I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,  Dece m b er   20 2 4 ,   p p .   8 8 6 ~ 8 9 9   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e . v 1 3 . i 4 . pp 886 - 899           886     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij a p e . ia esco r e. co m   Perf o rma nce  ana ly sis  of CKF alg o rithm f o r  batte ry   So C  estima tion wi th  i t s a g ing  ef fec t       G .   G ee t ha   Ra v a li ,  K .   N a ra s im ha   Ra j u   D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s  En g i n e e r i n g ,   K o n e r u   La k s h ma i a h   Ed u c a t i o n   F o u n d a t i o n ,   V a d d e sw a r a m,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   1 0 ,   2 0 2 3   R ev is ed   J u l 1 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   J u l 1 9 ,   2 0 2 4       Th e   p e n e tratio n   o f   e lec tri c   v e h icle   (EV)  in   a u t o m o b il e   m a rk e t  is   v e ry   m u c h   d e p e n d e n t  o n   t h e   b a tt e ry   tec h n o l o g y .   Its  siz e ,   we ig h t,   a n d   c o st   a re   issu e s  o f   c o n c e rn .   T o   e ffe c ti v e ly   u t il ize   th e   b a tt e ry   e x p e rti se ,   p re c ise   e stim a te  o f  sta te   o f  c h a r g e   (S o C)  is  v it a l  w h ich   g r e a tl y   d e p e n d s   o n   th e   b a tt e ry   m o d e l.   Cu rre n t   m o d e ls  lac k   c o n si d e ra ti o n   f o r  v a ri a ti o n s  in   b a tt e ry   c a p a c it y   o v e r  t h e i r  li fe sp a n .   Th is  p a p e r  d e v e l o p s  a   b a tt e ry   m o d e l  wh ich   d e p ic ts  th e   d e p leti o n   o f  b a tt e r y   c a p a c it y   with   it s   li fe .   S u b se q u e n tl y ,   th is   m o d e l   h a s  b e e n   u ti li z e d   fo r  e stim a ti o n   u sin g   a d v a n c e d   Ka lma n   fil terin g   (KF)  a lg o ri th m s.  F o r  t h e   d e v e l o p e d   m o d e l ,   th e   d e sig n   a n d   e ffe c ti v e n e ss   o f  t h e   c u b a tu re   Ka lma n   f il ter  (CKF)  is  a p p li e d   a s   a   p ro p o se d   r o b u st  sta te - e stim a to r  fo r  t h is  p r o b lem .   M o re o v e r,   a   c o m p a ra ti v e   a n a ly sis  wa s  u n d e rtak e n   wit h   e x i stin g   n o n - li n e a r  KFs  b a se d   o n   p e rfo rm a n c e   m e tri c s.  Th e   o p ti m a l  c h o ice   o f  e stim a to r  is  id e n ti fied ,   th r o u g h   t h e   re su lt s   o b ta i n e d   fr o m   t h e   Oc tav e /M AT LAB  sim u latio n .   Th e   o u tco m e s  sh o w  CKF   a lg o rit h m   b a se d   S o C  e stim a to r  is   su p e rio r  to   o t h e rs  in   e n su ri n g   h ig h   a c c u ra c y ,   stro n g   r o b u stn e ss   e v e n   u n d e r   c h a n g e s  i n   in it ial   c o n d it io n s  (i. e . ,   i n it ial  S o C,   p ro c e ss   a n d   se n s o r  n o ise   lev e ls),   sy ste m ' s  a b il it y   t o   c o n v e r g e   q u i c k ly   wh il e   e n su rin g   t h a t  th e   m a x im u m   e rro r  in   sta te  o f   c h a rg e   (S o C)  e stim a ti o n   re m a in s   with in   1 %   a fter co n v e rg e n c e .   K ey w o r d s :   B atter y   m an ag em en t sy s tem     B atter y   m o d el   C ap ac ity   d eg r ad atio n   E lectr ic  v eh icle   Kalm an   f ilter   L ith iu m - io n   b atter y   State  esti m atio n   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   K.   Nar asimh a  R aju   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g in ee r i n g ,   Ko n er u   L ak s h m aiah   E d u ca tio n   Fo u n d atio n   Vad d eswar am ,   An d h r a  Pra d es h ,   I n d ia   E m ail: n ar asimh ar aju _ ee e@ k l u n iv er s ity . in       NO M E N CL A T UR E   z   :  S tate  o f   ch ar g e   x [ k +1 ]   :  State  p r ed ictio n   tim e  u p d ate   v ( t)   :  T er m in al  v o ltag e   t   :  Sam p lin g   in ter v al   i( t)   :  B atter y   in s tan t d is ch ar g e  cu r r en t   1   :  C u r r en t th r o u g h   R 1   an d   C 1   η   :  C o u lo m b ic - ef f icien c y   ℎ [ ]   :  Hy s ter esis   Q   :  C ap ac ity     :  R ate  o f   d ec ay   T   :  T em p er atu r e   M   :  M ax im u m   p lu s /m in u s   h y s ter esis   R   :  R esi s tan ce   Sg n ( z)   :  F o r ce s   s tab ilit y   f o r   b o th   d is /ch ar g e   C   :  C ap ac itan ce    ,   ,     :  A r b itra y   co n s tan ts   A[ k ]   :  State  tr an s itio n   m atr ix   R   :  G as c o n s tan t   B [ k ]   :  C o n tr o l - in p u t  m atr ix   Z   :  A d ju s tab le  f ac to r   u [ k ]   :  C o n tr o l in p u t   A   :  F ac to r   o f   p r e - ex p o n e n tial te r m     :  A ctiv atio n   en er g y   T   :  A b s o lu te  tem p er atu r e     :  C y cles u n d er   d is ch ar g e/c h ar g e       :  O u tp u t e q u atio n     :  S en s o r   n o is e     :  Pro ce s s   n o is e   ∑ ̃ , +   :  E r r o r   c o v ar ian ce   esti m ate   μ   :  Mean   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       P erfo r ma n ce   a n a lysi s   o f CK F   a lg o r ith m  fo r   b a tter y  S o C   esti ma tio n   w ith   its   a g in g   effec t   ( G .   Gee th a   R a v a li )   887   1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  d e v elo p m e n t  o f   elec tr ic  v eh icle s   ( E Vs)   will  m itig ate   co n tin g en t   o n   f o s s il  f u els  f o r   tr a n s p o r tatio n .   B y   u s in g   elec tr icity ,   wh ich   ca n   b e  g en er ated   f r o m   a  v ar iety   o f   s o u r ce s ,   co u n tr ies  ca n   en r ich   t h eir   u tili ty   ch o ices  th er ef o r e   m itig ate  its   r elian ce   o n   o il  im p o r ts .   Ultim ately ,   t h e  o v e r ar ch in g   g o als  in clu d e   m itig atin g   clim ate   ch an g e,   l o wer in g   th e  tr an s p o r tatio n   s ec to r ' s   g lo b al  em is s io n s   wh ile  p r o g r ess in g   in   th e   s tr id e  to   a  clea n e r ,   g r ee n er   f u tu r e   [ 1 ] .   T h e  d ev e lo p m en t  o f   E Vs  f o s ter s   tech n o lo g ical  in n o v atio n   in   v ar io u s   asp ec ts ,   d r iv in g   im p r o v em e n ts   in   p er f o r m an c e,   r an g e,   ef f icien cy ,   an d   u s er   ex p er ien ce .   So m e  n o tab le  ar ea s   o f   in n o v atio n   in clu d e  b atter y   tech n o lo g y ,   en er g y   s to r a g e,   elec tr ic   m o to r s   an d   d r iv etr ain   s y s tem s ,   r an g e   ex ten s io n ,   v eh icle - to - g r id   tec h n o lo g y ,   au to n o m o u s   d r iv in g   in teg r atio n ,   an d   ch ar g in g   i n f r astru ctu r e   [ 2 ] ,   [ 3 ] .   T h e  ac h iev em e n t  o f   f u r th er   a d v an ce m e n ts   an d   wid esp r ea d   ad o p ti o n   o f   elec tr ic  v e h icles  h in g es  s ig n if ican tly   o n   t h e  ef f ec tiv en ess   o f   b atter y   p ac k s   as  th e  p r im a r y   p o wer   s o u r ce .   I n   E V  m a r k e t,  l ith iu m - io n   b atter ies  ar e  b e co m in g   ev e r   m o r e  p r ev alen t   co m p ar e d   to   o th e r s   o win g   to   th eir   s u p er io r   en er g y / p o wer   d en s ity ,   ze r o   m em o r y   im p ac t,  d ee p er   life   ex p ec tan cy ,   an d   ex te n d ed   c y clin g   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   C o n s eq u e n tly ,   a  c r itical  asp ec t  o f   en h a n cin g   m o d er n   EV   p er f o r m an ce   is   th e  cr u cial  s o f twar e  co m p o n e n t  o f   b atter y   m an ag em en t  s y s tem s   in v o lv es  p ar am eter s   ( v o ltag e,   cu r r en t  an d   tem p e r atu r e)   an d   s tates  ( s tate  o f   ch ar g e  ( So C ) ,  s tate  o f   h ea lth   ( So H ) ,   an d   s tat e  o f   p o wer   ( So P ) )  m o n ito r in g   [ 6 ] .  So C   ac ts   as  a  k ey   elem en t  a n d   h o s t  f o r   o th er   o p er atio n s   an d   ca lcu latio n s ,   th u s ,   p r ec is e  So C   es tim ate  m ax im iz es   b atter y   co n s u m p tio n   b y   p r o v id in g   ac c u r ate  tr av el  d is tan ce   an d   en s u r es  s af e  o p er atin g   lim its   f o r   th e  b atter y .   So C   g iv es  d ef in ite  esti m ates   in   d r iv in g   r an g e   an d   th e  lef to v er   ca p a city   with in   th e  p ac k   th at  p lay s   an   en er g etic  p o s itio n   in   o p tim izin g   th e  c h ar g i n g   an d   d is ch ar g i n g   p r o ce s s es  co n tr o l   [ 7 ] .   Dir ec t  m ea s u r em en t  o f   So C   is   n o t  f ea s ib le  s in ce   it  i s   n o t  a  p h y s ical  q u an tity .   Th er e f o r e ,   So C   ca n   o n ly   b e  r eliab ly   esti m ated .   E v en   s o ,   d r iv en   b y   t h e  in ten s e   n o n lin ea r   p r o p e r ties   an d   tim e - v a r ian ce   s y s tem   o f   b atter ies,   ch allen g es  p er s is t  to   ac h iev e  p r ec is e  ass ess m en ts   o n   S o C   u pon   in tr icate   r ea l - wo r ld   cir cu m s tan ce s ,   co m p o u n d ed   b y   o th er   d iv er s e  in f lu en ci n g   f ac t o r s   lik e   fl u ctu atin g   tem p er atu r e   r an g e,   an d   a g in g   s tatu s   [ 8 ] .   Ov er   th e  p ast  d ec ad e ,   m o s t  r es ea r ch   in   th e  is s u e  h as  em p h asized   th e  u s e  o f   en h a n cin g   th e   a cc u r ac y   o f   So C   est im atio n   to   o f f er   a  clea r   co n ce p t  to   th e  r esear ch er s   an d   m an u f ac tu r er s   f o r   th e  im m in e n t  E V  p r o g r ess io n .  Var io u s   So C   esti m atio n   tech n iq u es   th at  a r e  wid ely   em p lo y ed   ar e  v o ltag e - b ased /lo o k - u p ,   cu r r en t - b ased /co u lo m b - co u n tin g / a m p er e - h o u r   i n teg r atio n ,   m o d el - b a s ed ,   an d   d ata - d r iv e n   tech n iq u e s .   I n   m ajo r ity   o f   th e   ca s es,  r esear ch er s   p r ed o m in an tly   f o cu s ed   o n   m o d el - b ased   an d   d ata  ap p r o ac h es [ 9 ] ,   [ 1 0 ] .   T h e  tr ad itio n al  lo o k - u p   tab le   u s ed   th e  d ir ec t - m ap p i n g   c o r r elatio n   b etwe en   So C   a n d   p ar am eter s   d escr ib in g   ex te r io r   c h ar ac ter is tics ,   s u ch   as  im p ed an ce   a n d   o p en - cir cu it  v o ltag e.   T h e  r elatio n   was  tab u lated   th r o u g h   th o r o u g h   lab   test s .   I n   r ea l - wo r ld   ap p licatio n s ,   esp ec ially   b ey o n d   c o n tr o lled   lab o r ato r y   s ettin g s ,   lith iu m   io n   b atter ies  ( LIB )   was  ty p ically   o p er ated   c o n tin u o u s ly ,   h en ce   n o t  p r ac tical.   I n   c o n tr ast,  th e  co lo u m b   co u n tin g   ( CC )   was  f air ly   ac cu r ate  u n d e r   k n o wn   in itial  co n d itio n s ,   p r ec is e  s en s o r   ca lib r atio n ,   a n d   a g i n g   le v els.  I n ac cu r ac ies  c o u ld n ' t  b e  av o id ed   i n   th is   ca s e  b ec au s e  o f   its   o p en - l o o p   m ec h an is m .   Desp ite  th e  s im p licity   o f   tr ad itio n al  m et h o d s   ( v o ltag e,   an d   c u r r e n t - b ased ) ,   th e  r esu lts   r ea lize  th e  f laws  o f   lo n g   r esti n g   tim e,   u n k n o wn   in itial  So C ,   h ig h   ac cu r a cy   m ea s u r em en t   in   v o ltag e,   an d   s en s o r   er r o r .   T h i s   u n ce r tain   in itial  v alu e  cr ea tes  an   er r o r   o f   2 0 %  m o r e  wh ich   ca n   b e  r ed u ce d   by  ef f ec tiv e  er r o r   r ec alib r atio n   f r o m   th e  m ap p in g   r elatio n s h ip   o f   So C   v er s u s   o p en   cir cu it  v o ltag e  ( OC V )   tab le  as  p r esen ted   in   [ 11 ] ,   [ 1 2 ] .   W ith   k n o wn   i n itial  So C ,   s en s o r   ca lib r atio n ,   an d   u p d ate d   ca p ac ity ,   am p er e - h o u r   in teg r atio n   ( AHI )   attain s   ac cu r ate  ac cu r ac y   as  s tated   in   [ 1 3 ] .  Fro m   th e  au th o r ’ s   f in d i n g s ,   it  is   o b s er v ed   th at  th e   co m b in atio n   o f   th ese   m eth o d s   m ay   p o s s ib ly   g iv e  b etter   ac cu r ac y   b u t  r em ain s   u b i q u ito u s   a n d   in ap p licab le  f o r   o n lin e  ass ess m en t .   T h e  id ea   o f   a  co m b in ed   ap p r o ac h   is   s u p p o r ted   b y   s tu d ies  [ 1 4 ] ,   [ 1 5 ] ,   wh ich   d eliv er   ef f icien t   o p er atio n .   Desp ite  th e  f ac t ,   m e asu r in g   th e  OC V  in   r ea l - tim e  p r o v es  ch allen g in g   d u e  to   u n ce r tain   d r iv in g   cy cles,  co m p lex   a p p licatio n   cir c u m s tan ce s ,   an d   o t h er   v a r iab les.  B ased   o n   th ese  f in d in g s ,   id e n tify in g   a  p r ec is e  an d   s tr aig h tf o r war d   m o d el  is   a  c r u cial  co n ce r n ,   n e ce s s itatin g   th e  wid esp r ea d   u tili za tio n   o f   m o d el - b ased   m et h o d s   ( an aly tic  an d   s tatis tical/em p ir ical  lin ea r izatio n )   lik e   o b s er v er s ,   an d   f ilter in g   tech n iq u es  f o r   ac cu r ate  So C   esti m atio n   [ 1 6 ] - [ 1 8 ] .  An o th er   p o s s ib ilit y   wo u ld   b e   d ata - d r iv en   ap p r o ac h es ,   t h at  r ely   o n   th e  an al y s is   an d   u tili za tio n   o f   d ata  f o r   esti m ati o n   p r o ce s s .   I n s tead   o f   r ely in g   s o lely   o n   p r ed ef in e d   m o d els,  th ese  ap p r o ac h es  u s e  r ea l - wo r ld   d ata  to   m ak e  p r e d ictio n s   an d   ass ess   th e  s tatu s   o f   a  b atter y .   Fro m   th e   ex p er im en tal   d atasets ,  r esear ch er s   em p lo y   m eta - h e u r is tic  tech n iq u es,  an d   m a ch in e  lear n in g   o r   s tatis tical  m eth o d s   to   p r o ce s s   an d   in ter p r et  th e   in f o r m atio n   o b tai n ed   f r o m   th e   b atter y   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .   T h e y   d o n ' t  r ely   o n   a  p r ed e f in ed   m o d el  s tr u ctu r e  an d   ca n   ad ju s t  to   d iv er s e  a n d   d y n am ic  s ce n a r io s .   Als o ,   ca n   lear n   d ir ec tly   f r o m   o p er atio n a l  d ata,   r e d u cin g   th e   im p ac t  o f   m o d elin g   e r r o r s .  B u t   t h e n ,   t h e y   c o m e   w i t h   i n h e r e n t   d r a w b a c k s   l i k e   l i m it e d   g e n e r a l i z at i o n ,   d a t a  d e p e n d e n c y ,   a b s e n c e   o f   p h y s i c a l   i n t e r p r e t a b il i t y ,   o v e r f i tt i n g ,   c o m p u t a t i o n a l   c o m p l e x i t y ,   a n d   r o b u s t n e s s   c o n c e r n s .   To   an ticip ate  th e  i n ter n al  d y n am ic  b eh av io r s   o f   a   b atter y ,   i t  is   ess en tial  to   cr ea te  a  m o d el  f o r   th e   b atter y .   E q u iv alen t   cir cu it  m o d els   [ 2 1 ] ,   c h ar ac ter ized   b y   t h eir   s im p le  s tr u ctu r es,  o f f er   a   p r ac tical  ap p r o ac h   with o u t  r eq u ir in g   p r io r   k n o w led g e  o f   elec tr o ch em is tr y   as  m en tio n ed   in   [ 22 ] .   Ho wev er ,   th ese  co n v en tio n al  m o d els  lack   p h y s ical  in s ig h ts ,   an d   u n ce r tain ties   lik e  h y s ter esis   an d   ag in g   ef f ec t  an d ,   co n s eq u en tly ,   ar e  n o t   s u itab le  f o r   esti m atin g   th e  h e alth - r elate d   s tates  an d   p o wer   m an ag em en t .   I n   c o m p ar is o n ,   m o d els  r o o ted   i n   f u n d am e n tal  elec tr o ch em ical  an d   th er m o d y n a m ic  p r in cip le s ,   co m m o n ly   r ef e r r ed   to   as  p h y s ics - b ased   m o d els   lik e  p s eu d o - two - d im en s io n al   as  p r esen ted   in   [ 23 ] ,   ex ce l  in   p r o v id in g   m o r e  v alu ab le  an d   ess en tial  in f o r m atio n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,  Dece m b er   20 2 4 :   8 8 6 - 899   888   T h ey   p r o v e  a d ep t  at  p r ed ictin g   b atter y   h ea lth   an d   p lay   a   cr u cial  r o le  in   th e  d ev elo p m en t   o f   o p tim al  co n tr o l  s tr ateg ies  [ 24 ] .   B u t  th en   im p lem en tin g   h ig h ly   n o n lin ea r   p ar tial  d if f er en tial - alg e b r aic  eq u atio n s   o n   b atter y   m an ag em en t  s y s tem   ( B MS )   f o r   o n lin e  ap p licatio n   is   im p r ac tical  d u e  to   co m p u tatio n al  co m p lex ity   as  m en tio n ed   in   [ 25 ] .   I n   lig h t  o f   th ese  c o n cl u s io n s ,   th er e  is   a  n ee d   f o r   a n   e n h an ce d   cir cu it  m o d el  o f   a  lith iu m - io n   b atter y   th at   ca n   ad d r ess   u n ce r tain ties ,   th er eb y   m a k in g   ac cu r ate  esti m atio n   p o s s ib le.   A m o n g   t h e  e x is tin g   m o d els,  th e   ab s en ce   o f   d eg r ad atio n   d y n a m ics ,   ca p ac ity   esti m atio n   a n d   ad ap tiv e   esti m atio n   o f   u n k n o wn   er r o r   c o v ar ian ce   r esu lt s   in   in ac cu r ac y   o f   th e  p er f o r m an ce   as  m en tio n e d   in   [ 26 ] ,   [ 2 7 ] .   Fo r   m an y   y ea r s ,   th is   ca p ac ity   d eg r ad atio n /  ag in g   ef f ec t  p h e n o m e n o n   was  s u r p r is in g ly   n e g lecte d   in   t h e  m o d ellin g   an d   esti m atio n   p r o ce s s .   T h e  ab o v e   f in d in g   is   r elate d   to   th e  s tu d y   o f   [ 2 8 ]   th at  th e   th eo r y   o f   L i - io n   b atter y   ag ein g   r esu lts   in   ca p ac ity   f ad e,   a n d   n o n lin ea r   ag ein g .   T h ese  s tu d ies   f o cu s   o n   d ev elo p in g   a   m o d el  th at  ca n   p r e d ict  life tim e   p r ed ictio n   o f   ce ll  ca p ac ity .   Fo llo win g   th is ,   f o r ec asts   b o th   lin ea r / n o n lin ea r   d eg r ad atio n   b ased   o n   v a r ied   co n s tan t  cu r r e n t  cy clin g   d ata  ( C /3   ch ar g in g   -   4 C   d is ch ar g in g )   ( h er e  C - C r ate;  a  r elativ e  m ea s u r e  o f   cu r r en t ) ,   d e m o n s tr atin g   a  9 8 %  g o o d n ess - of - f it - er r o r   with   s u r p ass in g   th e  p er f o r m a n ce   o f   e s tab lis h ed   ag in g   m o d els.   T h e   r esu lt   in   [ 2 9 ] - [ 3 2 ]   ad d r ess ed   ce r tain   ch allen g es m en tio n ed   ea r lier ,   s u g g esti n g   an   en h an ce d   b atter y   m o d el  f o r   So C   esti m atio n   an d   d eg r ad e d - ca p ac ity   th r o u g h   an   im p r o v e d   ex ten d e d   K alm an   f ilter   ( KF ) .  A  s im ilar   m o d el  is   u s ed   b y   [ 3 3 ]   with   p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   te ch n iq u e   to   m itig ate  th e   p o te n tial  f o r   p r ed ictio n   d ev iatio n ,   alo n g s id e  f o s ter in g   th e   p r o ce s s - n o is e  co v ar ia n ce   v ec t o r   r esu ltin g   f r o m   ac c u m u lated   er r o r s   d u r in g   p r o l o n g e d   o p e r a tio n .     In   co n tr ast,  th e  s tu d y   b y   [ 34 ]   in d icate d   th at   an   im p r o v e d   ad ap tiv e  ex ten d e d   Kalm an   f ilter   can   ac co m p lis h   co - esti m atio n   f o r   b atter y   ca p ac ity   a n d   So C   an d   is   p r o v en ,   en s u r in g   th at  th e  So C   er r o r   r em ain s   with in   ± 1 . 2 %  d u r i n g   th e  in iti al  5 0   s ec o n d s ,   an d   th e  r elativ e  ca p ac ity   er r o r   is   r estricte d   to   with in   2 %  af ter   co n v er g en ce .   Ho we v er ,   th e   s tu d y   s o lely   c o n s id er ed   t h e  h y s t er esis   ef f ec t,  an d   co m p lex ity   o f   d r iv in g   co n d itio n s   an d   o v e r lo o k ed   th e  p o ten tial c h allen g es th at  th e  b at ter y   en co u n ter s   d u r i n g   p r o lo n g ed   e x p o s u r e  to   h ig h   C - r ates  an d   ag in g   as  s h o wn   b y   th e  s tu d ies  in   [ 35 ] ,   [ 36 ] .   On   th e  o t h er   h an d ,   a  s ea r ch   o f   th e  liter atu r e  r ev ea led   th at   lim ited   s tu d ies  h av e   f o cu s ed   o n   m ac h in e  lear n in g   ( ML )   tech n iq u es  d u e  to   th e   co m p lex ity   i n   m o d el - b ased   [ 37 ] ,  [ 38 ] .   Hav in g   s aid   th at  in   f u tu r e,   in teg r atio n   o f   m o d el  an d   d a ta - d r iv en   m eth o d s   ca n   b e  an   e f f ec tiv e  p r o g r ess io n   f o r   f u r th e r   ac c u r ac y   [ 39 ].   Au t h o r s   in   [ 4 0 ] ,   [ 4 1 ]   ad d e d   th at   m u lti - s tate  esti m atio n   p lay s   a   cr itical  r o le   in   th e   en h an ce m e n t  o f   b atter y   p er f o r m an ce .   T h e ir   m eth o d o lo g y   in co r p o r ates  th e  ap p licatio n   o f   an   en s em b le - em p ir ical  m o d e  d ec o m p o s iti o n   with   a d ap tiv e  n o is e,   co m b in ed   to   an   au to e n co d er   co n s id er in g   m o d el   u n ce r tain ties .  U p d ates  on   v ar io u s   p ar am eter s   an d   tim e  s ca les  is   ac co m p lis h ed   th r o u g h   th e   d u al - ex ten d ed   Kalm an   f ilter .  Fo r   im p r o v in g   th e  r ate  o f   esti m ato r ,   th e   s tu d y   u s ed   t h e  v a r iab le  f o r g ettin g   f a cto r   lim ited   m em o r y   r ec u r s iv e  least  s q u ar es  tech n i q u e.   Similar ly ,   t h e  au th o r s   in   [ 4 2 ] ,   [ 4 3 ]   f o u n d   th at  elec tr o c h em ical  im p ed a n ce   s p ec tr o s co p y   is   also   a   p o we r f u l  to o l  f o r   ac h ie v in g   p r ec i s e  s tate  esti m atio n .   C o n v er s ely ,   in   r ea l - wo r l d   ap p licatio n s ,   th e  im p lem en tati o n   o f   elec tr o c h em ical  im p ed a n ce   s p ec tr o s co p y   ( EIS )   m ay   r eq u ir e  s p ec ialized   eq u ip m en t ,   s o p h is ticated   an aly tical  tech n iq u es,   an d   ca r ef u l  co n tr o l  o f   ex p er im en tal  co n d it io n s .   Alter n ativ ely ,   th e  s tu d y   b y   [ 4 4 ]   s u g g ested   an   ad ap tiv e  f r ac tio n al - o r d er   s q u a r e  r o o t  u n s ce n ted   KF  wh ich   d y n am ically   u p d ate s   d is tu r b an ce   s tatis tics   in   r ea l - ti m e  ad d r ess in g   th e  p r o b lem   o f   d ev iatio n   b r o u g h t  o n   b y   im p r o p er   n o is e  co v ar ian ce   m atr ices .   I n   co m p ar is o n   t o   o t h er   KFs   as  m en tio n ed   ab o v e ,  th e  s tu d ies  b y   [ 4 5 ] ,   [ 4 6 ]   s u g g est  th at  cu b atu r e   K alm an   f ilter   ( C KF )   ex ce ls   in   h an d lin g   th e   co m p lex ities   o f   n o n lin ea r   d y n am ics,  p r o v id i n g   m o r e  r eliab le ,   an d   p r ec is e  esti m at es.  I ts   ad ap tab ilit y   an d   ef f ec tiv en ess   m ak e  it  a  v alu ab le   to o l  f o r   a p p lica tio n s   r an g in g   f r o m   r o b o tics   an d   n av ig atio n   s y s tem s   to   s ig n al  p r o ce s s in g   an d   co n tr o l e n g i n ee r in g .     E v en   th o u g h   th er e   h as  b ee n   q u an titativ e  a n aly s is   o f   v a r io u s   esti m atio n   tech n iq u es,  n o   d etailed   in v esti g atio n   o f   m o d el  u n ce r t ain ties   ( h y s ter esis ) ,   ca p ac ity   esti m atio n   co n ce r n in g   t h e  ag in g   ef f ec t,  wh ich   ar e   th e  m ajo r   ch allen g es to   b e  a d d r ess ed   f o r   e n h an ce m en t  o r   o f   b atter y   p e r f o r m an ce ,   a n d   p r ac t icality .   I n   r e g ar d   to   th is ,   ad v an ce m e n ts   s h o u ld   c o llectiv ely   aim   to   a d d r ess   th ese  co n f r o n ts   co r r elate d   with   th e  s u p er io r   s tate   esti m atio n   p r o ce d u r e ,   ac h iev i n g   m o r e  r eliab le  an d   r o b u s t  b atter y   s tate  esti m atio n   in   v ar io u s   ap p licatio n s .   I n ter esti n g ly ,   p r ev io u s   r esear c h   h as  n o t  ex p l o r ed   b atter y   m o d elin g   with   h y s ter esis   an d   ag ein g   ef f ec ts   in   th e   esti m atio n   p r ac tice.   I n   v iew  o f   th ese  s h o r tco m in g s ,   C KF,  as  a  r o b u s t  s tate  esti m ato r ,   is   p r o p o s ed   in   th is   f ield   o f   wo r k .   T h e  k ey   c o n tr ib u ti o n   o f   th e  ar ticle   is   as f o llo ws:   -   A  s tate - s p ac e  r ep r esen tatio n   o f   th e  b atter y   m o d el   an d   m ath e m atica l  m o d el  o f   ca p ac ity   d eg r ad atio n   o r   ag i n g   ef f ec t is m ad e  f o r   th e  ef f ec tiv e   s tate  esti m atio n ;   -   As  a  s tate - of - ar t  r o b u s t  alg o r it h m ,   th e  C KF  m eth o d   is   d ev elo p ed   to   o b tain   b etter   ac cu r ac y   i n   So C   esti m atio n   u n d er   ca p ac ity   d e g r ad atio n   o r   ag in g   ef f ec t ; a n d   -   C o m p ar ativ e  an aly s is   o f   th e  p r o p o s ed   C KF  with   o th er   KFs   u n d er   eq u i v alen t  n o n lin ea r ities   an d   ag in g   ef f ec t.     T h e  r em ain in g   p a p er   is   o r g an ized   as  f o llo ws.  Sectio n   2   f ir s t  d escr ib es  th e  co m p lete  b atter y   m o d el.   Nex t,  th e  d etailed   m ec h an is m   f o r   ag in g   is   p r esen ted   an d   its   m ath em atica l  m o d el  h as  b ee n   d ev elo p ed   f o r   ca p ac ity   esti m atio n .   Sectio n   3   ex p lain s   co n v en tio n al  an d   p r o p o s ed   So C   esti m atio n   m eth o d o lo g ies  with   its   alg o r ith m s .   I n   s ec tio n   4 ,   th e  e f f ec tiv en ess   o f   th e  p r o p o s ed   r o b u s t  C KF  tech n iq u e  is   v er if i ed   with   co m p a r is o n   o f   o th e r   f ilter in g   tec h n iq u es.  F in ally ,   s ec tio n   5   p r o v i d es a   s u m m ar y   o f   th e  f i n d in g s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       P erfo r ma n ce   a n a lysi s   o f CK F   a lg o r ith m  fo r   b a tter y  S o C   esti ma tio n   w ith   its   a g in g   effec t   ( G .   Gee th a   R a v a li )   889   2.   B AT T E RY  M O D E L   AND  M O DE L   P ARA M E T E RS I DE N T I F I CAT I O N    2 . 1 .     E nh a nced  s elf - co rr ec t ing   m o del   Dev elo p in g   a  c o n cise  an d   ac cu r ate  b atter y   m o d el  is   th e   p r e - r eq u is ite  co n d itio n   th at  s ig n if ican tly   im p ac ts   th e  p r ec is io n   o f   th e  So C   esti m atio n .   C o m p ar ed   to   v ar io u s   m o d els  av ailab le  f o r   L i th iu m - io n   b atter ies,   as  d is cu s s ed   ea r lier   co n ce r n i n g   s tab ilit y ,   n o n lin ea r ities ,   p r ec is io n ,   an d   less   co m p licated   co m p u tin g   in   So C   esti m atio n ,   th e  e n h an ce d   s elf - co r r ec tin g   ( E SC )   m o d el  was  d ev elo p ed ,   as  d ep icted   in   Fig u r e  1 .   T h e   d ev el o p ed   m o d el  in co r p o r ated   p a r am eter s   r elate d   to   d if f u s io n ,   OC V  as  a  m ea s u r e  o f   So C ,   an d   o h m ic  r esis tan ce ,   in clu d in g   th e  h y s ter esis   ef f ec t .   Hy s ter es is   is   a  p ath - d ep en d en t  v o ltag e   th at  d o es  n o t  d ec ay   t o   ze r o   wh en   th e  ce ll  r ests ,   u n lik e  d if f u s io n   v o ltag es  th at  ch an g e  with   tim e.   T h e  m o d el  p ar am eter s   wer e   d eter m in ed   u s in g   ex p er im en tal   d ata  f r o m   t h e  1 8 6 5 0 - b atter y   ce ll.   T o   d eter m in e  t h e  m o d el  p ar am eter   v alu es,  th e  f u n ctio n s   w er e  ass o ciate d   with   a  to o lb o x   n a m ed   E SC   in   Octa v e/M AT L AB   wh ich   p r o v id e s   ac ce s s   to   th e  m o d el  f ield s   ( p r o ce s s   OC V  an d   p r o ce s s   d y n am ic ) .   T ab le  1   tab u lates th e  b atter y   s p ec if icatio n s .   T h e  d is cr ete   f o r m   o f   m ath em atica l  eq u atio n s   is   w r itten   f o r   th e  a b o v e   m o d el .   I n   d is cr ete   tim e,   th e  ass u m p tio n   wa s   m ad e  th at  th e  cu r r en t  r em ai n s   p er s is ten t  wit h in   th e  en tire   in ter v al .  E ac h   at tr ib u te  o f   d y n am ic   n atu r e  en s u es with in   ( 1 )   an d   ( 2 ) .     [ + 1 ] = [ ] [ ] + [ ] [ ]   ( 1 )     [ [ + 1 ] 1 [ + 1 ] ℎ [ + 1 ] ]   =  [ 1 0 0 0  0 0 0 [ ] ] [ [ ] 1 [ ] ℎ [ ] ]   +  [ − [ ] ∆ / 0  0 0 [ ] − 1 ]   [ [ ]  ( [ ] ) ]   ( 2 )     Sin ce   So C   ( th e  b atter y   r esid u al/lef to v er   ca p ac ity )   is n ’ t   a  p h y s ical  q u an tity .  T h er e f o r e,   So C   ca n   b e  ap p r o x im ated   u tili zin g   t h e  b at ter y - m ea s u r ed   v alu es   ( v o ltag e ,   cu r r e n t ,   an d   tem p er atu r e) .      =   ;   Z [ + 1 ] = Z [ ] − ∆ t Q [ ]   ( 3 )     C o m p u tin g   ter m i n al  v o ltag e  o f   th e  b atter y   as  ( 4 )   a n d   ( 5 ) .     [ ] = [ ] [ ] + [ ] [ ]   ( 4 )     [ ] =  ( [ ] , [ ] ) +   0 [ ] + ℎ [ ] − 1 1 [ ] − 0 [ ]   ( 5 )     T h is   m ath em atica l  m o d el  was  s u b jecte d   to   in teg r atio n   with   f i lter in g   alg o r ith m s   f o r   esti m atin g   th e   b atter y   s tates.           Fig u r e  1 .   B atter y   m o d el       T ab le  1 .   B atter y   ce ll   p ar ticu la r s   B a t t e r y   p a r a met e r   S p e c i f i c a t i o n   Ty p e   Li N M C   U p p e r / l o w e r   c u t - o f f   v o l t a g e   4 . 2 / 2 . 5   V   N o mi n a l   v o l t a g e   3 . 6   V   N o mi n a l   c a p a c i t y   2 5   A h     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,  Dece m b er   20 2 4 :   8 8 6 - 899   890   2 . 2 .     Ca pa ci t y   deg ra da t io n/a g ing   m o del   Un d er s tan d in g   an d   m itig atin g   th e   ef f ec ts   o f   a g in g   is   cr u cial  f o r   o p tim izin g   b atter y   li f esp an   an d   m ain tain in g   r eliab le  p er f o r m a n ce .   Ap ar t  f r o m   v ar io u s   ag in g   m ec h an is m s   r ef er r ed   t o   [ 4 7 ]   wer e  tab u lated   in   T ab le  2 ,   t em p er atu r e ,   C - r ate,   d ep th   o f   d is ch ar g e,   So C ,   we r e   th e  ce n tr al  v ar iab les  im p er ili n g   th e  d ev elo p m en t   of   ag in g .  T o   d em o n s tr ate  th e  i m p ac t  o f   a g in g ,   th e  m o d el  wa s   d ev elo p ed   b y   i n co r p o r atin g   t h e  tem p er atu r e  an d   p o wer - law  r elatio n .   T h is   co m b in atio n   p r o v id es  a  co m p r eh en s iv e  ap p r o ac h ,   allo win g   u s   to   u n d er s tan d   tem p er atu r e   v ar iatio n s   an d   th e   co m p le x ,   n o n - lin ea r   n atu r e.   T h u s ,   th e   m o d el  th at   in co r p o r at es  th e  ab o v e   f ac to r s   h elp s   ac co u n t   f o r   th e   im p ac t  o f   ag i n g   o n   ca p ac ity .   W ith   th is ,   th e  r elativ e  ca p ac ity   was  ass ess ed ,   in f er r in g   th e   ex ten t o f   a g in g   a n d   d e g r ad atio n   th at  o cc u r r ed .   T h e  tem p er atu r e  d ep en d e n ce   o f   r ea ctio n   r ates b y   Ar r h en iu s   eq u atio n   ca n   b e  o f   th e  f o r m   as   ( 6 ) .     K ( T ) = × e xp ( −  )   ( 6 )     Her e,   k ( T )   is   th e   r ea ctio n   r at e  co n s tan t  at   tem p er at u r e,     is   th e  p r e - ex p o n e n tial  f ac to r   d ep en d s   o n   c u r r e n t   ( a s s u m ed   to   b e  1 ×1 0 − 6   n m /s   f o r   illu s tr ativ e  p u r p o s es),     is   th e  ac tiv atio n   en er g y   f o r   c y clin g   ag in g   ( in   J /m o l   o r   k J /m o l) ,     is   th e  u n iv e r s al  g a s   co n s tan t ( 8 . 3 1 4   J /m o l \ cd o t p K) ,     is   th e  ab s o lu te  tem p e r atu r e  in   Kelv in .   Fo r   in s tan ce ,   th e  g r o wth   o f   th e   SEI   lay er   ca n   o f ten   b e  d escr ib ed   b y   a   p o wer   law  o f   th e  f o r m   as ( 7 ) .     EI   thic k n e s s = K ( T ) × N z   ( 7 )     Her e,   SEI   t h ic k n ess   is   th e  th ic k n ess   o f   t h e  SEI   lay er   ( n an o m eter s   ( n m )   o v e r   tim e   an d   cy cle   co u n t) ,   k ( T )   is   th e   tem p er atu r e - d ep en d en t  r ate   c o n s tan t  f r o m   th e  Ar r h en iu s   eq u atio n ,   N   is   cy cle  co u n t,  z  is   th e  p o wer   law   ex p o n e n t.  C ap ac ity   lo s s   is   ca lcu lated   as   ( 8 ) .       ×   (1 -   K ( T ) × N z )   ( 8 )     T h e  p ar a m eter   v alu es  f o r   ca p a city   lo s s   ca lcu latio n   ar e   g iv e n   in   T ab le  3 .   T h e  b atter y ' s   ca p ac ity   h as  d im in is h ed   to   ar o u n d   2 0   am p e r e - h o u r s   ( A h )   af ter   1 0 0 0   cy cles a s   s h o wn   in   Fig u r e  2 .       T ab le  2 .  Ag in g   m ec h a n is m s   C a u se   Ef f e c t   Le a d s  t o   En h a n c e d   b y   C o n t i n u o u s l o w - r a t e   e l e c t r o l y t e   d e c o m p o si t i o n   b u i l d s SEI   Li   l o ss ,   i mp e d a n c e   r i se   C a p a c i t y / p o w e r   f a d e   S o C ,   t e mp e r a t u r e   r i se   S EI   g r o w t h   l e a d i n g   t o   s u r f a c e   a r e a   r e d u c t i o n   i mp e d a n c e   r i se   P o w e r   f a d e   S o C ,   t e mp e r a t u r e   r i se   C h a n g e s   i n   p o r o s i t y   d u e   t o   v o l u m e   c h a n g e   a n d   S EI   g r o w t h   i mp e d a n c e   r i se   P o w e r   f a d e   I n c r e a se d   S o C ,   c y c l i n g   r a t e   M e t a l l i c   L i   p l a t i n g ,   su b s e q u e n t   e l e c t r o l y t e   d e c o m p o si t i o n   Li t h i u m   ( e l e c t r o l y t e )   l o ss   C a p a c i t y   ( p o w e r )   f a d e   Lo w   t e m p e r a t u r e ,   h i g h   c h a r g e   r a t e s   G r a p h i t e   e x f o l i a t i o n ,   g a s  e v o l u t i o n ,   s o l v e n t   co - i n t e r c a l a t i o n   A c t i v e   ma t e r i a l   f a i l u r e ,   Li   l o ss   C a p a c i t y   f a d e   O v e r c h a r g e   C o n t a c t   b / w   p a r t i c l e s   l o st   d u e   t o   v o l u me  c h a n g e s   Lo ss  o f   a c t i v e   m a t e r i a l   C a p a c i t y   f a d e   H i g h   r a t e ,   l o w   c e l l   S O C   D e c o m p o si t i o n   o f   b i n d e r   M e c h a n i c a l   s t a b i l i t y   d e f i c i t ,   Li   d e f i c i t   C a p a c i t y   f a d e   S o C ,   t e mp e r a t u r e   r i se   G r a p h i t e   e x f o l i a t i o n ,   g a s  e v o l u t i o n ,   s o l v e n t   co - i n t e r c a l a t i o n   Li   l o ss ,   a c t i v e   m a t e r i a l   d e f i c i t   C a p a c i t y   f a d e   O v e r c h a r g e   P h a se   t r a n s i t i o n s   C r a c k i n g   o f   a c t i v e   p a r t i c l e s   C a p a c i t y   f a d e   H i g h   r a t e s,   h i g h / l o w   S O C   S t r u c t u r a l   d i so r d e r i n g   Li   s i t e s l o s t   a n d   L i   t r a p p e d   C a p a c i t y   f a d e   H i g h   r a t e s,   h i g h / l o w   S O C   M e t a l   d i ss o l u t i o n   a n d / o r   e l e c t r o l y t e   M i g r a t i o n   o f   so l u b l e   s p e c i e s   C a p a c i t y   f a d e   H i g h / l o w   S O C ,   h i g h   t e m p e r a t u r e   D e c o m p o si t i o n   R e p r e c i p i t a t i o n   o f   n e w   p h a s e s,  f o r m  su r f a c e   l a y e r   P o w e r   f a d e     El e c t r o l y t e   d e c o m p o si t i o n   G a s e v o l u t i o n     H i g h   t e m p e r a t u r e   B i n d e r   d e c o m p o si t i o n ,   o x i d a t i o n   o f   c o n d u c t i v e   a g e n t   C o n n e c t i v i t y   l o ss   P o w e r   f a d e     C o r r o si o n   o f   c u r r e n t   c o l l e c t o r   C o n n e c t i v i t y   l o ss   P o w e r   f a d e   H i g h   S O C       T ab le  3 .  Par am eter   v alu es f o r   ca p ac ity   d eg r a d atio n   m o d el   A   E a /R   z   0 . 3 6 8 7   1 4 7 2   0 . 6 4 0 5     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       P erfo r ma n ce   a n a lysi s   o f CK F   a lg o r ith m  fo r   b a tter y  S o C   esti ma tio n   w ith   its   a g in g   effec t   ( G .   Gee th a   R a v a li )   891       Fig u r e  2 .   Deg r ad atio n   in   ca p a city   o b s er v ed   in   a  L i - io n   ce ll a f ter   u n d er g o i n g   1 0 0 0   cy cles       3.   M E T H O DO L O G Y   E v er y   a p p r o ac h   im p lem en ts   a  d if f er en t  m eth o d o lo g y   to   ev al u ate  th e  So C   p er f o r m a n ce .   Alt er n ativ e  to   th e  co n v en tio n al  a p p r o ac h es  d i s cu s s ed ,   KF  m ak es  it  a  to p   c h o i ce   f o r   r ea l - tim e  s tate  esti m atio n   f o r   its   o p tim ality ,   ad ap tab ilit y ,   ef f icien cy ,   r o b u s tn ess ,   v er s atility ,   ab ilit y   to   h a n d le  s en s o r   d ata,   an d   well - estab lis h ed   m ath em atica l  th eo r y .  KF  is   a   s p ec ial  ca s e  o f   s eq u en tial  p r o b ab ilis tic  in f er en ce ,   y ield in g   an   o p tim al  s tate  esti m ate   th r o u g h   t h e   m in im u m   m ea n - s q u a r ed   er r o r   ap p r o ac h .   Ho wev er ,   its   r elia n ce   o n   a   Gau s s ian   d is tr ib u tio n   ass u m p tio n   p o s ed   ch allen g es  wh en   co n f r o n te d   with   n o n - Gau s s ian   d is tr ib u tio n s ,   a  co m m o n   o cc u r r e n ce   in   r ea l - wo r ld   s ce n ar io s   [ 4 8 ] .  As  b atter ies  wer e  s u b ject ed   to   non - lin ea r   c h ar ac ter is tics ,   it  was  cr itical  f o r   m o d els  r ela tin g   to   t h em   to   also   b e  o f   a   n o n - lin ea r   n atu r e.   A   n o n - lin ea r   r elatio n s h ip   b etwe e n   th e   So C   an d   r esu ltan t   v o lta g e  was  o b s er v ed   in   r ec h ar g ea b le  b atter ies,  r en d er i n g   th e  en tire   p r o p ag atio n   p o te n tially   in co m p atib le  with   a  Gau s s ian   en v ir o n m en t.     3 . 1 .   No n - lin ea r  K F   t ec hn iqu es   Un lik e   lin ea r   Kalm an   f ilter s ,   wh ich   we r e  s p ec if ically   d esig n ed   f o r   lin ea r   s y s tem s ,   n o n - lin ea r   Kalm an   f ilter s ,   we r e  m o r e  f lex ib le  a n d   ca p ab le  o f   ac c o m m o d atin g   n o n - lin ea r   r elatio n s h ip s   [ 4 9 ] .   I n   t h e  p r esen ce   o f   n o n - lin ea r ities ,   th ese   f ilter s   co n tr i b u te d   to   en h a n cin g   th e   p er f o r m an ce   an d   r eliab ilit y   o f   B MS .   Dif f er en t  n o n - lin ea r   v ar ian ts   f o r   s tate  esti m atio n   w er e  ap p lied   to   th e  d e v elo p e d   b atter y   m o d el  with   its   ag in g   af f ec t.      3 . 1 . 1 .   E x t ended K F     E x ten d ed   Kalm an   f ilter   ( E KF ) ,  an   an aly tical  lin ea r izatio n   o f   th e  s y s tem   m o d el   u n d er   ev er y   tim e   in s tan ce .   Similar   to   KF,  E KF   f o llo wed   t h e  s am e  wo r k in g   p r in cip le  b u t  em p lo y ed   a  lin e ar izatio n   ap p r o ac h ,   o p er atin g   th r o u g h   a  two - s tep   esti m atio n   p r o ce s s   s h o wn   in   Fig u r e  3 .   Gen er alizin g   th e  n o n lin ea r   ca s e  with   s y s tem   d y n am ics :     = ( − 1 , − 1 , − 1 )   ( 9 )     = ℎ ( , , )   ( 1 0 )     e s tim ato r   p r o v id es  an   o u tp u t  s tate  esti m ate  ̂ + ,   er r o r   co v ar ia n c e  esti m ate  ∑ ̃ , + ,   h o we v er ,   ex is ts   h ig h   ce r tain ty   th at  th e  tr u e   v alu e   f alls   with in   ̂ + ± 3 √ dia g ( ∑ ̃ , + )   ( b o u n d s )   a n d   e x p ec tin g   u n t il  s u b s eq u en t  in ter v al  co m es,   u p d atin g   k   an d   p r o ce ed in g   to   s tate  p r ed ictio n   s tep .   Hen ce ,   t h is   d em o n s tr ates   a  r ec u r s iv e  p r o ce s s .     3. 1 .2 .  Cent ra l dif f er ence   K F     C en tr al  d if f er e n ce   Kalm an   f ilt er   ( C DKF ) ,   a  s tatis tical  o r   e m p ir ical  lin ea r izatio n   o f   th e   s y s tem   m o d el  f o r   e v er y   tim e  in s tan ce .   Giv en   an   i n p u t   r an d o m   v ar iab le   x   ∈   R^ n   an d   x   ~   ( μ ,   ∑),   w h er e  μ  o r   x ̅   o r   X₀  r e p r esen ts   th e  m ea n   an d   ∑ is   th e  co v a r ia n ce ,   th e  g e n er atio n   o f   p   +  1   =  2 n   +  1   ( with   n   b ein g   t h e  s y s tem   d im en s io n )   s ig m a  p o in ts   en tail th e  cr ea tio n   o f   a   m atr ix   with   a  s p ec if ied   ess en tial.   C en tr al  d if f er en ce   tr an s f o r m atio n :     x ̅   or   X 0   = X ̂ ( k | k )   ( 1 1 )     f o r   i=1 ,   . . . ,   n   X i ( k | k ) = ( X 0 + γ √ ∑ x ̃ ) i   ( 12)     f o r   i=n +1 ,   . . . ,   2 n   X i ( k | k ) = ( X 0 − γ √ ∑ x ̃ ) i − n   ( 13)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,  Dece m b er   20 2 4 :   8 8 6 - 899   892   w h er e,   X ̂ ( k | k )   is   a  v ec to r   o f   len g th   n   f o r   wh ich   th e  s ig m a  p o in ts   ar e  co m p u ted ,   ∑ x ̃   is   its   co v ar ian ce   m atr ix   an d     an d     a r e   w e i g h ts   ass o c i a te d   w ith   t h e   s i g m a   p o i n t s   f o r   e s t i m a ti n g   t h e   m e a n   v e c t o r s   a n d   c o v a r i an c e   m a t r i c es ,   r e s p e c t i v el y .   ( γ √ ∑ x ̃ )   i s   t h e   i th   c o l u m n   o f   t h e   m a t r i x   s q u a r e   r o o t ,   e . g . ,   lo w e r   t r i a n g u l a r   C h o l e s k y   f a ct o r i z a t i o n .   Valu es in   weig h ts   u s ed   b y   C DKF   ar e   ( 1 4 ) - ( 1 7 ) .     γ = h   ( 1 4 )     w 0 ( m ) = h 2 − n h 2   ( 1 5 )     w 0 ( c ) = h 2 − n h 2   ( 1 6 )     f o r   i=1 ,   . . . ,   n   w i ( c ) = w i ( m ) = 1 2 h 2   ( 17)     T h u s ,   th e  en s em b le  o f   s ig m a  p o in ts   is   p r o d u ce d   as o u tlin ed   ( 1 8 ) .     = {   0   , ( 0 + √ ∑ ̃ ) , ( 0 − √ ∑ ̃ ) }   (1 8 )     ̂ ( | )   is   co m p u ted   f r o m   th e  s ig m a   p o in ts   g en er ate d ,   ∑ ̃   is   co v ar ian ce ,   an d   weig h ts   r elate d   to   m ea n   an d   co v ar ian ce   a r e  ,  .  √ ∑ ̃   g iv es  th e  f ac to r izatio n   u n d er   th e  l o wer - tr ia n g u lar - C h o lesk y   d iv is io n .   Her e  h = √3 ;  tu n in g   p ar am eter .           Fig u r e  3 .   I m p lem en tatio n   f lo w ch ar t o f   KF,  E KF a lg o r ith m       3. 1 . 3 .   Uns ce nte d/S ig m a   po in t   K F     U n s ce n ted   K alm an   f ilter   ( UK F ) / s ig m a  p o in t   K alm an   f ilter   ( SP KF ) ,  a  s tatis tical  lin ea r izati o n   s y s tem .  Sig m a  p o in t s   ( a  d eter m in is tic  s am p le  p o in ts )   wer e   ch o s en   to   p r ec is ely   esti m ate  th e  s tatis t ic s   o f   th e  p r o p ag atin g   m eth o d .   Un s ce n te d   tr an s f o r m atio n :     X 0   = X ̂ ( k | k )   ( 1 9 )     f o r   i=1 ,   . . . ,   n   X i ( k | k ) = ( X 0 + γ √ ∑ x ̃ ) i   ( 20)     f o r   i=n +1 ,   . . . ,   2 n   X i ( k | k ) = ( X 0 − γ √ ∑ x ̃ ) i − n   ( 21)     w h er e,   X ̂ ( k | k )   is   a  v ec to r   o f   len g th   n   f o r   wh ich   th e  s ig m a  p o in ts   ar e  co m p u ted ,   ∑ x ̃   is   its   co v ar ian ce   m atr ix   an d     an d     ar e  weig h ts   ass o ciate d   with   th e  s ig m a  p o i n ts   f o r   est im atin g   th e  m ea n   v ec to r s   an d   co v ar ia n ce   m atr ices,  r esp ec tiv ely .   ( √ ( n + λ ) ( ∑ x ̃ )   is   th e  i th   co lu m n   o f   th e  m atr i x   s q u ar e  r o o t,  e. g . ,   lo wer   tr ian g u lar   C h o lesk y   f ac to r izatio n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       P erfo r ma n ce   a n a lysi s   o f CK F   a lg o r ith m  fo r   b a tter y  S o C   esti ma tio n   w ith   its   a g in g   effec t   ( G .   Gee th a   R a v a li )   893   W eig h t v alu es f o r   UKF/SP KF   ar e   ( 2 2 ) - ( 2 5 ) .     γ = √ n + λ   ( 2 2 )     w 0 ( m ) = λ n + λ   ( 2 3 )     w 0 ( c ) = λ ( n + λ ) + ( 1 − α 2 + β )   ( 2 4 )     f o r   i=1 ,   . . . ,   n   w i ( c ) = w i ( m ) = 1 2 ( n + λ )   ( 25)     W h e r e ,   = 2 ( + ) − ,   wi th in   t h e   r an g e  o f   ( 10 − 2 ≤ ≤ 1 )   a n d    { 0 , 3 , − } .   I n   th e  g i v e n   c o n te x t ,   λ  s er v es   as   t h e  s ca l in g   p a r a m et e r ,   k   r e p r ese n ts   s e c o n d a r y   s ca li n g   p ar am ete r ,   a n d   t o   i n t eg r a te   p r e ce d i n g   r e ali za t io n   r e g a r d i n g   th e   x   p r o p ag ati o n ,   β  w as  em p l o y e d .   A d d iti o n all y ,   α  p la y s   a   c r u ci al   r o le   i n   d et er m i n i n g   p r o p ag ati o n   ar o u n d   t h e  m ea n   x ̄   ( t y p i ca ll y   a r o u n d   1 e - 3 ) .   I n   g en er al ,   k   a n d   β   wer e  u s u al ly   c h o s e n   as  0   a n d   2   r esp ec t iv el y .   T h e  p a r a m e te r s   f o r   t u n i n g   t h e  Ga u s s ian   p r o b a b ili ty   d e n s it y   f u n ct io n   w er e  s e lec te d   as   f o l lo ws:   β=2 ,   α = 0 . 0 0 1 ,   a n d   k = 0 .   Fi g u r e   4   i ll u s tr at es  t h e  f l o w   d ia g r am   o f   C DFK ,   UKF/ SP KF  a lg o r it h m .   B y   i n co r p o r ati n g   t h e  w ei g h ts   as   {   , ( ) , ( ) } ;  ( ) , ( )   p o s s ess   r ea l s ca l ar   q u a n tit ies ,   w ei g h te d   m o m e n ts   we r e   c o m p u te d   as   ( 2 6 )   a n d   ( 2 7 ) .     0   = ∑ ( ) 2 = 0     ( 2 6 )     an d   ∑ ̃ = ∑ ( ) ( − ̅ ) ( − ̅ ) 2 = 0   ( 2 7 )     F o l l o w e d   b y   t h e   p r o p a g a t i o n   o v e r   s i g m a   p o i n t s   t h r o u g h   t h e   f u n c t i o n   o f   n o n l i n e a r i t y ,   w h e r e in   t r a n s f o r m e d   s e t   o f   s i g m a   p o i n ts   a s   Ỿ   is   o b t a i n e d .   T h e n ,   c o m p u t i n g   o u t p u t   f i r s t   s ta t i s t i c al   m o m e n t s   o f   Ỿ   t r a n s f o r m e d   p o i n t s   as   s ta t e d :     Ỿ = ( )   ( 2 8 )     0   = ∑ ( ) Ỿ 2 = 0   ( 2 9 )     an d   ∑ ̃ = ∑ ( ) ( Ỿ − ̅ ) ( Ỿ − ̅ ) 2 = 0   ( 3 0 )     So m e   o f   t h e  th eo r etica l  d if f e r en ce s   in   th e  f u n ctio n al  p r o ce s s   o f   NKFs   wer e  s u m m ar ized   in   T ab le  4 .  Desp ite  lim itatio n s ,   E KF  was  s en s itiv e  to   th e  ch o ice  o f   in itial  co n d itio n s ,   an d   i n co r r ec t  in itializatio n   o r   p o o r   o b s er v ab ilit y   c o u ld   lead   t o   c o n v er g e n ce   is s u es,  p o te n tially   d iv er g in g   o r   c o n v er g in g   to   a  lo ca l  m in im u m .   I n   co n tr ast,  UKF's  ef f ec tiv en ess   r eli ed   o n   th e  p r o p er   p lace m en t  o f   s ig m a  p o in ts ,   an d   as  t h e  s tate  d im en s io n   in cr ea s ed ,   th e  g r o win g   n u m b er   o f   s ig m a  p o in ts   co u ld   im p ac t  ef f icien cy .   Alth o u g h   U KF  av o id ed   E KF' s   lin ea r izatio n   er r o r s ,   th e  c h o ic e  o f   s ig m a  p o in ts   i n tr o d u ce d   ap p r o x im atio n   er r o r s ,   lead i n g   to   i n ac cu r ac ies  i n   ce r tain   s ce n ar io s .   C o n s eq u en tly ,   th e  aim   was  to   ad d r ess   s o m e  o f   th e  lim itatio n s   as s o ciate d   w ith   o th er   ad v an ce d   NKF.   T h u s ,   p r o p o s ed   c u b atu r e  KF a s   a  r o b u s t e s tim ato r   f o r   So C   esti m atio n .     3. 1 .4 .   Cuba t ure  K F :  pro po s ed  ro bu s t   s t a t e - estim a t o r   C KF ,   a   B ay esian   f ilter in g   alg o r ith m   d esig n e d   f o r   n o n lin ea r   s y s tem s .   C KF  em p lo y ed   a  cu b atu r e  r u le ,  in s tead   o f   lin ea r izatio n ,   f o r   ac cu r ate  p r o p ag atio n   o f   th e  s y s tem ' s   co v ar ian ce .   T h e   co m p u tatio n al  b u r d e n   ass o ciate d   with   C KF  was  co m p ar ativ ely   lig h ter   s in ce   it  e m p lo y ed   o n ly   2 n   cu b atu r e  p o in ts   ( wh er e  n   is   t h e   s y s tem   d im en s io n ) ,   wh ile  UKF  u tili ze d   2 n +1   s ig m a  p o in t s   f o r   s tate  an d   co v ar ia n ce   p r o p ag atio n .   C u b atu r e   tr an s f o r m atio n :     f o r   i=1 ,   . . . ,   n   X i ( k | k ) = ( X 0 + γ √ ∑ x ̃ ) i   ( 31 )     f o r   i=n +1 ,   . . . ,   2 n   X i ( k | k ) = ( X 0 − γ √ ∑ x ̃ ) i − n   ( 32)     f o r   i=1 ,   . . . ,   n   w i = 1 2n   ( 3 3 )     I n   th is   c o n tex t,   Q( k )   an d   R ( k )   r ep r esen ted   th e  m atr ices  o f   co v a r ian ce   f o r   p r o ce s s   an d   s en s o r   n o is es,   r esp ec tiv ely .   Utilizin g   th e  wei g h ted   esti m ated   co v ar ian ce   m atr ix ,   b o t h   UKF  an d   C KF  co n v er s io n s   g en er ate d   s am p le  in d icate s .   No tab ly ,   f o r   C KF,  all  p o in ts ,   in c lu d in g   th e  ce n ter   p o i n t,  wer e  ass ig n ed   eq u al  weig h t,  r esu ltin g   in   a  to tal  o f   2 n   p o in ts   u s ed .   T h is   u n if o r m   weig h tin g   s im p lifie d   th e  s ig m a  p o in ts   an d   co v ar ia n ce   ca lcu latio n s   in   C KF,  en s u r in g   a  co n s is ten t  tr ea tm en t  ac r o s s   all  p o in ts .   C K F  d o es  n o t  in v o lv e  as  m an y   tu n in g   p a r am eter s   as  UKF.   T h e  s elec tio n   o f   cu b atu r e  p o in ts   is   o f ten   s tr aig h tf o r war d ,   m a k in g   C KF  a  m o r e   p a r am e ter - f r ee   alter n ativ e,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,  Dece m b er   20 2 4 :   8 8 6 - 899   894   s im p lify in g   th e  im p lem en tatio n ,   an d   r ed u cin g   th e  n ee d   f o r   p ar am eter   tu n in g .   Fig u r e  5   g iv e s   th e  f lo w  d iag r am   o f   C KF a lg o r ith m .           Fig u r e  4 .   Flo w  d ia g r am   o f   C DKF   an d   UKF/SP K F a lg o r ith m       T ab le  4 .  T h eo r etica l c o m p ar i s o n   o f   n o n - lin ea r   KFs   f o r   esti m atin g   So C   S y st e m   A p p l i c a b i l i t y   A ssu mp t i o n s   Li mi t a t i o n s   C o m p u t a t i o n a l   C o m p l e x i t y   R a t e   o f   e st i mat e   EK F   M o d e r a t e   n o n l i n e a r   sy st e ms ,   G a u s si a n   Ta y l o r - s e r i e s   e x p a n si o n   t o   l i n e a r i z e   s y st e m  e q u a t i o n s   f o r   c o v a r i a n c e s   Li n e a r i z e s  t h e   sy s t e m  a t   e a c h   st e p ,   ma y   l e a d   t o   i n a c c u r a c i e s   i n   h i g h l y   n o n l i n e a r   sy s t e ms   M o d e r a t e   H i g h     C D K F /   U K F /   S P K F   H i g h l y   n o n l i n e a r   sy st e ms ,   G a u s si a n   2 n + 1   s i g ma   p o i n t s ,  a v o i d s   l i n e a r i z a t i o n   u si n g   c a r e f u l l y   c h o s e n   si g ma   p o i n t s   R e q u i r e s  t u n i n g   o f   sc a l i n g   p a r a m e t e r s,   i n c r e a se d   c o m p u t a t i o n a l   c o m p l e x i t y   c o m p a r e d   t o   E K F   M o d e r a t e   t o   h i g h   H i g h     C K F   H i g h l y   n o n l i n e a r ,   n o n - g a u ssi a n   2 n   c u b a t u r e   p o i n t s ,   u t i l i z e s  d e t e r mi n i st i c   c u b a t u r e   samp l i n g   t e c h n i q u e   C a n   b e   c o m p u t a t i o n a l l y   i n t e n si v e ,   e s p e c i a l l y   i n   h i g h - d i m e n s i o n a l   s t a t e   sp a c e s   H i g h   V e r y   h i g h           Fig u r e  5 .   Flo w  d ia g r am   o f   C KF a lg o r ith m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       P erfo r ma n ce   a n a lysi s   o f CK F   a lg o r ith m  fo r   b a tter y  S o C   esti ma tio n   w ith   its   a g in g   effec t   ( G .   Gee th a   R a v a li )   895   4.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O NS    Usi n g   th e  d ev elo p ed   b atter y   m o d el  in clu d in g   a g in g   ef f ec t,   th ese  f ilter in g   tech n i q u es  ar e   im p lem en ted   an d   s im u lated   in   Octa v e/M A T L AB   s o f twar e.   B ased   o n   t h e  m etr ics :  r o o t  m ea n   s q u ar e  e r r o r ,   m ea n   ab s o l u te  er r o r ,   an d   m ax im u m   er r o r ,   th e  p er f o r m an ce   is   ass ess ed .   L et   N  b e  th e   n u m b er   o f   o b s er v atio n s ,   ̂ [ ]   b e   th e   esti m ated   b atter y   s tate ,   an d   [ ]   b e  th e  tr u e  ( ac t u al)   b atter y   s tate.   R o o t  m ea n   s q u ar e  er r o r   ( R MSE )   is   a  m ea s u r e  o f   th e  av er a g e  m ag n itu d e  o f   th e  er r o r s   b etwe e n   p r ed icted   v alu es a n d   ac tu al  v alu es in   a  d ataset.     R MS   = √ 1 ∑ ( [ ] − ̂ [ ] ) 2 = 1   ( 34 )     M ax im u m   er r o r   ( MA X )   r ep r e s en ts   th e  m ax im u m   d ev iatio n   o r   d if f er e n ce   b etwe en   p r e d icted   v alu es  an d   ac tu al   v alu es in   a  d ataset.     MA E   = 1 ∑ | [ ] − ̂ [ ] | = 1 ,   an d   ( 35 )     M ea n   ab s o lu te  er r o r   ( MA E )   is   a  m ea s u r e  o f   th e  a v er ag e  m ag n itu d e  o f   th e  er r o r s   b etwe en   p r ed icted   v alu es a n d   ac tu al  v alu es in   a  d ataset.   Un li k e  R MSE ,   MA E   d o es n o t sq u ar e  th e  er r o r s ,   m ak in g   it less   s en s itiv e  to   o u tlier s .     MA X   = ma x   | [ ] − ̂ [ ] |   ( 36 )     Fig u r e s   6   an d   7  in d icate   th e  esti m atio n   an aly s is   f o r   ex ten d ed   E KF  an d   C DKF  alg o r i th m s .   T h e   r ep r esen tatio n   in clu d es  a   b lac k   s o lid   lin e   d e n o tin g   th e   esti m ate,   a  g r ee n   s o lid   lin e   illu s tr atin g   th e   tr u e   So C   v er s u s   tim e,   an d   r ed   lin es  in d ic atin g   th e  So C   b o u n d s .  T h e  ca l cu latio n   o f   er r o r   v er s u s   tim e  in v o lv es  d eter m i n in g   th e  d if f er en ce   b etwe en   th e  tr u e  v alu e  an d   th e  esti m ate,   co n s i d er in g   its   b o u n d s .   T o   m ain tain   a  f air   co m p ar is o n ,   an   id en tical  r an d o m   in p u t  is   ap p lied   to   b o th   f ilter s .   E KF  a n d   C DKF  alg o r ith m s '   r esu lt s   in d icate   th at  er r o r s   s u r p ass   th e  b o u n d s   in   E KF  ( R MSE :  0 . 4 2 3 0 8 %)  b u t  s tay   with in   b o u n d s   in   C DKF  ( R MSE :   0 . 5 1 5 4 3 %)   f o r   th e   ex ec u ted   iter atio n s .   Fig u r e   8   in d icate s   th e  esti m atio n   an aly s is   f o r   UKF/SP KF  alg o r ith m .   Up o n   e x am in at io n   o f   th e  v is u aliza tio n ,   a  clea r   u n d er s tan d in g   o f   th e  er r o r   m ag n itu d e  i n   co m p ar is o n   t o   th e   tr u e  So C   em er g es   with   R MSE   o f   0 . 5 7 1 9 9 % ,   h ig h li g h tin g   th e   ef f ec tiv e  p er f o r m a n ce   o f   t h e  SP KF.   D u e   t o   t h e   i n c r ea s e d   n u m b e r   o f   s i g m a   p o i n ts ,   a   c o m p u t a t i o n a l   b u r d e n   o c c u r r e d ,   a l o n g   w i t h   t u n i n g   c h a l l e n g es   f o r   t h e   p a r a m e t e r s ,   m a k i n g   t h e   f i l t e r   l es s   e f f i c i e n t .           ( a)   ( b )     Fig u r e  6 .  E KF a lg o r ith m   r esu l ts   f o r   ( a)   So C   esti m atio n   an d   ( b )   So C   esti m atio n   er r o r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.