KR20180058057A - Method, apparatus and computer program for estimating state of battery charge - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method and an apparatus for estimating a battery state, and more specifically, to a method and an apparatus which can improve accuracy of battery state estimation by combining an ampere-hour counting method and a Kalman filter (a hybrid type Kalman filter method). The present invention discloses a battery state estimation method comprising the steps of: forming an equivalent circuit of a battery; calculating a system equation including a state of charge (SOC) of the battery and a polarization capacity of the battery equivalent circuit as state variables; calculating a measurement equation including an SOC observation value of the battery as an output variable; and estimating the SOC of the battery at preset intervals by applying a measured voltage, a measured current, the system equation and the measurement equation to a Kalman filter algorithm.

Description

배터리 상태 추정 방법, 그 방법을 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램{METHOD, APPARATUS AND COMPUTER PROGRAM FOR ESTIMATING STATE OF BATTERY CHARGE} [0001] METHOD, APPARATUS AND COMPUTER PROGRAM FOR ESTIMATING STATE OF BATTERY CHARGE [0002] BACKGROUND OF THE INVENTION [0003]

본 발명은 배터리 상태를 추정하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전류적산법(Ampere-hour Counting Method) 및 칼만 필터(Kalman Filter)를 결합(하이브리드형 칼만 필터 방법)하여 배터리 상태 추정의 정확성을 향상시킬 수 있는 방법, 그 방법을 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.[0001] The present invention relates to a method of estimating a battery state, and more particularly, to a method of estimating a state of a battery by combining an amperere-hour counting method and a Kalman filter (hybrid Kalman filter method) A method for performing the method, and a computer program.

근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In recent years, demand for portable electronic products such as notebook computers, video cameras, and portable telephones has been rapidly increased, and development of batteries, robots, and satellites for energy storage has been accelerated. Thus, a high performance rechargeable battery Researches are being actively conducted.

현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.The secondary rechargeable batteries are nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries, nickel-zinc batteries, and lithium secondary batteries. Among them, lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel- It is very popular because of its low self-discharge rate and high energy density.

배터리는 전력을 이용해 구동되는 각종 전자기기, 특히 노트북이나 자동차와 같은 이동성 장치에 사용되는 것으로, 사용 시간에 한계가 있기 때문에 배터리의 SOC에 대한 정확한 정보를 파악하는 것이 중요하다. 이러한 SOC는 배터리가 어느 정도의 시간만큼 사용 가능한지 가늠하는 척도가 되므로 사용자가 해당 장치를 사용하는데 있어서 매우 중요한 정보이다. 때문에 노트북이나 휴대폰, 자동차 등의 일반적인 배터리 장착 장치들은 배터리의 SOC를 추정하고 그로부터 배터리의 사용 가능 시간이나 사용 가능량 등의 정보를 파악하여 사용자에게 제공한다.Since a battery is used in various electronic apparatuses driven by electric power, especially in mobile devices such as a notebook or an automobile, it is important to grasp accurate information on the SOC of the battery because there is a limit in the use time. This SOC is a measure of how long the battery can be used, which is very important information for the user to use the device. Therefore, general battery mounting devices such as a notebook computer, a mobile phone, and a car estimates the SOC of the battery and obtains information on the available time or usable amount of the battery, and provides the information to the user.

배터리의 SOC는 배터리의 만충전 용량(FCC, Full Charge Capacity)에 대한 잔량을 백분율로 표시하는 형태가 일반적이다. 배터리의 SOC를 추정하는 방법으로는 다양한 방식이 이용될 수 있는데, 대표적인 방식은 전류적산법을 이용하여 SOC를 추정하는 방식으로서 배터리의 입출력 전류를 적산하고 초기 용량에서 가감함으로써 SOC를 구하는 형태이다.The SOC of the battery is generally expressed as a percentage of the remaining capacity of the battery with respect to the full charge capacity (FCC). As a method of estimating the SOC of the battery, various methods can be used. A representative method is a method of estimating the SOC using the current integration method. The SOC is obtained by integrating the input / output current of the battery and adding / subtracting it from the initial capacity.

이러한 전류 적산 방식의 경우 배터리의 충방전 경로에 설치된 전류 센서를 통해 측정된 전류에 의해 SOC가 추정되기 때문에, 전류 센서의 정확한 센싱이 매우 중요하다고 할 수 있다. 하지만, 전류 센서의 경우 퇴화 등의 원인으로 인해 실제 전류와 전류 측정값에 차이가 있는 전류 오프셋(offset)이 발생하게 되고, 전류 오프셋의 누적으로 인하여 실제 SOC와 추정된 SOC 사이의 오차가 시간이 지날수록 점차 커지는 문제점이 있었다.In such a current integration method, since the SOC is estimated by the current measured through the current sensor installed in the charge / discharge path of the battery, accurate sensing of the current sensor is very important. However, in the case of the current sensor, a current offset which is different from the actual current and the current measurement value occurs due to the degradation or the like, and the error between the actual SOC and the estimated SOC due to accumulation of the current offset becomes time There was a problem that it grew gradually as it passed.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전류적산법(Ampere-hour Counting Method) 및 칼만 필터(Kalman Filter)를 결합(하이브리드형 칼만 필터 방법)하여 배터리의 상태 추정의 정확성을 향상시킬 수 있는 방법, 그 방법을 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to improve the accuracy of state estimation of a battery by combining an Ampere-hour Counting Method and a Kalman Filter (a hybrid Kalman filter method) A method for performing the method, and a computer program.

본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법은,According to another aspect of the present invention,

배터리 등가회로를 구성하는 단계; 상기 배터리의 SOC 및 상기 배터리 등가회로의 분극용량을 상태 변수로 포함하는 시스템 방정식을 산출하는 단계; 상기 배터리의 SOC 관측값을 출력 변수로 포함하는 측정 방정식을 산출하는 단계; 및 상기 배터리에 대한 측정 전류, 상기 시스템 방정식 및 측정 방정식을 칼만 필터(Kalman Filter) 알고리즘에 적용하여 기 설정된 주기로 배터리의 SOC를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.Constituting a battery equivalent circuit; Calculating a system equation including SOC of the battery and polarization capacity of the battery equivalent circuit as state variables; Calculating a measurement equation including an SOC observation value of the battery as an output variable; And estimating the SOC of the battery at a predetermined cycle by applying the measured current to the battery, the system equation, and the measurement equation to a Kalman filter algorithm.

여기서, 상기 시스템 방정식을 산출하는 단계는, 아래의 수학식 8을 산출할 수 있다.Here, the step of calculating the system equation may calculate the following equation (8).

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, S(k+1)u c (k+1)은 각각 현 단계의 SOC 및 배터리의 분극용량, 즉 SOC 및 배터리의 분극용량의 예측값이고, S(k)u c (k)은 각각 이전 단계의 SOC 및 배터리 분극용량이고, I(k)는 배터리 전류이고, w 1 (k)w 2 (k)는 시스템의 잡음이고, R 1 , R 2 C는 각각 상기 배터리 등가회로의 내부저항, 분극저항 및 분극용량임.Here, S (k + 1) and u c is the (k + 1) is the polarization capacity of the SOC and the battery of the respective stage, i.e., the predictive value of the polarization capacity of the SOC and the battery, S (k) and u c (k) is and the SOC and the battery polarization capacity of the respective previous step, I (k) is the battery current, w 1 (k) and w 2 (k) is the noise in the system, R 1, R 2, and C is an equivalent circuit wherein each of the battery The internal resistance, the polarization resistance and the polarization capacity.

또한, 상기 측정 방정식을 산출하는 단계는, 측정 전류에 대한 적류적산법을 적용할 수 있다.Further, in the step of calculating the measurement equation, a cumulative integration method for the measurement current may be applied.

나아가, 상기 측정 방정식을 산출하는 단계는, 상기 측정 전류에 전류 관측 잡음을 더 포함하여 적산할 수 있다.Further, the step of calculating the measurement equation may further include a current observation noise in the measurement current.

또한, 상기 측정 방정식을 산출하는 단계는, 아래의 수학식 11을 산출할 수 있다.Further, in the step of calculating the measurement equation, the following equation (11) can be calculated.

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서,

Figure pat00003
는 측정 방정식, S(t 0 )는 SOC 초기값, Q n 은 배터리 공칭용량, H(k)는 전류 측정 잡음임.here,
Figure pat00003
S (t 0 ) is the SOC initial value, Q n is the battery nominal capacity, and H (k) is the current measurement noise.

본 발명에 따른 배터리 상태 추정 장치는,The battery state estimating apparatus according to the present invention comprises:

배터리의 전압 및 전류를 측정하는 센서부; 및 측정된 전압 및 전류를 이용하여 배터리의 SOC를 추정하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 배터리 등가회로를 구성하고, 상기 배터리의 SOC 및 상기 배터리 등가회로의 분극용량을 상태 변수로 포함하는 시스템 방정식 및 상기 배터리의 SOC 관측값을 출력 변수로 포함하는 측정 방정식을 산출하여, 측정 전압, 측정 전류, 상기 시스템 방정식 및 측정 방정식을 칼만 필터(Kalman Filter) 알고리즘에 적용하여 기 설정된 주기로 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.A sensor unit for measuring voltage and current of the battery; And a controller for estimating an SOC of the battery using the measured voltage and current, wherein the controller configures the battery equivalent circuit, and includes the SOC of the battery and the polarization capacity of the battery equivalent circuit as state variables A system equation and a SOC observation value of the battery as output variables to calculate a measurement equation, a measurement current, a system equation, and a measurement equation to a Kalman filter algorithm to calculate a SOC Can be estimated.

본 발명의 실시예에 따르면, 전류적산법(Ampere-hour Counting Method) 및 칼만 필터(Kalman Filter)를 이용하여 배터리 상태 추정의 정확성을 향상시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the accuracy of the battery state estimation can be improved by using the Ampere-hour Counting Method and the Kalman Filter.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 전류적산법에 의한 배터리 SOC 추정값과 실제값의 그래프를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법의 순서를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 등가 회로를 도시한 것이다.
도 4는 칼만 필터(Kalman Filter) 방법을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 장치의 구성을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법을 실험적으로 검증하기 위한 BMS(Battery Management System)를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법을 실험적으로 검증하기 위하여 사용된 S18650 배터리 팩을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법을 실험적으로 검증하기 위한 BMS를 구동하기 위한 UI(User Interface)를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법을 실험적으로 검증한 결과를 그래프로 도시한 것이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
FIG. 1 is a graph showing a battery SOC estimation value and an actual value by the current integration method.
2 is a flowchart illustrating a battery state estimation method according to an embodiment of the present invention.
3 shows a battery equivalent circuit according to the present invention.
Figure 4 shows a Kalman Filter method.
FIG. 5 shows a configuration of a battery state estimation apparatus according to the present invention.
FIG. 6 illustrates a BMS (Battery Management System) for experimentally verifying a battery state estimation method according to the present invention.
FIG. 7 illustrates an S18650 battery pack used for experimentally verifying a battery state estimation method according to the present invention.
FIG. 8 shows a UI (User Interface) for driving a BMS for experimentally verifying a battery state estimation method according to the present invention.
FIG. 9 is a graph showing a result of an experimentally verifying a battery state estimation method according to the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.The following examples are provided to aid in a comprehensive understanding of the methods, apparatus, and / or systems described herein. However, this is merely an example and the present invention is not limited thereto.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and may be changed according to the intention or custom of the user, the operator, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification. The terms used in the detailed description are intended only to describe embodiments of the invention and should in no way be limiting. Unless specifically stated otherwise, the singular forms of the expressions include plural forms of meanings. In this description, the expressions "comprising" or "comprising" are intended to indicate certain features, numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof, Should not be construed to preclude the presence or possibility of other features, numbers, steps, operations, elements, portions or combinations thereof.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.It is also to be understood that the terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms may be used to distinguish one component from another .

이하에서는, 전류적산법(Ampere-hour Counting Method) 및 칼만 필터(Kalman Filter)를 결합(하이브리드형 칼만 필터 방법)하여 배터리의 상태 추정의 정확성을 향상시킬 수 있는 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법, 그 방법을 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램을 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a battery state estimation method according to the present invention capable of improving the accuracy of battery state estimation by combining an Ampere-hour Counting Method and a Kalman Filter (a hybrid Kalman filter method) DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Exemplary embodiments of a device and a computer program for performing the method will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법에 이용되는 전류적산법(Ampere-hour Counting)에 대하여 살펴본다.First, an ampere-hour counting method used in the battery state estimation method according to the present invention will be described.

전류적산법은 아래의 수학식 1과 같이 Peukert 방정식을 이용하여 실제 전류값을 표준 전류값(standard current)으로 변환하고 그 값을 적산하는 방법으로 SOC(State Of Charge)를 측정하는 방법이다.The current integration method is a method of measuring the state of charge (SOC) by converting the actual current value into a standard current value using the Peukert equation as shown in Equation 1 below and integrating the current value.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, SOC0는 배터리 초기 충전상태이며, Qn은 배터리의 공칭용량이며, I는 시각(t)에 따른 실시간으로 배터리에 흐르는 전류이며,

Figure pat00005
는 Peukert 방정식에 의해 계산 및 추론하는 전류 효율 인자인데, 일반적인 경우는 1로 설정한다.Here, SOC 0 denotes a battery initial charging state, Q n denotes a nominal capacity of the battery, I denotes a current flowing in the battery in real time according to time t,
Figure pat00005
Is a current efficiency factor that is calculated and deduced by the Peukert equation. In general, it is set to 1.

전류적산법은 구현하기는 쉬우나 초기치 문제와 센서 노이즈로 인한 SOC 추정 오차 누적의 문제점이 있어 배터리가 완전히 충전되는 경우 등에 SOC를 리셋하는 등의 정기적인 교정이 요구되었다.Although the current integration method is easy to implement, there is a problem of initial value problem and accumulation of SOC estimation error due to sensor noise, so that regular calibration such as resetting the SOC is required when the battery is fully charged.

도 1은 전류적산법에 의한 배터리 SOC 추정값 및 실제값의 그래프로서, S18650 배터리 팩에 대하여 1C를 충전 및 방전하는 경우를 나타낸 것이다. 충전(도 1(a)) 또는 방전(도 1(b)) 시간이 지남에 따라 적류적산법에 의한 배터리 SOC 추정값과 실제값과의 오차가 점차 증가함을 확인할 수 있다.FIG. 1 is a graph of estimated SOC values and actual values of a battery by a current integration method, in which 1 C is charged and discharged for a S18650 battery pack. It can be seen that the error between the estimated value of the battery SOC and the actual value gradually increases with the time of charging (FIG. 1 (a)) or discharging (FIG. 1 (b)).

도 2는 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법의 순서를 도시한 것이다.2 is a flowchart illustrating a battery state estimation method according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법은 배터리 등가회로 구성 단계(S110), 시스템 방정식 산출 단계(S120), 측정 방정식 산출 단계(S130), 배터리의 SOC 추정 단계(S140)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the battery state estimation method according to the present invention includes a battery equivalent circuit configuration step S110, a system equation calculation step S120, a measurement equation calculation step S130, and a battery SOC estimation step S140 can do.

우선, S110 단계에서, 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 장치(100)는 배터리의 전기화학적 특성을 반영하여 등가회로로 모델링할 수 있다. E(t)는 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage), I(t)는 전류, R1은 배터리의 내부저항, R2는 분극저항, C는 분극용량을 의미한다.First, in step S110, the battery condition estimating apparatus 100 according to the present invention may model the equivalent circuit by reflecting the electrochemical characteristics of the battery. E (t) is the open circuit voltage (OCV), I (t) is the current, R 1 is the internal resistance of the battery, R 2 is the polarization resistance, and C is the polarization capacity.

배터리의 등가회로에 대하여 키르히호프 법칙 및 전류적산법을 적용하여 아래의 수학식 2 내지 수학식 5를 얻을 수 있다.The following equations (2) to (5) can be obtained by applying the Kirchhoff law and the current integration method to the equivalent circuit of the battery.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00006
Figure pat00006

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00007
Figure pat00007

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00008
Figure pat00008

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서, S(t)는 SOC 값이고, Q0는 공칭용량이며, F[S(t)]는 SOC와 OCV(Open Circuit voltage)의 함수이다.Where S (t) is the SOC value, Q 0 is the nominal capacity, and F [S (t)] is a function of SOC and OCV (Open Circuit Voltage).

다음으로, S120 단계에서는 칼만 필터(Kalman Filter) 방법을 적용하기 위하여 시스템 방정식을 산출할 수 있다.Next, in step S120, the system equation can be calculated to apply the Kalman filter method.

우선, 칼만 필터(Kalman Filter)에 대하여 살펴본다.First, let's look at the Kalman filter.

칼만 필터 방법은 1960년대초 Rudolf E. Kalman에 의하여 고안된 것으로, 대상 시스템의 확률적인 모델과 측정값을 이용하여 재귀적으로 잡음이 포함된 선형 상태변수를 찾아내는 최적 추정 기법이다. 칼만 필터는 컴퓨터 비전, 로봇 공학, 레이더 등의 여러 분야에 널리 사용되고 있다.The Kalman filter method was developed by Rudolf E. Kalman in the early 1960s and is an optimal estimation technique that finds recursive noise-containing linear state variables using probabilistic models and measurements of the target system. Kalman filters are widely used in many fields such as computer vision, robotics, and radar.

칼만 필터의 알고리즘은 아래의 시스템 방정식(또는 시스템 모델)(수학식 6) 및 측정 방정식(또는 측정 모델)(수학식 7)을 이용한다.The Kalman filter's algorithm uses the following system equation (or system model) (Equation 6) and the measurement equation (or measurement model) (Equation 7).

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure pat00010
Figure pat00010

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure pat00011
Figure pat00011

도 4를 참조하면, 칼만 필터의 알고리즘은 크게 예측 과정과 업데이트 과정으로 구분될 수 있다. 예측 과정은 현재 상태의 예측을 의미하고, 업데이트는 현재 상태에서 관측된 측정까지 포함한 값을 통해서 더 정확한 예측을 하는 것을 의미한다. Referring to FIG. 4, the algorithm of the Kalman filter can be largely divided into a prediction process and an update process. The prediction process implies a prediction of the current state, and the update means making a more precise prediction through the values including the observed measurement from the current state.

보다 구체적으로, 칼만 필터 알고리즘은 초기값 결정, 추정값 및 오차 공분산 예측, 추정값 계산, 오차 공분산 계산의 과정을 거치며 설정된 주기에 따라 반복 수행된다. 여기서,

Figure pat00012
는 추정값,
Figure pat00013
는 예측값,
Figure pat00014
는 측정값,
Figure pat00015
는 입력 변수,
Figure pat00016
는 오차 공분산,
Figure pat00017
는 이전 추정치 기반 상태 전이 행렬,
Figure pat00018
는 입력 변수기반 상태 전이행렬,
Figure pat00019
는 관측모델,
Figure pat00020
는 칼만이득,
Figure pat00021
는 시스템 모델의 오차 공분산,
Figure pat00022
은 관측값의 오차 공분산을 의미한다.More specifically, the Kalman filter algorithm is repeatedly performed according to a predetermined period through initial value determination, estimation and error covariance prediction, estimation value calculation, and error covariance calculation. here,
Figure pat00012
Is an estimate,
Figure pat00013
Is a predicted value,
Figure pat00014
Lt; / RTI >
Figure pat00015
Is an input variable,
Figure pat00016
Is an error covariance,
Figure pat00017
Is a previous estimate-based state transition matrix,
Figure pat00018
Is an input variable-based state transition matrix,
Figure pat00019
Is an observation model,
Figure pat00020
However,
Figure pat00021
Is the error covariance of the system model,
Figure pat00022
Is the error covariance of the observed values.

초기값 결정 과정은, 처음에 입력될

Figure pat00023
Figure pat00024
가 가질 오차 공분산을 예측하여 입력해준다. 이 과정은 최초에 한번만 수행된다.The initial value determination process is performed in such a manner that,
Figure pat00023
Wow
Figure pat00024
The error covariance to be obtained is predicted and input. This process is performed only once at the beginning.

추정값 및 오차 공분산의 예측 과정은, 추정값은 전체적인 시스템 방정식과 밀접하게 관련되어 있으며, 예측된 오차 공분산(

Figure pat00025
)은 이전에 계산된 오차 공분산(
Figure pat00026
), 이전 추정치 기반 상태 전이 행렬(
Figure pat00027
) 그리고 오차 공분산(
Figure pat00028
)를 이용하여 예측하며, 이렇게 획득된 오차 공분산(
Figure pat00029
)를 이용하여 칼만 이득(
Figure pat00030
)값을 계산할 수 있다.The process of estimating the estimates and the error covariance is such that the estimates are closely related to the overall system equation and the predicted error covariance
Figure pat00025
) Is the previously calculated error covariance (
Figure pat00026
), A previous estimate-based state transition matrix (
Figure pat00027
) And error covariance (
Figure pat00028
), And the obtained error covariance (
Figure pat00029
) Was used to calculate the Kalman gain
Figure pat00030
) Can be calculated.

추정값 계산 과정은, 현재 측정값(

Figure pat00031
)과 예측값(
Figure pat00032
)의 차이를 칼만 이득(
Figure pat00033
)으로 곱해주고 거기에 예측값(
Figure pat00034
)을 더해주어 최종 추정값(
Figure pat00035
)을 계산한다.The process of calculating the estimated value is performed by comparing the current measured value (
Figure pat00031
) And the predicted value
Figure pat00032
) To the Kalman gain (
Figure pat00033
) And multiply it by the predicted value (
Figure pat00034
) To add the final estimate (
Figure pat00035
).

오차 공분산 계산 과정에서, 오차 공분산은 추정값(

Figure pat00036
)이 얼마나 정확한지를 보여주는 척도이며, 이 오차 공분산에 대한 기준값을 설정하여 최종 추정값(
Figure pat00037
)을 사용할 것인지 버릴 것인지를 판단할 수 있다.In the error covariance calculation, the error covariance is calculated as
Figure pat00036
) Is a measure of how accurate the error covariance is, and the final estimate (
Figure pat00037
Can be used or discarded.

결론적으로, 칼만 필터는 시스템 방정식을 기초로 하여 다음 시점의 상태와 오차 공분산이 어떤 값이 될 것인지를 예측한 후, 측정값과 예측값의 차이를 보상하여 새로운 추정값을 계산하게 되고, 이 추정값이 칼만 필터의 최종 결과물이 되는 것이다.As a result, the Kalman filter estimates the state of the next time point and the value of the error covariance based on the system equation, calculates a new estimated value by compensating for the difference between the measured value and the predicted value, Which is the final product of the filter.

상기 전 단계(S110)에서 구성된 배터리 등가회로에 대한 시스템 방정식을 구하기 위하여 수학식 2 내지 수학식 5를 이용하면,

Figure pat00038
,
Figure pat00039
Figure pat00040
를 얻을 수 있고, 최종적으로 시스템 방정식 및 측정 방정식은 각각 아래의 수학식 8 및 수학식 9와 같이 산출할 수 있다.Using equations (2) to (5) to obtain system equations for the battery equivalent circuit configured in the previous step (S110)
Figure pat00038
,
Figure pat00039
And
Figure pat00040
And finally the system equation and the measurement equation can be calculated by the following equations (8) and (9), respectively.

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure pat00041
Figure pat00041

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure pat00042
Figure pat00042

여기서, S(k+1)u c (k+1)은 각각 현 단계의 SOC 및 배터리의 분극용량, 즉 SOC 및 배터리의 분극용량의 예측값이고, S(k)u c (k)은 각각 이전 단계의 SOC 및 배터리 분극용량이다. 또한, I(k)는 이전의 배터리 전류를 나타내고, w 1 (k)w 2 (k)는 시스템의 잡음, v(k)는 전압 측정 잡음이다.Here, S (k + 1) and u c is the (k + 1) is the polarization capacity of the SOC and the battery of the respective stage, i.e., the predictive value of the polarization capacity of the SOC and the battery, S (k) and u c (k) is And SOC and battery polarization capacity of the previous stage, respectively. In addition, I (k) represents the previous battery current, w 1 (k) and w 2 (k) are the noise of the system, and v (k) is the voltage measurement noise.

S130 단계에서는 칼만 필터 방법을 적용하기 위하여 측정 방정식을 산출할 수 있다. 종래의 배터리 SOC 추정 방법에서는 측정 방정식으로 수학식 9을 이용하였으나, 본 발명에서는 아래의 수학식 10을 이용한다.In step S130, a measurement equation can be calculated to apply the Kalman filter method. In the conventional battery SOC estimation method, Equation (9) is used as a measurement equation, but in the present invention, Equation (10) below is used.

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure pat00043
Figure pat00043

여기서, S(k)는 SOC 관측값, S(t 0 )는 SOC 초기값, Q n 은 배터리 공칭용량이며, H(k)는 전류 측정 잡음을 의미한다.Here, S (k) is a SOC observation value, S (t 0 ) is an SOC initial value, Q n is a battery nominal capacity, and H (k) is a current measurement noise.

상기, 수학식 10은 상기 수학식 2에 대응되는 측정 방정식으로서, 궁극적으로 아래의 측정 방정식(수학식 11)으로 변형될 수 있다.Equation (10) is a measurement equation corresponding to Equation (2), and can be ultimately transformed into the following measurement equation (Equation (11)).

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure pat00044
Figure pat00044

측정 센서를 이용하여 샘플링 타임 간격으로 배터리의 전압 및 전류를 실시간으로 측정할 수 있고, 측정된 값을 수학식 10에 적용함으로써, 배터리의 SOC를 산출할 수 있다. 종래 전류적산법에서 측정 전류값에 전류 측정 잡음을 반영하여 추정의 정확성을 향상시킬 수 있다.The voltage and current of the battery can be measured in real time at a sampling time interval using a measurement sensor, and the SOC of the battery can be calculated by applying the measured value to Equation (10). The accuracy of the estimation can be improved by reflecting the current measurement noise to the measured current value in the conventional current integration method.

마지막으로, S140 단계에서는 배터리에 대한 측정 전류, 상기 시스템 방정식(수학식 8) 및 측정 방정식(수학식 11)을 칼만 필터 알고리즘(도 4 및 관련 설명 참조)에 적용하여 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.Finally, in S 140, the SOC of the battery can be estimated by applying the measured current to the battery, the system equation (Equation 8) and the measurement equation (Equation 11) to the Kalman filter algorithm have.

도 5는 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 장치(100)의 구성을 도시한 것이다.FIG. 5 shows a configuration of a battery state estimation apparatus 100 according to the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 장치(100)는 센서부(110) 및 제어부(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 도시하지는 않았으나, 추정된 배터리 SOC 값을 숫자, 그래프 등으로 표시하는 표시부를 더 포함하여 구성될 수도 있다.Referring to FIG. 5, the battery state estimation apparatus 100 according to the present invention may include a sensor unit 110 and a control unit 120. Although not shown, the display unit may further include a display unit for displaying an estimated battery SOC value by a number, a graph, or the like.

센서부(110)는 배터리의 전압 및 전류를 측정할 수 있다.The sensor unit 110 can measure the voltage and current of the battery.

제어부(120)는 상기 배터리 등가회로를 구성하고, 상기 배터리의 SOC 및 상기 배터리 등가회로의 분극용량을 상태 변수로 포함하는 시스템 방정식 및 상기 배터리의 SOC 관측값을 출력 변수로 포함하는 측정 방정식을 산출하여, 측정 전압, 측정 전류, 시스템 방정식 및 측정 방정식을 칼만 필터(Kalman Filter) 알고리즘에 적용하여 기 설정된 주기로 배터리의 SOC를 추정할 수 있다.The controller 120 constitutes the battery equivalent circuit and calculates a system equation including the SOC of the battery and the polarization capacity of the battery equivalent circuit as state variables and a measurement equation including an SOC observation value of the battery as an output variable The SOC of the battery can be estimated at a predetermined cycle by applying the measured voltage, the measured current, the system equation, and the measurement equation to the Kalman filter algorithm.

도 6 ~ 도 9를 통하여 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법을 검증하기 위한 실험 및 그 결과를 설명한다.An experiment for verifying the battery state estimation method according to the present invention and results thereof will be described with reference to FIGS. 6 to 9. FIG.

도 6의 BMS(Battery Management System)를 이용하여 실험을 진행하였고, 배터리 팩은 도 7의 S18650을 이용하였다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 상태 추정 방법을 검증하기 위해 마련된 시스템(BMS: Battery Management System)은 BMS platform 본체, 모니터링 시스템, 충방전시스템 및 배터리 팩을 포함하여 구성될 수 있고, 도 8은 사용자가 본 시스템을 구동하기 위한 실제 UI(User Interface)화면을 도시한 것이다.The experiment was conducted using the BMS (Battery Management System) of FIG. 6, and the battery pack was S18650 of FIG. Referring to FIG. 6, a BMS (Battery Management System) provided for verifying a battery state estimation method according to the present invention may include a BMS platform main body, a monitoring system, a charge / discharge system, and a battery pack, 8 shows an actual UI (User Interface) screen for the user to operate the system.

도 9는 본 실험에 따른 결과를 도시한 그래프로서, 구체적으로 도 9(a) 및 도 9(b)는 상기 도 6의 시스템을 이용하여 S18650 배터리 팩을 충전하면서 본 발명에 따른 배터리 상태 추정값과 실제값의 오차를 도시한 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing the results of the present experiment. Specifically, FIGS. 9 (a) and 9 (b) are graphs showing battery state estimation values according to the present invention while charging the S18650 battery pack using the system of FIG. Which is a graph showing an error of an actual value.

도 9(a) 및 도 9(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 상태 추정값은 실제 배터리 충방전량 대비 오차값이 계속적으로 증가하지 않고 보정되면서, 기존의 오차값이 계속적으로 증가하던 전류적산법(도 1 참조)에 비하여 보다 정확한 배터리 상태 추정이 가능함을 실험적으로 확인하였다. 9 (a) and 9 (b), the battery state estimation value according to the present invention is corrected without continuously increasing the error value with respect to the actual battery charge current amount, and the existing error value is continuously increased (See FIG. 1). In addition, it is possible to estimate the battery state more accurately than the current integration method (see FIG. 1).

본 발명의 실시 예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.Embodiments of the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed on various computer means and recorded on a computer readable medium.

상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 일 실시예들의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical media such as CDROMs, DVDs, magneto-optical media such as floptical disks, Examples of program instructions, such as magneto-optical and ROM, RAM, flash memory, and the like, include machine code such as those generated by a compiler, as well as machine-readable instructions that may be executed by a computer using an interpreter, Includes language code. The hardware devices described above may be configured to operate as at least one software module to perform operations of one embodiment of the present invention, and vice versa.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but are intended to be illustrative and not restrictive. The scope of protection of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

100: 배터리 상태 추정 장치
110: 센서부
120: 제어부
100: Battery condition estimating device
110:
120:

Claims (7)

배터리 등가회로를 구성하는 단계;
상기 배터리의 SOC 및 상기 배터리 등가회로의 분극용량을 상태 변수로 포함하는 시스템 방정식을 산출하는 단계;
상기 배터리의 SOC 관측값을 출력 변수로 포함하는 측정 방정식을 산출하는 단계; 및
상기 배터리에 대한 측정 전류, 상기 시스템 방정식 및 측정 방정식을 칼만 필터(Kalman Filter) 알고리즘에 적용하여 기 설정된 주기로 배터리의 SOC를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 추정 방법.
Constituting a battery equivalent circuit;
Calculating a system equation including SOC of the battery and polarization capacity of the battery equivalent circuit as state variables;
Calculating a measurement equation including an SOC observation value of the battery as an output variable; And
Estimating the SOC of the battery at a predetermined period by applying the measured current to the battery, the system equation, and the measurement equation to a Kalman filter algorithm.
제1항에 있어서,
상기 시스템 방정식을 산출하는 단계는,
아래의 수학식 8을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 추정 방법.
[수학식 8]
Figure pat00045

여기서, S(k+1)u c (k+1)은 각각 현 단계의 SOC 및 배터리의 분극용량, 즉 SOC 및 배터리의 분극용량의 예측값이고, S(k)u c (k)은 각각 이전 단계의 SOC 및 배터리 분극용량이고, I(k)는 배터리 전류이고, w 1 (k)w 2 (k)는 시스템의 잡음이고, R 1 , R 2 C는 각각 상기 배터리 등가회로의 내부저항, 분극저항 및 분극용량임.
The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the system equation comprises:
And calculating the following equation (8): " (8) "
&Quot; (8) "
Figure pat00045

Here, S (k + 1) and u c is the (k + 1) is the polarization capacity of the SOC and the battery of the respective stage, i.e., the predictive value of the polarization capacity of the SOC and the battery, S (k) and u c (k) is and the SOC and the battery polarization capacity of the respective previous step, I (k) is the battery current, w 1 (k) and w 2 (k) is the noise in the system, R 1, R 2, and C is an equivalent circuit wherein each of the battery The internal resistance, the polarization resistance and the polarization capacity.
제1항에 있어서,
상기 측정 방정식을 산출하는 단계는,
측정 전류에 대한 적류적산법을 적용하는 것을 특징으로 배터리 상태 추정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the measurement equation comprises:
And a charge accumulation method for the measured current is applied.
제3항에 있어서,
상기 측정 방정식을 산출하는 단계는,
상기 측정 전류에 전류 관측 잡음을 더 포함하여 적산하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 추정 방법.
The method of claim 3,
Wherein the step of calculating the measurement equation comprises:
And a current observation noise is additionally included in the measurement current.
제1항에 있어서,
상기 측정 방정식을 산출하는 단계는,
아래의 수학식 11을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 추정 방법.
[수학식 11]
Figure pat00046

여기서,
Figure pat00047
는 측정 방정식, S(t 0 )는 SOC 초기값, Q n 은 배터리 공칭용량, H(k)는 전류 측정 잡음임.
The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the measurement equation comprises:
And calculating the following equation (11): " (11) "
&Quot; (11) "
Figure pat00046

here,
Figure pat00047
S (t 0 ) is the SOC initial value, Q n is the battery nominal capacity, and H (k) is the current measurement noise.
하드웨어와 결합되어 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 배터리 상태 추정 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
A computer program stored in a medium for executing the battery state estimation method of any one of claims 1 to 5 in combination with hardware.
배터리의 전압 및 전류를 측정하는 센서부; 및
측정된 전압 및 전류를 이용하여 배터리의 SOC를 추정하는 제어부를 포함하며,
상기 제어부는,
상기 배터리 등가회로를 구성하고, 상기 배터리의 SOC 및 상기 배터리 등가회로의 분극용량을 상태 변수로 포함하는 시스템 방정식 및 상기 배터리의 SOC 관측값을 출력 변수로 포함하는 측정 방정식을 산출하여,
측정 전압, 측정 전류, 상기 시스템 방정식 및 측정 방정식을 칼만 필터(Kalman Filter) 알고리즘에 적용하여 기 설정된 주기로 배터리의 SOC를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 추정 장치.
A sensor unit for measuring voltage and current of the battery; And
And a controller for estimating an SOC of the battery using the measured voltage and current,
Wherein,
Wherein the battery equipotential circuit comprises a system equation including a SOC of the battery and a polarization capacity of the battery equivalent circuit as state variables and a measurement equation including an SOC observation value of the battery as an output variable,
Wherein the SOC of the battery is estimated at a predetermined cycle by applying the measured voltage, the measured current, the system equation, and the measurement equation to a Kalman filter algorithm.
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