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마코프체인 몬테카를로 방법을 이용한 에너지 저장 장치용 배터리의 잔존 수명 추정
Remaining Useful Life Estimation of Li-ion Battery for Energy Storage System Using Markov Chain Monte Carlo Method 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.10, 2016년, pp.895 - 900  

김동진 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) ,  김석구 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) ,  최주호 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) ,  송화섭 (효성 중공업) ,  박상희 (효성 중공업) ,  이재욱 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과)

초록
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리튬 이온 배터리의 잔존수명 추정은 품질보증, 운전계획, 교체주기 파악 등을 위해 활용된다는 점에서 그 필요성이 점점 커지고 있다. 본 논문에서는 에너지 저장 장치용 배터리의 잔존 수명을 단일지수 용량열화 모델과 마코프체인 몬테카를로(MCMC) 방법을 이용하여 추정한 결과를 제시한다. MCMC방법은 사전 정보가 제대로 주어지지 않았을 때, 추정결과가 모델 초기값과 입력 설정값에 따라 크게 변하게 되는 단점이 있어, 실제 현장에서 배터리 모델과 추정법에 익숙하지 않은 사용자가 활용하는데 어려움이 있다. 이러한 어려움을 극복하기 위해, 본 논문에서는 베이지안 추론법의 이론식을 전역 탐색하여 구한 이론값과 MCMC 추정값을 비교해서, 초기값과 설정값을 결정하는 과정을 제안한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Remaining useful life (RUL) estimation of the Li-ion battery has gained great interest because it is necessary for quality assurance, operation planning, and determination of the exchange period. This paper presents the RUL estimation of an Li-ion battery for an energy storage system using exponenti...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 수명 모델에 대한 사전정보가 부족할 때 MCMC방법을 적용하기 위한 초기값과 설정값들의 범위를 확인한다. 가장 먼저, 실제 에너지 저장장치용 배터리의 수명 데이터를 바탕으로 잔존 수명을 예측해보고, 모델 초기값과 MCMC입력 설정값의 결정에 어려움을 있음을 확인한다.
  • 본 논문에서는 먼저 에너지 저장장치에서 획득한 배터리 용량 데이터에 MCMC를 적용하여 잔존수명을 추정한 결과를 제시하였다. 다음으로 잔존 수명 추정 결과가 추정과정에서 필요한 모델 초기값과 MCMC 설정값에 의해 크게 영향 받는다는 것을 확인하였다.
  • MCMC 방법은 사전 정보를 바탕으로, 현 상황에 대한 효율적인 추정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 본 연구팀은 주파수 조정, 피크 조절 등에 사용되는 에너지 저장장치에 들어가는 리튬이온 배터리의 잔존 수명을 예측하기 위해 MCMC법을 이용한 GUI (Graphic User Interface) 기반 프로그램을 Fig. 1과 같이 개발 하였다. 개발한 프로그램은 실제 사용 중에 있는 대용량 에너지 저장장치용 배터리 수명 예측에 적용되어 그 효율성을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
리튬이온 배터리는 어디에 사용되고 있는가 리튬이온(Li-ion) 배터리는 타 종류의 배터리에 비해 월등히 높은 에너지밀도 덕분에노트북, 휴대전화와 같은 전자제품, 전력기반 자동차, 신재생 에너지 저장장치와 같이 전력 저장이 필요한 다양한 장치에서 활발하게 활용되고 있다. 이러한 장치에서 배터리의 잔존 수명 예측은 품질 보증기간을 제공하고, 교체 주기를 결정하는데 활용된다는 점에서 그 필요성이 점점 커지고 있다.
배터리 잔존수명 추정법을 구분하시오 배터리 잔존수명 추정은 예측의 불확실성 때문에 확률기반의 방법론을 이용하여 진행되는데, 추정법은 크게 물리모델 기반법(1~4)과 데이터 기반법(5~8)으로 구분될 수 있다. 물리모델 기반법에서는 용량의 충방전 사이클 또는 시간에 대한 열화모델을 구성하기 위해 단순화된 등가회로 모델,(1~4) 또는 전기화학 모델(9,10)을 주로 사용하여 왔다.
배터리 잔존수명 추정법 중 물리모델 기반법에는 어떠한 모델을 주로 사용하는가 배터리 잔존수명 추정은 예측의 불확실성 때문에 확률기반의 방법론을 이용하여 진행되는데, 추정법은 크게 물리모델 기반법(1~4)과 데이터 기반법(5~8)으로 구분될 수 있다. 물리모델 기반법에서는 용량의 충방전 사이클 또는 시간에 대한 열화모델을 구성하기 위해 단순화된 등가회로 모델,(1~4) 또는 전기화학 모델(9,10)을 주로 사용하여 왔다. 구성된 열화모델을 바탕으로 잔존수명을 예측하기 위해서는 Kalman Filter(KF) 법, (1) Extended Kalman Filter(EKF) 법, (2,3) Particle Filter(PF) 법(4) 등 다양한 베이지안(Bayesian) 접근법이 적용되어 왔다.
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참고문헌 (11)

  1. Seo, B. H., Nguyen, T. H., Lee, D. C., Lee, K. B. and Kim, J. M., 2012, "Condition Monitoring of Lithium Polymer Batteries Based on a Sigma-Point Kalman Filter," Journal of Power Electronics, Vol. 12, No. 5, pp. 778-786. 

  2. Bhangu, B. S., Bentley, P., Stone, D. A. and Bingham, C. M., 2005, "Nonlinear Observers for Predicting State-of-Charge and State-of-Health of Lead-Acid Batteries for Hybrid-Electric Vehicles," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 54, No. 3, pp. 784-794. 

  3. Andre, D., Nuhic, A., Soczka-Guth, T. and Sauer, D. U., 2013, "Comparative Study of a Structured Neural Network and an Extended Kalman Filter for State of Health Determination of Lithium-ion Batteries in Hybrid Electric Vehicles," Engineering Applications of Artificial Intelligence, Vol. 26, No. 3, pp. 951-961. 

  4. Dalal, M., Ma, J., and He, D., 2011, "Lithium-ion Battery Life Prognostic Health Management System Using Particle Filtering Framework," Journal of Risk and Reliability, Vol. 225, No. 1, pp. 81-90. 

  5. Nuhic, A., Terzimehic, T., Soczka-Guth, T., Buchholz, M. and Dietmayer, K., 2013, "Health Diagnosis and Remaining Useful Life Prognostics of Lithium-ion Batteries Using Data-driven Methods," Journal of Power Sources, Vol. 239, pp. 680-688. 

  6. Liu, D., Zhou, J. Pan, D., Peng, Y. and Peng, X., 2015, "Lithium-ion Battery Remaining Useful Life Estimation with an Optimized Relevance Vector Machine Algorithm with Incremental Learning," Measurement, Vol. 63, pp. 143-151. 

  7. Yang, W. A., Xiao, M., Wei, Z., Guo, Y. and Liao, W., 2015, "A Hybrid Prognostic Approach for Remaining Useful Life Prediction of Lithium-Ion Batteries," Shock and Vibration, Vol. 2016, Article ID 3838765, 15 pages. 

  8. Lee, J., Sung, W. and Choi, J. H., 2015, "Metamodel for Efficient Estimation of Capacity-Fade Uncertainty in Li-Ion Batteries for Electric Vehicles," Energies, Vol. 8, No. 6, pp. 5538-5554. 

  9. Li, X., Miao, J. and Ye, J., 2015, "Lithium-ion Battery Remaining Useful Life Prediction Based on Grey Support Vector Machines," Advances in Mechanical Engineering, Vol. 7, No. 12, pp. 1-8. 

  10. Sung, W., Hwang, D. S., Jeong, B. J, Lee, J. and Kwon, T., 2016, "Electrochemical Battery Model and its Parameter Estimator fors Use in a Battery Management System of Plug-in Hybrid Electric Vehicles," International Journal of Automotive Technology, Vol. 17, No. 3, pp. 493-508. 

  11. Sim, S. H., Gang, J. H., An, D. Kim, S. I., Kim, J. Y. and Choi, J. H., 2013, "Remaining Useful Life Prediction of Li-Ion Battery Based on Charge Voltage Characteristics," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 4, pp. 313-322. 

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