KR102815228B1 - Method, apparatus, and system for controlling a hydrogen fuel cell-based hybrid battery using an artificial intelligence model - Google Patents
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Abstract
인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 시스템은 인스트럭션들을 저장하는 메모리 및 프로세서를 포함할 수 있다. 시스템은 물을 전기분해하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 저장하며, 필요 시 저장된 수소를 이용하여 전력을 생성하는 가역적 에너지 변환 과정을 수행할 수 있다. 시스템은 수소연료전지의 작동 상태를 모니터링하기 위한 복수의 센서들로부터 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나를 포함하는 제1 센싱 데이터를 수신하고, 에너지저장장치의 상태를 모니터링하기 위한 센서들로부터 제2 센싱 데이터를 수신할 수 있다. 시스템은 자율적 판단 및 제어가 가능한 AI 에이전트 형태로 구현된 인공지능 모델을 이용하여 상기 제1 센싱 데이터 및 상기 제2 센싱 데이터를 실시간으로 분석하여 제어 파라미터를 생성하고, 제어 파라미터를 기반으로 시스템의 전력이 부족한 경우에는 저장된 수소를 수소연료전지에 공급하여 전력을 생성하고, 시스템에 잉여 전력이 있는 경우에는 해당 잉여 전력을 이용하여 물의 전기분해를 통해 수소를 생성 및 저장하도록 제어하며, 시스템 내 설치된 엣지 컴퓨팅 디바이스를 통해 실시간 센서 데이터를 지연 없이 처리하고, 상기 에너지저장장치의 셀 간 전력 밸런싱을 수행하도록 제어할 수 있다.A hybrid battery control system based on a hydrogen fuel cell utilizing an artificial intelligence model may include a memory and a processor storing instructions. The system may perform a reversible energy conversion process of generating hydrogen by electrolyzing water, storing the generated hydrogen, and generating electricity using the stored hydrogen when necessary. The system may receive first sensing data including at least one of voltage, current, and temperature from a plurality of sensors for monitoring an operating state of a hydrogen fuel cell, and may receive second sensing data from sensors for monitoring a state of an energy storage device. The system analyzes the first sensing data and the second sensing data in real time using an artificial intelligence model implemented in the form of an AI agent capable of autonomous judgment and control to generate control parameters, and if the system's power is insufficient based on the control parameters, supplies stored hydrogen to a hydrogen fuel cell to generate power, and if the system has surplus power, controls the system to generate and store hydrogen through water electrolysis using the surplus power, and processes real-time sensor data without delay through an edge computing device installed in the system and performs power balancing between the cells of the energy storage device.
Description
본 발명은 수소연료전지와 배터리를 결합한 하이브리드 배터리 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 인공지능 모델을 이용하여 수소연료전지의 출력 특성과 배터리의 충방전 특성을 실시간으로 분석하고, 이를 기반으로 전체 시스템의 효율을 최적화하는 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid battery system combining a hydrogen fuel cell and a battery and a control method thereof, and more particularly, to a control method and device for analyzing the output characteristics of a hydrogen fuel cell and the charge/discharge characteristics of a battery in real time using an artificial intelligence model and optimizing the efficiency of the entire system based on the analysis.
최근 전 세계적으로 탄소중립 정책이 강화되면서, 청정에너지원으로서 수소연료전지의 활용이 증가하고 있다. 특히 수소연료전지는 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 특성으로 인해 다양한 분야에서 주목받고 있으나, 수소연료전지 단독으로는 출력의 불안정성이라는 근본적인 한계를 가지고 있다.Recently, as carbon neutrality policies have been strengthened worldwide, the use of hydrogen fuel cells as a clean energy source is increasing. In particular, hydrogen fuel cells are attracting attention in various fields due to their high energy density and fast charging characteristics, but hydrogen fuel cells alone have a fundamental limitation of unstable output.
구체적으로, 수소연료전지는 수소 공급 압력의 변화에 따라 출력 전류가 크게 변동하는 특성이 있어, 안정적인 전력 공급을 위해서는 별도의 제어 장치가 필요하다. 또한 수소연료전지는 낮은 전압과 높은 전류라는 출력 특성을 가지고 있어, 이를 직접 활용하기에는 어려움이 있다.Specifically, hydrogen fuel cells have the characteristic that the output current fluctuates greatly depending on the change in hydrogen supply pressure, so a separate control device is required for stable power supply. In addition, hydrogen fuel cells have the output characteristics of low voltage and high current, making it difficult to utilize them directly.
종래의 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)은 단순히 배터리의 충전 상태(State of Charge, SOC)와 건강 상태(State of Health, SOH)를 모니터링하고, 과충전 및 과방전을 방지하는 기본적인 보호 기능만을 제공한다. 또한 기존의 패시브 밸런싱 방식은 에너지 효율이 낮고, 셀 간 밸런싱 속도가 느리다는 문제점이 있다.Conventional battery management systems (BMS) simply monitor the state of charge (SOC) and state of health (SOH) of the battery and provide only basic protection functions to prevent overcharge and overdischarge. In addition, the existing passive balancing method has the problem of low energy efficiency and slow cell-to-cell balancing speed.
이러한 배경하에서, 수소연료전지의 불안정한 출력 특성을 보완하고 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 형태의 하이브리드 배터리 시스템이 요구되고 있다.Against this backdrop, a new type of hybrid battery system is required that can complement the unstable output characteristics of hydrogen fuel cells and improve the efficiency of the entire system.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수소연료전지와 배터리를 효과적으로 결합한 하이브리드 시스템을 제공하는 목적을 갖는다.The present invention is intended to solve the problems of the prior art as described above, and has the purpose of providing a hybrid system that effectively combines a hydrogen fuel cell and a battery.
본 발명의 다른 목적은 인공지능 모델을 활용하여 수소연료전지의 출력 특성과 배터리의 상태를 실시간으로 분석하고, 이를 기반으로 최적의 제어 파라미터를 도출하는 지능형 제어 시스템을 제공하려는 목적을 갖는다.Another object of the present invention is to provide an intelligent control system that analyzes the output characteristics of a hydrogen fuel cell and the state of a battery in real time by utilizing an artificial intelligence model and derives optimal control parameters based on the analysis.
본 발명의 또 다른 목적은 액티브 밸런싱 기술을 적용하여 배터리 셀 간의 에너지 재분배를 효율적으로 수행함으로써, 전체 시스템의 성능과 수명을 향상시키는 목적을 갖는다.Another object of the present invention is to improve the performance and lifespan of the entire system by efficiently performing energy redistribution between battery cells by applying active balancing technology.
인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 시스템은 인스트럭션들을 저장하는 메모리 및 프로세서를 포함할 수 있다. 시스템은 순수한 물을 전기분해하여 수소를 생성하고 이를 저장하며, 수소연료전지의 작동 상태를 모니터링하기 위한 복수의 센서들로부터 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나를 포함하는 제1 센싱 데이터를 수신하고, 에너지저장장치의 상태를 모니터링하기 위한 센서들로부터 제2 센싱 데이터를 수신할 수 있다. 시스템은 자율적 판단 및 제어가 가능한 AI 에이전트 형태로 구현된 인공지능 모델을 이용하여 상기 제1 센싱 데이터 및 상기 제2 센싱 데이터를 실시간으로 분석하여 제어 파라미터를 생성하고, 제어 파라미터를 기반으로 시스템의 전력이 부족한 경우에는 저장된 수소를 수소연료전지에 공급하여 전력을 생성하고, 시스템에 잉여 전력이 있는 경우에는 해당 잉여 전력을 이용하여 물의 전기분해를 통해 수소를 생성 및 저장하도록 제어하며, 시스템 내 설치된 엣지 컴퓨팅 디바이스를 통해 실시간 센서 데이터를 지연 없이 처리하고, 상기 에너지저장장치의 셀 간 전력 밸런싱을 수행하도록 제어할 수 있다.A hybrid battery control system based on a hydrogen fuel cell utilizing an artificial intelligence model may include a memory and a processor storing instructions. The system generates hydrogen by electrolyzing pure water and stores the hydrogen, receives first sensing data including at least one of voltage, current, and temperature from a plurality of sensors for monitoring an operating state of a hydrogen fuel cell, and receives second sensing data from sensors for monitoring a state of an energy storage device. The system analyzes the first sensing data and the second sensing data in real time using an artificial intelligence model implemented in the form of an AI agent capable of autonomous judgment and control to generate control parameters, and when the system has insufficient power based on the control parameters, supplies stored hydrogen to the hydrogen fuel cell to generate power, and when the system has surplus power, controls to generate and store hydrogen by electrolyzing water using the surplus power, processes real-time sensor data without delay through an edge computing device installed in the system, and performs power balancing between cells of the energy storage device.
시스템은 전자 장치(예: 단말, 컴퓨터)로 대체될 수 있다. 인스트럭션들에 의해 실행되는 시스템의 동작들은 방법으로 분류될 수 있다.The system may be replaced by an electronic device (e.g., a terminal, a computer). The operations of the system executed by instructions may be classified into methods.
본 발명에 따른 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 시스템은 수소연료전지와 배터리의 장점을 결합함으로써, 안정적이고 지속가능한 전력 공급이 가능하도록 만들 수 있다. 특히 수소연료전지의 높은 에너지 밀도와 배터리의 안정적인 출력 특성이 상호 보완적으로 작용하여, 시스템의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있다.The hydrogen fuel cell-based hybrid battery system according to the present invention can provide a stable and sustainable power supply by combining the advantages of a hydrogen fuel cell and a battery. In particular, the high energy density of the hydrogen fuel cell and the stable output characteristics of the battery work complementarily to each other, thereby improving the overall performance of the system.
본 발명에 따른 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 시스템은 인공지능 모델을 통한 실시간 분석 및 제어로 시스템의 효율성을 극대화할 수 있다. 센서 데이터의 패턴을 학습하고 최적의 제어 파라미터를 도출함으로써, 상황에 따른 적응적 제어를 수행할 수 있다.The hydrogen fuel cell-based hybrid battery system according to the present invention can maximize the efficiency of the system through real-time analysis and control using an artificial intelligence model. By learning the pattern of sensor data and deriving optimal control parameters, adaptive control according to the situation can be performed.
본 발명에 따른 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 시스템은 액티브 밸런싱 기술의 적용으로 배터리의 수명과 성능이 향상시킬 수 있다. 그리고 셀 간 에너지 재분배를 효율적으로 수행함으로써, 배터리 팩의 전체적인 성능을 최적화할 수 있다.The hydrogen fuel cell-based hybrid battery system according to the present invention can improve the life and performance of the battery by applying active balancing technology. In addition, by efficiently performing energy redistribution between cells, the overall performance of the battery pack can be optimized.
본 발명에 따른 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 시스템은 다양한 사용 환경에서 안정적인 전력 공급이 가능하다. 정전, 야외활동, 비상상황 등 전력 공급이 제한적인 환경에서도 지속적으로 전력을 제공할 수 있다.The hydrogen fuel cell-based hybrid battery system according to the present invention can provide stable power supply in various usage environments. It can continuously provide power even in environments where power supply is limited, such as during a power outage, outdoor activities, or emergency situations.
도 1은 일실시예에 따른 인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2은 일실시예에 따른 뉴럴 네트워크의 학습을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 인공지능 모델의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 시스템의 구성을 블록도로 나타낸 것이다.
도 5는 일 실시예에 따른 인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 방법을 순서도로 나타낸 것이다.
도 6은 일 실시예에 따른 인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 방법의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 7은 일 실시예에 따른 인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 방법의 흐름도를 나타낸 것이다.FIG. 1 is a diagram for explaining a hydrogen fuel cell-based hybrid battery control system utilizing an artificial intelligence model according to an embodiment.
Figure 2 is a diagram for explaining learning of a neural network according to an embodiment.
Figure 3 is a diagram illustrating the configuration of an artificial intelligence model according to an embodiment.
Figure 4 is a block diagram showing the configuration of a hydrogen fuel cell-based hybrid battery control system using an artificial intelligence model according to an embodiment.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for controlling a hydrogen fuel cell-based hybrid battery using an artificial intelligence model according to one embodiment.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for controlling a hydrogen fuel cell-based hybrid battery using an artificial intelligence model according to one embodiment.
Fig. 7 is a flowchart illustrating a method for controlling a hydrogen fuel cell-based hybrid battery using an artificial intelligence model according to one embodiment.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 다양한 실시예를 자세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 여러 가지로 수정될 수 있으며, 따라서 특허 출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되지 않는다. Hereinafter, various embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, these embodiments can be modified in various ways, and therefore the scope of rights of the patent application is not limited or restricted by these embodiments.
용어 "제1" 또는 "제2"는 다양한 구성 요소를 설명하는 데 사용될 수 있지만, 이는 단순히 각 구성 요소를 구별하기 위한 것이다. 예를 들어, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있으며, 반대로 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다고 언급될 때, 이는 직접 연결되거나 중간에 다른 구성 요소가 있을 수 있음을 의미한다. 사용된 용어는 설명의 목적으로만 사용되며, 이를 한정하려는 의도는 아니다. 단수 표현은 문맥상 다르게 해석되지 않는 한 복수를 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다"는 표현은 명세서에 기재된 특징이나 요소가 존재함을 나타내며, 다른 특징이나 요소의 존재를 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다.The terms "first" or "second" may be used to describe various components, but this is simply to distinguish each component. For example, a first component may be referred to as a second component, and vice versa. When a component is referred to as being "connected" to another component, this means that it may be directly connected or there may be other components intervening. The terms used are for descriptive purposes only and are not intended to be limiting. The singular includes the plural unless the context clearly indicates otherwise. It should be understood that the terms "comprises" or "has" herein indicate the presence of a feature or element described in the specification, but do not exclude the presence of other features or elements.
특별한 정의가 없는 한, 여기서 사용되는 모든 용어는 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미를 지닌다. 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어들은 관련 기술의 맥락에 맞는 의미로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명확히 정의되지 않는 한 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 또한, 도면을 설명할 때 동일한 구성 요소에는 같은 참조 부호를 사용하고 중복된 설명은 생략한다. 실시예를 설명할 때 관련 기술에 대한 세부 설명이 필요 이상으로 흐려질 경우, 그 상세 설명을 생략할 수 있다.Unless otherwise specifically defined, all terms used herein have the meaning generally understood by a person of ordinary skill in the art. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted in the context of the relevant technology and shall not be interpreted in an overly formal sense unless explicitly defined in this application. In addition, when describing drawings, the same reference numerals are used for identical components and duplicate descriptions are omitted. When describing embodiments, if a detailed description of a related technology becomes unnecessarily unclear, the detailed description may be omitted.
실시예는 퍼스널 컴퓨터, 노트북, 태블릿, 스마트폰, 텔레비전, 스마트 가전 제품, 지능형 자동차, 키오스크, 웨어러블 장치 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 인공지능(AI) 시스템은 인간 수준의 지능을 구현하는 컴퓨터 시스템으로, 기존의 규칙 기반 스마트 시스템과는 달리 기계가 스스로 학습하고 판단하는 시스템이다. 인공지능 시스템은 사용이 증가할수록 인식률이 향상되고 사용자 취향을 더 정확히 이해하게 되어, 기존 시스템은 점차 심층 학습 기반 인공지능으로 대체되고 있다.The embodiment can be implemented in various forms such as personal computers, laptops, tablets, smartphones, televisions, smart home appliances, intelligent cars, kiosks, wearable devices, etc. An artificial intelligence (AI) system is a computer system that implements human-level intelligence, and unlike existing rule-based smart systems, it is a system in which machines learn and make judgments on their own. As the use of AI systems increases, their recognition rate improves and they understand user preferences more accurately, so existing systems are gradually being replaced by deep learning-based AI.
인공지능 기술은 기계 학습 및 이를 활용한 여러 요소 기술로 구성된다. 기계 학습은 입력 데이터의 특징을 스스로 분류하고 학습하는 알고리즘을 의미하며, 요소 기술은 심층 학습 등 기계 학습 알고리즘을 통해 인간의 인지 및 판단 기능을 모사하는 기술이다. 이러한 기술에는 언어적 이해, 시각적 이해, 추론 및 예측, 지식 표현, 동작 제어 등이 포함된다.Artificial intelligence technology consists of machine learning and various element technologies that utilize it. Machine learning refers to an algorithm that classifies and learns the characteristics of input data on its own, and element technologies are technologies that mimic human cognitive and judgment functions through machine learning algorithms such as deep learning. These technologies include linguistic understanding, visual understanding, inference and prediction, knowledge representation, and motion control.
인공지능 기술이 적용되는 여러 분야는 다음과 같다. 언어적 이해는 인간의 언어를 인식하고 처리하는 기술로, 자연어 처리, 기계 번역, 대화 시스템, 질의응답, 음성 인식 및 합성을 포함한다. 시각적 이해는 사물을 인식하고 처리하는 기술로, 객체 인식, 추적, 영상 검색, 사람 인식, 장면 이해 등을 포함한다. 추론 예측은 정보를 판단하고 예측하는 기술로, 지식 기반 추론, 최적화 예측, 추천 시스템 등이 포함된다. 지식 표현은 인간의 경험 정보를 자동으로 처리하는 기술로, 지식 구축 및 관리 등을 포함한다. 동작 제어는 자율주행차나 로봇의 움직임을 제어하는 기술로, 항법, 충돌 회피, 주행 제어 등을 포함한다. 일반적으로 기계 학습 알고리즘을 실제 생활에 적용하기 위해서는 Trial and Error 방식으로 학습하게 된다. 특히 심층 학습의 경우 수십만 번의 반복 실행이 필요하다. 이를 실제 환경에서 실행하기 어려운 경우, 컴퓨터에서 가상 환경을 구현하여 시뮬레이션을 통해 학습을 진행한다.The following are several fields in which AI technology is applied. Linguistic understanding is a technology that recognizes and processes human language, including natural language processing, machine translation, conversational systems, question-answering, and speech recognition and synthesis. Visual understanding is a technology that recognizes and processes objects, including object recognition, tracking, image search, person recognition, and scene understanding. Inference prediction is a technology that judges and predicts information, including knowledge-based inference, optimization prediction, and recommendation systems. Knowledge representation is a technology that automatically processes human experience information, including knowledge construction and management. Motion control is a technology that controls the movement of autonomous vehicles or robots, including navigation, collision avoidance, and driving control. In general, in order to apply machine learning algorithms to real life, they are learned through the Trial and Error method. In particular, deep learning requires hundreds of thousands of repeated executions. If it is difficult to implement this in a real environment, a virtual environment is implemented on a computer and learning is conducted through simulation.
본 발명에서 인공지능(AI)은 인간의 학습, 추론, 지각 능력을 모방하여 컴퓨터로 구현하는 기술을 의미하며, 기계 학습, 심볼릭 로직 등의 개념을 포함한다. 기계 학습(Machine Learning, ML)은 입력 데이터의 특징을 스스로 학습하는 알고리즘 기술이다. 인공지능 기술은 이러한 기계 학습 알고리즘을 통해 입력 데이터를 분석하고, 그 결과를 학습하며, 이를 바탕으로 판단이나 예측을 수행할 수 있다. 또한, 기계 학습 알고리즘을 사용하여 인간의 인지 및 판단 기능을 모사하는 기술들도 인공지능의 범주로 포함될 수 있다. 예를 들어, 언어적 이해, 시각적 이해, 추론 및 예측, 지식 표현, 동작 제어 등의 분야가 여기에 해당한다. 기계 학습은 데이터를 처리한 경험을 통해 신경망 모델을 훈련시키는 과정을 의미한다. 이를 통해 컴퓨터 소프트웨어는 데이터 처리 능력을 스스로 향상시킬 수 있다. 신경망 모델은 데이터 간의 상관 관계를 모델링하며, 여러 파라미터에 의해 표현될 수 있다. 신경망 모델은 주어진 데이터에서 특징을 추출하고 분석하여 데이터 간의 관계를 도출하며, 이 과정을 반복하여 모델의 파라미터를 최적화하는 것이 기계 학습의 핵심이다. 예를 들어, 신경망 모델은 입력과 출력 간의 관계를 학습하거나, 입력 데이터만으로도 규칙성을 도출하여 관계를 학습할 수 있다.In the present invention, artificial intelligence (AI) refers to a technology that implements human learning, reasoning, and perception capabilities into a computer, and includes concepts such as machine learning and symbolic logic. Machine learning (ML) is an algorithm technology that learns the characteristics of input data on its own. AI technology can analyze input data through such machine learning algorithms, learn the results, and make judgments or predictions based on them. In addition, technologies that mimic human cognitive and judgment functions using machine learning algorithms can also be included in the category of artificial intelligence. For example, this includes fields such as linguistic understanding, visual understanding, reasoning and prediction, knowledge representation, and motion control. Machine learning refers to the process of training a neural network model through experience in processing data. Through this, computer software can improve its data processing capabilities on its own. A neural network model models the correlation between data and can be expressed by multiple parameters. A neural network model extracts and analyzes features from given data to derive relationships between data, and repeating this process to optimize the parameters of the model is the core of machine learning. For example, a neural network model can learn relationships between inputs and outputs, or learn relationships by deriving regularities from input data alone.
인공지능 학습 모델 또는 신경망 모델은 인간의 뇌 구조를 컴퓨터에서 구현하도록 설계되며, 뉴런을 모사한 여러 네트워크 노드를 포함한다. 이 노드들은 서로 연결되어 신호를 주고받으며, 인공지능 학습 모델에서 다양한 깊이의 레이어를 통해 데이터를 처리한다. 이러한 모델에는 인공 신경망, 컨볼루션 신경망(CNN) 등이 포함될 수 있다. 예를 들어, 인공지능 학습 모델은 지도 학습, 비지도 학습, 강화 학습 등의 방식으로 기계 학습될 수 있다. 기계 학습 알고리즘으로는 의사결정 트리, 베이지안 네트워크, 서포트 벡터 머신, 인공 신경망, 에이다부스트, 퍼셉트론, 유전자 프로그래밍, 군집화 등이 사용될 수 있다.Artificial intelligence learning models or neural network models are designed to implement the human brain structure on a computer, and include multiple network nodes that mimic neurons. These nodes are connected to each other to send and receive signals, and process data through layers of various depths in the artificial intelligence learning model. These models may include artificial neural networks, convolutional neural networks (CNNs), etc. For example, artificial intelligence learning models can be machine-learned in supervised learning, unsupervised learning, reinforcement learning, etc. Machine learning algorithms that can be used include decision trees, Bayesian networks, support vector machines, artificial neural networks, AdaBoost, perceptrons, genetic programming, and clustering.
CNN은 최소한의 전처리로 설계된 다계층 퍼셉트론의 일종으로, 하나 이상의 합성곱 계층과 일반적인 인공 신경망 계층으로 구성된다. 이러한 구조 덕분에 CNN은 2차원 입력 데이터를 효과적으로 활용할 수 있으며, 영상 및 음성 분야에서 뛰어난 성능을 발휘한다. CNN은 표준 역전파를 통해 훈련되며, 다른 피드포워드 인공 신경망 기법보다 더 쉽게 훈련되고, 적은 수의 매개변수를 사용한다는 장점이 있다. 컨볼루션 네트워크는 파라미터가 묶인 노드 집합을 포함하는 신경망으로, 트레이닝 데이터의 양이 증가하고 연산 능력이 향상됨에 따라 많은 컴퓨터 비전 작업이 개선되었다. 오늘날의 대규모 데이터 세트에서는 과적합이 중요하지 않으며, 네트워크 크기를 늘리면 테스트 정확도가 향상된다. 컴퓨팅 자원의 최적 사용이 제한 요소가 되므로, 심층 신경망의 분산 및 확장 가능한 구현이 필요해진다.CNN is a type of multilayer perceptron designed with minimal preprocessing, consisting of one or more convolutional layers and general artificial neural network layers. This structure allows CNN to effectively utilize two-dimensional input data, and it shows excellent performance in the fields of images and speech. CNN is trained through standard backpropagation, and has the advantage of being easier to train than other feedforward artificial neural network techniques and using a small number of parameters. Convolutional networks are neural networks that contain a set of nodes with bound parameters, and many computer vision tasks have been improved as the amount of training data increases and computational power improves. Overfitting is not important in today's large-scale data sets, and increasing the network size improves test accuracy. As optimal utilization of computing resources becomes a limiting factor, distributed and scalable implementations of deep neural networks are required.
도 1은 일 실시예에 따른 인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 시스템을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1 is a diagram for explaining a hydrogen fuel cell-based hybrid battery control system utilizing an artificial intelligence model according to one embodiment.
도 1에 도시된 것처럼 인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리제어 시스템(100)은 여러 사용자 단말(110-1,??), 서버(120) 및 데이터베이스(130)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 데이터베이스(130)는 서버(120)와 별도로 구성되어 있지만, 반드시 이렇게만 구성될 필요는 없으며, 데이터베이스(130)가 서버(120) 내부에 위치할 수도 있다. 예를 들어, 서버(120)는 기계 학습 알고리즘을 수행하기 위한 여러 인공지능을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 다수의 사용자 단말(110-1,??), 서버(120) 및 데이터베이스(130)는 네트워크(N)를 통해 서로 통신할 수 있도록 연결될 수 있다.As illustrated in FIG. 1, a hydrogen fuel cell-based hybrid battery control system (100) utilizing an artificial intelligence model may include multiple user terminals (110-1, ??), a server (120), and a database (130). According to one embodiment, the database (130) is configured separately from the server (120), but it is not necessarily configured in this manner, and the database (130) may be located within the server (120). For example, the server (120) may include multiple artificial intelligences for performing a machine learning algorithm. According to another embodiment, multiple user terminals (110-1, ??), the server (120), and the database (130) may be connected to each other so as to be able to communicate with each other through a network (N).
네트워크(N)는 여러 사용자 단말(110-1,??), 서버(120), 데이터베이스(130) 간에 무선 또는 유선 통신을 수행하도록 할 수 있다. 예를 들어, 네트워크는 LTE(long-term evolution), LTE-A(LTE Advanced), CDMA(code division multiple access), WCDMA(wideband CDMA), WiBro(Wireless BroadBand), WiFi(wireless fidelity), 블루투스(Bluetooth), NFC(near field communication), GPS(Global Positioning System) 또는 GNSS(global navigation satellite system) 등과 같은 방식으로 무선 통신을 지원할 수 있다. 또한, 네트워크(N)는 USB(universal serial bus), HDMI(high definition multimedia interface), RS-232(recommended standard 232) 또는 POTS(plain old telephone service)와 같은 방식으로 유선 통신을 수행할 수도 있다.The network (N) can perform wireless or wired communication among multiple user terminals (110-1, ??), a server (120), and a database (130). For example, the network can support wireless communication in a manner such as LTE (long-term evolution), LTE-A (LTE Advanced), CDMA (code division multiple access), WCDMA (wideband CDMA), WiBro (Wireless BroadBand), WiFi (wireless fidelity), Bluetooth (Bluetooth), NFC (near field communication), GPS (Global Positioning System), or GNSS (global navigation satellite system). In addition, the network (N) can perform wired communication in a manner such as USB (universal serial bus), HDMI (high definition multimedia interface), RS-232 (recommended standard 232), or POTS (plain old telephone service).
데이터베이스(130)는 다양한 데이터를 저장할 수 있는 기능을 가진다. 데이터베이스(130)에 저장되는 데이터는 여러 사용자 단말(110-1,??), 서버(120)의 적어도 하나의 구성 요소에 의해 획득, 처리 또는 사용되는 데이터로, 소프트웨어(예: 프로그램)를 포함할 수 있다. 데이터베이스(130)는 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. The database (130) has a function of storing various data. The data stored in the database (130) is data acquired, processed, or used by at least one component of multiple user terminals (110-1, ??) and the server (120), and may include software (e.g., a program). The database (130) may include volatile and/or nonvolatile memory.
도 2은 일실시예에 따른 뉴럴 네트워크의 학습을 설명하기 위한 도면이다.Figure 2 is a diagram for explaining learning of a neural network according to an embodiment.
도 2에 나타난 바와 같이, 학습 장치에서는 여러 사용자 단말(110-1,??)로부터 수신된 리뷰 응답을 항목별로 처리하기 위해 뉴럴 네트워크(123)를 학습시킬 수 있다. 또한, 학습 장치는 사용자의 이동 경로 정보를 바탕으로 사용자 체류 기록을 추출하기 위해 뉴럴 네트워크(123)를 학습할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 학습 장치는 서버(120)와는 별개의 주체일 수 있지만, 이는 제한적이지 않다.As shown in Fig. 2, the learning device can train a neural network (123) to process review responses received from multiple user terminals (110-1, ??) for each item. In addition, the learning device can train a neural network (123) to extract a user's stay record based on the user's movement path information. According to one embodiment, the learning device can be a separate entity from the server (120), but this is not limited.
뉴럴 네트워크(123)는 입력 레이어(121)와 출력 레이어(125)를 포함하며, 트레이닝 샘플이 입력되어 트레이닝 출력이 생성되고, 이 출력과 레이블 간의 차이에 기반하여 학습된다. 레이블은 리뷰 응답 관련 항목과 이동 경로 정보에 따른 사용자 체류 기록에서 정의될 수 있으며, 뉴럴 네트워크(123)는 노드 간의 가중치와 활성화 함수로 정의되는 여러 노드 그룹으로 구성된다.The neural network (123) includes an input layer (121) and an output layer (125), and a training sample is input to generate a training output, and learning is performed based on the difference between the output and the label. The label can be defined in the user's stay history according to the review response-related items and movement path information, and the neural network (123) is composed of several node groups defined by weights and activation functions between the nodes.
학습 장치는 경사 하강법(Gradient Descent, GD) 또는 확률적 경사 하강법(Stochastic Gradient Descent, SGD) 기법을 사용하여 뉴럴 네트워크(123)를 학습할 수 있다. GD는 전체 데이터셋을 사용하여 모델의 파라미터를 조정하는 방식이며, SGD는 무작위로 선택된 일부 데이터만을 사용하여 더 빠른 학습을 가능하게 하는 방식이다. 학습 장치는 평균 제곱 오차(Mean Square Error, MSE) 또는 엔트로피 형태로 설계된 손실 함수를 통해 트레이닝 오류를 계산하고, 역전파(Backpropagation) 기법으로 트레이닝 오류에 영향을 미치는 가중치를 찾아 최적화할 수 있다.The learning device can learn the neural network (123) using the Gradient Descent (GD) or Stochastic Gradient Descent (SGD) technique. GD is a method that adjusts the parameters of the model using the entire data set, and SGD is a method that enables faster learning using only some randomly selected data. The learning device can calculate the training error through a loss function designed in the form of Mean Square Error (MSE) or entropy, and find and optimize the weights that affect the training error using the Backpropagation technique.
일 실시예에 따르면, 학습 장치는 리뷰 응답에서 제1 객체를 추출하여 제1 레이블을 획득하고, 제1 뉴럴 네트워크에 적용하여 생성된 제1 트레이닝 출력과 함께 학습을 수행한다. 또한 이동 경로 정보에서 제2 객체를 추출하여 제2 레이블을 획득하고, 제2 뉴럴 네트워크에 적용하여 생성된 제2 트레이닝 출력과 함께 학습을 수행한다.In one embodiment, the learning device extracts a first object from the review response to obtain a first label, and performs learning with the first training output generated by applying the first label to the first neural network. In addition, the learning device extracts a second object from the movement path information to obtain a second label, and performs learning with the second training output generated by applying the second label to the second neural network.
학습 장치는 리뷰 응답의 구성, 위치, 패턴 특징을 기반으로 제1 트레이닝 특징 벡터를, 이동 경로 정보의 구성, 길이, 패턴 특징을 바탕으로 제2 트레이닝 특징 벡터를 생성할 수 있다. 이러한 특징 벡터들은 각각의 뉴럴 네트워크에 적용되어 트레이닝 출력을 생성하고, 해당 레이블과 함께 리뷰 항목 추출 알고리즘과 사용자 체류 기록 획득 알고리즘의 학습에 사용된다. 이때 역전파는 출력층에서 발생한 오차를 입력층 방향으로 전파하면서 각 층의 가중치를 조정하는 학습 방법을 의미한다.The learning device can generate a first training feature vector based on the composition, location, and pattern features of the review response, and a second training feature vector based on the composition, length, and pattern features of the movement path information. These feature vectors are applied to each neural network to generate training outputs, and are used for learning the review item extraction algorithm and the user stay history acquisition algorithm together with the corresponding labels. At this time, backpropagation refers to a learning method that adjusts the weights of each layer while propagating the error generated in the output layer toward the input layer.
도 3은 일 실시예에 따른 인공지능 모델의 구성을 도시한 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of an artificial intelligence model according to one embodiment.
일 실시예에 따르면, 인공지능 모델은 입력 계층(input layer), 은닉 계층(hidden layer) 및 출력 계층(output layer)으로 구성될 수 있다.According to one embodiment, the artificial intelligence model may consist of an input layer, a hidden layer, and an output layer.
입력 계층(input layer)은 인공지능 모델에 입력되는 값과 관련된 계층이다. 은닉 계층(hidden layer)에서는 입력 값에 대해 MAC 연산(multiply-accumulate)과 활성화 연산을 수행하여 피쳐 맵을 생성할 수 있다. MAC 연산은 입력 값과 해당하는 가중치를 곱한 후, 이 곱한 값들을 합산하는 과정이다. 활성화 연산은 MAC 연산의 결과를 활성화 함수에 입력하여 최종 결과를 출력하는 과정으로, 다양한 형태의 활성화 함수가 사용될 수 있다. 예를 들어, 활성화 함수에는 시그모이드 함수, 탄젠트 함수, 렐루 함수, 리키 렐루 함수, 맥스아웃 함수 및 엘루 함수 등이 포함될 수 있지만, 이들에 국한되지 않는다.The input layer is a layer related to values input to the artificial intelligence model. In the hidden layer, a feature map can be generated by performing a MAC operation (multiply-accumulate) and an activation operation on the input values. The MAC operation is a process of multiplying the input values by the corresponding weights and then adding the multiplied values. The activation operation is a process of inputting the result of the MAC operation into the activation function and outputting the final result, and various forms of activation functions can be used. For example, activation functions may include, but are not limited to, the sigmoid function, the tangent function, the Relu function, the Riki-Relu function, the Maxout function, and the Elu function.
은닉 계층은 최소 한 개의 계층으로 구성될 수 있으며, 예를 들어 제1 은닉 계층과 제2 은닉 계층으로 나뉘는 경우, 제1 은닉 계층은 입력 계층의 입력 값에 기반하여 MAC 연산과 활성화 연산을 수행하여 피쳐 맵을 생성하고, 이 피쳐 맵이 제2 은닉 계층의 입력 값으로 사용될 수 있다. 제2 은닉 계층은 제1 은닉 계층의 결과로 생성된 피쳐 맵을 바탕으로 MAC 연산 및 활성화 연산을 수행할 수 있다.The hidden layer may be composed of at least one layer, and for example, when divided into a first hidden layer and a second hidden layer, the first hidden layer performs a MAC operation and an activation operation based on an input value of an input layer to generate a feature map, and this feature map can be used as an input value of the second hidden layer. The second hidden layer can perform a MAC operation and an activation operation based on a feature map generated as a result of the first hidden layer.
출력 계층(output layer)은 은닉 계층에서 수행된 연산의 결과와 관련된 계층일 수 있다.The output layer may be a layer related to the results of operations performed in the hidden layer.
일 실시예에서는 학습 모델이 주어진 말뭉치에서 자주 함께 사용되는 음절(글자) 패턴을 학습하여 복합어와 개체명의 경계를 자동으로 식별하고, 제1 UI 소스의 객체 정보와 브라우저에서 렌더링된 객체 정보를 통합하여 학습용 객체 정보 파일을 생성한다. 이 학습용 객체 정보 파일을 사용하여 딥러닝 네트워크 학습을 위한 데이터를 생성하고, 다양한 도메인에서 수신한 데이터를 기반으로 각 도메인에 맞는 하나 이상의 표준화 방법에 따라 데이터를 통합된 형식으로 표준화한다. 이후 특정 도메인의 데이터를 학습 및 추론하며, 해당 도메인에서 표준화를 위해 필요한 정보를 결정하고, 다양한 도메인으로부터 받은 데이터에 대해 후처리(post processing)를 수행할 수 있다.In one embodiment, a learning model learns syllable (character) patterns that are frequently used together in a given corpus to automatically identify boundaries between compound words and named entities, and integrates object information of a first UI source and object information rendered in a browser to generate a learning object information file. Using this learning object information file, data for deep learning network training is generated, and data received from various domains is standardized into a unified format according to one or more standardization methods suitable for each domain. Thereafter, data of a specific domain can be learned and inferred, information required for standardization in the domain can be determined, and post-processing can be performed on data received from various domains.
제1 UI 소스는 XML 파일을 포함하고, 학습용 객체 정보 파일은 특징(Features) 학습을 위한 입력 JSON 파일과 학습 중 정답(Label) 데이터로 사용되는 출력 JSON 파일을 포함한다. 이 출력 JSON 파일은 웹 표준을 준수하여 구현된 HTML의 DOM Tree 정보가 담긴 파일이다. 다양한 도메인은 RAN(radio access network), 트랜스포트(transport), 또는 코어(core) 중 적어도 하나를 포함하며, 후처리 과정은 상관(correlation) 기능을 포함할 수 있다.The first UI source includes an XML file, and the learning object information file includes an input JSON file for feature learning and an output JSON file used as correct answer (Label) data during learning. This output JSON file is a file containing DOM Tree information of HTML implemented in compliance with web standards. Various domains include at least one of RAN (radio access network), transport, or core, and the post-processing process may include a correlation function.
도 4는 일실시예에 따른 인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 시스템의 구성을 블록도로 나타낸 것이다.Figure 4 is a block diagram showing the configuration of a hydrogen fuel cell-based hybrid battery control system using an artificial intelligence model according to an embodiment.
일 실시예에 따른 시스템(400)은 프로세서(420) 및 메모리(430)를 포함할 수 있으며, 도시된 구성 중 일부가 생략 또는 치환 될 수도 있다. 일 실시예에 따른 시스템(400)는 서버 또는 단말일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(420)는 시스템(400)의 각 구성 요소들의 제어 및/또는 통신에 관한 연산이나 데이터 처리를 수행할 수 있는 구성으로써, 하나 이상의 프로세서들로 구성될 수 있다. 메모리(430)는 상술한 방법과 관련된 정보를 저장하거나 상술한 방법이 구현된 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리(430)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리일 수 있다. 메모리(430)는 다양한 파일 데이터들을 저장할 수 있으며, 프로세서(120)의 동작에 따라 저장된 파일 데이터들은 업데이트 될 수 있다.The system (400) according to one embodiment may include a processor (420) and a memory (430), and some of the illustrated configurations may be omitted or replaced. The system (400) according to one embodiment may be a server or a terminal. According to one embodiment, the processor (420) is a configuration capable of performing operations or data processing related to control and/or communication of each component of the system (400), and may be configured with one or more processors. The memory (430) may store information related to the above-described method or store a program in which the above-described method is implemented. The memory (430) may be a volatile memory or a nonvolatile memory. The memory (430) may store various file data, and the stored file data may be updated according to the operation of the processor (120).
일 실시예에 따르면, 프로세서(420)는 프로그램을 실행하고, 장치(400)를 제어할 수 있다. 프로세서(120)에 의하여 실행되는 프로그램의 코드는 메모리(430)에 저장될 수 있다. 프로세서(420)의 동작들은 메모리(430)에 저장된 인스트럭션들을 로딩(loading)함으로써 수행될 수 있다. 시스템(400)은 입출력 장치(도면 미 표시)를 통하여 외부 장치(예를 들어, 퍼스널 컴퓨터 또는 네트워크)에 연결되고, 데이터를 교환할 수 있다.According to one embodiment, the processor (420) can execute a program and control the device (400). The code of the program executed by the processor (120) can be stored in the memory (430). The operations of the processor (420) can be performed by loading instructions stored in the memory (430). The system (400) can be connected to an external device (e.g., a personal computer or a network) through an input/output device (not shown in the drawing) and exchange data.
일실시예에 따른 시스템(400)은 프로세서(420) 및 메모리(430)를 포함한다. 일실시예에 따른 시스템(400)은 상술한 서버 또는 단말일 수 있다. 프로세서(420)는 도 1 내지 도 3을 통하여 전술한 적어도 하나의 장치들을 포함하거나, 도 1 내지 도 3을 통하여 전술한 적어도 하나의 방법을 수행할 수 있다. 메모리(430)는 상술한 방법과 관련된 정보를 저장하거나 상술한 방법이 구현된 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리(430)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리일 수 있다. A system (400) according to an embodiment includes a processor (420) and a memory (430). The system (400) according to an embodiment may be the server or terminal described above. The processor (420) may include at least one of the devices described above through FIGS. 1 to 3, or may perform at least one method described above through FIGS. 1 to 3. The memory (430) may store information related to the method described above, or may store a program in which the method described above is implemented. The memory (430) may be a volatile memory or a nonvolatile memory.
일실시예에 따른 시스템(400)은 프로세서(420) 및 메모리(430)를 포함한다. 일실시예에 따른 시스템(400)은 상술한 서버 또는 단말일 수 있다. 프로세서(420)는 도 1 내지 도 3을 통하여 전술한 적어도 하나의 장치들을 포함하거나, 도 1 내지 도 3을 통하여 전술한 적어도 하나의 방법을 수행할 수 있다. 메모리(430)는 상술한 방법과 관련된 정보를 저장하거나 상술한 방법이 구현된 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리(430)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리일 수 있다. A system (400) according to an embodiment includes a processor (420) and a memory (430). The system (400) according to an embodiment may be the server or terminal described above. The processor (420) may include at least one of the devices described above through FIGS. 1 to 3, or may perform at least one method described above through FIGS. 1 to 3. The memory (430) may store information related to the method described above, or may store a program in which the method described above is implemented. The memory (430) may be a volatile memory or a nonvolatile memory.
도 5는 일 실시예에 따른 인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 방법을 순서도로 나타낸 것이다.FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for controlling a hydrogen fuel cell-based hybrid battery using an artificial intelligence model according to one embodiment.
도 5의 순서도에서 프로세스 단계들, 방법 단계들, 알고리즘들 등이 순차적인 순서로 설명되었지만, 그러한 프로세스들, 방법들 및 알고리즘들은 임의의 적합한 순서로 작동하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 다양한 실시예들에서 설명되는 프로세스들, 방법들 및 알고리즘들의 단계들이 본 발명에서 기술된 순서로 수행 될 필요는 없다. 또한, 일부 단계들이 비동시적으로 수행되는 것으로서 설명되더라도, 다른 실시예에서는 이러 한 일부 단계들이 동시에 수행될 수 있다. 또한, 도면에서의 묘사에 의한 프로세스의 예시는 예시된 프로세스 가 그에 대한 다른 변화들 및 수정들을 제외하는 것을 의미하지 않으며, 예시된 프로세스 또는 그의 단계들 중 임의의 것이 본 발명의 다양한 실시예들 중 하나 이상에 필수적임을 의미하지 않으며, 예시된 프로세스가 바람직하다는 것을 의미하지 않는다.Although the process steps, method steps, algorithms, etc., are illustrated in a sequential order in the flowchart of FIG. 5, such processes, methods, and algorithms may be configured to operate in any suitable order. In other words, the steps of the processes, methods, and algorithms described in various embodiments of the present invention need not be performed in the order described herein. Furthermore, even if some steps are illustrated as being performed asynchronously, in other embodiments such some of the steps may be performed concurrently. Furthermore, the illustration of a process by depiction in the drawings is not intended to exclude other changes and modifications thereto, nor is it intended to imply that the illustrated process or any of its steps is essential to one or more of the various embodiments of the present invention, nor is it intended to imply that the illustrated process is preferred.
동작 510에서, 시스템(400)은 수소연료전지의 작동 상태를 모니터링하기 위한 복수의 센서들로부터 전압, 전류 및 온도를 포함하는 제1 센싱 데이터와 에너지저장장치의 상태를 모니터링하기 위한 센서들로부터 제2 센싱 데이터를 수신할 수 있다.In operation 510, the system (400) can receive first sensing data including voltage, current, and temperature from a plurality of sensors for monitoring the operating status of the hydrogen fuel cell and second sensing data from sensors for monitoring the status of the energy storage device.
시스템(400)은 수소연료전지와 에너지저장장치를 결합한 하이브리드 배터리 시스템에서 각 구성요소의 상태를 실시간으로 모니터링하고 제어할 수 있다. 수소연료전지의 작동 상태를 모니터링하기 위해 복수의 센서들을 통해 스택 전압, 출력 전류, 스택 온도, 수소 주입압력, 산소 농도, 촉매 열화도 및 전해질막 저항을 포함하는 제1 센싱 데이터를 수집할 수 있다. 이때 수소연료전지의 특성상 수소 주입 압력에 따라 출력 전류가 크게 변동될 수 있는데, 시스템(400)은 이러한 출력 변동을 실시간으로 감지하고 보상할 수 있다.The system (400) can monitor and control the status of each component in real time in a hybrid battery system combining a hydrogen fuel cell and an energy storage device. In order to monitor the operating status of the hydrogen fuel cell, first sensing data including stack voltage, output current, stack temperature, hydrogen injection pressure, oxygen concentration, catalyst deterioration, and electrolyte membrane resistance can be collected through a plurality of sensors. At this time, the output current can fluctuate significantly depending on the hydrogen injection pressure due to the characteristics of the hydrogen fuel cell, and the system (400) can detect and compensate for such output fluctuation in real time.
에너지저장장치의 경우, 시스템(400)은 리튬이온 배터리의 셀 전압, 셀 전류, 충전상태(SOC), 건강상태(SOH), 셀 온도, 내부저항 및 자가방전율을 포함하는 제2 센싱 데이터를 수집할 수 있다. 또한 슈퍼커패시터의 전압, 전류, 온도 및 등가직렬저항을 포함하는 제3 센싱 데이터를 수집할 수 있다. 여기서 슈퍼커패시터는 수소연료전지의 급격한 출력 변동을 완충하는 역할을 수행할 수 있는데, 이는 수소연료전지의 특성상 압력 변화에 따른 출력 변동이 크기 때문이다.In the case of an energy storage device, the system (400) can collect second sensing data including cell voltage, cell current, state of charge (SOC), state of health (SOH), cell temperature, internal resistance, and self-discharge rate of a lithium ion battery. In addition, third sensing data including voltage, current, temperature, and equivalent series resistance of a supercapacitor can be collected. Here, the supercapacitor can play a role in buffering rapid output fluctuations of a hydrogen fuel cell, because the output fluctuations due to pressure changes are large due to the characteristics of a hydrogen fuel cell.
동작 520에서, 시스템(400)은 인공지능 모델을 이용하여 상기 제1 센싱 데이터 및 상기 제2 센싱 데이터를 실시간으로 분석하여 제어 파라미터를 생성할 수 있다.In operation 520, the system (400) can analyze the first sensing data and the second sensing data in real time using an artificial intelligence model to generate control parameters.
시스템(400)은 수집된 센싱 데이터를 대형언어모델(LLM) 기반의 인공지능 모델을 통해 실시간으로 분석하여 수소연료전지의 최대 전력점, 배터리의 최적 충방전 패턴 및 슈퍼커패시터의 전력 보상 시점을 예측할 수 있다. 특히 기상 정보와 사용자의 과거 24시간 전력 사용량 데이터를 분석하여 향후 24시간 동안의 시간대별 전력 수요량을 예측하고, 이를 바탕으로 각 전력원의 분배 비율을 최적화할 수 있다.The system (400) can analyze the collected sensing data in real time using an artificial intelligence model based on a large language model (LLM) to predict the maximum power point of a hydrogen fuel cell, the optimal charge/discharge pattern of a battery, and the power compensation time of a supercapacitor. In particular, by analyzing weather information and the user's past 24-hour power usage data, it can predict the power demand by time zone for the next 24 hours, and based on this, it can optimize the distribution ratio of each power source.
동작 530에서, 시스템(400)은 생성된 제어 파라미터를 기반으로 수소연료전지와 에너지저장장치 간의 전력 분배를 제어하고, 에너지저장장치의 셀 간 전력 밸런싱을 수행할 수 있다.In operation 530, the system (400) can control power distribution between the hydrogen fuel cell and the energy storage device based on the generated control parameters and perform power balancing between cells of the energy storage device.
에너지저장장치의 셀 밸런싱을 위해서는 100kHz 스위칭 주파수를 가지는 양방향 DC-DC 컨버터 기반의 액티브 밸런싱 회로를 적용할 수 있다. 이때 LLC 공진형 토폴로지를 이용한 영전압 스위칭 방식을 사용하여 95% 이상의 전력 변환 효율을 달성할 수 있다. 시스템(400)은 각 셀의 상태를 500ms 주기로 분석하여 셀 간 전압 편차를 10mV 이하로 유지하는 정밀한 밸런싱 제어를 수행할 수 있다.For cell balancing of an energy storage device, an active balancing circuit based on a bidirectional DC-DC converter with a switching frequency of 100 kHz can be applied. At this time, a zero voltage switching method using an LLC resonant topology can be used to achieve a power conversion efficiency of 95% or more. The system (400) can perform precise balancing control to maintain the voltage deviation between cells to 10 mV or less by analyzing the state of each cell at a cycle of 500 ms.
또한 시스템(400)은 온도에 따른 수소연료전지의 성능 저하를 방지하기 위해 스택 온도와 주변 온도의 차이를 실시간으로 모니터링하여 냉각수 유량과 냉각팬 속도를 제어할 수 있다. 온도 차이가 섭씨 15도를 초과하는 경우에는 부하 분담률을 10% 단위로 단계적으로 감소시켜 수소연료전지의 출력을 조절하며, 가습기 온도를 스택 온도 대비 섭씨 5도 낮게 유지하여 상대습도 95% 이상의 가습 조건을 유지할 수 있다.In addition, the system (400) can control the coolant flow rate and cooling fan speed by monitoring the difference between the stack temperature and the ambient temperature in real time to prevent the performance of the hydrogen fuel cell from deteriorating due to temperature. When the temperature difference exceeds 15 degrees Celsius, the load sharing ratio is reduced in steps of 10% to control the output of the hydrogen fuel cell, and the humidifier temperature is maintained at 5 degrees Celsius lower than the stack temperature to maintain a humidifying condition of 95% or higher relative humidity.
시스템(400)은 배터리 수명 관리를 위해 순환 신경망 기반의 수명 예측 모델을 구동하고 파티클 필터링 기법으로 예측 신뢰구간을 산출할 수 있다. 이를 통해 각 셀 그룹의 잔여 수명을 정량적으로 예측하고, 예측된 수명에 따라 충방전 허용 전류량을 0.1C에서 1C 사이에서 차등 적용할 수 있다. 장단기 메모리(LSTM) 신경망 기반의 이상감지 모델을 통해 셀의 비정상 패턴을 조기에 검출하여 열폭주와 같은 위험 상황을 사전에 방지할 수 있다.The system (400) can drive a life prediction model based on a recurrent neural network for battery life management and calculate a prediction confidence interval using a particle filtering technique. Through this, the remaining life of each cell group can be quantitatively predicted, and the charge/discharge allowable current can be differentially applied between 0.1C and 1C according to the predicted life. Through an abnormality detection model based on a long short-term memory (LSTM) neural network, an abnormal pattern of a cell can be detected early, and a dangerous situation such as thermal runaway can be prevented in advance.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 순수한 물을 전기분해하여 수소를 생성하고 이를 저장할 수 있다. 여기서 물의 전기분해는 양극과 음극 사이에 전압을 인가하여 순수한 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 과정을 수행할 수 있다. 이때 전기분해에 사용되는 전압과 전류는 AI 에이전트가 시스템의 전력 상태와 수소 저장량을 고려하여 최적화된 값으로 제어할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can generate hydrogen by electrolyzing pure water and store it. Here, the electrolysis of water can be performed by applying a voltage between the anode and the cathode to decompose pure water (H2O) into hydrogen (H2) and oxygen (O2). At this time, the voltage and current used for electrolysis can be controlled by the AI agent to an optimized value considering the power status of the system and the amount of hydrogen stored.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 수소연료전지의 작동 상태를 실시간으로 모니터링하기 위해 복수의 센서들을 활용할 수 있다. 구체적으로, 스택 전압은 연료전지의 출력 성능을, 전류밀도는 단위 면적당 발생하는 전류량을, 스택 온도는 시스템의 열관리 상태를, 수소 주입압력과 산소 농도는 반응 효율을 나타내는 핵심 지표로서 이들 데이터를 200kHz 이상의 샘플링 주파수로 실시간 수집할 수 있다. 또한 1Hz부터 100kHz까지의 광대역 주파수 범위에서 교류 임피던스 분광법을 적용하여 연료전지 내부의 임피던스 변화를 측정할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can utilize multiple sensors to monitor the operating status of the hydrogen fuel cell in real time. Specifically, the stack voltage is a key indicator of the output performance of the fuel cell, the current density is a key indicator of the amount of current generated per unit area, the stack temperature is a key indicator of the thermal management status of the system, and the hydrogen injection pressure and oxygen concentration are key indicators of the reaction efficiency, and these data can be collected in real time at a sampling frequency of 200 kHz or higher. In addition, the alternating current impedance spectroscopy can be applied in a wide frequency range from 1 Hz to 100 kHz to measure the impedance change inside the fuel cell.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 에너지저장장치의 상태를 모니터링하기 위해 각 셀의 전압, 전류, SOC, SOH, 온도, 내부저항 데이터를 500ms 주기로 수집할 수 있다. 여기서 SOC는 배터리의 현재 충전 상태를, SOH는 배터리의 수명과 성능 저하 정도를 나타내는 지표로 활용될 수 있다. 특히 셀 전압과 전류 데이터는 100kHz의 고주파 스위칭이 가능한 양방향 DC-DC 컨버터를 통해 정밀하게 측정될 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can collect voltage, current, SOC, SOH, temperature, and internal resistance data of each cell at a cycle of 500 ms to monitor the state of the energy storage device. Here, SOC can be used as an indicator of the current state of charge of the battery, and SOH can be used as an indicator of the lifespan and performance degradation of the battery. In particular, cell voltage and current data can be precisely measured through a bidirectional DC-DC converter capable of high-frequency switching of 100 kHz.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 AI 에이전트를 통해 수집된 센서 데이터를 실시간으로 분석하여 시스템 제어에 필요한 파라미터를 생성할 수 있다. 이때 AI 에이전트는 합성곱 신경망(CNN)과 장단기 메모리(LSTM) 네트워크를 결합한 하이브리드 구조로 구현되어, 센서 데이터의 시계열 패턴을 학습하고 미래 상태를 예측할 수 있다. 특히 순환 신경망 기반의 배터리 수명 예측 모델과 파티클 필터링 기법을 통해 각 셀의 잔여 수명을 정량적으로 예측할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can analyze sensor data collected through an AI agent in real time to generate parameters necessary for system control. At this time, the AI agent is implemented as a hybrid structure combining a convolutional neural network (CNN) and a long short-term memory (LSTM) network, so as to learn time series patterns of sensor data and predict future states. In particular, the remaining life of each cell can be quantitatively predicted through a battery life prediction model based on a recurrent neural network and a particle filtering technique.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 전력 수요와 공급 상태에 따라 에너지 변환을 양방향으로 수행할 수 있다. 전력이 부족한 경우에는 저장된 수소를 연료전지에 공급하여 전기를 생성하며, 이때 LLC 공진형 토폴로지를 이용한 영전압 스위칭 방식으로 95% 이상의 전력 변환 효율을 달성할 수 있다. 반대로 잉여 전력이 발생하는 경우에는 이를 이용하여 물을 전기분해함으로써 수소를 생성하고 저장할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can perform energy conversion in both directions according to the power demand and supply status. In the case of a power shortage, stored hydrogen is supplied to a fuel cell to generate electricity, and at this time, a power conversion efficiency of 95% or more can be achieved by a zero voltage switching method using an LLC resonant topology. On the other hand, in the case of surplus power, it can be used to generate and store hydrogen by electrolyzing water.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 엣지 컴퓨팅 디바이스를 통해 실시간 데이터 처리와 의사결정을 수행할 수 있다. 엣지 디바이스는 5ms 이내의 응답속도로 센서 데이터를 처리하며, 특히 셀 간 전압 편차를 10mV 이하로 유지하기 위한 밸런싱 제어를 실시간으로 수행할 수 있다. 또한 DC-DC 컨버터 기반의 액티브 밸런싱 회로를 통해 셀 그룹 간 에너지를 효율적으로 재분배할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can perform real-time data processing and decision-making through an edge computing device. The edge device processes sensor data with a response speed of less than 5 ms, and in particular, can perform balancing control in real time to maintain a voltage difference between cells to less than 10 mV. In addition, energy can be efficiently redistributed between cell groups through an active balancing circuit based on a DC-DC converter.
도 6은 일 실시예에 따른 인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 방법의 흐름도를 나타낸 것이다.FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for controlling a hydrogen fuel cell-based hybrid battery using an artificial intelligence model according to one embodiment.
도 6의 순서도에서 프로세스 단계들, 방법 단계들, 알고리즘들 등이 순차적인 순서로 설명되었지만, 그러한 프로세스들, 방법들 및 알고리즘들은 임의의 적합한 순서로 작동하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 다양한 실시예들에서 설명되는 프로세스들, 방법들 및 알고리즘들의 단계들이 본 발명에서 기술된 순서로 수행 될 필요는 없다. 또한, 일부 단계들이 비동시적으로 수행되는 것으로서 설명되더라도, 다른 실시예에서는 이러 한 일부 단계들이 동시에 수행될 수 있다. 또한, 도면에서의 묘사에 의한 프로세스의 예시는 예시된 프로세스 가 그에 대한 다른 변화들 및 수정들을 제외하는 것을 의미하지 않으며, 예시된 프로세스 또는 그의 단계들 중 임의의 것이 본 발명의 다양한 실시예들 중 하나 이상에 필수적임을 의미하지 않으며, 예시된 프로세스가 바람직하다는 것을 의미하지 않는다.Although the process steps, method steps, algorithms, etc., are illustrated in the flowchart of FIG. 6 in a sequential order, such processes, methods, and algorithms may be configured to operate in any suitable order. In other words, the steps of the processes, methods, and algorithms described in various embodiments of the present invention need not be performed in the order described herein. Furthermore, even if some steps are illustrated as being performed asynchronously, in other embodiments such some of the steps may be performed concurrently. Furthermore, the illustration of a process by depiction in the drawings does not imply that the illustrated process is exclusive of other changes and modifications thereto, nor does it imply that the illustrated process or any of its steps is essential to one or more of the various embodiments of the present invention, nor does it imply that the illustrated process is preferred.
동작 610에서, 시스템(400)은 기계학습 기반의 모델을 통해 제1 센싱 데이터로부터 수소연료전지의 압력 변화에 따른 출력 전류의 변동 패턴을 분석할 수 있다. 시스템(400)은 기계학습 기반의 모델을 사용하여 수소연료전지의 상태를 모니터링하고 제어할 수 있다. 구체적으로, 시스템(400)은 수소연료전지의 압력 변화에 따른 출력 전류의 변동 패턴을 분석할 수 있는데, 이는 수소연료전지의 특성상 수소 주입 압력에 따라 출력 전류가 크게 변동할 수 있기 때문이다. 수소연료전지는 일반적으로 3.5V의 전압에서도 20A 정도의 높은 전류가 발생할 수 있어, 이러한 급격한 출력 변동을 실시간으로 감지하고 제어하는 것이 중요할 수 있다.In operation 610, the system (400) can analyze a variation pattern of output current according to a pressure change of the hydrogen fuel cell from the first sensing data using a machine learning-based model. The system (400) can monitor and control the state of the hydrogen fuel cell using the machine learning-based model. Specifically, the system (400) can analyze a variation pattern of output current according to a pressure change of the hydrogen fuel cell, because the output current of the hydrogen fuel cell can greatly vary depending on the hydrogen injection pressure due to the characteristics of the hydrogen fuel cell. A hydrogen fuel cell can generally generate a high current of about 20 A even at a voltage of 3.5 V, and thus it can be important to detect and control such rapid output variation in real time.
동작 620에서, 시스템(400)은 제2 센싱 데이터로부터 에너지저장장치의 충전상태(SOC) 및 열화상태(SOH)를 분석하고, 분석된 데이터를 기반으로 수소연료전지의 출력 제어 및 에너지저장장치의 충방전을 제어할 수 있다. 시스템(400)은 에너지저장장치의 상태를 모니터링하기 위해 충전상태(State of Charge, SOC)와 열화상태(State of Health, SOH)를 분석할 수 있다. 여기서 SOC는 배터리의 현재 충전량을 나타내는 지표이며, SOH는 배터리의 수명과 성능 저하 정도를 나타내는 지표이다. 시스템(400)은 이러한 분석 데이터를 기반으로 수소연료전지의 출력을 조절하고 에너지저장장치의 충방전을 최적화할 수 있다. 특히 SOC가 너무 높거나 낮은 상태에서의 충방전은 배터리 수명을 단축시킬 수 있으므로, 적절한 SOC 범위 내에서 운용하도록 제어할 수 있다.In operation 620, the system (400) analyzes the state of charge (SOC) and the state of health (SOH) of the energy storage device from the second sensing data, and controls the output of the hydrogen fuel cell and the charging and discharging of the energy storage device based on the analyzed data. The system (400) can analyze the state of charge (SOC) and the state of health (SOH) to monitor the state of the energy storage device. Here, the SOC is an indicator representing the current charge amount of the battery, and the SOH is an indicator representing the lifespan and the degree of performance degradation of the battery. The system (400) can adjust the output of the hydrogen fuel cell and optimize the charging and discharging of the energy storage device based on the analyzed data. In particular, since charging and discharging in a state where the SOC is too high or too low can shorten the lifespan of the battery, it can be controlled to operate within an appropriate SOC range.
동작 630에서, 시스템(400)은 리튬이온 배터리와 슈퍼커패시터 간의 전력 분배 비율을 제어하고, DC-DC 컨버터를 이용한 액티브 밸런싱 방식으로 셀 간 전력 밸런싱을 수행할 수 있다. 시스템(400)은 리튬이온 배터리와 슈퍼커패시터로 구성된 하이브리드 에너지저장장치의 전력 분배를 제어할 수 있다. 슈퍼커패시터는 순간적인 대전류 충방전이 가능한 특성을 가지고 있어, 수소연료전지의 급격한 출력 변동을 완충하는 역할을 수행할 수 있다. 시스템(400)은 DC-DC 컨버터를 이용한 액티브 밸런싱 방식으로 각 셀 간의 전력 밸런싱을 수행할 수 있는데, 이는 패시브 밸런싱 방식에 비해 에너지 효율이 높고 밸런싱 속도가 빠른 장점이 있다.In operation 630, the system (400) can control the power distribution ratio between the lithium ion battery and the supercapacitor, and perform power balancing between cells in an active balancing manner using a DC-DC converter. The system (400) can control power distribution of a hybrid energy storage device composed of a lithium ion battery and a supercapacitor. The supercapacitor has the characteristic of being capable of instantaneous high current charging and discharging, and thus can play a role in buffering rapid output fluctuations of a hydrogen fuel cell. The system (400) can perform power balancing between each cell in an active balancing manner using a DC-DC converter, which has the advantages of high energy efficiency and fast balancing speed compared to a passive balancing manner.
동작 640에서, 시스템(400)은 스마트폰 애플리케이션과 연동되는 통합 관리부를 이용하여 제1 센싱 데이터 및 제2 센싱 데이터를 실시간으로 모니터링하여 미리 설정된 임계값을 초과하는 이상 징후를 감지하고, 감지된 이상 징후에 대해 미리 정의된 경고 단계에 따른 알림을 스마트폰 애플리케이션을 통해 제공할 수 있다. In operation 640, the system (400) monitors the first sensing data and the second sensing data in real time using an integrated management unit linked with a smartphone application to detect abnormal signs exceeding preset thresholds, and provides a notification according to a predefined warning stage for the detected abnormal signs through the smartphone application.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 스마트폰 애플리케이션과 연동되는 통합 관리 기능을 제공할 수 있다. 사용자는 스마트폰 애플리케이션을 통해 시스템의 실시간 운영 상태를 모니터링할 수 있으며, 각종 센서 데이터의 임계값을 초과하는 이상 징후가 감지될 경우 즉시 알림을 받을 수 있다. 예를 들어, 셀 전압이 안전 범위를 벗어나거나 온도가 과도하게 상승하는 경우, 또는 수소 압력이 비정상적으로 변동하는 경우 등에 대해 미리 정의된 경고 단계에 따라 사용자에게 알림을 제공할 수 있다. 이를 통해 시스템의 안전성을 향상시키고 사용자의 편의성을 증대시킬 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can provide an integrated management function that is linked with a smartphone application. The user can monitor the real-time operating status of the system through the smartphone application, and can receive an immediate notification when an abnormality exceeding a threshold value of various sensor data is detected. For example, when the cell voltage is out of a safe range, the temperature rises excessively, or the hydrogen pressure fluctuates abnormally, a notification can be provided to the user according to a predefined warning stage. This can improve the safety of the system and increase the convenience of the user.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 대형언어모델(LLM) 기반의 인공지능 모델을 통해 에너지저장장치의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이때 전류 센서로부터는 셀의 충방전 전류 값을, 전압 센서로부터는 셀 전압 값을 각각 실시간으로 수집하여 배터리의 충전상태(State of Charge, SOC)를 산출할 수 있다. 시스템(400)은 산출된 SOC 값에 따라 배터리의 충방전 전류를 0.1C에서 3C 사이에서 동적으로 제어할 수 있다. 시스템(400)은 배터리의 정격 용량 대비 충방전 전류의 비율을 관리할 수 있다. 또한 시스템(400)은 태양광 발전설비의 발전량을 모니터링하는 전력량계로부터 실시간 발전 데이터를 수집하여, 현재의 전력 수요 대비 잉여 전력 발생 여부를 판단할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can monitor the state of the energy storage device in real time through an artificial intelligence model based on a large language model (LLM). At this time, the charge/discharge current value of the cell can be collected in real time from the current sensor, and the cell voltage value can be collected from the voltage sensor, respectively, to calculate the state of charge (SOC) of the battery. The system (400) can dynamically control the charge/discharge current of the battery between 0.1C and 3C according to the calculated SOC value. The system (400) can manage the ratio of the charge/discharge current to the rated capacity of the battery. In addition, the system (400) can collect real-time power generation data from a power meter that monitors the power generation amount of a solar power generation facility, and determine whether surplus power is generated compared to the current power demand.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 과거 전력 사용량 데이터와 기상청으로부터 수신한 기상 예보 데이터를 결합하여 심층 강화학습 알고리즘으로 학습을 수행할 수 있다. 이를 통해 시간대별 전력 수요를 예측하고, 예측된 수요와 현재 시스템의 상태(예: 배터리 SOC, 저장된 수소량 등)를 종합적으로 고려하여 에너지 변환의 최적 시점을 결정할 수 있다. 시스템(400)은 예를 들어, 5밀리초 이내의 빠른 응답속도를 가지는 엣지 컴퓨팅 디바이스를 활용하여 센서 데이터를 실시간으로 처리할 수 있으며, 이를 통해 중앙서버의 연산 부하를 분산시키고 네트워크 지연을 최소화할 수 있다. 특히 엣지 디바이스에서는 장단기 메모리(LSTM) 신경망 기반의 이상감지 모델을 구동하여 셀의 비정상 패턴을 조기에 감지하고, 열폭주와 같은 위험 상황을 사전에 방지할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can perform learning using a deep reinforcement learning algorithm by combining past power usage data and weather forecast data received from the Korea Meteorological Administration. Through this, power demand by time zone can be predicted, and the optimal time for energy conversion can be determined by comprehensively considering the predicted demand and the current system status (e.g., battery SOC, stored hydrogen amount, etc.). The system (400) can process sensor data in real time by utilizing an edge computing device having a fast response speed of, for example, less than 5 milliseconds, thereby distributing the computational load of the central server and minimizing network delay. In particular, the edge device can operate an anomaly detection model based on a long short-term memory (LSTM) neural network to detect abnormal patterns of cells early and prevent dangerous situations such as thermal runaway in advance.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 가정용 중형 ESS나 차량용 보조배터리와 같은 다양한 용도로 활용될 수 있다. 특히 태양광 발전설비와 연계하여 운용될 경우, 날씨가 좋은 주간에는 태양광 발전 전력을 직접 공급하거나 잉여 전력을 이용해 수소를 생성할 수 있다. 생성된 수소는 야간이나 우천 시와 같이 태양광 발전이 불가능한 시간대의 전력 공급을 위해 활용될 수 있다. 또한 전력 수요가 집중되는 피크 시간대에는 저장된 수소를 활용하여 전력을 생성함으로써 전력 계통의 안정성을 향상시킬 수 있다. 이러한 에너지 변환 및 저장 과정은 유전 알고리즘 기반의 다목적 최적화를 통해 특정 시간 (예: 15분) 단위로 자동으로 제어될 수 있으며, 이때 전력원별 실시간 발전단가와 이산화탄소 배출량이 최적화의 주요 입력변수로 활용될 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can be utilized for various purposes such as a medium-sized ESS for home use or an auxiliary battery for vehicles. In particular, when operated in conjunction with a solar power generation facility, it can directly supply solar power during the day when the weather is good or generate hydrogen using surplus power. The generated hydrogen can be utilized to supply power during times when solar power generation is not possible, such as at night or during rainy weather. In addition, the stability of the power system can be improved by generating power using the stored hydrogen during peak times when power demand is concentrated. This energy conversion and storage process can be automatically controlled in units of a specific time (e.g., 15 minutes) through a multi-objective optimization based on a genetic algorithm, and at this time, the real-time generation cost and carbon dioxide emissions for each power source can be utilized as major input variables for optimization.
도 7은 일 실시예에 따른 인공지능 모델을 활용한 수소연료전지 기반 하이브리드 배터리 제어 방법의 흐름도를 나타낸 것이다.Fig. 7 is a flowchart illustrating a method for controlling a hydrogen fuel cell-based hybrid battery using an artificial intelligence model according to one embodiment.
도 7의 순서도에서 프로세스 단계들, 방법 단계들, 알고리즘들 등이 순차적인 순서로 설명되었지만, 그러한 프로세스들, 방법들 및 알고리즘들은 임의의 적합한 순서로 작동하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 다양한 실시예들에서 설명되는 프로세스들, 방법들 및 알고리즘들의 단계들이 본 발명에서 기술된 순서로 수행 될 필요는 없다. 또한, 일부 단계들이 비동시적으로 수행되는 것으로서 설명되더라도, 다른 실시예에서는 이러 한 일부 단계들이 동시에 수행될 수 있다. 또한, 도면에서의 묘사에 의한 프로세스의 예시는 예시된 프로세스 가 그에 대한 다른 변화들 및 수정들을 제외하는 것을 의미하지 않으며, 예시된 프로세스 또는 그의 단계들 중 임의의 것이 본 발명의 다양한 실시예들 중 하나 이상에 필수적임을 의미하지 않으며, 예시된 프로세스가 바람직하다는 것을 의미하지 않는다.Although the process steps, method steps, algorithms, etc., are illustrated in a sequential order in the flowchart of FIG. 7, such processes, methods, and algorithms may be configured to operate in any suitable order. In other words, the steps of the processes, methods, and algorithms described in various embodiments of the present invention need not be performed in the order described herein. Furthermore, even if some steps are illustrated as being performed asynchronously, in other embodiments such some of the steps may be performed concurrently. Furthermore, the illustration of a process by depiction in the drawings is not intended to exclude other changes and modifications thereto, nor is it intended to imply that the illustrated process or any of its steps is essential to one or more of the various embodiments of the present invention, nor is it intended to imply that the illustrated process is preferred.
동작 710에서, 시스템(400)은 수소연료전지, 배터리, 슈퍼캐패시터로부터 각각의 센서군을 통해 출력 전압, 출력 전류, 온도 등을 포함하는 센싱 데이터를 수집할 수 있다. 시스템(400)은 하이브리드 배터리의 각 구성요소로부터 다양한 센서 데이터를 수집할 수 있다. 수소연료전지에서는 스택 전압, 출력 전류, 스택 온도, 수소 주입압력, 산소 농도, 촉매 열화도, 전해질막 저항 등을 포함하는 제1 센서군의 데이터를 수집할 수 있다. 배터리에서는 셀 전압, 셀 전류, 충전상태(SOC), 건강상태(SOH), 셀 온도, 내부저항, 자가방전율을 포함하는 제2 센서군의 데이터를, 슈퍼캐패시터에서는 전압, 전류, 온도, 등가직렬저항을 포함하는 제3 센서군의 데이터를 수집할 수 있다.In operation 710, the system (400) can collect sensing data including output voltage, output current, temperature, etc. through each sensor group from the hydrogen fuel cell, the battery, and the supercapacitor. The system (400) can collect various sensor data from each component of the hybrid battery. In the hydrogen fuel cell, data of a first sensor group including stack voltage, output current, stack temperature, hydrogen injection pressure, oxygen concentration, catalyst deterioration degree, electrolyte membrane resistance, etc. can be collected. In the battery, data of a second sensor group including cell voltage, cell current, state of charge (SOC), state of health (SOH), cell temperature, internal resistance, and self-discharge rate can be collected, and in the supercapacitor, data of a third sensor group including voltage, current, temperature, and equivalent series resistance can be collected.
동작 720에서, 시스템(400)은 인공신경망 기반의 대규모 언어 모델(LLM)을 통해 수집된 센싱 데이터를 실시간으로 분석하여 수소연료전지의 최대 전력점, 배터리의 최적 충방전 패턴 및 슈퍼캐패시터의 전력 보상 시점을 예측할 수 있다. 시스템(400)은 수집된 센서 데이터를 인공신경망 기반의 대규모 언어 모델(LLM)을 통해 분석하여 각 구성요소의 최적 운전점을 예측할 수 있다. 수소연료전지의 경우 최대 전력점을 찾아 효율적인 운전이 가능하며, 배터리는 수명과 효율을 고려한 최적의 충방전 패턴을 도출할 수 있다. 또한 슈퍼캐패시터는 수소연료전지의 급격한 출력 변동을 보상하기 위한 최적의 개입 시점을 예측할 수 있다.In operation 720, the system (400) can analyze the collected sensing data in real time through a large-scale language model (LLM) based on an artificial neural network to predict the maximum power point of the hydrogen fuel cell, the optimal charge/discharge pattern of the battery, and the power compensation time of the supercapacitor. The system (400) can analyze the collected sensor data through a large-scale language model (LLM) based on an artificial neural network to predict the optimal operating point of each component. In the case of the hydrogen fuel cell, efficient operation is possible by finding the maximum power point, and the battery can derive the optimal charge/discharge pattern considering the lifespan and efficiency. In addition, the supercapacitor can predict the optimal intervention time to compensate for the rapid output fluctuation of the hydrogen fuel cell.
동작 730에서, 시스템(400)은 전력 부하 분담률을 실시간으로 조절하고, 수소연료전지의 잉여 전력을 전기분해 장치로 공급하여 수소를 생산 및 저장할 수 있다. 시스템(400)은 각 전력원 간의 부하 분담을 실시간으로 최적화할 수 있다. 수소연료전지의 출력이 설정된 전압 임계값 이하로 감소하는 경우 배터리의 방전 전류를 증가시켜 안정적인 전력 공급을 유지할 수 있다. 또한 배터리의 SOC가 상한 임계값에 도달하면 수소연료전지의 잉여 전력을 전기분해 장치로 공급하여 수소를 생산하고 저장함으로써 에너지 활용도를 극대화할 수 있다.In operation 730, the system (400) can adjust the power load sharing ratio in real time and supply the surplus power of the hydrogen fuel cell to the electrolysis device to produce and store hydrogen. The system (400) can optimize the load sharing between each power source in real time. When the output of the hydrogen fuel cell decreases below a set voltage threshold, the discharge current of the battery can be increased to maintain a stable power supply. In addition, when the SOC of the battery reaches the upper threshold, the surplus power of the hydrogen fuel cell can be supplied to the electrolysis device to produce and store hydrogen, thereby maximizing energy utilization.
동작 740에서, 시스템(400)은 배터리 셀 간 전압 편차가 미리 설정된 기준값을 초과하는 경우 DC-DC 컨버터를 이용한 액티브 밸런싱을 수행하고, 딥러닝 기반의 고장 진단을 수행하여 고장을 분류하고 대응 방안을 실행할 수 있다. 시스템(400)은 배터리의 셀 밸런싱을 위해 DC-DC 컨버터 기반의 액티브 밸런싱 기술을 적용할 수 있다. 셀 간 전압 편차가 설정된 기준값을 초과하는 경우, 고전압 셀의 에너지를 저전압 셀로 직접 전달하는 방식으로 밸런싱을 수행할 수 있다. 또한 딥러닝 기반의 고장 진단 시스템을 통해 이상 상태를 조기에 감지하고, 고장 유형을 분류하여 적절한 대응 방안을 실행할 수 있다.In operation 740, the system (400) performs active balancing using a DC-DC converter when the voltage deviation between battery cells exceeds a preset reference value, and performs fault diagnosis based on deep learning to classify the fault and execute a response measure. The system (400) can apply an active balancing technology based on a DC-DC converter for cell balancing of the battery. When the voltage deviation between cells exceeds a preset reference value, balancing can be performed by directly transferring energy of a high-voltage cell to a low-voltage cell. In addition, an abnormal state can be detected early through a deep-learning-based fault diagnosis system, and a fault type can be classified to execute an appropriate response measure.
동작 750에서, 시스템(400)은 수소연료전지, 배터리 및 슈퍼캐패시터의 과거 운전 데이터를 기반으로 수명과 효율을 고려한 최적 운전 패턴을 학습하여 시스템의 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 시스템(400)은 각 구성요소의 과거 운전 데이터를 분석하여 수명과 효율을 최적화하는 운전 패턴을 학습할 수 있다. 이를 통해 수소연료전지의 촉매 열화를 최소화하고, 배터리의 수명을 연장하며, 슈퍼캐패시터의 에너지 저장 효율을 극대화하는 통합 제어 전략을 수립할 수 있다. 또한 시스템의 전체 에너지 효율을 향상시키고 운영 비용을 절감할 수 있다.In operation 750, the system (400) can learn an optimal operation pattern considering life and efficiency based on past operation data of the hydrogen fuel cell, battery, and supercapacitor, thereby maximizing the energy efficiency of the system. The system (400) can learn an operation pattern optimizing life and efficiency by analyzing past operation data of each component. Through this, an integrated control strategy can be established to minimize catalyst deterioration of the hydrogen fuel cell, extend the life of the battery, and maximize the energy storage efficiency of the supercapacitor. In addition, the overall energy efficiency of the system can be improved and operating costs can be reduced.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 상기 인공지능 모델을 대형언어모델(Large Language Model)로 구현하고, 상기 제1 센싱 데이터로부터 수소연료전지의 스택 전압, 전류밀도, 산소 농도, 수소 농도, 스택 온도, 냉각수 온도, 가습기 온도를 포함하는 제1 성능 지표들을 추출하고, 상기 제2 센싱 데이터로부터 에너지저장장치의 셀 전압, 셀 온도, 충방전 전류, 내부저항, 자가방전률을 포함하는 제2 성능 지표들을 추출하며, 상기 제1 성능 지표들과 상기 제2 성능 지표들의 시계열 데이터를 실시간으로 구축하고, 상기 시계열 데이터를 입력으로 하여 상기 대형언어모델이 시스템의 동작 상태를 수치화된 파라미터로 해석하고 제어 파라미터값을 산출하며, 상기 산출된 제어 파라미터값을 전기적 제어 신호로 변환할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) implements the artificial intelligence model as a Large Language Model, extracts first performance indicators including stack voltage, current density, oxygen concentration, hydrogen concentration, stack temperature, coolant temperature, and humidifier temperature of a hydrogen fuel cell from the first sensing data, extracts second performance indicators including cell voltage, cell temperature, charge/discharge current, internal resistance, and self-discharge rate of an energy storage device from the second sensing data, constructs time series data of the first performance indicators and the second performance indicators in real time, and uses the time series data as input so that the Large Language Model can interpret the operating state of the system as a numerical parameter and calculate a control parameter value, and converts the calculated control parameter value into an electrical control signal.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 대형언어모델(Large Language Model)을 기반으로 한 인공지능 모델을 통해 하이브리드 배터리 시스템의 성능을 최적화할 수 있다. 수소연료전지로부터는 스택 전압, 전류밀도, 산소 및 수소 농도, 스택 온도, 냉각수 온도, 가습기 온도 등의 제1 성능 지표들을 수집할 수 있다. 여기서 스택 전압은 연료전지의 출력 성능을, 전류밀도는 단위 면적당 발생하는 전류량을, 가스 농도는 반응 효율을, 각종 온도는 시스템의 열관리 상태를 나타내는 핵심 지표가 될 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can optimize the performance of a hybrid battery system through an artificial intelligence model based on a Large Language Model. From a hydrogen fuel cell, first performance indicators such as stack voltage, current density, oxygen and hydrogen concentration, stack temperature, coolant temperature, and humidifier temperature can be collected. Here, the stack voltage can be a key indicator representing the output performance of the fuel cell, the current density can be a key indicator representing the amount of current generated per unit area, the gas concentration can be a key indicator representing the reaction efficiency, and various temperatures can be a key indicator representing the thermal management status of the system.
일 실시예에 따르면, 에너지저장장치에서는 셀 전압, 셀 온도, 충방전 전류, 내부저항, 자가방전률 등의 제2 성능 지표들을 추출할 수 있다. 이러한 성능 지표들의 시계열 데이터를 실시간으로 구축하여 대형언어모델의 입력으로 사용할 수 있으며, 모델은 이를 기반으로 시스템의 동작 상태를 수치화된 파라미터로 해석하고 최적의 제어 파라미터값을 산출할 수 있다. 산출된 파라미터값은 실제 하드웨어를 제어하기 위한 전기적 제어 신호로 변환될 수 있다.According to one embodiment, the energy storage device can extract second performance indicators such as cell voltage, cell temperature, charge/discharge current, internal resistance, and self-discharge rate. Time series data of these performance indicators can be constructed in real time and used as input to a large language model, and the model can interpret the operating state of the system as numerical parameters based on this and calculate optimal control parameter values. The calculated parameter values can be converted into electrical control signals for controlling actual hardware.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 상기 제어 신호를 기반으로 수소연료전지의 순간 출력과 에너지저장장치의 충방전 전력을 실시간으로 조절하되, 기상 정보와 사용자의 과거 24시간 전력 사용량 데이터를 분석하여 향후 24시간 동안의 시간대별 전력 수요량을 예측하고, 상기 예측된 전력 수요량과 현재 수소연료전지 및 에너지저장장치의 가용 용량을 비교하여 시간대별 전력 분배 비율을 결정하며, 상기 에너지저장장치의 각 셀 그룹에 대해 잔존용량(SOC)과 노화상태(SOH)를 기반으로 가우시안 프로세스 회귀분석을 수행하여 셀의 잔여 수명을 정량적으로 예측할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) controls the instantaneous output of the hydrogen fuel cell and the charge/discharge power of the energy storage device in real time based on the control signal, analyzes weather information and the user's past 24-hour power usage data to predict the power demand by time zone for the next 24 hours, compares the predicted power demand with the current available capacity of the hydrogen fuel cell and the energy storage device to determine the power distribution ratio by time zone, and performs Gaussian process regression analysis based on the state of charge (SOC) and state of health (SOH) for each cell group of the energy storage device to quantitatively predict the remaining life of the cells.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 생성된 제어 신호를 기반으로 수소연료전지와 에너지저장장치의 실시간 전력 관리를 수행할 수 있다. 특히 기상 정보와 사용자의 과거 24시간 전력 사용 패턴을 분석하여 향후 24시간 동안의 시간대별 전력 수요를 예측할 수 있다. 이러한 예측 정보와 현재 각 전력원의 가용 용량을 비교하여 최적의 전력 분배 비율을 결정할 수 있다. 또한 에너지저장장치의 수명 관리를 위해 각 셀 그룹의 잔존용량(SOC)과 노화상태(SOH)를 기반으로 한 가우시안 프로세스 회귀분석을 수행하여 셀의 잔여 수명을 정량적으로 예측할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can perform real-time power management of hydrogen fuel cells and energy storage devices based on the generated control signal. In particular, by analyzing weather information and the user's past 24-hour power usage pattern, the power demand by time zone for the next 24 hours can be predicted. The optimal power distribution ratio can be determined by comparing this predicted information with the current available capacity of each power source. In addition, in order to manage the life of the energy storage device, the remaining life of the cell can be quantitatively predicted by performing Gaussian process regression analysis based on the remaining capacity (SOC) and the state of aging (SOH) of each cell group.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 상기 예측된 잔여 수명에 따라 각 셀 그룹의 충방전 허용 전류량을 0.1C에서 1C 사이에서 차등 적용하며, 슈퍼커패시터를 이용한 액티브 밸런싱을 통해 셀 그룹 간 전압 편차를 50mV 이하로 유지하고, 온도에 따른 수소연료전지의 성능 저하를 방지하기 위해 스택 온도와 주변 온도의 차이를 실시간으로 모니터링하여 냉각수 유량과 냉각팬 속도를 제어하고, 상기 온도 차이가 섭씨 15도를 초과하는 경우 부하 분담률을 10% 단위로 단계적으로 감소시켜 수소연료전지의 출력을 조절하며, 가습기 온도를 스택 온도 대비 섭씨 5도 낮게 유지하여 상대습도 95% 이상의 가습 조건을 유지하도록 제어할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) differentially applies the charge/discharge allowable current of each cell group between 0.1 C and 1 C according to the predicted remaining lifespan, maintains the voltage deviation between the cell groups to 50 mV or less through active balancing using a supercapacitor, monitors the difference between the stack temperature and the ambient temperature in real time to control the coolant flow rate and the cooling fan speed to prevent the performance of the hydrogen fuel cell from deteriorating due to temperature, and controls the output of the hydrogen fuel cell by gradually reducing the load sharing ratio in units of 10% when the temperature difference exceeds 15 degrees Celsius, and maintains the humidifier temperature 5 degrees Celsius lower than the stack temperature to maintain a humidifying condition of 95% or more relative humidity.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 예측된 셀의 잔여 수명에 따라 충방전 전류량을 차등 적용할 수 있다. 수명이 더 많이 감소한 셀 그룹에는 0.1C의 낮은 전류를, 상태가 양호한 셀 그룹에는 최대 1C까지의 전류를 허용하여 전체적인 수명 균형을 맞출 수 있다. 여기서 C-rate는 배터리의 정격 용량 대비 충방전 전류의 비율을 나타내는 지표이다. 또한 슈퍼커패시터를 이용한 액티브 밸런싱을 통해 셀 그룹 간 전압 편차를 50mV 이하로 정밀하게 유지할 수 있다. 수소연료전지의 온도 관리를 위해서는 스택 온도와 주변 온도의 차이를 실시간으로 모니터링하여 냉각수 유량과 냉각팬 속도를 제어할 수 있다. 온도 차이가 섭씨 15도를 초과하는 경우에는 과열 방지를 위해 부하 분담률을 10% 단위로 점진적으로 감소시킬 수 있다. 또한 가습기 온도를 스택 온도보다 섭씨 5도 낮게 유지함으로써 95% 이상의 최적 상대습도를 유지하여 전해질막의 이온 전도도를 최적화할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can differentially apply the charge and discharge current amount according to the predicted remaining life of the cells. A low current of 0.1C is allowed to a group of cells whose life has decreased more, and a current of up to 1C is allowed to a group of cells in good condition to balance the overall life. Here, the C-rate is an index indicating the ratio of the charge and discharge current to the rated capacity of the battery. In addition, the voltage deviation between the cell groups can be precisely maintained at 50 mV or less through active balancing using a supercapacitor. In order to manage the temperature of the hydrogen fuel cell, the difference between the stack temperature and the ambient temperature can be monitored in real time to control the coolant flow rate and the cooling fan speed. When the temperature difference exceeds 15 degrees Celsius, the load sharing ratio can be gradually reduced in units of 10% to prevent overheating. In addition, by maintaining the humidifier temperature 5 degrees Celsius lower than the stack temperature, the optimal relative humidity of 95% or more can be maintained, thereby optimizing the ion conductivity of the electrolyte membrane.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 상기 수소연료전지의 출력 전압과 전류 변동을 200kHz 이상의 샘플링 주파수로 실시간 모니터링하고, 상기 수소연료전지의 내부 임피던스 변화를 1Hz 내지 100kHz 주파수 대역의 교류 임피던스 분광법으로 측정하며, 합성곱 신경망(CNN) 구조의 인공지능 모델을 이용하여 상기 측정된 전압 및 전류 파형의 주파수 스펙트럼과 시간영역 특성을 분석하여 연료전지의 출력 저하율을 예측할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) monitors in real time the output voltage and current fluctuations of the hydrogen fuel cell at a sampling frequency of 200 kHz or higher, measures the internal impedance change of the hydrogen fuel cell by AC impedance spectroscopy in a frequency band of 1 Hz to 100 kHz, and analyzes the frequency spectrum and time domain characteristics of the measured voltage and current waveforms using an artificial intelligence model having a convolutional neural network (CNN) structure, thereby predicting the output reduction rate of the fuel cell.
시스템(400)은 수소연료전지의 성능을 정밀하게 모니터링하고 분석할 수 있다. 200kHz 이상의 높은 샘플링 주파수로 출력 전압과 전류의 미세한 변동을 실시간으로 포착할 수 있으며, 1Hz부터 100kHz까지의 광대역 주파수 범위에서 교류 임피던스 분광법을 적용하여 연료전지 내부의 임피던스 변화를 측정할 수 있다. 이러한 고주파 샘플링과 임피던스 분석을 통해 전해질막의 수화 상태, 촉매층의 활성도, 가스 확산층의 물질전달 특성 등 연료전지 각 구성요소의 상태를 정밀하게 진단할 수 있다.The system (400) can precisely monitor and analyze the performance of a hydrogen fuel cell. With a high sampling frequency of 200 kHz or more, minute fluctuations in output voltage and current can be captured in real time, and impedance changes inside the fuel cell can be measured by applying AC impedance spectroscopy in a wide frequency range from 1 Hz to 100 kHz. Through such high-frequency sampling and impedance analysis, the state of each component of the fuel cell, such as the hydration state of the electrolyte membrane, the activity of the catalyst layer, and the mass transfer characteristics of the gas diffusion layer, can be precisely diagnosed.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 합성곱 신경망(CNN) 구조의 인공지능 모델을 활용하여 측정된 전압 및 전류 파형의 주파수 스펙트럼과 시간영역 특성을 분석할 수 있다. 이를 통해 연료전지의 열화 패턴을 학습하고 출력 성능의 저하율을 사전에 예측할 수 있다. 에너지저장장치의 셀 밸런싱을 위해서는 100kHz의 고주파 스위칭이 가능한 양방향 DC-DC 컨버터를 사용할 수 있다. 특히 LLC 공진형 토폴로지와 영전압 스위칭 방식을 적용하여 95% 이상의 높은 전력 변환 효율을 달성할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can analyze the frequency spectrum and time domain characteristics of measured voltage and current waveforms by utilizing an artificial intelligence model of a convolutional neural network (CNN) structure. Through this, the deterioration pattern of the fuel cell can be learned and the rate of decline in output performance can be predicted in advance. For cell balancing of the energy storage device, a bidirectional DC-DC converter capable of high-frequency switching of 100 kHz can be used. In particular, by applying the LLC resonant topology and the zero voltage switching method, a high power conversion efficiency of 95% or more can be achieved.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 상기 에너지저장장치의 셀 밸런싱을 위해 100kHz 스위칭 주파수를 가지는 양방향 DC-DC 컨버터 기반의 액티브 밸런싱 회로를 적용하되, LLC 공진형 토폴로지를 이용한 영전압 스위칭 방식으로 전력 변환 효율 95% 이상을 달성하며, 상기 인공지능 모델이 각 셀의 전압, 전류, 온도, 내부 저항 및 충전상태(SOC)및 건강상태(SOH) 데이터를 500ms 주기로 분석하여 셀 간 전압 편차 10mV 이하의 밸런싱 제어를 수행하고, 5ms 이내의 응답속도를 가지는 분산 엣지 컴퓨팅 노드들과 클라우드 서버 간 실시간 데이터 동기화를 통해 순환 신경망 기반의 배터리 수명 예측 모델을 구동하고, 파티클 필터링 기법으로 예측 신뢰구간을 산출할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) applies an active balancing circuit based on a bidirectional DC-DC converter having a switching frequency of 100 kHz for cell balancing of the energy storage device, and achieves a power conversion efficiency of 95% or more by using a zero-voltage switching method using an LLC resonant topology, and the artificial intelligence model analyzes voltage, current, temperature, internal resistance, and state of charge (SOC) and state of health (SOH) data of each cell at a cycle of 500 ms to perform balancing control with a voltage deviation of 10 mV or less between cells, and drives a battery life prediction model based on a recurrent neural network through real-time data synchronization between distributed edge computing nodes and a cloud server having a response speed of less than 5 ms, and can calculate a prediction confidence interval using a particle filtering technique.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)의 인공지능 모델은 500ms 주기로 각 셀의 상태 데이터를 분석하여 10mV 이하의 정밀한 전압 밸런싱을 수행할 수 있다. 분산된 엣지 컴퓨팅 노드들은 5ms 이내의 빠른 응답속도로 데이터를 처리하고, 이를 클라우드 서버와 실시간으로 동기화하여 순환 신경망 기반의 배터리 수명 예측 모델을 구동할 수 있다. 파티클 필터링 기법을 통해 수명 예측의 신뢰구간을 정량적으로 산출할 수 있다.According to one embodiment, the artificial intelligence model of the system (400) can analyze the status data of each cell at a 500 ms cycle to perform precise voltage balancing of 10 mV or less. Distributed edge computing nodes can process data at a fast response speed of less than 5 ms and synchronize it with a cloud server in real time to drive a battery life prediction model based on a recurrent neural network. The confidence interval of the life prediction can be quantitatively calculated through a particle filtering technique.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 심층 강화학습 알고리즘을 이용하여 배터리의 잔존용량과 부하요구량에 따라 0.1C에서 3C 범위 내에서 충방전 전류를 가변 제어하고, 전력원별 실시간 발전단가와 이산화탄소 배출량을 입력변수로 하는 유전 알고리즘 기반의 다목적 최적화를 통해 15분 단위로 전원 간 부하분배비를 결정하며, 장단기 메모리(LSTM) 신경망 기반의 이상감지 모델을 통해 셀 전압, 전류, 온도의 비정상 패턴을 검출하여 열폭주 발생 10분 전에 경보를 발생시키고, MATLAB 및 Simulink 기반의 디지털 트윈을 구현하여 실제 배터리와 1ms 이내의 시간 동기화로 실시간 상태를 시뮬레이션하도록 제어할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) controls the charge and discharge current variably within the range of 0.1C to 3C according to the remaining capacity and load demand of the battery by using a deep reinforcement learning algorithm, determines the load distribution ratio between power sources every 15 minutes through a genetic algorithm-based multi-objective optimization that uses real-time generation cost and carbon dioxide emissions of each power source as input variables, detects abnormal patterns of cell voltage, current, and temperature through an anomaly detection model based on a long short-term memory (LSTM) neural network, and generates an alarm 10 minutes before the occurrence of thermal runaway, and implements a digital twin based on MATLAB and Simulink to simulate the real-time state with a time synchronization of less than 1 ms with an actual battery.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 심층 강화학습 알고리즘을 통해 배터리의 충방전을 최적화할 수 있다. 잔존용량과 부하요구량에 따라 0.1C에서 최대 3C까지의 범위에서 충방전 전류를 동적으로 조절할 수 있으며, 유전 알고리즘을 활용한 다목적 최적화를 통해 15분 단위로 각 전력원 간의 최적 부하분배비를 결정할 수 있다. 이때 각 전력원의 실시간 발전단가와 이산화탄소 배출량을 고려하여 경제성과 환경성을 동시에 최적화할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can optimize the charging and discharging of the battery through a deep reinforcement learning algorithm. The charging and discharging current can be dynamically adjusted in a range from 0.1C to a maximum of 3C depending on the remaining capacity and the load demand, and the optimal load distribution ratio between each power source can be determined in 15-minute units through multi-objective optimization using a genetic algorithm. At this time, the real-time generation cost and carbon dioxide emissions of each power source can be considered to simultaneously optimize economic efficiency and environmental friendliness.
일 실시예에 따르면, 시스템(400)은 장단기 메모리(LSTM) 신경망 기반의 이상감지 모델을 통해 배터리의 안전성을 확보할 수 있다. 셀 전압, 전류, 온도의 비정상 패턴을 조기에 감지하여 열폭주 발생 10분 전에 경보를 발생시킬 수 있다. MATLAB과 Simulink를 활용한 디지털 트윈 시스템을 구현하여 1ms 이내의 정밀한 시간 동기화로 실제 배터리의 상태를 실시간 시뮬레이션할 수 있으며, 이를 통해 시스템의 성능을 예측하고 최적화할 수 있다.According to one embodiment, the system (400) can secure the safety of the battery through an abnormality detection model based on a long short-term memory (LSTM) neural network. It can detect abnormal patterns of cell voltage, current, and temperature early and generate an alarm 10 minutes before thermal runaway occurs. By implementing a digital twin system using MATLAB and Simulink, it is possible to simulate the state of an actual battery in real time with precise time synchronization within 1 ms, and through this, the performance of the system can be predicted and optimized.
위에서 설명한 예시들은 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 언급된 장치, 방법 및 구성 요소는 프로세서, 컨트롤러, 산술 논리 장치(ALU), 디지털 신호 프로세서(DSP), 마이크로컴퓨터, FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이), PLU(프로그래머블 로직 유닛), 마이크로프로세서 또는 명령을 실행하고 응답할 수 있는 기타 장치와 같은 범용 또는 특수 목적의 컴퓨터를 통해 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS)와 해당 운영 체제에서 실행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 이 장치는 소프트웨어 실행에 따라 데이터에 접근하고, 저장하며, 조작하고, 처리하고, 생성하는 기능을 수행할 수 있다. 이해를 돕기 위해, 처리 장치가 하나로 설명될 수 있지만, 해당 분야의 통상적인 지식을 가진 사람은 여러 개의 처리 요소 또는 다양한 유형의 처리 요소가 포함될 수 있음을 인지할 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 여러 프로세서 또는 하나의 프로세서와 하나의 컨트롤러로 구성될 수 있다. 또한, 병렬 프로세서와 같은 다른 처리 구성을 사용할 수도 있다.The examples described above may be implemented by hardware and software components or a combination thereof. For example, the devices, methods, and components mentioned may be implemented by a general-purpose or special-purpose computer, such as a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor (DSP), a microcomputer, a field programmable gate array (FPGA), a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing instructions and responding. The processing unit may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. In addition, the device may perform functions to access, store, manipulate, process, and generate data in accordance with the execution of the software. For ease of understanding, the processing unit may be described as one, but one of ordinary skill in the art will recognize that multiple processing elements or different types of processing elements may be included. For example, the processing unit may consist of multiple processors, or a processor and a controller. In addition, other processing configurations, such as parallel processors, may be used.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램, 코드, 명령 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이를 통해 처리 장치를 원하는 방식으로 구성하거나 독립적으로 또는 집합적으로 명령할 수 있다. 소프트웨어 및 데이터는 처리 장치에 의해 해석되거나, 명령 및 데이터를 제공하기 위해 다양한 기계, 구성 요소, 물리적 또는 가상 장치, 컴퓨터 저장 매체 또는 전송 신호에 영구적 또는 일시적으로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크에 연결된 컴퓨터 시스템에서 분산되어 저장되거나 실행될 수 있으며, 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include computer programs, codes, instructions, or a combination thereof, which may be used to configure or independently or collectively command a processing device in a desired manner. The software and data may be interpreted by the processing device, or may be permanently or temporarily embodied in various machines, components, physical or virtual devices, computer storage media, or transmission signals to provide instructions and data. The software may be distributed and stored or executed on a network-connected computer system, and may be stored on one or more computer-readable recording media.
위의 예시들은 특정 도면에 의해 설명되었지만, 해당 분야의 전문가라면 이를 바탕으로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술이 제시된 순서와 다르게 수행되거나, 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로의 구성 요소가 다른 형태로 결합되거나, 다른 구성 요소 또는 동등한 것으로 대체되더라도 적절한 결과를 얻을 수 있다.Although the above examples are illustrated by specific drawings, those skilled in the art will appreciate that various technical modifications and variations can be applied based on them. For example, appropriate results can be obtained even if the described techniques are performed in a different order than presented, or if the components of the described systems, structures, devices, and circuits are combined in different forms, or if other components or equivalents are substituted.
Claims (3)
인스트럭션들을 저장하는 메모리,및
프로세서를 포함하고,
상기 인스트럭션들은, 상기 프로세서에 의해 실행 시에, 상기 시스템이
물을 전기분해하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 저장하며, 필요 시 저장된 수소를 이용하여 전력을 생성하는 가역적 에너지 변환 과정을 수행하고,
수소연료전지의 작동 상태를 모니터링하기 위한 복수의 센서들로부터 전압, 전류 및 온도 중 적어도 하나를 포함하는 제1 센싱 데이터를 수신하고,
에너지저장장치의 상태를 모니터링하기 위한 센서들로부터 제2 센싱 데이터를 수신하고,
자율적 판단 및 제어가 가능한 AI 에이전트 형태로 구현된 인공지능 모델을 이용하여 상기 제1 센싱 데이터 및 상기 제2 센싱 데이터를 실시간으로 분석하여 제어 파라미터를 생성하고,
상기 제어 파라미터를 기반으로 시스템의 전력이 부족한 경우에는 저장된 수소를 수소연료전지에 공급하여 전력을 생성하고, 시스템에 잉여 전력이 있는 경우에는 해당 잉여 전력을 이용하여 물의 전기분해를 통해 수소를 생성 및 저장하도록 제어하며,
시스템 내 설치된 엣지 컴퓨팅 디바이스를 통해 실시간 센서 데이터를 지연 없이 처리하고, 상기 에너지저장장치의 셀 간 전력 밸런싱을 수행하도록 제어하며,
상기 인공지능 모델을 이용하여
전류 센서 및 전압 센서로부터 수집된 실시간 데이터를 기반으로 에너지저장장치의 충전상태(SOC)를 모니터링하고, 상기 충전상태에 따라 충방전 전류를 설정된 범위 내에서 가변 제어하며,
시스템에 연결된 태양광 발전설비로부터 공급되는 전력량을 실시간으로 모니터링하고, 수요 전력 대비 잉여 전력 발생 여부를 판단하고,
과거의 전력 사용 패턴과 기상 정보를 학습하여 설정된 기간 동안의 시간대별 전력 수요를 예측하고, 이를 기반으로 수소 생성 또는 전력 생성의 최적 시점을 결정하며,
시스템 내 설치된 엣지 컴퓨팅 디바이스에서 실시간 센서 데이터를 분산 처리함으로써 중앙서버의 부하를 감소시키고 실시간 로컬 의사결정을 수행하고,
가정용 중형 ESS 또는 차량용 보조배터리 용도로 사용 시, 태양광 발전설비와 연계된 전력 관리, 수소-전력 간 양방향 변환을 통한 에너지 저장, 전력 수요 피크 시간대의 부하 대응을 자율적으로 수행하도록 제어하는 시스템.
A hydrogen fuel cell-based hybrid battery control system using an artificial intelligence model
Memory for storing instructions, and
Contains a processor,
The above instructions, when executed by the processor, cause the system to
It performs a reversible energy conversion process that generates hydrogen by electrolyzing water, stores the generated hydrogen, and generates electricity using the stored hydrogen when needed.
Receive first sensing data including at least one of voltage, current, and temperature from a plurality of sensors for monitoring the operating status of a hydrogen fuel cell,
Receive second sensing data from sensors for monitoring the status of the energy storage device,
By using an artificial intelligence model implemented in the form of an AI agent capable of autonomous judgment and control, the first sensing data and the second sensing data are analyzed in real time to generate control parameters,
Based on the above control parameters, when the system's power is insufficient, the stored hydrogen is supplied to the hydrogen fuel cell to generate power, and when the system has surplus power, the surplus power is used to generate and store hydrogen through water electrolysis.
Processes real-time sensor data without delay through edge computing devices installed in the system and controls power balancing between cells of the energy storage device.
Using the above artificial intelligence model
The state of charge (SOC) of the energy storage device is monitored based on real-time data collected from current sensors and voltage sensors, and the charge/discharge current is variably controlled within a set range according to the state of charge.
Monitor the amount of power supplied from solar power generation facilities connected to the system in real time and determine whether there is surplus power compared to demand power.
By learning past power usage patterns and weather information, it predicts power demand by time zone for a set period, and based on this, it determines the optimal time for hydrogen generation or power generation.
By distributing real-time sensor data from edge computing devices installed in the system, the load on the central server is reduced and real-time local decision-making is performed.
A system that controls power management linked to solar power generation facilities, energy storage through two-way conversion between hydrogen and electricity, and autonomous load response during peak electricity demand hours when used as a medium-sized ESS for home use or as an auxiliary battery for vehicles.
상기 에너지저장장치는
리튬이온 배터리와 슈퍼커패시터를 포함하고,
상기 리튬이온 배터리는 상기 수소연료전지로부터 공급되는 전력을 저장하며,
상기 슈퍼커패시터는 상기 수소연료전지의 출력 변동을 완충하고,
상기 리튬이온 배터리와 상기 슈퍼커패시터는 병렬로 연결되어 동작하는 것을 특징으로 하며,
상기 시스템은, 상기 인공지능 모델을 이용하여 상기 제1 센싱 데이터로부터 상기 수소연료전지의 압력 변화에 따른 출력 전류의 변동 패턴을 분석하고,
상기 제2 센싱 데이터로부터 상기 에너지저장장치의 충전상태(State of Charge, SOC) 및 열화상태(State of Health, SOH)를 분석하며,
상기 분석된 데이터를 기반으로 상기 수소연료전지의 출력 제어 및 상기 에너지저장장치의 충방전을 제어하고,
상기 리튬이온 배터리와 상기 슈퍼커패시터 간의 전력 분배 비율을 제어하며,
상기 인공지능 모델을 이용하여 상기 에너지저장장치의 각 셀의 전압, 전류, 온도 및 내부 저항을 포함하는 동작 파라미터들을 실시간으로 분석하여 셀 간 전력 밸런싱을 수행하고,
상기 셀 간 전력 밸런싱은 DC-DC 컨버터를 이용한 액티브 밸런싱 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하며,
스마트폰 애플리케이션과 연동되는 통합 관리부를 이용하여 상기 제1 센싱 데이터 및 상기 제2 센싱 데이터를 실시간으로 모니터링하여 미리 설정된 임계값을 초과하는 이상 징후를 감지하고,
감지된 이상 징후에 대해 미리 정의된 경고 단계에 따른 알림을 상기 스마트폰 애플리케이션을 통해 제공하며,
상기 인공지능 모델로부터 제공된 제어 파라미터를 기반으로 상기 시스템의 전력 분배 및 밸런싱을 제어하고,
상기 시스템의 동작 데이터를 분석하여 생성한 효율 최적화 데이터를 상기 인공지능 모델의 학습 데이터로 제공하도록 제어하는 시스템.
In paragraph 1,
The above energy storage device
Including lithium-ion batteries and supercapacitors,
The above lithium ion battery stores power supplied from the hydrogen fuel cell,
The above supercapacitor buffers the output fluctuations of the hydrogen fuel cell,
The above lithium ion battery and the above supercapacitor are characterized in that they are connected in parallel and operate,
The above system analyzes the variation pattern of the output current according to the pressure change of the hydrogen fuel cell from the first sensing data using the artificial intelligence model,
The state of charge (SOC) and state of health (SOH) of the energy storage device are analyzed from the second sensing data.
Based on the above analyzed data, the output of the hydrogen fuel cell and the charging/discharging of the energy storage device are controlled,
Controlling the power distribution ratio between the lithium ion battery and the supercapacitor,
Using the above artificial intelligence model, the operating parameters including voltage, current, temperature and internal resistance of each cell of the energy storage device are analyzed in real time to perform power balancing between cells.
The above cell-to-cell power balancing is characterized by being performed using an active balancing method using a DC-DC converter.
By using an integrated management unit linked to a smartphone application, the first sensing data and the second sensing data are monitored in real time to detect abnormal signs exceeding a preset threshold value,
Notifications are provided through the above smartphone application according to predefined warning levels for detected abnormal signs.
Control the power distribution and balancing of the system based on the control parameters provided from the above artificial intelligence model,
A system that controls the efficiency optimization data generated by analyzing the operation data of the above system to provide it as learning data for the above artificial intelligence model.
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|---|---|---|---|
| KR1020250000452A KR102815228B1 (en) | 2025-01-02 | 2025-01-02 | Method, apparatus, and system for controlling a hydrogen fuel cell-based hybrid battery using an artificial intelligence model |
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| KR1020250000452A KR102815228B1 (en) | 2025-01-02 | 2025-01-02 | Method, apparatus, and system for controlling a hydrogen fuel cell-based hybrid battery using an artificial intelligence model |
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|---|---|
| KR102815228B1 true KR102815228B1 (en) | 2025-05-30 |
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| KR1020250000452A Active KR102815228B1 (en) | 2025-01-02 | 2025-01-02 | Method, apparatus, and system for controlling a hydrogen fuel cell-based hybrid battery using an artificial intelligence model |
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|---|---|
| KR (1) | KR102815228B1 (en) |
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