I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em s   ( I J P E DS)   Vo l.  1 5 ,   No .   4 ,   Dec em b er   2 0 2 4 ,   p p .   2 1 6 8 ~ 2 1 7 9   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 5 . i4 . p p 2 1 6 8 - 2 1 7 9       2168     J o ur na l ho m ep a g e :   h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Active ba la ncing   cha rg ing  using  A NFIS  to reach lo n g est lif e time  for lithiu m io n       F a rid D wi  M ur dia nto ,   I nd h a na   Su dih a rt o ,   Azz a hra   F a r a h Andra eni   D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   P o l i t e k n i k   El e k t r o n i k a   N e g e r i   S u r a b a y a ,   S u r a b a y a ,   I n d o n e s i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J an   1 6 ,   2 0 2 4     R ev is ed   Ma y   2 7 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   J u n   1 3 ,   2 0 2 4       Th is  re se a rc h   a ims   to   a d d re ss   c h a ll e n g e s  in   e fficie n t  e n e rg y   st o ra g e   in   e lec tri c   v e h icle s,  p a rti c u larl y   t h o se   u si n g   li th i u m - io n   b a tt e ries .   Th e   re se a rc h   fo c u se s   o n   v o l tag e   imb a lan c e s  in   b a tt e ry   p a c k s  with   c e ll s  c o n n e c ted   i n   se ri e s,  wh ich   c a n   re d u c e   th e   b a tt e ry   p a c k ' s  li fe sp a n .   We  in v e stig a te d   a c ti v e   b a lan c in g   c h a rg in g   m e th o d s   u si n g   b id irec ti o n a l  fl y - b a c k   c o n v e rters   i n   b o th   p a c k - to - c e ll   a n d   c e ll - to - p a c k   m o d e s.  Cu rre n t  c h a rg in g   m e th o d s  fa c e   li m it a ti o n s  su c h   a s  p ro l o n g e d   b a lan c i n g   ti m e s,  c ir c u it   c o m p lex it y ,   a n d   lo w  e ffic ien c y .   To   o v e rc o m e   th e se   c h a ll e n g e s,  th is  re se a rc h   p ro p o se s  in teg ra ti n g   a n   a rti ficia l  in telli g e n c e   a p p r o a c h   u si n g   a d a p t iv e   n e u r o - fu z z y   in fe re n c e   sy ste m   ( AN F IS )  c o n tro l.   T h is  a p p r o a c h   a ll o ws   fo r  d y n a m ic  a d ju stm e n t  o f  d u t y   c y c les ,   e x p e d it i n g   th e   b a lan c in g   p ro c e ss .   Ex p e rime n tal  re su lt s  sh o w  t h a t  e m p lo y i n g   AN F IS   c o n tro l   c a n   sig n ifi c a n tl y   r e d u c e   b a lan c i n g   ti m e s.  I n   p a c k - to - c e ll   m o d e ,   b a lan c in g   ti m e   d e c re a se d   fro m   6 6 0   se c o n d s  to   6 0 0   se c o n d s,  w h il e   in   c e ll - to - p a c k   m o d e ,   it   d e c re a se d   fro m   6 6 0   se c o n d s   to   5 8 0   se c o n d s.  T h i s  re se a rc h   m a k e s  a   sig n ifi c a n t  c o n tri b u ti o n   t o   th e   d e v e lo p m e n t  o f  m o re   e fficie n t   c h a rg in g   tec h n o l o g y   fo r  li th iu m - io n   b a tt e ries   in   e lec tri c   v e h icle s.  Its  p o ten ti a l   imp li c a ti o n s  in c lu d e   imp r o v e d   b a tt e ry   l ifes p a n   a n d   e lec tri c   v e h icle   p e rfo rm a n c e   in   t h e   fu tu re .   K ey w o r d s :   Activ e  b alan cin g   ANFI S   B id ir ec tio n al  f ly   b ac k   co n v er t er   C ell  to   p ac k   L ith iu m   io n   b atter y   Pack   to   ce ll   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 :   Far id   Dwi  Mu r d ian to   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   Po litek n ik   E lek tr o n ik a  Neg er i Su r ab a y a   R ay a  I T S St.  –   PENS  C am p u s   Su k o lilo ,   Su r a b ay a   6 0 1 1 1 ,   I n d o n esia   E m ail:  f ar id @ p en s . ac . id       1.   I NT RO D UCT I O N   C u r r en tly ,   th e  g r o wth   o f   elec tr ic  v eh icles  h as  b ee n   r ap id ,   m ak in g   ef f icie n cy   in   elec tr ic al  en er g y   s to r ag e  a  cr u cial  asp ec t  [ 1 ] ,   [ 2 ] .   L ith iu m - io n   b atter ies  ar e  th e  p r ef er r e d   ch o ice  d u e  to   th eir   h i g h   wo r k i n g   v o ltag e,   h ig h   en er g y   d e n s ity ,   lack   o f   m em o r y   ef f ec t,  lo w  s elf - d is ch ar g e  r ate,   an d   lo n g   life s p an   [ 3 ] .   T o   m ee t  th e  r eq u i r ed   v o ltag e  an d   p o wer   ca p ac ity ,   b atter ies  with   c ells   co n n ec ted   i n   s er ies  ar e  u s ed   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   Ho w ev er ,   d i f f er en ce s   i n   th e  o u tp u t  v o ltag e  o f   ea ch   b a tter y   ce ll  o r   v o ltag e  im b alan c e  m ay   o cc u r   d u e  to   v a r iatio n s   in   m an u f ac tu r in g   p r o ce s s es,  en v ir o n m e n tal  co n d itio n s ,   an d   d if f e r en t  ch ar g in g   an d   d is ch ar g in g   cy cles  [ 6 ] ,   [ 7 ] .   W h en   r ec h ar g i n g   s er ies - co n n ec ted   b atter y   p ac k s ,   s o m e  b atter y   ce lls   m ay   r eq u i r e  ad d itio n al  ch a r g in g   ev e n   a f ter   o n e  ce ll r ea ch es   fu ll  ca p ac ity   [ 8 ] ,   [ 9 ] .   B atter y   im b alan ce   ca n   lead   to   o v er c h ar g in g   o r   u n d er ch ar g in g ,   s ig n if ican tly   r ed u cin g   b atter y   life   an d   af f ec tin g   b atter y   ca p ac ity   [ 1 ] ,   [ 1 0 ] .   I n   ex tr em e  ca s es,  b atter y   im b alan ce   ca n   p o s e  a  r is k   to   d ev ices o r   ev e n   h u m an s .   T h e r ef o r e,   it is   im p o r tan t to   h a v e  a n   ef f ec tiv e  b atter y   b ala n cin g   s y s tem   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ] .   I n   r ec en t  y ea r s ,   s ev er al  b atter y   b alan cin g   m eth o d s   h av e  b ee n   d ev elo p e d ,   with   p ass iv e  b alan cin g   an d   ac tiv e  b alan cin g   b ei n g   th e  m ain   m eth o d s   [ 1 3 ] .   Pas s iv e  b alan cin g   in v o lv es  th e  u s e  o f   r e s is to r s   an d   s witch es   co n n ec ted   in   p ar allel  o n   ea c h   b atter y   ce ll.  E x ce s s   ce lls   wil l  d is s ip ate  en er g y   th r o u g h   th e   r esis to r s   wh en   th e  s y s tem   is   o p er atio n al.   T h is   m eth o d   n o t  o n ly   ca u s es  en er g y   wastag e  b u t  also   p r esen ts   ch allen g es  in   th er m al  m an ag em en t.  Me a n wh ile,   ac tiv e  b alan cin g   ca n   b e  class if ied   in to   f iv e  ca teg o r ies:   ad jace n t c ell  to   ce ll ( AC 2 C ) ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A ctive   b a la n cin g   ch a r g i n g   u s i n g   A N F I S   to   r ea ch   lo n g est lifetime  fo r   lith iu m  io n   ( F a r id   Dw i Mu r d ia n to )   2169   d ir ec t  ce ll  to   ce ll  ( DC 2 C ) ,   p ac k   to   ce ll  ( P2 C ) ,   ce ll  to   p ac k   ( C 2 P),   an d   a n y   ce ll   to   a n y   ce ll  ( AC 2 AC ) .   T h e  ac tiv e   b alan cin g   p r o ce s s   in v o lv es  tr an s f er r in g   en e r g y   f r o m   h ig h - v o ltag e  b atter ies  to   lo w - v o lta g e  b atter ies.  Am o n g   th ese  ca teg o r ies,  P2 C   a n d   C 2 P u tili z e  b id i r ec tio n al  f ly b ac k   c o n v er ter s   [ 1 4 ] .   B esid e  th ei r   h i g h   e f f icien cy ,   th ese   co n v er ter s   also   o f f er   ea s e  o f   is o latio n ,   s im p le  co n t r o l,  an d   s m all  s ize  [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ] .   Pre v io u s   r esear ch   h as  ap p lied   th is   ap p r o ac h ;  h o wev er ,   th es e  m eth o d s   s till   h av e  lim itatio n s   s u ch   as   lo n g   b ala n cin g   tim es,  cir c u it  c o m p lex ity ,   a n d   l o w  ef f icien c y .   I n   th is   co n tex t,  th e   u s e  o f   ar t if icial  in tellig en ce   tech n iq u es,  p ar ticu lar ly   ad a p tiv e  n eu r o - f u zz y   in f er en ce   s y s tem   ( ANFI S )   co n tr o l,  o f f er s   a  m o r e  ad ap tiv e  an d   in tellig en t  s o lu tio n   co m p ar e d   to   tr ad itio n al  a p p r o ac h es  lik e  f u zz y   lo g ic.   W h ile  f u zz y   lo g ic  m eth o d s   ca n   also   ad d r ess   v o ltag e  im b alan ce s ,   ANFI S  p r o v id es  ad v an tag es  in   a d ap tab ilit y   an d   h ig h er   in tellig e n ce .   B y   co m b in in g   ar tific ial  n eu r al  n etwo r k s   an d   f u zz y   lo g ic,   ANFI S  d y n am ic ally   ad ju s ts   th e  b alan cin g   p r o ce s s   b ased   o n   r ea l - tim e  d ata  an d   en v ir o n m en tal   co n d itio n s .   T h is   n o t  o n ly   e n h an ce s   ef f icien cy   b u t  also   r ed u ce s   th e  r is k   o f   o v er ch a r g in g   o r   u n d e r ch a r g in g ,   th u s   ex ten d i n g   b atter y   life   a n d   im p r o v in g   o v er all  s af ety .   T h e  r esu lts   o f   th e  test s   an d   co m p ar is o n s   will b e  p r ese n ted   in   th is   p ap e r .       2.   M E T H O D   I n   th is   p ap er ,   we  d elv e  i n to   th e   d esig n   an d   im p lem en tatio n   o f   an   ac tiv e  v o ltag e   b alan cin g   s y s tem .   T h is   s y s tem   o p er ates  b etwe en   ce ll s   an d   b atter y   p ac k s   u tili zin g   a  b id ir ec tio n al  f ly b ac k   c o n v er ter .   Fu r th er m o r e,   ANFI S c o n tr o l is in teg r ated   to   r eg u late  th e  b al an cin g   p r o ce s s   ef f ec tiv ely .   Fig u r e  1   s h o ws  th at  t h er e  a r e  f o u r   b atter y   ce lls   co n n ec te d   in   s er ies.  E ac h   b atter y   ce ll   is   p ar al leled   with   a  v o ltag e   s en s o r   th at  p r o v id es  f ee d b ac k   to   th e  m ic r o co n tr o ll er   [ 1 3 ] .   T h is   f ee d b ac k   is   u s ed   to   co n tr o l  th e  d u ty   cy cle  in   th e  b id ir ec tio n al  f ly b ac k   co n v e r ter   cir cu it.  E ac h   b a tter y   ce ll  is   co n n ec ted   to   f o u r   r elay s ,   o r   two   p air s   o f   p o s itiv e  an d   n eg ativ e  r elay s .   On e  p air   o f   r elay s   is   co n n e cted   to   th e  lef t  s id e  o f   th e  co n v er ter   as  a  b atter y   p ac k ,   a n d   th e  o th er   p air   is   co n n ec ted   to   t h e  r i g h t  s id e   o f   th e  c o n v e r ter   as  a  b atter y   ce ll.   T h e   r e lay s   ac t  as  s witch es   to   r eg u late  th e   b atter y   ce ll   as  a   s o u r ce   o r   lo a d ,   o r   as  a  b atter y   p ac k   o r   ce ll.   T h e   b id ir ec tio n a l  f ly b ac k   c o n v er te r   is   u s ed   to   ac h iev e  th e  b alan cin g   f u n ctio n   with   a  s im p ler   s tr u c tu r e.           Fig u r e  1 .   B lo ck   d iag r am   s y s te m       2 . 1 .   B a la ncing   s y s t em   T h e  s y s tem 's b alan cin g   p r o ce s s   is   d iv id ed   in to   two   m o d es: f r o m   th e  b atter y   p ac k   to   th e  ce ll   an d   f r o m   th e  ce ll  to   th e  b atter y   p ac k .   W h en   o p er atin g   i n   p ac k - to - ce ll  m o d e,   o r   co n v er s ely ,   ce ll - to - p ac k   m o d e,   th is   b atter y   p ac k ,   wh ich   co n s is ts   o f   f o u r   s er ies - co n n ec ted   b atter y   ce lls ,   ch an n els  p o wer   f r o m   th r ee   ce l ls   to   o n e  o th er   ce ll,   o r   v ice  v e r s a.   T h is   co n f ig u r ati o n   is   illu s tr ated   in   Fig u r e  2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  2168 - 2 1 7 9   2170   Fig u r e  2 .   d is p lay s   th e  f lo wch ar t  f o r   th e   b alan ci n g   s y s tem .   I n itially ,   v o ltag e   r ea d in g s   ar e   t ak en   f r o m   ea ch   s en s o r   in   ev er y   b atter y   ce ll.  T h e  av er ag e  v o ltag e  v alu e  o f   th e  en tire   b atter y   is   th en   ca lcu lated .   A   co m p ar is o n   is   m ad e  t o   d eter m i n e  if   an y   o f   th e  b at ter y   ce lls   in   b atter ies  1 ,   2 ,   3 ,   o r   4   h av e  a  v o ltag e  v alu e  g r ea te r   th an   th e  av er a g e.   I f   s o ,   th at  b a tter y   will b e  u s ed   as a   s o u r ce .   Me an wh ile,   if   an y   o f   th e  b atte r y   ce lls   1 ,   2 ,   3 ,   o r   4   h as  a  v o ltag e  v alu e  lo wer   th a n   th e  av er ag e  v o ltag e  v alu e,   it will  b e  u s e d   as  a  lo ad .   I n   o th e r   wo r d s ,   if   o n l y   o n e   b atter y   ce ll  v o ltag e  is   lo wer   th an   th e  av e r ag e  v o ltag e,   t h en   th e  p ac k - to - ce ll  m o d e   will  o p er a te,   an d   v ice  v er s a ,   if   o n l y   o n e  b atter y   ce ll  v o ltag e  is   h ig h er   t h an   th e  a v er ag e   v o ltag e,   th e n   th e   ce ll - to - p ac k   m o d e  will  o p er ate.   T h ese  two   m o d es will a lter n at e  [ 1 1 ] .           Fig u r e  2 .   Flo wch ar t  o f   th e   b al an cin g   s y s tem       2 . 2 .   Sequ ent ia l s wit ch   T ab le  1   s h o ws  th e  s eq u en tial  s witch es  to   b e  u s ed   in   th is   s y s te m .   S' 1   to   S ' 4   an d   Q ' 1   to   Q ' 4   wi ll  co n n ec t   th e  b alan cin g   cir c u it  with   th e   b atter y   p ac k   o n   t h e  lef t   s id e  o f   th e  c o n v er te r .   S1   to   S4   an d   Q 1   to   Q4   will  co n n ec t   th e  b alan cin g   cir c u it  with   th e  b atter y   ce lls   o n   th e  r ig h t  s id e  o f   th e  co n v er ter .   I n   T ab le  1   f o r   i n f o r m atio n   n u m b er   1   if   th e  b atter y   is   an   ac tiv e  s o u r ce ,   0   if   th e  b atter y   is   an   ac tiv e  lo ad ,   an d   tick   if   s witch   n etwo r k   1   an d   s witch   n etwo r k   2   ar e  co n n ec ted .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A ctive   b a la n cin g   ch a r g i n g   u s i n g   A N F I S   to   r ea ch   lo n g est lifetime  fo r   lith iu m  io n   ( F a r id   Dw i Mu r d ia n to )   2171   T ab le  1 .   Seq u e n tial switch   Le f t   s i d e   b a t t e r y   R i g h t   s i d e   b a t t e r y   S w i t c h   n e t w o r k   1   S w i t c h   n e t w o r k   2   B 1   B 2   B 3   B 4   B 1   B 2   B 3   B 4   S’ 1   S’ 2   S’ 3   S’ 4   Q’ 1   Q’ 2   Q’ 3   Q’ 4   S 1   S 2   S 3   S 4   Q 1   Q 2   Q 3   Q 4   1   1   1   -   -   -   -   0   √   -   -   -   -   -   √   -   -   -   -   √   -   -   -   √   -   1   1   1   0   -   -   -   -   √   -   -   -   -   -   √   √   -   -   -   √   -   -   -   0   0   0   -   -   -   -   1   √   -   -   -   -   -   √   -   -   -   -   √   -   -   -   √   -   0   0   0   1   -   -   -   -   √   -   -   -   -   -   √   √   -   -   -   √   -   -   -       2 . 3 .   B idi re ct io na l f ly ba ck   co nv er t er   m o delin g   T o   ac h iev e  b id ir ec tio n al  b alan cin g ,   th e  im p lem en ted   s y s tem   r ep lace s   th e  r ec tifie r   d io d es  in   co n v en tio n al  f ly b ac k   co n v er te r s   with   s y n ch r o n o u s   r ec tifie r   MO SF E T s   [ 1 7 ]   an d   r ed u ce s   th e  lo s s es  ca u s ed   b y   th e  o u tp u t  r ec tifie r   d i o d es  [ 1 1 ] .   T h is   en h a n ce m en t  s ig n if ica n tly   im p r o v es  th e  ef f icien c y   o f   th e  s y s tem .   T h e   co m p lete  co n v er ter   cir c u it d e m o n s tr atin g   th ese  m o d if icatio n s   is   d ep icted   as in   Fig u r e  3 .   T h e  p lan n ed   b alan cin g   cir c u i t  co n s is ts   o f   a  tr an s f o r m er   an d   two   MO SF E T s   [ 1 8 ] .   T h is   co n v er ter   o p er ates  in   b o t h   p ac k - to - ce ll  an d   ce ll - to - p ac k   m o d es.  Fo r   i n s tan ce ,   in   p ac k - to - ce ll  m o d e,   th e  b alan ce r   en ter s   th is   m o d e  o f   o p er atio n   s in ce   th e  p ac k   h as  a  h i g h er   ca p ac ity .   As  illu s tr ated   in   Fig u r e  3 .   MO S1   is   tu r n ed   o n   wh ile   MO S2   is   tu r n ed   o f f ,   an d   th e   p ac k   en er g y   is   s to r e d   in   th e  m a g n etizin g   in d u cto r   L m .   T h e n ,   MO S2   is   tu r n ed   o n   wh ile  MO S1   is   tu r n ed   o f f .   C u r r en tly ,   th e  en e r g y   s to r ed   in   th e  m ag n etizin g   in d u cto r   is   tr an s f er r ed   t o   th e   s ec o n d ar y   win d in g   to   ch a r g e   th e  b atter y   ce ll.   T h e   o p p o s ite  o cc u r s   in   ce ll  to   p ac k   m o d e   [ 1 9 ] .   T ab le s   2   an d   3   p r o v id e   th e  v alu es f o r   ea c h   co m p o n e n t p ar am eter   u s ed   in   th i s   co n v er ter .           Fig u r e  3 .   B id ir ec tio n al  f ly b ac k   co n v er ter   cir cu it       T ab le  2 .   Fly b ac k   co n v er ter   p a r am eter   f o r   p ac k - to - ce ll m o d e   P a r a me t e r   V a l u e   U n i t   V s (i n p u t   v o l t a g e )   ( m a x )   1 2 . 6   V o l t   V s  ( mi n )   1 0 . 8   V o l t   V o   ( o u t p u t   v o l t a g e )   I o   ( o u t p u t   c u r r e n t )   P o   ( o u t p u t   p o w e r )   D max   ( m a x i m u m  d u t y   c y c l e )   F s (sw i t c h i n g   f r e q u e n c y )   Lm (m a g n e t i z i n g   i n d u c t a n c e )   N p : N s ( t r a n sf o r mer  t u r n s r a t i o )   C o   ( o u t p u t   c a p a c i t a n c e )   4 . 2   2 . 8   1 1 . 7 6   50   1 0 0   22   4 : 2   4 7 0 0   V o l t   A mp e r e   W a t t   %   H e r t z   µ H e n r y   w i n d i n g   µ F a r a d     T ab le  3 .   Fly b ac k   co n v er ter   p a r am eter   in   ce ll - to - p ac k   m o d e   P a r a me t e r   V a l u e   U n i t   V s (i n p u t   v o l t a g e )   ( m a x )   4 . 2   V o l t   V s (m i n )   3 . 6   V o l t   V o   ( o u t p u t   v o l t a g e )   I o   ( o u t p u t   c u r r e n t )   P o   ( o u t p u t   p o w e r )   D max   ( m a x i m u m  d u t y   c y c l e )   F s (sw i t c h i n g   f r e q u e n c y )   Lm (m a g n e t i z i n g   i n d u c t a n c e )   N p : N s ( t r a n sf o r mer  t u r n s r a t i o )   C o   ( o u t p u t   c a p a c i t a n c e )   1 2 . 6   2 . 8   3 5 . 2 8   90   1 0 0   2 . 7   4 : 2   2 2 0 0   V o l t   A mp e r e   W a t t   %   H e r t z   µ H e n r y   w i n d i n g   µ F a r a d         2 . 4 .   ANF I S c o ntr o l m o delin g   ANFI S  co n tr o l  c o m b in es  t h e  lear n in g   ca p ab ilit ies  o f   n eu r al  n etwo r k s   with   th e   d ec is io n - m ak in g   o f   f u zz y   co n tr o l  [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   T h e  p u r p o s e  o f   th is   co m b in atio n   i s   to   o p tim ize  th e  ad v an tag es  o f   ea ch   co n tr o l  an d   r ed u ce   th eir   s h o r tco m in g s ,   r e s u ltin g   in   ANFI S  b ein g   a  co n tr o l  s y s tem   th at  b elo n g s   to   th e  ad ap tiv e  n etwo r k   ca teg o r y   [ 2 2 ] .   T h e  c o n tr o l sy s tem   ca n   ad ju s t o r   ad ap t to   th e  d ata  an d   c o n d itio n s   p r esen t in   th e  s y s tem   [ 2 3 ] .   ANFI S u s es a   s et  o f   d ata  d er iv ed   f r o m   th e  f u zz y   c o n tr o l i n p u ts   an d   o u tp u ts   g en er ated   b y   th e  o n g o in g   s y s tem   s im u latio n .   T h is   d ata  is   th en   u s ed   as  a  tr ain in g   d ataset  to   ac h iev e  th e  d esire d   er r o r   r at e.   W h en   d esig n in g   ANFI S  co n tr o l,  it   is   p o s s ib le  t o   ad ju s t  th e   n u m b er   an d   ty p e  o f   m em b er s h ip   f u n ctio n s   as  n ee d ed   [ 2 4 ] .   I n   th is   ca s e,   7 x 7   m em b er s h ip   f u n ctio n s   ar e  u s ed   b ec a u s e  a  g r ea ter   n u m b er   o f   m em b er s h ip   f u n ctio n s   r esu lts   in   a  s m aller   er r o r .   Ad d itio n ally ,   th e  tr ai n in g   p r o ce s s   u s es a   h y b r id   m et h o d   th at  co m b in es th e   least sq u a r es e s tim ato r   ( L SE)   an d   er r o r   b ac k   p r o p ag atio n   ( E B P)  m eth o d   [ 2 5 ] ,   wh ich   is   ca r r ied   o u t  o v er   a  th o u s an d   iter at io n s .   I t  is   ex p ec ted   th at  th e   er r o r   v alu e  will  d ec r e ase  an d   th e  r esu ltin g   t r ain in g   d ata  will  im p r o v e   with   ea c h   it er atio n .   T est  r esu lts   ar e  s h o wn   in   Fig u r e s   4 ( a) - 4 ( c) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  2168 - 2 1 7 9   2172     ( a)     ( b )     ( c)     Fig u r e  4 .   ANFI S c o n tr o l  m o d elin g :   ( a)   ANFI S st r u ctu r e ,   ( b )   v ar iab le  d u ty   cy cle  o u tp u t ,   an d   ( c)   ANFI S  s tr u ctu r e  v iewe r       2 . 5 .   O pen lo o p si m ula t io n  m o delin g   T h e  s im u latio n ' s   p ar am eter   v a lu es  ar e  ad ju s ted   to   m atch   th e  ca lcu latio n   r esu lts .   PS I M  2 0 2 2   s o f twar e  is   u s ed   f o r   th is   s im u latio n .   Fig u r e  5   d is p lay s   th e  s y s tem   s im u latio n   cir cu it  in   b o th   p ac k - to - c ell  an d   ce ll - to - p ac k   m o d es.   I n   th is   s im u latio n ,   th e  d u ty   cy cle   v alu e   is   m an u al ly   s et.   Sp ec if ically ,   th e  d u ty   cy cle  v alu e  is   s et     at  4 3 . 0 3 %  f o r   p ac k - to - ce ll   m o d e  an d   6 3 . 1 2 %  f o r   ce ll - to - p ac k   m o d e,   as  d eter m in e d   b y   t h e  s y s tem     r eq u ir em e n ts .   T h ese  v alu es  ar e  cr u cial  f o r   d eter m i n in g   th e  p e r f o r m an ce   o f   th e  b alan cin g   s y s tem   u n d er   d if f er en t   o p er atio n al  c o n d itio n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A ctive   b a la n cin g   ch a r g i n g   u s i n g   A N F I S   to   r ea ch   lo n g est lifetime  fo r   lith iu m  io n   ( F a r id   Dw i Mu r d ia n to )   2173       Fig u r e  5 .   Op e n   lo o p   s im u latio n   cir cu it       2 . 6 .   Sim ula t io n m o delin g   o f   clo s e d - lo o p inte g ra t io n   C lo s ed - lo o p   in teg r atio n   s im u l atio n   ( clo s ed   cir cu it)  is   a  s im u latio n   o f   th e  en tire   s y s tem   u s i n g   ANFI S  co n tr o l.  T h e  p a r am eter   v alu es   u s ed   f o r   th e  s im u latio n   ar e  ad ju s ted   to   th e  ca lcu latio n   r esu lts .   T h e  s im u latio n   was  co n d u cted   u s in g   PS I M  2 0 2 2   s o f twar e.   Fig u r e  6   s h o ws  th e  s y s tem   s im u latio n   cir cu it  in   p ac k - to - ce ll  an d   ce ll - to - p ac k   m o d es.   T h is   s im u latio n   u tili ze s   ANF I S  to   p r o v id e  f ee d b ac k   in   th e   f o r m   o f   d u ty   c y cle.   T h e   d u t y   cy cle  is   o b tain ed   b y   in teg r atin g   r ea l - ti m e  Vo   r ea d in g s   with   th e  s et  p o in t  v o ltag e  v alu e,   wh ich   is   s et  to   p r o d u ce   th e   d esire d   o u tp u t.  T h e  aim   is   to   im p r o v e   u p o n   th e  o p en   lo o p   s im u latio n   ( with o u t c o n tr o l) .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  2168 - 2 1 7 9   2174       Fig u r e  6 .   C lo s e  lo o p   in teg r atio n   s im u latio n   cir cu it       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   T h e  s im u latio n s   wer e  co n d u c ted   u s in g   PS I M  2 0 2 2   s o f twar e  in   b o th   p ac k - to - ce ll  an d   ce ll - to - p ac k   m o d es.  Af ter   p er f o r m in g   o p e n - lo o p   s im u latio n   an d   clo s ed - lo o p   in te g r atio n ,   th e  s y s tem ' s   p er f o r m a n ce   was  ev alu ated .   T h e   o b tain e d   r esu lt s   p r o v id e  in s ig h ts   in to   th e  e f f e ctiv en ess   o f   th e  p r o p o s ed   a p p r o ac h .     3 . 1 .   O pen lo o p si m ula t io n t esting   Fo llo win g   o p en   lo o p   s im u latio n   test in g ,   th e  test   r esu lts   ar e  p r esen ted   as  th e  v o ltag e  o f   ea ch   ce ll,   n am ely   VB 1 ,   VB 2 ,   VB 3 ,   an d   VB 4 ,   b ef o r e  a n d   af te r   b alan cin g .   T h ese  r esu lts   ar e  cr u cial  f o r   ev al u atin g   th e   p er f o r m an ce   o f   th e  b alan cin g   s y s tem .   Fo r   f u r th er   d et ails   an d   co m p r e h en s iv e  an aly s is ,   as in   T ab les 4   an d   5 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A ctive   b a la n cin g   ch a r g i n g   u s i n g   A N F I S   to   r ea ch   lo n g est lifetime  fo r   lith iu m  io n   ( F a r id   Dw i Mu r d ia n to )   2175   T ab le  4   s h o ws  th e  r esu lts   o f   o p en   lo o p   s im u latio n   test in g   i n   p ac k   to   ce ll  m o d e .   I n itially ,   t h e  v o ltag e   o f   b atter ies 1 ,   2 ,   an d   3   was h ig h er   th an   t h e  av er a g e  v o ltag e ,   a n d   th er ef o r e  th e y   wer e  u s ed   as   a  s o u r ce ,   f o r m in g   a  s er ies - co n n ec ted   b atter y   p a ck .   R eg ar d in g   th e  b atter y   v o ltag e,   4   is   lo wer   th an   th e  av er ag e  v o ltag e  an d   is   th er ef o r e   u s ed   as  a  l o ad .   T h is   ca n   b e  c o n s id er ed   b alan ce d   b e ca u s e  th e  v o ltag e   o f   ea ch   b atter y   was  th e  s am e  f o r   a  b alan cin g   tim e  o f   6 6 0   s ec o n d s .   T h e  s im u latio n   test   r esu lts   f o r   ea ch   b atter y   v o ltag e  ca n   b e  s ee n   in   Fig u r e  7 .   T ab le  5   s h o ws  th e  r esu lts   o f   o p en   lo o p   s im u latio n   test in g   in   ce ll  to   p ac k   m o d e.   I n itially ,   b atter ies  1 ,   2 ,   an d   3   h ad   a  v o ltag e  lo wer   th an   th e  av er ag e,   s o   th ey   wer e  u s ed   as a   lo ad ,   f o r m in g   a  s er ies - co n n ec ted   b atter y   p ac k .   B atter y   4   h ad   a  v o ltag e   h ig h er   th an   th e  av er a g e,   s o   it  was  u s ed   a s   a  s o u r ce .   T h is   ca n   b e  co n s id er ed   b alan ce d   b ec au s e  th e  v o ltag e  o f   ea ch   b atter y   was  th e  s am e  f o r   a  b alan cin g   tim e  o f   6 6 0   s ec o n d s .   Fig u r e  8   s h o ws   th e  s im u latio n   test   r esu lts   f o r   ea ch   b atter y   v o ltag e.       T ab le  4 .   T est r esu lts   f o r   o p en   lo o p   s im u latio n   o f   p ac k   to   ce ll  m o d e   P a r a me t e r   B e f o r e   b a l a n c i n g   A f t e r   b a l a n c i n g   U n i t   V B 1   4 . 2 2 2   4 . 1 4 9   V o l t   V B 2   4 . 2 2 2   4 . 1 4 9   V o l t   V B 3   4 . 2 2 2   4 . 1 4 9   V o l t   V B 4   3 . 9 4 2   4 . 1 4 9   V o l t       T ab le  5 .   T est r esu lts   f o r   o p en   lo o p   s im u latio n   o f   ce ll to   p ac k   m o d e   P a r a me t e r   B e f o r e   b a l a n c i n g   A f t e r   b a l a n c i n g   U n i t   V B 1   3 . 9 4 2   4 . 0 0 8   V o l t   V B 2   3 . 9 4 2   4 . 0 0 8   V o l t   V B 3   3 . 9 4 2   4 . 0 0 8   V o l t   V B 4   4 . 2 2 2   4 . 0 0 8   V o l t           Fig u r e  7 .   Op e n   lo o p   s im u latio n   test   r esu lts   o f   p ac k   to   ce ll m o d e  g r a p h   ( h o r izo n tal  ax is : tim e  ( s ) ,   v er ti ca l a x is : b atter y   v o ltag e  ( V) )       3 . 2 .   Sim ula t io n t esting   o f   clo s ed  lo o p inte g ra t io n   F o l l o w i n g   t h e   cl o s e   l o o p   i n t eg r a t i o n   s i m u l at i o n   t es t i n g ,   t es t  r e s u l ts   w e r e   o b t a i n e d   i n   t h e   f o r m   o f   t h e   v o l t a g e   o f   e a c h   c e l l ,   n a m e l y   V B 1 ,   V B 2 ,   VB 3 ,   a n d   V B 4   b e f o r e   a n d   a f t e r   b a l a n c i n g .   T h e   r e s u l t s   a r e   p r e s e n t e d   i n   T a b l e s   6   a n d   7 .   T h e s e   t a b le s   p r o v i d e   a   d e t a i l e d   o v e r v i e w   o f   t h e   v o l t a g e   l e v e ls   a n d   t h e   ef f e c t i v e n e s s   o f   t h e   b a l a n c i n g   p r o c e s s .   T a b l e   6   s h o w s   t h e   r es u l ts   o f   t h e   cl o s e  l o o p   i n t e g r a t i o n   s i m u la t i o n   t e s t i n g   in   p a c k   t o   ce l l  m o d e .   I n i t i a ll y ,   t h e  v o l t a g e   o f   b a t t e r i es   1 ,   2 ,   a n d   3   wa s   h i g h e r   t h a n   t h e   a v e r a g e   v o lt a g e ,   m a k i n g   t h em   a   s u i t a b le   s o u r c e ,   n a m e l y   a   s e r i es - c o n n e c t e d   b a t te r y   p a c k .   R e g a r d i n g   t h e   b a t t e r y   v o l t a g e ,   4   i s   l o w e r   t h a n   t h e   av e r a g e   v o l t a g e ,   s o   i t  i s   u t il i z e d   as   a   l o a d .   T h is   c a n   b e   c o n s i d e r e d   b a l a n c e d   b e c a u s e   t h e   v o l t a g e   o f   e ac h   b a t t e r y   w a s   t h e   s a m e   f o r   a  b a l a n c i n g   t i m e   o f   6 0 0   s e c o n d s .   T h e   s i m u l at i o n   t es t   r es u l ts   f o r   e a c h   b a t t e r y   v o l t a g e   ca n   b e   o b s e r v e d   i n   F i g u r e   9 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  15 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  2168 - 2 1 7 9   2176   T ab le  7   s h o ws  th e  r esu lts   o f   th e  clo s ed - lo o p   in teg r atio n   s im u latio n   test in g   in   ce ll - to - p ac k   m o d e .   I n itially ,   b atter ies  1 ,   2 ,   an d   3   h ad   a  v o ltag e   lo wer   th a n   th e  a v e r ag e  v o ltag e,   s o   th e y   wer e  u s e d   as  a  lo ad ,   f o r m i n g   a  s er ies - co n n ec ted   b atter y   p ac k .   B atter y   4   h a d   a   v o ltag e   h ig h er   th a n   th e   av er a g e,   s o   it  wa s   u s ed   as  a  s o u r ce .   T h is   ca n   b e  c o n s id er ed   b alan c ed   b ec au s e  th e  v o ltag e  o f   ea c h   b atter y   was th e  s am e  f o r   a  b al an cin g   tim e  o f   5 8 0   s ec o n d s .   Fig u r e  1 0   s h o ws th e  s im u latio n   test   r esu lts   f o r   ea ch   b atter y   v o ltag e.       T ab le  6 .   Simu latio n   test in g   r esu lts   o f   clo s ed - lo o p   in teg r atio n   o f   p ac k - to - ce ll   m o d e   P a r a me t e r   B e f o r e   b a l a n c i n g   A f t e r   b a l a n c i n g   U n i t   V B 1   4 . 1 2 6   4 . 0 7 8   V o l t   V B 2   4 . 1 2 6   4 . 0 7 8   V o l t   V B 3   4 . 1 2 6   4 . 0 7 8   V o l t   V B 4   3 . 9 3 7   4 . 0 7 8   V o l t           Fig u r e  8 .   Op e n   lo o p   s im u latio n   test   r esu lts   g r ap h   f o r   ce ll - to - p ac k   m o d e   ( h o r izo n tal  ax is : tim e  ( s ) ,   v er ti ca l a x is : b atter y   v o ltag e  ( V) )           Fig u r e  9 .   Gr a p h   o f   s im u latio n   test   r esu lts   f o r   clo s ed - lo o p   i n teg r atio n   o f   p ac k - to - ce ll m o d e   ( h o r izo n tal  ax is : tim e  ( s ) ,   v er ti ca l a x is : b atter y   v o ltag e  ( V) )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A ctive   b a la n cin g   ch a r g i n g   u s i n g   A N F I S   to   r ea ch   lo n g est lifetime  fo r   lith iu m  io n   ( F a r id   Dw i Mu r d ia n to )   2177   T ab le  7 .   Simu latio n   test in g   r esu lts   o f   clo s ed   lo o p   in teg r atio n   o f   ce ll to   p ac k   m o d e   P a r a me t e r   B e f o r e   b a l a n c i n g   A f t e r   b a l a n c i n g   U n i t   V B 1   3 . 9 4 2   3 . 9 9 4   V o l t   V B 2   3 . 9 4 2   3 . 9 9 4   V o l t   V B 3   3 . 9 4 2   3 . 9 9 4   V o l t   V B 4   4 . 1 5 8   3 . 9 9 4   V o l t           Fig u r e  1 0 .   Gr ap h   o f   s im u latio n   test   r esu lts   f o r   clo s ed - lo o p   i n teg r atio n   f r o m   ce ll t o   p ac k   m o d e   ( h o r izo n tal  ax is : tim e  ( s ) ,   v er ti ca l a x is : b atter y   v o ltag e  ( V) )       3 . 3 .   Co m pa riso n o f   o pen lo o p si m ula t io n a nd   clo s ed  lo o p  inte g ra t io n t est  re s ults   T h e  test   r esu lts   f o r   th e  o p en   lo o p   s im u latio n   with o u t  co n tr o l  an d   th e  cl o s ed   lo o p   in teg r atio n   s im u latio n   u s in g   ANFI S  co n tr o l  ar e   s h o wn   ab o v e.   T h e  b alan cin g   tim e s   f o r   ea c h   m o d e   ar e  p r esen ted .   A  co m p ar is o n   was  m ad e  b etwe en   s im u latio n s   wit h   an d   with o u t c o n tr o l,  an d   th e  r esu lts   ar e  s h o wn   in   T ab le  8 .   Af ter   co n d u ctin g   s im u latio n s   an d   clo s ed - lo o p   in teg r atio n   u s in g   PS I M  2 0 2 2   s o f twar e,   th e  o b tain e d   r esu lts   in d icate   th at  th e  u s e  o f   ad ap tiv e  n eu r o - f u zz y   in f er e n c e  s y s tem   ( ANFI S)  co n tr o l  h as  a  s ig n if ican t  im p ac t  o n   th e  b atter y   v o ltag e  b alan ci n g   tim e.   I n   th e  p a ck   to   ce ll  m o d e  s im u latio n ,   th e  b alan ci n g   tim e  with   ANFI S   co n tr o l  is   6 0 0   s ec o n d s ,   wh er e as  with o u t  ANFI S  co n tr o l,  it  r eq u ir es  6 6 0   s ec o n d s .   Similar l y ,   in   th e  ce ll  t o   p ac k   m o d e  s im u latio n ,   th e  b alan cin g   tim e  with   ANFI S  co n tr o l   is   5 8 0   s ec o n d s ,   wh er ea s   with o u t   co n tr o l,   it  r eq u ir es  th e  s am e  tim e  as th e  p r ev i o u s   m o d e,   wh ic h   is   6 6 0   s ec o n d s .   T h e  in ter p r etatio n   o f   th ese  r esu lts   in d icate s   th at  th e  u s e  o f   A NFI S  co n tr o l  s ig n if ican tly   ac c eler ates  th e  b atter y   v o ltag e  b alan cin g   p r o ce s s ,   r ed u cin g   th e  tim e  r eq u ir ed   to   ac h iev e  th e  d esire d   lev el  o f   b alan ce .     T h is   h as  im p o r tan t  im p licatio n s   in   p r ac tical  ap p licatio n s ,   esp e cially   in   elec tr ic  v eh icles  wh er e  b atter y   ef f icien c y   an d   p er f o r m a n ce   ar e  cr u cial.   B y   s p ee d in g   u p   th e  b ala n c in g   tim e,   ANFI S  co n tr o l  ca n   en h an ce   b atter y     ch ar g in g   ef f icien cy ,   ex ten d   b atter y   life ,   an d   u ltima tely   im p r o v e  t h e  o v e r all  p er f o r m an c e  an d   d u r ab ilit y   o f   elec tr ic  v eh icles.       T ab le  8 .   C o m p a r is o n   o f   s im u latio n   test   r esu lts   M o d e   C o n t r o l   B a l a n c i n g   t i m e   ( s)   P a c k   t o   c e l l   W i t h o u t   c o n t r o l   6 6 0   W i t h   A N F I S   6 0 0   C e l l   t o   p a c k   W i t h o u t   c o n t r o l   6 6 0   W i t h   A N F I S   5 8 0       4.   CO NCLU SI O N   Ov er all,   th is   s tu d y   ad d r ess es  c h allen g es  ass o ciate d   with   ef f i cien t  en er g y   s to r ag e  in   elec tr ic  v eh icles,  with   a  s p ec if ic  f o cu s   o n   lith iu m - io n   b atter ies.  T h e   p r im ar y   in v esti g atio n   r e v o lv es  a r o u n d   v o ltag e  im b alan ce s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.