사각형입니다.

https://doi.org/10.6113/JPE.2018.18.3.910

ISSN(Print): 1598-2092 / ISSN(Online): 2093-4718



Enhanced Coulomb Counting Method for State-of-Charge Estimation of Lithium-ion Batteries based on Peukert’s Law and Coulombic Efficiency


Jiale Xie*, Jiachen Ma, and Kun Bai**


†,*School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin, China

**State Grid Jibei Electric Power Co. Ltd., Maintenance Branch, Beijing, China



Abstract

Conventional battery state-of-charge (SoC) estimation methods either involve sophisticated models or consume considerable computational resource. This study constructs an enhanced coulomb counting method (Ah method) for the SoC estimation of lithium-ion batteries (LiBs) by expanding the Peukert equation for the discharging process and incorporating the Coulombic efficiency for the charging process. Both the rate- and temperature-dependence of battery capacity are encompassed. An SoC mapping approach is also devised for initial SoC determination and Ah method correction. The charge counting performance at different sampling frequencies is analyzed experimentally and theoretically. To achieve a favorable compromise between sampling frequency and accumulation accuracy, a frequency-adjustable current sampling solution is developed. Experiments under the augmented urban dynamometer driving schedule cycles at different temperatures are conducted on two LiBs of different chemistries. Results verify the effectiveness and generalization ability of the proposed SoC estimation method.


Key words: Coulomb counting, Coulombic efficiency, Peukert’s law, State-of-charge


Manuscript received Oct. 17, 2017; accepted Feb. 3, 2018

Recommended for publication by Associate Editor Jonghoon Kim.

Corresponding Author: hitwhrobot@126.com Tel: +86-13963119266, Harbin Institute of Technology

School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, China

State Grid Jibei Electric Power Co. Ltd., Maintenance Branch, China



NOMENCLATURE

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480005.bmp
원본 그림의 크기: 가로 63pixel, 세로 79pixel

Peukert capacity

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 76pixel, 세로 60pixel

Peukert coefficient

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480007.bmp
원본 그림의 크기: 가로 47pixel, 세로 58pixel

Coulombic efficiency

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480008.bmp
원본 그림의 크기: 가로 170pixel, 세로 80pixel

                                                             Nominal and actual capacity

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480009.bmp
원본 그림의 크기: 가로 155pixel, 세로 69pixel

Nominal temperature and current rate

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 135pixel, 세로 80pixel

Sampling interval and frequency

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948000b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 108pixel, 세로 82pixel

Effective current

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948000c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 62pixel, 세로 71pixel

Battery terminal voltage

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 93pixel, 세로 72pixel

Battery internal resistance

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948000e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 151pixel, 세로 72pixel

                                              Temperature correction term for discharging

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948000f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 296pixel, 세로 71pixel

Correction terms on Coulombic efficiency

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480010.bmp
원본 그림의 크기: 가로 231pixel, 세로 72pixel

Relative current, capacity, temperature



Ⅰ. INTRODUCTION

Lithium-ion batteries (LiBs) are widely adopted in electric vehicles (EVs). Estimating the state-of-charge (SoC) is essential to a battery management system (BMS) for realizing efficient and safe operations [1]. To avoid being stranded halfway and relieve range anxiety [2], the SoC can be employed as a replacement for fuel gauges in conventional vehicles. Furthermore, real-time SoC monitoring can protect batteries from over-charge and over-discharge, which may cause permanent damage to the cell’s internal structure [3]. Accordingly, unpredicted system interruptions can be reduced. However, SoC estimation is complicated because LiB behaviors strongly depend on operating conditions.


A. Review of SoC Estimation Methods

Open circuit voltage (OCV) is a readily acquired quantity employed for SoC evaluation [2], [4]. However, the pronounced hysteresis phenomenon and the very flat voltage plateau of LiFePO4 batteries (LFPBs) [5] result in low- precision OCV-based methods [1]. Another battery feature, internal resistance, has also been exploited in the pursuit of SoC through feature mapping. However, the irregular correlation between internal resistance and SoC also proves inappropriate for reliable SoC assessment [9]-[11].

Several validated battery models at various levels of abstraction, ranging in complexity from equivalent circuit models (ECMs) to multi-scale electrochemical simulations (ECSs), have been validated for SoC estimation [12], [13]. ECMs intuitively emulate battery electrical behaviors with an assembly of electric components, such as resistors and capacitors [1], [11], [14]. The interrelationships between internal states and external quantities can then be translated to mathematical expressions and conveniently combined with algorithms, such as Kalman filters [15]-[17] and other observer techniques [18]. However, these circuit-based models are generally simplified by ignoring notable features such as nonlinear equilibrium potential, rate-dependent capacity, and temperature effect [19]. Moreover, the high computational demands of these algorithms usually exceed the capability of on-board BMSs because of the large amount of matrix operations involved. ECSs attain satisfactory state evaluation by encompassing multiple physics and attributes, such as electrode geometry and electrolyte diffusion rate [20], [21]. However, the extensive calibration efforts should usually be repeated in case of chemistry or configuration change. Similarly, the great occupation of computational resources makes ECSs impractical for on-board applications.

Battery nonlinear characteristics can be reconstructed through the implementation of artificial neural network [22], fuzzy logic [23], and support vector machine [24] algorithms. However, these algorithms strongly depend on the quantity and quality of training data [10] and are sensitive to external disturbances. Importantly, the balance between under-fitting and over-fitting needs to be regulated empirically.

Physical probing techniques have also been explored. The ultrasonic waves transmitting across batteries are related to the porosity change of anode materials, which is used to infer the SoC in [25]. Correlating battery mechanical stress to graphite lithiation degree can likewise help determine the SoC [26]. In [27], the battery’s magnetic characteristic is used as an SoC indicator. Although these techniques are promising, they require signals that are unavailable unless additional expensive sensors are installed.

Without intensive models or additional signals, the coulomb counting method (hereafter referred as the Ah method) calculates SoC directly by accumulating the inflow and outflow charges [28]. However, it suffers several widely acknowledged drawbacks [11]. First, the amount of charge that can be poured into and drawn out from a given battery varies significantly when it is subjected to temperature or load fluctuations. Second, the initial SoC should be provided by other auxiliary techniques. Finally, the accuracy is excessively reliant on precise current measurement because of an insufficient self-correcting capability.


B. Adaptions of the Ah Method

1) Peukert's Law

The discharge current rate exhibits a remarkable impact on the available capacity of a battery. To capture this rate-capacity characteristic, Peukert’s law is originally introduced for lead–acid batteries in [29], in which the discharge capacity as a function of current density is formulated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 299pixel, 세로 79pixel        (1)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 65pixel, 세로 80pixel (constant for a given battery) is the Peukert capacity, t is the available discharge time, and pc is the Peukert coefficient. Baert et al. explained Eq. (1) with an electrochemical diffusion model [30]. Doerffel et al. extended Eq. (1) to LiBs and accomplished favorable results [31]. However, Eq. (1) requires the battery to be discharged strictly at nearly constant current and temperature [31], [32]. In hybrid EV situations, batteries not only go through a wide range of temperatures, but also experience dynamic load current, including different rates and charge/discharge alternations [33]. Variable load and temperature pose challenges to Peukert’s law and may result in errors of up to 20% [34]. Although Austin et al. expanded Eq. (1) by factoring in different discharge rates and temperatures, they ignored the charging behavior [20]. Given that Peukert’s law only applies to discharging, Eq. (1) cannot address driving scenarios, including regenerative braking. Therefore, a complementary technique should be incorporated for the charging process.


2) Coulombic Efficiency

For a given battery, the releasable charge is always less than the stored charge during an operation cycle. This effect is denoted as the Coulombic efficiency (η), by which the current in the Ah method is usually multiplied as a correction [11]. The calibration of η is complex because both temperature and current rate influence it [8]. η is near 1 at low rates and declines at high rates due to the significant internal loss by secondary reactions. Kong et al. investigated the correlation between η and SoC [2]. However, they only focused on the variable discharging rates with the charging rate fixed and the influence of temperature ignored. Feng et al. considered current rate and temperature based on a large measurement matrix of different rates and temperatures to cover all possible operating conditions [7].


C. Contributions of This Study

Essentially, both Peukert’s law and Coulombic efficiency transform the actual current into an effective form. This study enhances the traditional Ah method by combining an expanded Peukert's law for the discharging process and an elaborate Coulombic efficiency for the charging process. The rate- and temperature-dependence of capacity are factored in, whereby the current accumulative error is significantly reduced. An SoC mapping approach for initial SoC determination and self-correction is also introduced. Furthermore, the impact of the current sampling frequency on charge counting accuracy is experimentally investigated and theoretically analyzed. In response, a frequency-adjustable (FA) current sampling solution is proposed to achieve balance between computational overhead and accumulation accuracy.


D. Organization of This Paper

Section II presents the testing equipment and investigated batteries. Section III illustrates the procedures of identifying pc and η under different conditions and the SoC mapping approach. Section IV presents the designed FA sampling solution. Section V provides the experimental results on two LiBs under various conditions to verify the enhanced SoC estimator. Finally, Section VI concludes this paper.



Ⅱ. EXPERIMENTAL FACILITIES

As shown in Fig. 1, the test bench consists of a host PC, a battery tester Arbin BT2000, a thermal chamber, and a Matlab-based SoC estimation algorithm. The accompanying softwares of BT2000, MITS Pro are also installed on the PC. To implement the FA sampling proposed in Section IV, a signal acquisition board is designed based on the chip LTC6803. The voltage measurement accuracy is 1.2 mV, and the on-chip 16-bit ADC is utilized for current sense. Two LiBs are investigated as shown in Fig. 2, and the specifications are tabulated in Table I. Battery1 is the sample for method elucidation, and then both Battery1 and Battery2 are used for method verification. During the tests, the batteries are always contained in the thermal chamber. The test procedure is suspended when the sensed temperature deviation from the preset temperature exceeds 2 °C. The commonly used OCV is not involved in this work. Thus, the time-consuming relaxation for voltage recovery is unnecessary, and the characteristic tests take significantly less time. Alternatively, the real-time terminal voltage (Vt) is adopted by continuously discharging the battery. To generalize the proposed method to different battery capacities, all currents are denoted in C-rate [33]. The aging effect is outside the scope of this paper, and all tests are conducted at a specific aging level.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480013.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1365pixel, 세로 952pixel

Fig. 1. Experimental system.


그림입니다.
원본 그림의 이름: image2.png
원본 그림의 크기: 가로 475pixel, 세로 286pixel

Fig. 2. Investigated batteries in this work.


TABLE I SPECIFICATIONS OF THE INVESTIGATED BATTERIES

Parameter

Battery1

Battery2

Chemistry

LFP

LNCM

Nominal capacity (Ah)

20

25

Nominal discha current (C)

1/3

1/3

Upper cut-off voltage (V)

3.6

4.2

Lower cut-off voltage (V)

2.5

2.8

Max discharge current (C)

5

4

Max charge current (C)

1

1

Operating temperature (°C)

–20 to 45

–10 to 50



Ⅲ. ENHANCED COULOMB COUNTING METHOD

Battery capacity varies with the working condition. For example, extra energy can be extracted from a battery depleted at low temperature when it warms up; an exhausted battery discharged at high rates still has extractable capacity at low rates [31]. The present work assumes that a fully charged battery always holds a constant capacity Cn regardless of the working condition, whereas the specific condition influences the action effect of the current. Accordingly, a concept of effective current is proposed, and the SoC variation is calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480014.bmp
원본 그림의 크기: 가로 836pixel, 세로 139pixel        (2)

where I is the actual current, Ie f f is the corresponding effective current of I, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480015.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 56pixel is the sampling interval, Ca is the actual capacity, and Cn is the nominal capacity. Given that I and Ie f f are denoted in C-rate, the respective currents in Ampere are 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480016.bmp
원본 그림의 크기: 가로 137pixel, 세로 66pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480017.bmp
원본 그림의 크기: 가로 205pixel, 세로 76pixel, respectively. From Eq. (2), Ie f f is transformed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480018.bmp
원본 그림의 크기: 가로 289pixel, 세로 128pixel         (3)

In the following sections, Ie f f is separately derived for the discharging and charging processes. The employed data are measured on Battery1. In this work, the nominal condition 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480019.bmp
원본 그림의 크기: 가로 621pixel, 세로 65pixel under which the nominal capacity Cn can be obtained is regarded as the reference condition.


A. Peukert Equation for Discharging

To encompass the rate- and temperature-dependence of capacity, the effective current for discharging is defined as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948001a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 727pixel, 세로 97pixel   (4)

where I is the actual current, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948001b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 175pixel, 세로 82pixel is the underlying effective current, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948001c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 141pixel, 세로 71pixel is the temperature correction term.


1) Rate-dependence of Peukert Coefficient

From Eq. (1), 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948001b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 175pixel, 세로 82pixel can be deduced as (Appendix A)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948001d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 637pixel, 세로 86pixel     (5)

Conventionally, static OCV–SoC correlations are used for capacity analysis and measured by inserting an interruption of several hours in-between every, for example, 5% SoC. However, this interruption is inconsistent with realistic driving situations and may obviously increase the released capacity. In our work, dynamic 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948001e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 214pixel, 세로 68pixel curves by continuous discharging are utilized to identify the pc, as illustrated in Fig. 3, where the data were acquired at Tn=23°C. The reference curve L1 (black with squares) is discharged at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948001f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 245pixel, 세로 67pixel and provides an actual nominal capacity, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480020.bmp
원본 그림의 크기: 가로 385pixel, 세로 68pixel. L2 (green dash) is the fourth-order polynomial fit of L1. L4 (red with solid circles) is discharged at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480021.bmp
원본 그림의 크기: 가로 235pixel, 세로 61pixel, for which the pc is to be extracted, and has a bigger capacity, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 387pixel, 세로 70pixel.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480035.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1358pixel, 세로 922pixel

Fig. 3. Schematic of identifying the Peukert coefficient at different discharge rates.


Resulting from the battery internal resistance (그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480023.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 71pixel), 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480024.bmp
원본 그림의 크기: 가로 60pixel, 세로 71pixel, which is monitored against the cut-off thresholds, shows a difference at different load currents though holding identical SoC. This outcome is mainly ascribed to the different potential drops on 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480025.bmp
원본 그림의 크기: 가로 90pixel, 세로 66pixel. Thus, the larger the current applied on the battery, the earlier the cut-off voltage is reached, though the battery is not really exhausted. Consequently, inferring the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480026.bmp
원본 그림의 크기: 가로 73pixel, 세로 59pixel using 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480027.bmp
원본 그림의 크기: 가로 70pixel, 세로 67pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480028.bmp
원본 그림의 크기: 가로 65pixel, 세로 64pixel is not rigorous.

To eliminate the difference in potential drop on 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480023.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 71pixel, a blue dashed curve L3 is obtained by removing the excess internal loss from the reference curve L2, that is, dragging L2 upwards a distance, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480029.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 59pixel, which is theoretically regarded as the difference of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948002a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 55pixel, 세로 68pixel at the initial discharge moment, i.e., 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948002b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 356pixel, 세로 76pixel [6]. Furthermore, L3 is extrapolated down to the horizontal axis (low cut-off threshold), and a pseudo capacity of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 388pixel, 세로 71pixel is obtained. Then, the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480026.bmp
원본 그림의 크기: 가로 73pixel, 세로 59pixel for 0.1C relative to 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948002d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 108pixel, 세로 69pixel can be calculated as (Appendix B)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948002e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 545pixel, 세로 149pixel       (6)

Similarly, the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480026.bmp
원본 그림의 크기: 가로 73pixel, 세로 59pixel regarding discharge rates larger than 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948002d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 108pixel, 세로 69pixel, such as 1C, can be calculated with L5 and L6. The results of extracting the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480026.bmp
원본 그림의 크기: 가로 73pixel, 세로 59pixel for other rates of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001948002f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 158pixel, 세로 65pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480030.bmp
원본 그림의 크기: 가로 122pixel, 세로 59pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480031.bmp
원본 그림의 크기: 가로 123pixel, 세로 64pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480032.bmp
원본 그림의 크기: 가로 125pixel, 세로 55pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480033.bmp
원본 그림의 크기: 가로 80pixel, 세로 58pixel, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480034.bmp
원본 그림의 크기: 가로 81pixel, 세로 51pixel are shown in Fig. 4.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480036.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1393pixel, 세로 896pixel

Fig. 4. Approximating the resultant Peukert coefficients with linear, polynomial, and exponential fittings, respectively.


The correlation between 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000019480026.bmp
원본 그림의 크기: 가로 73pixel, 세로 59pixel and discharge rate is then fitted with the Matlab Curve Fitting Toolbox. Linear fitting, polynomial fitting, and exponential fitting are performed. The resultant indexes of the Mean and Root-Mean-Square (RMS) errors indicate that exponential approximation can best represent the rate-dependence of the Peukert coefficient as where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 69pixel, 세로 81pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80007.bmp
원본 그림의 크기: 가로 65pixel, 세로 84pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80008.bmp
원본 그림의 크기: 가로 62pixel, 세로 80pixel, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400002.bmp
원본 그림의 크기: 가로 72pixel, 세로 87pixel are fitted as 1.0177, 0.0013, –6.6585, and 2.7117, respectively.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400023.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1022pixel, 세로 105pixel          (7)

Several similar fitting operations exist in the subsequent work, and they are all performed by selecting the fit form with the best performance in terms of accuracy and complexity.


2) Temperature-dependence of Peukert Coefficient

The temperature-dependence of capacity is considered by introducing a correction term 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400003.bmp
원본 그림의 크기: 가로 140pixel, 세로 67pixel, which can be determined through a procedure similar to that in the last section. In this section, the battery is discharged at a fixed rate of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400004.bmp
원본 그림의 크기: 가로 249pixel, 세로 71pixel under different temperatures. In Fig. 5(a), L1 (black with squares) is obtained under 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400005.bmp
원본 그림의 크기: 가로 300pixel, 세로 68pixel, and L2 (green dash) is its fourth-order polynomial fit. L4 (red with solid circles) is discharged under 0°C, for which 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400003.bmp
원본 그림의 크기: 가로 140pixel, 세로 67pixel is sought, and has a capacity of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 382pixel, 세로 68pixel. L3 (blue dash), which has a capacity of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400007.bmp
원본 그림의 크기: 가로 385pixel, 세로 70pixel, is obtained by moving L2 a vertical displacement downward to achieve the best overlap with the flat portion of L4.

A visual illusion that decreasing L2 obtains L4 rather than L3 may occur. Fig. 5(b) presents a concise view of Fig. 5(a) by removing irrelevant elements. Shifting L2 to a consistent vertical distance 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400008.bmp
원본 그림의 크기: 가로 97pixel, 세로 72pixel clearly achieves L3, whereas the obviously inconsistent distances of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400008.bmp
원본 그림의 크기: 가로 97pixel, 세로 72pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001340000e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 95pixel, 세로 67pixel are required to reach L4. The increasing deviation between L3 and L4 from capacity = 12Ah results from the different remaining capacities of L3 and L4. L3 has a large remaining capacity and a long discharge time because its high internal resistance at low temperature causes severe energy loss.


Fig. 5. (a) Schematic of identifying relative capacity under different temperatures, (b) a concise view of (a).

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400009.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1357pixel, 세로 911pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001340000a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1211pixel, 세로 750pixel

(b)


Then, a dimensionless relative capacity, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400010.bmp
원본 그림의 크기: 가로 70pixel, 세로 66pixel, is defined as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 343pixel, 세로 79pixel       (8)

By setting T= –20 °C, –10 °C, 0 °C, 10 °C, 20 °C, 30 °C, and 40 °C, we identify 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400010.bmp
원본 그림의 크기: 가로 70pixel, 세로 66pixel as shown in Fig. 6, where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 58pixel, 세로 68pixel is the relative temperature:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400013.bmp
원본 그림의 크기: 가로 794pixel, 세로 73pixel         (9)

The 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400014.bmp
원본 그림의 크기: 가로 202pixel, 세로 66pixel correlation in Fig. 6 is fitted as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400015.bmp
원본 그림의 크기: 가로 862pixel, 세로 79pixel       (10)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400016.bmp
원본 그림의 크기: 가로 69pixel, 세로 78pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400017.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 78pixel, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400018.bmp
원본 그림의 크기: 가로 65pixel, 세로 81pixel are 1.158, –768.761, and 0.116, respectively.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001340000b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1425pixel, 세로 620pixel

Fig. 6. Resultant relative capacities and the fitted curve.


Given that a high temperature results in a small releasable capacity, by referring to Eq. (3), we can say that high temperature leads to low effective current and vice versa. An opposite temperature effect should be equivalently imposed on 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400019.bmp
원본 그림의 크기: 가로 104pixel, 세로 70pixel because the battery is assumed to hold a fixed capacity, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001340001a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 63pixel, 세로 63pixel. Thus, the reciprocal of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001340001b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 156pixel, 세로 68pixel can be treated as the temperature correction term in Eq. (4) as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001340001c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 475pixel, 세로 79pixel   (11)


3) Verification of the Incorporated Effective Current

To verify the proposed effective current form in Eq. (4), eight other effective currents are measured and compared with the incorporated effective currents. As tabulated in Table II, the incorporated 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001340001d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 239pixel, 세로 77pixel can basically capture the underlying trend of the actual effective current.


TABLE II COMPARING THE INCORPORATED AND MEASURED EFFECTIVE CURRENT

Discharge Rate (C)

Temp (°C)

Ieff (I, T) (C)

Incorporated

Measured

–0.6

–14

0.8254

0.8093

–0.6

38

0.5749

0.5711

–1.1

–12

1.5073

1.5253

–1.1

32

1.1009

1.1249

–1.8

–11

2.5092

2.4941

–1.8

27

1.8904

1.9297

–2.6

–5

3.4941

3.4411

–2.6

25

2.8595

2.7765

RMSe = 0.0425   


B. Coulombic Efficiency for Charging

Three factors, that may potentially influence the charging efficiency η, namely, current rate, SoC, and temperature, are considered. These factors are first studied experimentally and then the negligible one/ones are excluded. During charging, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000013400019.bmp
원본 그림의 크기: 가로 104pixel, 세로 70pixel can be obtained using η according to different conditions as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80cab.bmp
원본 그림의 크기: 가로 879pixel, 세로 108pixel      (12)

Therefore, an accurate 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 311pixel, 세로 73pixel is crucial. In this section, correlations 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80002.bmp
원본 그림의 크기: 가로 226pixel, 세로 74pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80003.bmp
원본 그림의 크기: 가로 141pixel, 세로 64pixel, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80004.bmp
원본 그림의 크기: 가로 155pixel, 세로 69pixel are first identified by keeping the other two factors at particular levels. Then, they are incorporated as 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80005.bmp
원본 그림의 크기: 가로 310pixel, 세로 72pixel.


1) Rate-Dependence of Coulombic Efficiency

Six charge rates, 0.05C, 0.1C, C/3, 0.5C, 0.8C, and 1C, are considered, with /3C as the reference discharge rate. The other two factors are kept at Tn = 23 °C and SoC = 50%–60%. To eliminate accidental disturbances, every test is performed four times, that is, four ηs are obtained for each rate. The one with the greatest deviation from the others is ignored and then the average is adopted. Taking the 1C charge for example, Fig. 7 illustrates the procedure to identify η as follows:

(1) An exhausted battery is charged at C/3 to SoC1 = 50%, that is, from A to B in the first cycle.

(2) The battery is discharged at C/3 to the lower cut-off voltage, that is, from B to A in the first cycle.

(3) Again, the battery is charged at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 106pixel, 세로 66pixel to point B, that is, from A to B in the second cycle.

(4) The battery is continuously charged at 1C to SoC2 = 60%, that is, from B to C in the second cycle.

(5) The battery is discharged at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 106pixel, 세로 66pixel to the lower cut-off voltage, that is, from C to A in the second cycle.

The 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c4352c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 39pixel, 세로 56pixel for the 1C charge rate test (relative to C/3 discharge) is calculated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80009.bmp
원본 그림의 크기: 가로 831pixel, 세로 189pixel     (13)

where the involved notations are explained in Table III. The 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c4352c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 39pixel, 세로 56pixel for the other charge rates can be obtained similarly.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001340000c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1003pixel, 세로 897pixel

Fig. 7. Procedure for Coulombic efficiency identification.


TABLE III MEANING OF THE NOTATIONS IN EQ. (13).

Notation

Meaning

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 201pixel, 세로 92pixel

the amount of charge drawn from the cell from B to A at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 106pixel, 세로 66pixel in the first cycle

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 186pixel, 세로 91pixel

the amount of charge poured into the cell from B to C at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40002.bmp
원본 그림의 크기: 가로 105pixel, 세로 65pixel in the second cycle

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80013.bmp
원본 그림의 크기: 가로 200pixel, 세로 93pixel

the amount of charge drawn from the cell from C to A at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 106pixel, 세로 66pixel in the second cycle


Afterward, the above procedure is performed for two other SoC ranges: 20%–30% and 80%–90%. A relative Coulombic efficiency is defined as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8000a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 522pixel, 세로 151pixel          (14)

The obtained 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8000b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 119pixel, 세로 66pixel is shown in Fig. 8. Then, a second- order polynomial fit is performed on the average points during each SoC range as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8000c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 700pixel, 세로 100pixel   (15)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 151pixel, 세로 81pixel is identified as 1.00336, 0.00272, and –0.03936 for 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8000e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 272pixel, 세로 63pixel, respectively. Then, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8000b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 119pixel, 세로 66pixel can be regarded as a correction term that represents the influence of the current rate on 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c4352c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 39pixel, 세로 56pixel.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80014.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1477pixel, 세로 594pixel

Fig. 8. Resultant relative Coulombic efficiency 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8000b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 119pixel, 세로 66pixel and the fitted curve.


The respective voltages during the charging and discharging processes are significantly different due to the hysteresis potential and internal loss, such as the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8000f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 87pixel, 세로 55pixel between B and B’ in the second cycle of Fig. 7. Consequently, pinpointing B’ using the terminal voltage is impractical when successive charging and discharging are applied. In other words, aligning B’ to B horizontally through discharging is infeasible. Meanwhile, a slight difference in charge throughput will lead to a considerable deviation on resultant 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c4352c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 39pixel, 세로 56pixel. Therefore, the battery should be charged or discharged consecutively, as detailed in Fig. 7, to avoid the negative influence of hysteresis and internal loss.


2) SoC-Dependence of Coulombic Efficiency

Since 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c4352c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 39pixel, 세로 56pixel has a remarkable dependence on SoC [8], an elaborate experimental analysis is necessary. Here, the entire SoC range (0%–100%) is evenly divided into 10 subsections, which are investigated separately, referring to the procedure in Fig. 7. In this section, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c4352c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 39pixel, 세로 56pixel is measured under Tn =23 °C using 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8001c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 239pixel, 세로 69pixel as both charge and discharge rates. Fig. 9 presents the 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c4352c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 39pixel, 세로 56pixel obtained within different SoC subsections. Fitting the result with polynomials, the error decreases to an acceptable level when the order increases to fourth as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8001d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 847pixel, 세로 91pixel       (16)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8001e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 202pixel, 세로 83pixel are 99.718, –8.8810-3, 8.28510-5, 1.1410-6, and –1.73610-8 for 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40003.bmp
원본 그림의 크기: 가로 301pixel, 세로 54pixel, respectively.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80015.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1408pixel, 세로 610pixel

Fig. 9. Resultant Coulombic efficiency 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80016.bmp
원본 그림의 크기: 가로 187pixel, 세로 65pixel within different SoC ranges and the fitted curve.


3) Temperature-Dependence of Coulombic Efficiency

To explore the temperature-dependence of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c4352c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 39pixel, 세로 56pixel, a series of tests under T = –20 °C, T = –10 °C, 0 °C, 10 °C, 20°C, 30°C, and 40 °C in three SoC ranges of 20%–30%, 50%–60%, and 80%–90% are conducted. The detailed procedure is similar to that in Fig. 7, while 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8001f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 243pixel, 세로 73pixel is used as both charge and discharge rate. As Fig. 10 depicts, temperature has an evident influence on the relative Coulombic efficiency

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80020.bmp
원본 그림의 크기: 가로 401pixel, 세로 131pixel     (17)

Then, a third-order polynomial fit is performed on the average points in each SoC range as follows:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80021.bmp
원본 그림의 크기: 가로 688pixel, 세로 98pixel   (18)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 153pixel, 세로 81pixel are –9.4219, 29.7226, –28.2756, and 8.9756 for 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80023.bmp
원본 그림의 크기: 가로 307pixel, 세로 65pixel, respectively, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80024.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 70pixel is the relative temperature defined in Eq. (9). Here, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80025.bmp
원본 그림의 크기: 가로 137pixel, 세로 75pixel is regarded as a correction term for 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c4352c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 39pixel, 세로 56pixel to adapt to different temperatures.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80017.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1398pixel, 세로 648pixel

Fig. 10. Resultant relative Coulombic efficiency 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80018.bmp
원본 그림의 크기: 가로 130pixel, 세로 62pixel under different temperatures and the fitted curve.


4) Verification of the Incorporated Coulombic Efficiency

From the tests above, SoC, current rate, and temperature all have significant impacts on 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c4352c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 39pixel, 세로 56pixel. Taking 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80026.bmp
원본 그림의 크기: 가로 196pixel, 세로 84pixel as the underlying efficiency, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80027.bmp
원본 그림의 크기: 가로 123pixel, 세로 74pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80025.bmp
원본 그림의 크기: 가로 137pixel, 세로 75pixel are regarded as correction terms. Thus, the final Coulombic efficiency is incorporated as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80028.bmp
원본 그림의 크기: 가로 947pixel, 세로 91pixel   (19)

Eight other Coulombic efficiencies under different conditions are measured and compared with the incorporated 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80029.bmp
원본 그림의 크기: 가로 309pixel, 세로 83pixel. The tests are conducted over the range of ±5% around the specified SoC level, such as the η at SoC = 37%, which is obtained from 32% to 42%. Table IV shows that the measured results have good consistency with the incorporated ones. The RMSe suggests that the incorporation of the Coulombic efficiency is effective.


TABLE IV COMPARING THE INCORPORATED AND MEASURED η(SoC, i, T) .

Charge Rate (C)

Temp (°C)

SoC (%)

η(SoC, I , T )

Incorporated

Measured

0.25

–14

37

94.688

94.653

0.25

–14

77

94.614

94.628

0.25

38

37

100.028

100.051

0.25

38

77

99.950

99.963

0.85

–8

37

93.893

94.013

0.85

–8

77

93.820

93.873

0.85

32

37

97.529

97.454

0.85

32

77

97.453

97.497

RMSe = 0.0620   


C. SoC Mapping during System Idles

When a fully charged battery is unavailable, the initial SoC is normally mapped from the OCV or memorized from last usage. Moreover, the Ah method requires periodic self- corrections to eliminate accumulated errors. However, OCV- based methods require a circuit-break relaxation to achieve the equilibrium state. The pronounced hysteresis potential for LFPBs should also be solved. After a long dormancy, the memorized SoC will lose efficacy because of the self-discharge effect. Here, we propose a SoC determination approach for the initialization and correction of the Ah method.

First, a series of tests is mandatory to draw the correlation of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8002a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 419pixel, 세로 83pixel, where T is the battery temperature, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8002b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 123pixel, 세로 90pixel is the terminal voltage at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40004.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 43pixel discharging (Fig. 11). Second, when the BMS launches or the system idles (e.g., waiting for the red traffic light), a 20-s 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40004.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 43pixel discharge pulse is performed to achieve complete hysteresis. The Vt at the final moment of the discharge pulse is used to map the SoC from Fig. 11. The hysteresis potential has a quantitative relation with the charge throughput [35], [36]. If the charge throughput of the 20-s 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40004.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 43pixel pulse exceeds that of the preceding regenerative pulse, then complete hysteresis can be achieved. Referring to the Federal Urban Driving Schedule [37], the 20-s 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40004.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 43pixel pulse can accommodate 95% of the regenerative braking cases. Therefore, this approach can be implemented in most scenarios during actual driving. If a remarkable regenerative pulse occurs, the 20-s 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40004.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 43pixel pulse can be delayed for a moment of driving and then employed to map the SoC.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80019.bmp
원본 그림의 크기: 가로 974pixel, 세로 802pixel

Fig. 11. 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8001a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 386pixel, 세로 72pixel correlation, where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8001b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 103pixel, 세로 78pixel is the real-time terminal voltage by C/3 discharging.


Afterward, the estimation task is taken over by the enhanced Ah method described. This procedure takes about 20 s, neither delaying the driving nor bringing significant loss to the remaining capacity. The mapped SoC can be employed either as a correction or as the initial SoC for the Ah method.



Ⅳ. INFLUENCE OF SAMPLING RATE

Generally, the urban dynamometer driving schedule (UDDS) time–velocity cycle is misused as a time–current profile. A differential operation on the original UDDS cycle generates a time–acceleration profile, as Fig. 12 depicts. According to our knowledge of electrical machinery, we know that

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 914pixel, 세로 73pixel     (20)

where means directly proportional. Therefore, the time–acceleration profile can be physically deemed as a time–current profile, which is called UDDS-b in this paper. Fig. 12 indicates that UDDS-b is more dynamic and includes sharp accelerations and abrupt regenerative breakings, thereby simulating urban driving more realistically. Furthermore, to traverse the entire SoC range, an augmented segment of 360-s 1C discharge to reduce the SoC by 10 is attached in front of the UDDS-b. This profile is called augmented UDDS-b.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8002d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1502pixel, 세로 806pixel

Fig. 12. Original UDDS time–velocity profile (black) and the UDDS-b time–acceleration/current profile (red).


Thereafter, a series of charge counting tests at different current sampling frequencies (fs =0.04, 0.06, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1, 2, 4 Hz) is carried out. Fig. 13 shows the accuracy indexes, Mean error, and Max error after 10 UDDS-b cycles. At the lowest sampling frequency, fs =0.04 Hz, the Mean error and Max error are higher than 10. By boosting fs to 0.06 Hz, the accuracy is sharply improved. An obvious inflection point occurs at fs =0.2 Hz, from which the Mean and Max errors decrease gradually as fs increases. This accuracy evolution is analyzed as follows.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8002e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1429pixel, 세로 613pixel

Fig. 13. Charge counting accuracy at different sampling frequencies.


A 1369-point (UDDS-b data length), 1 Hz sampling frequency (UDDS-b time interval) fast Fourier transform (FFT) is performed on UDDS-b to draw its frequency spectrum (Fig. 14). The amplitude peaks at 0.025 Hz and then declines gradually until the harmonics higher than 0.2 Hz are negligible. The main frequency components, which have primary contributions to the detail of UDDS-b, spread across 0.02-0.04 Hz. According to the theorem of Shannon sampling, which states that a sequence of twofold-rate samples can capture all the information of the original signal, samples lower than 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000039c40006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 197pixel, 세로 58pixel Hz are insufficient for reconstructing the characteristics of UDDS-b with high fidelity. As fs increases from 0.04 Hz to 0.1 Hz, the main frequency components are increasingly covered, thus improving the charge counting accuracy.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8002f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1428pixel, 세로 649pixel

Fig. 14. Frequency spectrum distribution of the UDDS-b profile.


As stated, the determination of optimal sampling frequency requires prior knowledge of the load frequency spectrum. However, the load current is unpredictable and depends on real-time road conditions. In other words, a predetermined fixed sampling frequency makes no sense. In our work, a FA current sampling solution is proposed. As illustrated in Fig. 15, a differentiator is designed to perform a differential operation on the sensed current signal (preprocessed by isolation, amplification, denoising, and modulus) [38]. Then, the output magnitude, which represents the degree of current change, is compared with three thresholds (UH > UM > UL) through comparators. The output pulses of the respective comparators indicate different current changing degrees, which are divided into three levels. The embedded μ processor detects these pulses, distinguishes the level, and then adjusts the sampling frequency. When the current fluctuates slightly, a low sampling frequency is adopted, and more idle time can be saved for other missions. When the current changes dramatically, a high frequency is applied. Fig. 16 presents an example of the sampled current. Nevertheless, high sampling frequency produces a sudden increase in data, which probably cannot be processed in time by the limited processing capability. Herein, the time-stamped data will be stored in a queue for handling in the subsequent idle time. Together with the enhanced Ah method in Section III, a global view of the SoC estimation scheme is outlined in Fig. 17.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80030.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1542pixel, 세로 894pixel

Fig. 15. FA current sampling solution.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80031.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1544pixel, 세로 694pixel

Fig. 16. Typical example of the sampled current by the frequency- adjustable sampling solution.


그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80032.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1162pixel, 세로 943pixel

Fig. 17. Schematic of the SoC estimation scheme proposed, where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80033.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 57pixel is the remaining capacity at time step k.



Ⅴ. RESULTS AND DISCUSSIONS

Verification experiments are carried out under the augmented UDDS-b profile with discharge peaks scaled to 3C and charge peaks scaled to 1C. First, the FA sampling solution and the SoC mapping approach are evaluated. Then, the enhanced Ah method is verified under various temperatures. To assess the method generalization capability, estimations are carried out on Battery1 and Battery2. Prior to experiments, the batteries are fully charged and subsequently, as appropriate, discharged to a certain depth-of-discharge (DoD) at C/3 under 23 °C to create different initial SoCs. The reference SoC is obtained by post-processing the recorded data, that is, integrating the current from the end moment back to the start moment.


A. FA Sampling

First, the FA sampling is compared with three frequency- fixed samplings at 1, 2, and 4 Hz. Ten augmented UDDS-b cycles are played, and the charge throughput is accumulated with the four sampling solutions. As tabulated in Table V, the error of the FA sampling is suppressed to 0.38%/0.44%, which is slightly higher than that of the 4 Hz sampling (0.28%/0.32%), but much smaller than the 1 Hz (0.89%/ 0.94%) and 2 Hz sampling (0.58%/0.68%).


TABLE V CHARGE COUNTING PERFORMANCE BY DIFFERENT SAMPLING SOLUTIONS

Solution

Sampling number

Final error(%)

Battery1 Battery2

FA sampling

47,335

0.38   0.44

1 Hz sampling

17,291

0.89   0.94

2 Hz sampling

34,581

0.58   0.68

4 Hz sampling

69,161

0.28   0.32

3.44 Hz sampling

59,502

0.38   0.42

2.74 Hz sampling

47,324

0.46   0.54


Then, the frequency-fixed sampling is adjusted to reach the accuracy level of the FA sampling. When the frequency is 3.44 Hz, the error is 0.38%/0.42% with 59,502 samples, in contrast to the 47,335 samples of FA sampling. Consequently, the FA sampling can reduce the computational burden by approximately (59,502-47,335)/47,335=26% but achieve the same accuracy.

Afterward, the frequency-fixed sampling is changed to 2.74 Hz, and 47,324 samples are obtained (near the 47,335 of the FA-sampling), while the error increases to 0.46%/0.54%, in contrast to 0.38%/0.44% of the FA sampling. Consequently, given equal computing power, the FA sampling can improve the accuracy by approximately ((0.46-0.38)/0.38 +(0.54-0.44)/0.44)/2 = 22%.


B. SoC Determination during System Idles

In the original UDDS time–velocity regime in Fig. 12, five available system idles exist, where the time of zero velocity is longer than 20 s. During these idles, the proposed SoC determination approach in Section III.C is verified under two temperatures, 5°C and 30°C, on Battery1 and Battery2. As listed in Table VI, the determination errors suggest that the SoC determination approach works well.


TABLE VI SOC DETERMINATION PERFORMANCE DURING THE AVAILABLE SYSTEM IDLES IN UDDS TIME–VELOCITY REGIME

Time (s)

SoC error (%)

Battery1

Battery2

–5 ℃ 30 ℃

–5 ℃  30 ℃

0–20

0.63  0.51

0.48  0.44

125–163

0.53  0.52

0.48  0.42

620–645

0.52  0.43

0.41  0.42

1023–1052

0.62  0.49

0.43  0.43

1313–1337

0.41  0.45

0.41  0.44


C. SoC Estimation under Constant Temperature

Comparative experiments are arranged under constant temperatures. The batteries are soaked in the thermal chamber for five hours to achieve steady temperature states before the experiments. Then, several augmented UDDS-b cycles are applied on the fully charged batteries until the lower cut-off voltage is reached.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80034.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1002pixel, 세로 109pixel           (21)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80035.bmp
원본 그림의 크기: 가로 45pixel, 세로 57pixel is the reference current and T is the battery temperature. In addition, the denominator capacity that corresponds to T is obtained by Eq. (10).

The estimation results of the enhanced Ah method (Enh-Ah) and the simple Ah method (Simp-Ah) are shown in Fig. 18. For Battery1 and Battery2, the Max SoC errors under different temperatures occur at the end of the discharging process due to the accumulation effect. Expectedly, the Max errors of Enh-Ah, as low as 1.90%/1.74% for Battery1 and 2.09%/1.57% for Battery2, are guaranteed to be smaller than those of Simp-Ah, which reach 4.56%/5.47% for Battery1 and 4.23%/5.78% for Battery2. The errors of Simp-Ah under 40 °C and –7 °C evolve with nearly the same slope. As for Enh-Ah, the error growth rates under low temperature are greater than those under high temperature. The reasons for the inferior performance of Simp-Ah to Enh-Ah are as follows:

The average Coulombic efficiency 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80037.bmp
원본 그림의 크기: 가로 40pixel, 세로 62pixel cannot represent the varying 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80036.bmp
원본 그림의 크기: 가로 274pixel, 세로 71pixel well.

The effect of discharging efficiency is not considered.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80037.bmp
원본 그림의 크기: 가로 40pixel, 세로 62pixel is calculated for a specific temperature, while the actual temperature undergoes obvious fluctuations.


Fig. 18. Performance comparison between the Enh-Ah estimator and the Simp-Ah estimator under constant ambient temperatures (40 °C and –7 °C) on (a) Battery1 and (b) Battery2.

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80038.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1194pixel, 세로 779pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80039.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1197pixel, 세로 783pixel

(b)


The estimation accuracy under normal temperature (40°C) is clearly higher than that under extreme temperature (–7°C). The considerable difference between the released capacities under 40 °C and –7 °C implies that Battery2 is more sensitive to temperature and suffers serious capacity degradation under low temperature. This finding may be ascribed to the package and shape of Battery2, which contribute to heat dissipation. Constant temperature experiments produce satisfactory results, which suggest that the proposed Enh-Ah estimator is superior to the traditional Simp-Ah estimator.


D. SoC Estimation under Varying Temperatures

To analyze the robustness of the Enh-Ah estimator against harsh conditions, comprehensive experiments are carried out with the temperature varying within the main range specified in Table I. The temperature varies from –13°C to 37°C for Battery1 and from –2°C to 45°C for Battery2. Given that Simp-Ah has no coping mechanism against the varying temperature, which leads to a meaningless estimation result, the comparative experiments by Simp-Ah are omitted in this section. For Battery1 and Battery2, estimations are performed from two initial states: the fully charged state and a partially discharged state. For example, the initial SoC of the partially discharged state for Battery1 is obtained by first discharging the battery to approximately 20% DoD and then mapping from Fig. 11 using the real-time discharging terminal voltage and temperature.

Fig. 19 shows that the SoCs estimated by Enh-Ah can follow the reference SoCs closely. Though subject to varying temperature, the Max errors remain lower than 2.69%, part of which is ascribed to the initial errors in the partially discharged cases. In summary, the proposed Enh-Ah SoC estimator maintains high accuracy in the entire temperature range.


Fig. 19. Performance of the proposed Enh-Ah estimator under varying ambient temperatures on (a) Battery1 (–13 °C–37°C) and (b) Battery2 (–2 °C–45°C).

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8003a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1209pixel, 세로 812pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8003b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1209pixel, 세로 809pixel

(b)



Ⅵ. CONCLUSIONS

An enhanced Ah method for SoC estimation is proposed by combining Peukert’s law for the discharging process and the Coulombic efficiency for the charging process. However, the Peukert coefficient and Coulombic efficiency measured under a particular condition are unsuitable for dynamic load and varying temperature. This paper proposes a concept of effective current factoring in the impact of current rate and temperature on capacity. The difference in charge counting accuracy at different sampling frequencies is analyzed. In response, a FA current sampling solution is devised. Consequently, a SoC estimator of low complexity and low computational overhead but high accuracy is established. Experiments using dynamic load profile and various temperature profiles on two batteries of different chemistries verify the effectiveness and robustness of the proposed SoC estimation method.



APPENDIX


A. Derivation of Eq. (5)

For current rate I, the corresponding effective current 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8003c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 150pixel, 세로 69pixel with respect to the nominal capacity 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8003d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 61pixel, 세로 63pixel means that

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8003e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 464pixel, 세로 73pixel           (A1)

where t is the time spent to deplete the battery at rate I, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8003f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 64pixel, 세로 58pixel is the corresponding released charge.

From Eq. (1), we know that

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80041.bmp
원본 그림의 크기: 가로 411pixel, 세로 72pixel   (A2)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80042.bmp
원본 그림의 크기: 가로 47pixel, 세로 58pixel is the nominal discharge rate regarding ,그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8003d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 61pixel, 세로 63pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80043.bmp
원본 그림의 크기: 가로 56pixel, 세로 54pixel is the corresponding discharge time.

Transformed from Eq. (A.2), we obtain

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80044.bmp
원본 그림의 크기: 가로 457pixel, 세로 71pixel           (A3)

where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80045.bmp
원본 그림의 크기: 가로 217pixel, 세로 59pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80046.bmp
원본 그림의 크기: 가로 263pixel, 세로 64pixel.

Then, by arranging Eq. (A.1), we obtain

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80047.bmp
원본 그림의 크기: 가로 367pixel, 세로 71pixel     (A4)

When Eq. (A.3) is substituted into Eq. (A.4), Eq. (5) can be obtained as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80048.bmp
원본 그림의 크기: 가로 467pixel, 세로 71pixel          (A5)


B. Derivation of Eq. (6)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd80049.bmp
원본 그림의 크기: 가로 60pixel, 세로 62pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8004a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 61pixel, 세로 62pixel are the corresponding capacities of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8004b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 47pixel, 세로 58pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8004c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 24pixel, 세로 49pixel, respectively, and by substituting them into Eq . (A.3), we obtain

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8004d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 468pixel, 세로 65pixel   (B1)

A logarithmic expression can be derived as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8004e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 590pixel, 세로 68pixel       (B2)

According to the logarithmic formula of Change of Base, Eq. (B2) is re-expressed as

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000cd8004f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 716pixel, 세로 70pixel   (B3)



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Jiale Xie received his B.S. degree from Harbin Engineering University, Harbin, China, in 2010, and his M.S. degree in Control Science and Engineering from the Harbin Institute of Technology, Harbin, China, in 2012. From 2012 to 2013, he worked with the Envision Energy Co., Ltd., Shanghai, China, where he was in charge of the control strategy of wind turbines. Since 2014, he has been working toward his Ph.D. degree at the School of Astronautics, Harbin Institute of Technology. His current research interests include battery modeling and simulation, state estimation of power Li-ion batteries, series battery string equalization, and embedded control.


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Jiachen Ma was born in 1964, China. He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Control Science and Engineering from the Harbin Institute of Technology, Harbin, China, in 1985, 1988 and 2006 respectively. He is currently a professor at the School of Astronautics, Harbin Institute of Technology. His current research interests include intelligent robots, precise machine vision detection, embedded system and application, and battery energy management.


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Kun Bai received his B.S. and M.S. degrees in Control Science and Engineering from Harbin Engineering University, Harbin, China, in 2010 and 2013, respectively. Since 2013, he has worked with the State Grid Jibei Electric Power Co. Ltd., Maintenance Branch, Beijing, China, where he is in charge of power grid failure diagnosis. His current research interests include high-voltage insulation, smart power grids, and wind–solar-storage hybrid power system.