Publication: Enhanced passive balancing approach for battery management systems using machine learning
| cris.virtual.department | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# | |
| cris.virtual.orcid | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# | |
| cris.virtualsource.department | e80dc469-ed1b-4fc0-84b8-5ea6900c7994 | |
| cris.virtualsource.orcid | e80dc469-ed1b-4fc0-84b8-5ea6900c7994 | |
| dc.contributor.author | Muhamad Aqil Muqri Muhamad Fahmi | |
| dc.contributor.supervisor | Siti Hajar Yusoff | |
| dc.contributor.supervisor | Teddy Surya Gunawan | |
| dc.contributor.supervisor | Mohd Shahrin Abu Hanifah | |
| dc.contributor.supervisor | Suriza Ahmad Zabidi | |
| dc.date.accessioned | 2026-01-05T06:59:27Z | |
| dc.date.available | 2026-01-05T06:59:27Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Passive cell-balancing remains attractive for cost-sensitive battery management systems (BMS), but its fixed-threshold control wastes energy and accelerates component ageing. Many cost-sensitive applications rely on passive shunt-resistor balancing for lithium-ion battery packs because it is simple, reliable and low-cost, which typically uses open circuit voltage (OCV) as a proxy of state of charge (SOC), and this does not provide enough accuracy, mainly in lithium-ion cells where the voltage remains nearly the same for a wide range of SOC levels. In these aspects, despite large differences in SOC, the voltage variations may be too small for the BMS to measure accurately. For those reasons, the cells may remain persistently imbalanced during the balancing process, which can result in them not being fully used, a higher risk of overcharging and faster wear from heat produced. This study aims to investigate recent advancements in passive balancing and machine learning for SOC estimation, develop an enhanced passive balancing BMS architecture that integrates machine learning, and evaluate the proposed system against conventional OCV-based approaches in terms of accuracy, efficiency, and performance. An enhanced passive balancing architecture has been developed that couples a low-cost switched-shunt network with a long-short-term-memory (LSTM) SOC estimator trained on multi-temperature public datasets. The data-driven predictor supplies real-time SOC values to a hysteresis controller, enabling balancing decisions that are informed by cell dynamics rather than voltage alone. A three-cell lithium-ion in 3S1P arrangement was modelled in MATLAB/Simulink and validated against a hardware prototype configured for conventional OCV-based estimation that was used for the balancing process. Performance metrics such as balancing time, switching frequency, power dissipation and thermal rise were recorded for both strategies, and such findings were discovered in this study. The ML-assisted approach reduced balancing time to 80% SOC by 29% (2.88 hours vs. 4.05 hours), decreased average switching frequency by 97% (10.2 mHz vs. 333.8 mHz), and lowered total power dissipation by 81% (0.422 W vs. 2.22 W). The LSTM-based SOC estimator maintained high predictive accuracy across a temperature range of −10°C to 25°C with a root mean square error (RMSE) of 0.025, ensuring reliable SOC guidance under typical operating conditions. Thermal analysis revealed minimal temperature rise, with cell temperatures remaining within 0.3–0.5°C of ambient during the final charging phase. These results show that machine learning enables passive balancing circuits to match the efficiency of much more expensive active balancers, while maintaining simplicity, low cost, and safety of the battery cell. The proposed framework extends battery life, reduces thermal management costs, lowers total power loss, and increases efficiency. | |
| dc.description.abstractarabic | لا تزال موازنة الخلايا السلبية (Passive cell-balancing) خياراً جذاباً لأنظمة إدارة البطاريات (BMS) الحساسة للتكلفة، ولكن أسلوب التحكم ذي العتبة الثابتة (fixed-threshold control) يهدر الطاقة ويسرّع من شيخوخة المكونات. تعتمد العديد من التطبيقات الحساسة للتكلفة على الموازنة السلبية عبر مقاومة التحويل (shunt-resistor) لحزم بطاريات الليثيوم-أيون نظراً لبساطتها وموثوقيتها وتكلفتها المنخفضة، والتي تستخدم عادةً جهد الدائرة المفتوحة (OCV) كمؤشر تقريبي لحالة الشحن (SOC)، وهذا لا يوفر دقة كافية، خاصة في خلايا الليثيوم-أيون حيث يظل الجهد ثابتاً تقريباً ضمن نطاق واسع من مستويات حالة الشحن. في هذه الجوانب، وعلى الرغم من الفروقات الكبيرة في حالة الشحن، قد تكون تقلبات الجهد صغيرة جداً بحيث لا يتمكن نظام إدارة البطارية من قياسها بدقة. لهذه الأسباب، قد تظل الخلايا غير متوازنة بشكل مستمر أثناء عملية الموازنة، مما قد يؤدي إلى عدم استخدامها بالكامل، وزيادة خطر الشحن الزائد، وتآكل أسرع بسبب الحرارة المتولدة. تهدف هذه الدراسة إلى استقصاء التطورات الحديثة في الموازنة السلبية وتعلم الآلة (Machine Learning) لتقدير حالة الشحن، وتطوير بنية مُحسّنة لنظام إدارة البطاريات للموازنة السلبية يدمج تعلم الآلة، وتقييم النظام المقترح مقارنة بالأساليب التقليدية القائمة على جهد الدائرة المفتوحة من حيث الدقة والكفاءة والأداء. تم تطوير بنية مُحسّنة للموازنة السلبية تجمع بين شبكة تحويل مُبدّلة (switched-shunt) منخفضة التكلفة ومُقدّر لحالة الشحن (SOC) يعتمد على الذاكرة طويلة قصيرة المدى (LSTM)، والذي تم تدريبه على مجموعات بيانات عامة متعددة درجات الحرارة. يزود المُتنبئ القائم على البيانات (data-driven predictor) وحدة تحكم بالتلاكؤ (hysteresis controller) بقيم حالة الشحن في الوقت الفعلي، مما يتيح اتخاذ قرارات موازنة مستنيرة بناءً على ديناميكيات الخلية بدلاً من الجهد وحده. تم نمذجة ثلاث خلايا ليثيوم-أيون بتكوين (3S1P) في برنامج MATLAB/Simulink وتم التحقق من صحتها بمقارنتها بنموذج أولي مادي (hardware prototype) مُهيأ للتقدير التقليدي القائم على جهد الدائرة المفتوحة والذي استُخدم لعملية الموازنة. تم تسجيل مقاييس الأداء مثل زمن الموازنة، وتردد التبديل، وتبديد الطاقة، والارتفاع الحراري لكلا الاستراتيجيتين، وتم اكتشاف هذه النتائج في الدراسة. أدى النهج المُعزز بتعلم الآلة (ML-assisted) إلى تقليل زمن الموازنة للوصول إلى 80% من حالة الشحن بنسبة 29% (2.88 ساعة مقابل 4.05 ساعة) ، وخفض متوسط تردد التبديل بنسبة 97% (10.2 ملي هرتز مقابل 333.8 ملي هرتز)، وخفض إجمالي تبديد الطاقة بنسبة 81% (0.422 واط مقابل 2.22 واط). حافظ مُقدّر حالة الشحن القائم على (LSTM) على دقة تنبؤية عالية عبر نطاق درجات حرارة من -10° مئوية إلى 25° مئوية مع جذر متوسط مربع الخطأ (RMSE) يبلغ 0.025، مما يضمن توجيهاً موثوقاً لحالة الشحن في ظل ظروف التشغيل النموذجية. كشف التحليل الحراري عن ارتفاع ضئيل في درجة الحرارة، حيث ظلت درجات حرارة الخلايا ضمن 0.3-0.5° مئوية من درجة الحرارة المحيطة خلال مرحلة الشحن النهائية. تُظهر هذه النتائج أن تعلم الآلة يُمكّن دوائر الموازنة السلبية من مضاهاة كفاءة الموازنات النَشِطة (active balancers) الأكثر تكلفة، مع الحفاظ على البساطة، والتكلفة المنخفضة، وسلامة خلية البطارية. الإطار المقترح يطيل عمر البطارية، ويقلل من تكاليف الإدارة الحرارية، ويخفض إجمالي فقدان الطاقة، ويزيد من الكفاءة. | |
| dc.description.callnumber | et TJ 163.9 M952E 2025 | |
| dc.description.cpsemail | cps2u@iium.edu.my | |
| dc.description.degreelevel | Master | |
| dc.description.email | ||
| dc.description.funder | MARA-GRADUATE EXCELLENCE PROGRAMME(GREP) | |
| dc.description.identifier | Thesis : Enhanced passive balancing approach for battery management systems using machine learning / by Muhamad Aqil Muqri bin Muhamad Fahmi | |
| dc.description.identity | G2315253Muhamadaqilmuqrimuhamadfahmi | |
| dc.description.kulliyah | Kulliyyah of Engineering (KOE) | |
| dc.description.nationality | ||
| dc.description.notes | Thesis (MSCE)--International Islamic University Malaysia, 2025. | |
| dc.description.physicaldescription | 1 online resource (xix, 126 leaves) ; color illustrations. | |
| dc.description.programme | Master of Science in Engineering | |
| dc.identifier.uri | https://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/33733 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.publisher | Kuala Lumpur : Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia, 2025 | |
| dc.rights | OWNED BY IIUM | |
| dc.subject | Battery Management System (BMS);Machine Learning;Passive Balancing | |
| dc.subject.lcsh | Battery management systems | |
| dc.subject.lcsh | Lithium ion batteries -- Mathematical models | |
| dc.title | Enhanced passive balancing approach for battery management systems using machine learning | |
| dc.type | Master Theses | en_US |
| dspace.entity.type | Publication | |
| oairecerif.author.affiliation | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
Loading...
- Name:
- G2315253Muhamadaqilmuqrimuhamadfahmi_SEC.pdf
- Size:
- 22.43 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
- Description:
- Full text.
