CN109993270B - 基于灰狼群优化lstm网络的锂离子电池剩余寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于灰狼群优化LSTM网络的锂离子电池剩余寿命预测方法，涉及锂离子电池技术领域。该方法首先获取锂离子电池的监测数据，并从中提取出锂离子电池容量数据；确定长短期记忆网结构，构造基于LSTM的锂离子电池剩余寿命预测模型；然后利用灰狼群算法优化锂离子电池剩余寿命直接预测模型中的关键参数，得到基于灰狼群优化LSTM网络的直接预测模型；利用优化数据确定最优的锂离子电池剩余寿命直接预测模型；最后利用最优的锂离子电池剩余寿命直接预测模型预测后期锂离子电池容量数据。本发明提供的基于灰狼群优化LSTM网络的锂离子电池剩余寿命预测方法，能够较为准确的预测锂离子电池剩余寿命。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种基于灰狼群优化LSTM网络的锂离子电池剩余寿命预测方法。
背景技术
锂离子电池剩余寿命是用来描述当循环使用的锂离子电池容量达到确定阈值不能继续工作时所对应的充放电循环周期次数。目前，锂离子电池寿命的预测方法大致分可以为两类：基于经验的预测方法和基于性能的预测方法。基于经验的方法主要是利用电池历史数据对其寿命进行估计，也可称为基本统计规律法，主要包括循环周期数法、安时法与加权安时法和面向事件的老化累积方法等三种方法。这三种方法只能对锂离子电池剩余寿命给出粗略估计，它们是在对锂离子电池监测数据统计的基础上进行的，只能适用于特殊的条件场合，虽然具有较快的计算速度，但是无法对电池内部的物理和化学的变化过程给出精确的描述，具有较差的适应性，无法适应复杂条件下的预测问题。
针对基于经验的预测方法的不足，基于性能的预测方法具有较强的适用性，它在电池寿命预测的过程中可以使用各种不同的性能模型，同时考虑锂离子电池内部的衰退过程和外力因素的影响。目前，基于性能的预测方法主要包括基于模型的预测方法、基于数据驱动的预测方法和基于融合模型的三种预测方法。
锂离子电池容量数据能够有效反映锂离子电池的剩余寿命情况。随着充放电次数的增加，锂离子电池容量逐渐减小，当实际电池容量小于额定电池容量的70％时，认为锂离子电池已无法正常使用，此时需考虑更换锂离子电池。如何利用早期锂离子电池容量数据，实现锂离子电池的剩余寿命预测，合理规划工业生产中的锂离子电池储量，对满足实际工业生产效益最大化具有重要意思。
长短期记忆网络(Long Short-Term Memory，即LSTM)针对循环神经网络的缺陷进行改进，一是在隐含层的内部添加了遗忘门、输入门和输出门，二是增加一条信息流，用来代表长期记忆，这两项改进使长短期记忆网络具有较好的长短期记忆能力，能够更好的解决时间序列预测问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于灰狼群优化LSTM网络的锂离子电池剩余寿命预测方法，实现对锂离子电池剩余寿命的直接预测。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：基于灰狼群优化LSTM网络的锂离子电池剩余寿命预测方法，包括以下步骤：
步骤1、获取锂离子电池的监测数据，并从中提取出锂离子电池容量数据，将这些电池容量数据划分成训练数据集、验证数据集和测试数据集，同时对这些电池容量数据进行归一化处理；
步骤2、确定长短期记忆网结构，构造基于LSTM的锂离子电池剩余寿命预测模型；
所述锂离子电池剩余寿命预测模型包括输入层、LSTM层、全连接层、Droupout层、全连接层、回归层以及输出层；第一层全连接层中每个神经元与其前一层LSTM层进行全连接，起到特征融合的作用；将Droupout层添加到第一层全连接层之上，起到防止过拟合和提高泛化能力的作用；Droupout层在每次参数训练过程中，以概率p舍弃部分神经元，剩余神经元以1-p的概率予以率保留；同时在Droupout层上添加神经元个数为1的全连接层以及回归层，确保输出结果为连续的预测值；
步骤3：利用灰狼群算法优化锂离子电池剩余寿命直接预测模型中的关键参数，得到基于灰狼群优化LSTM网络的直接预测模型；
所述锂离子电池剩余寿命直接预测模型中的关键参数包括作为锂离子电池容量数据划分准则的训练集长度numTrain、验证集长度numValidation以及LSTM网络的结构参数LSTM网络隐含层神经元节点数numHiddenUnits、全连接层节点数numfullyConnectedLayer、Droupout层舍弃概率pro_dropoutLayer、训练过程最大训练次数maxEpochs和初始学习率initialLearnRate七个参数；
步骤3.1：参数初始化：将上述七个待优化参数作为灰狼群优化算法中灰狼个体的位置向量X，初始化产生种群个体数为N的初始化种群，并通过适应度函数计算公式计算初始种群个体对应的适应度值；
所述适应度函数的构造方法为：
(1)将锂离子电池容量数据进行一次差分处理，将其转化成LSTM网络训练过程所需平稳时间序列；
假设原始电池容量数据为F＝{f1，f2，…，fs}，其中，S表示锂离子电池总的充放电周期次数，对其进行一次差分处理后，得到的时间序列如下公式所示：
(2)在基于灰狼优化的LSTM网络直接预测模型中，选取到达失效阈值之前的第1次至第numTrain次充放电过程对应的电池容量数据用于训练LSTM网络；选取到达失效阈值之前的第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量数据用于验证LSTM网络的预测能力；LSTM网络训练过程中，将前numTrain-1次充放电周期的电池容量数据依次作为LTSM网络的输入，将当前充放电周期的下一充放电周期的电池容量数据作为LSTM网络的输出；LSTM网络训练结束后，以第numTrain次充放电周期的电池容量数据作为LSTM网络的输入，预测下一充放电周期的电池容量数据；然后，以下一充放电周期的电池容量数据再次作为LSTM网络的输入，预测后续充放电周期对应的电池容量数据，上述过程不断重复直至预测充放电周期次数到达numValidation；
假设第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量预测数据为：
Fpsec＝{fpnumTrain+1，fpnumTrain+2，…，fpnumTrain+numValidation}. (2)
与之相对应的，经差分处理后第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量真实数据为：
Frsec＝{frnumTrain+1，frnumTrain+2，…，frnumTrain+numaValidation}. (3)
构造如下函数表示预测后的电池容量数据与差分处理后的电池容量数据之间的关系：
其中，Fit1表示预测后的电池容量数据与差分处理后的电池容量数据之间的关系，length(Fpsec)为电池容量预测数据的长度；
(3)对式2所示锂离子电池容量预测数据进行逆差分化处理后，将预测得到的第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量数据恢复至原始电池容量数据区间，得到恢复后的电池容量数据
其表达式为：
其中，
与之相对应的，第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的原始电池容量数据为：
Fsec＝{fnumTrain+1，fnumTrain+2，…，fnumTrain+numValidation}. (7)
构造如下函数表示恢复至原始电池容量区间的电池容量数据与原始电池容量数据之间的关系：
(4)通过上述两个表述预测数据与真实数据间相近程度的关系式得到基于灰狼群优化的LSTM网络直接预测模型的适应度函数Fitdirect，如下公式所示：
Fitdirect＝Fit1+Fit2. (9)
步骤3.2：采用灰狼群优化算法对锂离子电池剩余寿命预测模型的参数进行更新，确保适应度值最小，由此得到优化后的锂离子电池容量数据划分准则以及LSTM网络结构参数；
在灰狼群算法中，为了模拟灰狼群的社会行为，将距离猎物最近的个体，即适应度值最小的个体称为首领狼α，将距离猎物较近的其他两个个体，即适应度值较小的其他两个个体称为助理狼β和δ，剩余狼群个体表示为ω；捕猎过程中，利用距离猎物较近的三只狼，即α狼、β狼和δ狼引导剩余狼群个体ω对猎物进行搜索；搜索过程中，灰狼群个体位置更新公式如下公式所示：
X(t+1)＝Xp(t)-A·d， (10a)
d＝|C·Xp(t)-X(t)|， (10b)
其中，A和C表示系数因子，t表示迭代次数，Xp表示当前猎物的位置向量，X表示灰狼个体的位置向量；系数因子A和C的计算公式如下所示：
A＝2a·r1-a， (11a)
C＝2·r2， (11b)
其中，r1和r2是[0，1]范围内的随机数，系数a随着迭代次数的增加从2到0线性递减；
在搜索猎物过程中，由于首领狼α、助理狼β和δ距离猎物较近，剩余狼群个体ω的位置根据处于领导阶层的首领狼α、助理狼β和δ的位置进行更新，其表示式为：
dα＝|C·Xα-X|， (12a)
dβ＝|C·Xβ-X|， (12b)
dδ＝|C·Xδ-X|， (12c)
其中，Xα、Xβ和Xδ分别表示首领狼α、助理狼β和δ所处的位置，dα、dβ和dδ分别表示当前狼群趋向于猎物位置的近似距离，通过如下计算公式确定当前狼群与猎物位置间的距离为：
X1＝Xα-A1·dα， (13b)
X2＝Xβ-A2·dβ， (13c)
X3＝Xδ-A3·dδ， (13d)
其中，A1、A2和A3是控制灰狼群个体前进或后退的系数因子，X(t+1)为狼群t+1次迭代时所处位置；
步骤4：利用优化数据确定最优的锂离子电池剩余寿命直接预测模型；
根据优化得到的锂离子电池数据划分准则，将锂离子数据分成训练数据集和测试数据集，并将训练集样本作为长短期记忆网络模型的输入；然后再通过优化得到的其他参数训练长短期记忆网络，训练后的长短期记忆网络模型为最优网络结构；
步骤5：利用最优的锂离子电池剩余寿命直接预测模型预测后期锂离子电池容量数据；
将训练样本中最后充放电周期数据作为LSTM网络的输入，LSTM网络的输出为下一充放电周期锂离子电池容量数据的预测值；再次将下一充放电周期锂离子电池容量预测值作为LSTM网络的输入，得到LSTM网络的输出作为后续充放电周期对应的锂离子电池容量预测值；依次循环，直至锂离子电池容量预测值到达额定失效阈值。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的基于灰狼群优化LSTM网络的锂离子电池剩余寿命预测方法，确定最优的锂离子电池剩余寿命直接预测模型综合了灰狼群优化算法的快速收敛能力和长短期记忆网络的准确时间序列预测能力，利用早期锂离子电池容量数据预测后期接近失效阈值时的锂离子电池容量数据。利用本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型预测电池容量数据达到失效阈值时对应的充放电周期均比真实电池容量数据达到失效阈值时对应的充放电周期早一些，能够较为准确的预测锂离子电池剩余寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于灰狼群优化LSTM网络的锂离子电池剩余寿命预测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的B0005锂离子电池样本监测数据获取过程中的充电、放电和阻抗测量操作过程示意图；
图3为本发明实施例提供的基于LSTM的锂离子电池剩余寿命预测模型的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于LSTM的锂离子电池剩余寿命预测模型对B0005锂离子电池进行预测的预测结果图；
图5为本发明实施例提供的训练集和验证集长度不变时基于GWO优化BP网络的预测模型对B0005锂离子电池进行预测的预测结果图；
图6为本发明实施例提供的训练集和验证集长度改变时基于GWO优化BP网络的预测模型对B0005锂离子电池进行预测的预测结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例以来源于美国国家航空航天局卓越故障预测研究中心(NASAPrognostic Center of Excellence，PCoE)锂离子电池退化数据，选取其中第一组标号为B0005的锂离子电池样本电池容量数据作为具体实施案例中所用数据。使用本发明的基于灰狼群优化LSTM网络的锂离子电池剩余寿命预测方法对该锂离子电池的剩余寿命进行预测。
基于灰狼群优化LSTM网络的锂离子电池剩余寿命预测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、获取锂离子电池的监测数据，并从中提取出锂离子电池容量数据，将这些电池容量数据划分成训练数据集、验证数据集和测试数据集，同时对这些电池容量进行归一化处理；
本实施例中，锂离子电池退化试验的试验对象为18650型钴酸锂离子电池，其额定容量为2Ah。试验过程中，将36块锂离子电池分为9组，每组包含3或4块锂离子电池，分别在不同环境温度、放电电流条件下对锂离子电池不断执行充电、放电和阻抗测量等三个步骤。
本实施例选用第1组标号为B0005的锂离子电池样本在充电、放电和阻抗测试等三种测试条件下的监测数据为实施例后续研究提供试验验证，以证明本发明所提锂离子电池剩余寿命预测方案的有效性。B0005锂离子电池样本监测数据获取过程中的充电、放电和阻抗测量三个步骤的具体执行操作如图2所示。
随着充放电次数的增加，锂离子电池容量逐渐减小，当电池容量下降至失效阈值U＝1.38Ah时，则认为锂离子电池失效，无法继续正常使用，此时B0005锂离子电池样对应的充放电周期为129次。
步骤2、确定长短期记忆网结构，构造如图3所示的基于LSTM的锂离子电池剩余寿命预测模型；所述锂离子电池剩余寿命预测模型包括输入层、LSTM层、全连接层、Droupout层、全连接层、回归层以及输出层；第一层全连接层中每个神经元与其前一层LSTM层进行全连接，起到特征融合的作用；将Droupout层添加到第一层全连接层之上，起到防止过拟合和提高泛化能力的作用；Droupout层在每次参数训练过程中，以概率p舍弃部分神经元，剩余神经元以1-p的概率予以率保留；同时在Droupout层上添加神经元个数为1的全连接层以及回归层，确保输出结果为连续的预测值；
步骤3：利用灰狼群算法优化锂离子电池剩余寿命直接预测模型中的关键参数，得到基于灰狼群优化LSTM网络的直接预测模型；
所述锂离子电池剩余寿命直接预测模型中的关键参数包括作为锂离子电池容量数据划分准则的训练集长度numTrain、验证集长度numValidation以及LSTM网络的结构参数LSTM网络隐含层神经元节点数numHiddenUnits、全连接层节点数numfullyConnectedLayer、Droupout层舍弃概率pro_dropoutLayer、训练过程最大训练次数maxEpochs和初始学习率initialLearnRate七个参数；
步骤3.1：参数初始化：将上述七个待优化参数作为灰狼群优化算法中灰狼个体的位置向量X，初始化产生种群个体数为N的初始化种群，并通过适应度函数计算公式计算初始种群个体对应的适应度值；
所述适应度函数的构造方法为：
(1)将锂离子电池容量数据进行一次差分处理，将其转化成LSTM网络训练过程所需平稳时间序列；
假设原始电池容量数据为F＝{f1，f2，…，fs}，其中，S表示锂离子电池总的充放电周期次数，对其进行一次差分处理后，得到的时间序列如下公式所示：
(2)在基于灰狼优化的LSTM网络直接预测模型中，选取到达失效阈值之前的第1次至第numTrain次充放电过程对应的电池容量数据用于训练LSTM网络；选取到达失效阈值之前的第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量数据用于验证LSTM网络的预测能力；LSTM网络训练过程中，将前numTrain-1次充放电周期的电池容量数据依次作为LTSM网络的输入，将当前充放电周期的下一充放电周期的电池容量数据作为LSTM网络的输出；LSTM网络训练结束后，以第numTrain次充放电周期的电池容量数据作为LSTM网络的输入，预测下一充放电周期的电池容量数据；然后，以下一充放电周期的电池容量数据再次作为LSTM网络的输入，预测后续充放电周期对应的电池容量数据，上述过程不断重复直至预测充放电周期次数到达numValidation；
假设第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量预测数据为：
Fpsec＝{fpnumTrain+1，fpnumTrain+2，…，fpnumTrain+numValidation}. (2)
与之相对应的，经差分处理后第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量真实数据为：
Frsec＝{frnumTrain+1，frnumTrain+2，…，frnumTrain+numValidation}. (3)
构造如下函数表示预测后的电池容量数据与差分处理后的电池容量数据之间的关系：
其中，Fit1表示预测后的电池容量数据与差分处理后的电池容量数据之间的关系，length(Fpsec)为电池容量预测数据的长度；
(3)对式2所示锂离子电池容量预测数据进行逆差分化处理后，将预测得到的第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量数据恢复至原始电池容量数据区间，得到恢复后的电池容量数据
其表达式为：
其中，
与之相对应的，第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的原始电池容量数据为：
Fsec＝{fnumTrain+1，fnumTrain+2，…，fnumTrain+numValidation}. (7)
构造如下函数表示恢复至原始电池容量区间的电池容量数据与原始电池容量数据之间的关系：
(4)通过上述两个表述预测数据与真实数据间相近程度的关系式得到基于灰狼群优化的LSTM网络直接预测模型的适应度函数Fitdirect，如下公式所示：
Fitdirect＝Fit1+Fit2. (9)
步骤3.2：采用灰狼群优化算法对锂离子电池剩余寿命预测模型的参数进行更新，确保适应度值最小，由此得到优化后的锂离子电池容量数据划分准则以及LSTM网络结构参数；
在灰狼群算法中，为了模拟灰狼群的社会行为，将距离猎物最近的个体，即适应度值最小的个体称为首领狼α，将距离猎物较近的其他两个个体，即适应度值较小的其他两个个体称为助理狼β和δ，剩余狼群个体表示为ω；捕猎过程中，利用距离猎物较近的三只狼，即α狼、β狼和δ狼引导剩余狼群个体ω对猎物进行搜索；搜索过程中，灰狼群个体位置更新公式如下公式所示：
X(t+1)＝Xp(t)-A·d， (10a)
d＝|C·Xp(t)-X(t)|， (10b)
其中，A和C表示系数因子，t表示迭代次数，Xp表示当前猎物的位置向量，X表示灰狼个体的位置向量；系数因子A和C的计算公式如下所示：
A＝2a·r1-a， (11a)
C＝2·r2， (11b)
其中，r1和r2是[0，1]范围内的随机数，系数a随着迭代次数的增加从2到0线性递减；
在搜索猎物过程中，由于首领狼α、助理狼β和δ距离猎物较近，剩余狼群个体ω的位置根据处于领导阶层的首领狼α、助理狼β和δ的位置进行更新，其表示式为：
dα＝|C·Xα-X|， (12a)
dβ＝|C·Xβ-X|， (12b)
dδ＝|C·Xδ-X|， (12c)
其中，Xα、Xβ和Xδ分别表示首领狼α、助理狼β和δ所处的位置，dα、dβ和dδ分别表示当前狼群趋向于猎物位置的近似距离，通过如下计算公式确定当前狼群与猎物位置间的距离为：
X1＝Xα-A1·dα， (13b)
X2＝Xβ-A2·dβ， (13c)
X3＝Xδ-A3·dδ， (13d)
其中，A1、A2和A3是控制灰狼群个体前进或后退的系数因子，X(t+1)为狼群t+1次迭代时所处位置；
步骤4：利用优化数据确定最优的锂离子电池剩余寿命直接预测模型；
根据优化得到的锂离子电池数据划分准则，将锂离子数据分成训练数据集和测试数据集，并将训练集样本作为长短期记忆网络模型的输入；然后再通过优化得到的其他参数训练长短期记忆网络，训练后的长短期记忆网络模型为最优网络结构；
步骤5：利用最优的锂离子电池剩余寿命直接预测模型预测后期锂离子电池容量数据；
将训练样本中最后充放电周期数据作为LSTM网络的输入，LSTM网络的输出为下一充放电周期锂离子电池容量数据的预测值；再次将下一充放电周期锂离子电池容量预测值作为LSTM网络的输入，得到LSTM网络的输出作为后续充放电周期对应的锂离子电池容量预测值；依次循环，直至锂离子电池容量预测值到达额定失效阈值。
本实施例中，利用灰狼群算法对锂离子电池剩余寿命直接预测模型中关键参数进行优化得到优化结果如表1所示。
表1灰狼群算法优化LSTM网络寻优结果统计
将表1列出的模型参数寻优结果带入到LSTM网络中，得到本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型进行预测的锂离子电池容量预测结果如图4所示，从图中可以看出，利用本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型预测的锂离子电池容量变化趋势与实际锂离子电池容量变化趋势较为接近，预测电池容量曲线相对较为平缓，预测电池容量数据到达失效阈值时对应的充放电周期与实际电池容量数据达到失效阈值时对应的充放电周期对比结果如表2所示，从中可以看出，预测结果与实际结果较为接近，本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型能够较为准确的反映锂离子电池容量数据的变化趋势，可有效反映锂离子电池的剩余寿命。
表2预测电池容量数据与实际电池容量数据结果对比
| 锂离子电池样本 | B0005 |
| 预测数据达到失效阈值时的充放电周期(cycle) | 125 |
| 实际数据达到失效阈值时的充放电周期(cycle) | 129 |
为了验证本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型所选用的灰狼群算法在参数优化方面的有效性，本实施例还提供了使用较为经典的遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)替换灰狼群算法，优化本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型中的关键参数，对比上述两种方法在达到本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型最大迭代次数时的最优适应度值、达到最终稳定状态时的适应度值以及达到最终稳定状态所需迭代次数(综合考虑LSTM网络训练过程所需时间以及优化算法优化效果，上述两种优化算法的最大迭代步骤设置为100次，种群大小与本章所提模型中种群大小一致)。对上述两种优化算法的寻优结果进行统计，如表3所示。从中可以看出，上述两种优化算法的搜索速度较为缓慢，当达到本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型的最大迭代次数时，搜索到的最优适应度值相对于本章所提模型的搜索结果仍然存在较大差距；当上述两种优化算法的搜索结果最终稳定不变时，其对应的最优适应度值仍与本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型的最优适应度值差别较大。由此，证明了本发明所选用的灰狼群算法在参数优化方面的有效性。
表3其他优化算法优化结果统计
| 寻优算法 | 遗传算法 | 粒子群算法 |
| 锂离子电池样本 | B0005 | B0005 |
| 执行当前迭代次数后的适应度值 | 0.9638 | 0.7854 |
| 达到最终稳定状态时的适应度值 | 0.7125 | 0.8623 |
| 达到最终稳定状态所需迭代次数 | 73 | 82 |
为了验证本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型所选用的LSTM网络在锂离子电池容量数据预测方面的有效性，本实施例还提供了两个对比实例。在两个对比实例中，均选用具有三个隐含层的浅层BP网络作为预测器，预测锂离子电池容量数据变化情况。与此同时，针对BP网络中的不同隐含层节点数以及BP网络最大训练次数等参数选取问题，利用灰狼群算法优化BP网络中的上述参数，实现参数的自适应选择。考虑到利用不同划分准则得到的训练集、验证集数据对锂离子电池剩余寿命直接预测模型的预测精度影响较大，本实施例中，在所提第一个对比实例中，训练集、验证集划分准则与本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型中的训练集、验证集划分准则一致；所提第二个对比实例中，将训练集、验证集长度也作为待优化参数。下面对两个对比实例的结果分别进行概述。
(1)训练集和验证集长度参数不作为待优化变量时的寻优结果
当训练集和验证集长度参数不作为待优化变量时，灰狼群算法优化BP网络的寻优结果如表4所示。从表可知，利用灰狼群优化BP网络预测模型得到的最终适应度值相对本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型的适应度值较大，BP网络对验证集电池容量数据的预测效果也相对较差。
利用参数优化后的BP网络预测测试集数据对应电池容量变化规律，结果如图5所示。从图可知，尽管BP网络预测电池容量数据到达失效阈值的时间总是比真实锂离子电池容量数据到达失效阈值的时间要短一些，依据BP网络预测后的电池容量数据可对锂离子电池剩余寿命做出较为保守的评估，但是，由于BP网络属于浅层网络，对时间序列的预测能力较差，预测电池容量数据与真实电池容量数据间的差异较大，其预测效果相对于本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型的预测效果仍有待提高。
表4训练集和验证集长度不变时灰狼群算法优化BP网络寻优结果统计
(2)训练集和验证集长度参数作为待优化变量时的寻优结果
当训练集和验证集长度参数作为待优化变量时，灰狼群优化BP网络的寻优结果如表5所示。从表可知，利用灰狼群优化BP网络预测模型得到的最终适应度值相对本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型的适应度值仍然较大，BP网络对验证集电池容量数据的预测效果仍然存在较大提升空间。将优化后的训练集、测试集划分准则代入BP网络中，用于预测测试集数据对应的锂离子电池容量变化规律，结果如图6所示。从图可知，利用基于灰狼群优化BP神经网络的预测模型得到的预测电池容量数据与真实电池容量数据的变化趋势仍然存在较大差异。在B0005锂离子电池容量的预测结果中，预测电池容量数据相对于实际电池容量数据达到失效阈值的时间显著提前，且预测电池容量数据随着充放电周期呈直线下降趋势，并没有出现实际电池容量数据中的波动现象。由此，证明了本发明的锂离子电池剩余寿命直接预测模型选用LSTM网络作为预测器在锂离子电池容量数据预测方面的有效性。
表5训练集和验证集长度改变时灰狼群算法优化BP网络寻优结果统计
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (1)
1.一种基于灰狼群优化LSTM网络的锂离子电池剩余寿命预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、获取锂离子电池的监测数据，并从中提取出锂离子电池容量数据，将这些电池容量数据划分成训练数据集、验证数据集和测试数据集，同时对这些电池容量数据进行归一化处理；
步骤2、确定长短期记忆网结构，构造基于LSTM的锂离子电池剩余寿命预测模型；
所述锂离子电池剩余寿命预测模型包括输入层、LSTM层、全连接层、Droupout层、全连接层、回归层以及输出层；第一层全连接层中每个神经元与其前一层LSTM层进行全连接，起到特征融合的作用；将Droupout层添加到第一层全连接层之上，起到防止过拟合和提高泛化能力的作用；Droupout层在每次参数训练过程中，以概率p舍弃部分神经元，剩余神经元以1-p的概率予以率保留；同时在Droupout层上添加神经元个数为1的全连接层以及回归层，确保输出结果为连续的预测值；
步骤3：利用灰狼群算法优化锂离子电池剩余寿命直接预测模型中的关键参数，得到基于灰狼群优化LSTM网络的直接预测模型；
所述锂离子电池剩余寿命直接预测模型中的关键参数包括作为锂离子电池容量数据划分准则的训练集长度numTrain、验证集长度numValidation以及LSTM网络的结构参数LSTM网络隐含层神经元节点数numHiddenUnits、全连接层节点数numfullyConnectedLayer、Droupout层舍弃概率pro_dropoutLayer、训练过程最大训练次数maxEpochs和初始学习率initialLearnRate七个参数；
步骤4：利用优化数据确定最优的锂离子电池剩余寿命直接预测模型；
根据优化得到的锂离子电池数据划分准则，将锂离子数据分成训练数据集和测试数据集，并将训练集样本作为长短期记忆网络模型的输入；然后再通过优化得到的其他参数训练长短期记忆网络，训练后的长短期记忆网络模型为最优网络结构；
步骤5：利用最优的锂离子电池剩余寿命直接预测模型预测后期锂离子电池容量数据；
将训练样本中最后充放电周期数据作为LSTM网络的输入，LSTM网络的输出为下一充放电周期锂离子电池容量数据的预测值；再次将下一充放电周期锂离子电池容量预测值作为LSTM网络的输入，得到LSTM网络的输出作为后续充放电周期对应的锂离子电池容量预测值；依次循环，直至锂离子电池容量预测值到达额定失效阈值；
所述步骤3的具体方法为：
步骤3.1：参数初始化：将上述七个待优化参数作为灰狼群优化算法中灰狼个体的位置向量x，初始化产生种群个体数为N的初始化种群，并通过适应度函数计算公式计算初始种群个体对应的适应度值；
步骤3.2：采用灰狼群优化算法对锂离子电池剩余寿命预测模型的参数进行更新，确保适应度值最小，由此得到优化后的锂离子电池容量数据划分准则以及LSTM网络结构参数；
步骤3.1所述适应度函数的构造方法为：
(1)将锂离子电池容量数据进行一次差分处理，将其转化成LSTM网络训练过程所需平稳时间序列；
假设原始电池容量数据为F＝{f1，f2，…，fS}，其中，S表示锂离子电池总的充放电周期次数，对其进行一次差分处理后，得到的时间序列如下公式所示：
(2)在基于灰狼优化的LSTM网络直接预测模型中，选取到达失效阈值之前的第1次至第numTrain次充放电过程对应的电池容量数据用于训练LSTM网络；选取到达失效阈值之前的第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量数据用于验证LSTM网络的预测能力；LSTM网络训练过程中，将前numTrain-1次充放电周期的电池容量数据依次作为LTSM网络的输入，将当前充放电周期的下一充放电周期的电池容量数据作为LSTM网络的输出；LSTM网络训练结束后，以第numTrain次充放电周期的电池容量数据作为LSTM网络的输入，预测下一充放电周期的电池容量数据；然后，以下一充放电周期的电池容量数据再次作为LSTM网络的输入，预测后续充放电周期对应的电池容量数据，上述过程不断重复直至预测充放电周期次数到达numValidation；
假设第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量预测数据为：
Fpsec＝{fpnumTrain+1，fpnumTrain+2，，fpnumTrain+numValidation}. (2)
与之相对应的，经差分处理后第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量真实数据为：
Frsec＝{frnumTrain+1，frnumTrain+2，…，frnumTrain+numValidation}· (3)
构造如下函数表示预测后的电池容量数据与差分处理后的电池容量数据之间的关系：
其中，Fit1表示预测后的电池容量数据与差分处理后的电池容量数据之间的关系，length(Fpsec)为电池容量预测数据的长度；
(3)对式2所示锂离子电池容量预测数据进行逆差分化处理后，将预测得到的第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的电池容量数据恢复至原始电池容量数据区间，得到恢复后的电池容量数据
其表达式为：
其中，
与之相对应的，第numTrain+1次至第numTrain+numValidation次充放电过程对应的原始电池容量数据为：
Fsec＝{fnumTrain+1，fnumTrain+2，…，fnumTrain+numValidation}. (7)
构造如下函数表示恢复至原始电池容量区间的电池容量数据与原始电池容量数据之间的关系：
(4)通过上述两个表述预测数据与真实数据间相近程度的关系式得到基于灰狼群优化的LSTM网络直接预测模型的适应度函数Fitdirect，如下公式所示：
Fitdirect＝Fit1+Fit2. (9)
所述步骤3.2的具体方法为：
在灰狼群算法中，为了模拟灰狼群的社会行为，将距离猎物最近的个体，即适应度值最小的个体称为首领狼α，将距离猎物较近的其他两个个体，即适应度值较小的其他两个个体称为助理狼β和δ，剩余狼群个体表示为ω；捕猎过程中，利用距离猎物较近的三只狼，即α狼、β狼和δ狼引导剩余狼群个体ω对猎物进行搜索；搜索过程中，灰狼群个体位置更新公式如下公式所示：
X(t+1)＝Xp(t)-A·d， (10a)
d＝|C·Xp(t)-X(t)|， (10b)
其中，A和C表示系数因子，t表示迭代次数，Xp表示当前猎物的位置向量，X表示灰狼个体的位置向量；系数因子A和C的计算公式如下所示：
A＝2a·r1-a， (11a)
C＝2·r2， (11b)
其中，r1和r2是[0，1]范围内的随机数，系数a随着迭代次数的增加从2到0线性递减；
在搜索猎物过程中，由于首领狼α、助理狼β和δ距离猎物较近，剩余狼群个体ω的位置根据处于领导阶层的首领狼α、助理狼β和δ的位置进行更新，其表示式为：
dα＝|C·Xα-X|， (12a)
dβ＝|C·Xβ-X|， (12b)
dδ＝|C·Xδ-X|， (12c)
其中，Xα、Xβ和Xδ分别表示首领狼α、助理狼β和δ所处的位置，dα、dβ和dδ分别表示当前狼群趋向于猎物位置的近似距离，通过如下计算公式确定当前狼群与猎物位置间的距离为：
X1＝Xα-A1·dα， (13b)
X2＝Xβ-A2·dβ， (13c)
X3＝Xδ-A3·dδ， (13d)
其中，A1、A2和A3是控制灰狼群个体前进或后退的系数因子，X(t+1)为狼群t+1次迭代时所处位置。
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