KR20220077186A - Lithium ion battery pack control method and apparatus using cell balancing neural network model - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리(LIB) 팩 제어방법을 제공한다. 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리(LIB) 팩 제어방법에서, 배터리 콘트롤러로부터 전달되는 LIB 팩 내의 각 셀의 상태에 관한 입력데이터를 이용하여 복수의 신경망 모델이 복합된 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시킨다. 이후, 학습된 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용하여, 상기 LIB 팩 내의 각 셀의 상태를 예측한다. 상기 예측에 따라 상기 각 셀의 충전상태를 보정하는 제어신호를 상기 배터리 콘트롤러로 전달하여, 상기 각 셀의 충전상태를 보정한다.An embodiment of the present invention provides a lithium-ion battery (LIB) pack control method using a cell balancing neural network model. In a lithium-ion battery (LIB) pack control method using a cell balancing neural network model, a cell balancing neural network model in which a plurality of neural network models is combined is trained using input data about the state of each cell in the LIB pack transmitted from the battery controller. . Thereafter, the state of each cell in the LIB pack is predicted using the learned cell balancing neural network model. According to the prediction, a control signal for correcting the state of charge of each cell is transmitted to the battery controller to correct the state of charge of each cell.

Description

셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법 및 그 제어장치{LITHIUM ION BATTERY PACK CONTROL METHOD AND APPARATUS USING CELL BALANCING NEURAL NETWORK MODEL}Lithium ion battery pack control method using cell balancing neural network model and control device thereof

본 발명은 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 학습된 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용하여 열화된 셀 또는 열화될 셀을 검출 및 예측하고, 충전상태 보정을 통해 리튬 이온 배터리 팩을 제어하는 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling a lithium ion battery pack using a cell balancing neural network model and an apparatus therefor, and more particularly, to a degraded cell or a cell to be degraded using a learned cell balancing neural network model and predicts and detects and predicts a state of charge The present invention relates to a method for controlling a lithium ion battery pack using a cell balancing neural network model for controlling a lithium ion battery pack through calibration, and an apparatus therefor.

4차 산업의 핵심 요소기술 중 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 드론, 전자기기, ESS(Energy Storage System) 등 다양한 분야에서 LIB(Lithium Ion Battery) 사용이 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 LIB의 안정성 및 내구성 향상에 대한 관심과 해당 산업의 규모가 증대되고 있다.Among the core technologies of the 4th industry, the use of Lithium Ion Battery (LIB) is continuously increasing in various fields such as electric vehicles (EVs), drones, electronic devices, and ESS (Energy Storage System). Accordingly, interest in improving the stability and durability of LIB and the scale of the industry are increasing.

일반적으로 높은 전력을 사용하기 위해 LIB 셀 다수를 직렬 또는 병렬로 연결해서 사용하는데, 이 때 각 셀의 배치 형태와 구조에 따라 충방전 시 셀 간 전압 불균형이 발생한다. 이는 LIB 팩(Lithium Ion Battery Pack) 전체의 과충전, 과방전, 효율 감소와 같은 문제를 야기시키고 나아가 시스템 전체의 수명을 단축시키는 원인이 되며, 전지의 폭발, 화재 등을 야기해서 안전을 위협한다. In general, many LIB cells are connected in series or in parallel to use high power. At this time, voltage imbalance occurs between cells during charging and discharging depending on the arrangement and structure of each cell. This causes problems such as overcharging, overdischarging, and reduced efficiency of the entire LIB pack (Lithium Ion Battery Pack), and further shortens the lifespan of the entire system, and threatens safety by causing explosion and fire of the battery.

이러한 문제를 해결하기 위해 각 분야에서 LIB 팩 내부의 다수 셀들이 균일하게 충방전이 될 수 있도록 하는 셀 밸런싱 기술들이 다양한 방법으로 활발하게 연구되고 있다.To solve this problem, cell balancing technologies that allow a plurality of cells inside the LIB pack to be uniformly charged and discharged in each field are being actively studied in various ways.

도 1은 종래의 수동 셀 밸런싱 방법을 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a conventional passive cell balancing method.

상용화된 기술 중 하나인 수동(Passive) 셀 밸런싱은 도 1의 상측에 도시된 것과 같이 LIB 팩 내부 각 셀들의 충전상태(SoC)가 불균형일 때, 비교적 더 많이 충전된 셀에 저항을 연결 및 방전시켜 각 셀들의 SoC를 균일하게 맞춰주는 기법이다(도 1의 하측 그림 참조).Passive cell balancing, which is one of the commercialized technologies, connects and discharges a resistor to a cell that is relatively more charged when the state of charge (SoC) of each cell inside the LIB pack is unbalanced, as shown in the upper part of FIG. 1 . This is a technique to uniformly match the SoC of each cell (see the lower figure of FIG. 1).

해당 방법은 구성이 간단하고 비용이 적게 든다는 장점이 있지만, 정상 충전 전지를 저항을 통해 소비해야 하고, 이로 인해 발생되는 열이 전체 시스템의 안전을 위협한다는 치명적인 단점을 지닌다.This method has the advantage of simple configuration and low cost, but has a fatal disadvantage that a normal rechargeable battery must be consumed through a resistor, and the heat generated thereby threatens the safety of the entire system.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복합 신경망 기반의 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용하여, LIB 팩에서의 열화된 셀을 예측 및 검출하고 충전상태 보정을 수행하여 셀 밸런싱을 달성하는 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.The technical task of the present invention is to predict and detect deteriorated cells in the LIB pack using a complex neural network-based cell balancing neural network model, and perform charge state correction to achieve cell balancing Lithium using a cell balancing neural network model To provide a method for controlling an ion battery pack and an apparatus therefor.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리(LIB) 팩 제어방법을 제공한다. 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리(LIB) 팩 제어방법에서, 배터리 콘트롤러로부터 전달되는 LIB 팩 내의 각 셀의 상태에 관한 입력데이터를 이용하여 복수의 신경망 모델이 복합된 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시킨다. 이후, 학습된 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용하여, 상기 LIB 팩 내의 각 셀의 상태를 예측한다. 상기 예측에 따라 상기 각 셀의 충전상태를 보정하는 제어신호를 상기 배터리 콘트롤러로 전달하여, 상기 각 셀의 충전상태를 보정한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention provides a lithium-ion battery (LIB) pack control method using a cell balancing neural network model. In a lithium-ion battery (LIB) pack control method using a cell balancing neural network model, a cell balancing neural network model in which a plurality of neural network models is combined is trained using input data about the state of each cell in the LIB pack transmitted from the battery controller. . Thereafter, the state of each cell in the LIB pack is predicted using the learned cell balancing neural network model. According to the prediction, a control signal for correcting the state of charge of each cell is transmitted to the battery controller to correct the state of charge of each cell.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시키는 단계는, 상기 배터리 콘트롤러로부터 전달되는 상기 LIB 팩의 각 셀의 충방전 상태에 관한 입력데이터를 CNN(Convolutional Neural Network) 신경망을 통해 상기 입력데이터들 간 공간적 특성 및 사이클 형태를 학습 및 추출하는 단계; 상기 입력테이터를 LSTM(Long Short Term Memory) 신경망을 이용하여 상기 각 셀의 시간에 따른 충방전 특성을 학습 및 추출하는 단계; 및 상기 입력데이터를 RNN(Recurrent Nenural Network) 신경망을 통해 동일 시간에서 상기 각 셀의 전압통계특성간의 상관계수를 학습 및 추출하는 단계;를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the step of learning the cell balancing neural network model, the input data regarding the charge/discharge state of each cell of the LIB pack transmitted from the battery controller is transmitted through the Convolutional Neural Network (CNN) neural network. learning and extracting spatial characteristics and cycle shapes between input data; learning and extracting charging/discharging characteristics according to time of each cell using a Long Short Term Memory (LSTM) neural network for the input data; and learning and extracting a correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of each cell at the same time using the input data through a recurrent neural network (RNN) neural network.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시키는 단계는, 상기 배터리 콘트롤러로부터 전달되는 상기 LIB 팩의 각 셀의 충방전 전압데이터를 상기 입력데이터로 하여, 상기 CNN 신경망, 상기 LSTM 신경망 및 상기 RNN 신경망을 통해 병렬 학습하여 수행될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of training the cell balancing neural network model includes the charging/discharging voltage data of each cell of the LIB pack transmitted from the battery controller as the input data, the CNN neural network, the LSTM neural network and parallel learning through the RNN neural network.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 셀 밸런싱 신경망 학습 및 상기 각 셀의 상태를 예측하기 위해, 상기 입력데이터는 x축을 시간으로, y축을 셀로 하는2차원 충방전 사이클 데이터이거나 직병렬 셀들로 구성된 3차원 데이터로 변환되어 제공될 수 있다.In an embodiment of the present invention, in order to learn the cell balancing neural network and predict the state of each cell, the input data is two-dimensional charge/discharge cycle data with an x-axis as time and a y-axis as a cell or 3 It may be provided after being converted into dimensional data.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 RNN 신경망을 통해 동일 시간에서 상기 각 셀의 전압통계특성간의 상관계수를 학습 및 추출하는 단계에서,In an embodiment of the present invention, in the step of learning and extracting the correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of each cell at the same time through the RNN neural network,

[상관계수 수식][Correlation coefficient formula]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 입력데이터를 가지고 RNN신경망을 학습시키되, 동일시간 t에서의 상기 LIB 팩 내부 각 셀들의 전압값들을 상기 상관계수 수식에 대입하여 출력되는 px,y 값이 RNN 중의 LSTM 입력으로 사용한 학습을 통해, 동일 시간 t에서 상기 각 셀의 전압통계특성간의 상관계수를 학습 및 추출할 수 있다.The RNN neural network is trained with the input data, and the voltage values of each cell in the LIB pack at the same time t are substituted into the correlation coefficient formula, and the output p x,y value is used as the LSTM input in the RNN. , it is possible to learn and extract a correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of each cell at the same time t.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 학습된 셀 밸런싱 신경망 모델은, 상기 LIB 팩 내의 각 셀의 상태를 예측하는 단계에서, 상기 각 셀의 충전상태(SoC)와 상기 상관계수를 예측하여 임의의 사이클에서의 열화될 셀을 검출할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the learned cell balancing neural network model predicts the state of charge (SoC) of each cell and the correlation coefficient in the step of predicting the state of each cell in the LIB pack in an arbitrary cycle It is possible to detect a cell to be degraded in

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시키는 단계에서, 상기 CNN 신경망, 상기 LSTM 신경망 및 상기 RNN 신경망에 의해 각 학습된 가중치(WC,R,V, BC,R,V)는,In an embodiment of the present invention, in the step of training the cell balancing neural network model, each weight (W C,R,V, B C,R,V ) learned by the CNN neural network, the LSTM neural network, and the RNN neural network )Is,

[가중치 결합수식][Weight Combination Formula]

Ct = σ(WC * X + BC) : CNN으로 학습된 가중치 C t = σ(W C * X + B C ) : Weights learned by CNN

Rt = σ(WR * X + BR) : RNN으로 학습된 가중치R t = σ(W R * X + B R ) : Weights learned by RNN

Vt = σ(WV * X + BV) : VDCNN으로 학습된 가중치V t = σ(W V * X + B V ) : Weights learned with VDCNN

Pt = ReLU(Ct * h(t-1) + Vt * h(t-1))P t = ReLU(Ct * h (t-1) + Vt * h (t-1) )

최종 출력 h(t) = (1-K) Rt * h(t-1) + K Pt * h(t-1) (0 < K < 1)Final output h(t) = (1-K) R t * h (t-1) + KP t * h (t-1) (0 < K < 1)

(* 기호는 컨볼루션 연산, K는 각 신경망들 간 Weighting Factor, σ는 시그모이드 함수(활성화 함수), W는 가중치, X는 입력, B는 바이어스 값)(* symbol is convolution operation, K is weighting factor between each neural network, σ is sigmoid function (activation function), W is weight, X is input, B is bias value)

상기 가중치 결합수식에 의해 조합되어 상기 셀 밸런싱 신경망 모델이 학습될 수 있다.The cell balancing neural network model can be trained by combining by the weight combination formula.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 CNN 신경망의 학습을 통해, 상기 충방전 전압데이터의 충방전 곡선의 변곡점, 극대값 및 극소값을 기초로 사이클 형태(Cycle shape) 및 사이클 패턴을 추출할 수 있다.In an embodiment of the present invention, through learning of the CNN neural network, a cycle shape and a cycle pattern can be extracted based on the inflection point, the maximum value, and the minimum value of the charge/discharge curve of the charge/discharge voltage data.

본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 실시예는 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리(LIB) 팩의 제어장치를 제공한다. 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리(LIB) 팩의 제어장치는 배터리 콘트롤러로부터 전송된 LIB 팩 내의 각 셀의 충방전 상태에 관한 입력데이터를 CNN 연산을 통해 학습하여 상기 입력데이터의 공간적 특성 및 사이클 형태(cycle shape) 및 사이클 패턴을 추출하는 패턴추출 신경망부; 상기 입력데이터를 LSTM 연산을 통해 상기 각 셀들의 시간에 따른 충전상태 특성을 학습하는 충전상태 학습 신경망부; 상기 입력데이터를 RNN 연산을 통해, 동일 시간에서 상기 각 셀의 전압통계특성간에 상관계수를 학습하는 상관계수 학습 신경망부; 및 상기 패턴추출 신경망부, 상기 충전상태 학습 신경망부 및 상기 상관계수 학습 신경망부로부터 학습된 결과를 통합하여 셀 밸런싱 신경망 모델을 생성하고, 생성된 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용하여 열화될 셀들을 예측하고, 충전상태 보정 파라미터를 상기 배터리 콘트롤러에 전송하여 셀 밸런싱을 이루도록 하는 예측부를 포함할 수 있다.In order to solve the technical problem of the present invention, another embodiment of the present invention provides an apparatus for controlling a lithium ion battery (LIB) pack using a cell balancing neural network model. The control device of the lithium ion battery (LIB) pack using the cell balancing neural network model learns the input data about the charge/discharge state of each cell in the LIB pack transmitted from the battery controller through CNN operation, and the spatial characteristics and cycle of the input data a pattern extraction neural network unit for extracting a cycle shape and a cycle pattern; a state of charge learning neural network unit for learning state-of-charge characteristics according to time of each cell through LSTM operation on the input data; a correlation coefficient learning neural network unit for learning a correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of each cell at the same time through RNN operation on the input data; and integrating the results learned from the pattern extraction neural network unit, the state of charge learning neural network unit, and the correlation coefficient learning neural network unit to generate a cell balancing neural network model, and predicting cells to be degraded using the generated cell balancing neural network model, , a predictor configured to transmit a state of charge correction parameter to the battery controller to achieve cell balancing.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 배터리 콘트롤러로부터 상기 입력데이터를 전송받아 상기 패턴추출 신경망부, 충전상태 학습 신경망부 및 상기 상관계수 학습 신경망부로 제공하는 입력부를 더 포함하며, 상기 입력부가 제공하는 또는 상기 입력부가 제공받는 상기 입력데이터는 x축을 시간으로, y축을 셀로 하는2차원 충방전 사이클 데이터이거나 직병렬 셀들로 구성된 3차원 데이터일 수 있다.In an embodiment of the present invention, further comprising an input unit that receives the input data from the battery controller and provides it to the pattern extraction neural network unit, the state of charge learning neural network unit, and the correlation coefficient learning neural network unit, wherein the input unit provides or The input data provided by the input unit may be two-dimensional charge/discharge cycle data in which an x-axis is time and a y-axis is a cell, or three-dimensional data composed of serial and parallel cells.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 상관계수 학습 신경망부는,In an embodiment of the present invention, the correlation coefficient learning neural network unit,

[상관계수 수식][Correlation coefficient formula]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 입력데이터를 가지고 RNN신경망을 학습시키되, 동일시간 t에서의 상기 LIB 팩 내부 각 셀들의 전압값들을 상기 상관계수 수식에 대입하여 출력되는 px,y 값을 RNN 중의 LSTM 입력으로 사용함으로써, 동일 시간 t에서 상기 각 셀의 전압통계특성간의 상관계수를 학습할 수 있다.The RNN neural network is trained with the input data, and the voltage values of each cell in the LIB pack at the same time t are substituted into the correlation coefficient formula and the output p x,y value is used as the LSTM input in the RNN. At time t, a correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of each cell may be learned.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 예측부는,In an embodiment of the present invention, the prediction unit,

[가중치 결합수식][Weight Combination Formula]

Ct = σ(WC * X + BC) : CNN으로 학습된 가중치 C t = σ(W C * X + B C ) : Weights learned by CNN

Rt = σ(WR * X + BR) : RNN으로 학습된 가중치R t = σ(W R * X + B R ) : Weights learned by RNN

Vt = σ(WV * X + BV) : VDCNN으로 학습된 가중치V t = σ(W V * X + B V ) : Weights learned with VDCNN

Pt = ReLU(Ct * h(t-1) + Vt * h(t-1))P t = ReLU(Ct * h (t-1) + Vt * h (t-1) )

최종 출력 h(t) = (1-K) Rt * h(t-1) + K Pt * h(t-1) (0 < K < 1)Final output h(t) = (1-K) R t * h (t-1) + KP t * h (t-1) (0 < K < 1)

(* 기호는 컨볼루션 연산, K는 각 신경망들 간 Weighting Factor, σ는 시그모이드 함수(활성화 함수), W는 가중치, X는 입력, B는 바이어스 값)(* symbol is convolution operation, K is weighting factor between each neural network, σ is sigmoid function (activation function), W is weight, X is input, B is bias value)

상기 패턴추출 신경망부, 충전상태 학습 신경망부 및 상기 상관계수 학습 신경망부로에 의해 각 학습된 가중치(WC,R,V, BC,R,V)를 상기 가중치 결합수식에 의해 조합하여 상기 셀 밸런싱 신경망 모델을 생성할 수 있다.Each of the weights (W C,R,V, B C,R,V ) learned by the pattern extraction neural network unit, the state of charge learning neural network unit, and the correlation coefficient learning neural network unit is combined by the weight combination formula to the cell A balancing neural network model can be created.

본 발명의 실시예에 따르면, 셀 밸런싱을 위해 배터리 제어 모듈로부터 LIB 팩 내의 각 셀들의 충방전데이터를 받아 학습된 셀 밸런싱 신경망 모델을 통해 각 셀들의 SoC를 예측하여, LIB 팩 내의 열화된 셀을 조기에 검출하고, 이에 따른 보정된 SoC 파라메터를 다시 배터리 제어 모듈에게 전달하여 모든 셀들이 동일한 SoC를 갖도록 제어하는, 셀 밸런싱 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어방법 및 그 장치를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the SoC of each cell is predicted through the cell balancing neural network model learned by receiving charge/discharge data of each cell in the LIB pack from the battery control module for cell balancing, A method and apparatus for controlling a lithium ion battery pack using a cell balancing model can be provided, in which early detection and corrected SoC parameters are transmitted back to the battery control module to control all cells to have the same SoC.

본 발명의 실시예에 따르면, 종래에 사용되던 수동 셀 밸런싱 기법을 대체하고, 나아가 전력을 저항으로 소비 해야하는 과정을 제거함으로써LIB 팩의 안정성 및 수명을 향상시키는 셀 밸런싱 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어방법 및 그 장치를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a lithium ion battery pack using a cell balancing model that replaces the conventionally used passive cell balancing technique and improves the stability and lifespan of the LIB pack by eliminating the process of consuming power as a resistor. A control method and an apparatus therefor can be provided.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 종래의 수동 셀 밸런싱 방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 복합 신경망을 이용하여 셀 밸런싱을 달성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 신경망 기반의 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 신경망 기반의 셀 밸런싱 신경망 모델의 입력데이터의 일 예로서, 2차원 충방전 cycle 데이터를 나타내는 도면이다.
1 is a diagram illustrating a conventional passive cell balancing method.
2 is a flowchart illustrating a method for controlling a lithium ion battery pack using a cell balancing neural network model according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining a process of achieving cell balancing using a complex neural network.
4 is a diagram illustrating a control device for a lithium ion battery pack using a cell balancing neural network model based on a complex neural network according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating two-dimensional charge/discharge cycle data as an example of input data of a cell balancing neural network model based on a complex neural network according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법을 나타내는 순서도이다. 도 3은 복합 신경망을 이용하여 셀 밸런싱을 달성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.2 is a flowchart illustrating a method for controlling a lithium ion battery pack using a cell balancing neural network model according to an embodiment of the present invention. 3 is a diagram for explaining a process of achieving cell balancing using a complex neural network.

본 실시예의 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법은 리튬 이온 배터리 팩(Lithium Ion Battery Pack ; 이하, LIB 팩)으로부터 검출된 정보를 이용하여 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시키고, 학습된 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용하여 LIB 팩의 각 셀의 충전상태(이하, SoC; state of charge)를 예측, 열화된 셀의 검출 및 보정함으로써, 제어하는 방법에 적용될 수 있다.The lithium ion battery pack control method using the cell balancing neural network model of this embodiment learns a cell balancing neural network model using information detected from a lithium ion battery pack (hereinafter, LIB pack), and the learned cell balancing It can be applied to a control method by predicting the state of charge (hereinafter, SoC) of each cell of the LIB pack using a neural network model, detecting and correcting the deteriorated cell.

셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법에서, 먼저 배터리 콘트롤러로부터 수집된 LIB 팩 내의 각 셀로부터 입력데이터를 이용하여 복수의 신경망 모델이 복합된 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시킨다(S10).In the lithium-ion battery pack control method using a cell balancing neural network model, first, a cell balancing neural network model in which a plurality of neural network models is combined is trained using input data from each cell in the LIB pack collected from the battery controller (S10).

이후, 학습된 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용하여, LIB 팩 내의 각 셀의 상태를 예측한다(S20).Thereafter, the state of each cell in the LIB pack is predicted using the learned cell balancing neural network model (S20).

이후, 상기 예측에 따라 각 셀의 충전상태를 보정하는 제어신호를 상기 배터리 콘트롤러로 전달하여, LIB 팩 내의 각 셀의 충전상태를 보정한다(S30).Thereafter, a control signal for correcting the state of charge of each cell according to the prediction is transmitted to the battery controller to correct the state of charge of each cell in the LIB pack (S30).

이하, 각 과정을 상세히 설명한다.Hereinafter, each process will be described in detail.

도 3을 참조하면, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법은 복합 신경망 기반의 학습된 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한다. 즉, 배터리 콘트롤러로부터 수집된 LIB 팩 내의 각 셀로부터 입력데이터를 이용하여 복수의 신경망이 복합된 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시킨다(S10).Referring to FIG. 3 , a lithium-ion battery pack control method using a cell balancing neural network model uses a learned cell balancing neural network model based on a complex neural network. That is, a cell balancing neural network model in which a plurality of neural networks are combined is trained using input data from each cell in the LIB pack collected from the battery controller (S10).

이와 같은 과정을 실현하기 위해, 예를 들어, 본 실시예의 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어장치는(이하, LIB 팩 제어장치) 배터리 콘트롤러로부터 LIB 팩 내의 각 셀의 충방전 데이터를 수집할 수 있다. LIB 팩 제어장치는 복합 신경망 기반의 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용하여 LIB 팩의 충전상태를 제어할 수 있다. LIB 팩 제어장치는 수집된 충반전 데이터를 이용하여 지속적으로 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습 및 업데이트 또는 업그레이드시킬 수 있다. LIB 팩 제어장치가 이용하는 셀 밸런싱 신경망 모델은 더 상세히 후술된다.In order to realize such a process, for example, the lithium ion battery pack control device using the cell balancing neural network model of this embodiment (hereinafter, the LIB pack control device) collects charge/discharge data of each cell in the LIB pack from the battery controller. can do. The LIB pack controller can control the state of charge of the LIB pack using a cell balancing neural network model based on a complex neural network. The LIB pack controller can continuously learn, update, or upgrade the cell balancing neural network model using the collected charging and discharging data. The cell balancing neural network model used by the LIB pack controller will be described in more detail below.

이후, 학습된 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용하여, LIB 팩 내의 각 셀의 상태를 예측한다(S20). 예를 들어, 상기와 같이 준비된 셀 밸런싱 신경망 모델을 가진 LIB 팩 제어장치는 배터리 콘트롤러로부터 각 셀의 현재의 충방전 데이터를 수신받을 수 있다. 수신된 현재의 충방전 데이터를 셀 밸런신 신경망 모델의 입력으로 사용하여, LIB 팩 내의 각 셀들의 현재의 SoC 상태를 검출하고, 이후, 변화를 예측 또는 추정할 수 있다. Thereafter, the state of each cell in the LIB pack is predicted using the learned cell balancing neural network model (S20). For example, the LIB pack controller having the cell balancing neural network model prepared as described above may receive current charge/discharge data of each cell from the battery controller. By using the received current charging/discharging data as an input of the cell balancing neural network model, the current SoC state of each cell in the LIB pack may be detected, and then, the change may be predicted or estimated.

다음으로, 상기 예측에 따라 각 셀의 충전상태를 보정하는 제어신호를 상기 배터리 콘트롤러로 전달하여, LIB 팩 내의 각 셀의 충전상태를 보정한다(S30).Next, a control signal for correcting the state of charge of each cell according to the prediction is transmitted to the battery controller to correct the state of charge of each cell in the LIB pack (S30).

예를 들어, LIB 팩 제어장치는 전술한 바와 같이 LIB 팩 내부 각 셀들의 SoC를 예측하여, 열화된 셀, 또는 열화될 셀을 조기에 검출하고, 이에 따른 제어신호(예: SoC 보정 파라메터)를 배터리 콘트롤러로 전달할 수 있다. 배터리 콘트롤러는 이러한 제어신호에 따라 SoC 보정 파라메터를 각 셀 셀에 적용함으로써, 모든 셀들이 균일한 SoC를 갖도록 제어할 수 있다. For example, the LIB pack controller predicts the SoC of each cell in the LIB pack as described above, detects a degraded cell or a cell to be degraded early, and provides a control signal (eg, SoC correction parameter) according to the prediction. It can be transmitted to the battery controller. The battery controller may control all cells to have a uniform SoC by applying the SoC correction parameter to each cell according to the control signal.

이와 같이, 본 실시예에 따른 LIB 팩 제어방법 및 제어장치는 복합 신경망 기반의 예측 모델(셀 밸런싱 신경망 모델)을 이용하며, 이를 통한 예측을 통해 열화된 셀을 조기에 검출하고, 검출된 열화된 셀을 반영하여 충전상태를 보정하여 셀 밸런싱을 달성할 수 있다.As described above, the LIB pack control method and control apparatus according to the present embodiment uses a prediction model (cell balancing neural network model) based on a complex neural network, and detects deteriorated cells early through prediction through this, and the detected deteriorated Cell balancing can be achieved by correcting the state of charge by reflecting the cells.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 신경망 기반의 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어장치를 나타내는 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 신경망 기반의 셀 밸런싱 신경망 모델의 입력데이터의 일 예로서, 2차원 충방전 cycle 데이터를 나타내는 도면이다.4 is a diagram illustrating a control device for a lithium ion battery pack using a cell balancing neural network model based on a complex neural network according to an embodiment of the present invention. 5 is a diagram illustrating two-dimensional charge/discharge cycle data as an example of input data of a cell balancing neural network model based on a complex neural network according to an embodiment of the present invention.

본 실시예의 LIB 팩 제어방법이 이용하는 셀 밸런싱 신경망 모델(도 4 참조)은, 복수의 신경망을 사용하여 학습하고, 이를 통합하는 복합 신경망 모델일 수 있다. 복수의 신경망은 CNN(Convolutional Neural Network) 신경망, LSTM(Long Short Term Memory) 신경망 및 RNN(Recurrent Nenural Network) 신경망을 포함할 수 있다.The cell balancing neural network model (see FIG. 4 ) used by the LIB pack control method of this embodiment may be a complex neural network model that learns using a plurality of neural networks and integrates them. The plurality of neural networks may include a Convolutional Neural Network (CNN) neural network, a Long Short Term Memory (LSTM) neural network, and a Recurrent Neural Network (RNN) neural network.

구체적으로, 상기 셀 밸런싱 신경망 모델은 학습에 있어서, 상기 배터리 콘트롤러로부터 전달되는 상기 LIB 팩의 복수의 셀로부터의 입력데이터를 컨볼루션 신경망(CNN)을 통해 입력데이터들 간 공간적 특성 및 사이클 형태를 학습 및 추출할 수 있다(S11). 예를 들어, 상기 CNN 학습에 있어서, 충방전 곡선(도 5 참조)의 변곡점, 극대극소값을 기초로 사이클 형태(Cycle shape) 및 패턴을 추출할 수 있다.Specifically, the cell balancing neural network model learns spatial characteristics and cycle types between input data through a convolutional neural network (CNN) with input data from a plurality of cells of the LIB pack delivered from the battery controller in learning. and can be extracted (S11). For example, in the CNN learning, a cycle shape and a pattern may be extracted based on an inflection point and a maximum/minimum value of a charge/discharge curve (see FIG. 5 ).

또한, 상기 입력 테이터를 LSTM 신경망을 이용하여 각 셀의 충방전 전압 테이터들로부터 시간에 따른 특성을 학습 및 추출할 수 있다(S12).Also, it is possible to learn and extract characteristics according to time from the charge/discharge voltage data of each cell using the LSTM neural network for the input data (S12).

또한, 상기 입력데이터를 RNN 신경망을 통해 동일 시간에서 셀들의 전압통계특성간의 상관계수를 학습 및 추출할 수 있다(S13).In addition, it is possible to learn and extract the correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of the cells at the same time through the RNN neural network using the input data (S13).

이러한 복합 신경망 학습을 위해, LIB 팩 제어장치는 일 예로 도 4에 도시된 것과 같이, 입력부(100), 패턴추출 신경망부(200), 충전상태 학습 신경망부(300), 상관계수 학습 신경망부(400) 및 예측부(500)를 포함할 수 있다.For this complex neural network learning, the LIB pack control device is, for example, as shown in FIG. 4 , an input unit 100, a pattern extraction neural network unit 200, a charged state learning neural network unit 300, a correlation coefficient learning neural network unit ( 400) and a prediction unit 500 .

상기 셀 밸런싱 신경망 학습(S10) 및 상기 각 셀의 상태를 예측(S20)하기 위해 상기 입력데이터는 2차원 충방전 cycle 데이터(x축 : 시간, y축: 셀)로 제공되거나, 3차원 데이터(직병렬 셀들로 구성)로 변환하여 제공될 수 있다.In order to learn the cell balancing neural network (S10) and predict the state of each cell (S20), the input data is provided as two-dimensional charge/discharge cycle data (x-axis: time, y-axis: cell) or three-dimensional data ( It can be provided by converting to serial-parallel cells).

입력부(100)는 배터리 콘트롤러로부터 LIB 팩 내의 각 셀의 충방전 데이터를, 일 예로, 2차원 전압 사이클 데이터로 입력받을 수 있다(도 5 참조).The input unit 100 may receive charge/discharge data of each cell in the LIB pack from the battery controller as, for example, two-dimensional voltage cycle data (refer to FIG. 5 ).

도 4에 제시된 예측 모델(셀 밸런싱 신경망 모델)은 세가지 신경망을 결합하여 새롭게 고안한 복합 신경망으로써 다음과 같은 과정을 거쳐 열화 셀 검출 및 SOC를 보정 및 예측할 수 있다.The prediction model (cell balancing neural network model) presented in FIG. 4 is a newly devised complex neural network by combining three neural networks, and it is possible to detect and predict deteriorated cells and SOC through the following process.

패턴추출 신경망부(200)는 2차원 전압 사이클 데이터(입력데이터)를 CNN 연산을 통해 학습하여 사이클 형태(cycle shape)의 패턴을 추출할 수 있다((S11).The pattern extraction neural network unit 200 may extract a pattern of a cycle shape by learning two-dimensional voltage cycle data (input data) through CNN operation ((S11).

예를 들어, 패턴추출 신경망부(200)는 2차원 입력데이터를 p x p 크기의 필터 q개로 이루어진 n개층의 레이어로 구성된 신경망으로 컨볼루션 연산을 통해 입력데이터들 간 공간적인 특성 및 사이클 형태(cycle shape)을 학습 및 추출할 수 있다. 대표적으로 충방전 곡선의 변곡점, 극대 극소값 등이 Cycle shape를 결정하게 되며 이러한 특징을 학습하여 최종 예측의 성능을 더욱 높일 수 있다. 이때 학습 환경(필터 크기(p), 필터 개수(q), layer 개수(n), 학습시간, 하드웨어, 예측 성능 등)을 고려하여 각 파라메터들은 유동적으로 변경 가능하다.For example, the pattern extraction neural network unit 200 converts two-dimensional input data into a neural network consisting of n layers of q filters of p x p size, spatial characteristics and cycle shape between input data through convolution operation. ) can be learned and extracted. Typically, the inflection point of the charge/discharge curve and the maximum and minimum values determine the cycle shape, and by learning these characteristics, the performance of the final prediction can be further improved. At this time, each parameter can be flexibly changed in consideration of the learning environment (filter size (p), number of filters (q), number of layers (n), learning time, hardware, prediction performance, etc.).

충전상태 학습 신경망부(300)는 2차원 전압 사이클 데이터(입력데이터)를 RNN 연산을 통해, 구체적으로 LSTM 신경망을 통해 학습하여 각 셀들의 SoC를 학습할 수 있다(S12). 충전상태 학습 신경망부(300)는 동일한 초기 입력데이터로 시계열 예측에 준수한 성능을 보이는 LSTM을 이용하여 각 셀의 충방전 전압 데이터들로부터 시간에 따른 특성을 학습 및 추출할 수 있다.The state of charge learning neural network unit 300 may learn the SoC of each cell by learning the two-dimensional voltage cycle data (input data) through RNN operation, specifically, through an LSTM neural network (S12). The state-of-charge learning neural network unit 300 may learn and extract characteristics according to time from the charge/discharge voltage data of each cell by using an LSTM that exhibits performance conforming to time series prediction with the same initial input data.

상관계수 학습 신경망부(400)는 2차원 전압 사이클 데이터(입력데이터)를 RNN 연산을 통해, 셀들의 전압통계특성간의 상관계수를 학습할 수 있다(S13). 예를 들어, 동일한 초기 입력데이터를 가지고 RNN을 학습시킨다. 더욱 상세하게는 동일시간 t에서의 LIB 팩 내부 각 셀들의 전압값들을 하기 상관계수 수식에 대입하여 출력되는 px,y 값이 RNN 중의 LSTM 입력으로 사용된다. 이를 통해 동일 시간 t에서 셀들간의 전압 통계 특성을 학습 및 추출할 수 있다.Correlation coefficient learning The neural network unit 400 may learn a correlation coefficient between voltage statistical characteristics of cells through RNN operation on two-dimensional voltage cycle data (input data) (S13). For example, train the RNN with the same initial input data. In more detail, the p x,y value output by substituting the voltage values of each cell in the LIB pack at the same time t into the following correlation coefficient equation is used as the LSTM input in the RNN. Through this, it is possible to learn and extract the voltage statistical characteristics between cells at the same time t.

[상관계수 수식][Correlation coefficient formula]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 상관계수 수식을 참조하면, 상기 상관계수 학습 신경망부(400)는 입력데이터를 가지고 RNN연산을 통해 학습하되, 동일시간 t에서의 LIB 팩 내부 각 셀들의 전압값들을 상기 상관계수 수식에 대입하여 출력되는 px,y 값을 RNN 중의 LSTM 입력으로 사용할 수 있다. 이에 의해 상관계수 학습 신경망부(400)는 동일 시간 t에서 셀들의 전압통계특성간의 상관계수를 학습 및 추출할 수 있다.Referring to the correlation coefficient formula, the correlation coefficient learning neural network unit 400 learns through RNN operation with input data, but substituting the voltage values of each cell in the LIB pack at the same time t into the correlation coefficient formula The output p x,y values can be used as LSTM inputs in RNN. Accordingly, the correlation coefficient learning neural network unit 400 may learn and extract the correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of the cells at the same time t.

전술한 상기 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시키는 과정은 상기 배터리 콘트롤러로부터 전달되는 LIB 팩의 충방전 전압 데이터(입력데이터)를 상기 CNN, LSTM 및 RNN 신경망을 통해 병렬 학습하여 학습될 수 있다.The above-described process of learning the cell balancing neural network model may be learned by parallel learning through the CNN, LSTM and RNN neural networks on charge/discharge voltage data (input data) of the LIB pack transmitted from the battery controller.

예측부(500)는 이러한 패턴추출 신경망부(200), 충전상태 학습 신경망부(300), 상관계수 학습 신경망부(400)로부터 학습된 결과를 통합하여 예측 모델을 생성하고, 이를 바탕으로 열화될 셀들을 예측할 수 있다. 예를 들어, 두번째 RNN의 예측 전압과 세번째의 신경망으로부터 도출된 상관계수에 따라 열화셀을 파악할 수 있다.The prediction unit 500 generates a prediction model by integrating the results learned from the pattern extraction neural network unit 200, the state of charge learning neural network unit 300, and the correlation coefficient learning neural network unit 400, and is to be deteriorated based on this. cells can be predicted. For example, a deteriorated cell may be identified according to the predicted voltage of the second RNN and a correlation coefficient derived from the third neural network.

상기 복수의 신경망을 병렬학습하여 셀 밸런싱 신경망 모델을 생성하는데 있어서, 하기의 가중치 결합수식에 의해 상기 3가지 영역의 신경망을 통해 동시에 학습되는 가중치(WC,R,V, BC,R,V)들은 최적화될 수 있다. In generating a cell balancing neural network model by parallel learning the plurality of neural networks, the weights (W C, R, V, B C, R, V ) can be optimized.

[가중치 결합수식] 3가지 신경망의 학습 가중치들을 취합하는 수식[Weight Combination Equation] Equation for combining the learning weights of three neural networks

Ct = σ(WC * X + BC) : CNN으로 학습된 가중치 C t = σ(W C * X + B C ) : Weights learned by CNN

Rt = σ(WR * X + BR) : RNN으로 학습된 가중치R t = σ(W R * X + B R ) : Weights learned by RNN

Vt = σ(WV * X + BV) : VDCNN으로 학습된 가중치V t = σ(W V * X + B V ) : Weights learned with VDCNN

Pt = ReLU(Ct * h(t-1) + Vt * h(t-1))P t = ReLU(Ct * h (t-1) + Vt * h (t-1) )

최종 출력 h(t) = (1-K) Rt * h(t-1) + K Pt * h(t-1) (0 < K < 1)Final output h(t) = (1-K) R t * h (t-1) + KP t * h (t-1) (0 < K < 1)

* 기호는 컨볼루션 연산, K는 각 신경망들 간 Weighting Factor, σ는 시그모이드 함수(활성화 함수), W는 가중치, X는 입력, B는 바이어스 값을 나타낸다.* Symbol is a convolution operation, K is a weighting factor between each neural network, σ is a sigmoid function (activation function), W is a weight, X is an input, and B is a bias value.

상기 CNN, LSTM 및 RNN 신경망에 의해 각 학습된 가중치(WC,R,V, BC,R,V)는 상기 가중치 결합수식에 의해 조합되어 상기 복합신경망(셀 밸런싱 신경망 모델)이 이루어질 수 있다. 위와 같은 과정으로 학습된 예측 모델(셀 밸런싱 신경망 모델)은 입력데이터의 공간특성, 시간특성, 각 셀들의 전압통계특성간의 상관계수를 추출할 수 있다.Each weight (W C,R,V , B C,R,V ) learned by the CNN, LSTM and RNN neural networks is combined by the weight combination formula to form the complex neural network (cell balancing neural network model). . The prediction model (cell balancing neural network model) learned through the above process can extract correlation coefficients between spatial characteristics of input data, temporal characteristics, and voltage statistical characteristics of each cell.

상기 학습된 셀 밸런싱 신경망 모델은 상기 LIB 팩 내의 각 셀의 상태를 예측하는 과정(S20)에서, 각 셀들의 충전상태(SoC)와 전압통계특성간의 상관계수를 예측하여 임의의 사이클에서의 열화된 셀, 또는 열화될 셀을 검출할 수 있다. 예를 들어, LIB 팩 제어장치의 예측부(500)는 각 학습부의 학습결과를 병합하여 셀 밸런싱 신경망 모델을 생성하고, 각 셀들의 전압통계특성간의 상관계수와 SoC를 예측하여 임의의 사이클에서의 열화된 셀 또는 열화될 셀을 검출할 수 있다.The learned cell balancing neural network model predicts the correlation coefficient between the state of charge (SoC) and voltage statistical characteristics of each cell in the process of predicting the state of each cell in the LIB pack (S20), A cell or a cell to be deteriorated can be detected. For example, the prediction unit 500 of the LIB pack control device generates a cell balancing neural network model by merging the learning results of each learning unit, and predicts the correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of each cell and the SoC in an arbitrary cycle. A degraded cell or a cell to be degraded can be detected.

이후, 상기 예측에 따라 각 셀의 충전상태를 보정하는 제어신호를 상기 배터리 콘트롤러로 전달하여, LIB 팩 내의 각 셀의 충전상태를 보정한다(S30). 그 보정의 결과, 셀들의 충전상태가 균일하게되어 셀 밸런싱이 달성될 수 있다.Thereafter, a control signal for correcting the state of charge of each cell according to the prediction is transmitted to the battery controller to correct the state of charge of each cell in the LIB pack (S30). As a result of the correction, the state of charge of the cells becomes uniform, so that cell balancing can be achieved.

본 발명은 LIB 팩에서 셀 밸런싱을 위한 복합 신경망 기반 열화 셀 검출 및 SoC 보정 예측 모델에 관한 것으로, 종래에 사용되던 수동 셀 밸런싱 기법을 대체하고 나아가 전력을 저항으로 소비 해야하는 과정을 없애 LIB 팩의 안전성 및 수명 향상의 효과를 갖는다. The present invention relates to a complex neural network-based deteriorated cell detection and SoC correction prediction model for cell balancing in a LIB pack, which replaces the conventional passive cell balancing technique and further eliminates the process of consuming power with a resistor to ensure safety of the LIB pack And it has the effect of life improvement.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

100 : 입력부
200 : 패턴추출 신경망부
300 : 충전상태 학습 신경망부
400 : 상관계수 학습 신경망부
500 : 예측부
100: input unit
200: pattern extraction neural network
300: state of charge learning neural network
400: correlation coefficient learning neural network unit
500: prediction unit

Claims (12)

셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리(LIB) 팩 제어방법에 있어서,
배터리 콘트롤러로부터 전달되는 LIB 팩 내의 각 셀의 상태에 관한 입력데이터를 이용하여 복수의 신경망 모델이 복합된 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시키는 단계;
학습된 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용하여, 상기 LIB 팩 내의 각 셀의 상태를 예측하는 단계; 및
상기 예측에 따라 상기 각 셀의 충전상태를 보정하는 제어신호를 상기 배터리 콘트롤러로 전달하여, 상기 각 셀의 충전상태를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법.
In a lithium-ion battery (LIB) pack control method using a cell balancing neural network model,
training a cell balancing neural network model in which a plurality of neural network models are combined using input data on the state of each cell in the LIB pack transmitted from the battery controller;
predicting the state of each cell in the LIB pack by using the learned cell balancing neural network model; and
Lithium-ion battery using a cell balancing neural network model, comprising the step of correcting the state of charge of each cell by transmitting a control signal for correcting the state of charge of each cell according to the prediction to the battery controller How to control the pack.
청구항 1에 있어서,
상기 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시키는 단계는,
상기 배터리 콘트롤러로부터 전달되는 상기 LIB 팩의 각 셀의 충방전 상태에 관한 상기 입력데이터를 CNN(Convolutional Neural Network) 신경망을 통해 상기 각 셀의 상기 입력데이터간 공간적 특성 및 사이클 형태를 학습 및 추출하는 단계;
상기 입력테이터를 LSTM(Long Short Term Memory) 신경망을 이용하여 상기 각 셀의 시간에 따른 충방전 특성을 학습 및 추출하는 단계; 및
상기 입력데이터를 RNN(Recurrent Nenural Network) 신경망을 통해 동일 시간에서 상기 각 셀의 전압통계특성간의 상관계수를 학습 및 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법.
The method according to claim 1,
The step of training the cell balancing neural network model comprises:
Learning and extracting the input data regarding the charge/discharge state of each cell of the LIB pack transmitted from the battery controller through a CNN (Convolutional Neural Network) neural network, spatial characteristics and cycle shape between the input data of each cell ;
learning and extracting charging/discharging characteristics according to time of each cell using a Long Short Term Memory (LSTM) neural network for the input data; and
A lithium ion battery using a cell balancing neural network model, comprising: learning and extracting a correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of each cell at the same time using the input data through a Recurrent Neural Network (RNN) neural network How to control the pack.
청구항 2에 있어서,
상기 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시키는 단계는,
상기 배터리 콘트롤러로부터 전달되는 상기 LIB 팩의 각 셀의 충방전 전압데이터를 상기 입력데이터로 하여, 상기 CNN 신경망, 상기 LSTM 신경망 및 상기 RNN 신경망을 통해 병렬 학습하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법.
3. The method according to claim 2,
The step of training the cell balancing neural network model comprises:
Using the charge/discharge voltage data of each cell of the LIB pack delivered from the battery controller as the input data, parallel learning is performed through the CNN neural network, the LSTM neural network and the RNN neural network, cell balancing neural network A method of controlling a lithium-ion battery pack using a model.
청구항 3에 있어서,
상기 셀 밸런싱 신경망을 학습 및 상기 각 셀의 상태를 예측하기 위해, 상기 입력데이터는 x축을 시간으로, y축을 셀로 하는2차원 충방전 사이클 데이터이거나 직병렬 셀들로 구성된 3차원 데이터로 변환되어 제공되는 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩 제어방법.
4. The method according to claim 3,
In order to learn the cell balancing neural network and predict the state of each cell, the input data is two-dimensional charge/discharge cycle data with the x-axis as time and the y-axis as the cell, or 3D data composed of serial and parallel cells. Lithium-ion battery pack control method using a cell balancing neural network model, characterized in that.
청구항 4에 있어서,
상기 RNN 신경망을 통해 동일 시간에서 상기 각 셀의 전압통계특성간의 상관계수를 학습 및 추출하는 단계에서,
[상관계수 수식]
Figure pat00004

상기 입력데이터를 가지고 RNN신경망을 학습시키되, 동일시간 t에서의 상기 각 셀들의 전압값들을 상기 상관계수 수식에 대입하여 출력되는 px,y 값이 RNN 중의 LSTM 입력으로 사용한 학습을 통해, 동일 시간 t에서 상기 각 셀의 전압통계특성간의 상관계수를 학습 및 추출하는 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어방법.
5. The method according to claim 4,
In the step of learning and extracting the correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of each cell at the same time through the RNN neural network,
[Correlation coefficient formula]
Figure pat00004

The RNN neural network is trained with the input data, and the px,y values output by substituting the voltage values of each cell at the same time t into the correlation coefficient formula are used as the LSTM input in the RNN. A method of controlling a lithium ion battery pack using a cell balancing neural network model, characterized in that learning and extracting a correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of each cell in the .
청구항 5에 있어서,
상기 학습된 셀 밸런싱 신경망 모델은,
상기 LIB 팩 내의 각 셀의 상태를 예측하는 단계에서, 상기 각 셀의 충전상태(SoC)와 상기 상관계수를 예측하여 임의의 사이클에서의 열화될 셀을 검출하는 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어방법.
6. The method of claim 5,
The learned cell balancing neural network model is,
In the step of predicting the state of each cell in the LIB pack, the cell balancing neural network model, characterized in that the cell to be deteriorated in an arbitrary cycle is detected by predicting the state of charge (SoC) of each cell and the correlation coefficient. A method of controlling a lithium-ion battery pack using
청구항 3에 있어서,
상기 셀 밸런싱 신경망 모델을 학습시키는 단계에서,
상기 CNN 신경망, 상기 LSTM 신경망 및 상기 RNN 신경망에 의해 각 학습된 가중치(WC,R,V, BC,R,V)는,
[가중치 결합수식]
Ct = σ(WC * X + BC) : CNN으로 학습된 가중치
Rt = σ(WR * X + BR) : RNN으로 학습된 가중치
Vt = σ(WV * X + BV) : VDCNN으로 학습된 가중치
Pt = ReLU(Ct * h(t-1) + Vt * h(t-1))
최종 출력 h(t) = (1-K) Rt * h(t-1) + K Pt * h(t-1) (0 < K < 1)
(* 기호는 컨볼루션 연산, K는 각 신경망들 간 Weighting Factor, σ는 시그모이드 함수(활성화 함수), W는 가중치, X는 입력, B는 바이어스 값)
상기 가중치 결합수식에 의해 조합되어 상기 셀 밸런싱 신경망 모델이 학습되는 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어방법.
4. The method according to claim 3,
In the step of training the cell balancing neural network model,
Each weight (W C,R,V, B C,R,V ) learned by the CNN neural network, the LSTM neural network, and the RNN neural network is,
[Weight Combination Formula]
C t = σ(W C * X + B C ) : Weights learned by CNN
R t = σ(W R * X + B R ) : Weights learned by RNN
V t = σ(W V * X + B V ) : Weights learned with VDCNN
P t = ReLU(Ct * h (t-1) + Vt * h (t-1) )
final output h(t) = (1-K) R t * h (t-1) + KP t * h (t-1) (0 < K < 1)
(* symbol is convolution operation, K is weighting factor between each neural network, σ is sigmoid function (activation function), W is weight, X is input, B is bias value)
A method of controlling a lithium ion battery pack using a cell balancing neural network model, characterized in that the cell balancing neural network model is learned by combining by the weighted coupling formula.
청구항 4에 있어서,
상기 CNN 신경망의 학습을 통해, 상기 충방전 전압데이터의 충방전 곡선의 변곡점, 극대값 및 극소값을 기초로 사이클 형태(Cycle shape) 및 사이클 패턴을 추출하는 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어방법.
5. The method according to claim 4,
Lithium using a cell balancing neural network model, characterized in that through the learning of the CNN neural network, a cycle shape and a cycle pattern are extracted based on the inflection point, maximum and minimum values of the charge/discharge curve of the charge/discharge voltage data How to control an ion battery pack.
셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리(LIB) 팩의 제어장치에 있어서,
배터리 콘트롤러로부터 전송된 LIB 팩 내의 각 셀의 충방전 상태에 관한 입력데이터를 CNN 연산을 통해 학습하여 상기 입력데이터의 공간적 특성 및 사이클 형태(cycle shape) 및 사이클 패턴을 추출하는 패턴추출 신경망부;
상기 입력데이터를 LSTM 연산을 통해 상기 각 셀의 시간에 따른 충전상태 특성을 학습하는 충전상태 학습 신경망부;
상기 입력데이터를 RNN 연산을 통해, 동일 시간에서 상기 각 셀의 전압통계특성간에 상관계수를 학습하는 상관계수 학습 신경망부; 및
상기 패턴추출 신경망부, 상기 충전상태 학습 신경망부 및 상기 상관계수 학습 신경망부로부터 학습된 결과를 통합하여 셀 밸런싱 신경망 모델을 생성하고, 생성된 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용하여 열화될 셀들을 예측하고, 충전상태 보정 파라미터를 상기 배터리 콘트롤러에 전송하여 셀 밸런싱을 이루도록 하는 예측부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어장치.
In the control device of a lithium ion battery (LIB) pack using a cell balancing neural network model,
a pattern extraction neural network unit that learns input data related to the charge/discharge state of each cell in the LIB pack transmitted from the battery controller through CNN operation and extracts spatial characteristics, cycle shape, and cycle pattern of the input data;
a state of charge learning neural network unit for learning state-of-charge characteristics according to time of each cell through LSTM operation on the input data;
a correlation coefficient learning neural network unit for learning a correlation coefficient between the voltage statistical characteristics of each cell at the same time through RNN operation on the input data; and
By integrating the results learned from the pattern extraction neural network unit, the state of charge learning neural network unit, and the correlation coefficient learning neural network unit, a cell balancing neural network model is generated, and cells to be deteriorated are predicted using the generated cell balancing neural network model, A control device for a lithium ion battery pack using a cell balancing neural network model, comprising a prediction unit configured to transmit a state of charge correction parameter to the battery controller to achieve cell balancing.
청구항 9에 있어서,
상기 배터리 콘트롤러로부터 상기 입력데이터를 전송받아 상기 패턴추출 신경망부, 충전상태 학습 신경망부 및 상기 상관계수 학습 신경망부로 제공하는 입력부를 더 포함하며,
상기 입력부가 제공하는 또는 상기 입력부가 제공받는 상기 입력데이터는 x축을 시간으로, y축을 셀로 하는 2차원 충방전 사이클 데이터이거나 직병렬 셀들로 구성된 3차원 데이터인 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어장치.
10. The method of claim 9,
Further comprising an input unit that receives the input data from the battery controller and provides the pattern extraction neural network unit, the state of charge learning neural network unit, and the correlation coefficient learning neural network unit,
The input data provided by the input unit or received by the input unit is two-dimensional charge/discharge cycle data with the x-axis as time and the y-axis as the cell, or 3D data composed of serial and parallel cells, a cell balancing neural network model. A control device for a lithium-ion battery pack used.
청구항 9에 있어서,
상기 상관계수 학습 신경망부는,
[상관계수 수식]
Figure pat00005

상기 입력데이터를 가지고 RNN신경망을 학습시키되, 동일시간 t에서의 상기 각 셀들의 전압값들을 상기 상관계수 수식에 대입하여 출력되는 px,y 값을 RNN 중의 LSTM 입력으로 사용함으로써, 동일 시간 t에서 상기 각 셀의 전압통계특성간의 상관계수를 학습하는 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어장치.
10. The method of claim 9,
The correlation coefficient learning neural network unit,
[Correlation coefficient formula]
Figure pat00005

The RNN neural network is trained with the input data, and the px,y values output by substituting the voltage values of each cell at the same time t into the correlation coefficient formula are used as the LSTM input in the RNN. A control device for a lithium ion battery pack using a cell balancing neural network model, characterized in that it learns a correlation coefficient between voltage statistical characteristics of each cell.
청구항 9에 있어서,
상기 예측부는,
[가중치 결합수식]
Ct = σ(WC * X + BC) : CNN으로 학습된 가중치
Rt = σ(WR * X + BR) : RNN으로 학습된 가중치
Vt = σ(WV * X + BV) : VDCNN으로 학습된 가중치
Pt = ReLU(Ct * h(t-1) + Vt * h(t-1))
최종 출력 h(t) = (1-K) Rt * h(t-1) + K Pt * h(t-1) (0 < K < 1)
(* 기호는 컨볼루션 연산, K는 각 신경망들 간 Weighting Factor, σ는 시그모이드 함수(활성화 함수), W는 가중치, X는 입력, B는 바이어스 값)
상기 패턴추출 신경망부, 충전상태 학습 신경망부 및 상기 상관계수 학습 신경망부로에 의해 각 학습된 가중치(WC,R,V, BC,R,V)를 상기 가중치 결합수식에 의해 조합하여 상기 셀 밸런싱 신경망 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는, 셀 밸런싱 신경망 모델을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 제어장치.
10. The method of claim 9,
The prediction unit,
[Weight Combination Formula]
C t = σ(W C * X + B C ) : Weights learned by CNN
R t = σ(W R * X + B R ) : Weights learned by RNN
V t = σ(W V * X + B V ) : Weights learned with VDCNN
P t = ReLU(Ct * h (t-1) + Vt * h (t-1) )
Final output h(t) = (1-K) R t * h (t-1) + KP t * h (t-1) (0 < K < 1)
(* symbol is convolution operation, K is weighting factor between each neural network, σ is sigmoid function (activation function), W is weight, X is input, B is bias value)
The cell balancing neural network by combining the weights (WC, R, V, BC, R, V) learned by the pattern extraction neural network unit, the state of charge learning neural network unit, and the correlation coefficient learning neural network unit by the weight combination formula A control device for a lithium-ion battery pack using a cell balancing neural network model, characterized in that it generates a model.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100651573B1 (en) * 2003-12-18 2006-11-29 주식회사 엘지화학 Apparatus and method for testing state of charge in battery using neural network
KR101630411B1 (en) * 2013-10-22 2016-06-14 주식회사 엘지화학 Apparatus for managing battery pack and including the same
KR101952406B1 (en) * 2016-12-01 2019-02-26 주식회사 맥사이언스 Method for testing secondary cell battery using metadata

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