KR20220128828A - Apparatus and method for estimating battery soh - Google Patents

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KR20220128828A KR1020210033467A KR20210033467A KR20220128828A KR 20220128828 A KR20220128828 A KR 20220128828A KR 1020210033467 A KR1020210033467 A KR 1020210033467A KR 20210033467 A KR20210033467 A KR 20210033467A KR 20220128828 A KR20220128828 A KR 20220128828A
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Abstract

The present invention relates to a device for predicting a state of health (SOH) of a battery, which comprises: a battery information input unit for measuring at least one of voltage, current, capacity, and internal resistance (IR) of a battery; a control unit for predicting SOH_c on the basis of the capacity of the battery after receiving battery information measured by the battery information input unit, predicting SOH_r on the basis of the IR of the battery, and then predicting a final SOH on the basis of the SOH_c and the SOH_r; and a SOH output unit for outputting the SOH predicted by the control unit to a designated device. Therefore, SOH prediction time and complexity are reduced.

Description

배터리 SOH 예측 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING BATTERY SOH}Apparatus and method for predicting battery SOH

본 발명은 배터리 SOH 예측 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 용량을 바탕으로 SOHc를 예측하고, 배터리의 저항을 바탕으로 SOHr을 예측한 후, 상기 SOHc(즉, 배터리 용량에 관한 SOH)와 상기 SOHr(즉, 배터리 저항 성장에 관한 SOH)을 바탕으로 최종적인 SOH(State of Health)를 예측할 수 있도록 하는, 배터리 SOH 예측 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for predicting battery SOH, and more particularly, predicting SOH c based on the capacity of the battery, predicting SOH r based on the resistance of the battery, and then predicting the SOH c (ie, battery capacity It relates to an apparatus and method for predicting battery SOH, enabling the final state of health (SOH) to be predicted based on the SOH for ) and the SOH r (ie, the SOH for battery resistance growth).

최근 스마트폰, 노트북, PDA 등의 휴대용 전자기기 분야뿐만 아니라, 전기 자동차, 에너지 저장 시스템(ESS) 등에 이르기까지 다양한 분야에서 충전이 가능한 이차전지(이하, '배터리'라 함)(예 : 리튬 배터리)의 사용이 증가되고 있다.Recently, rechargeable batteries (hereinafter referred to as 'battery') that can be recharged in various fields ranging from portable electronic devices such as smartphones, notebook computers, and PDA's to electric vehicles and energy storage systems (ESS) (eg, lithium batteries) ) is increasing in use.

그런데 이러한 배터리는 지속적인 사용기간이 길수록, 충/방전을 거듭할수록 수명이 단축되는 특성이 있고, 이로 인해 배터리의 용량/성능이 점차 저하되는 단점이 있다.However, such a battery has a characteristic that the lifespan of the battery is shortened as the continuous use period is longer and the charging/discharging is repeated, and thus the capacity/performance of the battery is gradually reduced.

따라서 배터리의 SOH(State of Health)를 정확하게 예측하는 것은 배터리의 교체가 필요한 시기를 파악할 수 있게 하고, 이에 따라 배터리의 용량/성능 저하로 인해 발생할 수 있는 부정적인 영향을 최소화함으로써 배터리를 이용하는 시스템이 안정적으로 운영될 수 있도록 한다.Therefore, accurately predicting the state of health (SOH) of a battery allows you to identify when the battery needs to be replaced, and accordingly, the system using the battery is stable by minimizing the negative effects that may occur due to the decrease in capacity/performance of the battery. to be able to operate as

그런데 종래에는 배터리의 SOH(State of Health)를 예측함에 있어서, 배터리의 전압과 전류의 모든 데이터(즉, 완충 상태의 배터리에서 완전 방전 상태까지 지정된 시간 간격으로 측정된 모든 데이터)를 이용하여 배터리의 용량 또는 내부저항을 계산하여(즉, SOHr 또는 SOHc 중 하나만 이용하여) SOH를 예측하였다. 즉, 기존에는 전압과 전류의 모든 데이터를 이용하여 SOH를 예측하기 때문에 연산 복잡도가 높았으며, 이로 인해 SOH 예측(추정) 장치의 효율이 떨어지고 비용이 증가되는 등의 문제점이 있었다.However, in the prior art, in predicting the state of health (SOH) of the battery, all data of the voltage and current of the battery (that is, all data measured at a specified time interval from the fully discharged battery to the fully discharged state) of the battery are used. SOH was predicted by calculating capacity or internal resistance (ie, using only either SOH r or SOH c ). That is, since the SOH was predicted using all data of voltage and current in the prior art, the computational complexity was high, and this resulted in problems such as decreasing the efficiency of the SOH prediction (estimating) device and increasing the cost.

예컨대 기존에 일부에서는 전기 화학적 모델과 등가 회로 모델(ECM) 기반 방법을 사용하여, 배터리의 내부 저항(IR)(이하, 간단히 저항으로 기재할 수 있음) 성장(또는 상승)을 기반으로 SOH 추정을 위한 방식(예 : ECM)을 제안하기도 하였으나, 이는 내부 저항(IR)의 동작을 표현하기 위해 복잡한 배터리 데이터 분석이 필요하며, 다른 유형의 배터리에 대해 정확하게 일반화 할 수 없는 문제점이 있었으며, 그 대신 데이터 기반 방법을 사용하기도 하였으나 이는 시간이 많이 걸리고 전력이 많이 소요되기 때문에 임베디드 시스템의 실시간 애플리케이션에는 적합하지 않은 문제점이 있었다. For example, some have previously used an electrochemical model and an equivalent circuit model (ECM)-based method to estimate the SOH based on the internal resistance (IR) (hereinafter, simply referred to as resistance) growth (or rise) of a battery. A method (such as ECM) for this purpose was proposed, but it required complex battery data analysis to express the operation of the internal resistance (IR), and there was a problem that it could not be accurately generalized to other types of batteries. Although the base method was used, it took a lot of time and required a lot of power, so it was not suitable for real-time applications of embedded systems.

따라서 보다 덜 복잡한 계산으로 저성능의 임베디드 시스템에서도 용량 저하와 내부 저항(IR) 상승(성장)을 모두 고려하되 복잡성이 더 낮은 SOH 예측 방법이 필요한 상황이다.Therefore, there is a need for a SOH prediction method with lower complexity while considering both capacity degradation and internal resistance (IR) increase (growth) even in low-performance embedded systems with less complex calculations.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2019-0099904호(2019.08.28. 공개, 배터리 관리 시스템)에 개시되어 있다. The background technology of the present invention is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2019-0099904 (published on August 28, 2019, battery management system).

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 배터리의 용량을 바탕으로 SOHc를 예측하고, 배터리의 저항을 바탕으로 SOHr을 예측한 후, 상기 SOHc(즉, 배터리 용량에 관한 SOH)와 상기 SOHr(즉, 배터리 저항 성장에 관한 SOH)을 바탕으로 최종적인 SOH(State of Health)를 예측할 수 있도록 하는, 배터리 SOH 예측 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. According to one aspect of the present invention, the present invention is created to solve the above problems, and after predicting SOH c based on the capacity of the battery and predicting SOH r based on the resistance of the battery, the SOH c (ie, SOH for battery capacity) and SOH r (ie, SOH for battery resistance growth) based on the SOH (State of Health) to predict the final SOH (State of Health) to provide a battery SOH prediction device and method to provide it has its purpose

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 SOH 예측 장치는, 배터리의 전압, 전류, 용량, 및 내부 저항(IR) 중 적어도 하나 이상을 측정하는 배터리 정보 입력부; 상기 배터리 정보 입력부에서 측정한 배터리 정보를 입력받은 후, 배터리의 용량을 바탕으로 SOHc를 예측하고, 배터리의 내부 저항을 바탕으로 SOHr을 예측한 후, 상기 SOHc와 상기 SOHr을 바탕으로 최종적인 SOH(State of Health)를 예측하는 제어부; 및 상기 제어부에서 예측한 SOH를 지정된 장치에 출력하는 SOH 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Battery SOH prediction apparatus according to an aspect of the present invention, a battery information input unit for measuring at least one of voltage, current, capacity, and internal resistance (IR) of a battery; After receiving the battery information measured by the battery information input unit, SOH c is predicted based on the capacity of the battery, SOH r is predicted based on the internal resistance of the battery, and then SOH c and SOH r are used based on the a control unit for predicting the final state of health (SOH); and an SOH output unit for outputting the SOH predicted by the control unit to a designated device.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 딥러닝을 수행하도록 구현된 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit is characterized in that it is implemented to perform deep learning.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 배터리의 원시 전압 및 전류 데이터 수집하고, 상기 수집한 원시 전압 및 전류에 대한 전처리 작업을 수행하여 배터리 건강 표시기(HI)의 특징을 추출하며, 상기 추출한 특징을 딥러닝을 통해 SOHc와 SOHr을 예측하고, 상기 예측한 SOHc 및 SOHr을 바탕으로 SOH를 예측하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit collects raw voltage and current data of the battery, performs a pre-processing operation on the collected raw voltage and current to extract the characteristics of the battery health indicator (HI), and dips the extracted features. Predicting SOH c and SOH r through running, and predicting SOH based on the predicted SOH c and SOH r .

본 발명에 있어서, 상기 원시 전압 및 전류는, 각기 충전 및 방전 과정의 처음 지정된 초기 시간 동안에 측정된 전압 및 전류 값인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the raw voltage and current are respectively the voltage and current values measured during the first designated initial time of the charging and discharging process.

본 발명에 있어서, 상기 전처리 작업은, 데이터 정리 및 정규화를 포함하며, 상기 데이터 정리는 과소 적합을 방지하기 위해 데이터에서 특이 값을 제거하는 과정이며, 상기 정규화는 데이터를 0과 1 사이의 값으로 조정하는 과정인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the preprocessing operation includes data cleaning and normalization, wherein the data cleaning is a process of removing outliers from data to prevent underfitting, and the normalization converts data into values between 0 and 1. It is characterized in that it is an adjustment process.

본 발명에 있어서, 상기 SOHc는, 초기 배터리 용량과 정격 용량의 비율로 정의되며, 아래의 수학식 1과 같이 표현되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the SOH c is defined as the ratio of the initial battery capacity and the rated capacity, and is expressed as Equation 1 below.

(수학식 1)(Equation 1)

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서 Cint는 배터리 용량의 초기 값이고, Ck는 현재 사이클에서의 용량을 의미한다.Here, C int is the initial value of the battery capacity, and C k is the capacity in the current cycle.

본 발명에 있어서, 상기 SOHr은, 배터리 내부 저항(IR) 증가와 초기 내부 저항(IR) 증가 비율로 정의되며, 아래의 수학식 2와 같이 표현되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the SOH r is defined as the increase ratio of the increase in the internal resistance (IR) of the battery and the increase in the initial internal resistance (IR), and is expressed by Equation 2 below.

(수학식 2)(Equation 2)

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서 IRk는 현재 주기의 내부 저항(IR)이고, IRint는 새 배터리의 내부 저항(IR), IREOL은 배터리 수명이 끝날 때의 내부 저항(IR)을 의미한다.where IR k is the internal resistance (IR) of the current cycle, IR int is the internal resistance of a new battery (IR), and IR EOL is the internal resistance (IR) at the end of the battery life.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 SOH, SOHc 및 SOHr 사이의 관계를 모델링하기 위해 커브 피팅 방법을 사용하며, 아래의 수학식 3과 같이 모델링된 다항식 함수

Figure pat00003
의 연산을 통해 SOH를 예측하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the controller uses a curve fitting method to model the relationship between the SOH, SOH c and SOH r , and a polynomial function modeled as in Equation 3 below.
Figure pat00003
It is characterized in that the SOH is predicted through the operation of .

(수학식 3)(Equation 3)

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서 X는 SOHc이고, Y는 SOHr이며, cn(n = 1, ..., 6)은 모델의 계수를 의미한다.where X is SOH c , Y is SOH r , and c n (n = 1, ..., 6) means the coefficient of the model.

본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 SOH 예측 방법은, 제어부가 배터리의 원시 전압 및 전류 데이터 수집하는 단계; 상기 제어부가 상기 수집한 원시 전압 및 전류에 대한 전처리 작업을 수행하여 배터리 건강 표시기(HI)의 특징을 추출하는 단계; 상기 제어부가 상기 추출한 특징을 딥러닝을 통해 SOHc와 SOHr을 예측하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 예측한 SOHc 및 SOHr을 바탕으로 SOH를 예측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Battery SOH prediction method according to another aspect of the present invention, the control unit collecting the raw voltage and current data of the battery; extracting, by the controller, a characteristic of a battery health indicator (HI) by performing a pre-processing operation on the collected raw voltage and current; predicting, by the controller, SOH c and SOH r through deep learning of the extracted features; and predicting, by the controller, SOH based on the predicted SOH c and SOH r .

본 발명에 있어서, 상기 원시 전압 및 전류는, 각기 충전 및 방전 과정의 처음 지정된 초기 시간 동안에 측정된 전압 및 전류 값인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the raw voltage and current are respectively the voltage and current values measured during the first designated initial time of the charging and discharging process.

본 발명에 있어서, 상기 전처리 작업은, 데이터 정리 및 정규화를 포함하며, 상기 데이터 정리는 과소 적합을 방지하기 위해 데이터에서 특이 값을 제거하는 과정이며, 상기 정규화는 데이터를 0과 1 사이의 값으로 조정하는 과정인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the preprocessing operation includes data cleaning and normalization, wherein the data cleaning is a process of removing outliers from data to prevent underfitting, and the normalization converts data into values between 0 and 1. It is characterized in that it is an adjustment process.

본 발명에 있어서, 상기 SOHc는, 초기 배터리 용량과 정격 용량의 비율로 정의되며, 아래의 수학식 1과 같이 표현되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the SOH c is defined as the ratio of the initial battery capacity and the rated capacity, and is expressed as Equation 1 below.

(수학식 1)(Equation 1)

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서 Cint는 배터리 용량의 초기 값이고, Ck는 현재 사이클에서의 용량을 의미한다.Here, C int is the initial value of the battery capacity, and C k is the capacity in the current cycle.

본 발명에 있어서, 상기 SOHr은, 배터리 내부 저항(IR) 증가와 초기 내부 저항(IR) 증가 비율로 정의되며, 아래의 수학식 2와 같이 표현되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the SOH r is defined as the increase ratio of the increase in the internal resistance (IR) of the battery and the increase in the initial internal resistance (IR), and is expressed by Equation 2 below.

(수학식 2)(Equation 2)

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서 IRk는 현재 주기의 내부 저항(IR)이고, IRint는 새 배터리의 내부 저항(IR), IREOL은 배터리 수명이 끝날 때의 내부 저항(IR)을 의미한다.where IR k is the internal resistance (IR) of the current cycle, IR int is the internal resistance of a new battery (IR), and IR EOL is the internal resistance (IR) at the end of the battery life.

본 발명에 있어서, 상기 SOH를 예측하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 SOH, SOHc 및 SOHr 사이의 관계를 모델링하기 위해 커브 피팅 방법을 사용하며, 아래의 수학식 3과 같이 모델링된 다항식 함수

Figure pat00007
의 연산을 통해 SOH를 예측하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in the step of predicting the SOH, the controller uses a curve fitting method to model the relationship between the SOH, SOH c and SOH r , and a polynomial function modeled as in Equation 3 below.
Figure pat00007
It is characterized in that the SOH is predicted through the operation of .

(수학식 3)(Equation 3)

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서 X는 SOHc이고, Y는 SOHr이며, cn(n = 1, ..., 6)은 모델의 계수를 의미한다.where X is SOH c , Y is SOH r , and c n (n = 1, ..., 6) means the coefficient of the model.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 배터리의 용량을 바탕으로 SOHc를 예측하고, 배터리의 저항을 바탕으로 SOHr을 예측한 후, 상기 SOHc(즉, 배터리 용량에 관한 SOH)와 상기 SOHr(즉, 배터리 저항 성장에 관한 SOH)을 바탕으로 최종적인 SOH(State of Health)를 예측할 수 있도록 함으로써 SOH의 예측 정확도를 향상시키며 SOH 예측 시간과 복잡도를 감소시키는 효과가 있다.According to one aspect of the present invention, the present invention predicts SOH c based on the capacity of the battery, predicts SOH r based on the resistance of the battery, and then the SOH c (ie, SOH related to the battery capacity) and the By enabling the final state of health (SOH) to be predicted based on SOH r (that is, SOH for battery resistance growth), the prediction accuracy of SOH is improved and SOH prediction time and complexity are reduced.

또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 배터리 사용 시 전압과 전류 데이터의 처음 지정된 일부분의 전압 값들(즉, 매번 충전 과정과 방전 과정에서 지정된 초기 시간 동안에 측정된 전압 값들)에서 SOHr과 SOHc를 추출한 후, 이를 딥러닝을 이용한 학습을 통하여 최종적으로 SOH(State of Health)를 예측할 수 있도록 함으로써, SOH의 예측 정확도를 향상시키며 SOH 예측 시간과 복잡도를 감소시키는 효과가 있다.In addition, according to another aspect of the present invention, the present invention provides SOH r and SOH in voltage values of a first designated portion of voltage and current data when using a battery (that is, voltage values measured during an initial time designated in each charging process and discharging process) After extracting c , it is possible to predict SOH (State of Health) through learning using deep learning, thereby improving the prediction accuracy of SOH and reducing SOH prediction time and complexity.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOH 예측 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, SOHc 와 SOHr을 바탕으로 SOH를 예측하는 이유를 설명하기 위한 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOH 예측 방법을 설명하기 위한 흐름도.
1 is an exemplary diagram showing a schematic configuration of a battery SOH prediction apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary view for explaining the reason for predicting SOH based on SOH c and SOH r in FIG. 1 .
3 is a flowchart illustrating a battery SOH prediction method according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 SOH 예측 장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다. Hereinafter, an embodiment of an apparatus and method for predicting battery SOH according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In this process, the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 SOH 예측 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.1 is an exemplary diagram showing a schematic configuration of a battery SOH prediction apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 배터리 SOH 예측 장치는, 배터리 정보 입력부(110), 제어부(120), 및 SOH 출력부(130)를 포함한다.1 , the battery SOH prediction apparatus according to the present embodiment includes a battery information input unit 110 , a control unit 120 , and an SOH output unit 130 .

상기 배터리 정보 입력부(110)는 배터리의 전압, 전류, 용량, 및 내부 저항(IR) 중 적어도 하나 이상을 측정하여 상기 제어부(120)에 입력한다.The battery information input unit 110 measures at least one of voltage, current, capacity, and internal resistance (IR) of the battery and inputs it to the control unit 120 .

상기 제어부(120)는 배터리의 전압과 전류를 입력받은 후, 배터리의 용량을 바탕으로 SOHc를 예측하고, 배터리의 저항(즉, 내부 저항(IR))을 바탕으로 SOHr을 예측한 후, 상기 SOHc(즉, 배터리 용량에 관한 SOH)와 상기 SOHr(즉, 배터리 저항 성장에 관한 SOH)을 바탕으로 최종적인 SOH(State of Health)를 예측한다.After receiving the voltage and current of the battery, the control unit 120 predicts SOH c based on the capacity of the battery and predicts SOH r based on the resistance (ie, internal resistance (IR)) of the battery, A final state of health (SOH) is predicted based on the SOH c (ie, SOH for battery capacity) and SOH r (ie, SOH for battery resistance growth).

이 때 상기 제어부(120)는 딥러닝 학습을 수행한다.At this time, the control unit 120 performs deep learning learning.

상기 SOH 출력부(130)는 상기 제어부(120)에서 예측(추정)한 SOH(State of Health)를 지정된 장치(예 : 디스플레이 수단, 외부 제어 장치 등)에 출력한다.The SOH output unit 130 outputs the SOH (State of Health) predicted (estimated) by the control unit 120 to a designated device (eg, a display means, an external control device, etc.).

참고로, 본 실시예에 있어서, SOH 추정 측면에서 배터리 상태의 저하는 배터리 용량의 저하가 주요 요인이며, 계산 복잡성을 줄이기 위해 용량 저하는 방전 과정의 처음 지정된 일부분의 전압 값들(즉, 충전된 배터리의 방전 과정에서 지정된 초기 시간 동안에 측정된 전압 값들)로 대체된다. For reference, in the present embodiment, in terms of SOH estimation, a decrease in battery capacity is a major factor in the deterioration of the battery state, and in order to reduce calculation complexity, the decrease in capacity is determined by the voltage values of the first specified part of the discharging process (that is, the charged battery). voltage values measured during the specified initial time in the discharge process of

이 때 배터리 방전 과정(HIC)에서 첫 번째 전압 값과 충/방전 주기와 용량 저하 사이의 관계는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같다. 즉, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 배터리 용량은 방전 과정(HIC) 사이클 수가 증가함에 따라 저하된다. 따라서 방전 과정(HIC)은 용량 저하를 반영할 수 있으며, 용량을 기반으로 SOH를 추정하는 데 사용할 수 있다.In this case, the relationship between the first voltage value, the charge/discharge cycle, and the capacity degradation in the battery discharging process (HI C ) is as shown in FIG. 2A . That is, as shown in (a) of FIG. 2 , the battery capacity decreases as the number of cycles of the discharging process (HI C ) increases. Therefore, the discharge process (HI C ) can reflect capacity degradation and can be used to estimate SOH based on capacity.

또한 배터리의 내부 저항(IR) 증가(또는 성장)는 배터리 건강 표시기(HI : Health Indicator)(또는 배터리 상태의 지표)로도 사용된다. 계산 복잡성을 줄이기 위해 내부 저항(IR)을 충전 과정(HIR)의 처음 지정된 일부분의 전압 값들(즉, 방전된 배터리의 충전 과정에서 지정된 초기 시간 동안에 측정된 전압 값들) 첫 번째 전압 값에 해당하는 값으로 대체된다.The increase (or growth) of a battery's internal resistance (IR) is also used as a battery health indicator (HI) (or an indicator of battery health). To reduce computational complexity, the internal resistance (IR) is set to the voltage values of the first specified portion of the charging process (HI R ) (i.e. voltage values measured during the initial time specified during the charging process of a discharged battery) corresponding to the first voltage value. replaced by a value.

이 때 배터리 내부 저항(IR)과 충전 과정(HIR) 사이클의 관계는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같다. 즉, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 내부 저항(IR)과 전압은 사이클 수에 따라 증가한다. 따라서 충전 과정(HIR)은 내부 저항(IR)의 증가를 반영할 수 있으며, 내부 저항(IR)을 기반으로 SOH를 추정하는 데 사용할 수 있다.At this time, the relationship between the internal resistance (IR) of the battery and the cycle of the charging process (HI R ) is as shown in FIG. 2( b ). That is, as shown in (b) of FIG. 2 , the internal resistance IR and the voltage increase according to the number of cycles. Therefore, the charging process (HI R ) can reflect the increase in internal resistance (IR) and can be used to estimate SOH based on internal resistance (IR).

한편, 기존 SOH 추정 방식에서 SOH 추정의 학습 과정은 용량 저하 또는 내부 저항(IR) 증가를 반영하는 단일 유형의 배터리 건강 표시기(HI)를 기반으로 하지만, 상술한 바와 같이 배터리의 용량 저하와 배터리의 내부 저항(IR) 증가는 서로 다른 동작을 나타내므로 배터리 SOH에 다른 영향을 미칠 수 있다. On the other hand, in the existing SOH estimation method, the learning process of SOH estimation is based on a single type of battery health indicator (HI), which reflects a decrease in capacity or an increase in internal resistance (IR). Increasing the internal resistance (IR) exhibits different behavior and can therefore have different effects on the battery SOH.

따라서 본 실시예에서는 상기 두 요소(예 : 배터리 용량, 내부 저항)를 모두 고려하는 방식으로 SOH를 예측한다.Therefore, in this embodiment, the SOH is predicted in a manner that considers both of the above two factors (eg, battery capacity, internal resistance).

즉, 본 실시예는 배터리 용량과 내부 저항(IR)을 모두 고려하여 SOH를 예측하는 방법을 제공하는 것으로, 이하 상기 제어부(120)의 동작에 대해서 도 3의 흐름도를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.That is, the present embodiment provides a method of predicting the SOH in consideration of both the battery capacity and the internal resistance (IR). Hereinafter, the operation of the control unit 120 will be described in more detail with reference to the flowchart of FIG. 3 . .

도 3을 참조하면, 제어부(120)는 원시 전압 및 전류 데이터 수집한다(S101).Referring to FIG. 3 , the controller 120 collects raw voltage and current data ( S101 ).

또한 상기 제어부(120)는, 배터리 건강 표시기(HI)의 특징을 추출하기 위하여, 상기 수집한 원시 전압 및 전류에 대한 전처리 작업을 수행한다(S102).In addition, the control unit 120 performs a pre-processing operation on the collected raw voltage and current in order to extract the characteristics of the battery health indicator (HI) (S102).

여기서 상기 원시 전압 및 전류는 각기 충전 및 방전 과정의 처음 지정된 초기 시간 동안에 측정된 전압 및 전류 값을 의미한다.Here, the raw voltage and current refer to voltage and current values measured during the first designated initial time of the charging and discharging process, respectively.

그리고 상기 전처리 작업은 데이터 정리 및 정규화를 포함하며, 상기 데이터 정리는 과소 적합(under-fitting)을 방지하기 위해 데이터에서 특이 값을 제거하는 과정이며, 상기 정규화는 데이터를 0과 1 사이의 값으로 조정하는 과정이다.and the preprocessing operation includes data cleaning and normalization, wherein the data cleaning is a process of removing outliers from the data to prevent under-fitting, and the normalization is the process of converting the data into values between 0 and 1. It is an adjustment process.

상기 전처리 작업이 완료되면, 상기 제어부(120)는 상기 전처리 작업이 완료된 데이터에서 배터리 건강 표시기(HI)의 특징(예 : HIC, HIR)을 추출한다(S103).When the pre-processing operation is completed, the control unit 120 extracts the characteristics (eg, HI C , HI R ) of the battery health indicator (HI) from the data on which the pre-processing operation is completed ( S103 ).

그리고 상기 제어부(120)는 상기 추출한 특징(예 : HIC, HIR)을 딥러닝(예 : RNN, LSTM 등)을 통해 SOHc(즉, 배터리 용량에 관한 SOH)와 상기 SOHr(즉, 배터리 저항 성장에 관한 SOH)을 예측(추정)한다(S104, S105).And the control unit 120 uses the extracted features (eg, HI C , HI R ) through deep learning (eg, RNN, LSTM, etc.) to SOH c (ie, SOH related to battery capacity) and SOH r (ie, Predict (estimate) (SOH) related to battery resistance growth (S104, S105).

여기서 상기 SOHc는 초기 배터리 용량과 정격 용량의 비율로 정의된다. Here, the SOH c is defined as the ratio of the initial battery capacity to the rated capacity.

따라서 SOHc는 새 배터리의 경우 100%(배터리 용량은 공칭 용량과 같음)이고, 용량이 공칭 용량의 80%로 저하되면 0%가 된다.So SOH c is 100% for a new battery (the battery capacity is equal to the nominal capacity) and 0% when the capacity is reduced to 80% of the nominal capacity.

상기 SOHc는 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.The SOH c is expressed as in Equation 1 below.

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서 Cint는 배터리 용량의 초기 값이고, Ck는 현재 사이클에서의 용량을 의미한다.Here, C int is the initial value of the battery capacity, and C k is the capacity in the current cycle.

한편 상기 SOHr은 배터리 내부 저항(IR) 증가와 초기 내부 저항(IR) 증가 비율로 정의되며, 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.Meanwhile, the SOH r is defined as a ratio of an increase in the internal resistance (IR) of the battery and an increase in the initial internal resistance (IR), and is expressed as Equation 2 below.

Figure pat00010
Figure pat00010

여기서 IRk는 현재 주기의 내부 저항(IR)이고, IRint는 새 배터리의 내부 저항(IR), IREOL은 배터리 수명이 끝날 때의 내부 저항(IR)을 의미한다.where IR k is the internal resistance (IR) of the current cycle, IR int is the internal resistance of a new battery (IR), and IR EOL is the internal resistance (IR) at the end of the battery life.

또한 상기 제어부(120)는 상기 예측(추정)한 SOHc 및 SOHr을 바탕으로 SOH를 예측한다(S106, S107).Also, the control unit 120 predicts SOH based on the predicted (estimated) SOH c and SOH r ( S106 and S107 ).

이 때 상기 추정된 SOH는 SOHc 및 SOHr의 두 가지 구성 요소가 있는 변수로 처리하며, 이는 SOHc 및 SOHr가 SOH에 상당한 영향을 미치기 때문이다. At this time, the estimated SOH is treated as a variable with two components, SOH c and SOH r , because SOH c and SOH r have a significant effect on SOH.

가령, 상기 SOH, SOHc 및 SOHr 사이의 관계를 모델링하기 위해 커브 피팅 방법을 사용할 수 있으며, 아래의 수학식 3과 같이 다항식 함수

Figure pat00011
를 사용하여 모델링 할 수 있다. 즉, 아래의 수학식 3의 연산을 통해 SOH가 예측(추정)된다.For example, a curve fitting method may be used to model the relationship between the SOH, SOH c , and SOH r , and a polynomial function as shown in Equation 3 below
Figure pat00011
can be modeled using That is, SOH is predicted (estimated) through the operation of Equation 3 below.

Figure pat00012
Figure pat00012

여기서 X는 SOHc이고, Y는 SOHr이며, cn(n = 1, ..., 6)은 모델의 계수를 의미한다.where X is SOH c , Y is SOH r , and c n (n = 1, ..., 6) means the coefficient of the model.

상기와 같이 본 실시예는 배터리의 용량을 바탕으로 SOHc를 예측하고, 배터리의 저항을 바탕으로 SOHr을 예측한 후, 상기 SOHc(즉, 배터리 용량에 관한 SOH)와 상기 SOHr(즉, 배터리 저항 성장에 관한 SOH)을 바탕으로 최종적인 SOH(State of Health)를 예측할 수 있도록 함으로써 SOH의 예측 정확도를 향상시키며 SOH 예측 시간과 복잡도를 감소시키는 효과가 있다.As described above, in this embodiment, SOH c is predicted based on the capacity of the battery, and SOH r is predicted based on the resistance of the battery . , SOH related to battery resistance growth) can be used to predict the final state of health (SOH), thereby improving the prediction accuracy of the SOH and reducing the SOH prediction time and complexity.

또한 본 실시예는 배터리 사용 시 전압과 전류 데이터의 처음 지정된 일부분의 전압 값들(즉, 매번 충전 과정과 방전 과정에서 지정된 초기 시간 동안에 측정된 전압 값들)에서 SOHr과 SOHc를 추출한 후, 이를 딥러닝을 이용한 학습을 통하여 최종적으로 SOH(State of Health)를 예측할 수 있도록 함으로써, SOH의 예측 정확도를 향상시키며 SOH 예측 시간과 복잡도를 감소시키는 효과가 있다.In addition, this embodiment extracts SOH r and SOH c from the voltage values of the first specified part of the voltage and current data when using the battery (that is, the voltage values measured during the initial time specified in each charging process and discharging process), and then dips them By making it possible to finally predict the State of Health (SOH) through learning using learning, it has the effect of improving the prediction accuracy of the SOH and reducing the SOH prediction time and complexity.

이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.As described above, the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, but this is merely an example, and various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom by those skilled in the art. will understand the point. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be defined by the following claims. Implementations described herein may also be implemented as, for example, a method or process, an apparatus, a software program, a data stream, or a signal. Although discussed only in the context of a single form of implementation (eg, discussed only as a method), implementations of the discussed features may also be implemented in other forms (eg, as an apparatus or program). The apparatus may be implemented in suitable hardware, software and firmware, and the like. A method may be implemented in an apparatus such as, for example, a processor, which generally refers to a computer, a microprocessor, a processing device, including an integrated circuit or programmable logic device, or the like. Processors also include communication devices such as computers, cell phones, portable/personal digital assistants ("PDA") and other devices that facilitate communication of information between end-users.

110 : 배터리 정보 입력부
120 : 제어부
130 : SOH 출력부
110: battery information input unit
120: control unit
130: SOH output unit

Claims (14)

배터리의 전압, 전류, 용량, 및 내부 저항(IR) 중 적어도 하나 이상을 측정하는 배터리 정보 입력부;
상기 배터리 정보 입력부에서 측정한 배터리 정보를 입력받은 후, 배터리의 용량을 바탕으로 SOHc를 예측하고, 배터리의 내부 저항을 바탕으로 SOHr을 예측한 후, 상기 SOHc와 상기 SOHr을 바탕으로 최종적인 SOH(State of Health)를 예측하는 제어부; 및
상기 제어부에서 예측한 SOH를 지정된 장치에 출력하는 SOH 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 장치.
a battery information input unit for measuring at least one of voltage, current, capacity, and internal resistance (IR) of the battery;
After receiving the battery information measured by the battery information input unit, SOH c is predicted based on the capacity of the battery, SOHr is predicted based on the internal resistance of the battery, and finally based on the SOH c and the SOHr Control unit for predicting SOH (State of Health); and
Battery SOH prediction device comprising a; SOH output unit for outputting the SOH predicted by the control unit to a designated device.
제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
딥러닝을 수행하도록 구현된 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 장치.
According to claim 1, wherein the control unit,
Battery SOH prediction device, characterized in that implemented to perform deep learning.
제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
배터리의 원시 전압 및 전류 데이터 수집하고, 상기 수집한 원시 전압 및 전류에 대한 전처리 작업을 수행하여 배터리 건강 표시기(HI)의 특징을 추출하며,
상기 추출한 특징을 딥러닝을 통해 SOHc와 SOHr을 예측하고,
상기 예측한 SOHc 및 SOHr을 바탕으로 SOH를 예측하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 장치.
According to claim 1, wherein the control unit,
Collecting the raw voltage and current data of the battery, performing a preprocessing operation on the collected raw voltage and current to extract the characteristics of the battery health indicator (HI),
Predict SOH c and SOH r using the extracted features through deep learning,
Battery SOH prediction device, characterized in that for predicting SOH based on the predicted SOH c and SOH r .
제 3항에 있어서, 상기 원시 전압 및 전류는,
각기 충전 및 방전 과정의 처음 지정된 초기 시간 동안에 측정된 전압 및 전류 값인 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 장치.
4. The method of claim 3, wherein the raw voltage and current are:
Battery SOH prediction device, characterized in that the voltage and current values are measured during the first specified initial time of the charging and discharging process, respectively.
제 3항에 있어서, 상기 전처리 작업은,
데이터 정리 및 정규화를 포함하며,
상기 데이터 정리는 과소 적합을 방지하기 위해 데이터에서 특이 값을 제거하는 과정이며, 상기 정규화는 데이터를 0과 1 사이의 값으로 조정하는 과정인 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 장치.
The method of claim 3, wherein the pre-processing operation,
including data cleaning and normalization;
The data cleaning is a process of removing outliers from data to prevent underfitting, and the normalization is a process of adjusting the data to a value between 0 and 1.
제 3항에 있어서, 상기 SOHc는,
초기 배터리 용량과 정격 용량의 비율로 정의되며, 아래의 수학식 1과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 장치.
(수학식 1)
Figure pat00013

여기서 Cint는 배터리 용량의 초기 값이고, Ck는 현재 사이클에서의 용량을 의미한다.
According to claim 3, wherein SOH c is,
It is defined as a ratio of the initial battery capacity to the rated capacity, and is characterized in that it is expressed as in Equation 1 below.
(Equation 1)
Figure pat00013

Here, C int is the initial value of the battery capacity, and C k is the capacity in the current cycle.
제 3항에 있어서, 상기 SOHr은,
배터리 내부 저항(IR) 증가와 초기 내부 저항(IR) 증가 비율로 정의되며, 아래의 수학식 2와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 장치.
(수학식 2)
Figure pat00014

여기서 IRk는 현재 주기의 내부 저항(IR)이고, IRint는 새 배터리의 내부 저항(IR), IREOL은 배터리 수명이 끝날 때의 내부 저항(IR)을 의미한다.
The method of claim 3, wherein the SOH r is,
A battery SOH prediction device, characterized in that it is defined as the increase ratio of the increase in the internal resistance (IR) of the battery and the increase in the initial internal resistance (IR), and is expressed as Equation 2 below.
(Equation 2)
Figure pat00014

where IR k is the internal resistance (IR) of the current cycle, IR int is the internal resistance of a new battery (IR), and IR EOL is the internal resistance (IR) at the end of the battery life.
제 3항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 SOH, SOHc 및 SOHr 사이의 관계를 모델링하기 위해 커브 피팅 방법을 사용하며, 아래의 수학식 3과 같이 모델링된 다항식 함수
Figure pat00015
의 연산을 통해 SOH를 예측하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 장치.
(수학식 3)
Figure pat00016

여기서 X는 SOHc이고, Y는 SOHr이며, cn(n = 1, ..., 6)은 모델의 계수를 의미한다.
According to claim 3, wherein the control unit,
A curve fitting method is used to model the relationship between the SOH, SOH c and SOH r , and a polynomial function modeled as in Equation 3 below
Figure pat00015
Battery SOH prediction device, characterized in that predicting the SOH through the operation of.
(Equation 3)
Figure pat00016

where X is SOH c , Y is SOH r , and c n (n = 1, ..., 6) means the coefficient of the model.
제어부가 배터리의 원시 전압 및 전류 데이터 수집하는 단계;
상기 제어부가 상기 수집한 원시 전압 및 전류에 대한 전처리 작업을 수행하여 배터리 건강 표시기(HI)의 특징을 추출하는 단계;
상기 제어부가 상기 추출한 특징을 딥러닝을 통해 SOHc와 SOHr을 예측하는 단계; 및
상기 제어부가 상기 예측한 SOHc 및 SOHr을 바탕으로 SOH를 예측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 방법.
Collecting, by the controller, raw voltage and current data of the battery;
extracting, by the controller, a characteristic of a battery health indicator (HI) by performing a pre-processing operation on the collected raw voltage and current;
predicting, by the controller, SOH c and SOH r through deep learning of the extracted features; and
and predicting, by the controller, SOH based on the predicted SOH c and SOH r .
제 9항에 있어서, 상기 원시 전압 및 전류는,
각기 충전 및 방전 과정의 처음 지정된 초기 시간 동안에 측정된 전압 및 전류 값인 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 방법.
10. The method of claim 9, wherein the raw voltage and current are:
A method for predicting battery SOH, characterized in that the voltage and current values are measured during the first specified initial time of the charging and discharging process, respectively.
제 9항에 있어서, 상기 전처리 작업은,
데이터 정리 및 정규화를 포함하며,
상기 데이터 정리는 과소 적합을 방지하기 위해 데이터에서 특이 값을 제거하는 과정이며, 상기 정규화는 데이터를 0과 1 사이의 값으로 조정하는 과정인 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 방법.
10. The method of claim 9, wherein the pre-processing operation,
including data cleaning and normalization;
The data cleaning is a process of removing outliers from data to prevent underfitting, and the normalization is a process of adjusting the data to a value between 0 and 1.
제 9항에 있어서, 상기 SOHc는,
초기 배터리 용량과 정격 용량의 비율로 정의되며, 아래의 수학식 1과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 방법.
(수학식 1)
Figure pat00017

여기서 Cint는 배터리 용량의 초기 값이고, Ck는 현재 사이클에서의 용량을 의미한다.
The method of claim 9, wherein SOH c is,
It is defined as a ratio of the initial battery capacity to the rated capacity, and is expressed as Equation 1 below.
(Equation 1)
Figure pat00017

Here, C int is the initial value of the battery capacity, and C k is the capacity in the current cycle.
제 9항에 있어서, 상기 SOHr은,
배터리 내부 저항(IR) 증가와 초기 내부 저항(IR) 증가 비율로 정의되며, 아래의 수학식 2와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 방법.
(수학식 2)
Figure pat00018

여기서 IRk는 현재 주기의 내부 저항(IR)이고, IRint는 새 배터리의 내부 저항(IR), IREOL은 배터리 수명이 끝날 때의 내부 저항(IR)을 의미한다.
10. The method of claim 9, wherein the SOH r is,
The battery SOH prediction method, characterized in that it is defined as the increase ratio of the increase in the internal resistance (IR) of the battery and the increase in the initial internal resistance (IR), and is expressed as Equation 2 below.
(Equation 2)
Figure pat00018

where IR k is the internal resistance (IR) of the current cycle, IR int is the internal resistance of a new battery (IR), and IR EOL is the internal resistance (IR) at the end of the battery life.
제 9항에 있어서, 상기 SOH를 예측하는 단계에서,
상기 제어부는,
상기 SOH, SOHc 및 SOHr 사이의 관계를 모델링하기 위해 커브 피팅 방법을 사용하며, 아래의 수학식 3과 같이 모델링된 다항식 함수
Figure pat00019
의 연산을 통해 SOH를 예측하는 것을 특징으로 하는 배터리 SOH 예측 방법.
(수학식 3)
Figure pat00020

여기서 X는 SOHc이고, Y는 SOHr이며, cn(n = 1, ..., 6)은 모델의 계수를 의미한다.
10. The method of claim 9, wherein in predicting the SOH,
The control unit is
A curve fitting method is used to model the relationship between the SOH, SOH c and SOH r , and a polynomial function modeled as in Equation 3 below
Figure pat00019
Battery SOH prediction method, characterized in that predicting the SOH through the operation of.
(Equation 3)
Figure pat00020

where X is SOH c , Y is SOH r , and c n (n = 1, ..., 6) means the coefficient of the model.
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JP2016125932A (en) * 2015-01-06 2016-07-11 スズキ株式会社 Deterioration state estimation device for secondary battery
KR20160085070A (en) * 2015-01-07 2016-07-15 삼성전자주식회사 Device and apparatus to estimate state of batter pakc including the plurality of battery cells
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