정하는 방법이다. 기본적으로 전지 단자의 개방 시 전압(open circuit voltage: OCV)과 단자전압 사이의 전기적등가회로 모델을 이용하는 방식이다. SOC 레벨에 따라 선형 임피던스 모델로 표현될 수 있는 영역과 비선형 임피던스 모델로 표현되는 영역을 구분한다. 동작 조건인 온도와 전류에 따라 등가모델의 파라미터가 변하는 문제를 해결하기 위해 다수개의 동작점에서 등가모델을 식별하여 이용하는 방법을 제시한다. 온도와 전류를 각각 직각좌표계의 종축과 횡축에 놓고 각 축의 값을 적정 개수로 분할하여 만나는 교차점을 하나의 동작점으로 나타낸다. 제조사 또는 모델에 따라 리튬이온전지의 동작점의 분할은 다를 수 있다. 모든 동작점에서 전기적 등가모델을 선행적으로 식별(identification)하고 이렇게 식별한 모델 셋을 전지 전압강하에 대한 다중 모델이라 정의한다. 이 다중모델 셋을 근거로 실시간 SOC를 추정함으로써 SOC 추정의 정밀도를 향상시키는 리튬이온전지의 충전상태 추정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been invented in view of the above problems for SOC estimation, the standard operating range of the temperature and current of the lithium ion battery (for example, the current is 0 ~ 8 C-rate, the cell temperature is -20 ~ 60 ℃) to estimate the SOC precisely. Basically, the method uses an electrical equivalent circuit model between the open circuit voltage (OCV) and the terminal voltage. The SOC level is divided into a region represented by a linear impedance model and a region represented by a nonlinear impedance model. In order to solve the problem that the parameters of the equivalent model change according to the operating conditions such as temperature and current, a method of identifying and using the equivalent model at a plurality of operating points is presented. The intersection point where temperature and current are respectively located on the vertical axis and the horizontal axis of the rectangular coordinate system is divided by the appropriate number to represent one operating point. The division of the operating point of the lithium ion battery may vary according to the manufacturer or model. The electrical equivalent model is identified in advance at all operating points and this set of models is defined as a multiple model for battery voltage drop. It is an object of the present invention to provide a method of estimating the state of charge of a lithium ion battery, which improves the accuracy of SOC estimation by estimating real-time SOC based on this multi-model set.

본 발명의 또 다른 목적은 상기의 SOC 추정 방법을 구현하는 시스템을 제공하는 것이다. It is still another object of the present invention to provide a system for implementing the SOC estimation method.

이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명은, The present invention for performing such an object,

리튬이온전지의 내부 기전력과 단자전압, 충방전 전류의 관계를 전기적 등가회로로 표현하고, 동작점에 따라 다르게 나타나는 임피던스 Z(I,T,s)를 구하는 단계로서, Expressing the relationship between the internal electromotive force of the lithium ion battery, the terminal voltage, and the charge / discharge current using an electrical equivalent circuit, and obtaining impedance Z (I, T, s) differently depending on the operating point.

SOC 레벨에 따라 임피던스 Z(I,T,s)가 선형전달함수로 표현되는 2개의 영역(도 3의 영역 A와 B)과 비선형함수로 나타나는 1 개 영역(도 3의 영역 C)으로 분류한다. 각 영역에서 온도 및 전류 데이터에 근거한 다중 모델 동작점을 생성하고 리튬이온전지의 동작점에 대응하는 등가회로모델을 식별(identification)하기 위한 개방회로테스트 단계; According to the SOC level, the impedance Z (I, T, s) is classified into two regions represented by the linear transfer function (regions A and B in FIG. 3) and one region represented by the nonlinear function (region C in FIG. 3). . An open circuit test step of generating a multi-model operating point based on temperature and current data in each region and identifying an equivalent circuit model corresponding to the operating point of the lithium ion battery;

개방회로테스트 단계에서 식별된 연속계 모델을 이산치계 모델로 변환하여 인접한 4 개의 동작점에 대응하는 모델을 하나의 모델뱅크(model bank)로 구성하고 (예로서, 도 4에서 모델뱅크 Bi,j 는 Zi,j, Zi+1,j, Zi,j+1, Zi+1,j+1 4 개의 임피던스 모델로 구성된다), 운전중 리튬이온전지의 단자전압과 전류 및 온도 데이터를 주기적으로 입력받아 다중 모델 동작점의 모델뱅크를 통하여 리튬이온전지의 현 상태와 대응되는 등가회로모델을 추정하고, 매 샘플시간 마다 측정되는 단자전압 및 전류데이터를 상기 추정한 등가회로모델을 통해 연산하여 리튬이온전지의 개방전압을 계산한 후 SOC를 추정하는 단계로 구성된 리튬이온전지의 실시간 충전상태 추정방법을 제공한다. By converting the continuum model identified in the open circuit test step into a discrete metric model, a model corresponding to four adjacent operating points is composed of one model bank (for example, the model bank B i, in FIG. 4). j consists of four impedance models: Z i, j , Z i + 1, j , Z i, j + 1 , Z i + 1, j + 1 ), the terminal voltage, current and temperature of the Li-ion battery during operation The equivalent circuit model corresponding to the current state of the lithium ion battery is estimated through the model banks of the multi-model operating point by periodically receiving the data, and the equivalent circuit model obtained by the estimation of the terminal voltage and current data measured at each sample time is obtained. The present invention provides a method for estimating the state of charge of a lithium ion battery, which comprises the steps of calculating the open voltage of the lithium ion battery and calculating the SOC.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면 크게 개방회로 테스트 단계와 실시간 SOC 추정단계로 나누어 설명할 수 있는데,According to a preferred embodiment of the present invention can be largely divided into an open circuit test step and a real-time SOC estimation step,

개방회로 테스트 단계는 도 3에서 와 같이 SOC 레벨에 따라 개방전압-SOC의 상관 곡선을 선형모델 영역과 비선형 모델영역(영역 C)으로 분류하는 단계: In the open circuit test step, as shown in FIG. 3, the open voltage-SOC correlation curve is classified into a linear model region and a nonlinear model region (region C) according to the SOC level:

도 4에서 와 같이 리튬이온전지의 허용범위 내에서 온도 및 전류 데이터를 적정 갯수로 분할하고 온도를 종축에 전류를 횡축에 표시하여 행렬형태로 표시한 교차점을 각각 등가임피던스 모델의 기준점으로 생성하는 단계 ; As shown in FIG. 4, the temperature and current data are divided into an appropriate number within the allowable range of the lithium ion battery, and the temperature is represented on the vertical axis by the current on the horizontal axis to generate intersection points expressed in matrix form as reference points of the equivalent impedance model. ;

다중모델 기준점 생성 단계 후에, 리튬이온전지를 상기 온도와 전류데이터를 함수로 하여 종속전원 형태의 개방전압과 직렬임피던스의 등가회로로 표시하는 등가회로 표시단계; An equivalent circuit display step of displaying a lithium ion battery as an equivalent circuit of open voltage and series impedance in the form of a dependent power supply as a function of the temperature and current data after the multi-model reference point generation step;

개방회로 테스트를 통해 전지의 단자전압, OCV, 충방전 전류 데이터를 취득하여 선형 영역에서는 선형전달함수 모델을, 비선형 영역에서는 비선형 모델을 각각 온도-전류 동작점에서 식별(identification) 하는 단계; Acquiring terminal voltage, OCV, and charge / discharge current data of the battery through an open circuit test to identify the linear transfer function model in the linear region and the nonlinear model in the nonlinear region at the temperature-current operating point, respectively;

다음 단계에서 구성할 실시간 다중모델 SOC추정기에 적용하기 위해 상기 식별된 연속계 모델 셋을 샘플링 시간을 고려하여 이산치계 모델로 변환하는 단계;Converting the identified continuum model set into a discrete value model in consideration of a sampling time for application to a real-time multi-model SOC estimator to be constructed in a next step;

도 4에서와 같이 인접한 4 개의 동작점에 대응하는 4개의 임피던스 전달함수로 하나의 모델뱅크를 구성하는 단계로 구성된다. As shown in FIG. 4, a model bank includes four impedance transfer functions corresponding to four adjacent operating points.

실시간 SOC 추정 단계에서는, In the real time SOC estimation phase,

전기자동차의 운전중 리튬이온전지의 단자전압, 리튬이온전지의 온도 및 전류 데이터를 매 샘플시간마다 측정하는 측정단계; A measurement step of measuring terminal voltage of the lithium ion battery, temperature and current data of the lithium ion battery during each operation of the electric vehicle;

측정단계에서 매 샘플시간에 측정된 리튬이온전지의 온도 및 전류 데이터로 표현된 동작점을 둘러싸는 모델뱅크를 선택하는(예로서, 도 4와 5에서 현재 전지 온도 Tz, 전류 Ibatz 라고 하면 동작점 (Tz,Ibatz)에 대응하는 모델뱅크 Bi,j 는 이 동작점을 포함하는 4 개의 임피던스 모델이다) 단계: Selecting a model bank that surrounds the operating point represented by the temperature and current data of the lithium ion battery measured at each sample time in the measurement step (for example, the current cell temperature Tz and current Ibatz in FIGS. 4 and 5) Model banks Bi, j corresponding to (Tz, Ibatz) are four impedance models containing this operating point)

선택된 모델뱅크의 4개 이산치계 임피던스 모델을 이용하여 다중모델적응추정기법(multiple model adaptive estimation: MMAE)에 의한 동작점에서의 OCV와 SOC를 추정하는 단계; Estimating OCV and SOC at the operating point by multiple model adaptive estimation (MMAE) using four discrete-valued impedance models of the selected model bank;

운전 조건의 변동에 따라 매 샘플시간에서 측정되는 온도-전류의 값이 이동하면 이 동작점을 포함하는 모델뱅크를 선택하여 상기의 과정을 반복 수행하는 단계를 포함하는 것이다. If the value of the temperature-current measured at each sample time in accordance with the change in the operating conditions is to include the step of repeating the above process by selecting the model bank including this operating point.

본 발명에 따른 리튬이온전지의 충전상태 추정방법 및 이 방법을 구현하기 위한 시스템의 효과는 두 가지 관점에서 분명하게 드러난다. 등가회로 모델을 이용하여 SOC를 추정 시 단지 한 동작점에서 구한 모델에 의존하면 등가임피던스 모델의 파라미터가 전류와 온도에 따라 변하기 때문에 SOC를 정밀하게 추정하는 데 충분하지 않다. 본 발명에서는 전체 동작 영역을 몇 개의 동작점으로 나누어 등가임피던스 모델의 파라미터를 산출하여 이 문제를 해소할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 리튬이온 베터리의 등가모델이 구해지면 이후로 모델을 다시 구할 필요가 없으며, 매 샘플시간마다 이용되는 모델은 항시 4개 이내 이기 때문에 계산이 간단하고 구현이 용이한 효과가 있다. The method of estimating the state of charge of a lithium ion battery according to the present invention and the effect of the system for implementing the method are clearly seen from two viewpoints. Relying on the model obtained at only one operating point when estimating the SOC using the equivalent circuit model is not sufficient to accurately estimate the SOC because the parameters of the equivalent impedance model change with current and temperature. In the present invention, this problem can be solved by dividing the entire operating area into several operating points and calculating the parameters of the equivalent impedance model. In addition, according to the present invention, once the equivalent model of the lithium ion battery is obtained, there is no need to recalculate the model thereafter. .

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 리튬이온전지의 충전상태를 추정하는 리튬이온전지를 포함하는 전지 관리 시스템의 구성을 나타내는 개략적인 블록도이다.
도 2는 리튬이온전지의 내부 기전력과 단자전압, 전류의 관계를 종속 전원 형태의 개방전압(OCV)과 직렬임피던스를 갖는 등가 회로로 모형화한 회로도이다.
도 3은 도 2의 등가임피던스 모델이 리튬이온전지의 고유특성으로 인해 SOC 레벨에 따라 선형 동적모델로 나타나는 영역(A, B 영역)과 비선형 정적모델로 표현되는 영역(영역 C)으로 분류되어 식별해야 함을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 리튬이온전지의 충전상태 추정을 위해 필요한 다중모델을 구하는 동작점을 구성하는 예를 도시한 것으로 온도를 종축에 전류(C-rate)를 횡축에 나타내고 각각 적정 개수로 분할하여 만나는 방점 위치가 등가모델을 식별하는 기준점이다.
도 5는 본 발명에서 모델뱅크를 이용한 개방전압 OCV의 다중모델추정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 효과를 설명하기 위한 것으로 특정 LIB에 대해 도 2의 등가임피던스 모델의 파라미터가 동일 전류에서 온도에 따라 어떻게 변하는지를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 효과를 설명하기 위한 것으로 특정 LIB에 대해 도 2의 등가임피던스 모델의 파라미터가 동일 온도에서 전류에 따라 어떻게 변하는지를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 효과를 설명하기 위한 것으로 특정 LIB에 대해 임의 온도에서 충방전이 일어날 때 이 동작점 주변의 단지 한 모델에 의해 OCV 값을 추정한 경우의 정밀도를 비교하여 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 것으로 제안한 추정방법으로 변동하는 동작조건에서도 매우 정밀하게 OCV를 추정할 수 있음을 특정모델에 적용한 결과를 통해 보여주는 도면이다.
도 10은 개방회로테스트 단계에서, 등가임피던스 모델을 식별하기 위해 인가하는 PRBS 형태의 충방전 전류를 보여주는 도면이다.
도 11은 등가임피던스 모델을 식별하기 위해 도 10의 충방전 전류를 인가하였을 때 전지의 응답으로 측정한 개방전압(OCV)와 단자전압을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명에서 제안하는 다중모델적응 SOC추정을 설명하는 원리도이다.
1 is a schematic block diagram illustrating a configuration of a battery management system including a lithium ion battery for estimating a state of charge of a lithium ion battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram modeling a relationship between internal electromotive force, terminal voltage, and current of a lithium ion battery by an equivalent circuit having an open circuit voltage (OCV) and a series impedance of a dependent power source.
3 is identified by classifying the equivalent impedance model of FIG. 2 into regions represented by linear dynamic models (regions A and B) and regions represented by nonlinear static models according to SOC levels due to the inherent characteristics of lithium ion batteries. This graph indicates that it should.
4 illustrates an example of configuring an operating point for obtaining a multi-model required for estimating a state of charge of a lithium ion battery according to the present invention. The temperature is represented on the vertical axis and the C-rate is plotted on the horizontal axis. The location of the meeting point is the reference point for identifying the equivalent model.
5 is a view for explaining the multi-model estimation of the open voltage OCV using a model bank in the present invention.
FIG. 6 illustrates the effect of the present invention and shows how a parameter of the equivalent impedance model of FIG. 2 varies with temperature at the same current for a specific LIB.
FIG. 7 illustrates the effect of the present invention and shows how a parameter of the equivalent impedance model of FIG. 2 varies with current at the same temperature for a specific LIB.
FIG. 8 is a diagram illustrating the effect of the present invention, and comparing and showing the accuracy when the OCV value is estimated by only one model around this operating point when charging and discharging occurs at a certain temperature for a specific LIB.
FIG. 9 is a view illustrating the effect of the present invention through the results of applying the specific model to the estimation method that the OCV can be estimated very precisely even under varying operating conditions.
FIG. 10 is a diagram showing charge / discharge current in the form of PRBS applied to identify an equivalent impedance model in an open circuit test step.
FIG. 11 is a diagram illustrating an open circuit voltage (OCV) and a terminal voltage measured in response to a battery when the charge / discharge current of FIG. 10 is applied to identify an equivalent impedance model.
12 is a principle diagram illustrating a multi-model adaptive SOC estimation proposed in the present invention.

이하, 본 발명의 실시 예들을 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 리튬이온전지의 충전상태를 추정하는 리튬이온전지를 포함하는 전지 관리 시스템의 구성을 나타내는 개략적인 블록도이다. 도 1을 참조하면, 리튬이온전지 시스템(100)은 리튬이온전지(10), 부하(20) 및 충전기(30)을 포함하며, 리튬이온전지(10)의 온도 T를 측정하는 온도센서(40), 리튬이온전지(10)의 입출력 충방전 전류 Ibat를 측정하는 전류센서(45) 및 리튬이온전지의 단자 간 전압 Vt를 측정하는 전압센서(50)로 구성된다. 전류센서(45)에서 전지의 충방전 전류를 측정하고, 전압센서(50)는 충방전 전류에 따른 리튬이온전지 전압의 변화를 측정한다. 리튬이온전지(10)의 부하는 전원을 공급받아 구동하는 주행 모터, 윈도우와이퍼, 방향지시기, 램프 등을 포함하며, 발전기/충전기(30)는 리튬이온전지(10)에 전력을 공급한다. 전지관리시스템(70)은 충전상태를 추정하는 SOC 추정부(60)를 포함한다.1 is a schematic block diagram illustrating a configuration of a battery management system including a lithium ion battery for estimating a state of charge of a lithium ion battery according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a lithium ion battery system 100 includes a lithium ion battery 10, a load 20, and a charger 30, and a temperature sensor 40 measuring a temperature T of the lithium ion battery 10. ), A current sensor 45 for measuring the input and output charge and discharge current Ibat of the lithium ion battery 10 and a voltage sensor 50 for measuring the voltage Vt between the terminals of the lithium ion battery. The charge / discharge current of the battery is measured by the current sensor 45, and the voltage sensor 50 measures the change of the lithium ion battery voltage according to the charge / discharge current. The load of the lithium ion battery 10 includes a driving motor, a window wiper, a direction indicator, a lamp, and the like, which are driven and supplied with power, and the generator / charger 30 supplies power to the lithium ion battery 10. The battery management system 70 includes an SOC estimator 60 estimating a state of charge.

전지관리시스템(70)은 전류센서, 전압센서 및 온도센서를 통하여 매 샘플시간마다 리튬이온전지의 충방전전류, 전압 및 온도를 측정하여 기 생성된 다중 모델 기준점을 기초로 하여 임의의 동작점에 해당하는 모델 Z(k)를 이 동작점 주변에 포진하는 4개의 기준동작점의 모델을 이용하여 추정한다. 추정한 모델 Z(k)와 전압센서의 출력전압, 리튬이온전지 전류로부터 리튬이온전지의 개방 전압(open circuit voltage: OCV)을 계산하고, 계산된 개방전압으로부터 SOC를 추정한다. The battery management system 70 measures the charge / discharge current, voltage, and temperature of the lithium ion battery at each sample time through a current sensor, a voltage sensor, and a temperature sensor, and selects an arbitrary operating point based on a previously generated multi-model reference point. The corresponding model Z (k) is estimated using a model of four reference operating points that herpes around this operating point. The open circuit voltage (OCV) of the lithium ion battery is calculated from the estimated model Z (k), the output voltage of the voltage sensor, and the lithium ion battery current, and the SOC is estimated from the calculated open voltage.

본 발명에 따른 SOC 추정방법은 ⅰ)개방회로테스트 단계 및 ⅱ)실시간 SOC추정단계로 구분된다. The SOC estimation method according to the present invention is divided into i) an open circuit test step and ii) a real-time SOC estimation step.

개방회로 테스트 단계는 리튬이온전지를 제조하는 제조사 또는 모델 마다 출력특성이 다르게 설계되어 있으므로 이를 인지하고 실시간 추정단계에서 사용되는 특성 모델을 획득하기 위한 것이다. 개방회로 테스트 단계는 리튬이온전지의 허용 동작범위 내에서 온도 및 전류 데이터를 각각 행렬형태로 표시한 다중 모델 기준점 생성단계; 리튬이온전지를 종속전원 형태의 OCV와 직렬임피던스의 등가회로로 표시하는 등가회로 표시단계; 리튬이온전지의 개방전압에 대응하는 SOC 곡선이 선형 동적모델(linear dynamic model)로 표시되는 구간과 비선형 정적모델(nonlinear static model)로 표시되는 구간으로 분할하는 모델링 영역 분할 단계; 개방회로 테스트를 통해 전지의 단자전압, OCV, 충방전 전류 데이터를 취득하여 선형 영역에서는 선형전달함수 모델을, 비선형 영역에서는 비선형 모델을 각각 온도-전류 동작점에서 식별(identification) 하는 단계; 실시간 다중모델 SOC추정기에 적용하기 위해 상기 식별된 연속계 모델 셋을 샘플링 시간을 고려하여 이산치계 모델로 변환하는 단계; 도 4에서와 같이 인접한 4 개의 동작점에 대응하는 4개의 임피던스 전달함수로 하나의 모델뱅크를 구성하는 단계를 포함한다.In the open circuit test step, output characteristics are different for each manufacturer or model that manufactures a lithium ion battery, and thus, this is for acquiring a characteristic model used in a real-time estimation step. The open circuit test step may include: generating a multi-model reference point for displaying temperature and current data in a matrix form within an allowable operating range of a lithium ion battery; An equivalent circuit displaying step of displaying the lithium ion battery as an equivalent circuit of series impedance with OCV in the form of a dependent power source; A modeling area dividing step of dividing the SOC curve corresponding to the open voltage of the lithium ion battery into a section represented by a linear dynamic model and a section represented by a nonlinear static model; Acquiring terminal voltage, OCV, and charge / discharge current data of the battery through an open circuit test to identify the linear transfer function model in the linear region and the nonlinear model in the nonlinear region at the temperature-current operating point, respectively; Converting the identified continuum model set into a discrete value model in consideration of a sampling time for application to a real-time multi-model SOC estimator; As shown in FIG. 4, the method includes constructing one model bank with four impedance transfer functions corresponding to four adjacent operating points.

실시간 SOC 추정 단계에서는, 운전중 리튬이온전지의 단자전압, 리튬이온전지의 온도 및 전류 데이터를 매 샘플시간마다 측정하는 측정단계; 상기 측정단계에서 매 샘플시간에 측정된 리튬이온전지의 온도 및 전류 데이터로 표현된 동작점에 대응하는 모델뱅크를 선택하는 단계: 상기 선택된 모델뱅크의 4개 이산치계 임피던스 모델을 이용하여 다중모델적응추정기법(multiple model adaptive estimation: MMAE)에 의한 동작점에서의 OCV와 SOC를 추정하는 단계; 운전 조건의 변동에 따라 매 샘플시간에서 측정되는 온도-전류의 값이 이동하면 이 동작점을 포함하는 모델뱅크를 선택하여 상기과정을 수행하는 단계를 포함한다.In the real-time SOC estimation step, the measurement step of measuring the terminal voltage of the lithium ion battery, the temperature and current data of the lithium ion battery during each sample time during operation; Selecting a model bank corresponding to an operating point represented by temperature and current data of a lithium ion battery measured at each sample time in the measuring step: adapting a multi-model using four discrete value impedance models of the selected model bank Estimating OCV and SOC at the operating point by multiple model adaptive estimation (MMAE); If the value of the temperature-current measured at each sample time in accordance with the change in the operating conditions includes the step of selecting the model bank including this operating point and performing the above process.

이제 상기 각 단계별 과정의 세부적인 원리와 방법을 설명하기로 한다.Now, the detailed principle and method of each step will be described.

(1) 리튬이온전지의 동작점 함수로 표시한 전기적 등가회로 모델(1) Electrical equivalent circuit model expressed as a function of operating point of lithium ion battery

도 2의 등가모델은 SOC 추정을 위한 대표적인 모델에 속하지만 기존 방법과의 차이점은 등가임피던스를 온도와 전류의 함수로 표시하였다는 것이다. 기존 방식에서는 Z(s)를 R1 과 {R2C 병렬}의 직렬회로로 놓고 상수 R, C 값으로 하는 모델이 주로 사용된다. 경우에 따라 3~4개의 RC병렬회로가 직렬로 연결된 구조도 제시되어 있으나, 모두 상수 R, C 파라미터 값으로 표현된다. 도 2의 등가 임피던스모델은 여러 개의 동작점에 대응하는 다중모델을 표시할 때 유리하다. The equivalent model of FIG. 2 belongs to a representative model for SOC estimation, but the difference from the conventional method is that the equivalent impedance is expressed as a function of temperature and current. In the conventional method, a model in which Z (s) is a series circuit of R 1 and {R 2 C parallel} and constant R and C values is mainly used. In some cases, a structure in which three to four RC parallel circuits are connected in series is also shown, but both are represented by constant R and C parameter values. The equivalent impedance model of FIG. 2 is advantageous when displaying multiple models corresponding to several operating points.

동작점에 따라 변하는 리튬이온전지의 동적 특성(dynamic characteristics)을 전체 동작 영역에서 잘 나타내려면 실시간 적응 추정기법이 요구되는데 변동 정도가 급격하지 않으면 다중모델 적응방식이 보다 간단하고 유력하다. 정통적인 적응추정기법이 매 샘플시간마다 취득한 데이터를 이용하여 모델 파라미터를 갱신하는 구조인데 비해 다중모델 적응추정방식은 동작범위 내 유한개의 동작점을 선택하고 이 동작점에서의 모델을 미리 구한 후 임의의 동작점에서의 모델은 이 동작점 부근의 기 구해 놓은 모델들의 선형결합으로 식별하는 방식이다. Real-time adaptive estimating techniques are required to represent the dynamic characteristics of lithium ion batteries that vary according to the operating point in the whole operating range. If the variation is not rapid, multi-model adaptation is simpler and more powerful. While the conventional adaptive estimation technique updates the model parameters by using the data acquired at every sample time, the multi-model adaptive estimation method selects a finite number of operating points within the operating range and obtains a model at this operating point beforehand. The model at the operating point of is identified by the linear combination of pre-established models near this operating point.

정통적인 적응기법은 매 샘플 시간의 입출력 데이터에 매우 민감하게 반응할 수 있어서 센서 잡음이나 일시적인 데이터 오류가 일어나지 않도록 신중하게 구현해야 하는 반면에 다중모델기법은 이미 구해 놓은 모델들의 선형조합이기 때문에 훨씬 단순하고 견실하다. Traditional adaptive techniques can be very sensitive to input and output data at every sample time and must be carefully implemented to avoid sensor noise or transient data errors, while multi-model techniques are much simpler because they are linear combinations of models already available. And sound.

도 4는 본 발명에 따른 리튬이온전지의 전기적 등가 모델을 식별하는 단계에서 허용 동작 범위 내에서 유한 정수 개의 기준 동작점을 설정하는 방법을 보여 주는 예이다. 도 2에서 등가임피던스 모델의 파라미터가 온도와 전류의 함수로 표현할 수 있기 때문에, 동작점은 (온도, 전류)로 표시하고, 온도를 종축에 전류를 횡축에 배열하고 각각 적정 개수로 분할하여 교차점을 하나의 기준 동작점으로 표시한

Figure pat00001
것이다. 도 4는 온도를 7개, 전류를 4개로 나누어 총 28 개의 동작점을 얻은 예를 보여주고 있다. 동작점의 수는 모델링 과정에서는 충분히 나누고 각 동작점에서 모델을 식별한 후 그 모델들의 파라미터를 비교하여 모델뱅크를 구성하는 단계에서 축소하는 것이 바람직하다.4 is an example showing a method of setting a finite integer number of reference operating points within an allowable operating range in the step of identifying an electrical equivalent model of a lithium ion battery according to the present invention. In Fig. 2, since the parameters of the equivalent impedance model can be expressed as a function of temperature and current, the operating point is expressed as (temperature, current), the temperature is plotted on the vertical axis, the current is arranged on the horizontal axis, and the intersection is divided by the appropriate number. One reference point
Figure pat00001
will be. 4 shows an example in which 28 operating points were obtained by dividing the temperature into seven and the current into four. The number of operating points is preferably divided in the modeling process, the model is identified at each operating point, and then reduced in the step of constructing the model bank by comparing the parameters of the models.

예를 들어, 도 4에서 i가 2이고 j가 4인 동작점은 리튬이온전지의 온도가 10℃이고 전류는 10A의 동작점을 나타낸 것이다. 도 4에서 각 동작점에 대응하는 등가임피던스 모델은 식1과 같이 표현될 수 있는 데, 식 1에서 Zi, j (S)는 충방전전류 (Ibat)가 Ii,이고, 전지의 온도( T)가 Tj 일 때 임피던스이며, A와 B 영역에서는 1차 또는 2차의 전달함수로 표현된다. For example, in FIG. 4, the operating point where i is 2 and j is 4 represents an operating point of 10 ° C. and a current of 10 A of a lithium ion battery. In FIG. 4, an equivalent impedance model corresponding to each operating point may be expressed as Equation 1, wherein Z i and j (S) have a charge / discharge current Ibat I i, and the temperature of the battery ( When T) is T j , it is an impedance, and is expressed as a first or second transfer function in the A and B areas.

Figure pat00002
<식 1>
Figure pat00002
<Equation 1>

본 발명에 따른 리튬이온전지의 충전상태 추정은 도 2에서 보는 바와 같이 리튬이온전지를 전기적 등가회로로 표시한 모델에서 수행하는 데, 여기서 배경원리를 설명하고자 한다. 도 2에서 캐패시터 Cc는 전지의 충전용량을 나타내며 식 2와 같이 정의된다. Estimation of the state of charge of the lithium ion battery according to the present invention is performed in a model in which the lithium ion battery is represented by an electrical equivalent circuit as shown in FIG. 2, where the background principle will be described. In FIG. 2, the capacitor Cc represents the charge capacity of the battery and is defined as in Equation 2.

Figure pat00003
<식 2>
Figure pat00003
<Equation 2>

여기서, Capacity는 리튬이온전지의 공칭용량이고,

Figure pat00004
은 충방전 사이클 수에 따라 감쇠특성을 나타내는 인수이다. Where Capacity is the nominal capacity of the lithium ion battery,
Figure pat00004
Is a factor representing the attenuation characteristic according to the number of charge and discharge cycles.

리튬이온전지의 SOC를 전압으로 나타내면 식 3으로 표현할 수 있다.When SOC of a lithium ion battery is represented by a voltage, it can be represented by Formula 3.

Figure pat00005
<식 3>
Figure pat00005
<Equation 3>

여기서 VS(0)는 충전 또는 방전 시의 초기 전압이다. 하나의 리튬이온전지 셀이 완전히 충전되어있다면(SOC 100%) 그 값은 4.2V이고, SOC가 0% 상태라면 3.2V이다. 리튬이온전지 셀의 개방 시 전압 VOC는 전압제어전압전원(voltage controlled voltage source), VOC(VS),로 표현될 수 있다. Vt(t)와 Ibat(t)는 각각 단자전압과 충전/방전 전류이다. Z(I,T,s)는 온도와 전류의 동작점에서 식별될 등가회로 모델이다. 본 발명에서는 셀 자체 방전 효과는 무시하기로 한다.Where V S (0) is the initial voltage at the time of charging or discharging. The value is 4.2V if one Li-ion battery cell is fully charged (SOC 100%), and 3.2V if SOC is 0%. The voltage V OC at the time of opening of the lithium ion battery cell may be expressed as a voltage controlled voltage source, V OC (V S ). V t (t) and I bat (t) are terminal voltage and charge / discharge current, respectively. Z (I, T, s) is the equivalent circuit model to be identified at the operating point of temperature and current. In the present invention, the cell self discharge effect is ignored.

도 3은 리튬이온전지의 전형적인 SOC에 대한 OCV(Voc) 곡선을 나타낸다. 이 SOC 곡선은 식 4와 같이 표현할 수 있다. Figure 3 shows the OCV (Voc) curve for typical SOC of a lithium ion battery. This SOC curve can be expressed as in Equation 4.

Figure pat00006
Figure pat00007
<식 4>
Figure pat00006
Figure pat00007
<Equation 4>

상기 식 4에서,

Figure pat00008
는 추정된 개방전압 값,
Figure pat00009
Figure pat00010
는 식 4의 파라미터이고 전지의 정전류 충/방전 실험데이터로부터 식별한다. 이 때 식 4의 우변 제1항(지수 함수 항)의 계수
Figure pat00011
는 도 3의 C영역 데이터를 이용하여 식별하고 식 4 우변의 계수
Figure pat00012
는 도 3의 영역 A와 B의 데이터만을 이용하고 잘 알려진 최소자승오차법(least squared error method)을 이용하여 식별한다.In Equation 4,
Figure pat00008
Is the estimated open voltage value,
Figure pat00009
Wow
Figure pat00010
Is the parameter of equation 4 and is identified from the constant current charge / discharge experimental data of the battery. In this case, the coefficient of the right side first term (exponential function term) of Equation 4
Figure pat00011
Is identified using the C region data of FIG.
Figure pat00012
Uses only the data in areas A and B of FIG. 3 and identifies them using the well-known least squared error method.

식 4로부터 만약 OCV(Voc)가 추정된다면 이에 대응하는 SOC가 결정될 수 있음을 알 수 있다. 식 4의 파라미터는 전지에 일정전류를 방전하거나 충전시키면서 OCV(Voc) 데이터를 취득한 후 최소자승법을 적용하면 쉽게 구할 수 있다.
From Equation 4, if OCV (Voc) is estimated, it can be seen that the corresponding SOC can be determined. The parameter of Equation 4 can be easily obtained by applying the least-squares method after acquiring OCV (Voc) data while discharging or charging a constant current in a battery.

(2) 리튬이온전지의 SOC 레벨에 따른 선형동작 영역과 비선형 동작영역의 구분(2) Classification of linear and nonlinear operating regions according to SOC levels of lithium ion batteries

리튬이온전지 뿐만 아니라 대부분의 2차전지는 본질적 특성으로서 내부기전력과 단자전압 사이의 관계를 도 2의 모델로 표현 시 SOC 레벨에 따라 등가임피던스를 선형전달함수로 표현할 수 있는 구간과 강한 비선형특성을 갖는 구간이 존재한다. As well as lithium-ion batteries, most secondary batteries have intrinsic characteristics and strong non-linear characteristics that can express the equivalent impedance as a linear transfer function according to SOC level when the relationship between internal electromotive force and terminal voltage is expressed in the model of FIG. There is a section.

한 예로, 도 3은 선형동작이 일어나는 A, B 영역과 비선형적인 구간인 C 영역으로 나누어진 것을 보인다. 이러한 특성은 전지의 제작사와 모델에 따라 다를 수 있다. 영역 A와 B는 둘 다 선형 동작 구간이지만 VOC-SOC의 관계가 다른 경우를 고려하기 위해 분류한 것이다. 이렇게 구분하여 모델을 식별한 후 모델 뱅크를 구성하는 단계에서 식별한 모델의 파라미터가 유사하면 영역 A, B의 분류는 축소할 수 있다. 달리 말해, 도 3의 세 영역은 고유한 동적모델로 나타낼 수 있는 SOC 구간을 의미하며, 도 2의 등가임피던스 모델링도 이 영역에서 독립적으로 동작점을 고려하여 이루어져야 한다. 본 발명에 따르면 도 3의 리튬이온전지의 OCV와 SOC의 곡선 형태를 기준으로 2개의 선형적인 구간(A,B)과 1개의 비선형적인 구간(C)로 구분한다. 한 예로, 본 발명을 적용한 한 리튬이온전지 모델의 각 구간은 아래와 같이 나타났다.  For example, FIG. 3 shows that A and B regions where linear motion occurs and C regions which are non-linear sections. These characteristics may vary depending on the make and model of the battery. Regions A and B are both linear operating intervals, but are classified to consider cases where the relationship between VOC-SOC is different. After identifying the models in this manner, if the parameters of the model identified in the step of constructing the model bank are similar, the classification of the regions A and B can be reduced. In other words, the three regions of FIG. 3 mean an SOC section that can be represented as a unique dynamic model, and the equivalent impedance modeling of FIG. 2 should also be made in consideration of the operating point independently in this region. According to the present invention, two linear sections (A, B) and one non-linear section (C) are divided based on the curve form of OCV and SOC of the lithium ion battery of FIG. 3. For example, each section of a lithium ion battery model to which the present invention is applied is shown as follows.

영역 A : 3.85 ≤ Voc ≤ 4.06 Zone A: 3.85 ≤ Voc ≤ 4.06

영역 B : 3.62 ≤ Voc ≤ 3.85Area B: 3.62 ≤ Voc ≤ 3.85

영역 C : 3.23 ≤ Voc ≤ 3.62 Zone C: 3.23 ≤ Voc ≤ 3.62

리튬이온전지의 내부임피던스는 SOC의 도 3의 세 영역에서 도 4의 동작점에 대응하는 N개의 모델(본 예에서는 N=28개)로 나타내게 된다. 영역 A와 영역 B에서 VOC와 단자전압 사이의 전압강하는 선형 임피던스 함수로 모델링될 수 있으나, 영역 C는 비선형성이 강하기 때문에 선형 임피던스 함수로 모델링될 수 없다. 따라서 모델링은 각 영역마다 구분되어 이루어진다.The internal impedance of the lithium ion battery is represented by N models (N = 28 in this example) corresponding to the operating point of FIG. 4 in the three regions of FIG. 3 of the SOC. The voltage drop between V OC and the terminal voltage in region A and region B can be modeled as a linear impedance function, but region C cannot be modeled as a linear impedance function because of its strong nonlinearity. Therefore, modeling is divided into each area.

(3) 리튬이온전지의 등가 임피던스 모델 (3) Equivalent Impedance Model of Li-ion Battery

본 발명의 결과로 영역 A와 영역 B의 모든 특정 동작 점에서 Z(I,T,s)는 1차 또는 2차 연속계 전달함수로 식별될 수 있다. 등가회로모델 Z(I,T,S)는 다음 식 5와 같이 정의된다. As a result of the present invention, Z (I, T, s) at all specific operating points of region A and region B can be identified as a first or second continuous system transfer function. The equivalent circuit model Z (I, T, S) is defined as

Figure pat00013
<식 5>
Figure pat00013
<Equation 5>

반면에 도 4의 비선형 정적모델을 갖는 C영역에서의 등가임피던스 모델 Z(I,T,Vt)는 다음 식 6과 같이 단자전압

Figure pat00014
에 대한 3차(또는 2차) 다항식으로 모델링될 수 있다. 특히, 영역 C에서는 전지의 비가역성이 무시할 수 없을 만큼 나타나기 때문에 영역 A, B와 달리 식 6의 모델은 충전 모드와 방전 모드를 별개로 하여 구하여야 한다.On the other hand, the equivalent impedance model Z (I, T, Vt) in the C region with the nonlinear static model of FIG.
Figure pat00014
Can be modeled as a cubic (or quadratic) polynomial for. In particular, since the irreversibility of the battery is not negligible in the region C, unlike the regions A and B, the model of Equation 6 should be obtained separately from the charging mode and the discharging mode.

Figure pat00015
<식 6>
Figure pat00015
<Equation 6>

여기서, 식 5와 식 6의 모델 파라미터는 리튬이온전지 전류(Ibat), 단자 전압(Vt), VOC의 샘플링 데이터를 사용하여 식별된다. 파라미터 식별에 사용되는 입-출력 데이터는 리튬이온전지에 의사이진난수열(pseudo random binary sequence: PRBS) 형태의 테스트 전류를 인가하여 얻을 수 있다. 리튬이온전지를 항온항습기에서 동작점에 해당하는 온도로 유지하면서 동작점 크기의 전류를 PRBS형태로 인가하여 Vt, VOC의 데이터를 취득하게 된다. 입출력 전달함수 모델은 식 7로 표현할 수 있다.Here, model parameters of Equations 5 and 6 are identified using sampling data of lithium ion battery current I bat , terminal voltage V t , and V OC . Input-output data used for parameter identification can be obtained by applying a test current in the form of pseudo random binary sequence (PRBS) to a lithium ion battery. While maintaining the lithium ion battery at the temperature corresponding to the operating point in the thermo-hygrostat, the current of the operating point size is applied in the PRBS form to obtain the data of V t and V OC . The input / output transfer function model can be expressed by Equation 7.

Figure pat00016
<식 7>
Figure pat00016
<Equation 7>

일단 데이터가 얻어지면 식 5와 식 6의 파라미터 식별은 다양한 방법으로 구할 수 있다. 도 10은 특정회사의 한 리튬이온전지에 대해 모델링 과정을 수행하기 위해 인가한 PRBS 시험입력(충방전 전류)을, 도 11은 출력응답인 단자전압 Vt 와 개방전압 VOC를 보인다. 이렇게 구한 모델 파라미터를 표 1 ~표 3에 보인다.Once the data is obtained, parameter identification in Equations 5 and 6 can be obtained in a variety of ways. 10 shows a PRBS test input (charge / discharge current) applied to perform a modeling process for a lithium ion battery of a specific company, and FIG. 11 shows the terminal voltage V t and the open voltage V OC , which are output responses. The model parameters thus obtained are shown in Tables 1 to 3.

표 1은 영역 B에서 10A 전류 동작점과 7개의 다른 온도 동작점에서 식별한 식 5의 모델 파라미터이다. 본 발명의 결과로서 2차 이상 차수의 모델을 구하여도 1차 모델의 경우와 오차 개선 효과는 크지 않아서 1차로 식별하여도 충분하다.  Table 1 shows the model parameters in Equation 5 identified at 10A current operating point and seven other temperature operating points in area B. As a result of the present invention, even if a model of the second order or higher is obtained, the error improvement effect is not large as in the case of the first model, and thus it is sufficient to identify the first order.

영역 B에서 10A 전류 동작점과 7개의 다른 온도 동작점에서 식별한 모델 파라미터Model parameters identified at 10 A current operating point and seven other temperature operating points in area B T℃T ℃ aa 1One aa 00 bb 1One *e-3* e-3 bb 00 *e-3* e-3 -20-20 1One 0.08830.0883 10.4410.44 1.2481.248 -10-10 1One 0.29950.2995 6.1736.173 2.4782.478 00 1One 0.58030.5803 3.7823.782 3.0333.033 1010 1One 0.89770.8977 2.3762.376 3.0893.089 2424 1One 1.3511.351 1.2661.266 2.7352.735 4040 1One 1.611.61 0.72250.7225 2.1382.138 6060 1One 1.5881.588 0.39450.3945 1.4351.435

표 2는 전지 셀 온도 를 -20 ℃로 유지하면서 5개의 전류 동작점에서 구한 식 5의 모델 파라미터이다. Table 2 shows the model parameters of Equation 5 obtained at five current operating points while maintaining the battery cell temperature at -20 ° C.

전지 셀 온도가 -20℃일때 5개 전류동작점에서 구한 모델 파라미터. Model parameters obtained at five current operating points when battery cell temperature is -20 ° C. CurrentCurrent aa 1One aa 00 bb 1One *e-3* e-3 bb 00 *e-3* e-3 1A1A 1One 0.0990.099 11.3611.36 1.451.45 5A5A 1One 0.086010.08601 10.9110.91 1.2451.245 10A10A 1One 0.08830.0883 10.4410.44 1.2481.248 20A20A 1One 0.17460.1746 8.2778.277 1.9861.986 40A40A 1One 0.8550.855 6.7726.772 6.7726.772

표 3은 영역 C에서 10A 전류 동작점과 7개의 온도 동작점에서 충전 및 방전모드에서 각각 구한 식 6의 다항식 모델 파라미터이다. 이후로 식별된 모델 파라미터를

Figure pat00017
로 표기하기로 한다.Table 3 shows the polynomial model parameters of Equation 6 obtained in the charge and discharge modes at the 10 A current operating point and the seven temperature operating points in area C, respectively. And subsequently identified model parameters
Figure pat00017
It is written as.

영역 C에서 10A 전류동작점과 7개 온도동작점에서 충전 및 방전모드에서 각각 구한 다항식 모델 파라미터.Polynomial model parameters obtained in charge and discharge modes at 10 A current operating point and 7 temperature operating points in area C, respectively. T℃T ℃ 충전 모드의 <식 6>의 계수Coefficient of <Equation 6> in the charging mode 방전 모드의 <식 6>의 계수Coefficient of <Equation 6> in discharge mode cc 33 cc 22 cc 1One cc 00 cc 22 cc 1One cc 00 -20-20 -0.9257-0.9257 9.44649.4464 -32.0472-32.0472 36.157736.1577 0.00150.0015 -0.0834-0.0834 0.28570.2857 -10-10 -1.116-1.116 11.352711.3527 -38.4096-38.4096 43.230343.2303 0.00110.0011 -0.0811-0.0811 0.28110.2811 00 -1.1511-1.1511 11.629311.6293 -39.0776-39.0776 44.682344.6823 0.0010.001 -0.0807-0.0807 0.27980.2798 1010 -1.182-1.182 11.889311.8893 -39.7776-39.7776 44.272144.2721 0.00090.0009 -0.0806-0.0806 0.27920.2792 2424 -1.1954-1.1954 11.976611.9766 -39.9105-39.9105 44.24244.242 0.00090.0009 -0.0805-0.0805 0.27870.2787 4040 -1.1889-1.1889 11.879211.8792 -39.478-39.478 43.64143.641 0.00090.0009 -0.0805-0.0805 0.27860.2786 6060 -1.1809-1.1809 11.779211.7792 -39.0798-39.0798 43.126543.1265 0.00090.0009 -0.0805-0.0805 0.27850.2785

(4) 연속계 임피던스 모델의 이산치계 모델로 변환(4) Convert to discrete value model of continuous impedance model

도 3의 A, B, C 세 영역에서 상기 개방루프테스트를 통한 모델링 과정을 수행하여 각각 고려한 동작점 수만큼의 모델 셋(본 예에서는 28개 씩의 모델 셋)을 구하게 된다. SOC 추정을 실행하는 도 1 의 전지관리시스템(70)은 일반적으로 디지털시스템으로 구현되기 때문에 SOC 추정도 디지털 알고리즘으로 나타낼 필요가 있다.In the three areas A, B, and C of FIG. 3, the modeling process through the open loop test is performed to obtain a model set corresponding to the number of operating points (28 model sets in this example). Since the battery management system 70 of FIG. 1 that executes the SOC estimation is generally implemented in a digital system, the SOC estimation also needs to be represented by a digital algorithm.

따라서 상기 연속계 모델을 이산치계 모델로 변환할 필요가 있다. 상기 모델링 과정에서 직접 이산화 모델을 구할 수도 있으나 전지와 BMS에 따라 샘플링 시간은 다를 수 있기 때문에 샘플링 시간이 변하더라도 모델링을 다시 해야 할 필요가 없는 연속계 모델을 구하는 것이 유리하다. BMS의 온도, 전류, 단자전압 신호의 샘플링 시간을 Ts 라 할 때, Tustin 근사화법을 이용하면 식 5의 이산치계 모델식 8을 구할 수 있다. 즉, 식 5의 복소변수 s를

Figure pat00018
로 치환하여 구한다.Therefore, it is necessary to convert the continuous system model into a discrete value model. Although the discretization model may be directly obtained in the modeling process, it is advantageous to obtain a continuous model that does not need to be remodeled even if the sampling time changes because the sampling time may vary depending on the battery and the BMS. When the sampling time of the BMS temperature, current, and terminal voltage signal is T s , the discrete value model Equation 8 of Equation 5 can be obtained by using the Tustin approximation method. In other words, the complex variable s in Equation 5
Figure pat00018
It is obtained by substituting for.

Figure pat00019
<식 8>
Figure pat00019
<Equation 8>

C영역의 등가임피던스의 이산치계 모델은 식 6으로부터 단자전압을 샘플값으로 치환하여 식 9와 같다.The discrete value model of the equivalent impedance of the C region is shown in Equation 9 by substituting the terminal voltage for a sample value from Equation 6.

Figure pat00020
<식 9>
Figure pat00020
<Equation 9>

식 8,9로부터 매 샘플시간마다 전지에 흐르는 충전 또는 방전전류가 측정되면

Figure pat00021
일 때, 등가임피던스 양단의 전압강하는 다음 식 10으로 계산되고
Figure pat00022
일 때는 식 11로 계산된다.If the charge or discharge current flowing through the battery is measured at every sample time
Figure pat00021
, The voltage drop across the equivalent impedance is calculated by
Figure pat00022
Is calculated by Equation 11.

Figure pat00023
<식 10>
Figure pat00023
<Equation 10>

Figure pat00024
<식 11>
Figure pat00024
<Equation 11>

(5) 다중모델적응추정(MMAE)을 위한 모델뱅크의 정의 및 구성(5) Definition and construction of model banks for MMAE

리튬이온전지의 전기적등가회로 모델이 동작점으로 정의된 온도와 전류의 값에 따라 모델 파라미터가 변하기 때문에 OCV를 정밀하게 추정하기 위해 본 발명에서는 MMAE기법을 적용한다. MMAE에서는 각 동작점에 대응하는 모델을 미리 식별하여 모델 셋( 본 발명의 실시 예에서는 각 영역 별로 28개 모델로 총 112개 모델 셋)을 얻은 후에 이 모델을 이용하여 임의의 동작점에서의 OCV를 추정하게 된다. In order to accurately estimate the OCV, the MMAE technique is applied to the electrical equivalent circuit model of the lithium ion battery because the model parameters change according to the values of temperature and current defined as operating points. In the MMAE, the model corresponding to each operating point is identified in advance, and a model set (112 model sets of 28 models in each region in the present embodiment) is obtained. Will be estimated.

이 단계에서는 상기 모델 셋 중에서 MMAE추정을 위해 어떤 유한개의 모델을 이용하느냐 하는 것이 문제이다. 본 발명에서는 도 4에서처럼 임의의 동작점(

Figure pat00025
:온도 Tz, 전류 Ibatz)을 둘러싸는 4개의 기준동작점 모델 셋 {Zi, j , Zi, j +1, Zi+1, j , Zi+1, j +1}을 모델뱅크 Bi, j 라 정의 한다. 이 정의에 의하면 모델뱅크 Bi+1, j+1 은 4개의 모델 기준점들의 임피던스 모델 셋{Zi+1, j+1 , Zi+1, j +2, Zi+2, j+1 , Zi+2, j +2}를 나타낸다. 본 발명에서는 MMAE에 전체 모델 셋 중에서 임의의 동작점을 포함하는 하나의 모델뱅크가 선택되고 이 모델뱅크에 포함된 4 개의 모델 ( 동작범위 가장자리 부근에서는 2개 또는 1개의 모델 셋)에 의해 OCV를 추정하는데 사용한다. 예를 들어, 도 4에서 동작점
Figure pat00026
(온도 7 ℃, 전류 7 A)에서 동작점
Figure pat00027
(온도 18 ℃, 전류 17 A)로 변하였다고 하면 모델뱅크는
Figure pat00028
에서
Figure pat00029
가 된다. In this step, it is a question of which finite number of models are used for the MMAE estimation. In the present invention, as shown in FIG.
Figure pat00025
Four reference operating point models (Z i, j , Z i, j +1 , Z i + 1, j , Z i + 1, j +1 } that surround the temperature T z , current I batz ) Defined as banks B i and j . According to this definition, model banks B i + 1 and j + 1 are impedance model sets of four model reference points {Z i + 1, j + 1 , Z i + 1, j +2 , Z i + 2, j + 1 , Z i + 2, j +2 }. In the present invention, one model bank including an arbitrary operating point is selected in the MMAE, and the OCV is selected by four models (two or one model set near the edge of the operating range) included in the model bank. Used to estimate For example, the operating point in FIG.
Figure pat00026
Operating point at (temperature 7 ℃, current 7A)
Figure pat00027
If the temperature is changed to 18 ° C and 17A, the model bank
Figure pat00028
in
Figure pat00029
Becomes

(6) 다중모델적응추정기법을 이용한 개방전압(OCV) 추정 알고리즘(6) Open Voltage (OCV) Estimation Algorithm Using Multi-Model Adaptive Estimation

이상의 다중모델 셋과 모델뱅크가 정의되어 있고 BMS로부터 온도와 전류의 현재 값이 측정되어 입력된다는 조건에서 이제 남은 문제는 MMAE에 의해 각 모델뱅크의 속한 4개의 임피던스 모델로부터 개방전압(OCV)

Figure pat00030
를 추정하는 알고리즘이다. 기본 가정은 하나의 모델뱅크 영역에서는 A,B 영역 뿐 만 아니라 C영역에서도 선형적이라고 보는 것이다. 이러한 가정아래 리튬이온전지의 OCV추정알고즘을 한 예로서 현재 동작점이 도 5의
Figure pat00031
에 있다고 하면 이 동작점에 대응하는 등가임피던스의 전압강하(Vz)의 추정값은 다음 식 11처럼 모델뱅크
Figure pat00032
에 속하는 4개의 모델의 전압강하의 선형결합(linear combination)으로 나타낼 수 있다. Given the multiple model sets and model banks defined above, and the current values of temperature and current from the BMS are measured and entered, the remaining problem is the open circuit (OCV) from the four impedance models of each model bank by MMAE.
Figure pat00030
Is an algorithm for estimating. The basic assumption is that one model bank is linear in C as well as A and B. Under this assumption, the current operating point of the OCV estimation algorithm of the lithium ion battery is shown in FIG.
Figure pat00031
If is, the estimated value of the voltage drop (V z ) of the equivalent impedance corresponding to this operating point is model bank as
Figure pat00032
It can be expressed as a linear combination of voltage drops of four models belonging to.

Figure pat00033
Figure pat00033

<식 11><Equation 11>

여기서 here

Figure pat00034
<식 12>
Figure pat00034
<Equation 12>

Figure pat00035
<식 13>
Figure pat00035
<Equation 13>

Figure pat00036
는 온도에 대한 가중인수(weighting factor)이고,
Figure pat00037
는 전류에 대한 가중인수이다.
Figure pat00038
Figure pat00039
의 선택은 인접한 두 기준 동작점 사이에서의 상대적 거리에 비례해서 결정한다. 예를 들어, 온도 동작점 Tz = 7℃면, 인접 기준 동작점 온도가 0℃ 와 10 ℃이므로
Figure pat00040
로 선택된다. 마찬가지로 전류 동작점
Figure pat00041
이면, 인접 기준동작점 전류가 1 A 와 10 A이므로
Figure pat00042
로 선택된다. 식 11에서 계수
Figure pat00043
Figure pat00044
Figure pat00045
값으로부터 계산된다. 식 11로 현재 동작점에서의 전압강하가 추정되었다면 개방전압의 추정값
Figure pat00046
은 도 2로부터 식 14에 의해 결정된다.
Figure pat00036
Is the weighting factor for temperature,
Figure pat00037
Is the weighted number of currents.
Figure pat00038
Wow
Figure pat00039
The choice of is determined proportionally to the relative distance between two adjacent reference operating points. For example, if the temperature operating point T z = 7 ° C, the adjacent reference operating point temperatures are 0 ° C and 10 ° C.
Figure pat00040
Is selected. Similarly current operating point
Figure pat00041
If the adjacent reference operating point current is 1 A and 10 A
Figure pat00042
Is selected. Coefficient in Equation 11
Figure pat00043
Is
Figure pat00044
Wow
Figure pat00045
It is calculated from the value. If the voltage drop at the current operating point is estimated by Eq. 11, then the estimated open voltage
Figure pat00046
Is determined by equation (14) from FIG.

Figure pat00047
<식 14>
Figure pat00047
<Equation 14>

여기서

Figure pat00048
는 전지의 단자 간 전압으로 매 샘플시간 마다 측정되는 값이고
Figure pat00049
는 식 11에 의해 계산된 등가임피던스의 전압강하이다.here
Figure pat00048
Is the voltage between terminals of the battery and is measured every sample time
Figure pat00049
Is the voltage drop of the equivalent impedance calculated by Eq.

도 12는 이상의 다중모델적응추정기법을 이용한 개방전압(OCV) 추정 알고리즘을 보여주는 블록선도이다.12 is a block diagram showing an open circuit voltage (OCV) estimation algorithm using the multi-model adaptive estimation technique.

결론적으로, 리튬이온전지의 개방전압 Voc가 추정되었으므로 식 4의 SOC를 계산하는 식으로부터 SOC를 추정할 수 있으며, 또는 도 3의 리튬이온전지의 개방전압에 대응하는 SOC 실험곡선을 이용하여 SOC를 추정할 수도 있다. In conclusion, since the open-circuit voltage Voc of the lithium ion battery is estimated, the SOC can be estimated from the equation for calculating the SOC of Equation 4, or the SOC is calculated using the SOC experimental curve corresponding to the open voltage of the lithium ion battery of FIG. It can also be estimated.

도 6은 특정 리튬이온전지의 온도-전류 허용 동작범위에 대해 식별한 등가임피던스 모델의 파라미터가 1/4 C-rate에서 -20 ~ 60℃에서 어떻게 다른지를 보여주며, 도 7은 동 전지모델에 대해 -20 ℃일 때 C-rate에 따른 모델 파라미터의 값을 보여준다. 이는 도 2의 등가회로 모델을 이용하여 SOC를 추정 시 단지 한 동작점에서 구한 모델에 의하면 충분치 않을 수 있음을 입증하는 것이다. 반면에 본 발명에서 제시하는 방법은 전체 동작 영역을 몇 개의 동작점으로 나누어 고려하기 때문에 이 문제를 해소할 수 있다. 도 8은 LIB의 온도를 7 ℃로 유지하면서 40분까지는 8 A로 충전하고 이후 50분간은 8 A로 방전한 경우에 OCV의 측정치 Voc 와 4 개의 인접한 동작점 (1A, 0℃), (1A, 10℃), (10A, 0℃), (10A, 10℃)에서의 임피던스모델에 의해 OCV를 추정한 결과를 함께 나타낸 것으로 이 효과를 보다 극명하게 보여준다. FIG. 6 shows how the parameters of the equivalent impedance model identified for the temperature-current permissible operating range of a specific lithium ion battery are different at -20 to 60 ° C. at 1/4 C-rate, and FIG. Shows the model parameter value according to C-rate at -20 ℃. This demonstrates that the model obtained at only one operating point may not be sufficient when estimating the SOC using the equivalent circuit model of FIG. 2. On the other hand, the method proposed in the present invention can solve this problem because it considers the whole operating area divided into several operating points. FIG. 8 shows the measured value Voc of OCV and four adjacent operating points (1A, 0 ° C) when charged to 8 A for 40 minutes and then discharged to 8 A for 50 minutes while maintaining the temperature of LIB at 7 ° C. (1A , 10 ℃), (10A, 0 ℃) and (10A, 10 ℃) show the results of estimating OCV by impedance model together to show this effect more clearly.

또한, 도 9는 140 분 까지는 LIB의 온도를 7 ℃로 유지하면서 8 A로 충전하고 140 분 이후로는 LIB의 온도를 20 ℃로 유지하면서 18 A의 충방전 전류를 흘린 경우의 OCV의 측정 값과 본 발명에서 제시한 방법으로 추정한 OCV 값을 비교한 것이다. C-rate가 변하고 온도가 변한 경우에도 최대 추정 오차가 5.3 mV로 2% 이하로 나타날 만큼 우수한 정밀도를 보였다. In addition, FIG. 9 shows the measured value of OCV when charging and discharging current of 18 A was carried out while charging at 8 A while maintaining the temperature of LIB at 7 degreeC until 140 minutes, and maintaining the temperature of LIB at 20 degreeC after 140 minutes. And OCV values estimated by the method proposed in the present invention. Even when the C-rate and the temperature were changed, the maximum estimation error was 5.3 mV, showing the precision that it was less than 2%.

본 발명에서는 각 제조사별로 다른 리튬 이온 배터리의(LIB)의 등가모델이 한번 구해지고 나면 이후로 등가 모델을 다시 구할 필요가 없으며, 매 샘플시간마다 이용되는 모델은 항시 4개 이내 이기 때문에 계산이 간단하고 구현이 용이하다.In the present invention, once the equivalent model of a different lithium ion battery (LIB) is obtained for each manufacturer, there is no need to obtain the equivalent model again afterwards, and the calculation is simple since there are always four models used at every sample time. And easy to implement.

Claims (9)

리튬이온전지의 온도 및 전류 데이터에 근거한 기준 동작점을 생성하고, SOC의 크기에 따라 구분된 SOC 곡선이 선형 동적모델로 표시되며 높은 SOC 영역과 중간 SOC영역을 갖는 A 및 B 영역과 낮은 SOC 영역을 갖는 비선형정적모델로 표시되는 C영역으로 분할된 구간에서 각각 상기 기준 동작점에 대응하는 등가회로모델들을 식별(identification)하기 위한 개방회로 테스트 단계;
상기 개방회로테스트 단계 후에 등가회로모델 셋으로부터 동작점 주위 최대 4개의 모델을 모델뱅크(model bank)로 정의하고, 운전 중 리튬이온전지의 단자전압과 전류 및 온도 데이터를 주기적으로 입력받아 상기 다중 모델 셋 중에서 동작점을 포함하도록 모델뱅크를 선택하고, 매 샘플시간마다 측정한 단자전압 및 전류데이터를 발명한 개방전압(OCV) 추정알고리즘에 대입하여 리튬이온전지의 개방전압을 계산하고 추정한 개방전압을 이용하여 SOC를 추정하는 실시간 리튬이온전지의 충전상태 추정방법.
Create reference operating point based on temperature and current data of lithium ion battery, SOC curve divided according to SOC size is displayed as linear dynamic model, A and B area with high SOC area and middle SOC area and low SOC area An open circuit test step of identifying equivalent circuit models corresponding to the reference operating points, respectively, in a section divided into a C region represented by a nonlinear static model having a?
After the open circuit test step, up to four models around the operating point are defined as model banks from the equivalent circuit model set, and the terminal voltage, current, and temperature data of the lithium ion battery are periodically input during operation. The model bank was selected to include the operating point, and the open-circuit voltage of the lithium-ion battery was calculated and estimated by substituting the open-circuit voltage (OCV) estimation algorithm that invented the terminal voltage and current data measured at each sample time. Method of estimating the state of charge of a real-time lithium-ion battery to estimate the SOC by using a.
제 1 항에 있어서, 상기 개방회로 테스트 단계는,
리튬이온전지의 전기적 동특성 모델을 종속전원 형태의 기전력(OCV와 동일)과 직렬임피던스의 등가회로로 표시하고, 등가임피던스를 다수 개의 동작점에 대응하는 다중모델로 다룰 수 있도록 온도와 전류 동작점의 함수로 표현하는 함수 표현 단계;
상기 리튬이온전지의 운전조건 허용범위 내에서 온도 및 전류 동작점을 적정 갯수로 분할하고 온도와 전류데이터를 각각 행렬형태로 표시하는 기준 동작점 생성단계;
리튬이온전지의 개방전압에 대응하는 SOC 곡선이 선형 동적모델(linear dynamic model)로 표시되는 높은 SOC 영역과 중간 SOC영역인 두 개 구간(A 및 B영역)과 비선형정적모델(nonlinear static model)로 표시되는 낮은 SOC 영역인 한 개 구간(C영역)으로 분할하는 모델링 영역 분할 단계;
상기 선형 및 비선형 영역 별로 각각 유한 개로 분할된 온도 및 전류 동작점에 대응하는 선형구간의 등가임피던스는 2차 또는 1차의 선형 전달함수 모델로 표현하며 비선형구간의 등가임피던스는 개방전압에 대한 3차 또는 2차의 다항식으로 표현하는 등가 임피던스 모델 식별단계;
상기 등가임피던스 모델의 파라미터를 식별하기 위하여 영역별로 적정 충방전 전류를 의사이진난수열(PRBS) 형태로 전지에 인가하고 전지의 개방전압(OCV)과 단자전압을 측정하고 이들 데이터와 식별알고리즘을 이용하여 연속계 등가임피던스 모델을 구하는 등가 임피던스 모델 파라미터 식별단계;
상기 모델링 영역 분할 단계의 각 영역에서 상기 개방회로테스트를 통한 모델링 과정을 수행하여 각각 고려한 동작점 수만큼의 연속계 모델 셋을 구하고 실시간 SOC를 추정하기 위해 주어진 샘플링 시간을 고려하여 상기 연속계 모델을 이산치계 모델로 변환하는 모델 변환 단계; 및
상기 개방회로테스트에서 이미 식별한 모델 셋으로부터 임의 동작점 주변의 모델 집합체인 모델뱅크를 기반으로 개방전압을 추정하는 개방전압 추정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지의 충전상태 추정방법.
The method of claim 1, wherein the open circuit test step,
The electrical dynamic characteristics model of the lithium ion battery is represented by the electromotive force in the form of a subordinate power supply (equivalent to the OVC) and the equivalent circuit of the series impedance, and the temperature and current operating points can be treated as multiple models corresponding to the multiple operating points. A function expression step of expressing a function;
A reference operating point generation step of dividing a temperature and current operating point into an appropriate number within an allowable range of operating conditions of the lithium ion battery and displaying temperature and current data in a matrix form;
The SOC curve corresponding to the open voltage of the Li-ion battery is divided into two sections (A and B regions), a high SOC region and an intermediate SOC region represented by a linear dynamic model, and a nonlinear static model. A modeling area partitioning step of dividing into one section (region C) which is the displayed low SOC region;
The equivalent impedance of the linear section corresponding to the temperature and current operating points divided into finite pieces for each of the linear and nonlinear regions is represented by a second or first order linear transfer function model, and the equivalent impedance of the nonlinear section is the third order with respect to the open voltage. Or identifying an equivalent impedance model represented by a second order polynomial;
In order to identify the parameters of the equivalent impedance model, an appropriate charge / discharge current is applied to the battery in the form of pseudo binary random number (PRBS) for each region, the battery's open voltage (OCV) and terminal voltage are measured, and these data and identification algorithm are used. An equivalent impedance model parameter identification step of obtaining a continuous system equivalent impedance model;
In each region of the modeling domain division step, a modeling process is performed through the open circuit test to obtain a set of continuous system models corresponding to the number of operating points considered, and the continuous system model is considered in consideration of a given sampling time to estimate a real-time SOC. A model conversion step of converting to a discrete value model; And
And an open voltage estimating step of estimating an open voltage based on a model bank which is a model assembly around an arbitrary operating point from a model set already identified in the open circuit test.
제 1 항에 있어서, 상기 실시간 SOC 추정 단계는,
전기자동차의 운전중 리튬이온전지의 단자전압, 리튬이온전지의 온도 및 전류 데이터를 매 샘플시간마다 측정하는 측정단계;
상기 측정단계에서 매 샘플시간 마다 측정되는 온도, 전류 데이터를 현 시점의 동작점으로 인식하고 이 동작점을 둘러싸는 하나의 모델뱅크를 선택하고 이 모델뱅크에 포함된 4 개의 모델을 이용하여 개방 전압(OCV)를 추정하는 OCV 추정 단계;
상기 OCV 추정 단계를 통하여 상기 현 시점의 동작점에 대응하는 등가임피던스의 전압강하(Vz)의 추정값을 모델뱅크에 속하는 4개의 모델의 전압강하의 선형결합으로 계산하는 전압강하 추정값 산출단계; 및
상기 전압강하 추정값 산출 단계에서 계산된 현 동작점에서의 등가임피던스의 전압강하를 이용하여 개방전압의 추정값를 결정하고 상기 개방 전압 값으로부터 SOC를 추정하는 SOC 추정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지의 충전상태 추정방법.
The method of claim 1, wherein the real-time SOC estimation step,
A measurement step of measuring terminal voltage of the lithium ion battery, temperature and current data of the lithium ion battery during each operation of the electric vehicle;
In the measuring step, the temperature and current data measured at each sample time are recognized as the operating point at the present time, one model bank surrounding the operating point is selected, and an open voltage is obtained using four models included in the model bank. An OCV estimating step of estimating (OCV);
A voltage drop estimating step of calculating an estimated value of the voltage drop V z of the equivalent impedance corresponding to the operating point at the present time through the OCV estimating step as a linear combination of voltage drops of four models belonging to a model bank; And
And a SOC estimating step of determining an estimate of the open voltage using the voltage drop of the equivalent impedance at the current operating point calculated in the step of calculating the voltage drop estimate and estimating the SOC from the open voltage value. How to estimate the state of charge.
제 3항에 있어서, 상기 OCV 추정 단계는 기 산출한 이산치계 등가임피던스 모델로 부터 온도, 전류 동작점 행렬에서 작은 사각형의 꼭지점에 대응하는 4개의 모델을 하나의 모델뱅크로 정의하고, 임의 동작점에서 등가임피던스에서의 전압강하를 추정 시 전체 모델 셋 중에서 이들 모델뱅크만 이용하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지의 충전상태 추정방법.The method of claim 3, wherein the OCV estimating step defines four models corresponding to the vertices of the small quadrangle in the temperature and current operating point matrix from the calculated discrete value equivalent impedance model as one model bank, and an arbitrary operating point. A method of estimating the state of charge of a lithium ion battery, characterized in that only these model banks are used among the set of models when estimating the voltage drop at the equivalent impedance at. 제 1 항 또는 2항에 있어서, 상기 개방회로테스트 단계에서 선형동적모델을 갖는 영역 A와 B 영역에서 등가임피던스모델 Z(I,T,S)은 하기 <식1>와 같이 1차 또는 2차의 전달함수로 정의되는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지의 충전상태 추정방법.
Figure pat00050
<식1>
<식1>에서, I는 리튬이온전지의 충방전전류, T는 리튬이온전지의 온도,
Figure pat00051
Figure pat00052
는 전지의 정전류 충/방전 실험데이터로부터 식별된 파라미터.
The equivalent impedance model Z (I, T, S) in the regions A and B having the linear dynamic model in the open circuit test step is the first or second order according to claim 1 Method of estimating the state of charge of a lithium ion battery, characterized in that defined by the transfer function of.
Figure pat00050
<Equation 1>
In Equation 1, I is the charge and discharge current of the lithium ion battery, T is the temperature of the lithium ion battery,
Figure pat00051
Wow
Figure pat00052
Is the parameter identified from the constant current charge / discharge experimental data of the battery.
제 1 항 또는 2항에 있어서, 상기 개방회로테스트 단계에서 비선형동적모델을 갖는 영역 C에서 등가임피던스모델 Z(I,T,Vt)는 하기<식2>과 같이
Figure pat00053
의 2차 또는 3차 다항식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지의 충전상태 추정방법.
Figure pat00054
<식 2>
<식2>에서, I는 리튬이온전지의 충방전전류, T는 리튬이온전지의 온도,
Figure pat00055
는 다항식의 파라미터.
The equivalent impedance model Z (I, T, Vt) in the region C having the nonlinear dynamic model in the open circuit test step is given by Equation 2 below.
Figure pat00053
Method of estimating the state of charge of a lithium ion battery, characterized in that defined as the second or third polynomial of.
Figure pat00054
<Equation 2>
In Equation 2, I is the charge and discharge current of the lithium ion battery, T is the temperature of the lithium ion battery,
Figure pat00055
Is the parameter of the polynomial.
제 2항에 있어서, 상기 등가 임피던스 모델 파라미터 식별 단계는 각 동작점 온도를 유지하면서 적정 크기의 충방전 전류를 의사이진난수열(PRBS) 형태로 전지에 인가하고 개방전압과 단자전압을 응답으로 측정하여 연속계 모델 파라미터를 구하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지의 등가모델 파라미터 식별 방법. The method of claim 2, wherein the step of identifying the equivalent impedance model parameter is applied to the battery in the form of pseudo binary random number (PRBS) while maintaining the respective operating point temperature and measuring the open voltage and the terminal voltage in response. Equivalent model parameter identification method of a lithium ion battery, characterized in that to obtain a continuous system model parameter. 제 1 항 또는 3항에 있어서, 상기 개방전압값
Figure pat00056
로부터 SOC의 산출은 하기 <식 3>에 의하여 수행됨을 특징으로 하는 리튬이온전지의 충전상태 추정방법.
Figure pat00057
Figure pat00058
<식 3>
<식 3>에서,
Figure pat00059
는 추정된 개방전압 값, 파라미터
Figure pat00060
Figure pat00061
는 전지의 정전류 충/방전 실험데이터로부터 식별되며, 여기서
Figure pat00062
는 C영역 데이터를 이용하여 식별하고,
Figure pat00063
는 영역 A와 B의 데이터만을 이용하여 식별하는 방법.
The method of claim 1 or 3, wherein the open voltage value
Figure pat00056
Method for estimating the state of charge of a lithium ion battery, characterized in that the calculation of SOC is performed by the following <Equation 3>.
Figure pat00057
Figure pat00058
<Equation 3>
In <Equation 3>,
Figure pat00059
Is the estimated open voltage value,
Figure pat00060
Wow
Figure pat00061
Is identified from the cell's constant current charge / discharge experimental data, where
Figure pat00062
Identifies using the C area data,
Figure pat00063
Identifies using only data in areas A and B.
리튬이온전지(10)의 전원을 공급 받아 동작하는 부하(20) 및 충전기(30);
상기 리튬이온전지(10)의 온도 T를 측정하는 온도센서(40);
상기 리튬이온전지(10)의 충방전전류 Ibat를 측정하는 전류센서(45);
상기 리튬이온전지의 양극-음극 단자 간 전압 Vt를 측정하는 전압센서(50); 및
상기 전류센서, 전압센서 및 온도센서를 통하여 매 샘플시간마다 리튬이온전지의 충방전전류, 전압 및 온도 데이터를 측정하여 온도와 전류 값을 현 시점의 동작점으로 정의하고, 이 동작점을 둘러 싸는 최대 4개의 기준동작점 모델을 모델뱅크로 선택하고, 이 모델뱅크에 대하여 추정알고리즘을 이용하여 현 동작점의 등가임피던스 모델의 전압강하와 전지의 개방전압
Figure pat00064
를 계산하고, 계산된 개방전압으로부터 SOC를 추정하는 SOC 추정부(60)가 포함된 전지관리시스템(70)으로 이루어진 리튬이온전지의 충전상태 추정시스템.
A load 20 and a charger 30 operating by receiving power from the lithium ion battery 10;
A temperature sensor 40 measuring a temperature T of the lithium ion battery 10;
A current sensor 45 measuring charge and discharge current Ibat of the lithium ion battery 10;
A voltage sensor 50 measuring a voltage Vt between the cathode and the anode terminals of the lithium ion battery; And
The charging and discharging current, voltage and temperature data of the lithium ion battery are measured at each sample time through the current sensor, the voltage sensor, and the temperature sensor to define temperature and current values as operating points at the present point of time. Select up to four reference operating point models as model banks and use the estimated algorithm for this model bank to determine the voltage drop of the equivalent impedance model of the current operating point and the open voltage of the battery.
Figure pat00064
The system for estimating the state of charge of a lithium ion battery comprising a battery management system (70) comprising a SOC estimator (60) for calculating and estimating SOC from the calculated open circuit voltage.
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