KR20230029088A - Battery SOC Estimation method and system using Artificial Neural Networks and Vehicle Simulator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 배터리의 SOC 추정기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량 주행에 따라 변화하는 배터리의 전압 및 전류, 방전소요시간(T)으로 구성되는 방전 데이터를 실시간으로 획득하고, 상기 방전 데이터에 대해 인공신경망 학습하여 배터리 SOC의 추정 정확도를 향상시킬 수 있는 차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 배터리의 SOC 추정방법 및 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a technology for estimating the SOC of a battery, and more particularly, to acquire discharge data consisting of a voltage and current of a battery that changes according to vehicle driving, and a required discharge time (T) in real time, and for the discharge data It relates to a vehicle driving simulator capable of improving battery SOC estimation accuracy by learning artificial neural networks, and a method and system for estimating SOC of a battery using artificial neural networks.
현재 리튬 이온 배터리는 전압 밀도가 높고 출력을 오랫동안 유지할 수 있으며 중량이 가벼운 특성이 있어 전기자동차(Electronic Vehicle, EV), 휴대폰, 노트북, 대용량 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS) 등의 다양한 분야의 핵심 동력으로 사용되고 있다. Currently, lithium-ion batteries have high voltage density, can maintain output for a long time, and are light in weight. It is used as a key driving force.
그러나 잦은 충전 및 방전을 하는 배터리의 특성상 과충전 및 과방전이 발생할 수가 있으며, 이 경우 시스템이 다운되거나 배터리가 폭발할 위험이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 배터리의 상태를 정확하게 파악하여 배터리의 효율적이고 안정적인 운용을 할 수 있도록 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)의 연구가 진행 중이다. However, due to the characteristics of batteries that are frequently charged and discharged, overcharging and overdischarging may occur, and in this case, there is a risk of system down or battery explosion. In order to solve such a problem, research on a battery management system (BMS) that accurately grasps the state of the battery and manages it so that the battery can be operated efficiently and stably is underway.
상기 BMS에서 사용할 수 있는 파라미터 중 하나인 잔존용량(State Of Charge, SOC)은 배터리의 남은 용량을 지시하는 중요한 척도이며 100%일 때 배터리가 가득 찬 상태를, 0%일 때 모두 소모된 상태를 나타낸다. 따라서 안정적이고 효율적인 배터리 운용을 위해 상기 SOC를 정확하게 예측할 수 있어야 한다.State Of Charge (SOC), one of the parameters that can be used in the BMS, is an important measure indicating the remaining capacity of the battery. indicate Therefore, it is necessary to accurately predict the SOC for stable and efficient battery operation.
종래의 SOC 추정방법으로 전류적산법, 개방회로전압(Open Circuit Voltage, OCV), 칼만필터 측정법이 있다. 상기 전류적산법은 임의의 초기 SOC를 지정한 후 충전 및 방전 전류의 변화량을 더해주는 방식으로 구현하기 용이한 장점이 있다. 하지만 초기 SOC 설정에 이상이 있는 경우 오차가 지속적으로 누적되어 정확한 SOC 추정이 어렵다. 그리고 상기 OCV는 배터리에 전류가 흐르지 않는 안정된 상태에서 전압을 측정하여 SOC를 추정하나 측정을 위해서는 평형상태가 되기까지 긴 시간을 대기해야 하므로 실시간으로 추정이 어려운 문제가 있었다. 그리고 확장 칼만 필터 방법은 비선형적 모델의 상태를 추정하기 유리하지만, 선형화할시에 초기 상태 설정이 잘못되면 오차가 심각하게 커지는 문제가 있어 아직 관련 연구가 계속 진행되고 있다. Conventional SOC estimation methods include a current integration method, an open circuit voltage (OCV), and a Kalman filter measurement method. The current integration method has an advantage in that it is easy to implement in a manner in which changes in charging and discharging currents are added after specifying an arbitrary initial SOC. However, if there is an error in the initial SOC setting, errors are continuously accumulated, making it difficult to accurately estimate the SOC. In addition, the OCV estimates the SOC by measuring the voltage in a stable state in which current does not flow to the battery, but it is difficult to estimate in real time because a long time must be waited for the measurement to reach an equilibrium state. In addition, the extended Kalman filter method is advantageous in estimating the state of a nonlinear model, but there is a problem in that the error increases significantly if the initial state setting is incorrect during linearization, and related research is still in progress.
그리고 최근 SOC 추정방법 중 하나로 빅 데이터 기반 방법이 있다. 대표적으로 기계학습기법 중 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN) 학습을 통한 SOC 추정방법이 있다. 상기 인공신경망은 생물학적 모델의 뇌 구조를 모방하여 설계된 학습 방법으로 패턴 인식, 식별 및 분류와 같은 다양한 분야에서 사용되고 있으며 입력 및 출력 관계를 효율적으로 학습할 수 있다. 상기 인공신경망을 사용한 추정방법은 배터리의 내부의 전기적 및 화학적 변화를 고려하지 않아도 되며, 비선형 모델 추정에 유리하고 저사양의 프로세서에서도 동작이 가능하다는 장점이 있다. And, as one of the recent SOC estimation methods, there is a big data-based method. As a representative machine learning technique, there is an SOC estimation method through artificial neural network (ANN) learning. The artificial neural network is a learning method designed by imitating the brain structure of a biological model, and is used in various fields such as pattern recognition, identification, and classification, and can efficiently learn input and output relationships. The estimation method using the artificial neural network has the advantage that it does not have to consider internal electrical and chemical changes of the battery, is advantageous for estimating a nonlinear model, and can operate even in a low-end processor.
그러나 차량 주행 시간이나 주행 환경에 따라 변화하는 배터리의 전압 및 전류가 변화하여 차량에 적용된 배터리에 대해서는 SOC 추정이 어려운 문제가 있었다. However, it is difficult to estimate the SOC of a battery applied to a vehicle because the voltage and current of the battery change according to the vehicle driving time or driving environment.
이에 종래에는 차량 주행 시간, 그리고 차량 주행 환경에 따라 배터리의 전압 및 전류 등이 변화하여도 배터리의 SOC를 정확하게 추정해낼 수 있는 기술의 개발이 요구되었다. Accordingly, development of a technology capable of accurately estimating the SOC of a battery has been required in the prior art even when the voltage and current of the battery change according to the driving time of the vehicle and the driving environment of the vehicle.
본 발명은 차량 주행에 따라 변화하는 배터리의 전압 및 전류, 방전소요시간(T)으로 구성되는 방전 데이터를 실시간으로 획득하여, 상기 방전 데이터에 대해 인공신경망 학습하여 배터리 SOC의 추정 정확도를 향상시킬 수 있는 차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 배터리의 SOC 추정방법 및 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention can improve the estimation accuracy of the battery SOC by acquiring discharge data composed of the voltage and current of the battery, which changes according to vehicle driving, and the required discharge time (T) in real time, and learning the artificial neural network for the discharge data. Its purpose is to provide a method and system for estimating the SOC of a battery using a vehicle driving simulator and an artificial neural network.
이를 위해, 본 발명에 따른 일실시예는, 차량 주행에 따라 변화하는 배터리의 전압 및 전류를 센싱하는 단계; 상기 배터리의 전압 및 전류의 센싱데이터를 포함하는 방전 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 방전 데이터를 인공신경망의 파라미터로 입력하여 학습하여 배터리 SOC를 추정하는 단계;를 포함하는 배터리의 SOC 추정방법을 제공한다.To this end, one embodiment according to the present invention, sensing the voltage and current of the battery that changes according to the vehicle driving; generating discharge data including sensing data of voltage and current of the battery; and estimating the SOC of the battery by inputting and learning the discharge data as a parameter of an artificial neural network.
본 발명에 따른 다른 실시예는, 차량 주행에 따라 변화하는 배터리의 전압 및 전류를 센싱하여, 상기 배터리의 전압 및 전류의 센싱데이터를 포함하는 방전 데이터를 생성하여 전송하는 차량 주행 시뮬레이터; 및 상기 방전 데이터를 인공신경망의 파라미터로 입력하여 학습하여 배터리 SOC를 추정하는 배터리의 SOC 추정장치;를 포함하는 차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 SOC 추정 시스템을 제공한다.Another embodiment according to the present invention is a vehicle driving simulator that senses voltage and current of a battery that changes according to vehicle driving to generate and transmit discharge data including the sensing data of the voltage and current of the battery; and a battery SOC estimator for estimating the battery SOC by learning by inputting the discharge data as a parameter of the artificial neural network.
또한, 상기 차량 주행은, 미리 정해둔 주행주기에 따라 이루어짐을 특징으로 한다.In addition, the driving of the vehicle is characterized in that it is performed according to a previously determined driving cycle.
또한, 상기 방전 데이터에는 방전소요시간이 더 포함되며, 상기 방전소요시간은 전압 및 전류의 센싱데이터의 획득갯수에 대응되게 증가되는 값으로 정의됨을 특징으로 한다.In addition, the discharge data further includes a required discharge time, characterized in that the discharge required time is defined as a value that increases in correspondence with the number of acquisitions of voltage and current sensing data.
또한, 상기 차량 주행은, 완전충전된 배터리가 방전될 때까지 미리 정해둔 주행주기에 따라 다수회 이루어지며, In addition, the vehicle driving is performed multiple times according to a predetermined driving cycle until the fully charged battery is discharged.
상기 완전충전된 배터리가 방전될 때까지의 주행이 다수회 이루어짐에 따라 획득되는 방전 데이터는 상기 인공신경망의 입력레이어로 입력되어 학습됨을 특징으로 한다.Discharge data obtained as the fully charged battery is driven multiple times until it is discharged is input to an input layer of the artificial neural network and learned.
또한, 상기 인공신경망은 다층신경망으로, 역전파 방식을 더 사용하며, In addition, the artificial neural network is a multilayer neural network and further uses a backpropagation method,
상기 역전파 방식은 출력층에서 입력층의 방향으로 파라미터들에 대한 가중치를 업데이트하여 오차를 줄임을 특징으로 한다.The backpropagation method is characterized in that an error is reduced by updating weights for parameters in a direction from an output layer to an input layer.
또한, 상기 인공신경망은 다층신경망으로, In addition, the artificial neural network is a multilayer neural network,
다수개의 은닉층을 포함하며, 상기 은닉층의 활성화 함수는 ReLU이며, It includes a plurality of hidden layers, and the activation function of the hidden layer is ReLU,
학습 라벨값은 임의의 초기 SOC를 지정한 후에 방전실험으로 획득한 전류 데이터를 전류 적산법을 통해 계산한 것임을 특징으로 한다.The learning label value is characterized in that the current data obtained by the discharge experiment is calculated through the current integration method after designating an arbitrary initial SOC.
상기한 본 발명은 차량 주행에 따라 변화하는 배터리의 전압 및 전류, 방전소요시간(T)으로 구성되는 방전 데이터를 실시간으로 획득하여, 상기 방전 데이터에 대해 인공신경망 학습하여 배터리 SOC의 추정 정확도를 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다. The present invention described above acquires discharge data composed of the voltage and current of the battery, which changes according to vehicle driving, and the required discharge time (T) in real time, and improves the estimation accuracy of the battery SOC by learning the artificial neural network for the discharge data. It provides possible effects.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 배터리의 SOC 추정 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 차량 주행 시뮬레이터의 구성 및 실시예를 도시한 도면.
도 3은 FTP-75의 주행주기 그래프를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 배터리 SOC 추정장치(200)의 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 배터리 SOC 추정 방법의 절차도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 다층신경망을 예시한 도면.
도 7은 역전파 알고리즘의 개념을 도식적으로 표현한 도면.
도 8은 본 발명의 실험환경을 예시한 도면.
도 9의 (a) 내지 (d)는 각 배터리의 1주기 방전실험 전압 변화의 그래프를 도시한 도면.
도 10은 방전소요시간을 정의한 도면.
도 11은 본 발명에 따르는 다층신경망 모델의 구조를 도시한 도면.
도 12는 ReLU의 정의 그래프를 도시한 도면.
도 13은 방전소요시간(T) 파라미터를 추가하지 않고 학습을 진행한 각 모델의 SOC 오차를 나타낸 도면.
도 14는 방전소요시간(T) 파라미터를 입력으로 추가하여 학습을 진행한 각 모델의 SOC 오차를 나타낸 도면.
도 15 내지 도 18은 방전소요시간(T)을 입력 파라미터로 사용한 모델과 사용하지 않은 모델의 배터리의 SOC 오차 그래프를 나타낸 도면. 1 is a block diagram of an apparatus for estimating SOC of a battery using a vehicle driving simulator and an artificial neural network according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the configuration and embodiment of a vehicle driving simulator according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a travel cycle graph of FTP-75.
4 is a diagram showing the configuration of a
5 is a flowchart of a method for estimating SOC of a battery according to a preferred embodiment of the present invention;
6 is a diagram illustrating a multilayer neural network according to a preferred embodiment of the present invention.
7 is a schematic representation of the concept of a backpropagation algorithm;
8 is a diagram illustrating an experimental environment of the present invention.
9(a) to (d) are graphs of the voltage change of each battery for one cycle discharge experiment.
10 is a diagram defining the required discharge time.
11 is a diagram showing the structure of a multilayer neural network model according to the present invention.
Fig. 12 shows a definition graph of ReLU.
13 is a diagram showing SOC errors of each model in which learning is performed without adding a discharge time (T) parameter.
14 is a diagram showing the SOC error of each model in which learning is performed by adding a discharge time (T) parameter as an input.
15 to 18 are diagrams showing SOC error graphs of batteries of a model using a discharge time (T) as an input parameter and a model that does not use a discharge time (T) as an input parameter.
본 발명은 실제 차량의 출력에 따른 배터리의 SOC 변화를 확인하기 위해 차량 주행 시뮬레이터를 제작한 후에, 미국에서 차량의 연비를 측정하기 위해 사용하는 공인된 주행 사이클인 FTP-75(Federal Test Procedure-75)를 기반으로 하여 주행 상황을 구현후 배터리의 방전 시뮬레이션을 진행한다. 이로서 차량 주행에 따라 변화하는 배터리의 전압 및 전류, 방전소요시간(T)을 실시간으로 확인 및 방전데이터 획득을 이행하고, 상기 차량 주행에 따라 변화하는 배터리의 전압 및 전류, 방전소요시간(T) 정보를 인공신경망 학습하여 배터리 SOC를 추정한다. The present invention creates a vehicle driving simulator to check the SOC change of the battery according to the output of the actual vehicle, and then FTP-75 (Federal Test Procedure-75), a certified driving cycle used to measure the fuel efficiency of a vehicle in the United States. ), the driving situation is implemented, and then the battery discharge simulation is performed. As a result, the voltage, current, and discharge time (T) of the battery that change according to vehicle driving are checked in real time and discharge data is acquired, and the battery voltage and current, discharge time (T) that changes according to vehicle driving The artificial neural network learns the information to estimate the battery SOC.
이와 같이 본 발명은 배터리의 전압 및 전류, 방전소요시간 정보를 인공신경망으로 학습하여 배터리의 SOC를 추정하여 배터리의 SOC 추정 오차를 현격하게 줄여 성능을 향상시킬 수 있다. As described above, the present invention can improve performance by significantly reducing the SOC estimation error of the battery by estimating the SOC of the battery by learning the voltage, current, and discharge time information of the battery with an artificial neural network.
또한 본 발명은 일정한 정전류로 방전하는 방식이 아닌 차량 주행에 따른 RPM에 따라 변화하는 전류와 그에 따라 변화하는 배터리 전압을 토대로 SOC를 추정하므로 실제 차량 주행 상황에 적용할 수 있게 한다.In addition, since the present invention estimates the SOC based on the current that changes according to the RPM of the vehicle driving and the battery voltage that changes accordingly, instead of discharging at a constant current, it can be applied to actual vehicle driving situations.
이러한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 배터리의 SOC 추정방법 및 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명한다. A method and system for estimating SOC of a battery using a vehicle driving simulator and an artificial neural network according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 배터리의 SOC 추정장치의 구성><Configuration of battery SOC estimator using vehicle driving simulator and artificial neural network>
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 배터리의 SOC 추정 장치의 구성도이다. 상기 도 1을 참조하면, 배터리부(10) 및 차량(20), 차량 주행 시뮬레이터(100)와 배터리 SOC 추정장치(200)로 구성된다. 1 is a block diagram of an apparatus for estimating SOC of a battery using a vehicle driving simulator and an artificial neural network according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, it is composed of a
상기 배터리부(10)는 다수의 배터리가 직렬연결되어 구성되며, 차량(20)에 구동전원을 공급한다. The
상기 차량(20)에는 차량 주행 시뮬레이터(100)가 구비되며, 상기 차량 주행 시뮬레이터(100)는 차량 주행에 따라 변화하는 배터리부(10)의 전압 및 전류, 방전소요시간(T)을 실시간으로 센싱하여 획득한 방전 데이터를 배터리 SOC 추정장치(200)로 제공한다. 상기 차량 주행 시뮬레이터(100)는 실험 환경이나 학습환경에서는 차량의 연비를 측정하기 위해 사용하는 공인된 주행 사이클인 FTP-75(Federal Test Procedure-75)를 기반으로 하여 주행 상황을 구현하여 배터리의 방전 시뮬레이션을 진행한다. 그러나 실제 차량에 적용될 때에는 해당 차량의 주행 상황에 따라 방전 시뮬레이션하여 해당 차량의 운전자의 성향을 지시하는 시뮬레이션을 가능하게 한다. The
상기 배터리 SOC 추정장치(200)는 차량 주행 시뮬레이터(100)로부터의 제공되는 방전 데이터를 다층신경망을 통해 학습한 후에 SOC를 산출하여 출력한다. 특히 상기 배터리 SOC 추정장치(200)는 실험 환경이나 학습 환경에서는 컴퓨터 등의 연산 시스템이 채용될 수 있다. 그러나 실제 차량에 적용될 때에는 차량의 ECU(Electronic Control Unit)를 통해 산출하여 디스플레이장치를 통해 운전자에게 안내하도록 구성될 수도 있다. The
<차량 주행 시뮬레이터(100)의 구성><Configuration of
상기의 차량 주행 시뮬레이터(100)의 구성 및 실시예를 도 2를 참조하여 좀더 상세하게 설명한다. The configuration and embodiment of the
상기 도 2는 실험 및 학습을 위해 RC Car(Radio Control Car)에 구현한 예를 도시한 것으로 도 2의 (a)는 차량 주행 시뮬레이터(100)의 구성도이고, 도 2의 (b)는 차량 주행 시뮬레이터(100)의 구현예를 도시한 것이다. FIG. 2 shows an example implemented in a RC Car (Radio Control Car) for experimentation and learning. FIG. 2 (a) is a configuration diagram of the
상기 차량 주행 시뮬레이터(100)는 RC Car(Radio Control Car) 프레임(102)과 DC 컨버터(104)와 모터 드라이버(106)와 제1 및 제2모터(108,110)와 센서(120)와 제어장치(122)와 통신장치(124)와 바퀴들(112~118)로 구성된다. The
상기 프레임(102)은 사각의 철제 프레임과 MC나일론 판재를 사용하여, 방전시뮬레이션시 제1 및 제2모터(108100)의 진동으로 인해 차량 주행 시뮬레이터(100)의 각부가 움직이거나 균형을 잃는 것을 방지한다. The frame 102 uses a square steel frame and an MC nylon plate to prevent each part of the
상기 바퀴들(112~118) 중 일부는 제1 및 제2모터(108,110)로부터 직접 구동력을 제공받아 회전하여 2WD 차량을 모델링한다. Some of the wheels 112 to 118 rotate by receiving driving force directly from the first and second motors 108 and 110 to model a 2WD vehicle.
상기 배터리부(10)는 완전 충전된 4.2V 배터리 4개를 직렬연결시켜 구성한다. 상기 DC 컨버터(104)는 상기 배터리(10)로부터의 전원을 제공받아 상기 DC 모터인 제1 및 제2모터(108,110)의 구동을 위한 정격전압으로 변환하여 출력한다. 상기 모터 드라이버(106)는 상기 제어장치(114)의 제어에 따라 상기 제1 및 제2모터(108,110)의 RPM을 조절한다. The
상기 제1 및 제2모터(108,110)는 상기 모터 드라이버(106)의 제어에 따라 구동하여 상기 바퀴들(112~118) 중 일부에 구동력을 제공하여 회전시킨다. The first and second motors 108 and 110 are driven under the control of the
상기 센서(120)는 상기 제1 및 제2모터(108,110)의 구동에 따라 변화하는 배터리(10)의 전류 및 그에 따른 전압, 방전소요시간을 검출하여 제어장치(122)에 제공한다. The sensor 120 detects the current of the
상기 제어장치(122)는 미리 정해진 시뮬레이션의 주행주기에 따라 상기 모터 드라이버(106)를 제어하여 제1 및 제2모터(108,110)의 RPM을 제어한다. 이는 특히 도심 및 시가지 주행주기로 사용되는 FTP-75와 흡사하게 설정한다. 상기 FTP-75는미국 환경 보호국에서 정의한 것으로, CVS-75(Constant Volume Sampler-75)라고 부르기도 하며, 차량의 연비 측정 테스트를 위해 설계된 공인된 주행주기로 한국에서도 사용하고 있다. The
도 3은 상기 FTP-75의 주행주기 그래프를 도시한 것이다. 상기 도 3을 참조하면 주행주기는 저온 시동 단계(Cold start), 안정화 단계(Stabilized phase), 고온 시동 단계(Hot start)와 같이 3개의 주행 단계와 1개의 휴지기간(Soaking period)으로 이루어진다. 3 shows a travel cycle graph of the FTP-75. Referring to FIG. 3, the driving cycle includes three driving phases such as a cold start, a stabilized phase, and a hot start, and one soaking period.
또한 상기 제어장치(122)는 미리 정해진 주행주기에 따른 제1 및 제2모터(108,110)의 구동과 더불어 상기 제1 및 제2모터(108,110)의 구동에 따라 변화하는 배터리(10)의 전류 및 그에 따른 전압, 방전소요시간을 센서(120)를 통해 검출하고, 그 센서(120)로부터 검출된 전류, 전압, 방전소요시간 등으로 방전 데이터를 생성하여 외부에 위치하는 배터리 SOC 추정장치(200)로 제공한다. In addition, the
상기 차량 주행 시뮬레이터(100)는 실제 거리를 주행할 수 없도록 제작하였기 때문에 제1 및 제2모터(108,110)의 RPM과 실제 차량의 3단 기어비 및 종감속비, 타이어 규격(단면폭, 편평비, 휠 사이즈)을 사용하여 FTP-75의 주행주기에 맞게 실제 차량의 속도로 시뮬레이션하며, 이러한 경우의 차량의 속도는 수학식 1에 따라 산출될 수 있다. Since the
상기 수학식 1에서, 는 타이어의 단면폭(Section width), 는 타이어의 편평비(Flat ratio), s는 타이어의 크기(size), 는 차량의 기어비(Gear ratio), c는 차량의 종감속비(Comprehensive reduction cost)이다. 상기의 시뮬레이터의 모델로 사용한 차량은 현대자동차의 아반떼 스포츠(AD) 16년식이며, 타이어의 규격은225/40/18을 사용한다. 상기 아반떼 스포츠(AD)의 3단 기어비와 종감속비는 각각 1.294와 4.467이다. In
<배터리 SOC 추정장치(200)의 구성><Configuration of
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 배터리 SOC 추정장치(200)의 구성을 도시한 도면이다. 상기 도 4를 참조하면, 상기 배터리 SOC 추정장치(200)는 통신장치(202)와 제어장치(204)와 메모리부(206)와 디스플레이부(208)와 사용자 인터페이스부(210)로 구성된다. 4 is a diagram showing the configuration of a
상기 통신장치(202)는 상기 차량 주행 시뮬레이터(100)와 제어장치(204) 사이의 통신을 담당한다. The
상기 제어장치(204)는 상기 배터리 SOC 추정장치(200)의 각부를 전반적으로 제어함은 물론이며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 차량 주행 시뮬레이터(100)가 제공하는 방전 데이터를 입력받아 인공신경망으로 배터리의 SOC를 추정하고, 그 결과를 디스플레이부(208)를 통해 출력하여 사용자에게 안내한다. The
상기 메모리부(206)는 상기 제어장치(204)의 제어 프로그램을 포함하는 다양한 정보를 저장하며, 특히 본 발명에 따르는 SOC 추정을 위한 각종 정보를 저장한다. The memory unit 206 stores various information including the control program of the
상기 디스플레이부(208)는 상기 제어장치(204)의 제어에 따른 정보를 표시하여 사용자에게 안내한다. The
상기 사용자 인터페이스부(210)는 상기 사용자가 입력하는 각종 정보를 상기 제어장치(204)에 제공한다. The
<배터리 SOC 추정방법의 절차><Procedure of battery SOC estimation method>
이제 본 발명에 따르는 배터리 SOC 추정 방법을 도면을 참조하여 설명한다. Now, a battery SOC estimation method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
본 발명은 인공신경망과 차량 주행 시뮬레이터를 사용하여 배터리의 SOC를 추정한다. 상기 차량 주행 시뮬레이터에서 사용된 장비는 직렬로 연결된 4개의 정격용량 1300mAh의 리튬 이온 배터리, 파워 서플라이, 배터리 챔버, 차량 주행 시뮬레이션, 셀 밸런싱 모듈, 전압 센서 및 전류 센서 아두이노 등이다. 상기 파워 서플라이는 배터리를 4.2V로 완전충전시키는 용도로 사용되며 배터리 챔버는 충전 및 방전 시 안전사고를 최소화하기 위한 용도로 사용된다.The present invention estimates the SOC of a battery using an artificial neural network and a vehicle driving simulator. Equipment used in the vehicle driving simulator includes four lithium ion batteries with a rated capacity of 1300 mAh connected in series, a power supply, a battery chamber, a vehicle driving simulation, a cell balancing module, a voltage sensor, and a current sensor Arduino. The power supply is used for fully charging the battery at 4.2V, and the battery chamber is used for minimizing safety accidents during charging and discharging.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 배터리 SOC 추정 방법의 절차도이다. 상기 도 5를 참조하면, 직렬로 연결된 4개의 배터리를 완전충전한다(300단계). 이후 상기 차량 주행 시뮬레이터(100)는 미리 정해진 주행주기에 따라 제1 및 제2모터를 구동하여 배터리의 방전을 실행한다(302단계). 이러한 배터리의 방전중 상기 차량 주행 시뮬레이터(100)는 배터리의 전류, 전압 그리고 방전소요시간 등을 센싱하고, 센싱된 결과 데이터들을 합하여 방전 데이터를 구성한다(304단계). 이후 상기 차량 주행 시뮬레이터(100)는 상기 방전 데이터를 배터리 SOC 추정장치(200)로 전송한다(306단계). 5 is a flowchart of a method for estimating SOC of a battery according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, four batteries connected in series are fully charged (step 300). Thereafter, the
상기 배터리 SOC 추정장치(200)는 상기 방전 데이터를 인공신경망의 파라미터로 사용하여 총 4개의 인공신경망 모델로 각 배터리의 SOC를 추정한다(308단계). The
<다층 신경망><Multilayer Neural Network>
본 발명에 따르는 배터리 SOC 추정장치(200)는 인공신경망 모델을 이용하여 SOC 추정하므로, 상기 인공신경망에 대해 좀더 상세히 설명한다. Since the
본 발명은 먼저 배터리의 방전을 통해 획득한 방전 데이터를 여러 신경망 중 다층신경망에 입력하여 학습시켰다. 상기 다층신경망은 도 6에 도시한 바와 같다. 상기 다층신경망은 단층 퍼셉트론에서 입력층과 출력층 사이에 1개 이상의 은닉층을 추가함으로써 선형함수만으로 구성된다는 제약으로 인해 제한적인 학습밖에 할 수 없는 퍼셉트론의 단점을 보완한 신경망이다. 상기 단층 퍼셉트론에서는 순전파 방식만으로 가중치를 업데이트한다. 상기 순전파 방식은 입력층에서 출력층까지 순서대로 파라미터들을 계산하고 가중치를 업데이트하여 결과값을 가져오는 것을 의미한다. 이러한 단층 퍼셉트론과 달리 상기 다층신경망은 순전파 및 역전파 방식을 사용하며, 상기 역전파 방식은 순전파 방식과 반대로 출력층에서 입력층의 방향으로 파라미터들에 대한 가중치를 업데이트하면서 오차를 점차 줄인다. In the present invention, first, discharge data obtained through battery discharge was input to a multilayer neural network among several neural networks and learned. The multilayer neural network is as shown in FIG. 6 . The multi-layer neural network is a neural network that compensates for the disadvantages of the perceptron, which can only perform limited learning due to the constraint that it is composed of only linear functions by adding one or more hidden layers between the input layer and the output layer in the single-layer perceptron. In the single-layer perceptron, weights are updated only by forward propagation. The forward propagation method means that parameters are sequentially calculated from the input layer to the output layer, and the weights are updated to obtain the result values. Unlike the single layer perceptron, the multilayer neural network uses forward propagation and back propagation methods, and the back propagation method gradually reduces errors while updating weights for parameters in the direction from the output layer to the input layer, contrary to the forward propagation method.
여기서, 상기 역전파 방식의 단계는 크게 4단계로 분류된다. Here, the steps of the backpropagation method are largely classified into four steps.
먼저 1단계는 기존의 가중치를 사용하여 출력값을 계산하는 단계이다. First, the first step is to calculate the output value using the existing weights.
그리고 2단계는 오차를 각 가중치로 편미분한 값을 기존의 가중치에서 빼주는 단계이다. And
그리고 3단계는 모든 가중치에 대해 2단계를 수행하는 단계이다. And
마지막으로 4단계는 미리 설정된 학습횟수만큼 1 ~ 3단계를 반복하는 단계이다. Finally,
도 7은 상기의 역전파 알고리즘의 개념을 도식적으로 표현한 것이다. 이러한 다층신경망의 학습 방식으로 인해 본 발명에 따르는 다층신경망은 단층 퍼셉트론과 달리 비선형의 형태로 더욱 복잡하게 표현할 수 있고 분류 및 수치 예측에도 유리하다. 7 is a schematic representation of the concept of the above backpropagation algorithm. Due to this learning method of the multilayer neural network, the multilayer neural network according to the present invention can be expressed more complexly in a nonlinear form, unlike the single layer perceptron, and is advantageous for classification and numerical prediction.
상기 역전파 알고리즘의 가중치 업데이트를 하는 과정은 수학식 2 내지 수학식 6에 따른다. A process of updating the weights of the backpropagation algorithm follows
먼저 순전파 계산에 사용되는 입력값과 출력값은 수학식 2 및 수학식 3에 따른다. First, input values and output values used in the forward propagation calculation follow
상기 수학식 2 및 수학식 3에서, 는 노드 의 입력값이고, 는 번째 노드에 들어오는 번째 노드의 가중치이고, 는 활성화 함수이다. 상기 , 는 와 에 들어오는 이전 노드의 출력값이고 는 입력 바이어스 값이다. 오차에 따라 가중치를 업데이트할 때 필요한 의 값은 수학식 4 및 수학식 5에 따라 구할 수 있다. In
상기 수학식 4 및 수학식 5에서 는 라벨 값이고, 는 출력값이다. 상기의 식들로 를 사용하여 가중치를 업데이트 할 수 있으며 이는 수학식 6에 따른다.In
상기 수학식 6에서 는 시간 인덱스, 는 학습률이다.In Equation 6 above is the time index, is the learning rate.
<차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 배터리의 SOC 추정방법에 대한 실험과정><Experimental process for battery SOC estimation method using vehicle driving simulator and artificial neural network>
상기한 본 발명에 따르는 차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 배터리의 SOC 추정방법에 대한 실험과정을 설명한다. Experimental procedures for the SOC estimation method of a battery using the vehicle driving simulator and artificial neural network according to the present invention described above will be described.
먼저 실제 실험환경은 도 8에 예시한 바와 같다. 본 발명에 따른 실험에서는 차량 주행 시뮬레이터의 동력원으로 직렬로 연결된 4개의 정격용량 1300mAh의 배터리를 사용하였다. 상기 직렬로 연결된 모든 배터리에는 같은 양의 전류가 흐르긴 하지만 여러 번의 충전 및 방전을 하면서 배터리의 충전 상태는 각 배터리의 내부적 화학 특성과 운용 환경에 따라 달라지며 전하 불균형 현상이 발생하게 된다. 이에 따라 실험시에는 충전 및 방전시 발생하는 전하 불균형 현상을 방지하기 위해 직렬 연결된 배터리들의 전압을 균일하게 만들어 주는 셀 밸런싱 모듈을 사용하였다. First, the actual experimental environment is as illustrated in FIG. 8 . In the experiment according to the present invention, four batteries with a rated capacity of 1300 mAh connected in series were used as a power source of the vehicle driving simulator. Although the same amount of current flows through all the batteries connected in series, the state of charge of the battery varies depending on the internal chemical characteristics and operating environment of each battery while charging and discharging several times, and charge imbalance occurs. Accordingly, in the experiment, a cell balancing module was used that equalizes the voltage of the series-connected batteries in order to prevent charge imbalance occurring during charging and discharging.
상기 차량 주행 시뮬레이터를 동작하기 전에 4개의 리튬 이온 배터리를 파워 서플라이를 사용하여 각각 4.2V의 정전압으로 완전충전하며, 이 경우를 SOC 100%라 정의한다. 이러한 충전 완료후 평형 상태를 만들기 위해 1시간의 안정화 시간을 가진다. 그 후 차량 주행 시뮬레이터를 사용하여 직렬 연결된 배터리들을 방전시킨다.Before operating the vehicle driving simulator, four lithium ion batteries are fully charged with a constant voltage of 4.2V using a power supply, and this case is defined as 100% SOC. After completion of such charging, a stabilization time of 1 hour is given to create an equilibrium state. After that, the series-connected batteries are discharged using a vehicle driving simulator.
도 9의 (a) 내지 (d)는 각 배터리의 1주기 방전실험 전압 변화의 그래프를 나타낸 것이다. 도 9의 (a) 내지 (d)에 예시한 바와 같이 방전실험 시작점부터 직렬로 연결된 4개의 배터리 중 일부가 방전되어 차량 주행 시뮬레이터의 동작이 멈출 때까지를 1주기로 정의한다. 그 후 실험 과정을 반복하여 1주기부터 10주기까지의 전압, 전류, 방전소요시간(T)를 센싱하여 획득한후에 배터리 SOC 추정장치로 사용되는 PC로 전송하여 다층신경망의 입력 파라미터로 제공한다. 상기 방전소요시간(T)은 방전실험 동안 흘러가는 시간의 누적정보로 도 10과 같이 정의할 수 있다. 즉 방전소요시간(T)은 전압 및 전류의 센싱데이터의 획득갯수에 대응되게 증가되는 값으로 정의된다. 9(a) to (d) show graphs of voltage changes of each battery in a 1-cycle discharge experiment. As illustrated in (a) to (d) of FIG. 9 , a period from the starting point of the discharge experiment until some of the four batteries connected in series are discharged and the operation of the vehicle driving simulator stops is defined as one cycle. After that, the experiment process is repeated to sense and obtain voltage, current, and discharge time (T) from
상기 다층신경망의 학습 라벨값으로 사용할 SOC를 계산하기 위해 완전방전 상태의 4개의 배터리를 개별 충전시킨 후에 각 배터리의 임의의 초기 SOC를 지정하고 방전실험으로 획득한 전류 데이터를 전류 적산법을 통해 계산하였다. 상기 전류 적산법에 따르는 산출식은 수학식 7과 같다. In order to calculate the SOC to be used as the learning label value of the multilayer neural network, after individually charging the four batteries in a fully discharged state, an arbitrary initial SOC of each battery was designated, and the current data obtained by the discharge experiment was calculated through the current integration method. . The calculation formula according to the current integration method is shown in Equation 7.
상기 수학식 7에서, SOC(t)는 시간 t에서의 SOC, I(t)는 시간 t에서의 전류를 뜻하며 SOC(0)는 초기 SOC, C는 배터리의 정격용량을 의미한다.In Equation 7, SOC(t) is the SOC at time t, I(t) is the current at time t, SOC(0) is the initial SOC, and C is the rated capacity of the battery.
도 11은 본 발명에 따르는 다층신경망 모델의 구조를 도시한 것이다. 상기 다층신경망 모델에 전압 및 전류 데이터를 각각 2개, 3개, 4개, 5개로 구성한 4개의 다층신경망 모델을 사용하였고, 4개의 모델에 방전소요시간 파라미터(T)를 사용한 것과 사용하지 않은 것으로 분류하여 학습을 진행하였다.11 shows the structure of a multilayer neural network model according to the present invention. Four multilayer neural network models consisting of 2, 3, 4, and 5 voltage and current data were used for the multilayer neural network model, and discharge time parameters (T) were used and not used in the four models. Classification was carried out.
상기 다층신경망 모델들 각각의 은닉층은 총 2층으로 첫 번째 은닉층의 노드 수는 128개, 두 번째 은닉층의 노드 수는 64개를 사용하였고 은닉층의 활성화 함수로 ReLU(Rectified Linear Unit)함수를 사용하였다. 상기 ReLU는 최근 가장 많이 사용되는 활성화 함수로 시그모이드와 하이퍼볼릭 탄젠트의 기울기 소실 문제를 개선하기 위해 채용되었다. The hidden layers of each of the multilayer neural network models have a total of two layers, and the number of nodes in the first hidden layer is 128 and the number of nodes in the second hidden layer is 64, and the ReLU (Rectified Linear Unit) function is used as the activation function of the hidden layer. . The ReLU is an activation function that is used most recently and is employed to improve the gradient loss problem of sigmoid and hyperbolic tangent.
도 12는 ReLU로써, 양의 값일 때 선형으로 표현할 수 있고 음의 값을 0으로 수렴하여 계산이 매우 간단하고 학습의 속도가 매우 빠르다. 각 모델의 출력층의 노드는 1개를 사용하였고 15000번의 횟수로 학습을 반복하였다. 12 is ReLU, which can be expressed linearly when a positive value and converges to 0 for a negative value, so calculation is very simple and learning speed is very fast. One node of the output layer of each model was used, and learning was repeated 15,000 times.
<실험결과><Experiment result>
이제 상기의 실험에 따른 결과를 설명한다. Now, the results of the above experiments will be described.
상기 다층신경망에 전압 및 전류 입력 파라미터의 개수를 다르게 구성한 4개의 모델로 SOC 추정을 하였고, 그 후에 방전소요시간 파라미터(T)를 추가로 사용하여 SOC 추정을 하였다. SOC estimation was performed with four models in which the number of voltage and current input parameters were configured differently in the multilayer neural network, and then SOC estimation was performed by additionally using a discharge time parameter (T).
표 1과 도 13은 방전소요시간 파라미터(T)를 추가하지 않고 학습을 진행한 각 모델의 SOC 오차를 나타낸 것이다. 상기 전압 및 전류 파라미터를 각각 2개씩 사용한 모델을 Model 1, 3개씩 사용한 모델을 Model 2, 4개씩 사용한 모델을 Model 3, 마지막으로 5개씩 사용한 모델을 Model 4로 표기하였다.Table 1 and FIG. 13 show the SOC error of each model that was trained without adding the discharge time parameter (T). The model using two of the above voltage and current parameters was labeled as
Input modelsCell numbers
상기 표 1은 전류 입력 파라미터 개수에 따른 SOC 오차를 나타낸 표이다. Table 1 is a table showing SOC errors according to the number of current input parameters.
상기 배터리들 각각의 오차는 MAE(Mean Absolute Error)로 계산하며, 이는 수학식 8에 따른다. The error of each of the batteries is calculated as MAE (Mean Absolute Error), which follows Equation 8.
상기 수학식 8에서, 은 계산할 데이터의 양을 의미하며 는 전류 적산법을 사용하여 계산된 SOC, 은 다층신경망 모델에 의해 추정된 SOC를 의미한다.In Equation 8 above, is the amount of data to be calculated is the SOC calculated using the current integration method, denotes the SOC estimated by the multilayer neural network model.
상기 입력 파라미터의 개수가 각각 2개인 모델의 오차는 배터리 1은 3.86%, 배터리 2는 3.94%, 배터리 3은 5.26%, 배터리 4는 3.88%, 두 번째로 입력 파라미터의 개수가 각각 3개인 모델의 오차는 배터리 1은 3.65%, 배터리 2는 3.55%, 배터리 3은 5.1%, 배터리 4는 2.92%, 세 번째로 입력 파라미터의 개수가 각각 4개인 모델의 오차는 배터리 1은 3.86%, 배터리 2는 3.66%, 배터리 3은 5.19%, 배터리 4는 3.58%, 마지막으로 입력 파라미터의 개수가 각각 5개인 모델의 오차는 배터리 1은 2.88%, 배터리 2는 2.71%, 배터리 3은 3.9%, 배터리 4는 2.52%로 추정되었다. 표 1의 Model 4는 전압 및 전류 파라미터를 각각 5개로 사용한 모델이며 네 모델 중 오차가 전반적으로 작은 것을 확인할 수 있다. 방전소요시간을 사용하지 않은 다층신경망 모델의 최저 오차는 2.52%이며 최대 오차는 5.26%이다.The error of the model with two input parameters is 3.86% for
표 2와 도 14는 방전소요시간(T) 파라미터를 입력으로 추가하여 학습을 진행한 각 모델의 SOC 오차를 나타낸 것이다. 표 1 및 도 13와 마찬가지로 MAE를 통해 오차를 계산하였으며 전압 및 전류 파라미터를 각각 2개씩 사용한 모델을 Model 1, 3개씩 사용한 모델을 Model 2, 4개씩 사용한 모델을 Model 3, 마지막으로 5개씩 사용한 모델을 Model 4로 표기하였다.Table 2 and FIG. 14 show the SOC error of each model that was trained by adding the discharge time (T) parameter as an input. As in Table 1 and FIG. 13, the error was calculated through MAE, and
Input modelsCell numbers
상기 표 2는 방전소요시간(T)를 파라미터로 추가후 전압 및 전류 입력 파라미터 개수에 따른 SOC 오차를 나타낸 것이다. Table 2 shows the SOC error according to the number of voltage and current input parameters after adding the required discharge time (T) as a parameter.
상기 표 1과 표 2를 비교하였을 때 방전소요시간(T)을 입력 파라미터로 추가한 모델이 추가하지 않고 학습을 진행한 모델보다 전체적으로 오차가 줄어들었으므로 방전소요시간(T)을 추가한 다층신경망 모델이 비교적 우수한 추정 성능을 가지는 것으로 판단할 수 있다.When Table 1 and Table 2 were compared, the multilayer neural network with the discharge time (T) added because the model with the discharge time (T) added as an input parameter had a smaller overall error than the model that was trained without adding it. It can be determined that the model has relatively good estimation performance.
그리고 전압 및 전류의 입력 파라미터 개수가 각각 4개인 모델의 오차는 배터리 1은 1.72%, 배터리 2는 1.79%, 배터리 3은 1.62%, 배터리 4는 1.76%로 배터리의 내부적 화학 특성과 데이터의 정확도에 따라 오차가 차이를 보였지만 다른 개수의 모델에 비해 오차가 전반적으로 작은 것으로 확인할 수 있었다. 입력 파라미터 개수가 각각 5개인 모델의 경우 파라미터의 개수가 다른 모델에 비해 비교적 많아 데이터 간의 거리가 멀어져 오히려 학습 효율이 떨어지는 것으로 판단된다. 방전소요시간(T) 파라미터를 사용한 모델의 최저 오차는 1.61%, 최대 오차는 2.15%이다. 도 15 내지 도 18은 방전소요시간(T)을 입력 파라미터로 사용한 모델과 사용하지 않은 모델의 배터리의 SOC 오차 그래프를 나타낸 것이다.In addition, the error of the model with four input parameters of voltage and current is 1.72% for
즉, 상기 다층신경망 모델에 방전소요시간(T)을 입력 파라미터로 추가하여 학습을 진행한 결과 최저 SOC 오차는 전압, 전류 파라미터를 각각 3개씩 사용한 모델의 1.61%로 Jiechao Lv[Jiechao Lv, Baochen Jiang, Xiaoli Wang, Yirong Liu, and Yucheng Fu, "Estimation of the State of Charge of Lithium Batteries Based on Adaptive Unscented Kalman Filter Algorithm", Electronics, Vol. 9, No. 9, 1425, Sep. 2020. https://doi.org/10.3390/electronics9091425.]의 무향 칼만 필터를 사용한 SOC 추정 방법의 오차 2.9%보다 1.29% 낮은 것으로 확인할 수 있었다. 그리고 J. H. Park[J. H. Park, J. H. Lee, S. J. Kim, and I, S. Lee, "Real-Time State of Charge Estimation for Each Cell of Lithium Battery Pack Using Neural Networks", Applied Sciences, Vol. 10, No. 23, 8644, 8644, Dec. 2020. https://doi.org/10.3390/ app10238644.]의 다층신경망에 전압 데이터를 8개의 입력 파라미터로 사용한 모델의 SOC 오차는 고온(40도)일 때 배터리 1은 2.8%, 배터리 2는 3.1%, 배터리 3은 3.4%, 배터리 4는 1.1%이고, 본 발명에 따른 표 2에서 Model 3의 SOC 오차는 배터리 1은 1.72%, 배터리 2는 1.79%, 배터리 3은 1.62%, 배터리 4는 1.76%이다. That is, as a result of learning by adding the discharge time (T) as an input parameter to the multilayer neural network model, the lowest SOC error was 1.61% of the model using three voltage and current parameters, Jiechao Lv [Jiechao Lv, Baochen Jiang , Xiaoli Wang, Yirong Liu, and Yucheng Fu, "Estimation of the State of Charge of Lithium Batteries Based on Adaptive Unscented Kalman Filter Algorithm", Electronics, Vol. 9, no. 9, 1425, Sep. 2020. https://doi.org/10.3390/electronics9091425.]. and J. H. Park [J. H. Park, J. H. Lee, S. J. Kim, and I, S. Lee, "Real-Time State of Charge Estimation for Each Cell of Lithium Battery Pack Using Neural Networks", Applied Sciences, Vol. 10, no. 23, 8644, 8644, Dec. 2020. https://doi.org/10.3390/app10238644.] The SOC error of the model using voltage data as eight input parameters in the multilayer neural network is 2.8% for
그리고 상기 표 2에서 Model 3의 SOC 오차는 4개의 배터리 모두 2% 미만으로 J. H. Park[J. H. Park, J. H. Lee, S. J. Kim, and I, S. Lee, "Real-Time State of Charge Estimation for Each Cell of Lithium Battery Pack Using Neural Networks", Applied Sciences, Vol. 10, No. 23, 8644, 8644, Dec. 2020. https://doi.org/10.3390/ app10238644.]의 다층신경망에 전압 데이터를 8개의 입력 파라미터로 사용한 모델과 비교하였을 때 전반적으로 오차가 작으므로 실제 SOC 추정을 더욱 정확하게 할 수 있었다. And in Table 2 above, the SOC error of
최종적으로 방전소요시간(T) 파라미터를 사용한 다층신경망 중 전압 및 전류 파라미터를 각각 3개, 4개씩 사용한 것의 추정 성능이 비교적 우수한 것으로 판단된다.Finally, among the multilayer neural networks using the discharge time (T) parameter, it is judged that the estimation performance of the one using three and four voltage and current parameters, respectively, is relatively excellent.
상기한 바와 같이 본 발명은 실제 차량의 출력에 따른 SOC 변화를 추정하기 위해 차량 주행 시뮬레이터를 제작하고, 도심에서의 주행주기 테스트 모드로 사용되는 FTP-75를 시뮬레이터의 주행주기로 하여 방전실험을 진행하였다. 그 후 획득한 전압 및 전류 데이터를 통해 다층신경망 신경망의 입력 파라미터 개수를 각각 2개, 3개, 4개, 5개로 구성한 4개의 모델에 방전소요시간(T) 파라미터를 추가한 것과 추가하지 않은 것으로 분류하여 학습을 진행한 뒤 SOC를 추정하는 방법을 제안하였다. 먼저 방전소요시간(T)을 추가하지 않은 모델의 최저 오차는 2.52%로 확인할 수 있었다. 방전소요시간(T)을 입력 파라미터로 사용한 다층신경망 모델과 그렇지 않은 모델의 최저 오차는 각각 1.61%, 2.52%로 0.91%의 차이가 발생하는 것을 확인하였고, 또한 표 1과 표 2를 비교하였을 때 모든 모델에서 모든 배터리의 SOC 추정 오차가 줄어들었으므로 방전소요시간(T)을 입력으로 사용한 경우가 SOC 추정 성능이 더 우수한 것을 실험을 통해 확인하였다. As described above, the present invention produced a vehicle driving simulator to estimate the SOC change according to the actual vehicle output, and conducted a discharge experiment using FTP-75, which is used as a driving cycle test mode in the city center, as the driving cycle of the simulator. . After that, through the acquired voltage and current data, it was determined that the number of input parameters of the multilayer neural network was 2, 3, 4, and 5, respectively, with and without adding the discharge time (T) parameter to the four models. A method of estimating SOC after classification and learning was proposed. First, the lowest error of the model without adding the discharge time (T) was confirmed to be 2.52%. It was confirmed that the minimum errors of the multilayer neural network model using the discharge time (T) as an input parameter and the model without it were 1.61% and 2.52%, respectively, with a difference of 0.91%. Also, when Tables 1 and 2 were compared, Since the SOC estimation error of all batteries was reduced in all models, it was confirmed through experiments that the SOC estimation performance was better when the discharge time (T) was used as an input.
마지막으로 본 발명에서는 방전실험시 일정한 정전류로 방전하는 방식이 아닌 시뮬레이터의 RPM 출력에 따라 변화하는 전류와 그에 따른 배터리 전압의 변화를 확인 및 획득하고, 이를 다층신경망을 통해 SOC를 추정하였으므로 실제 차량 주행 상황에 접목 가능할 것이다. Lastly, in the present invention, during the discharge experiment, the current that changes according to the RPM output of the simulator and the resulting change in battery voltage are confirmed and obtained, and the SOC is estimated through a multi-layer neural network, so actual vehicle driving is not a method of discharging at a constant constant current. It will be applicable to the situation.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, the technical ideas described in the embodiments of the present invention may be implemented independently, or may be implemented in combination with each other. In addition, the present invention has been described through the embodiments described in the drawings and detailed description of the invention, but these are only exemplary, and various modifications and other equivalent embodiments may be made by those skilled in the art in the art to which the present invention belongs. possible. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.
10: 배터리부
20 : 차량
100 : 차량 주행 시뮬레이터
200 : 배터리 SOC 추정장치10: battery part
20: vehicle
100: vehicle driving simulator
200: battery SOC estimator
Claims (8)
차량 주행에 따라 변화하는 배터리의 전압 및 전류를 센싱하는 단계;
상기 배터리의 전압 및 전류의 센싱데이터를 포함하는 방전 데이터를 생성하는 단계;
상기 방전 데이터를 인공신경망의 파라미터로 입력하여 학습하여 배터리 SOC를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정방법. In the battery SOC estimation method,
sensing voltage and current of a battery that change according to vehicle driving;
generating discharge data including sensing data of voltage and current of the battery;
and estimating SOC of the battery by inputting the discharge data as a parameter of an artificial neural network and learning the result.
상기 차량 주행은,
미리 정해둔 주행주기에 따라 이루어짐을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정방법. According to claim 1,
The driving of the vehicle is
A method for estimating SOC of a battery, characterized in that it is performed according to a predetermined driving cycle.
상기 방전 데이터에는 방전소요시간이 더 포함되며,
상기 방전소요시간은 전압 및 전류의 센싱데이터의 획득갯수에 대응되게 증가되는 값으로 정의됨을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정방법. According to claim 1,
The discharge data further includes a discharge time,
The method for estimating SOC of a battery, characterized in that the discharge required time is defined as a value that increases in correspondence with the number of acquisitions of voltage and current sensing data.
상기 차량 주행은,
완전충전된 배터리가 방전될 때까지 미리 정해둔 주행주기에 따라 다수회 이루어지며,
상기 완전충전된 배터리가 방전될 때까지의 주행이 다수회 이루어짐에 따라 획득되는 방전 데이터는 상기 인공신경망의 입력레이어로 입력되어 학습됨을 특징으로 하는 배터리의 SOC 추정방법. According to claim 1 or 3,
The driving of the vehicle is
It is performed multiple times according to a predetermined driving cycle until the fully charged battery is discharged.
The method of estimating the SOC of a battery, characterized in that the discharge data obtained as the fully charged battery is driven multiple times until it is discharged is input to the input layer of the artificial neural network and learned.
차량 주행에 따라 변화하는 배터리의 전압 및 전류를 센싱하여, 상기 배터리의 전압 및 전류의 센싱데이터를 포함하는 방전 데이터를 생성하여 전송하는 차량 주행 시뮬레이터; 및
상기 방전 데이터를 인공신경망의 파라미터로 입력하여 학습하여 배터리 SOC를 추정하는 배터리의 SOC 추정장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 SOC 추정 시스템. In the battery SOC estimation system,
a vehicle driving simulator that senses the voltage and current of the battery, which change according to vehicle driving, and generates and transmits discharge data including the sensing data of the voltage and current of the battery; and
A SOC estimating system using a vehicle driving simulator and an artificial neural network, characterized in that it comprises a; battery SOC estimator for estimating the battery SOC by inputting the discharge data as a parameter of the artificial neural network and learning it.
상기 차량 주행은,
미리 정해둔 주행주기에 따라 이루어짐을 특징으로 하는 차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 SOC 추정 시스템. According to claim 5,
The driving of the vehicle is
SOC estimation system using a vehicle driving simulator and an artificial neural network, characterized in that it is performed according to a predetermined driving cycle.
상기 방전 데이터에는 방전소요시간이 더 포함되며,
상기 방전소요시간은 전압 및 전류의 센싱데이터의 획득갯수에 대응되게 증가되는 값으로 정의됨을 특징으로 하는 차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 SOC 추정 시스템. According to claim 5,
The discharge data further includes a discharge time,
The discharge time required is defined as a value that increases corresponding to the number of acquisitions of voltage and current sensing data.
상기 차량 주행은
완전충전된 배터리가 방전될 때까지 미리 정해둔 주행주기에 따라 다수회 이루어지며,
상기 완전충전된 배터리가 방전될 때까지의 주행이 다수회 이루어짐에 따라 획득되는 방전 데이터는 상기 인공신경망의 입력레이어로 입력되어 학습됨을 특징으로 하는 차량 주행 시뮬레이터 및 인공신경망을 이용한 SOC 추정 시스템.According to claim 5 or 7,
The driving of the vehicle is
It is performed multiple times according to a predetermined driving cycle until the fully charged battery is discharged.
The SOC estimation system using a vehicle driving simulator and an artificial neural network, characterized in that the discharge data obtained as the driving until the fully charged battery is discharged is performed a number of times is input to the input layer of the artificial neural network and learned.
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