A Reference-Based Feature Representation Approach for Battery Remaining Useful Life Prediction Using KNN Regression
Öz
This study systematically investigates the effect of feature representation design on performance in Remaining Useful Life (RUL) prediction for lithium-ion batteries. While RUL prediction in existing literature primarily focuses on model architecture and hyperparameter optimization, the role of feature representation design, especially concerning cross-battery generalization, has been addressed to a limited extent. In this context, two different representation approaches, namely absolute feature space-based representation (Absolute Feature Representation (AFR)) and reference cycle-centered representation (Reference-based Feature Representation (RFR)), were developed and evaluated. Experiments were conducted on data from 4 batteries within the NASA PCOE lithium-ion battery dataset, and evaluation was performed using a battery-wise cross-validation strategy. K-Nearest Neighbors (KNN) was used as the regression model, and only the representation effect was analyzed by keeping model parameters constant. The results demonstrate that RFR provides consistent improvements across all performance metrics. In the evaluation metrics, the average MAE value decreased from 0.148 to 0.096, and the RMSE value decreased from 0.173 to 0.120. The R² value increased from 0.637 to 0.825. These improvements correspond to performance increases of approximately 35%, 31%, and 29%, respectively. Correlation analysis revealed that the transformation performed in RFR strengthened the feature-target relationship and made relative degradation dynamics more prominent by suppressing absolute level differences. The diagnostic analyses performed confirm that the error structure is balanced and systematic. The findings indicate that performance improvement in RUL prediction is strongly dependent not only on model selection but also on feature representation design. Especially in cases where initial differences between batteries are high, the RFR approach offers an effective strategy that provides significant and consistent improvements without increasing model complexity.
Anahtar Kelimeler
Remaining Useful Life (RUL) prediction;, Lithium- ion batteries;, Reference- based feature representation;, Distance- based regression;, K- Nearest Neighbors (KNN);, Battery- wise cross- validation
A Reference-Based Feature Representation Approach for Battery Remaining Useful Life Prediction Using K-Nearest Neighbors Regression
Öz
Bu çalışmada, lithium-ion bataryalar için Remaining Useful Life (RUL) tahmininde özellik temsili tasarımının performans üzerindeki etkisini sistematik olarak incelenmiştir. Mevcut literatürde RUL tahmini çoğunlukla model mimarisi ve hiperparametre optimizasyonuna odaklanırken, özellik temsili tasarımının özellikle cross-battery generalization üzerindeki rolü sınırlı biçimde ele alınmıştır. Bu bağlamda mutlak özellik uzayına dayalı temsil (Absolute Feature Representation (AFR)) ve referans döngü merkezlemeli temsil (Reference-based Feature Representation (RFR)) olmak üzere iki farklı temsil yaklaşımı oluşturularak değerlendirilmiştir.
Deneyler NASA PCoE lithium-ion battery veri seti üzerinde 4 bataryaya ait veriler üzerinde gerçekleştirilmiş ve değerlendirme a battery-wise cross-validation stratejisi ile yapılmıştır. Regresyon modeli olarak K-Nearest Neighbors (KNN) kullanılmış ve model parametreleri sabit tutularak yalnızca temsil etkisi analiz edilmiştir. Sonuçlar, RFR’nin tüm performans metriklerinde tutarlı iyileşme sağladığını göstermektedir. Değerlendirme metriklerinde ortalama MAE değeri 0.148’den 0.096’ya, RMSE değeri 0.173’ten 0.120’ye düşmüştür. R² değeri ise 0.637’den 0.825’e yükselmiştir. Bu iyileşmeler sırasıyla yaklaşık %35, %31 ve %29 oranında performans artışına karşılık gelmektedir.
Korelasyon analizi, RFR’de yapılan transformasyonun feature–target ilişkisini güçlendirdiğini ve mutlak seviye farklarını baskılayarak göreli degradasyon dinamiklerini daha belirgin hale getirdiğini ortaya koymuştur. Gerçekleştirilen tanılayıcı analizler hata yapısının dengeli ve sistematik olduğunu doğrulamaktadır.
Elde edilen bulgular, RUL tahmininde performans artışının yalnızca model seçimine değil, özellik temsili tasarımına da güçlü biçimde bağlı olduğunu göstermektedir. Özellikle bataryalar arası başlangıç farklılıklarının yüksek olduğu durumlarda, RFR yaklaşımı model karmaşıklığını artırmadan anlamlı ve tutarlı iyileşmeler sağlayan etkili bir strateji sunmaktadır.
Anahtar Kelimeler
Kalan Kullanım Ömrü (RUL) tahmini;, Lityum iyon bataryalar;, Referans tabanlı özellik temsili;, Mesafe tabanlı regresyon;, K-En Yakın Komşular (KNN);, Batarya bazlı çapraz doğrulama