KR20220161981A - Smart battery management system using artificial intelligence module - Google Patents

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KR20220161981A
KR20220161981A KR1020210070399A KR20210070399A KR20220161981A KR 20220161981 A KR20220161981 A KR 20220161981A KR 1020210070399 A KR1020210070399 A KR 1020210070399A KR 20210070399 A KR20210070399 A KR 20210070399A KR 20220161981 A KR20220161981 A KR 20220161981A
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배정효
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한국전기연구원
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Abstract

The present invention relates to a smart battery management system (S-BMS) using an artificial intelligence module. The smart battery management system integrates and manages one or more batteries and includes an artificial intelligence module estimating the SOC of a battery by using an artificial neural network (ANN) consisting of an input layer, a hidden layer, and an output layer, wherein each layer consists of nodes (neurons) and weights connecting the nodes (neurons). SOC(k) is obtained by building an input node selecting at least one from output SOC(k-1) of HKF or voltage difference V_L(k)-V_L(k-1) per cycle in voltage V_L(k), current I_L(k), and temperature T(k) measured at cycle k at an output terminal of a lithium battery pack by the ANN input layer. The present invention has the advantage of providing the S-BMS using an artificial intelligence module, which allows a BMS to be trusted by overcoming SOC estimation error limitations of an artificial neural network (ANN) applied to the BMS.

Description

인공지능 모듈을 이용한 스마트 배터리관리시스템{Smart battery management system using artificial intelligence module}Smart battery management system using artificial intelligence module

본 발명은 인공지능 모듈을 이용한 스마트 배터리관리시스템에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 인공지능 모듈 ANN의 입력레이어를 개척하여 SOC 예측 정확도를 향상시킨 스마트 배터리관리시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a smart battery management system using an artificial intelligence module, and more specifically, to a smart battery management system that improves SOC prediction accuracy by pioneering an input layer of an artificial intelligence module ANN.

현재 리튬이온 배터리(LiB)는 스마트 그리드 및 전기 자동차의 에너지 저장 장치에 널리 사용되고 있으며, 배터리 충전상태(SOC : State Of Charge)는 사용 가능한 배터리 용량을 나타내며 성능을 최적화하고 LiB의 수명을 연장하기 위해 모니터링해야 하는 가장 중요한 상태 중 하나이다.Currently, lithium-ion batteries (LiBs) are widely used in energy storage devices in smart grids and electric vehicles, and the battery state of charge (SOC) represents the usable battery capacity to optimize performance and extend the lifespan of LiBs. It is one of the most important conditions to monitor.

에너지 저장은 현대 스마트 그리드 및 전기 자동차 (EV)의 주요 관심사로 떠 올랐으며 리튬이온 배터리(LiB)는 대용량, 긴 사이클 수명을 가진 장점이 있어 이미 상용화되어 있다.Energy storage has emerged as a major concern for modern smart grids and electric vehicles (EVs), and lithium-ion batteries (LiBs) are already commercially available due to their advantages of large capacity and long cycle life.

소비자 전자 애플리케이션용으로 성숙된 리튬이온 배터리(LiB)는 플러그인 하이브리드 전기 자동차 (PHEV) 및 모든 EV를 위한 선도적인 기술 플랫폼으로 자리 매김하고 있으며, 스마트 그리드의 맥락에서 에너지 저장, 부하 평준화 및 주파수 조절을 지원하기 위해 대규모 시설에서 많이 사용되고 있다.Mature lithium-ion batteries (LiBs) for consumer electronics applications are positioning themselves as the leading technology platform for plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) and all EVs, providing energy storage, load leveling and frequency regulation in the context of the smart grid. It is widely used in large facilities for support.

리튬이온 배터리를 전원으로 하는 전기자동차, 전기선박 및 에너지저장장치와 같은 시스템에서 BMS(Battery Management System)는 시스템에 필요한 전력을 공급하는 배터리의 안전성과 신뢰성을 보증하는 역할을 수행하는데, In systems such as electric vehicles, electric ships, and energy storage devices powered by lithium-ion batteries, BMS (Battery Management System) plays a role in ensuring the safety and reliability of batteries that supply power to the system.

즉, 리튬이온 배터리를 예측 가능하게 작동시키려면 배터리 에너지 수준을 모니터링하고 제어하도록 배터리 관리 시스템 (BMS)을 설계해야 한다.In other words, for a lithium-ion battery to operate predictably, a battery management system (BMS) must be designed to monitor and control the battery's energy level.

BMS는 일반적으로 충전식 배터리(셀 또는 배터리 팩)를 관리하는 모든 전자 장치로 정의되며, BMS의 주요 목표는 배터리의 모니터링, 계산, 통신, 보호 및 최적화이며, 배터리 충전상태(SOC)의 추정은 BMS의 중요한 기능 중 하나이다.BMS is generally defined as any electronic device that manages a rechargeable battery (cell or battery pack), the main goal of BMS is monitoring, calculation, communication, protection and optimization of the battery, and estimation of state of charge (SOC) of battery is BMS is one of the important features of

배터리 충전상태(SOC : State Of Charge)는 너무 낮거나 높은 상태가 계속되면 SOC를 중간 수준으로 유지할 경우에 비하여 배터리의 열화가 빠르게 진행되므로 배터리의 수명을 연장하기 위해서는 BMS에서 정상범위 내에서 일정하게 유지시켜주는 것이 매우 중요하다. If the state of charge (SOC) continues to be too low or too high, the battery deteriorates faster than when the SOC is maintained at an intermediate level. Maintaining it is very important.

그러나 SOC의 정확한 추정은 많은 비선형적 요인에 의존하기 때문에 매우 복잡한 문제점이 있다.However, accurate estimation of SOC is very complicated because it depends on many nonlinear factors.

SOC는 배터리에서 현재 사용 가능한 용량을 정상 용량으로 나눈 값으로 정의되며, 배터리 성능 저하, 유지 보수 비용 증가, 노화 가속화, 치명적인 장치 고장, 심지어 위험한 사고와 같은 LiB의 많은 문제는 잘못된 SOC 추정과 관련이 있다.SOC is defined as the current usable capacity in a battery divided by its normal capacity. Many problems with LiBs, such as poor battery performance, increased maintenance costs, accelerated aging, catastrophic device failure, and even dangerous accidents, are related to incorrect SOC estimation. have.

따라서, BMS에서 SOC의 정확한 추정은 배터리 수명 연장 및 배터리 영구 손상 방지를 포함하여 배터리 성능 최적화에 매우 중요한 문제이다.Therefore, accurate estimation of SOC in the BMS is a very important issue for battery performance optimization, including extending battery life and preventing permanent damage to the battery.

정확한 SOC는 BMS를 신뢰할 수 있는 중요한 역할을 함에도 불구하고 SOC를 직접 측정 할 수 있는 방법은 없으며, 전압, 전류, 온도와 같은 직접 측정 파라미터를 이용하여 배터리 고유 관계 또는 제어 이론을 사용하여 추정할 수 있다. Although accurate SOC plays an important role in reliable BMS, there is no way to directly measure SOC, and it can be estimated using battery-specific relationships or control theory using direct measurement parameters such as voltage, current, and temperature. have.

그러나, 실제로 배터리 SOC는 전류, 온도, 배터리 커패시턴스, 내부 저항, 배터리 수명, 개방 회로 전압 및 서비스 내역과 같은 여러 요인에 따라 달라지는데, 이들은 모든 매개 변수의 비선형 함수이므로 정확한 SOC 추정은 매우 어려운 문제점이 있다.However, in practice, the battery SOC depends on many factors such as current, temperature, battery capacitance, internal resistance, battery life, open circuit voltage and service history, which are non-linear functions of all parameters, so accurate SOC estimation is very difficult. .

이러한 문제점을 해소하기 위하여 배터리 셀 또는 배터리 팩의 SOC를 추정하기 위해 다양한 기술이 제안되었으며, 주요 기술은 방전 테스트, 전류적산법, 개방 회로 전압 측정, 고유 저항 측정 및 지능형 SOC 추정 방법등이 있다.In order to solve this problem, various techniques have been proposed to estimate the SOC of a battery cell or battery pack, and the main techniques include a discharge test, a current integration method, an open circuit voltage measurement, a resistivity measurement, and an intelligent SOC estimation method.

또한, 인공 신경망 (ANN), 퍼지 로직 및 칼만 필터 (KF)와 같은 컴퓨팅 지능 기술이 SOC 추정을 위하여 BMS에 적용되게 개발되었으며, 다른 기술들에 비하여 간단한 전류 및 전압 측정값을 이용하여 정밀하게 SOC를 추정할 수 있는 장점이 있다. In addition, computational intelligence technologies such as artificial neural networks (ANN), fuzzy logic, and Kalman filters (KF) have been developed to be applied to BMS for SOC estimation, and compared to other technologies, using simple current and voltage measurement values, more precisely SOC has the advantage of being able to estimate .

또한 지능형 기술은 디지털 전자 시스템에서 쉽게 구현할 수 있으며 자체 학습 능력을 통해 배터리의 시간 불변 동작에 대응할 수 있는 이점이 있다.In addition, intelligent technology can be easily implemented in digital electronic systems and has the advantage of being able to respond to the time-invariant operation of batteries through self-learning capabilities.

이러한 기술로서, "배터리 상태 추정 방법, 그 방법을 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램(등록번호 : 10-2016715)" 에서는 전류적산법(Ampere-hour Counting Method) 및 칼만 필터(Kalman Filter)를 결합(하이브리드형 칼만 필터 방법)하여 배터리의 상태 추정의 정확성을 향상시킬 수 있는 방법, 그 방법을 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램을 개시하고 있다As such technology, in "Battery state estimation method, device and computer program for performing the method (registration number: 10-2016715)", Ampere-hour Counting Method and Kalman Filter are combined (hybrid type A method capable of improving the accuracy of estimating the state of a battery using a Kalman filter method), a device for performing the method, and a computer program are disclosed.

상술한 문헌에서 설명하는 바를 요약하면 종래에는 전류적산법(Ampere-hour Counting)을 이용하여 배터리 SOC를 추정하는 방식이 있다. 전류적산법은 아래의 [수학식 1]과 같이 Peukert 방정식을 이용하여 실제 전류값을 표준 전류값(standard current)으로 변환하고 그 값을 적산하는 방법으로 배터리 SOC를 측정하는 방법이다.To summarize what has been described in the above-mentioned literature, there is a conventional method of estimating the SOC of a battery using an ampere-hour counting method. The current integration method is a method of measuring battery SOC by converting an actual current value into a standard current value using the Peukert equation as shown in [Equation 1] below and integrating the value.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, SOC0는 배터리 초기 충전상태, Qn은 배터리의 공칭용량, I는 시간(t)에 따른 실시간으로 배터리에 흐르는 전류, a는 Peukert 방정식에 의해 계산 및 추론하는 전류 효율인자(일반적으로 1로 설정함)이다.Here, SOC 0 is the initial state of charge of the battery, Q n is the nominal capacity of the battery, I is the current flowing through the battery in real time over time (t), and a is the current efficiency factor calculated and inferred by the Peukert equation (generally 1 is set).

종래의 배터리 상태 추정 장치는 도 2와 같이, 배터리의 전기화학적 특성을 반영하여 테브닌 등가회로로 모델링할 수 있다. As shown in FIG. 2 , a conventional battery state estimation device may be modeled as a Thevenin equivalent circuit by reflecting electrochemical characteristics of a battery.

도 1에서 Voc는 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage), I(t)는 전류, Ro은 배터리의 내부저항, Rp는 분극저항, Cp는 분극용량, VL는 출력단 전압, IL는 출력단 전류를 의미한다.In FIG. 1, V oc is the open circuit voltage, I(t) is the current, R o is the internal resistance of the battery, R p is the polarization resistance, C p is the polarization capacity, V L is the output terminal voltage, I L means the output stage current.

배터리의 등가회로에 대하여 키르히호프 법칙 및 전류적산법을 적용하면 아래의 [수학식 1]을 얻을 수 있다.[Equation 1] below can be obtained by applying Kirchhoff's law and the current integration method to the equivalent circuit of the battery.

이러한 전류적산법은 용이하게 구현할 수 있다는 장점이 있으나 초기치 문제와 센서 노이즈로 인한 배터리 SOC 추정 오차 누적의 문제점이 있어 배터리가 완전히 충전되는 경우에 배터리 SOC를 리셋하는 등의 정기적인 교정이 요구되었다.This current integration method has the advantage of being easily implemented, but has problems of initial value and accumulation of battery SOC estimation errors due to sensor noise, requiring periodic calibration such as resetting the battery SOC when the battery is fully charged.

즉, 배터리의 충방전 경로에 설치된 전류 센서를 통해 측정된 전류에 의해 배터리 SOC가 추정되기 때문에 전류 센서의 정확한 센싱이 매우 중요하지만, 전류 센서는 성능 저하나 퇴화 등의 원인에 의하여 실제 전류와 측정 전류의 측정값에 차이가 있는 전류 오프셋(offset)이 발생하는 문제점과 이러한 전류 오프셋의 누적으로 인하여 시간이 경과할수록 실제 배터리 SOC와 추정된 배터리 SOC 사이의 오차범위가 커지는 문제점이 있다.In other words, since the battery SOC is estimated by the current measured by the current sensor installed in the battery's charge/discharge path, accurate sensing of the current sensor is very important, but the current sensor measures the actual current due to performance degradation or degradation. There are problems in that a current offset that is different from the measured current value occurs, and an error range between an actual battery SOC and an estimated battery SOC increases as time passes due to the accumulation of such current offset.

도 3은 상기 전류적산법에 의한 전기차 배터리의 SOC 예측 결과값 그래프로서, 추정된 SOC의 최대오차는 17% 이고, 평균 오차는 2.6% 수준으로 나타난다. 3 is a graph of SOC prediction results of an electric vehicle battery by the current integration method, and the maximum error of the estimated SOC is 17% and the average error is 2.6%.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 칼만필터(KF) 알고리즘을 이용하는 방법이 연구되었다. In order to solve the above problems, a method using a Kalman filter (KF) algorithm has been studied.

칼만필터(KF)는 도 2와 같이 배터리 등가회로를 구성하고, 배터리의 SOC 및 배터리 등가회로의 분극용량과 저항을 상태 변수로 포함하는 시스템 방정식을 산출하고, 배터리의 SOC 관측값을 출력 변수로 포함하는 측정 방정식을 산출하여 배터리에 대한 측정 전류, 시스템 방정식 및 측정 방정식을 칼만필터(KF) 알고리즘에 적용하여 기 설정된 주기로 배터리의 SOC를 추정하는 단계로 이루어진다.The Kalman filter (KF) configures a battery equivalent circuit as shown in FIG. 2, calculates a system equation including the SOC of the battery and the polarization capacity and resistance of the battery equivalent circuit as state variables, and calculates the observed SOC of the battery as an output variable. A step of estimating the SOC of the battery at a predetermined cycle by calculating a measurement equation including a measurement current for the battery, applying the system equation and the measurement equation to a Kalman filter (KF) algorithm.

여기서, 시스템 방정식과 측정 방정식은 각각 아래의 [수학식 2]와 [수학식 3]으로 표현될 수 있다.Here, the system equation and the measurement equation can be expressed as [Equation 2] and [Equation 3] below, respectively.

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, S(k+1) 및 uc(k+1)은 각각 현 단계의 SOC 및 배터리의 분극 용량, 즉 SOC 및 배터리의 분극용량의 예측값이고, S(k) 및 uc(k)는 각각 이전 단계의 SOC 및 배터리 분극용량이다. 또한, I(k)는 이전의 배터리 전류를 나타내고, w1(k) 및 w2(k)는 시스템의 잡음, v(k)는 전압 측정 잡음, R1, R2 및 C는 각각 배터리 등가회로의 내부저항, 분극저항 및 분극용량이다.Here, S(k+1) and u c (k+1) are SOC and polarization capacity of the battery at the current stage, that is, predicted values of SOC and polarization capacity of the battery, respectively, and S(k) and u c (k) are These are the SOC and battery polarization capacity of the previous step, respectively. In addition, I(k) represents the previous battery current, w 1 (k) and w 2 (k) are the noise of the system, v(k) is the voltage measurement noise, and R 1 , R 2 and C are the battery equivalents, respectively. These are the internal resistance, polarization resistance and polarization capacity of the circuit.

상기한 "배터리 상태 추정 방법, 그 방법을 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램(대한민국 특허등록번호 : 10-2016715)"는 배터리 상태 추정의 정확성을 향상시키기 위하여 상기 전류적산법과 칼만필터를 결합한 하이브리드 칼만필터(HKF)를 이용하여 배터리 SOC를 예측하는 방법이다. The above "Battery State Estimation Method, Apparatus and Computer Program for Performing the Method (Korean Patent Registration No.: 10-2016715)" is a hybrid Kalman filter combining the current integration method and the Kalman filter to improve the accuracy of battery state estimation ( HKF) is a method of predicting battery SOC.

즉, 하이브리드 칼만필터(HKF)는 칼만필터(KF)를 이용한 SOC 예측방법 중 측정 방정식을 산출하는 단계에서 측정 전류에 전류 관측 잡음을 더 포함하여 전류적산법을 적용하고, 아래의 [수학식 4]와 같은 측정 방정식을 산출하는 것이다.That is, the hybrid Kalman filter (HKF) applies the current integration method by further including the current observation noise to the measured current in the step of calculating the measurement equation among the SOC prediction methods using the Kalman filter (KF), and the following [Equation 4] It is to calculate the measurement equation such as

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, zk는 측정 방정식, S(t0)는 SOC 초기값, Qn은 배터리 공칭용량, H(k)는 전류 측정 잡음이다.where z k is the measurement equation, S(t 0 ) is the initial SOC value, Q n is the battery nominal capacity, and H(k) is the current measurement noise.

SOC 추정을 위하여 BMS에 적용된 인공 신경망(ANN)은 대한민국 특허공개번호 10-2021-0045830 '배터리의 상태 모니터링 방법 및 장치'에서 보여지는 바와 같이 널리 공지되어 있다.An artificial neural network (ANN) applied to BMS for SOC estimation is widely known as shown in Korean Patent Publication No. 10-2021-0045830 'Method and Apparatus for Monitoring State of Battery'.

그런데, 상기한 바와 같이 SOC의 정확한 추정은 BMS를 신뢰할 수 있는 중요한 요인임에도 불구하고, 상기 공지기술들은 각각 정해진 추정 오차의 한계를 가지고 있는 문제점이 있다.However, although accurate estimation of the SOC as described above is an important factor in reliability of the BMS, the known technologies each have a problem in that they have a predetermined limit of estimation error.

대한민국 특허등록번호 10-2016715 '배터리 상태 추정 방법, 그 방법을 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램'Republic of Korea Patent Registration No. 10-2016715 'Method for estimating battery state, device and computer program for performing the method' 대한민국 특허공개번호 10-2021-0045830 '배터리의 상태 모니터링 방법 및 장치'Korean Patent Publication No. 10-2021-0045830 'Method and device for monitoring battery condition'

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, BMS에 적용된 인공 신경망(ANN)의 SOC 추정 오차 한계를 극복하여 BMS를 신뢰할 수 있게 하는 인공지능 모듈을 이용한 스마트 배터리관리시스템를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a smart battery management system using an artificial intelligence module that makes the BMS reliable by overcoming the SOC estimation error limit of an artificial neural network (ANN) applied to the BMS.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하나 이상의 배터리를 통합 관리하는 스마트 배터리관리시스템(Smart Battery Management System, S-BMS)에 있어서, 입력(input) 레이어와 히든(hidden) 레이어와 출력(output) 레이어로 구성되고 상기 레이어들 각각은 노드(뉴런)들과 그 노드(뉴런)들 각각을 연결한 가중치들로 구성되는 ANN(artificial neural network)을 이용하여 배터리의 SOC를 추정하는 인공지능 모듈;을 포함하여 구성되며, 상기 ANN 입력 레이어가 리튬 배터리 팩 출력단에서 주기 k에 측정하는 전압 VL(k), 전류IL(k), 온도T(k) 및 주기 당 전압차 VL(k)-VL(k-1)로 이루어져 출력 레이어에서 SOC(k)를 구하는 것을 특징으로 하는 인공지능 모듈을 이용한 스마트 배터리관리시스템을 기술적 요지로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an input layer, a hidden layer, and an output in a smart battery management system (S-BMS) for integrated management of one or more batteries. An artificial intelligence module for estimating the SOC of a battery using an artificial neural network (ANN) composed of layers, each of which is composed of nodes (neurons) and weights connecting each of the nodes (neurons). It is configured to include, and the voltage V L (k), current I L (k), temperature T (k), and voltage difference per cycle V L (k) - The technical summary is a smart battery management system using an artificial intelligence module, which is composed of V L (k-1) and calculates SOC (k) in the output layer.

여기서, 상기 배터리 팩 출력단에는 출력전류와 전압으로 테브닌 등가회로를 모델링시키고, 전류적산법(Ampere-hour Counting Method) 및 칼만 필터(Kalman Filter)를 결합시켜, 기 설정된 주기로 배터리의 SOC를 추정하는 하이브리드 칼만필터(Hybrid Kalman Filter, HKF)가 더 포함되어 구성되고, 상기 ANN 입력 레이어에는 상기 하이브리드 칼만필터(Hybrid Kalman Filter, HKF)의 전주기 출력값 SOC(k-1)이 더 추가되는 것을 특징으로 하는 인공지능 모듈을 이용한 스마트 배터리관리시스템으로 되는 것이 바람직하다.Here, at the battery pack output stage, a Thevenin equivalent circuit is modeled with output current and voltage, and a hybrid method for estimating the SOC of the battery at a predetermined cycle by combining an ampere-hour counting method and a Kalman filter. Characterized in that a hybrid Kalman filter (HKF) is further included, and the full cycle output value SOC (k-1) of the hybrid Kalman filter (HKF) is further added to the ANN input layer It is desirable to be a smart battery management system using an artificial intelligence module.

본 발명은 또한, 하나 이상의 배터리를 통합 관리하는 스마트 배터리관리시스템(Smart Battery Management System, S-BMS)에 있어서, 입력(input) 레이어와 히든(hidden) 레이어와 출력(output) 레이어로 구성되고 상기 레이어들 각각은 노드(뉴런)들과 그 노드(뉴런)들 각각을 연결한 가중치들로 구성되는 ANN(artificial neural network)을 이용하여 배터리의 SOC(k)를 추정하는 인공지능 모듈; 상기 배터리 팩 출력단에 연결되어 출력전류와 전압으로 테브닌 등가회로를 모델링시키고, 전류적산법(Ampere-hour Counting Method) 및 칼만 필터(Kalman Filter)를 결합시켜, 기 설정된 주기로 배터리의 SOC(k)를 추정하는 하이브리드 칼만필터(Hybrid Kalman Filter, HKF);를 포함하여 구성되며, 상기 ANN 입력 레이어가 리튬 배터리 팩 출력단에서 주기 k에 측정하는 전압 VL(k), 전류IL(k), 온도T(k) 및 상기 하이브리드 칼만필터(Hybrid Kalman Filter, HKF)의 전주기 출력 SOC(k-1)로 이루어지며, 출력 레이어에서 SOC(k)를 구하는 것을 특징으로 하는 인공지능 모듈을 이용한 스마트 배터리관리시스템을 또 다른 기술적 요지로 한다.The present invention is also composed of an input layer, a hidden layer, and an output layer in a smart battery management system (S-BMS) for integrated management of one or more batteries, and the Each of the layers includes an artificial intelligence module for estimating SOC(k) of the battery using an artificial neural network (ANN) composed of nodes (neurons) and weights connecting the nodes (neurons); It is connected to the output terminal of the battery pack, models a Thevenin equivalent circuit with output current and voltage, and combines the ampere-hour counting method and the Kalman filter to determine the SOC (k) of the battery at a preset cycle. It is configured to include a hybrid Kalman filter (HKF) that estimates; voltage V L (k), current I L (k), and temperature T measured by the ANN input layer at period k at the lithium battery pack output terminal. (k) and the full cycle output SOC (k-1) of the Hybrid Kalman Filter (HKF), and smart battery management using an artificial intelligence module characterized in that SOC (k) is obtained in the output layer. system as another technical point.

상기한 본 발명에 의하여, BMS에 적용된 인공 신경망(ANN)의 SOC 추정 오차 한계를 극복하여 BMS를 신뢰할 수 있게 하는 인공지능 모듈을 이용한 스마트 배터리관리시스템이 제공되는 이점이 있다.According to the present invention described above, there is an advantage in providing a smart battery management system using an artificial intelligence module that makes the BMS reliable by overcoming the SOC estimation error limit of the artificial neural network (ANN) applied to the BMS.

도 1은 종래기술방식 전류적산법에 의한 전기차 배터리의 SOC 예측 결과값 그래프
도 2는 본 발명에 적용되는 ANN 뉴런의 기본 구성도
도 3은 배터리의 테브닌 등가회로도
도 4는 ANN 입력 레이어에 4 노드를 적용한 본 발명의 일실시예 구성도
도 5는 도 4에 의한 전기차 배터리의 SOC 예측 결과값 그래프
도 6은 ANN 입력 레이어에 4 노드를 적용한 본 발명의 또 다른 일실시예 구성도
도 7은 도 6에 의한 전기차 배터리의 SOC 예측 결과값 그래프
도 8은 ANN 입력 레이어에 5 노드를 적용한 본 발명의 또 다른 일실시예 구성도
도 9는 도 8에 의한 전기차 배터리의 SOC 예측 결과값 그래프
1 is a graph of SOC prediction results of an electric vehicle battery by the prior art current integration method
2 is a basic configuration diagram of an ANN neuron applied to the present invention
3 is a Thevenin equivalent circuit diagram of a battery
Figure 4 is a configuration diagram of one embodiment of the present invention in which 4 nodes are applied to the ANN input layer
5 is a graph of SOC prediction results of the electric vehicle battery according to FIG. 4
6 is a configuration diagram of another embodiment of the present invention in which 4 nodes are applied to the ANN input layer
7 is a graph of SOC prediction results of the electric vehicle battery according to FIG. 6
8 is a configuration diagram of another embodiment of the present invention in which 5 nodes are applied to the ANN input layer
9 is a graph of SOC prediction results of the electric vehicle battery according to FIG. 8

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 9에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 BMS, SOC, 칼만필터, 하이브리트 칼만필터 등 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail based on the accompanying drawings FIGS. 1 to 9. On the other hand, in the drawings and detailed description, drawings and descriptions of configurations and functions that can be easily understood by those skilled in the art, such as general BMS, SOC, Kalman filter, and hybrid Kalman filter, are simplified or omitted.

특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.In particular, in the drawings and detailed description, detailed descriptions and illustrations of specific technical configurations and actions of elements not directly related to the technical features of the present invention are omitted, and only the technical configurations related to the present invention are briefly shown or described. did

본 발명은 하나 이상의 배터리를 통합 관리하는 스마트 배터리관리시스템(Smart Battery Management System, S-BMS)에 있어서, 입력(input) 레이어와 히든(hidden) 레이어와 출력(output) 레이어로 구성되고 상기 레이어들 각각은 노드(뉴런)들과 그 노드(뉴런)들 각각을 연결한 가중치들로 구성되는 ANN(artificial neural network)을 이용하여 배터리의 SOC를 추정하는 인공지능 모듈;을 포함하여 구성되며, 상기 ANN 입력 레이어를 개척함으로써, 출력 레이어의 SOC 측정 정확도를 향상시키는 기술이다.The present invention is composed of an input layer, a hidden layer, and an output layer in a smart battery management system (S-BMS) for integrated management of one or more batteries, and the layers Each includes an artificial intelligence module that estimates the SOC of the battery using an artificial neural network (ANN) composed of nodes (neurons) and weights connecting each of the nodes (neurons), and the ANN It is a technology that improves the SOC measurement accuracy of the output layer by pioneering the input layer.

상기 ANN은 가중치로 상호 연결된 일련의 개별 처리 장치인 인공 뉴런으로 구성된 계산 모델로서, 원하는 정확도로 모든 비선형 함수를 모델링 할 수 있는 범용 근사값이다. The ANN is a computational model composed of artificial neurons, which are a series of individual processing units interconnected by weights, and is a general-purpose approximation capable of modeling any nonlinear function with desired accuracy.

네트워크는 입력 레이어가 입력을 받고 출력 레이어가 출력을 생성하는 레이어로 배열되며, 중간 레이어는 외부와 연결되지 않으므로 히든 레이어라고 할 수 있다.The network is arranged in layers where the input layer receives input and the output layer generates output, and the middle layer is called a hidden layer because it is not connected to the outside world.

도 2는 네트워크에서 뉴런의 기본 구성으로서, 2 is a basic configuration of neurons in a network,

입력 신호 벡터는

Figure pat00005
로 표시되고, The input signal vector is
Figure pat00005
is indicated by

뉴런 가중치는

Figure pat00006
로 표시되며, Neuron weights are
Figure pat00006
is indicated by

net는 입력 신호에 대한 가중치의 곱셈 응답이며, net is the multiplicative response of the weights to the input signal,

b1은 바이어스라고하는 외부 매개 변수의 활성함수이며, b1 is the activation function of an external parameter called bias,

ym 은 뉴런의 출력 응답이다.ym is the neuron's output response.

공지기술 수준에서 SOC 추정을 위한 인공 신경망(ANN)의 입력레이어는 도 3에 도시된 바와 같이 배터리의 테브닌 등가회로에서 측정 입력되는 출력 전압 VL과 전류 IL, 온도 T이다.As shown in FIG. 3, the input layer of the artificial neural network (ANN) for SOC estimation at the level of the prior art is the output voltage V L , current I L , and temperature T measured and input in the Thevenin equivalent circuit of the battery.

본 발명에서는 측정 전압 VL(k)-VL(k-1)이 0보다 큰 경우에는 충전 중이고, 작은 경우는 방전 중임을 입력에 반영하여 SOC 추정 정확도를 개선하였다.In the present invention, when the measured voltage V L (k)-V L (k-1) is greater than 0, the SOC estimation accuracy is improved by reflecting the fact that the voltage is being charged and is being discharged when it is smaller.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 SOC 추정을 위한 인공 신경망(ANN)의 입력레이어에 리튬 배터리 팩 출력단에서 이산주기 k에 측정하는 전압 VL(k), 전류IL(k), 온도T(k) 및 주기 당 전압차 VL(k)-VL(k-1)를 입력시켜 출력 레이어에서 SOC(k)를 구하였다.That is, as shown in FIG. 4, the voltage V L (k), current I L (k), and temperature T ( k) and the voltage difference per cycle V L (k)-V L (k-1) were input to obtain SOC(k) at the output layer.

도 5는 SOC 추정을 위하여 BMS에 적용된 인공 신경망(ANN) 기술의 입력 레이어에 도 4의 주기 당 전압차 VL(k)-VL(k-1)를 포함시킨 4개 노드를 사용하여 1000개의 배터리 샘플을 학습시켜 도출한 결과값으로서, ANN으로 추정된 SOC의 최대오차는 2% 이고, 평균 오차는 0.4%로 나타나며, 도 1의 전류적산법에 의한 추정보다 큰 오차 감소 효과가 있음을 알 수 있다. 5 is 1000 using four nodes including the voltage difference V L (k)-V L (k-1) per period of FIG. 4 in the input layer of the artificial neural network (ANN) technology applied to the BMS for SOC estimation. As the result obtained by learning the number of battery samples, the maximum error of the SOC estimated by ANN is 2% and the average error is 0.4%, and it can be seen that there is a greater error reduction effect than the estimation by the current integration method in FIG. can

본 발명은 상기 배터리 팩 출력단에 연결되어 도 3에 도시된 바와 같이 출력 전압 VL과 전류 IL 로 테브닌 등가회로를 모델링시키고, 전류적산법(Ampere-hour Counting Method) 및 칼만 필터(Kalman Filter)를 결합시켜, 기 설정된 주기로 배터리의 SOC(k)를 추정하는 하이브리드 칼만필터(100 : Hybrid Kalman Filter, HKF)를 포함하여 구성시키고, 도 6에서 보여지는 바와 같이 상기 ANN(200) 입력 레이어가 리튬 배터리 팩 출력단에서 주기 k에 측정하는 전압 VL(k), 전류IL(k), 온도T(k) 및 상기 하이브리드 칼만필터(Hybrid Kalman Filter, HKF)의 전주기 출력 SOC(k-1)로 이루어지는 4개 노드를 사용하여 출력 레이어에서 SOC(k)를 구할 수 있다.The present invention is connected to the battery pack output terminal and models a Thevenin equivalent circuit with the output voltage V L and current I L as shown in FIG. , and configured to include a hybrid Kalman filter (100: Hybrid Kalman Filter, HKF) that estimates the SOC (k) of the battery at a preset period, and as shown in FIG. 6, the input layer of the ANN (200) is lithium Voltage V L (k), current I L (k), temperature T (k) measured at cycle k at the battery pack output stage, and full cycle output SOC (k-1) of the Hybrid Kalman Filter (HKF) SOC(k) can be obtained in the output layer using four nodes consisting of

도 7은 이에 관한 1000개의 배터리 샘플을 학습시켜 도출한 결과값으로서, ANN으로 추정된 SOC의 최대오차는 2.1% 이고, 평균 오차는 0.24% 로 나타나며, 도 1의 전류적산법에 의한 추정보다 큰 오차 감소 효과가 있음을 알 수 있다. 7 is the result obtained by learning 1000 battery samples, and the maximum error of the SOC estimated by ANN is 2.1%, and the average error is 0.24%. , and it can be seen that there is a greater error reduction effect than the estimation by the current integration method of FIG. 1 .

상기 도 5와 도 7의 결과값은 비록 현재의 기술 수준에서 SOC 추정 목표값에는 만족하지만, 상기한 바와 같이 SOC의 정확한 추정은 BMS를 신뢰할 수 있는 매우 중요한 요인이므로, 이러한 오차 한계는 여전히 극복해야 하는 목표값이라 할 수 있다.Although the results of FIGS. 5 and 7 satisfy the SOC estimation target values at the current technical level, as described above, the accurate estimation of SOC is a very important factor in trusting the BMS, so these error limits still need to be overcome. can be regarded as the target value.

본 발명은 이러한 오차 한계를 극복하기 위하여 도 8에 도시된 바와 같이 SOC 추정을 위한 인공 신경망(ANN)의 입력레이어에 주기 당 전압차 VL(k)-VL(k-1)과 이전 주기의 HKF의 출력 SOC값을 더 추가한 5개 노드를 사용하여 오차가 보정되게 하였다.In order to overcome this error limit, the present invention provides the voltage difference V L (k)-V L (k-1) per cycle and the previous cycle to the input layer of the artificial neural network (ANN) for SOC estimation, as shown in FIG. The error was corrected using 5 nodes to which the output SOC value of the HKF of was added.

도 9는 이에 관한 1000개의 배터리 샘플을 무작위로 테스트한 결과값으로서, ANN으로 추정된 SOC의 최대오차는 0.78% 이고, 평균 오차는 0.09% 로 나타나며, 도 5와 도 7의 4 노드 입력 추정값에 비하여 비약적인 오차 저감 효과가 있음을 알 수 있다. 9 is the result of randomly testing 1000 battery samples related to this, and the maximum error of the SOC estimated by ANN is 0.78% and the average error is 0.09%. In comparison, it can be seen that there is a drastic error reduction effect.

상술한 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 화재 예방을 위한 스마트 배터리관리시스템을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.As described above, although the smart battery management system for fire prevention according to an embodiment of the present invention is shown according to the above description and drawings, this is only an example and is within the scope of not departing from the technical spirit of the present invention. It will be appreciated by those skilled in the art that various changes and modifications are possible.

100: 하이브리드 칼만필터(Hybrid Kalman Filter, HKF)
200: 인공신경망 회로 ANN(artificial neural network)
100: Hybrid Kalman Filter (HKF)
200: artificial neural network circuit ANN (artificial neural network)

Claims (3)

하나 이상의 배터리를 통합 관리하는 스마트 배터리관리시스템(Smart Battery Management System, S-BMS)에 있어서,
입력(input) 레이어와 히든(hidden) 레이어와 출력(output) 레이어로 구성되고 상기 레이어들 각각은 노드(뉴런)들과 그 노드(뉴런)들 각각을 연결한 가중치들로 구성되는 ANN(artificial neural network)을 이용하여 배터리의 SOC를 추정하는 인공지능 모듈;을 포함하여 구성되며,
상기 ANN 입력 레이어가 리튬 배터리 팩 출력단에서 주기 k에 측정하는 전압 VL(k), 전류IL(k), 온도T(k) 및 주기 당 전압차 VL(k)-VL(k-1)로 이루어져 출력 레이어에서 SOC(k)를 구하는 것을 특징으로 하는 인공지능 모듈을 이용한 스마트 배터리관리시스템.
In a smart battery management system (S-BMS) that integrates and manages one or more batteries,
It consists of an input layer, a hidden layer, and an output layer, and each of the layers consists of nodes (neurons) and weights connecting the nodes (neurons). An artificial neural network (ANN) It is configured to include an artificial intelligence module that estimates the SOC of the battery using a network),
Voltage V L (k), current I L (k), temperature T (k), and voltage difference per cycle V L (k)-V L (k- 1), and a smart battery management system using an artificial intelligence module, characterized in that SOC (k) is obtained from the output layer.
제1항에 있어서
상기 배터리 팩 출력단에는 출력전류와 전압으로 테브닌 등가회로를 모델링시키고, 전류적산법(Ampere-hour Counting Method) 및 칼만 필터(Kalman Filter)를 결합시켜, 기 설정된 주기로 배터리의 SOC를 추정하는 하이브리드 칼만필터(Hybrid Kalman Filter, HKF)가 더 포함되어 구성되고,
상기 ANN 입력 레이어에는 상기 하이브리드 칼만필터(Hybrid Kalman Filter, HKF)의 전주기 출력값 SOC(k-1)이 더 추가되는 것을 특징으로 하는 인공지능 모듈을 이용한 스마트 배터리관리시스템.
According to claim 1
At the output stage of the battery pack, a Thevenin equivalent circuit is modeled with output current and voltage, and a hybrid Kalman filter that estimates the SOC of the battery at a preset cycle by combining an ampere-hour counting method and a Kalman filter. (Hybrid Kalman Filter, HKF) is further included,
Smart battery management system using an artificial intelligence module, characterized in that the full cycle output value SOC (k-1) of the hybrid Kalman filter (HKF) is further added to the ANN input layer.
하나 이상의 배터리를 통합 관리하는 스마트 배터리관리시스템(Smart Battery Management System, S-BMS)에 있어서,
입력(input) 레이어와 히든(hidden) 레이어와 출력(output) 레이어로 구성되고 상기 레이어들 각각은 노드(뉴런)들과 그 노드(뉴런)들 각각을 연결한 가중치들로 구성되는 ANN(artificial neural network)을 이용하여 배터리의 SOC(k)를 추정하는 인공지능 모듈;
상기 배터리 팩 출력단에 연결되어 출력전류와 전압으로 테브닌 등가회로를 모델링시키고, 전류적산법(Ampere-hour Counting Method) 및 칼만 필터(Kalman Filter)를 결합시켜, 기 설정된 주기로 배터리의 SOC(k)를 추정하는 하이브리드 칼만필터(Hybrid Kalman Filter, HKF);를
포함하여 구성되며,
상기 ANN 입력 레이어가 리튬 배터리 팩 출력단에서 주기 k에 측정하는 전압 VL(k), 전류IL(k), 온도T(k) 및 상기 하이브리드 칼만필터(Hybrid Kalman Filter, HKF)의 전주기 출력 SOC(k-1)로 이루어지며,
출력 레이어에서 SOC(k)를 구하는 것을 특징으로 하는 인공지능 모듈을 이용한 스마트 배터리관리시스템.
In a smart battery management system (S-BMS) that integrates and manages one or more batteries,
It consists of an input layer, a hidden layer, and an output layer, and each of the layers is composed of nodes (neurons) and weights connecting the nodes (neurons). An artificial neural (ANN) An artificial intelligence module for estimating the SOC (k) of the battery using a network);
It is connected to the output terminal of the battery pack, models a Thevenin equivalent circuit with output current and voltage, and combines the ampere-hour counting method and the Kalman filter to determine the SOC (k) of the battery at a preset cycle. Estimating a hybrid Kalman filter (Hybrid Kalman Filter, HKF);
It consists of,
Voltage V L (k), current I L (k), temperature T (k) measured by the ANN input layer at period k at the lithium battery pack output stage, and full cycle output of the Hybrid Kalman Filter (HKF) It consists of SOC (k-1),
A smart battery management system using an artificial intelligence module, characterized in that SOC (k) is obtained in the output layer.
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