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KR102689216B1 - A system for operating and managing battery packs by KNN machine learning algorithm - Google Patents

A system for operating and managing battery packs by KNN machine learning algorithm Download PDF

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KR102689216B1
KR102689216B1 KR1020220051581A KR20220051581A KR102689216B1 KR 102689216 B1 KR102689216 B1 KR 102689216B1 KR 1020220051581 A KR1020220051581 A KR 1020220051581A KR 20220051581 A KR20220051581 A KR 20220051581A KR 102689216 B1 KR102689216 B1 KR 102689216B1
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Abstract

실시예는 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템에 관한 것이다.
구체적으로는, 이러한 구성은 먼저 병렬 연결된 배터리셀이 다수 포함된 배터리모듈이 다수 직렬 연결된 배터리팩, 상기 배터리팩의 일측에 구비되어, 배터리모듈 및 배터리셀 단위로 전압, 전류 및 온도를 측정하는 센서부 및 상기 센서부에 의해 측정된 측정 데이터를 입력받아, KNN 기계학습을 수행하여, 상기 배터리팩의 충전 및 방전, 상기 배터리팩, 배터리모듈 및 배터리셀의 전압 및 전류를 제어하는 마이컴,상기 배터리팩, 센서부 및 마이컴이 상호 통신하기 위한 통신부를 포함하고, 상기 배터리셀의 일측에는 해당 배터리셀을 관리하기 위한 셀 BMS가 장착되고, 상기 배터리모듈의 일측에는 해당 배터리모듈을 관리하기 위한 모듈 BMS가 장착되는 것을 특징으로 한다.
그리고 또한, 추가적으로 배터리에 있어서 성능을 결정하는데 작동 주기 조건은 매개변수를 식별하는 데 중요한 역할을 한다. 그리고, 이러한 경우에 충방전 횟수는 공통 매개변수로 간주되며 주변 온도 25도에서 C-레이트 0.5C가 가장 중요한 변수가 된다. 그래서, 배터리의 경년변화를 고려한 SOC 상태를 분석하며, 또한 이러한 경우에, kNN 회귀 알고리즘을 사용하여 충전시간(T)에 대한 충전전압(V)과 충전전류(I)의 열화 매개변수를 기반으로 배터리의 충전 상태 값을 유클리디안 거리 계산법으로 학습하여 추정한다. 아울러, 온도변화에 대한 충방전 전압과 전류는 배터리 SOC 특성을 결정하는 주요한 요소로서, 이러한 배터리의 충전 상태 값을 온도변화에 따라 상이하게 추정하도록 한다.
따라서, 이를 통해 배터리의 경년 변화를 예측하여 배터리팩을 효율적으로 관리한다.
The embodiment relates to a battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm.
Specifically, this configuration first includes a battery pack in which multiple battery modules containing multiple battery cells connected in parallel are connected in series, and a sensor is provided on one side of the battery pack to measure voltage, current, and temperature in units of battery modules and battery cells. A microcomputer that receives measurement data measured by the unit and the sensor unit and performs KNN machine learning to control charging and discharging of the battery pack and voltage and current of the battery pack, battery module, and battery cell, and the battery It includes a communication unit for the pack, sensor unit, and microcomputer to communicate with each other, and a cell BMS for managing the battery cell is mounted on one side of the battery cell, and a module BMS for managing the battery module is installed on one side of the battery module. It is characterized in that it is installed.
And, additionally, for batteries, operating cycle conditions play an important role in identifying parameters in determining performance. And, in this case, the number of charge and discharge is considered a common parameter, and the C-rate of 0.5C at an ambient temperature of 25 degrees becomes the most important variable. Therefore, we analyze the SOC status considering the aging change of the battery, and in this case, we use the kNN regression algorithm to analyze the degradation parameters of the charging voltage (V) and charging current (I) with respect to the charging time (T). The battery's state of charge value is estimated by learning using the Euclidean distance calculation method. In addition, charge/discharge voltage and current in response to temperature changes are major factors that determine battery SOC characteristics, and the state of charge value of these batteries is estimated differently depending on temperature changes.
Therefore, through this, the battery pack can be efficiently managed by predicting changes over time in the battery.

Description

KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템{A system for operating and managing battery packs by KNN machine learning algorithm}Battery pack operation management system using KNN machine learning algorithm {A system for operating and managing battery packs by KNN machine learning algorithm}

본 명세서에 개시된 내용은 AI(Artificial Intelligence) 배터리팩 운용 관리 시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 KNN(K Nearest Neighbors) 기계학습 알고리즘을 이용하여, 배터리팩의 충전 및 방전 상태를 모니터링하여, 상기 배터리팩이 최적의 상태를 유지하도록 제어할 수 있고, 배터리팩의 경년변화(Aging)를 예측할 수 있는 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템에 관한 것이다.The content disclosed in this specification relates to an AI (Artificial Intelligence) battery pack operation management system, and more specifically, monitors the charging and discharging status of the battery pack using the KNN (K Nearest Neighbors) machine learning algorithm, This is about a battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm that can control to maintain the optimal state and predict aging of the battery pack.

최근 들어, ESS(Energy Storage System, 에너지 저장 시스템)와 전기 차량, 전기 오토바이 등 다양한 분야에서 배터리의 사용량이 증가하고 있다. 그런데, 배터리의 충전(charge) 및 방전(discharge)이 일정 횟수 이상 반복됨에 따라, 배터리의 성능이 저하되어, 배터리의 수명이 급격하게 단축되는 현상이 발생하게 된다. 구체적으로, 배터리의 충전 및 방전 횟수가 100회와 200회, 300회로 증가하면, 배터리의 총 충전가능 용량이 감소하여, 배터리의 방전이 급속하게 진행되는 현상이 발생할 수 있다. Recently, the use of batteries has been increasing in various fields such as ESS (Energy Storage System), electric vehicles, and electric motorcycles. However, as the charging and discharging of the battery is repeated more than a certain number of times, the performance of the battery deteriorates and the lifespan of the battery is drastically shortened. Specifically, when the number of charging and discharging times of the battery increases to 100, 200, and 300, the total chargeable capacity of the battery may decrease, causing rapid discharging of the battery.

이와 같이 배터리의 지속적인 충/방전으로 인해 배터리의 성능이 저하되는 과정을 경년 변화라고 한다. 이러한 배터리의 경년 변화가 가속화되면, 배터리팩을 구성하는 각 배터리 셀의 전압 밸런스에 차이가 발생할 수 있고, 배터리의 충전 가능한 용량(State of Health, SoH)이 줄어들 뿐만 아니라, 각 배터리 셀의 과충전 및 과방전이 발생할 우려가 있다. 이때, 배터리에서 SoH는 배터리의 충전 가능한 용량을 의미하고, SoC(State of Charge)는 배터리에 현재 저장되어, 사용 가능한 충전 에너지의 양을 의미한다.This process of deteriorating battery performance due to continuous charging/discharging of the battery is called secular change. If this aging change in the battery accelerates, a difference may occur in the voltage balance of each battery cell that makes up the battery pack, and not only does the battery's chargeable capacity (State of Health, SoH) decrease, but also overcharging and overcharging of each battery cell may occur. There is a risk that overdischarge may occur. At this time, in the battery, SoH refers to the chargeable capacity of the battery, and SoC (State of Charge) refers to the amount of charging energy currently stored in the battery and available for use.

또한, 경년 변화로 인해 성능이 저하된 배터리가 적용된 전기 오토바이는 기존의 엔진 오토바이에 비하여 성능이 저하되어 기존 오토바이를 대체하는데 제한적일 수밖에 없다.In addition, electric motorcycles equipped with batteries whose performance has deteriorated due to changes over time have lower performance compared to existing engine motorcycles, so their ability to replace existing motorcycles is limited.

따라서, 배터리팩의 수명이 일정 기간 이상으로 연장될 수 있도록, 배터리의 경년 변화를 예측하여, 배터리팩을 제어 및 관리할 수 있는 기술을 전기 오토바이용 배터리팩에 시급히 도입해야 할 필요성이 있다.Therefore, there is an urgent need to introduce technology to control and manage the battery pack by predicting changes over time in the battery so that the life of the battery pack can be extended beyond a certain period of time to battery packs for electric motorcycles.

KRKR 1020210042402 1020210042402 AA KRKR 100814811 100814811 B1B1

개시된 내용은, 기계학습 알고리즘을 이용하여, 배터리팩의 충전 및 방전 상태를 확인하고, 배터리팩의 경년변화를 예측하여 상기 배터리팩이 최적의 상태를 유지하도록 제어할 수 있는 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템을 제공하는데 있다.The disclosed content uses a KNN machine learning algorithm that can check the charging and discharging status of the battery pack, predict aging changes in the battery pack, and control the battery pack to maintain an optimal state using a machine learning algorithm. The goal is to provide a battery pack operation management system.

실시예에 따른 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템은,The battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm according to the embodiment is,

먼저, 병렬 연결된 배터리 셀이 다수 포함된 배터리모듈이 다수개로 직렬 연결된 배터리팩, 상기 배터리팩의 일측에 구비되어, 배터리모듈 및 배터리셀 단위로 전압과 전류 및 온도를 측정하는 센서부 및 상기 센서부에 의해 측정된 데이터를 입력받아, KNN 기계학습을 수행하여, 상기 배터리팩의 충전 및 방전, 상기 배터리팩과 배터리모듈 및 배터리셀의 전압 및 전류를 제어하는 마이컴, 센서부 및 마이컴이 상호 통신하기 위한 통신부를 포함하고, 상기 배터리셀의 일측에는 해당 배터리셀을 관리하기 위한 셀 BMS가 장착되고, 상기 배터리모듈의 일측에는 해당 배터리모듈을 관리하기 위한 모듈 BMS가 장착되는 것을 특징으로 한다.First, a battery pack with a plurality of battery modules containing a plurality of battery cells connected in parallel connected in series, a sensor unit provided on one side of the battery pack and measuring voltage, current, and temperature in units of battery modules and battery cells, and the sensor unit. Receives data measured by and performs KNN machine learning to control the charging and discharging of the battery pack and the voltage and current of the battery pack, battery module, and battery cell, the sensor unit, and the microcomputer communicate with each other. A cell BMS for managing the battery cell is mounted on one side of the battery cell, and a module BMS for managing the battery module is mounted on one side of the battery module.

그리고, 이에 더하여 배터리에 있어서 성능을 결정하는데 작동 주기 조건은 매개변수를 식별하는 데 중요한 역할을 한다. 그리고, 이러한 경우에 충방전 횟수는 공통 매개변수로 간주되며 주변 온도 25ㅀC에서 C-레이트 0.5C가 가장 중요한 변수가 된다. 그래서, 여기에서는 배터리의 경년변화를 고려한 SOC 상태를 분석하며, 또한 이러한 경우에, kNN 회귀 알고리즘을 사용하여 충전시간(T)에 대한 충전전압(V)과 충전전류(I)의 열화 매개변수를 기반으로 배터리의 충전 상태 값을 유클리디안 거리 계산법으로 학습하여 추정한다. 아울러, 온도변화에 대한 충방전 전압과 전류는 배터리 SOC 특성을 결정하는 주요한 요소로서, 이러한 배터리의 충전 상태 값을 이 온도변화에 따라 상이하게 추정도 하도록 하는 것을 특징으로 한다.Additionally, operating cycle conditions play an important role in identifying parameters in determining performance in batteries. And, in this case, the number of charge and discharge is considered a common parameter, and the C-rate of 0.5C becomes the most important variable at an ambient temperature of 25ㅀC. So, here we analyze the SOC status considering the aging changes of the battery, and in this case, we use the kNN regression algorithm to determine the degradation parameters of the charging voltage (V) and charging current (I) with respect to the charging time (T). Based on this, the charge state value of the battery is learned and estimated using the Euclidean distance calculation method. In addition, charge/discharge voltage and current in response to temperature changes are major factors that determine battery SOC characteristics, and the state of charge value of these batteries is estimated differently depending on temperature changes.

실시예들에 의하면, KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템은 배터리의 경년 변화를 예측하여 배터리팩을 효율적으로 관리할 수 있어, 상기 배터리팩을 전기 자동차와 전기 오토바이 등 다방면에 적용할 수 있는 효과가 있다.According to embodiments, the battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm can predict aging changes in the battery and efficiently manage the battery pack, so the battery pack can be applied to various fields such as electric vehicles and electric motorcycles. There is an effect.

도 1은 일실시예에 따른 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리팩의 구성도이다.
도 3은 배터리팩의 충방전 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 KNN 기계학습 알고리즘의 제어 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 각 셀에 부착되는 셀 BMS의 설명을 위한 도면이다.
도 6은 각 모듈에 부착되는 모듈 BMS이 설명을 위한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 일실시예에 따른 학습 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 학습 모델의 실험 결과를 보여주는 도면이다.
Figure 1 is a configuration diagram of a battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm according to an embodiment.
FIG. 2 is a configuration diagram of the battery pack shown in FIG. 1.
Figure 3 is a diagram for explaining the charging and discharging control process of the battery pack.
Figure 4 is a diagram to explain the control method of the KNN machine learning algorithm.
Figure 5 is a diagram for explaining the cell BMS attached to each cell.
Figure 6 is a diagram for explaining the module BMS attached to each module.
7 to 9 are diagrams for explaining a learning model according to an embodiment.
Figure 10 is a diagram showing the experimental results of the learning model.

도 1은 일실시예에 따른 KNN 기계학습 알고리즘(48)을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템(10)의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리팩(20)의 구성도이다.FIG. 1 is a configuration diagram of a battery pack operation management system 10 using the KNN machine learning algorithm 48 according to an embodiment, and FIG. 2 is a configuration diagram of the battery pack 20 shown in FIG. 1.

도 1을 참조하면, 일실시예에 의한 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템(10)은 배터리팩(20)과 센서부(30), 통신부(35) 및 마이컴(40)을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the battery pack operation management system 10 using the KNN machine learning algorithm according to one embodiment includes a battery pack 20, a sensor unit 30, a communication unit 35, and a microcomputer 40. It is composed.

도 2를 참조하면, 배터리팩(20)은 직렬 연결된 배터리모듈(21)을 다수 포함하고, 배터리모듈(21)은 병렬 연결된 배터리셀(23)을 다수 포함한다.Referring to FIG. 2, the battery pack 20 includes a plurality of battery modules 21 connected in series, and the battery module 21 includes a plurality of battery cells 23 connected in parallel.

구체적으로, 배터리팩(20)은 직렬 연결된 20개의 배터리모듈(21)을 포함하고, 배터리모듈(21)은 병렬 연결된 4개의 배터리셀(23)을 포함한다. 다시 말해서, 상기 배터리팩(20)은 20 직렬 X 4 병렬(20 Series X 4 Parallel) 총 80개의 배터리셀(23)을 포함하여 구성된다.Specifically, the battery pack 20 includes 20 battery modules 21 connected in series, and the battery module 21 includes 4 battery cells 23 connected in parallel. In other words, the battery pack 20 includes a total of 80 battery cells 23, 20 series x 4 parallel (20 series x 4 parallel).

그리고, 배터리셀(23) 별로 #(1, 1), #(1, 2), #(1, 3), #(1, 4),…,#(20, 4)와 같이 셀 번호가 부여된다. 또한, 배터리모듈(21) 별로 #1, #2, #3,…, #20과 같이 모듈 번호가 부여된다.And, for each battery cell (23), #(1, 1), #(1, 2), #(1, 3), #(1, 4),… A cell number is given, such as ,#(20, 4). Additionally, each battery module (21) is #1, #2, #3,… , a module number is assigned, such as #20.

배터리셀의 직렬 및 병렬 연결 수량이 증가하면, 상기 배터리셀(23)을 포함하는 배터리팩(20)의 용량이 한층 더 증대된다.As the number of battery cells connected in series and parallel increases, the capacity of the battery pack 20 including the battery cells 23 further increases.

그리고, 배터리셀(23)의 일측에는 해당 배터리셀(23)을 관리하기 위한 셀 BMS(24)(Battery Management System)가 장착된다. 그리고, 배터리모듈(21)의 일측에는 해당 배터리모듈(21)을 관리하기 위한 모듈 BMS(22)(Battery Management System)가 장착된다. 그리고, 센서부(30)는 배터리팩(20)의 일측에 구비되어, 배터리모듈(21) 및 배터리셀(23) 단위로 전압, 전류 및 온도를 측정한다.Additionally, a cell BMS 24 (Battery Management System) is installed on one side of the battery cell 23 to manage the battery cell 23. Additionally, a module BMS 22 (Battery Management System) for managing the battery module 21 is installed on one side of the battery module 21. Additionally, the sensor unit 30 is provided on one side of the battery pack 20 and measures voltage, current, and temperature for each battery module 21 and battery cell 23.

그리고, 통신부(35)는 배터리팩(20), 센서부(30) 및 마이컴(40)이 상호 통신하기 위한 역할을 한다. 이때, 통신부(35)는 발광부 및 수광부가 서로 절연되고, 전기 신호를 빛으로 결합시킬 수 있는 포토 커플러의 형태로 구현되는 것이 바람직하다.Additionally, the communication unit 35 serves to enable the battery pack 20, sensor unit 30, and microcomputer 40 to communicate with each other. At this time, the communication unit 35 is preferably implemented in the form of a photo coupler in which the light emitting unit and the light receiving unit are insulated from each other and can couple electrical signals into light.

그리고, 통신부(35)는 센서부(30)에 의해 측정된 배터리모듈(21) 또는 배터리셀(23)의 측정 데이터를 마이컴(40)으로 전송하고, 마이컴(40)에 의해 생성된 명령 신호를 배터리팩(20)으로 전송한다.Then, the communication unit 35 transmits the measurement data of the battery module 21 or the battery cell 23 measured by the sensor unit 30 to the microcomputer 40 and sends a command signal generated by the microcomputer 40. It is transmitted to the battery pack (20).

그리고, 마이컴(40)은 센서부(30)에 의해 측정된 측정 데이터를 바탕으로, 배터리팩(20)의 충전 및 방전, 배터리팩(20), 배터리모듈(21) 및 배터리셀(23)의 전압 및 전류를 제어한다. 이때, 마이컴(40) 프로그래밍은 인공 지능(AI, artificial intelligence)기법을 활용하는 형태로 구현되는 것이 바람직하다.And, based on the measurement data measured by the sensor unit 30, the microcomputer 40 performs the charging and discharging of the battery pack 20, the battery pack 20, the battery module 21, and the battery cell 23. Controls voltage and current. At this time, it is desirable that the microcomputer 40 programming be implemented using artificial intelligence (AI) techniques.

그리고, 마이컴(40)은 실전압이 사전에 설정된 하한 전압 및 상한 전압 사이의 기준 구간 내에 속하지 않는 배터리셀(23)을 식별하여, 불량으로 판정한다. 이때, 상한 전압은 배터리셀(23)의 완전충전 기준이 되는 전압을 의미하고, 하한 전압은 배터리셀(23)의 완전방전 기준이 되는 전압을 의미한다.Then, the microcomputer 40 identifies the battery cells 23 whose actual voltage does not fall within the reference range between the preset lower and upper limit voltages and determines them to be defective. At this time, the upper limit voltage refers to the voltage that serves as the standard for full charging of the battery cell 23, and the lower limit voltage refers to the voltage that serves as the standard for full discharging of the battery cell 23.

구체적으로, 마이컴(40)은 배터리셀(23)의 실전압이 상한 전압을 초과하는 경우, 상기 배터리셀(23)을 과전압 상태로 판정하고, 배터리셀(23)을 방전시켜, 배터리셀(23)의 실전압이 기준 구간 내에서 상한 전압으로 수렴하게 되도록 제어한다.Specifically, when the actual voltage of the battery cell 23 exceeds the upper limit voltage, the microcomputer 40 determines the battery cell 23 to be in an overvoltage state and discharges the battery cell 23, thereby discharging the battery cell 23. ) is controlled so that the actual voltage converges to the upper limit voltage within the reference section.

또한, 마이컴(40)은 배터리셀(23)의 실전압이 하한 전압 미만인 경우, 상기 배터리셀(23)을 저전압 상태로 판정하고, 상기 배터리셀(23)을 충전시켜, 상기 배터리셀(23)의 실전압이 기준 구간 내에서 하한 전압으로 수렴하게 되도록 제어한다.In addition, when the actual voltage of the battery cell 23 is less than the lower limit voltage, the microcomputer 40 determines the battery cell 23 to be in a low voltage state and charges the battery cell 23, thereby Control the actual voltage to converge to the lower limit voltage within the reference section.

예를 들어, 상한 전압 및 하한 전압이 각각 4.0V , 2.8V이고, 배터리셀(23) #1 및 배터리셀(23) #2의 실전압이 각각 4.2V 및 2.6V인 경우, 마이컴(40)은 배터리셀(23) #1을 과전압 상태로 판정하고, 배터리셀(23) #1을 방전시켜, 상기 배터리셀(23) #1의 실전압이 기준 구간 내에서 4.0V로 수렴하도록 제어할 수 있다.For example, if the upper and lower limit voltages are 4.0V and 2.8V, respectively, and the actual voltages of battery cell 23 #1 and battery cell 23 #2 are 4.2V and 2.6V, respectively, the microcomputer 40 can determine battery cell 23 #1 to be in an overvoltage state, discharge battery cell 23 #1, and control the actual voltage of battery cell 23 #1 to converge to 4.0V within the reference section. there is.

그리고, 마이컴(40)은 배터리셀(23) #2을 저전압 상태로 판정하고, 배터리셀(23) #2를 충전시켜, 상기 배터리셀(23) #2의 실전압이 기준 구간 내에서 2.8V로 수렴하게 되도록 제어할 수 있다.Then, the microcomputer 40 determines that the battery cell 23 #2 is in a low voltage state and charges the battery cell 23 #2, so that the actual voltage of the battery cell 23 #2 is 2.8V within the reference section. It can be controlled to converge to .

도 3은 배터리팩(20)의 충방전 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.Figure 3 is a diagram for explaining the charging and discharging control process of the battery pack 20.

도 3을 참조하면, 일실시예에 의한 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템(10)은 충전기 커넥터(51)와 전압 센서(52), 제1 스위칭 소자(53), 전류 센서(54) 및 제2 스위칭 소자(55)를 더 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 3, the battery pack operation management system 10 using the KNN machine learning algorithm according to one embodiment includes a charger connector 51, a voltage sensor 52, a first switching element 53, and a current sensor 54. ) and a second switching element 55.

먼저, 충전기 커넥터(51)는 충전기(50)와 연결되어, 사전에 충전기(50)에 설정된 기준 전압 및 기준 전류의 전력을 배터리팩(20)에 공급한다.First, the charger connector 51 is connected to the charger 50 and supplies power of the reference voltage and reference current previously set in the charger 50 to the battery pack 20.

여기서, 기준 전압은 배터리팩(20)의 충전 기준이 되는 전압이고, 기준 전류는 배터리팩(20)의 충전 기준이 되는 전류이다.Here, the reference voltage is a voltage that serves as a charging standard for the battery pack 20, and the reference current is a current that serves as a charging standard for the battery pack 20.

예를 들어, 충전기 커넥터(51)는 충전기(50)를 통해, 기준 전압 84V, 기준 전류 32A인 전력을 배터리팩(20)에 공급할 수 있다.For example, the charger connector 51 can supply power with a reference voltage of 84V and a reference current of 32A to the battery pack 20 through the charger 50.

그리고, 전압 센서(52)는 배터리팩(20)의 일측에 구비되어, 배터리팩(20)의 실전압을 측정한다. 전압 센서(52)에 의해 측정된 배터리팩(20)의 실전압 데이터는 통신부(35)를 통해 마이컴(40)으로 전송된다.Additionally, the voltage sensor 52 is provided on one side of the battery pack 20 and measures the actual voltage of the battery pack 20. The actual voltage data of the battery pack 20 measured by the voltage sensor 52 is transmitted to the microcomputer 40 through the communication unit 35.

그리고, 제1 스위칭 소자(53)는 충전기 커넥터(51)의 일단 및 전압 센서(52)의 사이에 구비되어, 전압 센서(52)에 의해 측정된 배터리팩(20)의 실전압에 의해 온 시간이 가변되도록 구성된다.In addition, the first switching element 53 is provided between one end of the charger connector 51 and the voltage sensor 52, and the on-time time is determined by the actual voltage of the battery pack 20 measured by the voltage sensor 52. It is configured to be variable.

그리고, 전류 센서(54)는 배터리팩(20)의 타측에 구비되어, 충전 중인 배터리팩(20)의 실전류를 측정한다. 전류 센서(54)에 의해 측정된 배터리팩(20)의 실전류 데이터는 통신부(35)를 통해 마이컴(40)으로 전송된다.Additionally, the current sensor 54 is provided on the other side of the battery pack 20 and measures the actual current of the battery pack 20 being charged. The actual current data of the battery pack 20 measured by the current sensor 54 is transmitted to the microcomputer 40 through the communication unit 35.

그리고, 제2 스위칭 소자(55)는 충전기 커넥터(51)의 타단 및 전류 센서(54)의 사이에 구비되어, 전류 센서(54)에 의해 측정된 배터리팩(20)의 실전류에 의해 온 시간이 가변되도록 구성된다.In addition, the second switching element 55 is provided between the other end of the charger connector 51 and the current sensor 54, and the on-time time is determined by the actual current of the battery pack 20 measured by the current sensor 54. It is configured to be variable.

충전기 커넥터(51)로부터 공급되는 전력은 제1 스위칭 소자(53) 및 전압 센서(52)를 통과하여, 배터리팩(20)으로 공급된다. 그리고, 상기 전력은 배터리팩(20), 전류 센서(54) 및 제2 스위칭 소자(55)를 통과하여, 충전기 커넥터(51)로 공급된다. Power supplied from the charger connector 51 passes through the first switching element 53 and the voltage sensor 52 and is supplied to the battery pack 20. Then, the power passes through the battery pack 20, current sensor 54, and second switching element 55, and is supplied to the charger connector 51.

그리고, 마이컴(40)은 사전에 설정된 기준 전압에서 전압 센서(52)에 의해 측정된 실전압을 차감한 실전압차를 계산한 후, 실전압차에 비례하여, 제1 스위칭 소자(53)의 온 시간이 가변되도록 제어한다. Then, the microcomputer 40 calculates the actual voltage difference by subtracting the actual voltage measured by the voltage sensor 52 from the preset reference voltage, and then switches the first switching element 53 in proportion to the actual voltage difference. Control the on time to be variable.

예를 들어, 기준 전압 및 기준 전류가 각각 84V, 32A이고, 배터리팩(20)의 실전압 및 실전류가 각각 60V, 3A인 경우, 마이컴(40)은 실전압차 24V(=84V-60V)에 비례하여, 제1 스위칭 소자(53)가 3시간 동안 온 상태로 있도록 제어할 수 있다.For example, if the reference voltage and reference current are 84V and 32A, respectively, and the actual voltage and actual current of the battery pack 20 are 60V and 3A, respectively, the microcomputer 40 generates an actual voltage difference of 24V (=84V-60V). In proportion to , the first switching element 53 can be controlled to remain on for 3 hours.

한편, 충전기 커넥터(51)가 기준 전류 32A인 전력을 배터리팩(20)에 3시간 동안 공급하여, 배터리팩(20)의 실전압이 60V에서 76V까지 상승하는 경우, 마이컴(40)은 실전압차 8V(=84V-76V)에 비례하여, 제1 스위칭 소자(53)가 1시간 동안 온 상태로 있도록 제어할 수 있다.Meanwhile, when the charger connector 51 supplies power with a reference current of 32A to the battery pack 20 for 3 hours, and the actual voltage of the battery pack 20 increases from 60V to 76V, the microcomputer 40 increases the actual voltage. In proportion to the difference of 8V (=84V-76V), the first switching element 53 can be controlled to remain on for 1 hour.

이를 통해, 충전기 커넥터(51)는 기준 전류 32A인 전력을 배터리팩(20)에 1시간 동안 공급할 수 있다.Through this, the charger connector 51 can supply power with a reference current of 32A to the battery pack 20 for 1 hour.

한편, 충전기 커넥터(51)가 초기에 배터리팩(20)에 과다한 전류를 공급하면, 배터리팩(20)의 내측에 포함된 다수의 배터리는 배터리팩(20)의 과충전에 의해 손상될 수 있다.Meanwhile, if the charger connector 51 initially supplies excessive current to the battery pack 20, multiple batteries included inside the battery pack 20 may be damaged by overcharging of the battery pack 20.

따라서, 마이컴(40)은 기준 전류에서 전류 센서(54)에 의해 측정된 실전류을 차감한 실전류차를 계산한 후, 실전류차에 비례하여, 제2 스위칭 소자(55)의 온 시간이 가변되도록 제어할 수 있다. 이같은 과정을 통해, 마이컴(40)은 충전기 커넥터(51)에서 배터리팩(20)으로 공급되는 전류량을 제어할 수 있다.Accordingly, the microcomputer 40 calculates the actual current difference by subtracting the actual current measured by the current sensor 54 from the reference current, and then controls the on time of the second switching element 55 to vary in proportion to the actual current difference. can do. Through this process, the microcomputer 40 can control the amount of current supplied from the charger connector 51 to the battery pack 20.

한편, 사용자는 마이컴(40)에서 처리된 데이터를 대시보드(60) 또는 모바일앱(61)을 통해 확인할 수 있다. 사용자는 상기 데이터를 바탕으로 성능이 저하된 배터리팩(20)을 수리 또는 교체하거나, 상기 데이터를 운전 정보로 활용할 수 있다.Meanwhile, the user can check the data processed by the microcomputer 40 through the dashboard 60 or mobile app 61. Based on the data, the user can repair or replace the battery pack 20 whose performance has deteriorated, or use the data as driving information.

다음으로, KNN 기계학습 알고리즘(48)의 제어 방식에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.Next, the control method of the KNN machine learning algorithm 48 will be described in more detail.

도 4는 KNN 기계학습 알고리즘(48)의 제어 방식을 설명하기 위한 도면이다.Figure 4 is a diagram for explaining the control method of the KNN machine learning algorithm 48.

도 4를 참조하면, 마이컴(40)은 제1 증폭기(41)와 제1 비교기(42), PI 전압 제어기(43), 전류 변환기(44), 제2 증폭기(45), 제2 비교기(46), 학습 모델(47) 및 KNN 기계학습 알고리즘(48)을 더 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 4, the microcomputer 40 includes a first amplifier 41, a first comparator 42, a PI voltage controller 43, a current converter 44, a second amplifier 45, and a second comparator 46. ), a learning model (47), and a KNN machine learning algorithm (48).

먼저, 제1 증폭기(41)는 전압 센서(52)에 의해 측정된 실전압을 일정 배수 만큼 증가시킨다.First, the first amplifier 41 increases the actual voltage measured by the voltage sensor 52 by a certain multiple.

그리고, 제1 비교기(42)는 기준 전압으로부터, 제1 증폭기(41)에서 출력된 배터리팩(20)의 실전압을 차감한 전압차를 출력한다. 이때, 기준 전압, 기준 전류는 커맨드라는 명령 신호에 포함되어, 제1 비교기(42)에 입력된다.And, the first comparator 42 outputs a voltage difference obtained by subtracting the actual voltage of the battery pack 20 output from the first amplifier 41 from the reference voltage. At this time, the reference voltage and reference current are included in a command signal called a command and are input to the first comparator 42.

그리고, PI 전압 제어기(43)는 제1 비교기(42)에 의해 계산된 전압차를 입력받아, 상기 배터리팩(20)의 실전압에 전압차를 보상한 전압 보상값을 출력한다.Additionally, the PI voltage controller 43 receives the voltage difference calculated by the first comparator 42 and outputs a voltage compensation value obtained by compensating the voltage difference to the actual voltage of the battery pack 20.

그리고, 전류 변환기(44)는 상기 전압 보상값을 변환시킨 전류 예측값를 출력한다. 이때, 전류 예측값은 배터리팩(20)으로 충전 예정인 전류를 의미한다.Then, the current converter 44 outputs a current predicted value obtained by converting the voltage compensation value. At this time, the current predicted value means the current scheduled to be charged with the battery pack 20.

그리고, 제2 증폭기(45)는 전류 센서(54)에 의해 측정된 실전류를 일정 배수 만큼 증가시킨다.And, the second amplifier 45 increases the actual current measured by the current sensor 54 by a certain multiple.

그리고, 제2 비교기(46)는 전류 예측값으로부터, 제2 증폭기(45)에서 출력된 배터리팩(20)의 실전류를 차감한 실전류차를 출력한다.Then, the second comparator 46 outputs an actual current difference obtained by subtracting the actual current of the battery pack 20 output from the second amplifier 45 from the current predicted value.

그리고, 학습 모델(47)에서는 실전류차의 비교 기준이 되는 기준 전류차가 사전에 설정된다.And, in the learning model 47, a reference current difference that serves as a comparison standard for the actual current difference is set in advance.

그리고, KNN 기계학습 알고리즘(48)은 학습 모델(47)의 기준 전류차 및 제2 비교기(46)의 실전류차를 비교하여, 배터리팩(20)의 상태 데이터를 출력한다. 이때, 배터리팩(20)의 상태 데이터는 과충전, 미충전 및 과방전 상태 중에서 하나로 설정되고, 배터리팩(20)에 공급되어야 하는 전압 및 전류값을 포함한다.Then, the KNN machine learning algorithm 48 compares the reference current difference of the learning model 47 and the actual current difference of the second comparator 46 and outputs state data of the battery pack 20. At this time, the state data of the battery pack 20 is set to one of overcharge, uncharge, and overdischarge states, and includes voltage and current values that must be supplied to the battery pack 20.

참고로, 이러한 일실시예에 따른 학습 모델(47)은 아래의 도 7과 도 8을 참조하여 후술하기로 한다.For reference, the learning model 47 according to this embodiment will be described later with reference to FIGS. 7 and 8 below.

그리고, KNN 기계학습 알고리즘(48)은 상기 배터리팩(20)의 상태 데이터를 바탕으로, 제1 스위칭 소자(53) 및 제2 스위칭 소자(55)의 온 시간을 각각 출력하여, 통신부(35)를 통해 제1 스위칭 소자(53) 및 제2 스위칭 소자(55)로 각각 전송한다.In addition, the KNN machine learning algorithm 48 outputs the on-time of the first switching element 53 and the second switching element 55, respectively, based on the status data of the battery pack 20, and communicates the communication unit 35. It is transmitted to the first switching element 53 and the second switching element 55 through .

도 5는 상기 배터리팩(20)에 포함되는 셀 BMS(24)를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 5 is a diagram for explaining the cell BMS 24 included in the battery pack 20.

도 5를 참조하면, 일실시예에 의한 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템(10)은 과충전 제어 센서(110)와 셀 전력 스위칭 소자(111)를 더 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 5, the battery pack operation management system 10 using the KNN machine learning algorithm according to one embodiment further includes an overcharge control sensor 110 and a cell power switching element 111.

셀 BMS(24)에 포함된 과충전 제어 센서(110)는 각 셀의 전압값을 입력으로 받아 셀 전력 스위칭 소자(111)의 온시간을 제어한다. 셀 전력 스위칭 소자(111)가 온 되어있다면, 이것을 통해 셀전압이 방전됨으로써 과충전을 방지한다.The overcharge control sensor 110 included in the cell BMS 24 receives the voltage value of each cell as an input and controls the on time of the cell power switching element 111. If the cell power switching element 111 is turned on, the cell voltage is discharged through this to prevent overcharging.

예를들어, 과충전 제어 센서(110)의 과충전 기준전압이 4.2V 이고, 배터리 셀(23)의 전압이 4.3V일 때, 과충전 제어 센서(110)의 입력값이 과충전 기준전압보다 크기 때문에 셀 전력 스위칭 소자(111)를 온으로 동작하게 함으로써 과충전 기준전압보다 전압이 높은 배터리 셀(23)의 전압을 과충전 기준전압으로 수렴하도록 방전시킨다.For example, when the overcharge reference voltage of the overcharge control sensor 110 is 4.2V and the voltage of the battery cell 23 is 4.3V, the input value of the overcharge control sensor 110 is greater than the overcharge reference voltage, so the cell power By turning the switching element 111 on, the voltage of the battery cell 23, which has a voltage higher than the overcharge reference voltage, is discharged to converge to the overcharge reference voltage.

도 6은 상기 배터리팩(20)에 포함되는 모듈 BMS(22)를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 6 is a diagram for explaining the module BMS 22 included in the battery pack 20.

도 6을 참조하면, 일실시예에 의한 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템(10)은 과충전 제어 센서(112)와 셀 전력 스위칭 소자(113)를 더 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 6, the battery pack operation management system 10 using the KNN machine learning algorithm according to one embodiment further includes an overcharge control sensor 112 and a cell power switching device 113.

모듈 BMS(24)에 포함된 과충전 제어 센서(110)는 각 셀의 전압값을 입력으로 받아 셀 전력 스위칭 소자(111)의 온시간을 제어하고, 배터리 셀(23)의 과충전 여부를 마이컴(40)으로 송신하다. 셀 전력 스위칭 소자(111)가 온 되어있다면, 이것을 통해 셀전압이 방전됨으로써 과충전을 방지한다.The overcharge control sensor 110 included in the module BMS 24 receives the voltage value of each cell as an input, controls the on time of the cell power switching element 111, and determines whether the battery cell 23 is overcharged by the microcomputer 40. ) to send. If the cell power switching element 111 is turned on, the cell voltage is discharged through this to prevent overcharging.

예를들어, 과충전 제어 센서(110)의 과충전 기준전압이 4.2V 이고, 배터리 셀(23)의 전압이 4.3V일 때, 과충전 제어 센서(110)의 입력값이 과충전 기준전압보다 크기 때문에 셀 전력 스위칭 소자(111)를 온으로 동작하게 함으로써 과충전 기준전압보다 전압이 높은 배터리 셀(23)의 전압을 과충전 기준전압으로 수렴하도록 방전시킨다.For example, when the overcharge reference voltage of the overcharge control sensor 110 is 4.2V and the voltage of the battery cell 23 is 4.3V, the input value of the overcharge control sensor 110 is greater than the overcharge reference voltage, so the cell power By turning the switching element 111 on, the voltage of the battery cell 23, which has a voltage higher than the overcharge reference voltage, is discharged to converge to the overcharge reference voltage.

그리고, 충전중에 4.2V 이하이던 배터리셀(23)이 4.2V보다 높아지는 순간부터 과충전 제어 센서(110)에서 마이컴(40)으로 송신하는 과충전신호가 정상에서 과충전으로 바뀌어 송신하게 된다. 이로써 마이컴(40)에서는 어떤 배터리 셀(23)이 과충전 되었는지 모니터링을 할 수 있게 된다.And, from the moment the battery cell 23, which was below 4.2V during charging, becomes higher than 4.2V, the overcharge signal transmitted from the overcharge control sensor 110 to the microcomputer 40 changes from normal to overcharge. As a result, the microcomputer 40 can monitor which battery cell 23 is overcharged.

일실시예에 의한 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템은 기계학습 알고리즘을 이용하여, 배터리팩의 충전 및 방전 상태를 확인하여, 상기 배터리팩이 최적의 상태를 유지하도록 제어할 수 있는 효과가 있다.The battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm according to one embodiment has the effect of checking the charging and discharging status of the battery pack using the machine learning algorithm and controlling the battery pack to maintain the optimal state. There is.

일실시예에 의한 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템은 배터리의 경련 변화를 예측하고, 배터리의 경련 변화를 고려하여 SOC 상태를 추정하므로, 배터리팩을 효율적으로 관리할 수 있어, 상기 배터리팩을 전기 자동차와 전기 오토바이 등 다방면에 적용할 수 있는 효과가 있다.The battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm according to one embodiment predicts spasm changes in the battery and estimates the SOC state by considering the spasm changes in the battery, so that the battery pack can be efficiently managed. The pack can be applied to various fields such as electric cars and electric motorcycles.

도 7 내지 도 9는 일실시예에 따른 학습 모델(47)을 설명하기 위한 도면이다.7 to 9 are diagrams for explaining the learning model 47 according to an embodiment.

구체적으로는, 도 7과 도 8은 일실시예에 따른 학습 모델(47)을 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 이러한 경우에 사용하는 kNN 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.Specifically, FIGS. 7 and 8 are diagrams for explaining the learning model 47 according to an embodiment, and FIG. 9 is a diagram for explaining the kNN algorithm used in this case.

도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 학습 모델(47)은 먼저 배터리의 사용률은 많은 요인과 상호 연결된 성능 저하 메커니즘으로 인해 갈수록 감소하므로 작동 주기 조건은 매개변수를 식별하는 데 중요한 역할을 한다.As shown in FIGS. 7 to 9, the learning model 47 according to one embodiment first determines that the usage rate of the battery gradually decreases due to many factors and interconnected performance degradation mechanisms, so the operating cycle condition is used to identify parameters. plays an important role.

그리고, 이러한 경우에 충방전 횟수는 공통 매개변수로 간주되며 주변 온도 25ㅀC에서 C-레이트 0.5C가 가장 중요한 변수가 된다.And, in this case, the number of charge and discharge is considered a common parameter, and the C-rate of 0.5C becomes the most important variable at an ambient temperature of 25ㅀC.

그래서, 일실시예에서는 배터리의 경년변화를 고려한 SOC 상태를 분석하며, 또한 이러한 경우에, kNN 회귀 알고리즘을 사용하여 충전시간(T)에 대한 충전전압(V)과 충전전류(I)의 열화 매개변수를 기반으로 배터리의 충전 상태 값을 유클리디안 거리 계산법으로 학습하여 추정한다.So, in one embodiment, the SOC state is analyzed considering the aging change of the battery, and in this case, the kNN regression algorithm is used to mediate the deterioration of the charging voltage (V) and charging current (I) with respect to the charging time (T). Based on the variables, the battery's state of charge value is estimated by learning using the Euclidean distance calculation method.

아울러, 온도변화에 대한 충방전 전압과 전류는 배터리 SOC 특성을 결정하는 주요한 요소로서, 이러한 배터리의 충전 상태 값을 온도변화에 따라 상이하게 추정하도록 한다.In addition, charge/discharge voltage and current in response to temperature changes are major factors that determine battery SOC characteristics, and the state of charge value of these batteries is estimated differently depending on temperature changes.

1. 구체적으로는, 먼저 상기 학습 모델(47)은 이를 위해 SOC 상태를 정의해야 하며, 이전의 배터리 경년변화를 고려하여, 각각의 특징이 있는 경년변화별로 맞는 SOC 상태를 분석하여 파악한다.1. Specifically, first, the learning model 47 must define the SOC state for this purpose, and considering the previous battery aging change, it analyzes and determines the SOC state appropriate for each characteristic aging change.

특히, 이러한 경우, SOC 상태는 다수의 상이한 장치별로 즉, 사용하는 상황이나 조건별로 상이하게 파악하므로, 다양한 상황에서 정확한 정보를 제공하도록 하기도 한다.In particular, in this case, the SOC status is determined differently for a number of different devices, that is, depending on the situation or condition of use, thereby providing accurate information in various situations.

그래서, 이러한 SOC 상태를 예를 들어, 상이한 장치별로 각기 사용 중인 장치의 SOC 상태와 비교하여 장치의 정상 여부를 알 수 있도록 하므로, 장치를 적합한 상태로서 유지하여 비교적 길게 원활하게 사용할 수 있도록 한다.So, for example, this SOC status can be compared with the SOC status of each device in use to determine whether the device is normal, so that the device can be maintained in an appropriate state and used smoothly for a relatively long period of time.

부가적으로, 이러한 특징은 여러 가지의 충방전 동작에서 성능을 저하하는 특정한 면(예: 전압 가변성 등)을 가리킨다.Additionally, these characteristics indicate specific aspects (e.g., voltage variability, etc.) that degrade performance in various charge/discharge operations.

그리고 예를 들어, 특징이 있는 경년변화별로의 SOC 상태별로 대응하는 기준 전류치를 추출하여, 이를 사용할 장치에 설정한 상태에서 기준 전류차 및 실전류차를 비교함으로써, 장치의 정상 여부를 파악한다(도 4 참조).And, for example, by extracting the corresponding reference current value for each SOC state for each characteristic secular change and setting it in the device to be used, comparing the reference current difference and actual current difference to determine whether the device is normal (Figure 4).

예컨대, 위에서 설명한 바와 같이, 기준 전류차와 실전류차의 차이값이 설정 차이값보다 많이 차이나는 경우에 장치의 계속 사용을 위하여 사용 상황을 적절하게 바꾸어 주는 등의 조치를 하기도 할 것이다.For example, as described above, if the difference between the reference current difference and the actual current difference is greater than the set difference, measures such as appropriately changing the usage situation may be taken to continue using the device.

부가적으로, 이러한 경우, 이러한 기준 전류 이외에 전압과 온도 등을 SOC 상태를 나타내는 정보로 사용하기도 한다.Additionally, in this case, in addition to the reference current, voltage and temperature may be used as information indicating the SOC state.

이를 위해, 구체적으로는 먼저 배터리의 충전 상태가 정의되며, 충전시간(T)에 대한 충전전압(V)과 충전전류(I)의 열화 매개변수를 기반으로 하며, 이러한 점에 더하여 온도에 따라 가변하는 것을 전제로 한다.For this purpose, specifically, the charging state of the battery is defined first, based on the degradation parameters of charging voltage (V) and charging current (I) with respect to charging time (T), and in addition, it is variable depending on temperature. It is assumed that

즉, 배터리의 충전 상태 값을 충전시간(T)에 대한 충전전압(V)과 충전전류(I)의 열화 매개변수를 기반으로 하여 유클리디안 거리 계산법으로 학습하여 추정한다. 아울러, 온도변화에 대한 충방전 전압과 전류는 배터리 SOC 특성을 결정하는 주요한 요소로서, 이러한 배터리의 충전 상태 값을 이 온도변화에 따라 상이하게 추정도 하도록 한다.In other words, the charging state value of the battery is estimated by learning using the Euclidean distance calculation method based on the degradation parameters of charging voltage (V) and charging current (I) with respect to charging time (T). In addition, charge/discharge voltage and current in response to temperature changes are major factors that determine battery SOC characteristics, and the state-of-charge value of these batteries is estimated differently depending on temperature changes.

그래서, 이러한 경우, 이 충전 상태는 대체적으로 온도와 충방전 비율로 나타나며, 조금 더 살펴보면, 온도와 충방전 비율 등에 대해 공칭 또는 가용 용량에 대한 배터리 용량으로 표시된다.So, in these cases, this state of charge is generally expressed in terms of temperature and charge/discharge rate, and looking a little further, it is expressed as battery capacity relative to nominal or available capacity relative to temperature and charge/discharge rate, etc.

즉, 이에 따라 배터리의 충전 상태(SOC)를 이러한 용량으로서 아래의 식 1로 표현하여 산출한다.In other words, the state of charge (SOC) of the battery is calculated by expressing this capacity as Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

(여기서, Q: 총 배터리 전류용량 [Ah], Q c: 시간에 대한 배터리 전류 잔량 [A.h], Qe : 배터리 충전 전류량 [Ah].)(Where, Q: Total battery current capacity [Ah], Q c : Battery current remaining amount over time [Ah], Q e : Battery charging current amount [Ah].)

부가적으로, 이러한 정보 등은 다수의 상이한 장치별로 즉, 장치를 사용하는 주변 상황과 조건별로 각기 상이하게 설정하기도 하며, 예컨대, 충전전압 등과 온도를 상이하게 정할 수도 있을 것이다.Additionally, this information may be set differently for a number of different devices, that is, for each surrounding situation and condition in which the device is used. For example, charging voltage, etc. may be set differently.

2. 그리고 나서, 이렇게 산출된 SOC는 SOC 예측을 위해 kNN 분류기로 전송된다.2. Then, the SOC calculated in this way is sent to the kNN classifier for SOC prediction.

즉, 상이한 장치별로 예를 들어, 충전전압별로 대응하는 SOC 정보를 즉, 특징을 나타내는 경년변화를 보이는 SOC 정보를 분류하여 등록한다.That is, SOC information corresponding to each charging voltage, for example, for each different device, that is, SOC information showing characteristic changes over time, is classified and registered.

3. 그리고, 또한 방전 깊이(DOD : Depth Of Discharge)도 배터리 수명을 추정하는 중요한 매개변수이다. 예를 들어, 높은 SOC와 낮은 DOD는 배터리 수명을 빠르게 감소시킨다. 그래서, 방전 깊이 즉, 배터리의 방전량도 아래의 식 2로 산출한다.3. Additionally, depth of discharge (DOD) is also an important parameter for estimating battery life. For example, high SOC and low DOD quickly reduce battery life. Therefore, the depth of discharge, that is, the amount of discharge of the battery, is also calculated using Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

참고로, 방전 깊이는 SOC와 반대되는 개념으로, SOC 즉, 잔존용량이 전지 용량이 가득찼을 때를 100%와 용량이 다했을 때를 0%로 백분율 수치를 이용하여 표현하는 데 비하여 방전깊이는 암페어 시(Ah)와 백분율 수치의 두 가지 표현 방법을 사용할 수 있다.For reference, depth of discharge is the opposite of SOC. SOC, or remaining capacity, is expressed using a percentage value of 100% when the battery capacity is full and 0% when the battery capacity is exhausted, whereas depth of discharge is expressed as a percentage. There are two ways to express it: ampere-hours (Ah) and percentage figures.

예를 들어 용량이 50Ah인 전지의 방전깊이를 암페어시로 표현할 경우에는 방전깊이가 0Ah이면 전지가 방전되지 않은 상태(잔존용량이 100%인 상태)를 말하며, 방전깊이가 50Ah이면 전지가 완전히 방전된 상태(잔존용량이 0%인 상태)를 말하게 된다.For example, if the discharge depth of a battery with a capacity of 50Ah is expressed in ampere hours, a discharge depth of 0Ah means that the battery is not discharged (the remaining capacity is 100%), and a discharge depth of 50Ah means that the battery is completely discharged. This refers to the state (state where the remaining capacity is 0%).

또 어떤 전지의 방전깊이를 백분율로 표현할 경우에는 방전깊이가 0%이면 잔존용량이 100%, 방전깊이가 100%이면 잔존용량이 0%인 상태를 말하게 된다.Also, when expressing the discharge depth of a battery as a percentage, if the discharge depth is 0%, the remaining capacity is 100%, and if the discharge depth is 100%, the remaining capacity is 0%.

일반적으로 전지를 표시된 용량만큼 사용한 뒤에도 약간 더 사용할 수 있기 때문에, 방전깊이는 100%를 넘어설 수 있다. 그러한 상황을 잔존용량으로는 표현할 수 없기 때문에, 방전깊이를 사용하여 표현하기도 한다.In general, even after the battery has been used to its indicated capacity, it can be used slightly more, so the depth of discharge can exceed 100%. Since such a situation cannot be expressed with remaining capacity, it is also expressed using discharge depth.

그리고, 위에서와 마찬가지로, 상이한 장치별로 예를 들어, 충전전압별로 대응하는 방전깊이 정보를 즉, 특징을 나타내는 경년변화를 보이는 방전깊이 정보를 각기 분류하여 등록도 하도록 한다.In addition, as above, the discharge depth information corresponding to each charging voltage, for example, for each different device, that is, the discharge depth information showing characteristic changes over time, is classified and registered.

4. 한편, 다음으로는 이렇게 산출된 SOC와 DOD 조건으로 하여 배터리 셀의 설정 충전전압 조건으로 정보의 정확성을 확인하기 위하여 많은 양의 정보 셋을 실험 등을 통해 도출한다.4. Meanwhile, a large amount of information set is derived through experiments to confirm the accuracy of the information under the set charging voltage conditions of the battery cell using the calculated SOC and DOD conditions.

예를 들어, 4.0V까지 충전하고 1시간의 설정 시간 동안 휴지한 후 설정 방전전류 조건으로 설정 임계 방전전압까지 예컨대 2.7V까지 방전한다.For example, after charging to 4.0V and resting for a set time of 1 hour, the battery is discharged to a set critical discharge voltage, for example, 2.7V, under set discharge current conditions.

그래서, 이러한 전압과 전류, 시간 정보를 SOC 학습 정보로 즉, 정보 셋으로 수집하여 저장한다.Therefore, this voltage, current, and time information is collected and stored as SOC learning information, that is, as an information set.

5. 그래서, 아래의 일실시예에 따른 kNN 알고리즘을 사용하여 SOC 학습 정보를 기계학습한다.5. So, machine learn the SOC learning information using the kNN algorithm according to the example below.

그리고 또한, 이러한 경우, 이러한 구성은 경년변화에 대한 SOC 추정을 위한 신경망회로를 통해 만들어진다.And also, in this case, this configuration is created through a neural network circuit for SOC estimation for secular changes.

구체적으로는, 이 구성은 일실시예에 따라 입력층에 충전시간(T)에 대한 충전전압(V)과 충전전류(I)와 히든층에 4개 노드와 출력층에 2개 출력노드로 구성하여 배터리의 경년변화에 대한 SOC 결과값을 예측한다.Specifically, according to one embodiment, this configuration consists of charging voltage (V) and charging current (I) for charging time (T) in the input layer, 4 nodes in the hidden layer, and 2 output nodes in the output layer. Predict SOC results for battery aging.

그리고, 이러한 경우, 이렇게 계산된 SOC는 SOC 실제값과 비교하여 오차분이 최소화되도록 kNN 분류기 모델의 가중치를 조정한다(가중치는 아래에서 보다 상세히 설명함).In this case, the weights of the kNN classifier model are adjusted so that the calculated SOC is compared to the actual SOC to minimize the error (weights are explained in more detail below).

여기에서, 상기 kNN 알고리즘은 일실시예에 따라 아래와 같다(도 9 참조).Here, the kNN algorithm is as follows according to one embodiment (see FIG. 9).

1) 먼저, SOC 학습 정보로서 전압과 전류, 시간 및 온도 정보가 입력된다.1) First, voltage, current, time, and temperature information are input as SOC learning information.

2) 다음으로, SOC 학습 정보에서 목표 값에 가까웠던 k개의 최근접 이웃 점을 구한다.2) Next, obtain the k nearest neighbor points that were close to the target value from the SOC learning information.

3) 그래서 k개의 이웃을 기반으로 각 이웃의 유클리디안 거리를 아래의 식 3 에서 식 5로 산출한다.3) So, based on k neighbors, the Euclidean distance of each neighbor is calculated using Equations 3 to 5 below.

[식 3][Equation 3]

(여기서, xt : 입력에 대한 예측값, f(xt) : 훈련 데이터 세트에서 예측된 SOC 값, wt: 가중치, k : 에측 가중치 수)(where x t : predicted value for input, f(x t) : predicted SOC value in training data set, w t : weight, k : number of predicted weights)

[식 4][Equation 4]

(여기서, dp,i : 테스트 포인트와 인접 포인트 사이의 가중 거리, t : wt에서 감소율 파라미터.)(Where, d p,i : Weighted distance between test point and adjacent point, t : Decrease rate parameter in w t .)

[식 5][Equation 5]

(여기서, N : 2 포인트 거리차의 유클리드 공간수, xt,xj : t번째와 j번째의 SOC 포인트 데이터값, wt : t번째 가중)(Here, N : Euclidean space number of 2-point distance difference, x t, x j : t-th and j-th SOC point data values, w t : t-th weighting)

4) 그리고, 이를 통해 거리를 계산한 후에는 가장 가까운 이웃을 선택한다.4) Then, after calculating the distance through this, the nearest neighbor is selected.

5) 그래서, 인접 포인트를 기반으로 k번째 레이어를 할당한다.5) So, assign the kth layer based on adjacent points.

6) 다음으로는 각 범주의 데이터 포인트 수를 산출한다.6) Next, calculate the number of data points in each category.

7) 그래서, 데이터 포인트를 가장 가깝고 가장 작은 k번째 레이어에 할당한다.7) So, assign the data points to the nearest and smallest kth layer.

이를 통해, 경년변화별로 맞는 SOC 상태와 방전깊이 정보를 획득하여 장치를 진단하기 위한 독립변수와 종속변수를 각기 설정한다.Through this, the SOC status and discharge depth information appropriate for each year's changes are obtained, and independent and dependent variables for diagnosing the device are set respectively.

예를 들어, 즉 독립변수는 SOC 상태 또는, 이에 더하여 방전깊이 정보로 설정하고, 종속변수는 충전전압 등으로 설정한다.For example, the independent variable is set to SOC status or, in addition, discharge depth information, and the dependent variable is set to charging voltage, etc.

그리고 부가적으로는, 이러한 정보를 여러 장치별로 맞게 상이하게 정할 수도 있다.Additionally, this information may be determined differently for each device.

그래서, 이를 통해 이 정보로 학습 및 훈련 정보를 만들어 진단을 위한 포맷을 얻을 수 있도록 한다.So, through this, we can create learning and training information with this information and obtain a format for diagnosis.

한편으로는, 이러한 충전전압은 전술한 바와 같은 장치에 미리 설정하는 기준 전압이 되고, 이 기준 전압은 배터리팩의 충전 기준이 되는 전압으로 사용한다.On the one hand, this charging voltage becomes a reference voltage preset in the device as described above, and this reference voltage is used as a reference voltage for charging the battery pack.

예를 들어, 기준 전압 84V로 사용하기도 하며 즉, 충전기 커넥터는 충전기를 통해, 기준 전압 84V로 셋팅하고, 이를 배터리팩에 공급한다.For example, it may be used with a reference voltage of 84V, that is, the charger connector is set to a reference voltage of 84V through the charger and supplies this to the battery pack.

8) 추가적으로, 전술한 가중치, 즉 SOC 정보의 정확성을 위해 장치 등에 따라 상이하게 정해지는 가중치를 얻기 위해서, 평균 절대 오차를 통해 오차율을 산출한다.8) Additionally, in order to obtain the above-described weight, that is, a weight determined differently depending on the device for accuracy of SOC information, the error rate is calculated through the average absolute error.

9) 그리고, 이렇게 산출된 오차분이 최소화하도록 가중치를 최적화한다.9) Then, the weights are optimized to minimize the error calculated in this way.

한편, 이러한 경우, 이러한 포맷은 아래의 동작을 통해 SOC 상태를 파악하여 진단하므로, 장치의 사용 조건 등을 바꾸어 원활하게 계속적으로 사용할 수 있도록 한다.Meanwhile, in this case, this format identifies and diagnoses the SOC status through the following operations, so that it can be used smoothly and continuously by changing the usage conditions of the device.

구체적으로는, 이러한 동작은 아래와 같다(도 4 참조).Specifically, this operation is as follows (see Figure 4).

먼저, 전술한 바대로 사용 중인 장치에서 실전압을 측정하여 일정 배수 만큼 증가시킨다.First, as described above, measure the actual voltage on the device in use and increase it by a certain multiple.

그리고, 기준 전압으로부터, 이러한 장치의 실전압을 차감한 전압차를 출력한다.Then, the voltage difference obtained by subtracting the actual voltage of this device from the reference voltage is output.

또한, PI 전압 제어기는 이러한 전압차를 입력받아, 실전압에 이 전압차를 보상한 전압 보상값을 출력한다. 참고로, 이러한 동작은 전류에 대해서도 동일하게 수행한다.Additionally, the PI voltage controller receives this voltage difference and outputs a voltage compensation value by compensating this voltage difference to the actual voltage. For reference, this operation is performed in the same way for current.

그리고, 학습 모델에서는 실전압차 등의 비교 기준이 되는 기준 전압차가 사전에 설정된다.In addition, in the learning model, a reference voltage difference that serves as a comparison standard for the actual voltage difference is set in advance.

그리고, KNN 기계학습 알고리즘은 학습 모델의 기준 전압차와 실전압차를 비교하여, 배터리팩의 상태 데이터를 획득한다. 이때, 배터리팩의 상태 데이터는 과충전과 미충전 및 과방전 상태 중에서 하나로 파악된다.In addition, the KNN machine learning algorithm obtains status data of the battery pack by comparing the reference voltage difference of the learning model and the actual voltage difference. At this time, the status data of the battery pack is identified as one of overcharge, uncharge, and overdischarge.

그래서, 이에 따라 적절한 상태로 제어를 하며, 구체적인 동작은 아래와 같다.So, control is performed in an appropriate state, and the specific operation is as follows.

예를 들어, 전술한 셀 BMS는 각 셀의 차이에 해당하는 전압값을 입력으로 받아 셀 전력 스위칭 소자의 온시간을 제어한다.For example, the cell BMS described above receives the voltage value corresponding to the difference between each cell as input and controls the on time of the cell power switching device.

즉, 셀 전력 스위칭 소자가 온 되어있다면, 이것을 통해 셀전압이 방전됨으로써 과충전을 방지한다.In other words, if the cell power switching element is turned on, the cell voltage is discharged through this, thereby preventing overcharging.

예를들어, 과충전 기준전압이 4.2V이고, 배터리 셀의 전압이 4.3V일 때, 입력값이 과충전 기준전압보다 크기 때문에 셀 전력 스위칭 소자를 온으로 동작하게 함으로써 과충전 기준전압보다 전압이 높은 배터리 셀의 전압을 과충전 기준전압으로 수렴하도록 한다.For example, when the overcharge reference voltage is 4.2V and the voltage of the battery cell is 4.3V, the input value is greater than the overcharge reference voltage, so the cell power switching element is turned on, so the battery cell with a voltage higher than the overcharge reference voltage. Let the voltage converge to the overcharge reference voltage.

참고적으로, 이러한 포맷은 부가적으로 아래의 동작을 수행하기도 한다.For reference, this format additionally performs the following operations.

예를 들어, 다양한 장치별로 충전을 하는 경우, 충전전압별로 소요 사용량을 만든다.For example, when charging various devices, the required usage amount is created for each charging voltage.

이러한 경우, 충전 동작 또는, 방전 동작에서 충전전압에 따라, 장치를 충전하는 과정에서 작업공정을 시작하면서 일정량까지 상승하는 충전구간과 혹은, 이를 유지하는 홀딩구간, 하강하는 방전구간으로 다양하게 구분한다.In this case, depending on the charging voltage in the charging operation or discharging operation, it is divided into a charging section that rises to a certain amount at the start of the work process in the process of charging the device, a holding section that maintains this, and a discharge section that falls. .

그리고, 각각의 구간에 따라 소요 사용량이 달라서 구간별로 정보셋을 구분하여 포맷을 만든다. 또한, 여러 상황에 따라 실제 작업을 수행하지 않고 보관하고 있을 수도 있기 때문에 여러 상황별로 각기 다른 포맷을 만들기도 한다.Also, since the required usage varies depending on each section, the information set is divided by section and a format is created. Also, depending on various situations, data may be stored without performing actual work, so different formats are created for various situations.

따라서, 포맷은 충전 상황과 장치별로 상이하게 분류하고, 구간별로 구분하여 만들기도 한다. 그리고 설비별로의 각 호기마다 포맷을 새로 만들 수도 있고 기준을 잡아 몇 개의 설비의 묶음으로 포맷을 만들 수도 있다. 이러한 것은 데이터의 특성에 따라 적합한 방법을 결정하도록 한다.Therefore, formats are classified differently depending on the charging situation and device, and are also created by dividing them into sections. Additionally, a new format can be created for each unit of each facility, or a format can be created as a bundle of several facilities by setting standards. This allows the appropriate method to be determined depending on the characteristics of the data.

다음, 실시간으로 수집한 정보에서 장치와 설비 등의 오류로 인하여 다수 데이터가 미수집 될 경우와 여러 조건 등의 이상치가 발생할 경우, 해당 데이터 파일을 제거하여야 한다. 기본 데이터셋을 만든 후, 추가적으로 필요한 누적 소요 사용량 등의 속성을 추가한다.Next, if a large number of data is not collected due to errors in devices and facilities in the information collected in real time, or if outliers such as various conditions occur, the corresponding data file must be removed. After creating a basic data set, add additional properties such as required cumulative usage.

그리고, 간혹 정보의 끊김 현상으로 일부 정보가 미수집 되었을 경우 해당 정보를 제거한다.Additionally, if some information is not collected due to information interruption, the information is removed.

다음으로 포맷별 유효한 속성을 결정하고 정규치를 구한 후 독립 및 종속 변수를 결정한다.Next, determine valid properties for each format, obtain normal values, and determine independent and dependent variables.

도 10은 일실시예에 따른 학습 모델(47)의 실험 결과를 보여주는 도면이다.FIG. 10 is a diagram showing experimental results of the learning model 47 according to one embodiment.

도 10에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 학습 모델(47)의 실험 결과는 먼저 실험 결과에서 입력은 전압과 전류, 온도 및 시간으로 주어진다. 그리고, 목표 출력은 SOC% 이다. 처음에는 정보를 학습과 테스트로 분할한다. 이러한 경우, 70% 정보는 kNN 방법으로 학습된다. 추가적으로는, 훈련하는 동안 정확한 결과를 얻을 수 있는 k번째 레이어에 집중하도록 한다. 여기에서, 충전 동안의 kNN 결과와 실제의 비교를 보여주며, (a) 10싸이클, (b) 50싸이클, (c) 100싸이클, (d) 150싸이클을 사용한 것이다.As shown in FIG. 10, the experimental results of the learning model 47 according to one embodiment are first given as inputs of voltage, current, temperature, and time. And, the target output is SOC%. Initially, the information is split into training and testing. In this case, 70% information is learned with the kNN method. Additionally, during training, focus on the kth layer where accurate results can be obtained. Here, we show a comparison between the kNN results and the actual during charging, using (a) 10 cycles, (b) 50 cycles, (c) 100 cycles, and (d) 150 cycles.

그래서, 이에 따라 예측값과 실험결과는 아래의 표 1과 같이, 평균 절대오차 10과 50, 100 및 150회 충방전 시험에서 각기 0.08%와 0.58%, 0.35%, 0.45%로 우수하게 동작하므로, 우수성을 보여준다.Therefore, as shown in Table 1 below, the predicted values and experimental results show excellent performance with average absolute errors of 0.08%, 0.58%, 0.35%, and 0.45% in charge and discharge tests of 10, 50, 100, and 150 times, respectively. shows.

충전횟수Number of charges 평균절대오차mean absolute error 10싸이클10 cycles 0.08%0.08% 50싸이클50 cycles 0.58%0.58% 100싸이클100 cycles 0.35%0.35% 150싸이클150 cycles 0.45%0.45%

10: 배터리팩 운용 관리 시스템
20: 배터리팩
21: 배터리모듈
22: 모듈 BMS
23: 배터리셀
24: 셀 BMS
30: 센서부
35: 통신부
40: 마이컴
41: 제1 증폭기
42: 제1 비교기
43: PI 전압 제어기
44: 전류 변환기
45: 제2 증폭기
46: 제2 비교기
47: 학습 모델
48: KNN 기계학습 알고리즘
50: 충전기
51: 충전기 커넥터
52: 전압 센서
53: 제1 스위칭 소자
54: 전류 센서
55: 제2 스위칭 소자
60: 대시보드
61: 모바일앱
70: 게이트 드라이버
10: Battery pack operation management system
20: Battery pack
21: Battery module
22: Module BMS
23: Battery cell
24: Cell BMS
30: sensor unit
35: Department of Communications
40: Microcomputer
41: first amplifier
42: first comparator
43: PI voltage controller
44: current transducer
45: second amplifier
46: second comparator
47: Learning model
48: KNN machine learning algorithm
50: Charger
51: charger connector
52: voltage sensor
53: first switching element
54: current sensor
55: second switching element
60: Dashboard
61: Mobile app
70: gate driver

Claims (5)

a) 병렬 연결된 배터리셀(23)로 다수개가 포함된 배터리모듈(21)이 다수 직렬 연결된 배터리팩(20);
상기 배터리팩(20)의 일측에 구비되어, 배터리모듈(21) 및 배터리셀(23) 단위로 전압과 전류 및 온도를 측정하는 센서부(30); 및
상기 센서부(30)에 의해 측정된 측정 데이터를 바탕으로, 상기 배터리팩(20)의 충전 및 방전, 상기 배터리팩(20)과 배터리모듈(21) 및 배터리셀(23)의 전압 및 전류를 제어하는 마이컴(40);
상기 배터리팩(20)과 센서부(30) 및 마이컴(40)이 상호 통신하기 위한 통신부(35);를 포함하고,
상기 배터리셀(23)의 일측에는
해당 배터리셀(23)을 관리하기 위한 셀 BMS(24)가 장착되고,
상기 배터리모듈(21)의 일측에는
해당 배터리모듈(21)을 관리하기 위한 모듈 BMS(22)가 장착되고,

b) 충전기와 연결되어, 사전에 설정된 기준 전압 및 기준 전류의 전력을 배터리팩(20)에 공급하는 충전기 커넥터(51);
상기 배터리팩(20)의 일측에 구비되어, 상기 배터리팩(20)의 실전압을 측정하는 전압 센서(52);
상기 충전기 커넥터(51)의 일단 및 상기 전압 센서(52)의 사이에 구비되어, 상기 전압 센서(52)에 의해 측정된 상기 배터리팩(20)의 실전압에 의해 온 시간이 가변되는 제1 스위칭 소자(53);
상기 배터리팩(20)의 타측에 구비되어, 상기 배터리팩(20)의 실전류를 측정하는 전류 센서(54); 및
상기 충전기 커넥터(51)의 타단 및 상기 전류 센서(54)의 사이에 구비되어, 상기 전류 센서(54)에 의해 측정된 배터리팩(20)의 실전류에 의해 온 시간이 가변되는 제2 스위칭 소자(55); 를 포함하고,


c) 상기 전압 센서(52)에 의해 측정된 실전압을 일정 배수만큼 증가시키는 제1 증폭기(41);
상기 기준 전압으로부터, 상기 제1 증폭기(41)에서 출력된 상기 배터리팩(20)의 실전압을 차감한 전압차를 출력하는 제1 비교기(42);
상기 제1 비교기(42)에 의해 계산된 상기 전압차를 입력받아, 상기 배터리팩(20)의 실전압에 상기 전압차를 보상한 전압 보상값을 출력하는 PI 전압 제어기(43);
상기 전압 보상값을 변환시킨 전류 예측값를 출력하는 전류 변환기(44);
상기 전류 센서(54)에 의해 측정된 상기 실전류를 상기 일정 배수만큼 증가시키는 제2 증폭기(45);
상기 전류 예측값으로부터, 상기 제2 증폭기(45)에서 출력된 상기 배터리팩(20)의 상기 실전류를 차감한 실전류차를 출력하는 제2 비교기(46);
상기 실전류차의 비교 기준이 되는 기준 전류차가 사전에 설정되는 학습 모델(47); 및
상기 학습 모델(47)의 기준 전류차 및 상기 제2 비교기(46)의 실전류차를 비교하여, 상기 배터리팩(20)의 상태 데이터를 출력하는 KNN 기계학습 알고리즘(48); 을 포함하며,

상기 학습 모델(47)은,
1. 먼저 배터리의 충전 상태(SOC)를 아래의 식 1로 표현하여 산출하고,
[식 1]

(여기서, Q: 총 배터리 전류용량 [Ah], Q c: 시간에 대한 배터리 전류 잔량 [A.h], Qe : 배터리 충전 전류량 [Ah].)
2. 산출된 SOC는 SOC 예측을 위해 kNN 분류기로 전송되고,
3. 배터리의 방전량도 아래의 식 2로 산출하여,
[식 2]

4. 산출된 SOC와 DOD(Depth of Discharge) 조건으로 하여 배터리 셀의 설정 충전전압 조건으로 설정 임계 충전전압까지 충전하고 설정 시간 동안 휴지한 후 설정 방전전류 조건으로 설정 임계 방전전압까지 방전하여, 이 전압과 전류, 시간 정보를 SOC 학습 정보로 수집하고,
5. kNN(K Nearest Neighbors) 알고리즘을 사용하여 SOC 학습 정보를 기계학습하고 경년변화에 대한 SOC 추정을 위한 신경망회로는 입력층에 충전시간(T)에 대한 충전전압(V)과 충전전류(I)와 히든층에 4개 노드와 출력층에 2개 출력노드로 구성하여 배터리의 경년변화에 대한 SOC 결과값을 예측하고,
계산된 SOC는 SOC 실제값과 비교하여 오차분이 최소화되도록 kNN 분류기 모델의 가중치를 조정하며, 여기에서,

상기 kNN 알고리즘은,
1) SOC 학습 정보로서 전압과 전류, 시간 및 온도 정보가 입력되고,
2) SOC 학습 정보에서 목표 값에 가까웠던 k개의 최근접 이웃 점을 구하여,
3) k개의 이웃을 기반으로 각 이웃의 유클리디안 거리를 아래의 식 3에서 식 5로 산출해서,
[식 3]

(여기서, xt : 입력에 대한 예측값, f(xt) : 훈련 데이터 세트에서 예측된 SOC 값, wt: 가중치, k : 에측 가중치 수)
[식 4]

(여기서, dp,i : 테스트 포인트와 인접 포인트 사이의 가중 거리, t : wt에서 감소율 파라미터.)
[식 5]

(여기서, N : 2 포인트 거리차의 유클리드 공간수, xt,xj : t번째와 j번째의 SOC 포인트 데이터값, wt : t번째 가중)
4) 거리 계산 후 가장 가까운 이웃을 선택하며,
5) 인접 포인트를 기반으로 k번째 레이어를 할당하고,
6) 각 범주의 데이터 포인트 수를 산출해서,
7) 데이터 포인트를 가장 가깝고 가장 작은 k번째 레이어에 할당하며,
8) 평균 절대 오차를 통해 오차율을 산출하여,
9) 산출된 오차분이 최소화하도록 가중치를 최적화하는 것; 을 특징으로 하는 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템.
a) a battery pack (20) in which a plurality of battery modules (21) including a plurality of battery cells (23) connected in parallel are connected in series;
A sensor unit 30 provided on one side of the battery pack 20 to measure voltage, current, and temperature for each battery module 21 and battery cell 23; and
Based on the measurement data measured by the sensor unit 30, the charging and discharging of the battery pack 20, the voltage and current of the battery pack 20, the battery module 21, and the battery cell 23 are measured. Controlling microcomputer (40);
It includes a communication unit 35 for the battery pack 20, the sensor unit 30, and the microcomputer 40 to communicate with each other,
On one side of the battery cell 23,
A cell BMS (24) is installed to manage the battery cell (23),
On one side of the battery module 21,
A module BMS (22) is installed to manage the battery module (21),

b) a charger connector 51 that is connected to a charger and supplies power of a preset reference voltage and reference current to the battery pack 20;
A voltage sensor 52 provided on one side of the battery pack 20 to measure the actual voltage of the battery pack 20;
A first switching device that is provided between one end of the charger connector 51 and the voltage sensor 52 and whose on-time is variable depending on the actual voltage of the battery pack 20 measured by the voltage sensor 52. Small (53);
A current sensor 54 provided on the other side of the battery pack 20 to measure the actual current of the battery pack 20; and
A second switching element provided between the other end of the charger connector 51 and the current sensor 54 and whose on-time is variable depending on the actual current of the battery pack 20 measured by the current sensor 54. (55); Including,


c) a first amplifier 41 that increases the actual voltage measured by the voltage sensor 52 by a certain multiple;
a first comparator 42 that outputs a voltage difference obtained by subtracting the actual voltage of the battery pack 20 output from the first amplifier 41 from the reference voltage;
a PI voltage controller 43 that receives the voltage difference calculated by the first comparator 42 and outputs a voltage compensation value that compensates the voltage difference to the actual voltage of the battery pack 20;
a current converter 44 that outputs a current predicted value converted from the voltage compensation value;
a second amplifier 45 that increases the actual current measured by the current sensor 54 by the predetermined multiple;
a second comparator 46 that outputs an actual current difference obtained by subtracting the actual current of the battery pack 20 output from the second amplifier 45 from the current predicted value;
A learning model 47 in which a reference current difference that serves as a comparison standard for the actual current difference is set in advance; and
A KNN machine learning algorithm 48 that compares the reference current difference of the learning model 47 and the actual current difference of the second comparator 46 and outputs state data of the battery pack 20; Includes,

The learning model 47 is,
1. First, calculate the state of charge (SOC) of the battery by expressing it in Equation 1 below,
[Equation 1]

(Where, Q: Total battery current capacity [Ah], Q c : Battery current remaining amount over time [Ah], Q e : Battery charging current amount [Ah].)
2. The calculated SOC is sent to the kNN classifier for SOC prediction,
3. Calculate the battery discharge amount using Equation 2 below,
[Equation 2]

4. Using the calculated SOC and DOD (Depth of Discharge) conditions, charge up to the set critical charge voltage under the set charging voltage conditions of the battery cell, rest for a set time, and then discharge up to the set critical discharge voltage under set discharge current conditions. Collect voltage, current, and time information as SOC learning information,
5. The neural network circuit uses the kNN (K Nearest Neighbors) algorithm to machine learn SOC learning information and estimate SOC for secular changes. The input layer includes charging voltage (V) and charging current (I) for charging time (T). ) and 4 nodes in the hidden layer and 2 output nodes in the output layer to predict the SOC result for the battery's aging changes,
The calculated SOC adjusts the weights of the kNN classifier model to minimize the error compared to the actual SOC, where:

The kNN algorithm is,
1) Voltage, current, time, and temperature information are input as SOC learning information,
2) Find the k nearest neighbor points that were close to the target value from the SOC learning information,
3) Based on k neighbors, calculate the Euclidean distance of each neighbor using Equations 3 to 5 below,
[Equation 3]

(where x t : predicted value for input, f(x t) : predicted SOC value in training data set, w t : weight, k : number of predicted weights)
[Equation 4]

(Where, d p,i : Weighted distance between test point and adjacent point, t : Decrease rate parameter in w t .)
[Equation 5]

(Here, N : Euclidean space number of 2-point distance difference, x t, x j : t-th and j-th SOC point data values, w t : t-th weighting)
4) After calculating the distance, select the nearest neighbor,
5) Assign the kth layer based on adjacent points,
6) Calculate the number of data points in each category,
7) Assign the data points to the nearest and smallest kth layer,
8) Calculate the error rate through the average absolute error,
9) Optimizing the weights so that the calculated error is minimized; A battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm characterized by .
제 1항에 있어서,
상기 전류 예측값은
상기 배터리팩(20)으로 충전 예정인 전류이고,
상기 배터리팩(20)의 상태 데이터는
과충전, 미충전 및 과방전 상태 중에서 하나로 설정되고, 상기 배터리팩(20)에 공급되어야 하는 전압 및 전류값을 포함하고,
KNN 기계학습 알고리즘은
상기 배터리팩(20)의 상태 데이터를 바탕으로, 상기 제1 스위칭 소자(53) 및 제2 스위칭 소자(55)의 온 시간을 각각 출력하여, 상기 통신부(35)를 통해 상기 제1 스위칭 소자(53) 및 제2 스위칭 소자(55)로 각각 전송하는 것을 특징으로 하는 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템.
According to clause 1,
The current predicted value is
This is the current scheduled to be charged with the battery pack 20,
The status data of the battery pack 20 is
It is set to one of overcharge, uncharge, and overdischarge states, and includes voltage and current values to be supplied to the battery pack 20,
The KNN machine learning algorithm is
Based on the status data of the battery pack 20, the on-time of the first switching element 53 and the second switching element 55 are output, respectively, and the first switching element ( 53) and a second switching element 55, respectively. A battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm.
제 1항에 있어서,
상기 마이컴(40)은
상기 센서부(30)에 의해 측정된 배터리셀(23)의 실전압이 사전에 설정된 상한 전압을 초과하는 경우, 상기 배터리셀(23)을 과전압 상태로 판정하고, 상기 배터리셀(23)을 방전시켜, 상기 배터리셀(23)의 실전압이 기준 구간 내에서 상한 전압으로 수렴하도록 되도록 제어하고,
상기 센서부(30)에 의해 측정된 배터리셀(23)의 실전압이 사전에 설정된 하한 전압 미만인 경우, 상기 배터리셀(23)을 저전압 상태로 판정하고, 상기 배터리셀(23)을 충전시켜, 상기 배터리셀(23)의 실전압이 기준 구간 내에서 하한 전압으로 수렴하도록 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템.
According to clause 1,
The microcomputer 40 is
When the actual voltage of the battery cell 23 measured by the sensor unit 30 exceeds the preset upper limit voltage, the battery cell 23 is determined to be in an overvoltage state, and the battery cell 23 is discharged. Controlling the actual voltage of the battery cell 23 to converge to the upper limit voltage within the reference section,
When the actual voltage of the battery cell 23 measured by the sensor unit 30 is less than a preset lower limit voltage, the battery cell 23 is determined to be in a low voltage state and the battery cell 23 is charged, A battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm, characterized in that the actual voltage of the battery cell 23 is controlled to converge to the lower limit voltage within the reference section.
제 3항에 있어서,
상기 상한 전압은
배터리셀의 충전 기준이 되는 전압이고,
상기 하한 전압은
배터리셀의 방전 기준이 되는 전압이고,
상기 기준 구간은
배터리셀의 전압이 상기 하한 전압 이상, 상기 상한 전압 이하인 구간인 것을 특징으로 하는 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템.
According to clause 3,
The upper limit voltage is
This is the voltage that serves as the standard for charging battery cells,
The lower limit voltage is
This is the voltage that serves as the standard for discharging battery cells,
The standard section is
A battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm, characterized in that the voltage of the battery cell is above the lower limit voltage and below the upper limit voltage.
제 3항에 있어서,
상기 마이컴(40)은
상기 기준 전압에서 상기 전압 센서(52)에 의해 측정된 상기 실전압을 차감한 상기 실전압차를 계산한 후, 상기 실전압차에 비례하여, 상기 제1 스위칭 소자(53)의 온 시간이 가변되도록 제어하고,
상기 기준 전류에서 상기 전압 센서(52)에 의해 측정된 상기 실전류을 차감한 상기 실전류차를 계산한 후, 상기 실전류차에 비례하여, 상기 제2 스위칭 소자(55)의 온 시간이 가변되도록 제어하고,
상기 기준 전압은
상기 배터리팩(20)의 충전 기준이 되는 전압이고,
상기 기준 전류는
상기 배터리팩(20)의 충전 기준이 되는 전류인 것을 특징으로 하는 KNN 기계학습 알고리즘을 이용한 배터리팩 운용 관리 시스템.





According to clause 3,
The microcomputer 40 is
After calculating the actual voltage difference by subtracting the actual voltage measured by the voltage sensor 52 from the reference voltage, the on time of the first switching element 53 is varied in proportion to the actual voltage difference. Control as much as possible,
After calculating the actual current difference by subtracting the actual current measured by the voltage sensor 52 from the reference current, the on time of the second switching element 55 is controlled to vary in proportion to the actual current difference. ,
The reference voltage is
This is the voltage that serves as a charging standard for the battery pack 20,
The reference current is
A battery pack operation management system using the KNN machine learning algorithm, characterized in that the current is the charging standard for the battery pack (20).





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