KR20220043630A - A method for predicting failure of aluminum electrolytic capacitors using machine learning - Google Patents

A method for predicting failure of aluminum electrolytic capacitors using machine learning Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method for predicting a failure of an aluminum electrolytic capacitor using machine learning, which comprises the steps of: measuring charging voltage and discharging voltage for a predetermined period at a limit temperature or more of a capacitor, and converting the same into capacitance through equations 1 and 2; constructing a data set by performing a preprocessing task of averaging data using a centered moving average to reduce an error in the acquired data of the capacitor; and performing a long-short term memory (LSTM) using 70% of the data in the data set as training data and the remaining 30% thereof as test data. Therefore, a failure can be predicted through machine learning.

Description

머신러닝을 이용한 알루미늄 전해 커패시터 고장예지방법{A method for predicting failure of aluminum electrolytic capacitors using machine learning}A method for predicting failure of aluminum electrolytic capacitors using machine learning

본 발명은 고장예지방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 머신러닝을 이용한 알루미늄 전해 커패시터 고장예지방법에 관한 것이다.The present invention relates to a failure prevention method, and more particularly, to a failure prevention method for an aluminum electrolytic capacitor using machine learning.

4차 산업혁명으로 Big data를 활용한 인공지능이 금융, 주식, 의료, 농수산업, 기계, 전자 및 에너지 등 다양한 분야에 적용되어 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 인공지능은 인간이 가지고 있는 지각, 학습, 추론, 사고 및 자연언어의 이해 등을 컴퓨터 프로그램으로 실현한 기술로 머신러닝, 자연어 처리, 음성인식, 시각인식 등 첨단 기술개발에 활용되고 있으며, 특히, 장비의 고장을 사전에 예측하는 고장예지 기술 등을 통해 장비의 가동률을 향상시키고, 소요되는 비용을 절감하는 분야에 있어서도 활발한 연구가 진행되고 있다.With the 4th industrial revolution, artificial intelligence using big data has been applied to various fields such as finance, stocks, medical care, agriculture and fishery industry, machinery, electronics and energy, and R&D is being actively carried out. Artificial intelligence is a technology that realizes human perception, learning, reasoning, thinking, and understanding of natural language with computer programs. Active research is being conducted in the field of improving equipment operation rate and reducing costs through failure prediction technology that predicts equipment failure in advance.

대부분의 산업용 장비의 전원공급장치, 주파수 조절장치 및 충전장치 등에 사용되고 있는 알루미늄 전해 커패시터는 얇은 산화막 유전체를 이용하여 크기에 비해 큰 전하용량을 가지고 있으며, 가격이 저렴한 특징이 있으나, 열에 취약하여 고장이 자주 발생하고 있다. 또한, 전자회로에는 커패시터 뿐만 아니라 다양한 전자부품들이 장착되어 있기 때문에 커패시터에 고장이 발생할지라도 인식하기 어려워 전자회로보드를 교체하는 작업이 요구되고 있다. 커패시터에 대한 과거 연구는 열화정도에 따라 부풀어 오르는 스웰링 현상을 카메라로 촬영하여 수명을 판단하고, 시험을 통해 수명을 예측한 내용 등이 발표되고 있으나, 머신러닝 기법의 알고리즘 적용에 대한 구체적인 결과는 확인되지 않고 있다.Aluminum electrolytic capacitors, which are used in power supplies, frequency control devices, and charging devices of most industrial equipment, have a large charge capacity compared to their size by using a thin oxide film dielectric. It happens often. In addition, since various electronic components as well as capacitors are mounted in the electronic circuit, it is difficult to recognize even if a failure occurs in the capacitor, so that the replacement of the electronic circuit board is required. In past research on capacitors, the lifespan of capacitors is judged by photographing the swelling phenomenon that swells according to the degree of deterioration with a camera, and the life expectancy is predicted through tests. not confirmed.

본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 알루미늄 전해 커패시터를 대상으로 머신러닝 기법 중 LSTM(Long Short-Term Memory)과 Vanila LSTM을 적용하여 고장예지를 하였으며, 각각의 기법에 대해 epoch에 따른 loss와 모델의 정확성을 평가하기 위해 척도인 RMSE(Root Mean Square Error) 와 MAE(Mean Absolute Error)를 이용하여 성능을 비교한다.The present invention has been proposed to solve the above technical problems, and failure prediction was performed by applying LSTM (Long Short-Term Memory) and Vanila LSTM among machine learning techniques for aluminum electrolytic capacitors, and for each technique, To evaluate the loss according to the epoch and the accuracy of the model, the performance is compared using the scales RMSE (Root Mean Square Error) and MAE (Mean Absolute Error).

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 커패시터의 한계온도 이상에서 소정의 기간 동안 충전전압 및 방전전압을 측정하여 정전용량을 검출하고, 검출된 데이터를 토대로 LSTM(Long Short-Term Memory) 또는 Vanila LSTM을 적용하여 고장예지를 판단하는 단계;를 포함하는 머신러닝을 이용한 알루미늄 전해 커패시터 고장예지방법이 제공된다.According to an embodiment of the present invention to solve the above problem, the capacitance is detected by measuring the charging voltage and the discharging voltage for a predetermined period above the limit temperature of the capacitor, and based on the detected data, a Long Short-Term (LSTM) Memory) or Vanila LSTM is applied to determine the failure prediction; an aluminum electrolytic capacitor failure prediction method using machine learning is provided, including.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 커패시터의 한계온도 이상에서 소정의 기간 동안 충전전압 및 방전전압을 측정하고, 식 1 및 식 2를 통해 정전용량으로 변환하는 단계와, 커패시터의 획득 데이터를 대상으로 오차를 줄이기 위해 Centered moving average를 이용하여 데이터를 평균화하는 전처리 작업을 진행하여 데이터 셋을 구축하는 단계와, 데이터 셋 중 70%의 데이터는 training data로 하고, 나머지 30%의 데이터는 test data로 사용하여 LSTM(Long-Short Term Memory)을 진행하는 단계를 포함하는 머신러닝을 이용한 알루미늄 전해 커패시터 고장예지방법이 제공된다.In addition, according to another embodiment of the present invention, the steps of measuring the charging voltage and discharging voltage for a predetermined period above the limit temperature of the capacitor, and converting it into capacitance through Equations 1 and 2, and obtaining data of the capacitor In order to reduce the error in the target, the data set is constructed by performing preprocessing work to average the data using a centered moving average, and 70% of the data in the data set is the training data, and the remaining 30% of the data is the test data. A method for predicting failure of an aluminum electrolytic capacitor using machine learning is provided, including the step of using LSTM (Long-Short Term Memory).

<식 1><Equation 1>

Figure pat00001
Figure pat00001

<식 2><Equation 2>

Figure pat00002
Figure pat00002

제안된 머신러닝을 이용한 알루미늄 전해 커패시터 고장예지방법을 통해 대부분의 전자회로에서 사용하고 있는 알루미늄 전해 커패시터를 대상으로 빅 데이터와 머신러닝을 수행하여 고장을 예지할 수 있다. 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.Through the proposed aluminum electrolytic capacitor failure prediction method using machine learning, it is possible to predict failure by performing big data and machine learning on aluminum electrolytic capacitors used in most electronic circuits. The results obtained are summarized as follows.

1) 고온에서 알루미늄 전해 커패시터의 capacitance를 측정하여 머신러닝을 통해 고장을 예지할 수 있다.1) By measuring the capacitance of aluminum electrolytic capacitors at high temperatures, failures can be predicted through machine learning.

2) LSTM과 Vanila LSTM은 epoch 증가에 따라 loss가 감소하나, Vanila LSTM이 LSTM보다 빠르게 loss가 최소화된다.2) LSTM and Vanila LSTM decrease loss as the epoch increases, but Vanila LSTM minimizes loss faster than LSTM.

3) Vanila LSTM은 LSTM보다 RMSE가 8.6%, MAE가 1.7% 감소하였다.3) Vanila LSTM decreased RMSE by 8.6% and MAE by 1.7% compared to LSTM.

도 1은 알루미늄 전해 커패시터의 내부 구조를 나타낸 도면
도 2는 가속 수명 테스트용 회로를 나타낸 도면
도 3은 고장 예측 빅 데이터 수집 시스템 개념도
도 4는 방전 기간 동안의 부하 전압 및 전류 파형을 나타낸 도면
도 5는 140 ℃에서 가속 수명 테스트를위한 커패시터 전압 측정에 대한 도면
도 6은 LSTM의 구조도이다.
도 7은 이동 평균 데이터의 커패시턴스 그래프
도 8은 수집 정보(Ground Truth)와 실제 데이터 간의 상관 관계 그래프
도 9는 실제 데이터 및 예측 데이터의 커패시턴스 그래프
도 10은 LSTM 와 Vanilla LSTM의 손실을 나타낸 그래프
도 11은 RMSE와 MAE를 계산한 결과
1 is a view showing the internal structure of an aluminum electrolytic capacitor;
2 is a diagram showing a circuit for an accelerated life test;
3 is a conceptual diagram of a failure prediction big data collection system
4 is a diagram showing the load voltage and current waveforms during the discharge period;
Fig. 5 is a diagram of capacitor voltage measurement for accelerated life test at 140 °C;
6 is a structural diagram of an LSTM.
7 is a capacitance graph of moving average data.
8 is a graph of correlation between collected information (Ground Truth) and actual data;
9 is a capacitance graph of actual data and predicted data.
10 is a graph showing the loss of LSTM and Vanilla LSTM;
11 is a result of calculating RMSE and MAE

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings in order to describe in detail enough that a person of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement the technical idea of the present invention.

- 고장모드- Failure mode

표 1은 알루미늄 전해 커패시터의 FMEA를 나타낸 표이다.Table 1 is a table showing the FMEA of the aluminum electrolytic capacitor.

알루미늄 전해 커패시터의 FMEA(Failure mode and effects analysis) 결과는 표 1과 같이 과도하게 인가된 전압으로 인한 단락 회로, 접착제/코팅재료와 응력에 의한 개방 회로, 실런트 재료의 열화와 과열에 의한 전류 및 전해질 증발 그리고 과도하게 인가된 전압과 전해질 감소로 인한 정전용량 감소 등 크게 4가지로 구분할 수 있다. 표에서 알 수 있는 바와 같이 RPN(Risk Priority Number)이 가장 높은 전류 및 전해질 감소는 정전용량 감소에 영향을 미치는 요인으로 정전용량 감소를 주요 고장모드로 판단하여, 온도 조건을 변화시켜 가면서 알루미늄 전해 커패시터의 고장예지를 위한 가속 수명 시험을 실시하였다.FMEA (Failure mode and effects analysis) results of aluminum electrolytic capacitors are as shown in Table 1, short circuit due to excessively applied voltage, open circuit due to adhesive/coating material and stress, current and electrolyte due to deterioration and overheating of sealant material. It can be broadly divided into four categories: evaporation and reduction in capacitance due to excessively applied voltage and electrolyte reduction. As can be seen from the table, the decrease in current and electrolyte with the highest RPN (Risk Priority Number) is a factor affecting the decrease in capacitance. Accelerated life test for failure prediction was performed.

<표 1><Table 1>

Figure pat00003
Figure pat00003

도 1은 알루미늄 전해 커패시터의 내부 구조를 나타낸 도면이다.1 is a view showing an internal structure of an aluminum electrolytic capacitor.

즉, 알루미늄 전해 커패시터의 내부 구조는 도 1과 같으며, 전극판, 리드선 및 절연체로 구성되어 리드선으로 흘러들어오는 DC 전류가 절연체에 의해 차단되어 경계 부분에 전하가 비축되는 원리로 에너지를 저장한다. 정전용량은 커패시터가 전하를 저장하는 능력으로, 정전용량의 감소는 커패시터의 용량이 감소함을 의미하며, 이는 커패시터 고장의 원인이 되고, 표준 접근 방식에 의하면 정전용량이 초기 정전용량에 비해 15~20% 감소할 경우 고장으로 간주한다. That is, the internal structure of the aluminum electrolytic capacitor is the same as in FIG. 1 , and it is composed of an electrode plate, a lead wire, and an insulator, and the DC current flowing into the lead wire is blocked by the insulator, and energy is stored on the principle that electric charges are stored at the boundary. Capacitance is the ability of a capacitor to store charge, a decrease in capacitance means a decrease in the capacitance of the capacitor, which causes capacitor failure, and according to standard approaches, the capacitance is reduced by 15~ A 20% decrease is considered a failure.

정전용량이 감소하는 가장 큰 이유는 열 발생에 의한 것으로, 알루미늄 전해 커패시터 내에 소비되는 전력이 높아지게 되면 커패시터 내부의 온도가 상승하고, 전해액의 온도가 높아져 전해액의 증발을 야기하며, 전해액이 증발하게 되면 커패시터의 정전용량이 감소하여 커패시터 고장으로 나타난다.The biggest reason for the decrease in capacitance is due to heat generation. As the power consumed in the aluminum electrolytic capacitor increases, the temperature inside the capacitor rises, and the temperature of the electrolyte increases, causing evaporation of the electrolyte. The capacitance of the capacitor decreases, resulting in capacitor failure.

- 시험 장치 및 방법- Test apparatus and method

도 2는 가속 수명 테스트용 회로를 나타낸 도면이고, 도 3은 고장 예측 빅 데이터 수집 시스템 개념도이다.2 is a diagram illustrating a circuit for an accelerated life test, and FIG. 3 is a conceptual diagram of a failure prediction big data collection system.

즉, 알루미늄 전해 커패시터로부터 데이터를 수집하기 위해 도 2와 같이 회로를 설계하고, 커패시터를 이용한 회로, 챔버 및 DAQ(Data Acquisition) 등으로 시험장치를 도 3과 같이 구성하였다. 이를 통해 커패시터의 반복적인 충전 및 방전에 의한 전압 데이터를 수집하였고, 랩뷰(Labview)를 이용하여 저장하였다. 이때, sampling rate는 1000sps, sampling 수는 1로 설정하여 1초에 1000개의 데이터를 받았다.That is, in order to collect data from the aluminum electrolytic capacitor, a circuit was designed as shown in FIG. 2, and a circuit using a capacitor, a chamber, and a data acquisition (DAQ) test apparatus were configured as shown in FIG. Through this, voltage data by repeated charging and discharging of the capacitor was collected and stored using Labview. At this time, the sampling rate was set to 1000sps and the number of samplings was set to 1, and 1000 data were received per second.

표 2는 알루미늄 전해 커패시터의 스팩을 나타낸 표이다.Table 2 is a table showing the specifications of the aluminum electrolytic capacitor.

시험에 사용한 알루미늄 전해 커패시터의 사양은 표 2와 같으며, 140°C에서 고온시험을 진행한 결과 약 72 ~ 480시간 후 고장이 발생한 것을 확인할 수 있었다.The specifications of the aluminum electrolytic capacitor used in the test are shown in Table 2, and as a result of the high temperature test at 140°C, it was confirmed that the failure occurred after about 72 to 480 hours.

- 데이터 수집 및 추출- Data collection and extraction

도 4는 방전 기간 동안의 부하 전압 및 전류 파형을 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating load voltage and current waveforms during a discharge period.

FMEA의 고장모드 분석 결과로부터 온도를 주요 파라미터로 선정하여 데이터를 수집 및 분석하였으며, 수집된 전압 데이터의 그래프는 도 4와 같이 약 3.8V에서 방전이 시작하여 약 3V에서 방전이 끝나는 일정한 형태를 가지고 있다.From the failure mode analysis result of FMEA, data was collected and analyzed by selecting temperature as the main parameter. there is.

커패시터의 정전용량(C)은 에너지(E)와 전압(V)의 관계로부터 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.The capacitance (C) of the capacitor can be expressed as Equation (1) from the relationship between energy (E) and voltage (V).

<식 1><Equation 1>

Figure pat00004
Figure pat00004

또한, 에너지(E)는 전압(V), 전류(I), 측정주기(T) 및 샘플링 개수(n)의 관계로 부터 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.In addition, the energy (E) can be expressed as Equation (2) from the relationship between the voltage (V), the current (I), the measurement period (T), and the number of samples (n).

<식 2><Equation 2>

Figure pat00005
Figure pat00005

<표 2><Table 2>

Figure pat00006
Figure pat00006

위의 식을 적용하여 알루미늄 전해 커패시터의 전압 데이터를 정리하였으며, Python을 이용하여 필요한 데이터만을 추출하여 정전용량 추정기법을 통해 정전용량으로 변환하였다. 정전용량의 정확도는 표 3을 통해 확인할 수 있으며, 샘플링 개수(n)가 높고 측정주기(T)가 작을수록 오차율이 감소하는 경향을 보였기 때문에 n = 30이고, 인 T = 30ms을 대상으로 하여 시험을 진행하였다.The voltage data of the aluminum electrolytic capacitor was organized by applying the above formula, and only the necessary data was extracted using Python and converted into capacitance through the capacitance estimation technique. The accuracy of the capacitance can be confirmed through Table 3, and the error rate tends to decrease as the number of samples (n) is high and the measurement period (T) is small, so n = 30 and T = 30ms were tested. proceeded.

도 5는 140 ℃에서 가속 수명 테스트를위한 커패시터 전압 측정에 대한 도면이다.5 is a diagram of capacitor voltage measurement for an accelerated life test at 140°C.

커패시터의 온도가 140℃에서 1일차, 5일차, 9일차 등 4일 간격으로 같은 시간에 충전 및 방전 전압 cycle 을 하나씩 표시하였을 때 도 5(a)와 같다. 1일차와 21일차에 측정된 결과를 비교하면, 알루미늄 전해 커패시터가 완충되었을 때 전압은 약 3.8V에서 약 4.2V 까지 증가하였고, 30ms 동안 방전된 후 전압은 약 3V에서 약 0.1V만큼 감소하였다. When the capacitor temperature is 140° C., the charging and discharging voltage cycles are displayed one by one at the same time intervals of 4 days, such as the 1st, 5th, and 9th days, as shown in FIG. 5(a). Comparing the results measured on the 1st and 21st days, when the aluminum electrolytic capacitor was fully charged, the voltage increased from about 3.8V to about 4.2V, and after being discharged for 30ms, the voltage decreased from about 3V to about 0.1V.

<표 3><Table 3>

Figure pat00007
Figure pat00007

21일 동안 측정한 전압 데이터에 대해 식 (1)과 식 (2)를 이용하여 정전용량으로 변환하였을 때 도 5(b)와 같이 표시할 수 있으며, 정전용량은 초기 11.07㎌을 시작으로 약간 증가하였다가 감소하는 모습을 나타내고 있다. 초기 방전 전압이 증가함에 따라 정전용량은 증대하고 있으나, 약 7일이 지나면 초기 방전 전압의 증가와 30ms동안 방전 후 전압의 감소에 따라 정전용량이 감소하는 것을 알 수 있다.When the voltage data measured for 21 days is converted into capacitance using equations (1) and (2), it can be displayed as shown in Fig. 5(b), and the capacitance slightly increases from the initial 11.07㎌ However, it shows a decreasing trend. Although the capacitance increases as the initial discharge voltage increases, it can be seen that after about 7 days, the capacitance decreases as the initial discharge voltage increases and the voltage decreases after discharging for 30 ms.

- LSTM과 Vanila LSTM- LSTM and Vanila LSTM

도 6은 LSTM의 구조도이다.6 is a structural diagram of an LSTM.

연속된 sequence 형태의 데이터 처리에 있어 가장 기본적인 모델인 RNN(Recurrent Neural Networks)은 시계열 데이터가 길어지면 vanishing gradient 문제가 발생하는데, 이 문제를 해결한 기법이 LSTM이다.In RNN (Recurrent Neural Networks), the most basic model for data processing in the form of a continuous sequence, a vanishing gradient problem occurs when time series data becomes long. The technique to solve this problem is LSTM.

LSTM은 도 6과 같은 구조로 적용하는 데이터가 손실 및 변형이 일어나지 않게 전달할 수 있는 셀 상태(the cell state)와 정보를 추가하거나 제거하여 선택적으로 정보를 다음 단계로 전달하는 시그모이드 신경망 레이어(sigmoide neural net layer) 및 탄젠트 레이어(tanh layer)가 상호작용을 하며 3가지 게이트(gates)로 구성되어 있다.LSTM is a sigmoid neural network layer that selectively transmits information to the next step by adding or removing information and the cell state that can transmit the data applied with the structure shown in FIG. 6 without loss or deformation ( The sigmoide neural net layer and the tanh layer interact and consist of three gates.

LSTM의 첫 번째 단계인 forget gate layer(ft)는 σ(sigmoid layer)를 통해 셀 상태로부터 어떤 정보를 기억하고 제거할 것인지 결정하며, 식 (3)과 같이 표시할 수 있다.The first step of LSTM, the forget gate layer (f t ), determines which information to store and remove from the cell state through σ (sigmoid layer), and can be expressed as Equation (3).

<식 3><Equation 3>

Figure pat00008
Figure pat00008

Figure pat00009
Figure pat00009

두 번째 단계는 앞으로 들어올 데이터 중 어떤 데이터를 저장할 것인지 결정하는 input gate layer(it)로 어떤 값을 업데이트할지 결정하는 sigmoid layer와 셀상태에 더할

Figure pat00010
(candidate vector)을 만드는 tanh layer로 구성되어 식 (4) 및 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.The second step is an input gate layer (i t ) that determines which data to store among future data, a sigmoid layer that determines which values to update, and a cell state to be added.
Figure pat00010
It is composed of a tanh layer that creates a (candidate vector) and can be expressed as Equations (4) and (5).

<식 4><Equation 4>

Figure pat00011
Figure pat00011

<식 5><Equation 5>

Figure pat00012
Figure pat00012

앞 단계에서 획득한 데이터(f t , i t

Figure pat00013
??)를 이전의 셀상태 C t-1 (previous cell memory)에 적용하여 새로운 셀 상태Ct(current cell memory)로 갱신하기 위해 식 (6)을 사용하여 최신화 한다.The data obtained in the previous step (f t , i t and
Figure pat00013
??) is applied to the previous cell state C t-1 (previous cell memory ) and updated using Equation (6) to update to the new cell state C t (current cell memory).

<식 6><Equation 6>

Figure pat00014
Figure pat00014

여기서, ⊙는 element wise multiplication이다.Here, ⊙ is element wise multiplication.

마지막 단계는 output gate layer(Ot)로 sigmoid layer 와 tanh layer를 사용하여 출력 데이터를 결정하는 과정이며, 식 (7) 및 (8)과 같이 표시할수 있다.The last step is the process of determining the output data using the sigmoid layer and the tanh layer as the output gate layer (Ot), and it can be expressed as Equations (7) and (8).

<식 7><Equation 7>

Figure pat00015
Figure pat00015

<식 8><Equation 8>

Figure pat00016
Figure pat00016

LSTM은 이러한 반복 과정을 걸쳐 오랜 시간동안 정보를 기억하고 학습하여 이상 신호 검출 및 예측 등을 수행할 수 있다. 그러나 분석에 시간이 많이 걸리는 단점이 있으며, 이러한 단점을 보완하기 위해 단일 hidden layer와 output layer를 가지는 단순한 구조의 Vanilla LSTM이 주목받고 있는데, 이는 simple sequence data 및 특정 data에 대하여 기존 LSTM보다 빠르고 정확하게 분석 및 예지를 할 수 있는 특징을 가지고 있다.LSTM can perform abnormal signal detection and prediction, etc. by memorizing and learning information for a long period of time through such an iterative process. However, there is a disadvantage that the analysis takes a lot of time, and to compensate for this disadvantage, the Vanilla LSTM with a simple structure with a single hidden layer and an output layer is attracting attention. It analyzes simple sequence data and specific data faster and more accurately than the existing LSTM. And it has the characteristics of being able to predict.

- Al 전해 커패시터 고장 예지- Al electrolytic capacitor failure prediction

도 7은 이동 평균 데이터의 커패시턴스 그래프이고, 도 8은 수집 정보(Ground Truth)와 실제 데이터 간의 상관 관계 그래프이다.7 is a capacitance graph of moving average data, and FIG. 8 is a correlation graph between collected information (ground truth) and actual data.

알루미늄 전해 커패시터의 고장예지를 위한 머신러닝을 수행하기 위해 주피터(Jupyter) 프로그램을 사용하여 keras를 프레임워크로 LSTM을 수행하였다. 먼저, 획득한 데이터를 대상으로 오차를 줄이기 위해 centered moving average를 이용하여 5개의 데이터를 평균화하는 전처리 작업을 통해 도 7과 같이 data set을 구축하였다.In order to perform machine learning for failure prediction of aluminum electrolytic capacitors, LSTM was performed using keras as a framework using a Jupyter program. First, a data set was constructed as shown in FIG. 7 through a preprocessing operation of averaging five pieces of data using a centered moving average in order to reduce errors with respect to the acquired data.

data set 중 70%(115,416)의 데이터는 training data로 하고, 나머지 30%(49,464)의 데이터는 test data로 사용하였다. 학습 중 overfitting 또는 underfitting이 발생하는지 확인하기 위해 validation data는 training data 중 15%(17,312)를 사용하여 검정하였다. 또한 ground truth를 x축, actual data를 y축으로 하여 그래프로 나타내면 도 9과 같으며, 이때 상관계수(r)는 0.8945로 산출되어 연구결과가 신뢰성이 있음(r≥0.7)을 확인할 수 있었다.Of the data set, 70% (115,416) of data was used as training data, and the remaining 30% (49,464) of data was used as test data. To check whether overfitting or underfitting occurs during training, the validation data was tested using 15% (17,312) of the training data. In addition, when the ground truth is expressed as a graph with the x-axis and the actual data as the y-axis, as shown in FIG. 9, the correlation coefficient (r) is calculated as 0.8945, confirming that the research result is reliable (r≥0.7).

도 9는 실제 데이터 및 예측 데이터의 커패시턴스 그래프이고, 도 10은 LSTM 와 Vanilla LSTM의 손실을 나타낸 그래프이다.9 is a capacitance graph of actual data and predicted data, and FIG. 10 is a graph showing the loss of LSTM and Vanilla LSTM.

hidden layer의 개수를 100개로 하여 learning late = 0.001, epoch = 100, batch size = 1000 등을 설정한 LSTM과 hidden layer를 1개로 한 Vanila LSTM을 수행한 결과를 도 9와 같이 나타내었다. LSTM 및 Vanilla LSTM의 적용 결과를 보았을 때 실제 값과 예측값이 같거나 차이가 심한 현상인 overfitting 또는 underfitting은 보이지 않았고, 두 그래프를 비교하기에 큰 차이는 확인이 곤란하였다.The results of performing the LSTM with the number of hidden layers set to 100, learning late = 0.001, epoch = 100, batch size = 1000, etc. and Vanila LSTM with one hidden layer are shown as shown in FIG. 9 . When looking at the application results of LSTM and Vanilla LSTM, overfitting or underfitting, which is a phenomenon in which the actual value and the predicted value were the same or significantly different, was not observed, and it was difficult to confirm a large difference in comparing the two graphs.

epoch는 데이터 셋에 대해 학습한 횟수를 의미하며, loss는 예측 값과 실제 값의 차이를 표시한다. 즉, train loss와 validation loss가 0에 가까워질수록 학습이 잘 되었다고 할 수 있으며, epoch 값을 통해 몇 번 학습을 했는지 도 10을 통해 확인할 수 있다. 그림에서 LSTM 및 Vanilla LSTM의 train loss는 적은 epoch 증가에 따라 loss가 0에 가까워졌으며, validation loss도 epoch 증가에 따라 감소하여 LSTM의 경우 epoch=100일 때0.087, Vanilla LSTM의 경우 epoch=14일 때 0.043를 나타내고 있다. 이 결과 Vanila LSTM은 epoch가 14에서 early stopping하여 overfitting 현상을 방지하였음에도 validation loss가 기존 LSTM보다 0.044 작게 나타났으며, 빠르고 정확하게 진행되었습니다. 이를 통해 Vanila LSTM 은 최적의 epoch 도출에 의한 머신러닝을 수행한다면 LSTM보다 시간과 정확도 측면에서 유리함을 알 수 있다.The epoch means the number of times the data set is learned, and the loss indicates the difference between the predicted value and the actual value. That is, as the train loss and validation loss approach 0, it can be said that learning is good, and it can be confirmed through FIG. 10 how many times the training was performed through the epoch value. In the figure, the train loss of LSTM and Vanilla LSTM approaches 0 as the epoch increases, and the validation loss also decreases as the epoch increases. 0.043 is shown. As a result, even though Vanila LSTM prevented overfitting by early stopping at epoch 14, validation loss was 0.044 smaller than that of existing LSTM, and it proceeded quickly and accurately. Through this, it can be seen that Vanila LSTM is more advantageous in terms of time and accuracy than LSTM if machine learning by derivation of the optimal epoch is performed.

LSTM과 Vanila LSTM 모델의 정확성을 평가하기 위해 모델이 예측한 값과 실제 측정값의 오차를 구할 때 사용하는 식 (9) 및 식 (10)과 같이 RMSE(Root Mean Square Error)와 MAE(Mean Absolute Error)의 척도를 적용하여 비교할 수 있었다.Root Mean Square Error (RMSE) and Mean Absolute (MAE), as in Equations (9) and (10), which are used to evaluate the accuracy of LSTM and Vanila LSTM models, and are used to obtain the error between the predicted value and the actual measured value. Error) was applied to compare.

<식 9><Equation 9>

Figure pat00017
Figure pat00017

<식 10><Equation 10>

Figure pat00018
Figure pat00018

Figure pat00019
Figure pat00019

<표 4><Table 4>

Figure pat00020
Figure pat00020

최적의 조건의 LSTM(epoch 100)과 Vanila LSTM(epoch 14)을 대상으로 머신러닝을 수행하여 RMSE와 MAE를 계산한 결과를 도 11과 표 4에 나타내었다.11 and Table 4 show the results of calculating the RMSE and MAE by performing machine learning on the optimal LSTM (epoch 100) and Vanila LSTM (epoch 14).

RMSE는 Vanila LSTM이 LSTM보다 8.6%, MAE는 1.7% 높은 것을 보아 알루미늄 전해 커패시터 고장예측 시 Vanilla LSTM이 기존 LSTM보다 빠르고 정확하게 진행할 수 있다.RMSE shows that Vanila LSTM is 8.6% higher than LSTM and MAE is 1.7% higher, so Vanilla LSTM can proceed faster and more accurately than existing LSTM when predicting aluminum electrolytic capacitor failure.

- 결 론- conclusion

대부분의 전자회로에서 사용하고 있는 알루미늄 전해 커패시터를 대상으로 빅 데이터와 머신러닝을 수행하여 고장을 예지하였다. 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.Big data and machine learning were performed on aluminum electrolytic capacitors used in most electronic circuits to predict failure. The results obtained are summarized as follows.

1) 고온에서 알루미늄 전해 커패시터의 capacitance를 측정하여 머신러닝을 통해 고장을 예지할 수 있다.1) By measuring the capacitance of aluminum electrolytic capacitors at high temperatures, failures can be predicted through machine learning.

2) LSTM과 Vanila LSTM은 epoch 증가에 따라 loss가 감소하나, Vanila LSTM이 LSTM보다 빠르게 loss가 최소화된다.2) LSTM and Vanila LSTM decrease loss as the epoch increases, but Vanila LSTM minimizes loss faster than LSTM.

3) Vanila LSTM은 LSTM보다 RMSE가 8.6%, MAE가 1.7% 감소하였다.3) Vanila LSTM decreased RMSE by 8.6% and MAE by 1.7% compared to LSTM.

이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As such, those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (2)

커패시터의 한계온도 이상에서 소정의 기간 동안 충전전압 및 방전전압을 측정하여 정전용량을 검출하고, 검출된 데이터를 토대로 LSTM(Long Short-Term Memory) 또는 Vanila LSTM을 적용하여 고장예지를 판단하는 단계;를 포함하는 머신러닝을 이용한 알루미늄 전해 커패시터 고장예지방법.
detecting a capacitance by measuring a charging voltage and a discharging voltage for a predetermined period above the limit temperature of the capacitor, and determining a failure prediction by applying a Long Short-Term Memory (LSTM) or Vanila LSTM based on the detected data; Aluminum electrolytic capacitor failure prediction method using machine learning, including a.
커패시터의 한계온도 이상에서 소정의 기간 동안 충전전압 및 방전전압을 측정하고, 식 1 및 식 2를 통해 정전용량으로 변환하는 단계;
상기 커패시터의 획득 데이터를 대상으로 오차를 줄이기 위해 Centered moving average를 이용하여 데이터를 평균화하는 전처리 작업을 진행하여 데이터 셋을 구축하는 단계; 및
상기 데이터 셋 중 70%의 데이터는 training data로 하고, 나머지 30%의 데이터는 test data로 사용하여 LSTM(Long-Short Term Memory)을 진행하는 단계;
를 포함하는 머신러닝을 이용한 알루미늄 전해 커패시터 고장예지방법.
<식 1>
Figure pat00021

<식 2>
Figure pat00022
measuring the charging voltage and the discharging voltage for a predetermined period above the limit temperature of the capacitor, and converting it into a capacitance through Equations 1 and 2;
constructing a data set by performing a pre-processing operation of averaging data using a centered moving average in order to reduce an error with respect to the acquired data of the capacitor; and
In the data set, 70% of data is used as training data, and the remaining 30% of data is used as test data to perform Long-Short Term Memory (LSTM);
Aluminum electrolytic capacitor failure prediction method using machine learning, including a.
<Equation 1>
Figure pat00021

<Equation 2>
Figure pat00022
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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