This paper proposes the State-of-charge (SOC) estimator of a LiPB Battery using the Extended Kalman Filter (EKF). EKF can work properly only with an accurate model. Therefore, the high accuracy electrical battery model for EKF state is discussed in this paper, which is focused on high-capacity LiPB batteries. The battery model is extracted from a single cell of LiPB 40Ah, 3.7V. The dynamic behavior of single cell battery is modeled using a bulk capacitance, two series RC networks, and a series resistance. The bulk capacitance voltage represents the Open Circuit Voltage (OCV) of battery and other components represent the transient response of battery voltage. The experimental results show the strong relationship between OCV and SOC without any dependency on the current rates. Therefore, EKF is proposed to work by estimating OCV, and then is converted it to SOC. EKF is tested with the experimental data. To increase the estimation accuracy, EKF is improved with a single dominant varying parameter of bulk capacitance which follows the SOC value. Full region of SOC test is done to verify the effectiveness of EKF algorithm. The test results show the error of estimation can be reduced up to max 5%SOC.
This work presents the design of a dual extended Kalman filter (EKF) as a state/parameter estimator suitable for adaptive state-of-charge (SoC) estimation of an automotive lithium-iron-phosphate ($LiFePO_4$) cell. The design of both estimators is based on an experimentally identified, lumped-parameter equivalent battery electrical circuit model. In the proposed estimation scheme, the parameter estimator has been used to adapt the SoC EKF-based estimator, which may be sensitive to nonlinear map errors of battery parameters. A suitable weighting scheme has also been proposed to achieve a smooth transition between the parameter estimator-based adaptation and internal model within the SoC estimator. The effectiveness of the proposed SoC and parameter estimators, as well as the combined dual estimator, has been verified through computer simulations on the developed battery model subject to New European Driving Cycle (NEDC) related operating regimes.
This paper presents an improved method to determine the internal parameters for improving accuracy of a lithium ion battery equivalent circuit model. Conventional methods for the parameter estimation directly using the curve fitting results generate the phenomenon to be incorrect due to the influence of the internal capacitive impedance. To solve this phenomenon, simple correction procedure with transient state analysis is proposed and added to the parameter estimation method. Furthermore, conventional dynamic equation for correction is enhanced with advanced RC impedance dynamic equation so that the proposed modeling results describe the battery dynamic characteristics more exactly. The improved accuracy of the battery model by the proposed modeling method is verified by single cell experiments compared to the other type of models.
A simple design for a sliding mode observer is proposed for EV lithium battery SOC estimation in this paper. The proposed observer does not have the limiting conditions of existing observers. Compared to the design of previous sliding mode observers, the new observer does not require a solving matrix equation and it does not need many observers for all of the state components. As a result, it is simple in terms of calculations and convenient for engineering applications. The new observer is suitable for both time-variant and time-invariant models of battery SOC estimation, and the robustness of the new observer is proved by Liapunov stability theorem. Battery tests are performed with simulated FUDS cycles. The proposed observer is used for the SOC estimation on both unchanging parameter and changing parameter models. The estimation results show that the new observer is robust and that the estimation precision can be improved base on a more accurate battery model.
The relationship of widely used Open circuit Voltage (OCV) versus State of Charge (SOC) is critical for any reliable SOC estimation technique. However, the hysteresis existing in all type of battery which has been come to the market leads this relationship to a complicated one, especially in Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) battery. An accurate model for hysteresis phenomenon is essential for a reliable SOC identification. This paper aims to investigate and propose a method for hysteresis modeling. The SOC estimation is done by using Extended Kalman Filter (EKF), the parameter of the battery is modeled by Auto Regressive Exogenous (ARX) and estimated by using Recursive Least Square (RLS) filter to tract each element of the parameter of the model.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.26
no.4
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pp.241-248
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2021
A battery state-of-health (SOH) estimation algorithm using a machine learning-based linear regression method is proposed for estimating battery aging. The proposed algorithm analyzes the change trend of the open-circuit voltage (OCV) curve, which is a parameter related to SOH. At this time, a section with high linearity of the SOH and OCV curves is selected and used for SOH estimation. The SOH of the aged battery is estimated according to the selected interval using a machine learning-based linear regression method. The performance of the proposed battery SOH estimation algorithm is verified through experiments and simulations using battery packs for electric vehicles.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.13
no.5
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pp.360-368
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2008
A lumped parameter model of Li-ion battery in hybrid electric vehicle(HEV) is constructed and system parameters are identified by using recursive least square estimation for different C-rates, SOCs and temperatures. The system characteristics of pole and zero in the frequency domain are analyzed with the parameters obtained from different conditions. The parameterized model of a Li-ion battery indicates highly dependent of temperatures. To estimate SOC and polarization voltage, a Luenberger state observer is utilized. The P- or PI-gains of observer based on a suitable natural frequency and damping ratio is adopted for the state estimation. Satisfactory estimation accuracy of output voltage and SOC is especially obtained by a PI-gain. The feasibility of the proposed estimation method is verified through experiment under the conditions of different C-rates, SOCs and temperatures.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.63
no.8
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pp.1085-1091
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2014
A model based SOC estimation scheme using parameter identification is described and applied to a Lithium-ion battery module that can be installed in electric vehicles. Simulation studies are performed to verify the effect of sensor faults on the SOC estimation results for terminal voltage sensor and load current sensor. The sensor faults should be detected and isolated as soon as possible because the SOC estimation error due to any sensor fault seriously affects the overall performance of the BMS. A new fault detection and isolation(FDI) scheme by which the fault of terminal voltage sensor and load current sensor can be detected and isolated is proposed to improve the reliability of the BMS. The proposed FDI scheme utilizes the parameter estimation of an input-output model and two fuzzy predictors for residual generation; one for terminal voltage and the other for load current. Recently developed dual polarization(DP) model is taken to develope and evaluate the performance of the proposed FDI scheme. Simulation results show the practical feasibility of the proposed FDI scheme.
A reduced particle-unscented Kalman filter estimation method, along with a splice-equivalent circuit model, is proposed for the state-of-charge estimation of an aeronautical lithium-ion battery pack. The linearization treatment is not required in this method and only a few sigma data points are used, which reduce the computational requirement of state-of-charge estimation. This method also improves the estimation covariance properties by introducing the equilibrium parameter state of balance for the aeronautical lithium-ion battery pack. In addition, the estimation performance is validated by the experimental results. The proposed state-of-charge estimation method exhibits a root-mean-square error value of 1.42% and a mean error value of 4.96%. This method is insensitive to the parameter variation of the splice-equivalent circuit model, and thus, it plays an important role in the popularization and application of the aeronautical lithium-ion battery pack.
For the safe and reliable operation of Lithium-ion batteries in Electric Vehicles (EVs) or Energy Storage Systems (ESSs), it is essential to have accurate information of the battery such as State of Charge (SOC). Many kinds of different techniques to estimate the SOC of the batteries have been developed so far such as the Kalman Filter. However, when it is applied to the multiple number of batteries it is difficult to maintain the accuracy of the estimation over all cells due to the difference in parameter value of each cell. Moreover the difference in the parameter of each cell may become larger as the operation time accumulates due to aging. In this paper a novel Deep Neural Network (DNN) based SOC estimation method for multi cell application is proposed. In the proposed method DNN is implemented to learn non-linear relationship of the voltage and current of the lithium-ion battery at different SOCs and different temperatures. In the training the voltage and current data of the Lithium battery at charge and discharge cycles obtained at different temperatures are used. After the comprehensive training with the data obtained with a cell resulting estimation algorithm is applied to the other cells. The experimental results show that the Mean Absolute Error (MAE) of the estimation is 0.56% at 25℃, and 3.16% at 60℃ with the proposed SOC estimation algorithm.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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