I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 ,   p p .   1 0 7 2 ~ 1 093   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e . v 1 5 . i 3 . pp 1 0 7 2 - 1 0 9 3           1072       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : // ija p e. ia esco r e. co m/   Adv a nced AI - dri v en battery s tate  estima tion usin g   deep  lea rning  and ense mble mo dels       N .   Su m a na   K ee rt hi 1 , B .   J y o t hi 1 ,   M .   Sh a ra ny a 2 ,   CH .   Srini v a s 3 ,   K .   Sh ra v a ni 4 ,  V .   Sa nje e v a   Ra o 5 ,  T ee rda la   Ra k esh 4 ,   Nit t a la   R a m cha nd ra 4 ,   M a llig un t a   K ira n K um a r 1 , K .   V .   G o v a rdha n Ra o 4   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   K o n e r u   L a k sh m a i a h   E d u c a t i o n   F o u n d a t i o n ,   G u n t u r ,   I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   B V R I T  H y d e r a b a d   C o l l e g e   o f   E n g i n e e r i n g   f o r   W o me n ,  H y d e r a b a d ,   I n d i a   3 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   JN TU H - U n i v e r si t y   C o l l e g e   o f   E n g i n e e r i n g ,  M a h a b u b a b a d ,   I n d i a   4 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   S t .   M a r t i n ’ s   En g i n e e r i n g   C o l l e g e ,   S e c u n d e r a b a d ,   I n d i a   5 A ssi st a n t   D i v i si o n a l   En g i n e e r   ( A D E) ,   TSG EN C O ,   H y d e r a b a d ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 3 0 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Ma r   1 7 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   J u n   9 ,   2 0 2 6       Ac c u ra te  e stim a ti o n   o f  t h e   sta te  o f  c h a r g e   (S OC)   a n d   sta te  o f  h e a lt h   ( S OH )   o f  li t h iu m - i o n   b a tt e ries   is  e ss e n t ial  fo r  imp ro v in g   t h e   p e rfo rm a n c e ,   sa fe ty ,   a n d   li fe sp a n   o f  e lec tri c   v e h icle s  ( EVs).  Trad it io n a l  e stim a ti o n   m e th o d s  o ften   fa c e   c h a ll e n g e s  su c h   a s  h i g h   c o m p u tati o n a l  c o m p lex it y ,   l imited   a d a p tab il it y   to   b a tt e ry   a g in g ,   a n d   re d u c e d   a c c u ra c y   u n d e r  v a ry i n g   o p e ra ti n g   c o n d it io n s.   To   o v e rc o m e   th e se   li m it a ti o n s,   th is  p a p e r  p re se n ts  a   h y b rid   d a ta - d riv e n   fra m e wo rk   th a t   c o m b i n e s  m a c h in e   lea rn in g   a n d   d e e p   lea rn i n g   tec h n iq u e s  fo r   S OC  a n d   S OH   p re d ictio n .   F o r  S OC  e stim a ti o n ,   l in e a r  re g re ss io n ,  re c u rre n t  n e u ra l  n e two r k s  (RNN ),   g a ted   re c u rre n t  u n it   ( G RU ) ,   a n d   s tac k e d   l o n g   sh o r t - term   m e m o ry   ( LS TM )   m o d e ls  a re   e m p lo y e d .   F o r   S OH   p re d ictio n ,   e n se m b le  lea rn in g   m e th o d s,  in c l u d in g   sta c k in g   re g re ss o r ,  tree - b a se d   p ip e li n e   o p ti m iza ti o n   to o l   ( TP OT )   re g re ss o r ,   a n d   h y b ri d   G RU - LS TM   m o d e ls,  a re   u ti li z e d .   Th e   p r o p o se d   m o d e ls  a re   e v a lu a ted   u sin g   p u b li c ly   a v a il a b le   li th i u m - io n   b a tt e ry   d a tas e ts  u n d e r  d iffere n t   c h a rg e – d isc h a rg e   c o n d it io n s.   Re su lt s  sh o w   th a t   d e e p   lea rn in g   a p p ro a c h e s  a c h iev e   su p e ri o r  p e rf o rm a n c e ,   with   G RU - LS TM   a n d   s tac k e d   LS TM   m o d e ls p r o v i d i n g   h ig h ly   a c c u ra te S OC  e stim a ti o n   (R²   ≈  0 . 9 9 3 ,   RM S E  ≈  0 . 0 1 5 ),   w h il e   t h e   TP OT - b a se d   e n se m b le  m o d e l  d e li v e rs  n e a r - p e rfe c t  S OH   p re d ictio n   (R ²   ≈  1 . 0 ) .   A  we b - b a se d   imp lem e n tatio n   f u rth e r  e n a b les   r e a l - ti m e   b a tt e ry   m o n it o ri n g ,   d e m o n stra ti n g   th e   fra m e wo rk ’s  p ra c ti c a li ty   f o r  a d v a n c e d   b a tt e ry   m a n a g e m e n t  sy ste m s   (BM S )  i n   EV  a p p li c a ti o n s.   K ey w o r d s :   Dee p   lear n in g   GR U -   L STM   L ith iu m - io n   b atter y   State  o f   c ha r ge   State  o f   h ea lth   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   K .   V .   Go v ar d h an   R ao   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g in ee r i n g ,   St.  Ma r tin ’ s   E n g in ee r i n g   C o lleg e     Secu n d er ab a d ,  T elan g an a - 5 0 0 1 0 0 ,   I n d ia   E m ail:  k v . g o v ar d h an r a o @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N    His to r ical  s tatis tics   r ev ea l  th at  th e  v eh icu lar   tr an s p o r t' s   co n tr ib u tio n   to   ca r b o n - r elate d   em i s s io n s   h as  b ee n   clim b in g   p r o g r ess iv ely   to   r o u g h ly   th ir ty - s ev en   p er   ce n t  af ter   tr an s p o r t - r elate d   lim itatio n s   r elate d   to   th e   C OVI D  p an d em ic   g o t  r elax e d   [ 1 ] .   T h e  tr a n s p o r t  in d u s tr y   is   m o r e  r elian t  o n   en er g y   f r o m   p etr o leu m   t h an   an y th in g   else,  an d   tr an s p o r tati o n   o n   r o ad s   ac co u n ts   f o r   th e  m ajo r ity   o f   th e  em is s io n s   o f   g r ee n h o u s e  g ases   [ 2 ] .  T o   ad d r ess   s u ch   clim atic  im p ac ts ,   in ter n atio n al   g r o wth - ce n tr ic   s tr ateg ies  n ee d   t o   ch a n g e  th eir   f o cu s   to   a  ca r b o n - f r ee   s o ciety   [ 3 ] .   T h e   ad v an ce m e n t  o f   b atter y - wid e   tech   is   f u n d am en tal  to   th is   c h an g e,   s er v in g   as  a  v ital  f ac ilit ato r   o f   a  f u tu r e  th at   is   m o r e  en v ir o n m en tally   f r ien d ly   [ 4 ] .   W ith   th is   f o cu s   ch an g e  in clin ed   to war d s   a  m o r e  s u s tain ab le  r eso u r ce   a n d   elec tr ic  m o b ilit y ,   b o t h   th e  d ep en d a b ilit y   an d   ef f icac y   o f   b atter y   p ac k s   h av e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A d va n ce d   A I - d r iven   b a tter y  s ta te  esti ma tio n   u s in g   d ee p   lea r n in g   a n d   …   ( N .   S u ma n a   K ee r th i )   1073   b ec o m e  c r itical   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   L ith i u m - io n   co m p o s itio n - b ased   b a tter y   p ac k s   h o ld   th e   wid e  r a n g e  o f   p o ten tial  o f   s er v in g   th e  elec tr ic - o p er ated   v eh icles  an d   r en ewa b le  s o u r c e  p o wer - b ased   f ac ilit ies  ac r o s s   th e  n atio n   [ 6 ] - [ 8 ] .  Su ch   k in d s   o f   b atter y   p ac k s   r eq u ir e  p er i o d ical,   ac cu r ate  m o n ito r in g   o f   th e  cr itical  p ar am eter s   in   o r d er   to   p r ev en t   it  f r o m   u n f o r eseen   u n n ec ess ar y   p er f o r m a n ce - ce n tr ic   d eg r ad atio n ,   an d   t o   ass u r e   o f f   s af er   o p er atio n   al l   th e  tim e.     T h e  g lo b al  tr a n s itio n   to war d s   elec tr ic  m o b ilit y   a n d   s u s tain ab le  en er g y   s y s tem s   h as  led   to   wid esp r ea d   ad o p tio n   o f   lith iu m - i o n   b atter y   p ac k s   ac r o s s   elec tr ic  v e h icles  ( E Vs).   an d   g r i d - co n n ec ted   s to r ag e  f ac ilit ies   [ 9 ] ,   [ 1 0 ] .   T h ese  b atter y   p ac k s   s er v e  as  th e   b ac k b o n e   o f   m o d er n   en er g y   ap p licatio n s ,   n ec ess itatin g   ac cu r ate   an d   r ea l - tim e  m o n ito r in g   to   en s u r e   s af ety ,   ef f icien cy ,   an d   lo n g e v ity   [ 1 1 ] - [ 1 3 ] .   Am o n g   th e  co r e  p ar am eter s   u s ed   in   b atter y   d iag n o s tics   ar e  s ta te  o f   ch ar g e  ( SOC ) ,   wh ich   r ef lects  th e  av ailab le  ch ar g e,   an d   s tate  o f   h ea lth   ( SOH) ,   wh ich   in d icate s   th e  a g in g   a n d   u s ab le  life s p a n   o f   th e  b atter y   [ 1 4 ] .   Ho we v er ,   esti m atin g   th ese  m etr ics  ac cu r ately   is   an   o n g o i n g   ch al len g e  d u e  to   th e  c o m p lex ,   d y n am ic  n atu r e  o f   b atter y   b e h a v io r   u n d er   v ar y in g   o p er atio n al  a n d   en v ir o n m en tal   co n d itio n s   [ 1 5 ] .    I n   r ec e n t  y ea r s ,   th e   g r o win g   em b r ac em en t   o f   p o r tab le   elec tr o n ic  cir c u itrie s ,   s u s tain ab le  E Vs ,   an d   r en ewa b le  r eso u r ce - p o wer e d   s y s tem s   h as  s ig n if ican tly   in cr e ased   th e  r eq u ir e m en t  f o r   d ep e n d ab le  b atter y - p ac k   m an ag em en t   f ac ilit ies   [ 1 6 ] ,   [ 1 7 ] .   Am o n g   th e   co r e  p a r am eter s   th at  d ef i n e  b atter y   p er f o r m an ce ,   b o th   th e   m ea s u r es  lik e  SOC   an d   SOH   tak e  u p   a  v ital  p ar t   [ 1 8 ] .   Ac cu r ate  esti m atio n   o f   th ese  m e tr ics  is   n ee d ed   f o r   en h an cin g   th e  life s p an   o f   b att er y   p ac k ,   ass u r in g   o f f   th e  im p r o v e d   p r o tectio n ,   an d   o p tim izin g   en er g y   u s ag e   [ 1 9 ] .   T r a d itio n al  esti m atio n   tech n iq u es  o f ten   f all  s h o r t  d u e  to   th eir   r elian ce   o n   p h y s ical  m o d els,  s en s itiv ity   to   en v ir o n m en tal  c o n d itio n s ,   an d   in ab ilit y   to   g en er alize   ac r o s s   b atter y   ty p es   an d   u s ag e   p atte r n s   [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   T h e   ad v en t  o f   d ee p   lear n in g ,   with   its   p o ten tial  to   co m p ile  s o p h is ticated   n o n - lin ea r   ass o ciatio n s   f r o m   r aw  in f o ,   o f f er s   a   p r o m is in g   alter n ativ e .   W e  d ev elo p   an   in tellig en t,   r e al - tim e,   an d   a  m u ch   ad ap tab le   s o lu tio n   f o r   b atter y   s tate  co m p u tatio n   th at  tak es   ad v an tag e  t h e  p r o s p ec ts   o f   h y b r i d   d ee p   lea r n in g   m o d e ls .   B y   co m b in in g   alg o r ith m s   s u ch   as  lin ea r   r e g r ess io n ,  r ec u r r en t   n e u r al  n e two r k   ( R NN ) ,  s tack e d   lo n g   s h o r t - ter m   m em o r y   ( L STM ) ,   an d   t r ee - b ased   p ip el in e  o p tim izatio n   to o l   ( T POT )   r eg r ess o r ,   we  ai m   to   s o r t   o u t   th e  c o n s tr ain ts   o f   co n v en tio n al  ap p r o ac h es  an d   im p r o v e   p r e d ictiv e  ac cu r a cy .   T h e  u ltima te  g o al  is   to   c o n tr i b u te  to war d   s af er   an d   m o r e  ef f icien t  b atter y   u s ag e  in   cr itical  ap p licatio n s ,   t h er eb y   a d v an ci n g   th e  p r o g r ess io n   o f   in tellig en t,   s u s tain ab le  en er g y   a d m in is tr atio n   f ac ilit ies.   W h en   it  co m es  to   th e  b atter y - ce n tr ic  m o n ito r in g ,   two   o f   th e  m etr ics  p lay   a  k ey   r o le,   wh ich   ar e  as  f o llo ws:   SOC   an d   SOH   [ 2 2 ] .   T h e  lev el  o f   th e   cu r r e n t  ch ar g e  co r r esp o n d in g   t o   th e  f u ll  ca p ac ity   o f   a  b atter y   p ac k   is   d en o ted   b y   SOC   [ 2 3 ] .   L ik ewise,   th e  ag in g   an d   r em ain in g   u s ab le  life   with   r eg ar d   to   th e  b atter y   p ac k   ar e  d en o ted   b y   SOH   [ 2 4 ] .   I f   th e  esti m atio n   o f   SO C   is   m ad e  in ac cu r ately ,   th en   it  ca n   ca u s e  u n ex p ec ted   s h u td o wn s .   Similar ly ,   if   th e  SOH  h as  b ee n   m is ju d g ed ,   t h en   it  ca n   ca u s e  ea r ly   b atte r y   r ep lace m e n ts   o r   f ailu r es.  T h e  ex is tin g   m eth o d s   av ailab le  f o r   s u ch   esti m atio n s   f r eq u en tly   d e p en d   u p o n   ce r ta in   p h y s ical  m o d els   an d   m an u al  ca lib r atio n ,   lack in g   th e  ad a p tab le  ca p ab ilit y   a g ain s t th e  v ar iab le  o p er atio n al  c o n d itio n s .   Nu m er o u s   m eth o d o lo g ies h av e  b ee n   p r o p o s ed   to   ad d r ess   SOC   an d   SOH  esti m atio n ,   a   f e w  h av e   b ee n   d is cu s s ed   b elo w.   Fan k h au s er   et  a l .   [ 3 ]   clar if ied   th e  co n ce p t  o f   “n et  ze r o ”  em is s io n s ,   em p h asizin g   th at  it is   n o t  ju s t  a  n u m er ical  tar g et  b u t  a  s tr ateg ic  f r am ewo r k   r eq u ir in g   d ee p ,   r ea l  em is s io n s   cu ts   alo n g s id e  ca r b o n   r em o v al.   T h e  a u th o r s   ca u tio n   ag ain s t  o v er - r elian ce   o n   o f f s ets  an d   u r g e  p o licy m ak er s   to   en s u r e  cr ed ib ilit y ,   tr an s p ar en cy ,   an d   eq u it y   in   n et - ze r o   c o m m itm en ts .   T h ey   ad v o ca te   f o r   s ec to r - s p ec if ic   p ath way s ,   r o b u s t   ac co u n tin g   m ec h an is m s ,   an d   c o o r d in ate d   g o v er n a n ce   to   alig n   clim ate  ac tio n   with   s cien tifi c  g o als.  T h eir   w o r k   s tr ess e s   th e  im p o r tan ce   o f   tr an s f o r m in g   th e  p la n s   in to   ac tio n ab le  p r o g r ess ,   wh ich   h elp s   to   p r o v id e  th e  clar ity   o n   d ef in itio n s ,   tim elin es,  an d   r esp o n s ib ilit ies.  T h e  co n tr ib u tio n   m ad e  b y   th e  a u th o r s   h elp s   to   p r o m o te  t h e   d ec ar b o n izatio n ,   o f f er in g   a  co m p r eh en s iv e  u n d e r s tan d in g   o f   clim ate  p o licy   d esig n .   Gan d o m an   et  a l .   [ 2 5 ]   u n d er ta k e  an   ex p l o r atio n   o f   f u n d am e n tals   an d   a d v an ce m e n ts   co n c er n in g   th e   ass es s m en t  o f   r eliab ilit y   an d   s af ety   o f   lith iu m - io n   b atter y   p a ck s   in   E Vs .   T h eir   ex p l o r atio n   co v er s   th e  cr itical   f ailu r e  m o d es,  d ia g n o s tics ,   a n d   test   m eth o d s   th at  ai d s   th e   ev alu atio n   o f   b atter y   h ea lth   an d   p r e v en tio n   o f   ac cid en ts .   T h ey   s u cc ess f u lly   r ev iewe d   th e  m o d ellin g   tec h n iq u es,  ag in g   m ec h an is m s ,   an d   th er m al - ce n t r ic  is s u es  w ith   em p h asis   o n   th e  lack   o f   s tan d ar d izatio n   an d   th e  r eq u ir em en t  o f   r ea l - tim e  d at a  in teg r atio n .   T h ei r   wo r k   h ig h lig h ts   th e  s ig n if ican ce   o f   m u ltid is cip lin ar y   tec h n iq u es  th at  u s ed   a  co m b in atio n   o f   elec tr ical,   th er m al,   an d   m ec h an ical  m o d e ls   f o r   o b tain in g   ac cu r ate  ass es s m en ts .   L iu   et  a l .   [ 2 6 ]   m ad e  u s e  o f   a   s im p lifie d   p s eu d o - two - d im e n s io n al  ( P2 D)   elec tr o ch em ica l  m o d el  t o   p r esen t  a  d u al  esti m atio n   m et h o d   f o r   SOC   an d   SOH  o f   a  b atter y   p ac k .   T h is   wo r k   d em o n s tr ates  th e  b en ef its   th at  th e  in teg r atio n   b etwe en   th e  elec tr o ch em ical  m o d ellin g   an d   esti m atio n   alg o r ith m s   y ield   b y   p r o v i d in g   h ig h ly   ac cu r ate  in s ig h ts   o n   t h e  in ter n al  d y n am ics  o f   a  b a tter y   p ac k   f r o m   tim e  to   tim e.   As  th e  wo r k   ca n   ac co u n t  f o r   b atter y   d eg r a d atio n   ef f ec ts   ( lik e   lith iu m   p latin g   an d   ca p ac ity   f ad e ) ,   it  ca n   em p o wer   th e  r ea l - tim e  h ea lth   m o n ito r i n g   o f   a  b atter y   p ac k .   T h e  d e v elo p e d   m o d el  h o ld s   th e  p o ten tial  to   b alan ce   b etwe en   co m p lex ity   an d   co m p u tatio n al   ef f icien c y ,   wh ich   m ak es  it  id ea l   to   m a n a g e  th e  b atter y   p ac k s   in   a n y   ele ctr ical  f ac ilit y .   T h e   au th o r s   in   th is   wo r k   h av e  co n tr ib u ted   m u ch   to war d s   th e  en h an ce m en t  o f   p r ed ictiv e   m ain ten an ce   an d   r eliab ilit y   o f   lith iu m - i o n   b atter y   p ac k s   in s talled   with in   E Vs   a n d   g r i d   s to r ag e.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 7 2 - 1 0 9 3   1074   L iu   et  a l .   [ 2 7 ]   p er f o r m   a  d is cu s s io n   o n   th e  c r itical  tech n o l o g ies  th at  s h ap e   th e  b atter y   m a n ag em en t  s y s tem s   ( B M S)  in   elec tr ic   v eh icles.  T h e  m ain   em p h asis   o f   th e  wo r k   was  o n   ce r tain   co r e  f u n ctio n s   lik e  ce ll   b alan cin g ,   th e r m al  m an ag em e n t,  ch ar g e  co n tr o l,  an d   f au lt  d etec tio n .   T h is   wo r k   id en tifie s   th e  im p o r tan t  r o l e   p lay ed   b y   cr itical  f ac to r s   lik e  ac cu r ate  SOC   an d   SOH  esti m atio n ,   co m m u n icatio n   p r o t o co ls ,   an d   in teg r atio n   with   v eh icle  co n tr o l   p latf o r m s .   T h e  a u th o r s   d is cu s s   th e  s ch em atic  o f   b o t h   th e   h ar d war e  an d   s o f twar e   co m p o n en ts   with   atten tio n   g iv en   to   em er g in g   tr en d s   lik e  clo u d - b ased   m o n ito r in g   an d   AI - d r iv en   an al y tics .   T h is   r ev iew  in v esti g atio n   m a d e  b y   th em   s tr ess es  th e  ex is tin g   c o n s tr ain ts   lik e  c o s t  r ed u c tio n ,   d ata   s ec u r ity ,   an d   th e  in teg r atio n   o f   ad v a n ce d   s en s o r s .   T h e  co n tr ib u tio n   m ad e  b y   th e  wo r k   o f f er s   s o u n d   tech n ical   k n o wled g e  t h at  th e  f u tu r e  r ese ar ch er s   an d   e n g in ee r s   ca n   lev e r ag e  to   d esig n   r o b u s t BMS p latf o r m s .   An   ex ten s iv e  o v er v iew  o f   th e r m al  m an a g em en t   s tr ateg ies  was  p r esen ted   b y   Din g   et  a l.   [ 2 8 ]   to   s o r t   o u t  th e   tech n ical   co n s tr ain ts   r ea lized   i n   b atter y   p ac k s   o f   E Vs .   T h e   au th o r s   ca teg o r iz e  m eth o d s   in to   air   co o lin g ,   liq u id   co o lin g ,   p h ase  ch an g e   m ater ials ,   a n d   th er m o elec tr ic  tech n o lo g ie s ,   an aly zin g   th eir   ef f ec tiv en ess ,   co s t,  an d   f ea s i b ilit y .   T h e  p ap er   also   ex p l o r es  n o v el  tech n iq u es  lik e   n an o f lu id s   an d   h y b r id   s y s tem s   th at  co m b in e  p ass iv e   an d   ac tiv e  co o lin g .   I t  em p h asizes  th e  s ig n if ican ce   o f   th er m al  u n if o r m ity   in   en h an cin g   b atter y   p er f o r m an ce   an d   life s p an .   Ad d itio n all y ,   it  d is cu s s es  co n tr o l  alg o r ith m s   an d   d esig n   o p tim izatio n   tech n i q u es  f o r   e f f icien t  h ea t  d is s ip atio n .   T h is   r ef er en ce   is   cr u cial  f o r   en s u r in g   b atter y   s af ety ,   im p r o v in g   en e r g y   e f f icien cy ,   an d   s u p p o r tin g   t h e  ev o lu tio n   o f   h ig h - p er f o r m an ce   E V  s y s tem s .   Sh r iv astav a  et  a l.   [ 2 9 ]   r e v iew   s tate - of - ch ar g e   esti m atio n   tech n iq u es  f o r   lith iu m - i o n   b atter i es,  with   a   f o cu s   o n   th e  Kalm an   f ilter   f am ily   ( e x ten d ed   Kalm an   f ilter   ( E KF) ,   u n s ce n ted   Kalm an   f ilter   ( UKF) ,   an d   c u b atu r e   Kalm an   f ilter   ( C KF) ) .   I t   co m p a r es  th e   s tr en g th s   a n d   lim itatio n s   o f   ea c h   v ar ian t   an d   d is cu s s es  th eir   ap p licab ilit y   in   r ea l - tim e  B MS.   T h e  s tu d y   h ig h lig h ts   h o w  m o d el - b ased   esti m atio n   im p r o v es  r o b u s tn ess   u n d er   v ar y in g   o p er atin g   co n d itio n s   a n d   b atter y   a g in g .   T h e   au t h o r s   also   ex am in e   im p lem en tatio n   ch allen g es,  s u ch   as   m o d ellin g   ac cu r ac y ,   co m p u ta tio n al  co s t,  an d   s en s o r   n o is e.   T h is   p ap er   is   ess en tial  f o r   u n d er s tan d i n g   h o w   ad v an ce d   f ilter in g   tech n iq u e s   ca n   en h a n ce   th e   r eliab ilit y   o f   b atter y   ch ar g e  esti m atio n ,   esp ec ially   in   ap p licatio n s   d em an d in g   p r ec is io n ,   s u ch   as a u to n o m o u s   E Vs   an d   en er g y   s to r a g e  s y s tem s .   L i  et  a l.   [ 3 0 ]   u s ed   m u lti - s o u r ce   d ata  d ep en d in g   u p o n   a  u n i q u e  d ee p   tr an s f er   lear n i n g   tec h n iq u e  to   tack le  th e  p r o b lem   o f   h ea lth - c o n s cio u s   b atter y   d esig n i n g .   T o   im p r o v e   th e  b atter y   d esig n ' s   tr ain in g   p r o ce s s ,   a  d ee p   tr an s f er   lear n i n g   tech n i q u e  was  cr ea ted   th at  allo ws  s tate  esti m ato r s   to   b e  estab li s h ed   u s in g   o p er atin g   d ata  f r o m   v ar io u s   E V  k in d s .   Data   o n   b atter y   f u n ctio n in g   g ath er ed   f r o m   two   d if f e r en t  k i n d s   o f   elec tr ic   b u s es   was  u s ed   to   v alid ate   th e  a p p r o ac h .   T h e  b atter y   m o d el  er r o r   m ay   b e  k e p t  to   2 . 4 3 %  an d   1 . 2 7 %  th r o u g h o u t  th e   life   cy cle  with   th e  h elp   o f   th e   tr an s f er   lear n in g   tech n i q u e  an d   th e  estab lis h ed   h ea lth y   s tate  p er ce p tio n   d esig n .   A  d ata - d r i v en   ap p r o ac h   b ased   o n   s p ar s e  Gau s s ian   p r o ce s s   r eg r ess io n   ( GPR )   an d   th e   r an d o m   p a r tial  ch ar g in g   p r o ce s s   was  d ev elo p ed   b y   [ 3 1 ] .   I n itially ,   th e  p ar ti al  ch ar g in g   p r o ce s s ' s   r an d o m   ca p ac ity   in cr em en t   s eq u en ce s   ( Q)   at  v a r io u s   v o lt ag e  s eg m en ts   wer e   tak e n   o u t.   Q' s   av er ag e  v al u e  a n d   s tan d ar d   d ev iatio n   wer e  em p lo y ed   as  ch a r ac ter is tics   to   s h o w  th e  co n d itio n   o f   th e  b atter y .   Hig h   c o r r elat io n s   b etwe en   th e   ch ar ac ter is tics   an d   b atter y   SOH  wer e  co n f ir m e d   at  v ar io u s   tem p er atu r es  an d   d is ch ar g in g   cu r r en t  r ates  af ter   a   co r r elatio n   s tu d y   was  p er f o r m ed   f o r   th r ee   d is tin ct  b atter y   ty p es.  T h e  f in al   s tep   in v o lv ed   b u ild in g   s p ar s e   GPR   m o d els to   esti m ate  th e  SOH  u s in g   th e  s u g g ested   ch a r ac ter is tics   as in p u ts .   T ian   e t  a l .   [ 3 2 ]   s u g g ested   a  v er s atile  ap p r o ac h   th at  ad d r ess es  th e  is s u es  o f   co n d itio n   o f   h ea lth   an d   SOC   e s tim ates  at  th e  s am e  ti m e  b y   esti m atin g   m ax im al  an d   r em ain in g   ca p ac ities   u s in g   ju s t  b r ief   ch ar g in g   d ata.   T h e  s u g g ested   ap p r o ac h   was  b ased   o n   a  co n v o lu tio n al  n eu r al  n etwo r k   ( C NN)   th at  ca n   esti m ate  two   s tates  u s in g   ju s t  s h o r t - ter m   ch ar g in g   d ata.   E ig h t  0 . 7 4   Ah   b a tter ies '   d eter io r atio n   d ata  s er v ed   as  th e  f ir s t  b asis   f o r   v alid atin g   th e  s u g g ested   ap p r o ac h .   Su b s eq u en t  test s   o n   two   m o r e  b atter y   ty p es  d e m o n s tr ated   th at  th e  s u g g ested   ap p r o ac h   m ay   g u ar an tee  ac cu r ate  esti m ate  u n d er   v ar i o u s   o p er atin g   s itu atio n s   an d   b atter y   ch em is tr ies.  A  v er s atile  an d   s im p le  m ec h a n is m   f o r   ac cu r atel y   esti m atin g   m an y   s tates  ac r o s s   b atter y   life   was  p r o v id e d   b y   th e  m eth o d .   A  s tu d y   o f   b atter y   s tate  esti m ate  tech n iq u es  d ep en d i n g   o n   s ev er al  ML   tech n iq u es  an d   Ham m in g   n etwo r k s   was  p r esen ted   b y   [ 3 3 ] .   T h e  ap p r o ac h es  wer e  co m p ar ed   b ased   o n   d ec lar e d   ac cu r ac y ,   test   s ettin g s ,   b atter y   ty p es,  in p u ts   an d   o u tp u ts ,   an d   d ata  q u ality   to   p r o v i d e  r ea d er s   with   a  b r o ad er   p er s p ec tiv e  o f   th e  ML   lan d s ca p e  f o r   SOC   an d   SOH  ca lcu latio n .   W h en   co m p ar in g   esti m ate  m eth o d o lo g ies,  it  was  s u g g ested   th at  th e   n etwo r k s   u n d e r   co m p ar is o n   s h o u ld   b e  t r ain ed   an d   ev alu at ed   u s in g   th e  s am e  d ata  an d   h av e  a  co m p ar ab le   n u m b er   o f   lear n ab le  p a r am ete r s .   Yan g   et  a l.   [ 3 4 ]   u s ed   th e  d is ch ar g e  cu r v es  to   s u g g est  a  n ew  h ea lth   in d icato r .   I n v esti g a tio n s   wer e  co n d u cte d   o n   h o w  tem p er atu r e,   cu r r e n t,  an d   d ep th - of - d is c h ar g e  af f ec te d   th e  h ea lth   in d icato r .   T h e  u n iq u e   h ea lth   in d icato r   was  th e n   u s e d   to   ch ar ac te r ize  th e  h ea lth   c o n d itio n   o f   b atter ies  th at  h ad   a g ed   at  v ar y in g   r ates   an d   d ep t h s   o f   d is ch ar g e .   B atter ies  o p er atin g   in   v ar io u s   r eg i m es  h av e  th eir   SOH  ev alu ated   u s in g   an   em p ir ical   m o d el.   T h e  n ew   h ea lth   in d icat o r   p r o v e d   s u cc ess f u l  an d   p r ac tical  f o r   s atellite  b atter y   SOH  esti m ate,   ac co r d in g   to   th e  s atis f ac to r y   esti m atio n   f in d in g s   with   a  m ax im u m   er r o r   o f   4 %.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A d va n ce d   A I - d r iven   b a tter y  s ta te  esti ma tio n   u s in g   d ee p   lea r n in g   a n d   …   ( N .   S u ma n a   K ee r th i )   1075   Fo r   esti m atin g   SOH,   W an g   et   a l .   [ 3 5 ]   alo n e  to o k   a  n ew  h ea lth   in d icato r   f r o m   th e  co n s tan t  v o ltag e   p r o f ile' s   m o n ito r in g   p ar a m eter s .   A  n o v el  in d icatio n   was c r ea ted   af ter   th e  eq u iv alen t c ir c u it m o d el  was u s ed   to   f ir s t  d ef in e  th e  b atter y   ag in g   p r o ce s s es  d u r in g   th e  co n s tan t  v o ltag e  p r o f ile.   I t  was  s u g g ested   to   u s e  a  f r am ewo r k   f o r   ex tr ac tin g   th is   in d icatio n   o n lin e.   T h e  p er f o r m an ce   ev alu atio n   an d   co r r elatio n   an aly s is   f u r t h er   d em o n s tr ate  th e   f le x ib ilit y   a n d   e f f icac y   o f   th e   s u g g ested   ap p r o ac h   f o r   d eter m in in g   t h e  h ea lth   s tatu s   o f   lith iu m - io n   b atter ies.   A  h ier ar ch ical  esti m atin g   ap p r o ac h   th at  tak es  th e  cu r r e n t  r ate  in to   ac co u n t  was  d ev elo p ed   b y   [ 3 6 ] .  B atter y   s tates  wer e  esti m ated   u s in g   a   m u ltis ca le  d u al   ex ten d ed   Kalm a n   f ilter   ( DE KF ) ,   p a r am eter s   wer e   id en tifie d   u s in g   th e  d ata - d r i v en   tech n iq u e,   an d   th e  f r ac tio n al - o r d e r   m o d el  was  em p lo y ed   f o r   b atter y   m o d elin g .   C o m p a r in g   th e  s u g g ested   tech n iq u e  to   class ic  D E KF  u n d er   two   s itu atio n s ,   th e  ac cu r ac y   o f   SOC   esti m ate  in cr ea s ed   b y   3 5 . 8 % a n d   3 6 . 5 %,  r esp ec tiv ely .   Un d e r   two   cu r r en t c ir cu m s tan ce s ,   th e  ac cu r ac y   o f   SOH  esti m ate  was in cr ea s ed   b y   3 4 . 8 % a n d   4 3 . 1 %,  r esp ec tiv ely ,   u s in g   th e  s u g g ested   tech n iq u e.   Kh an   et  a l.   [ 3 7 ]   s u g g ested   MCC Ps   B MS  to   u s e  th e  DL   id ea   to   esti m ate  th e  h ea lth   an d   c ap ac ity   o f   b atter ies,  wh er e  th e  p atter n s   i n   th ese  C Ps   alter   a s   th e  b atter y   m atu r es  o v er   tim e  an d   c y cles.  T h is   led   to   a   th o r o u g h   i n v esti g atio n   o f   b o t h   ML   an d   DL - d e p en d e n t   ap p r o ac h es  in   o r d er   to   o f f er   a   tan g ib le  co m p ar is o n   o f   th e  two   ap p r o ac h es.  Su p p o r t  v ec to r   r e g r ess io n   ( SVR )   an d   ad ap tiv e  b o o s tin g   ( AB )   wer e   ex ten s iv ely   test ed   with   C NN,   m u lti - lay er   p e r ce p tr o n s   ( ML P ) ,   b i - d ir ec tio n al  L STM   ( B iLST M ) ,   an d   L STM   i n   o r d er   t o   d eter m in e   th e  b est  m eth o d   f o r   esti m atin g   b atter y   ca p ac ity   SOH.   B iLST M  s u r p ass es   all  o t h er   tech n iq u es,  as   d em o n s tr ated   em p ir ically   u s in g   th e  NASA  b atter y   d ataset  to   co n f ir m   a n d   v er if y   t h e  s u g g est ed   s tr ateg y .   Hu   et  a l.  [ 3 8 ]   c r ea ted   an d   ex p er im en tally   v er if ie d   a  u n iq u e  co - esti m atio n   h ier ar ch y   f o r   lith iu m - io n   b atter y   SOC ,   SOH,   an d   s tate  o f   p o wer   ( SOP ) .   Fo r   ac cu r ate   esti m ates  an d   m o d est  co m p u tin g   co s t,  a  m u lti - tim e - s ca le  esti m atin g   f r am ewo r k   was  d esig n ed   tak i n g   in to   ac co u n t  th e  u n d er l y in g   c o n n ec tio n   an d   f ea t u r es   am o n g   v a r io u s   s tates.  A  n u m b er   o f   o p er atio n al  r estrictio n s   wer e  r esp ec ted   b y   th e  m o d el - d ep en d e n t   r ea l - tim e  SOP  esti m ate,   wh ich   ac cu r at ely   p r o jecte d   th e   b atter y   p ea k   p o wer   g iv e n   u p d ated   s tates  an d   p a r am eter s .   L astl y ,   m an y   test s   wer e  co n d u cted   to   s h o w  th e  co m b in a tio n   SOC /S OH/SO P  est im ati o n ' s   d u r ab ilit y   an d   ef f icac y .   W h en   co m p a r ed   t o   in d ep en d e n t  esti m atio n   s o lu tio n s ,   ex p e r im en tal  f in d in g s   d em o n s tr ate  th e   s ig n if ican t  ad v a n tag es  o f   th e  s u g g ested   co - esti m atio n   h ier a r ch y .   B o th   n ew  a n d   o ld   ce lls   h ad   SOC ,   v o ltag e,   an d   ca p ac ity   esti m ate  er r o r s   o f   less   th an   3 %,  2 5   m V,   a n d   3 %,  r esp ec tiv ely .   T r ad itio n al  p h y s ics - b ased   m o d els,  s u ch   as  eq u iv alen t  cir cu it  m o d els  ( E C Ms)   an d   elec tr o ch em ical  m o d els ,   h av e  b ee n   e x ten s iv ely   u s ed   f o r   SOC /SOH  est im ati o n ,   as  r ev iewe d   in   [ 2 6 ] ,   [ 2 9 ] .   W h ile  ef f ec tiv e  in   co n tr o lled   s ettin g s ,   th ese  m o d els  o f ten   d em an d   d etailed   b atter y   ch ar ac ter izatio n   an d   ar e  co m p u tatio n ally   ex p en s iv e.   R ec en t r esear ch   h a s   s h if ted   to war d s   d ata - d r i v en   m eth o d s :   -   L iu   et  a l.   [ 2 6 ]   p r o p o s ed   a  jo i n t  SOC / SOH  est im atio n   tech n i q u e  lev er a g in g   a  p s eu d o - 2 D  el ec tr o ch em ical  m o d el,   wh ich   en ab led   en h a n c ed   r ea l - tim e  m o n ito r in g   b y   ca p tu r in g   i n ter n al  d y n am ics.   -   T ian   et   al .  [ 3 2 ]   i n tr o d u ce d   a   C NN - b ased   m eth o d   f o r   s im u ltan eo u s ly   p r ed ictin g   SOC   an d   SOH  f r o m   s h o r t - ter m   ch a r g in g   d ata,   o f f er in g   a  lig h tweig h t  y et  ac cu r ate  f r am ewo r k .   -   Xu   et  a l.   [ 3 6 ]   em p lo y ed   a  h ier ar ch ical  m u ltis ca le  Kalm an   f ilter - b ased   ap p r o ac h   th at   s ig n if ican tly   im p r o v e d   SOC   an d   SOH  esti m atio n   ac cu r ac y   u n d er   v ar iab l e  cu r r en t  r ates.   -   Kh an   et   a l.  [ 3 7 ]   e v alu ated   tr a d itio n al  ML   ( e. g . ,   SVR ,   Ad aBo o s t)   ag ain s t  d ee p   lear n in g   te ch n iq u es  ( e. g . ,   L STM ,   B iLST M) ,   r ev ea lin g   B iLST M ' s   s u p er io r   p er f o r m an ce   f o r   SOH  p r ed ictio n   u s in g   NASA  b atter y   d atasets .   -   T POT  r eg r ess o r ,   as e x p lo r e d   in   [ 3 3 ] ,   u tili ze s   au to m ated   m ac h in e  lear n in g   ( Au to ML )   f o r   m o d el  s elec tio n   an d   h y p e r p ar a m eter   tu n in g ,   p r o v id in g   p r o m is in g   o u tco m es  f o r   SOH  p r ed ictio n s   with o u t  m an u al   in ter v en tio n .   -   Kalm an   f ilter - b ased   ap p r o ac h es  lik e  E KF  an d   UKF  [ 2 9 ]   o f f er   r elia b le  p er f o r m a n ce   u n d e r   s tead y   co n d itio n s   b u t  ten d   to   f alter   wh en   b atter y   d y n am ics  ch an g e  d u e  to   a g in g ,   tem p er atu r e   v ar iatio n ,   o r   ir r eg u lar   u s ag e.   -   E lectr o ch em ical  m o d els   [ 2 6 ] ,   wh ile  ac cu r ate,   d em an d   co m p lex   p h y s ical  m o d elin g   an d   ar e  n o t  well - s u ited   f o r   r ea l - tim e,   s ca lab le  im p lem en tatio n s .   -   ML   m eth o d s   lik e  SVR ,   Ad a B o o s t,  an d   XGBo o s t  [ 3 7 ]   h an d le  n o n lin ea r   p atter n s   b u t   o f ten   d ep e n d   h ea v ily   o n   m an u al  f ea tu r e  e n g in ee r in g   an d   h y p er p ar am eter   t u n in g .   -   C NN - b ased   d u al  esti m atio n   [ 3 2 ]   ad d r ess es  b o th   SOC   an d   SOH,   b u t  m ay   u n d er p er f o r m   wh en   th e   ch ar g in g   d ata  lack s   v ar iatio n   o r   g r an u lar ity .   -   L iu   et  a l.   [ 2 6 ]   an d   Sh r iv ast av a  e t  a l .   [ 2 9 ]   h ig h lig h t  th e  lim itatio n s   o f   m o d el - b ase d   ap p r o ac h es,   estab lis h in g   th e  m o tiv atio n   f o r   d ata - d r iv e n   s o lu tio n s .   -   L i  et  a l.   [ 3 0 ]   an d   T ian   e t  a l .  [ 3 2 ]   d e m o n s tr ate  th e  g r o win g   s u cc ess   o f   d ee p   lear n in g   in   b atter y   d iag n o s tics ,   lay in g   th e   f o u n d at io n   f o r   u s in g   R NN  an d   L STM   in   o u r   SOC   m o d elin g .   -   Vid al  et  a l.  [ 3 3 ]   co n d u ct   a  s u r v ey   c o m p ar i n g   ML   m eth o d s ,   ju s tify in g   o u r   d ec is io n   to   test   m u ltip le  m o d els s id e - by - s id e  u n d er   th e  s am e  d ataset  an d   co n d itio n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 7 2 - 1 0 9 3   1076   -   Kh an   et  a l.   [ 3 7 ]   em p ir ically   p r o v e   t h at  B iLST M  o u tp er f o r m s   o th er   m o d els  f o r   SOH — th is   s u p p o r ts   o u r   r atio n ale  f o r   u s in g   s tack ed   L STM   f o r   SOC   d u e  to   s im ilar   te m p o r al  d e p en d e n cies.   -   Den g   et  a l.   [ 3 1 ]   an d   Yan g   et  a l,   d is cu s s   f ea tu r e  e n g in e er in g   f r o m   p ar tial  c h ar g e/ d is ch ar g e  c y cles,   r ein f o r cin g   th e  id ea   th at  ef f ec t iv e  m o d els ca n   b e  tr ain ed   f r o m   co m m o n   o p er atio n al  d ata .   -   Xu   et  a l.   [ 3 6 ]   in tr o d u ce   a   h i er ar ch ical  esti m atio n   m o d el,   wh ich   in s p ir es  o u r   m o d u lar   a p p r o ac h   with   d ec o u p le d   p ip elin es f o r   SOC   an d   SOH.   T h ese  s tu d ies  co n f ir m   th e   g r o win g   in ter est  in   m ac h in e  l ea r n in g   a n d   d ee p   lear n in g   f o r   b atter y   d iag n o s tics .   Ho wev er ,   m o s t  o f   th em   tr ea t  SOC   an d   SOH  as  is o lated   p r o b lem s   o r   r ely   h ea v ily   o n   co m p le x   tr ain in g   s etu p s ,   lack in g   r ea l - tim e  ad ap tab ilit y   an d   u n i f ied   s y s tem   d esig n .   Als o ,   r e liab le  an d   h ig h ly   co m p u tatio n al  SOC   an d   SOH  esti m ate  alg o r ith m s   ar e  r eq u ir ed ,   as  well  as   th e  ab ilit y   to   m o d if y   in   r esp o n s e  to   th e   p r ac tical - s en s e   o p er atin g   s itu atio n s   ( tem p er atu r e  v ar iati o n s ,   ag e,   an d   s o   o n )   with   m i n im u m   in f o r m atio n   u s ed   f o r   tr ai n in g .   Desp ite  n o tab le  ad v an ce m e n t s ,   cu r r en t  m eth o d s   f o r   esti m at in g   SOC   an d   SOH  s u f f er   f r o m   m u ltip le  lim itatio n s :   -   L ac k   o f   r ea l - tim e  ad ap tab ilit y :  Ma n y   m eth o d s   f ail  u n d er   d y n am ic  o p e r atio n al  co n d itio n s   d u e  to   th eir   s tatic  m o d elin g   ass u m p tio n s .   -   Ab s en ce   o f   u n if ied   s y s tem s :  Few  f r am ewo r k s   s im u ltan e o u s ly   ad d r ess   b o th   SOC   an d   SO H  co m p u tatio n   u s in g   d is tin ct  b u t in teg r ated   m o d els.   -   Ma n u al  m o d el  tu n i n g :  C o n v e n tio n al  tech n iq u es  o f ten   r eq u ir e  d o m ain - s p ec if ic  e x p er tis e  f o r   ca lib r atio n ,   lim itin g   s ca lab ilit y .   -   I n ad eq u ate  en d - u s er   in teg r ati o n :  Mo s t  r esear ch   i m p lem en tatio n s   ar e  n o t  d ep lo y ab le  t h r o u g h   u s er - f r ien d ly   i n ter f ac es,  m ak in g   th e m   in ac ce s s ib le  to   n o n - s p ec iali s ts .   T h ese  g ap s   h ig h lig h t  th e   n ee d   f o r   a  m o d u lar ,   in tellig en t  s y s tem   th at  ca n   p r ed ict   b o th   SOC   an d   SOH   u s in g   h y b r id ,   ad a p tab le  m eth o d o lo g ies  wh ile  b ein g   d ep lo y a b le  in   r ea l - wo r ld   s ettin g s .   Acc u r ate  an d   r ea l - tim e  esti m atio n   o f   b atter y   p ac k - ce n tr ic  m ea s u r es - v iz. ,   SOC   an d   SOH  r em ain s   a  s u b s tan tial  c h allen g e  in   en er g y   f ac ilit ies,  p ar ticu lar ly   in   elec tr ic - o p er ated   v eh icles  an d   s m ar t   g r id s .   C o n v en tio n al  esti m atio n   tech n iq u es,  s u ch   as  Kalm an   f ilter s   an d   elec tr o ch em ical  m o d els,  o f ten   s u f f er   f r o m   h ig h   co m p lex ity ,   l o w  ad ap tab ilit y ,   an d   s en s itiv ity   to   en v ir o n m en tal  c h an g es   [ 3 9 ] ,   [ 4 0 ] .   T h ese  m o d els  m ay   n o t  g en er alize   s p an n i n g   u p o n   th e  d is tin ct  b atter y   p ac k   v ar ian ts ,   o p e r atio n al  cir cu m s tan ce s ,   an d   d e g r ad atio n   p atter n s ,   lead in g   t o   in ac cu r ate  p r ed ictio n s .   Fu r th er m o r e ,   u n if ied   m o d els   f o r   b o th   SOC   an d   SOH  a r e  d if f ic u lt  to   co n s tr u ct   d u e   to   d if f er in g   d ata  ch ar ac ter is tics   an d   d ep en d en c ies.  T h is   lim itat io n   p o s es  r is k s   s u ch   as  in ef f icien t  b atter y   u tili za tio n ,   r ed u ce d   o p er atio n al  s af et y ,   an d   in cr ea s ed   m ain ten an ce   co s ts .   As  b atter y   s y s tem s   s ca le  in   s ize  an d   im p o r tan ce ,   t h e  n ee d   f o r   a  f lex ib le,   in tellig e n t,  an d   p r ec is e  esti m atio n   m eth o d   h as  b ec o m e  cr itical   [ 1 5 ] .   T h e  p r o b lem   is   f u r th er   co m p o u n d ed   b y   th e   l ac k   o f   ac ce s s ib le  to o ls   th at   i n teg r ate  m ac h in e  lea r n in g - b a s ed   p r ed ictio n s   in to   p r ac tical  ap p licatio n s   f o r   en d - u s er s .   T h e   k ey   is s u es  in clu d e:   i)   n on - lin ea r ity   o f   b atter y   b eh av io r   u n d e r   d iv er s e   o p er atin g   co n d itio n s ;   ii)  v ar iab ilit y   in   d eg r ad atio n   r ates  d u e  to   tem p er atu r e ,   u s ag e   p atter n s ,   an d   ce ll  ch em is tr y ;   iii)  l ac k   o f   u n iv er s al  m o d elin g   a p p r o ac h es — wh at  wo r k s   f o r   SOC   m ay   n o t  wo r k   f o r   SOH ;   iv )   n ee d   f o r   r ea l - tim e  in f e r en ce   with   h i g h   ac cu r ac y   in   s af ety - c r itical  ap p licatio n s ;  an d   v )   d if f ic u lty   in   co llectin g   h ig h - q u ality   lab eled   d atasets ,   esp ec ially   f o r   SOH.   T h er ef o r e,   th is   wo r k   a d d r ess es  th e  u r g en t  n e ed   to   d e v elo p   a  r o b u s t,  r ea l - tim e,   a n d   u s er - f r ien d ly   d u al - m o d el  f r am ewo r k   u s in g   d ee p   lear n in g   tech n i q u es  to   p r ec is ely   co m p u te  b o th   SOC   an d   SOH,   ass u r in g   b etter   en e r g y   ad m i n is tr atio n   a n d   b atter y   lo n g e v ity .   I n   o u r   w o r k ,   we  m a k e  u s e  o f   d ata - ce n t r ic  an d   h y b r i d   d ee p   lear n in g   m eth o d o lo g ies  with   t h e  p r im e  aim   o f   ad d r ess in g   th e  af o r esaid   lim itatio n s   ex p er ien ce d   in   th e  b atter y   p ac k   o f   E Vs .   W e  tak e  ad v a n ta g e  o f   h is to r ical  an d   r ea l - tim e  d ata  co llected   with   wid e  r an g e  o f   s en s o r s ,   wh ich   em p o wer s   th e  lear n i n g   o f   co m p lex   b atter y   b eh a v io r   p atter n s   to   o f f er   v ig o r o u s   p r ed ictio n s   o f   SOC   an d   SOH.   I n   o u r   wo r k ,   we  m ak e   u s e  o f   l in ea r   r eg r ess io n ,   R NN,   s tack ed   L STM ,   g ate d   r ec u r r en t   u n it  ( GR U) ,   an d   GR U - L STM   f o r   SOC ,   an d   Stack in g   an d   T POT  r eg r ess o r ,   lin ea r   r eg r ess io n ,   GR U,   an d   GR U - L STM   f o r   SOH.   T h e   en tire   s y s tem   co n s tr u cted   b y   u s   u s in g   th e  af o r esaid   m eth o d o lo g ies  h as  b ee n   im p lem en te d   as  a  u s er - f r ien d ly   web   ap p licatio n .   W e  h a v e  u s ed   m u ltip le   to o ls   s er v in g   u n iq u e  r o les.  W e  m a k e  u s e  o f   Py th o n   to   d o   th e   m o d el   d ev elo p m e n t  an d   i n teg r atio n .   Als o ,   we  m ak e  u s e  o f   o t h er   to o ls   lik e  HT ML ,   C SS ,   an d   J av aScr ip t  f o r   p o wer in g   t h e  in ter f ac e  t o   o f f e r   s m o o th er   u s er   in ter ac tio n .   T h e  d ev elo p ed   h y b r i d   f r am ew o r k   ca n   s u cc ess f u lly   o f f er   a  s ca lab le  s o lu tio n ,   p er m itti n g   th e  r ea l - tim e  b atter y   s tate  m o n ito r in g   to   s er v e  v ar i o u s   in d u s tr ies.  T h is   ca n   ev en tu ally   im p r o v e  th e  e n er g y   ef f icien cy   an d   life cy cle  m an ag em en t  o f   p o wer   s y s tem s .   T h is   wo r k   in tr o d u ce s   a  h y b r id   d ee p   lear n i n g   f r am ewo r k   th at   ad d r ess es th e  ab o v e  ch allen g e s   b y :   -   Dev elo p in g   s ep ar ate,   o p tim ize d   m o d els  f o r   SOC   an d   SOH  p r ed ictio n ,   tailo r ed   to   t h e  r esp e ctiv e  d atasets   ( f etch ed   f r o m   a   s in g le  s o u r ce )   an d   b e h av io r al  d y n am ics.   -   E m p lo y in g   a  co m p ar ativ e  m et h o d o lo g y ,   wh e r ein   th r ee   tec h n iq u es — lin ea r   r eg r ess io n ,   R NN,   an d   s tack ed   L STM — ar e  u s ed   f o r   SOC   co m p u tatio n ,   an d   two — s tack in g   r eg r ess o r   an d   T POT  r eg r es s o r — ar e  u s ed   f o r   SOH.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A d va n ce d   A I - d r iven   b a tter y  s ta te  esti ma tio n   u s in g   d ee p   lea r n in g   a n d   …   ( N .   S u ma n a   K ee r th i )   1077   -   I n co r p o r atin g   GR U  an d   GR U - L STM   m o d els  to   en h an c e  SOC / SOH  e s tim atio n   th r o u g h   im p r o v ed   s eq u en ce   lear n in g   ca p a b ilit ies .   GR U  o f f er s   a  lig h tweig h t  an d   ef f icien t  s o lu tio n   with   f ewe r   p ar am eter s ,   id ea l  f o r   f ast  SOC   esti m atio n ,   wh ile  th e  GR U - L STM   h y b r id   m o d el  co m b i n es  th e  m e m o r y   r ete n tio n   s tr en g th s   o f   L STM   with   th e  co m p u tatio n al   ef f icien cy   o f   GR U  to   p r o v id e   r o b u s t  p r e d ictio n s   f o r   l o n g - ter m   d eg r a d atio n   p atter n s .   -   I n teg r atin g   Au to ML   ( T POT)   f o r   au to m atic  p ip elin e  o p tim iz atio n ,   en s u r in g   m in im al  h u m a n   in ter v en tio n   f o r   m o d el  tu n i n g .   -   Dep lo y in g   a  f u ll - s tack   web   ap p licatio n   u s in g   Py th o n   ( Flas k )   f o r   b ac k en d   m o d elin g   an d   H T ML /C SS /J S   f o r   th e  f r o n te n d   in ter f ac e,   th u s   en ab lin g   r ea l - tim e,   u s er - ac ce s s ib le  p r ed ictio n s .   -   E v alu atin g   an d   b en c h m ar k in g   all  tech n iq u es  with   in d u s tr y - s tan d ar d   m etr ics  ( R ²,   MA E ,   MSE ,   R MSE ) ,   v alid atin g   th e  r o b u s tn ess   an d   r eliab ilit y   o f   th e  m o d els.   T h is   d u al - m o d el  ap p r o ac h   allo ws  u s er s   to   in p u t  b atter y   d ata  an d   in s tan tly   r ec eiv e  SOC   an d   SOH  esti m atio n s ,   m ak in g   it  s u itab le  f o r   p r ac tical  d ep l o y m en t  i n   E Vs,  s m ar t  g r id s ,   an d   B MS  p latf o r m s .   T h e   p r in cip al  o b jectiv e  o f   o u r   wo r k   is   to   b u ild   a  s tr o n g ,   r ea l - ti m e,   an d   ac cu r ate  f ac ilit y   f o r   th e  co m p u tatio n   o f   b o th   m ea s u r es - v iz. ,   SOC   an d   SOH  o f   b atter y   p ac k s   m ad e  o f   lith iu m - io n   co m p o s itio n   u s in g   h y b r id   m ac h in e   lear n in g   m o d els.  Sp ec if ically   i n   o u r   wo r k ,   we  lo o k   to :   -   Gen er ate  a  s ep ar ate  d ee p   lear n in g   m eth o d o lo g y   to war d s   th e  co m p u tatio n   o f   SOC   u s in g   lin ea r   r eg r ess io n ,   R NN,   an d   s tack ed   L STM ,   en s u r in g   ac cu r ate  p r e d ictio n   o f   b atter y   ch a r g e  le v el  u n d er   v ar y in g   o p er atio n al  c o n d itio n s .   -   C r ea te  an   ad v an ce d   en s em b l e - b ased   m o d el  u s in g   s tack in g   r eg r ess o r   an d   T POT  r eg r e s s o r   f o r   SOH   esti m atio n ,   f o cu s in g   o n   ca p t u r in g   lo n g - ter m   b atter y   d e g r ad at io n   p atter n s .   -   I n teg r ate  b o th   m o d els  in to   a  Py th o n - b ased   b ac k e n d   an d   c o n n ec t  th em   with   a  lig h tweig h t,  r esp o n s iv e   f r o n ten d   in ter f ac e   u s in g   HT M L ,   C SS ,   an d   J av aScr ip t.   -   Allo w  u s er s   to   in p u t  b atter y   p ar am eter s   o r   s en s o r   d ata  th r o u g h   a   web   in ter f ac e  a n d   r ec eiv e  p r ac tical - s en s e  esti m atio n s   o f   b atter y   p a ck - ce n tr ic  m ea s u r es - v iz. ,   SOC   an d   SOH.   -   E n s u r e  th at  th e   f ac ilit y   is   m o d u lar ,   in ter p r etab le,   an d   ca p a b le  o f   a d ap tin g   to   n ew  d ata  o r   b atter y   t y p es   with   m in im al  r etr ain in g .   B y   f u lf illi n g   th ese  o b jectiv es,  th e  wo r k   co n tr ib u tes  to   s m ar te r   b atter y   m an ag em e n t,  im p r o v ed   s af ety ,   an d   lo n g e r   b atter y   life s p an — esp ec ially   in   g r id   s to r ag e  f ac ilit ies  an d   elec tr ic - p o wer ed   v eh icles  wh er e  b atter y   p er f o r m an ce   is   m u ch - c r itical.   T h e  r em ain in g   s ec tio n s   o f   th e  m an u s cr ip t  h av e  b ee n   o r g a n ized   as  f o llo ws:   i)   Sectio n   2   d etails  th e  p r o p o s e d   m eth o d o lo g y ,   in clu d in g   m o d el  ar ch itectu r es,  o p er atio n al  f lo w,   an d   al g o r ith m   s elec tio n .   ii)  Sectio n   3   p r ese n ts   ex p er im en tal   r esu lts   u s in g   v is u aliza tio n   p lo ts   an d   a  c o m p ar ativ e   tab le  o f   ev alu atio n   m etr ics.   iii)  Sectio n   4   co n clu d es  t h e  s tu d y   b y   h ig h lig h tin g   th e   ac h iev e d   r esu lts ,   p r ac tical  r elev an ce ,   a n d   d ir ec tio n s   f o r   f u tu r e   wo r k — in clu d in g   r ea l - tim e  I o T   in teg r atio n   an d   m o d el  g e n er aliza tio n   u s in g   tr an s f er   lear n in g .       2.   P RO P O SE D  CO M P U T A T I O N  M E T H O DO L O G Y   T h e  d ec lin e  i n   th e  ca p ac ity   o f   b atter y   p ac k s   a n d   d im in is h in g   p o wer   is   ca u s ed   b y   a   n u m b er   o f   in ter r elate d   f ac to r s ,   r en d e r in g   th e  in v esti g atio n   d if f icu lt  an d   d iv er s e.   Acr o s s   th e  ag e  o f   th e   b atter y   p ac k ,   its   ab ilit y   to   o p er ate  d im in is h e s ,   h en ce ,   co r r ec t  SOC   ca lcu latio n   r eq u ir es  a   m eth o d o l o g y   th at  tak es  in to   co n s id er atio n   o f   d eter io r atio n   o f   th e   b atter y   p ac k .   Similar ly ,   an   in co r r ec t  SOC   esti m ate  m i g h t  ca u s e  m is tak es  in   ad ju s tin g   th e  SOH  o f   a   b atter y   p ac k .   As  a  r esu lt,  co n tem p o r an eo u s   ca lcu latio n   o f   SOC   an d   SOH  is   wid ely   ac k n o wled g e d   as   cr itical  f o r   s u cc ess f u l  b atter y   p ac k   a d m in is tr atio n   f ac ilit ies.  Desp ite  th e  f ac t  th at   d ee p   lear n in g   m eth o d o lo g ies   h a v e  d em o n s tr ated   f av o r ab le  o u tco m es  in   th e  c o m p u tatio n   o f   SOC   an d   ar e  r eg u lar l y   cited   in   liter atu r e,   th ese  ar e   ty p ically   r esear ch e d   s ep ar ately ,   with   n o   co m p lete  co m p ar is o n   s tu d y .   T h is   lim its   th eir   co m p r e h en s io n   o f   th eir   p ar ticu lar   ab ilit ies  an d   co n s tr a in ts   in   p ar ticu lar   u s e  s ettin g s ,   wh en   s elec tin g   th e  b est  s tr ateg y   is   cr itical  f o r   p ea k   f u n ctio n al  ab ilit y .   T h e   in v es tig atio n   p r o v id es  an   in - d ep th   s tr ateg y ,   co m p ar in g   5   wid ely   u s ed   m eth o d o lo g ies   ac r o s s   th e   id en tical  s e ttin g s .   Ou t  o f   th e  s ev en   m eth o d o lo g ies  u s ed ,   we  u s e   f iv e  m eth o d o l o g ies f o r   SOC   co m p u tatio n ,   an d   we  u s e  f iv e  m eth o d o lo g ies f o r   SOH  co m p u tatio n .   C o n s eq u en tly ,   we  a r e  in tr o d u cin g   s ev en   s tate - of - th e - ar t   m e th o d o lo g ies  with   th e  two   d if f er en t  aim s   as  s h o wn   in   F ig u r e  1 .   T h o s e  two   aim s   ar e  th e  co m p u tatio n   o f   b o th   th e  b atter y   p ac k - ce n tr ic  m ea s u r es  lik e  SOC   an d   SOH  b y   s eg r eg atin g   th r ee   m eth o d o lo g ies  f o r   th e   f o r m er   a n d   two   m et h o d o lo g i es  f o r   th e  latter   as   d en o ted   in   F ig u r e  1 .   As  f ar   as   th e  d ata  co n s id er ed   is   co n ce r n ed ,   we   s ep ar ate  th e   d ata   ac co r d in g ly   to   co m p u te   b atter y   p ac k - ce n tr ic  SOC   u s in g   f iv e  m eth o d o lo g ies -   v iz. ,   lin ea r   r eg r ess io n ,   R NN,   an d   s tack ed   L STM ,   GR U,   an d   GR U - L STM   GR U,   an d   G R U - L STM ,   GR U,   an d   GR U - L STM   an d   s im u ltan eo u s ly ,   co m p u te  b atter y   p ac k - ce n tr ic  SOH  u s in g   f iv e  m eth o d o lo g ies  v iz. ,   s tack in g   r eg r ess o r ,   T POT  r eg r ess o r ,   lin ea r   r eg r ess io n ,   GR U,   an d   GR U - L STM .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 7 2 - 1 0 9 3   1078   T h e  n o tab le  c o n tr ib u tio n s   o f   o u r   wo r k   ar e  as f o llo ws:   -   B y   in teg r atin g   a   r an g e   o f   m o d els — lin ea r   r eg r ess io n   f o r   in ter p r etab ilit y ,   R NN  an d   s tack ed   L STM   f o r   tem p o r al  p atter n   lear n in g ,   an d   Au to ML   to o ls   lik e  T POT  an d   s tack in g   r eg r ess o r   f o r   e n s em b le  lear n in g — we  o f f er   a  d iv er s if ied   m o d elin g   ap p r o ac h .   -   I m p o r ta n tly ,   we  in tr o d u ce   G R U  an d   GR U - L STM   m o d els   to   en h an ce   th e  f r am ewo r k ' s   ca p ac ity   f o r   lear n in g   b o t h   s h o r t -   an d   lo n g - ter m   d ep en d en cies  in   b atter y   b eh av io r .   GR U  p r o v id es  lig h tweig h t,  f ast - co n v er g in g   p r ed ictio n s   with   f ewe r   p ar am eter s ,   id ea l  f o r   r e al - tim e  SOC   esti m atio n .   T h e   GR U - L STM   h y b r id   c o m b in es  th e  co m p u t atio n al  ef f icien cy   o f   GR U  with   th e  d ee p   m em o r y   r eten tio n   o f   L STM ,   o f f er in g   r o b u s t p er f o r m an ce   f o r   b o t h   SOC   an d   SOH  task s .   -   Ou r   ar ch itectu r e  m ain tain s   a  m o d u lar   d esig n   th at  s ep ar at es  SO C   an d   SOH   p ip elin es  wh ile  u s in g   a  u n if ied   p r ep r o ce s s in g   an d   d ep lo y m en t stru ctu r e — an   ap p r o a ch   r ar ely   s ee n   i n   p r i o r   wo r k s .   T h is   co m p r eh en s iv e  in teg r atio n   o f   tr ad itio n al,   ML ,   a n d   a d v an ce d   d e ep   lear n in g   m o d e ls   en ab les  g r ea ter   f lex ib ilit y ,   ac cu r ac y ,   an d   s ca lab ilit y   f o r   r ea l - wo r ld   b atter y   d i ag n o s tics .           Fig u r e  1 .   B lo ck   d iag r am   o f   c o m p u tin g   b atter y   SOC   an d   SOH  with   s tate - of - th e - ar t m eth o d o lo g ies       2 . 1 .     O bje c t iv es   I n   o u r   wo r k ,   we  in tr o d u ce   a  h y b r id   d ee p   lear n in g   f r a m ewo r k   f o r   th e  p r ec is e  co m p u tatio n   o f   m ea s u r es  lik e  SOC   an d   SOH  in   th e  b atter y   p ac k s   m ad e   u p   o f   th e   lith iu m - io n   co m p o s itio n .   Un lik e  t r ad itio n al  m o d el - b ased   ap p r o ac h es,  th is   s y s tem   u s es  s ep ar ate,   s p ec ialized   m ac h in e   lear n in g   m o d els  tr ain ed   o n   h is to r ical   d atasets   ( f etch ed   f r o m   a  s in g le  s o u r ce   [ 4 1 ] )   t o   p r e d ict  two   m ea s u r es  lik e  SOC   an d   SOH.   I n   ca s e  o f   SOC   p r ed ictio n ,   m eth o d o lo g ies  lik e  lin ea r   r eg r ess io n ,   R NN,   an d   s tack ed   L STM   ar e  im p lem en ted   to   ca p tu r e  b o th   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A d va n ce d   A I - d r iven   b a tter y  s ta te  esti ma tio n   u s in g   d ee p   lea r n in g   a n d   …   ( N .   S u ma n a   K ee r th i )   1079   lin ea r   an d   tem p o r al  r elatio n s h ip s   in   b atter y   ch ar g e  p atter n s .   I n   ca s e  o f   SOH,   wh ich   d e p e n d s   o n   d e g r ad atio n   tr en d s   o v er   tim e,   en s em b le - b ased   m eth o d o lo g ies  s u ch   a s   s tack in g   r eg r ess o r   an d   T POT  r eg r ess o r   ar e   em p lo y ed   to   e n s u r e  r o b u s t  g en er aliza tio n .   T h e  e n tire   b ac k en d   is   d ev elo p ed   u s in g   Py th o n ,   allo win g   in teg r atio n   o f   p r ep r o ce s s ed   d a tasets ,   m o d el  tr ain in g ,   an d   r ea l - tim e  in f er en ce   API s .   T h e  f r o n ten d   p ar t h as b ee n   co m p iled   with   th e   d ep l o y m e n t  o f   to o ls   lik e  J av aScr ip t,   C SS ,   an d   HT ML ,   p r o v i d in g   a  clea n   u s er   in ter f ac e   wh er e  u s er s   ca n   i n p u t   r elev a n t  s en s o r   d ata  o r   b atter y   p ar am eter s .   T h e   s y s tem   th en   r etu r n s   r ea l - tim e   SOC   an d   SOH  v alu es.  T h is   m o d u lar   an d   d u al - m o d el  d esig n   en s u r e s   s ca lab ilit y ,   in ter p r etab ilit y ,   an d   ad ap tab ilit y   to   d if f er en t   b atter y   ch e m is tr ies  an d   u s e - ca s es.  Ov er all,   it   en h a n ce s   B MS  an d   en er g y   s to r a g e   r eliab ilit y   in   E Vs ,  d r o n es,  s m ar t g r id s ,   an d   co n s u m er   elec tr o n ics.   E s tim atin g   th e  SOC   s er v es  as  th e  f u n d a m en tal  r ea l - tim e  i n d icato r ,   e n ab lin g   a  s af er   an d   ef f icien t   b atter y   o p er atio n   th r o u g h o u t  d aily   u s e   cy cles.  T h e  c o m p u t atio n   o f   SOC   is   cr itical  f o r   im m ed iate  o p er atio n al   d ec is io n s   b ec au s e  it  tells   u s er s   h o w  m u ch   en er g y   r e m ain s   av ailab le  at  an y   g iv en   m o m en t.  T h is   p r ev en ts   o v er - d is ch ar g e,   ca u s in g   p e r m an en t  d am ag e  to   th e  ce lls   o f   a  b atter y   p ac k .   T h e  in n o v ativ e  id ea   b eh in d   th is   wo r k   is   to   d eter m in e   th e  b atter y   p ac k ' s   So H   u s in g   d ata  ac q u ir ed   at  th e  tim e  o f   th e  co u r s e  o f   ch a r g e  o p er atio n .   T h e   en d in g   o f   a   ch ar g in g   p r o ce d u r e  is   a   p a r ticu lar ly   cr itical  t im e  to   o b tain   So H  d ata.   W ith   th is   in f o r m atio n ,   co n s u m er s   ar e   a b le  to   f i g u r e  o u t  h o w  t h e  b atter y   p ac k   wo u ld   g et   u tili ze d .   T o   ac co m p lis h   s o ,   we  d ep lo y   tw o   m eth o d o l o g ies,  wh ich   ar e   tau g h t a n d   ass ess ed   u s in g   d ata  co ll ec ted   wh ile  tak in g   c h ar g e.     2 . 2 .     O utline  o f   e x perim ent a l / m et ho d  s ec t io n   T h is   s ec tio n   o u tlin es  t h e  co m p lete  ex p er i m en tal  d esig n ,   d at a  s o u r ce s ,   p r ep r o ce s s in g   s tep s ,   m o d elin g   tech n iq u es,  p er f o r m an ce   ev alu atio n   s tr ateg ies,  an d   web - b ased   im p lem e n tatio n   em p lo y e d   f o r   th e   esti m atio n   o f   SOC   an d   SOH  in   lith iu m - io n   b atter y   p ac k s   u s in g   h y b r id   m a ch in e  lear n in g   an d   d ee p   lea r n i n g   m eth o d s .     2 . 2 . 1 .   Da t a s et   d escript io n   T wo   s ep ar ate  d atasets   wer e  f etch ed   f r o m   a  s in g le  s o u r ce   [ 4 1 ]   an d   s u b s eq u en tly   u s ed   f o r   SOC   an d   SOH  p r ed ictio n   task s :   -   T h e  f o llo win g   ar e  th e  k ey   tr ait s   o f   th e  SOC   d ataset:    i)   T y p e:  Pu b licly   av aila b le  E V  b atter y   cy clin g   d ataset.     ii)   Featu r es:  v o ltag e  ( V) ,   c u r r en t  ( A) ,   t em p er atu r e  ( °C ) ,   t im e  ( s ) .     iii)   T ar g et:  SOC   ( %),   u p d ated   p er   cy cle.   -   T h e  f o llo win g   ar e  th e  k ey   tr ait s   o f   th e  SOH  d ataset:    i)   T y p e:  NASA  b atter y   p r o g n o s tics   d ataset.     ii)   Featu r es: C y cle  n u m b er ,   ter m i n al  v o ltag e,   c h ar g e  c ap ac ity ,   t em p er atu r e,   an d   i n ter n al  r esis tan ce .     iii)   T ar g et:  SOH  ( %),   d ef in ed   as th e  r atio   o f   cu r r en t c ap ac ity   t o   r ated   ca p ac ity .   No te:   B o th   d ataset s   wer e  clea n ed   an d   f o r m atted   in to   C SV f i les an d   wer e  s u b s eq u en tly   im p o r ted   u s in g   Pan d as  ( v 1 . 5 . 3 )   in   Py th o n   3 . 1 0   f o r   p r o ce s s in g .     2 . 2 . 2 .   Da t a   p re pro ce s s ing   T h e  p r e p r o ce s s in g   p ip elin e   was im p lem en ted   as f o llo ws:   -   Data   c lean in g :  First,  we  r em o v ed   r o ws  with   m is s in g   o r   co r r u p ted   s en s o r   r ea d i n g s .   T h en ,   we  ex clu d e d   o u tlier s   b ey o n d   3   s tan d ar d   d e v iatio n s   u s in g   Z - s co r e  n o r m al izatio n .   Fin ally ,   we  f ilter ed   S OH  d ataset  to   r etain   f u ll c h ar g e - d is ch ar g e  cy cles o n ly .   -   Featu r e  s ca lin g :  Stan d ar d Scal er   f r o m   Scik it - lear n   was  u s ed   to   n o r m alize   all  co n tin u o u s   f ea tu r es  ( ze r o   m ea n   an d   u n it v a r ian ce )   b ef o r e  f ee d in g   i n to   th e  m o d els.   -   T r ain - test   s p lit :  E ac h   d ataset   was  s p lit  in to   8 0 %  tr ain in g   an d   2 0 %  test in g   p ar titi o n s   u s in g   s tr atif ied   s am p lin g   to   m ain tain   d is tr ib u t io n   co n s is ten cy .     2 . 2 . 3 .   E x perim ent a l  s et up   -   Har d war e:  I n tel  C o r e  i7 ,   1 6 G B   R AM ,   5 1 2 GB   SS D.   -   So f twar e:   i)   Py th o n   3 . 1 0 ,   ii)  T en s o r Flo w  2 . 1 1 . 0 ,   iii)  Scik it - lear n   1 . 2 . 2 ,   iv )   T POT  0 . 1 1 ,   v )   Flas k   2 . 2 . 2 ,  v i)   Pan d as,  Nu m Py ,   Ma t p lo tlib ,   Seab o r n .     2 . 3 .     Su bs t a ntia l  c o ntr ibu t io ns   a nd   n o v elt y   T h is   wo r k   in tr o d u ce s   s ev er al  n o v el  co n tr ib u tio n s   th at  s et  it  ap ar t  f r o m   ex is tin g   liter atu r e  i n   th e  f ield   o f   b atter y   d iag n o s tics .     2 . 3 . 1 .   Dua l - m o del  a rc hite ct u re   Un lik e  p r e v io u s   s tu d ies  th at   eith er   f o cu s   o n   State  o f   C h ar g e  ( SOC )   o r   State  o f   He alth   ( SOH)   in d ep en d en tly ,   o r   attem p t  to   u s e  a  s in g le  m o d el  f o r   b o th ,   th is   wo r k   ad o p ts   a  m o d u lar   d u al - p ip elin e   ar ch itectu r e.   SOC   an d   SOH  ar e  esti m ated   u s in g   d is tin ct,   s p ec ialized   lear n in g   alg o r ith m s   tailo r ed   to   th e  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 7 2 - 1 0 9 3   1080   r esp ec tiv e  ch ar ac ter is tics   o f   ch ar g e  b e h av io r   a n d   d e g r ad a tio n   p atter n s .   T h is   m o d u lar   d esig n   en ab les  ea ch   p r ed ictio n   task   t o   b e   o p tim iz ed   in d ep e n d en tl y ,   r esu ltin g   in   im p r o v ed   esti m atio n   ac cu r ac y ,   g r ea te r   m o d el   f lex ib ilit y ,   an d   e n h an ce d   ad a p tab ilit y   to   d iv er s e  b atter y   o p e r atin g   co n d itio n s .     2 . 3 . 2 .   M et ho do lo g ica l  i nn o v a t io n   Fo r   SOC   esti m atio n ,   f iv e   co m p ar ativ e  m o d els  ar e   ev alu ate d :  lin ea r   r e g r ess io n   ( as  a  b aselin e) ,   R NN,   GR U,   s tack ed   L STM ,   an d   a  h y b r i d   GR U - L STM   m o d e l.  T h is   ex p an d ed   s u ite  o f   m o d els  en s u r es  th e  f r am ewo r k   ca p tu r es  a  wid e   r an g e  o f   tem p o r al   d ep e n d en ci es — f r o m   s h o r t   b u r s ts   to   lo n g - r an g e   p atter n s .   Fo r   SOH  esti m at io n ,   two   en s em b l e - b ased   ap p r o ac h es  ar e  im p le m en ted :  s tack in g   r eg r ess o r   an d   T POT  r eg r ess o r .   T POT  lev er ag es  Au t o ML   v ia  g en etic   p r o g r am m in g   to   au t o m atica lly   co n s tr u ct  an d   o p ti m ize  p ip elin es.   T h e   co m b in atio n   o f   m a n u ally   c o n f ig u r e d   tem p o r al  m o d els  ( e. g . ,   GR U,   L STM )   with   Au to ML   p ip elin es  ( e. g . ,   T POT)   in   a   u n i f ied   f r am ewo r k   f o r   d u al - s tate  esti m atio n   r ep r esen ts   a  u n iq u e   co n t r ib u ti o n   n o t  p r ev io u s ly   ex p lo r ed   in   r elate d   w o r k .     2 . 3 . 3 .   P er f o r m a nce  v a lid a t io n   All  m o d els  wer e  r ig o r o u s ly   tr ain ed   an d   test ed   u n d er   co n s is ten t  co n d itio n s   u s in g   p u b licly   av ailab le  r ea l - wo r ld   b atter y   d atasets ,   an d   ev alu ate d   u s in g   in d u s tr y - s ta n d ar d   m etr ics — R ²,   MA E ,   MSE ,   an d   R MSE .   T h e   GR U  an d   GR U - L STM   m o d els  ac h iev ed   ex c ellen t  ac cu r ac y   f o r   SOC   esti m atio n ,   with   th e  GR U - L STM   m o d el   m atch in g   th e   to p - p er f o r m in g   s tack ed   L STM   ( R ²  =  0 . 9 9 3 5 ,   R MSE   =  0 . 0 1 4 7 ) .   T h e  T POT  r eg r ess o r   ac h ie v ed   p er f ec t p r e d ictio n   f o r   SOH  ( R ²  =  1 . 0 ) ,   estab lis h in g   a  n ew  b e n ch m ar k   o n   t h e  d ataset.     2 . 3 . 4 .   Web - b a s ed  d eplo y m ent   T h is   wo r k   in clu d es  a  co m p let e  f u ll - s tack   d ep lo y m en t,  co n s is tin g   o f   a  b ac k en d   p o wer e d   b y   Py th o n   ( Flas k )   an d   a  f r o n ten d   d ev elo p ed   u s in g   HT ML ,   C SS ,   an d   J av aScr ip t.  User s   ca n   in ter ac t  with   th e  s y s tem   in   r ea l  tim e  to   in p u t  b atter y   d a ta  an d   r ec eiv e   in s tan t  SOC   an d   SOH  p r ed ictio n s ,   t h er eb y   b r id g in g   t h e  g ap   b etwe en   m o d el  d ev el o p m en t   a n d   p r ac tical  u tili ty .   T h is   d ep lo y m en t  d e m o n s tr ates  th e  f ea s ib ilit y   o f   in teg r atin g   ad v an ce d   b atter y   esti m atio n   m o d els  in to   u s er - f r ien d l y   ap p l icatio n s ,   m ak in g   th e   p r o p o s ed   f r am ewo r k   s u itab le   f o r   r ea l - tim e  B MS  ap p licatio n s   in   elec tr ic  v eh icles.     2 . 3 . 5 .   F uture - r ea dy   d esig n   T h e  f r a m ewo r k ’ s   m o d u lar   s t r u ctu r e   f ac ilit ates  s ea m less   e x ten s io n s ,   in clu d in g   I o T - e n a b led   B MS  in teg r atio n ,   clo u d - h o s ted   an al y tics ,   an d   m o b ile  d ep lo y m en t .   L ig h tweig h t  m o d els,  s u ch   a s   th e  GR U,   en s u r e   ef f icien t  im p lem en tatio n   o n   ed g e  d ev ices  wh ile  m ain tain in g   h ig h   p r ed ictio n   p er f o r m an ce .   Fu r th er m o r e ,   s ca lab le  Au to ML   co m p o n en t s   p r ep ar e  th e  s y s tem   to   ac co m m o d ate  f u tu r e  d atasets   an d   ev o lv in g   b atter y   d iag n o s tic  r eq u ir em en ts ,   th er e b y   en h an cin g   its   lo n g - ter m   a d ap tab ilit y   an d   p r ac tical  ap p lic ab ilit y .     2 . 4 .     G o a ls   o f   t he  d esig n a nd   d ev elo pm ent   a pp ro a ch   T h e  d esig n   an d   d ev elo p m en t  o f   th e   p r o p o s ed   f r am ewo r k   wer e  g u id ed   b y   th e  f o llo win g   co r e   o b jectiv es:   -   Acc u r ac y :  T o   en s u r e   h ig h   p r ed ictiv e  p er f o r m a n ce   f o r   b o th   SOC   an d   SOH  ac r o s s   d i v er s e  b atter y   co n d itio n s ,   lev e r ag in g   r o b u s t  m o d elin g   s tr ateg ies  s u ch   as  GR U,   GR U - L STM ,   an d   s tack ed   L STM   th at   ca n   ca p tu r e  b o th   s h o r t - ter m   d y n am ics an d   lo n g - ter m   d eg r a d a tio n   tr en d s .   -   Ad ap tab ilit y :  T o   b u ild   a  f lex i b le,   m o d el - ag n o s tic  ar ch itectu r e  th at  s u p p o r ts   q u ick   ad ap tati o n   to   d if f er en t   b atter y   ch em is tr ies,  co n f ig u r a tio n s ,   an d   o p er atio n al  en v ir o n m en ts — en ab led   b y   m o d u lar   p ip elin es  an d   tr an s f er ab le  lear n in g   m ec h an is m s .   -   Scalab ilit y :  T o   cr ea te  an   ef f ici en t  y et  ex ten s ib le  f r am ewo r k ,   wh er e  lig h tweig h t  m o d els  lik e  GR U   ca n   b e   d ep lo y e d   o n   e d g e  d e v ices  f o r   r ea l - tim e  SOC   est im atio n ,   an d   m o r e  c o m p lex   m o d els  lik e  GR U - L STM   an d   T POT  ca n   b e  s ca led   to   ce n tr alize d   clo u d   s y s tem s   o r   f lee t - lev el  b atter y   m o n ito r in g .   -   Usab ilit y :  T o   d ev elo p   a  r esp o n s iv e  an d   in t u itiv e  web   in ter f ac e  th at  allo ws  d o m ain   ex p er t s — en g in ee r s ,   r esear ch er s ,   o r   tech n ician s — to   in p u t  b atter y   p ar am ete r s   a n d   r etr ie v e  SOC /SOH  p r ed ictio n s   with o u t   n ee d in g   ML   ex p er tis e.   -   Au to m atio n :  T o   in te g r ate  A u to ML   v ia  T POT  f o r   d y n a m ic  m o d el  d is co v e r y   an d   tu n in g ,   r e d u cin g   m an u al  co n f ig u r atio n   a n d   e n ab lin g   th e   s y s tem   to   co n tin u o u s ly   ev o lv e  a n d   im p r o v e  as  m o r e  d ata   b ec o m es a v ailab le.     2 . 5 .     M et ho do lo g ies   Her e,   we  b r ief ly   ex p lain   th e  s ev en   m eth o d o lo g ies  u s ed   in   o u r   wo r k   co n ce r n e d   with   co m p u tin g   b o th   th e  b atter y   p ac k ’ s   SOC   an d   S OH.   T h e  f o llo win g   s ev en   m eth o d o lo g ies  wer e  u s ed   ac r o s s   th e  two   tar g et  task s ,   an d   th eir   r esp ec tiv e  h y p er p ar a m eter s   wer e  eith er   tu n e d   m an u ally   o r   o p tim ized   u s in g   T POT.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A d va n ce d   A I - d r iven   b a tter y  s ta te  esti ma tio n   u s in g   d ee p   lea r n in g   a n d   …   ( N .   S u ma n a   K ee r th i )   1081   2 . 5 . 1 .   L inea r  r eg re s s io n   L in ea r   r eg r ess io n   is   a  f o u n d at io n al  s u p er v is ed   lea r n in g   m et h o d o lo g y   u s ed   to   m o d el  th e  a s s o ciatio n   b etwe en   o n e  o r   in d e p en d e n t  p ar am eter s   an d   a  co n tin u o u s   d e p en d en t  v ar iab le.   I n   s im p le  lin ea r   r eg r ess io n ,   th e   r elatio n s h ip   is   r ep r esen ted   b y   ( 1 ) .     = ₀ + ₁ +   ( 1 )     W h er e  x   d en o tes  th e  in p u t  f ea tu r e  ( i.e . ,   v o ltag e,   cu r r e n t) ,   y   d en o tes  th e  f o r ec asted   r esu lta n t  ( i.e . ,   SOC ) ,   β₀  is   th e  in ter ce p t,  β₁ is   th e  s lo p e  ( c o ef f icien t) ,   a n d   ε  is   th e  er r o r   t er m .   I t  is   a  k ey   ap p r o ac h   in   th e   a r ea   o f   m ac h in e  lea r n in g .   L in ea r   r eg r ess io n   is   a   f o r m   o f   s u p er v is ed   lear n in g   in   wh ic h   th e  f r a m ewo r k   ex am i n es  tr ain ed   d ata  wit h   lab els  ( s u ch   as  d ata  lo g s )   to   d etec t  tr en d s   b ef o r e   u s in g   th o s e  tr en d s   to   g en e r a te  f o r ec asts   ab o u t  f r esh   d ata .   T h e  wo r d   "lin ea r "  i n d icate s   th e  s tr aig h t  p ath   s tr u ctu r e  o f   th e   m o d eled   c o n n ec tio n ,   wh er ea s   th e  wo r d   " r eg r ess io n "  in d icate s   th e  p r o ce d u r e  o f   ca lcu latin g   th e   m an n er   in   wh ich   p a r am eter s   r etu r n   to   th ei r   m ea n   r ea d in g s .   T h e  m o d el  wo r k s   b y   r e d u cin g   th e  m ea n   s q u ar ed   er r o r   ( M SE)   b etwe en   th e  ac tu ally   ex is tin g   v alu es  an d   p r e d icted   v al u es  u s in g   m eth o d s   s u ch   as  o r d in ar y   least  s q u ar es  ( OL S).   Fo r   b atter y   S OC   esti m atio n ,   th is   m eth o d o l o g y   p r esu m es  a  li n e ar ly - ex is tin g   ass o ciatio n   am o n g s t  s en s o r   r ea d i n g s   an d   ch a r g e  lev el,   wh ich   is   v alid   in   s tead y - s tate  r eg io n s   o f   th e  ch ar g e - d is ch ar g e  cu r v e.   T h o u g h   s im p le  a n d   in t er p r etab le,   lin ea r   r eg r ess io n   ca n n o t  m o d el  n o n - lin ea r   o r   tim e - d ep en d en t  b a tter y   b eh av i o r s .   Ho wev er ,   it’ s   o f ten   u s ed   as  a   b aselin e  o r   f o r   s y s tem s   wh er e   q u ick ,   r ea l - tim e   esti m atio n s   ar e  m o r e  im p o r tan t  t h an   u ltra - h ig h   ac cu r ac y .   I t ’ s   f ast,  lig h tweig h t,  an d   r e q u ir es   v er y   litt le  p r ep r o ce s s in g ,   m a k in g   it  s u itab le  f o r   in itial  m o d el  d ep lo y m en t  o r   in teg r atio n   in to   r eso u r ce - co n s t r ain ed   s y s tem s .   I n   s im p ler   ter m s ,   it   id en tifi es  tr en d s   in   d ata   b y   id e n tif y in g   lin k s   am o n g   p ar a m eter s .   As  an   illu s tr atio n ,   a  b u s in ess   th at  d ea ls   with   r ea l  estate  m ay   u tili ze   ass et  s ca le  f o r   p r ed ictio n   o f   h o u s e  v al u es,  wh er ea s   a  m er ch an d is er   m ay   em p lo y   p r e v io u s   d ata  o n   s ales f o r   p r ed ictio n   o f   ea r n i n g s   f o r   th e  f u tu r e.   T o   m a k e   ex tr em ely   r eliab le  f o r ec asts ,   th e  ap p r o ac h   esti m ates sim u ltan eo u s ly   th e  in te r ce p t   an d   th e  s lo p e.   W e  ap p ly   li n ea r   r eg r ess io n   f o r   th e   SOC   esti m atio n   b y   lev er a g in g   th e   r elatio n s h i p s   b etwe en   m ea s u r ab le  b atter y   p a r am eter s   an d   ac tu al  ch ar g e  le v els.  T h is   lear n in g   ap p r o ac h   is   b ein g   tr a in ed   u p o n   d iv er s e   r an g e  o f   h is to r ical  d ata  lik e  v o ltag e  m ea s u r em en ts ,   c u r r en t  p atter n s ,   tem p er at u r e  r ea d in g s ,   an d   th eir   co r r esp o n d in g   k n o wn   SOC   v a lu es.  W ith   th e  id en tific atio n   o f   lin ea r   tr en d s   b etwe en   th e  i n p u t  p ar am eter s   an d   ch ar g e  s tate,   th e  r eg r ess io n   m o d el  ca n   estab lis h   m ath em atica l  r elatio n s h ip s   f o r   p r ed ictin g   SOC   f o r   s u b s eq u en t n ew  d ata.     W e  ap p ly   lin ea r   r eg r ess io n   f o r   th e  SOH  esti m atio n   with   t h e   ca p tu r e   o f   g r a d u al  d e g r ad atio n   p atter n s   o win g   to   b atter ies  ag in g .   T h e  m eth o d   ca n   an aly ze   lo n g - t er m   tr en d s   in   p er f o r m an ce   in d icato r s   s u ch   as  ca p ac ity   f ad e ,   in ter n al  r esis tan ce   ch an g es,  an d   v o ltag e  r es p o n s e  ch a r ac ter is tics .   T h en ,   it   ca n   c o r r elate   th o s e  in d icato r s   with   k n o wn   SOH  b en ch m ar k s   ag ain s t  th e   test in g   o r   s p ec if icatio n s .   W ith   th is   SOH  esti m atio n ,   th e   o v er all  h ea lth   c o n d itio n   an d   r e m ain in g   u s ef u l lif e  ca n   b e   f o r e ca s ted .     T h e  cr itical  f ac ts   o f   lin ea r   r eg r ess io n   ar e  as  f o llo ws:   i)   T o o l:  Scik it - lear n ’ s   L in ea r R eg r ess io n   () ,   ii)  e q u atio n :  SOC   =  β₀  +  β₁x   +   ε ,   iii)  p u r p o s e:  B aselin e  co m p ar is o n   f o r   SOC   p r ed ictio n   u s in g   a  lin ea r   m o d el ,   iv )   l im itatio n : I n ab ilit y   to   ca p t u r e  n o n - lin ea r ity   in   b atter y   b e h av i o r .     2 . 5 . 2 .   RNN   R NNs   ar e  a  ty p e  o f   n eu r al  s y s tem   th at  is   cr ea ted   ex clu s i v ely   to   s er v e   d ata  th at  is   s e q u en tial  in   n atu r e.   On   th e  co n tr ar y   t o   s tan d ar d   f ee d f o r war d   n eu r al  s y s tem s ,   th is   m eth o d o lo g y   f ea t u r es   lo o p s ,   allo win g   d ata  to   b e   s av ed .   At  ea ch   d u r atio n   s tag e,   an   R NN  ac q u ir es  an   in p u t  v ec to r   alo n g   with   t h e   h id d e n   lev el  f r o m   th e  p r ec ed ed   s tag e,   p r o d u cin g   a  n ew  h id d en   le v el  an d   p o s s ib ly   an   o u tp u t.  Ma th em atica lly ,  th e  r elatio n s h ip   is   ex p r ess ed   in   ( 2 ) .     ℎₜ = ( ₓ ₜ + ₕℎₜ₋₁ + )   ( 2 )     T h is   d esig n   en ab les  R NNs  to   "r em em b er "  p ast  in f o r m atio n ,   m ak in g   th em   id ea l  f o r   m o d e lin g   tim e - s er ies  d ata  lik e  b atter y   s en s o r   r ea d in g s   o v er   tim e.   Ho wev er ,   b en ch m a r k   R NNs  ex p er ien ce   d im in is h in g   o r   b lo win g   u p   g r ad ie n t  p r o b l em s ,   esp ec ially   f o r   lo n g   s eq u en ce s ,   wh ic h   h a m p er s   l ea r n in g   lo n g - ter m   d ep en d e n cies.   Fo r   b atter y   SOC   p r ed ictio n ,   R NNs  ar e  p o w er f u l  b ec au s e  th e y   co n s id er   p r ev io u s   tim e   s tep s   wh ile  esti m atin g   th e  cu r r en t   c h ar g e  le v el.   Fo r   ex am p le,   if   a  b atter y   h as  b ee n   d is ch ar g in g   s tead ily   f o r   th e   last   f ew  m in u tes,  th at  tr en d   is   ca p t u r ed   an d   u s ed   to   r ef in e   th e  cu r r en t SOC   esti m ate.   I n   th is   wo r k ,   R NN  is   u s ed   to   m o d el   th e  tem p o r al   b eh av io r   o f   b atter ies  d u r in g   ch ar g in g   an d   d is ch ar g in g   c y cles.  T h is   in clu s io n   ca n   aid   th e  ca p tu r e  o f   c er tain   p atter n s   lik e  v o ltag e  d r o p   r ates  o r   cu r r en t   v ar iatio n s   co r r esp o n d i n g   t o   th e  SOC - ce n tr ic  ch an g es.  Desp i te  th e  f ac t  th at   R NNs  ca n   tak e   m o r e   tim e  to   tr ai n   an d   p r ep r o ce s s   th e  d ata,   it  ca n   s till   b o o s t  th e  p r ed ictio n   ac cu r ac y   in   d y n am ic  en v ir o n m en ts   o win g   to   its   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.