CN116047314A - 一种可充电电池健康状态预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种可充电电池健康状态预测方法,属于电池健康状态管理技术领域,通过获取对电池的充放电过程测量数据及健康状态,采用图神经网络和循环神经网络构建图卷积循环神经网络层,其中图神经网络模块处理提取出测量信号之间的物理关系特征,循环神经网络提取时间序列中的时间特征,建立数据与健康状态之间的映射关系,从而达到预测健康状态的目的。本公开能够对可充电电池的健康状态进行预测,实现对可充电电池的寿命预测和管理,为用电设备和用电系统的安全管理提供支撑。
Description
技术领域
本发明属于电池健康状态管理技术领域,具体涉及一种基于图神经网络的可充电电池健康估计方法。
背景技术
目前,可充电锂离子电池具有重量轻、能量密度高、性能好和寿命长的特点,成为了当今电池的支柱,被广泛应用于电子产品、动力和储能等领域。但是,随着锂离子电池的反复充放电使用,电池不可避免地老化导致性能下降。锂离子电池性能下降的主要原因是由于锂离子嵌入、脱出过程中产生的应力使电极变形和断裂,造成短路,使活性电极材料无法储存锂离子。一般来说,电池性能下降的主要后果包括容量衰减和阻抗增加,甚至导致电池故障,进而引发用电设备和用电系统的安全问题。因此,准确预测锂离子电池的健康状态对于电池的科学管理和安全具有重要的实际意义。
现有的典型对锂离子电池健康状态的评估方法分为三种:基于机理模型的方法、基于经验模型的方法和基于数据驱动的方法。其中,基于机理模型的方法从电池原理构建电池退化模型,构建的模型可分为电化学模型和等效电路模型。其优点是可解释性强、预测精确。但电化学模型但其建模过程中对于模型参数的精度较高、建模成本高昂且计算过程复杂。而等效电路模型有着获取实验数据的设备成本高昂,测试条件严格,参数辨识困难等问题,在应用上具有一定局限性。基于统计模型的方法使用统计学的方法来对电池容量衰减过程构造经验模型,模型收敛性好,但此方法构建的模型具有很多训练参数,迭代计算过程中需要不断更新训练参数,使得模型计算的复杂度陡增。基于数据驱动方法使用可用的电池测试数据来预测电池性能和退化,避免对锂离子电池内部复杂的电化学反应进行数学建模。通过提取直接或间接测量参数的特征值,结合数据挖掘算法,建立特征参数与健康状态之间的关系,但其无法解释电池容量退化的具体原因。
近年来,深度学习因其强大的非线性函数逼近能力而广泛地应用在众多工程领域中用以解决实际问题,并在处理时间序列数据方面显示出其优越性。循环神经网络(RNN)和长短期记忆神经网络(LSTM)已成功应用于锂离子电池的健康状态预测。图神经网络依靠节点之间的关系来捕获图中的信息,并优化图节点之间的消息传递机制以获得不同变量之间的依赖关系,可以处理时空特征数据的时间序列预测。空间特征通过深度挖掘图神经网络中特征节点之间的相互依赖关系来体现,时间特征也可以根据循环神经网络考虑历史数据。
因此,将图卷积循环神经网络应用在锂离子电池的健康状态预测中,具有较好的应用前景。
发明内容
为了更好地预测锂离子电池的健康状态,本公开提供了一种基于图卷积循环神经网络的锂离子电池健康状态的预测方法,利用图结构数据的独特特性来提取和建立锂离子电池信号中的关系,构造多个图卷积循环层处理锂离子电池放电数据构建的时序图数据,从而准确地预测电池的健康状态。
本公开提供的基于图卷积循环神经网络的锂离子电池健康状态预测方法,包括以下步骤:
步骤1:获取电池的充放电过程测量数据及健康状态。
在电池充放电周期中,为了充分测量电池的性能数据变化过程,往往会使用较多的传感器获取大量的电池测量数据,其中会存在与电池健康状态相关性较小的数据和无关的、重复的数据,同时还存在一些在测量过程中测量值不发生变化或者变化量很小的数据,这可能对可充电电池的健康状态预测造成干扰。因此根据预测任务的需要,选择与电池健康状态预测相关的测量信号数据进行预测,其中,主要包括测量电压、测量电流、电池温度、负载测量电流、负载测量电压、电池容量。
作为优选,通过恒温环境下对可充电电池依次进行恒定电流充电、恒压充电以及恒流放电的充放电实验,获取相关电池参数的测量数据。
更进一步的,对于锂离子电池,选择在条件为恒温24摄氏度的环境下进行充放电实验获取电池数据,以1.5A的恒定电流充电,工作电压升至最大截止电压2.4V时,切换为恒压充电,当电流降至20mA时充电停止,一次充电的过程作为一个充电周期。在放电时,以2A的电流进行恒流放电,当电池的工作电压低至最小截止电压时放电停止(如果一个电池组里有多个电池,各自的截止电压不同,则放电至各电池的工作电压低至各自的最小截止电压时停止),一次放电的过程作为一个放电周期。反复进行充放电过程直到电池的健康状态低于70%停止。定义锂离子电池健康状态SOH:
其中,为当前时刻以2A 恒流放电时电池的最大容量,为出厂状态的额定容量。
步骤2:对获取的电池充放电过程数据进行预处理,设定时间窗,以滑窗方式获取电池数据集时间序列;构建图数据,确定邻接矩阵A和特征向量X;将构建的图数据划分为训练集、验证集和测试集。
进一步的,构建图数据的过程包括:将电池数据进行归一化处理,分别计算数据的均值和标准差,归一化计算公式为:
其中,代表各个测量数据,代表数据均值;代表数据的标准差。以电池各个测量信号和健康状态为节点,以节点之间的连接关系为边,再以归一化的电池数据分别构建为各个节点对应的特征向量,其中,i代表第i个节点,将所有特征向量进行组合得到特征矩阵,构建节点之间的连接关系邻接矩阵,其中为图节点的数量,d为节点特征维度;对邻接矩阵进行归一化处理,获得归一化的邻接矩阵。将构建的图数据分为训练集,验证集和测试集。
步骤3:采用图神经网络和循环神经网络构建图卷积循环神经网络层,将电池物理量关系构建的邻接矩阵A和特征矩阵X输入到图卷积循环神经网络中进行训练。
所述图卷积循环神经网络层可分为两个模块:图神经网络模块和循环神经网络模块。其中,图神经网络模块可使用图卷积神经网络(GCN)或图注意力神经网络(GAT),循环神经网络模块可使用长短期记忆网络(LSTM)或门控循环单元(GRU)。模块中的网络可以任意选择。训练数据邻接矩阵A和特征矩阵X被图神经网络模块处理提取出测量信号之间的物理关系特征,循环神经网络模块再根据图神经网络模块中的更新的输出和上一时刻的隐状态计算出当前时刻的隐状态,提取的时间序列z中的时间特征。
步骤4:将测试数据集导入步骤3中训练完成的图卷积循环神经网络模型,实现对可充电电池健康状态的预测。
与现有技术相比,本公开具有以下有益效果:
1、从对电池数据使用图结构来进行分析,可以利用图形结构信息,使用图卷积层来提取节点之间的相关性,可以捕捉图数据的复杂关系,发现电池数据之中隐藏的特征关系,不需要建立复杂的电化学反应数学模型。
2、使用循环神经网络充分考虑了电池的过去的工作状态的数据,提取时间序列中的隐藏特征,使得能够建立数据与健康状态之间的映射关系,从而达到预测健康状态的目的。
3、现有的图神经网络方法进行建图的方法较为复杂,在空间和时间维度上应用图卷积神经网络对图状态进行推理预测。而本公开使用图神经网络对电池图数据的空间结构进行卷积计算,再嵌入于循环神经网络来进行时间特征的提取。
4、本公开能够对锂离子电池的健康状态进行预测,实现对锂离子电池设备的寿命预测和管理,为用电设备和用电系统的安全管理提供支撑。
附图说明
图1为基于图卷积循环神经网络的锂离子电池健康状态的预测方法流程示意图。
图2为本公开所构建的图数据示意图。
图3为图卷积循环神经网络层计算门控循环单元模型中的隐状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本公开提出了一种基于图卷积循环神经网络的可充电电池健康状态预测方法,结合附图详细说明如下。
根据本公开的锂离子电池健康状态预测方法流程如附图1所示。
步骤1:通过在条件为恒温环境下进行充放电实验获取锂离子电池数据。
在本实施例中,使用NASA公开锂电池数据集BatteryAgingARC-FY08Q4作为实验数据。
步骤2:对提取电池的数据进行预处理,设定固定长度滑动窗口,获取电池数据集的时间序列;构建邻接矩阵A和特征向量X,将构建的图数据划分为训练集、验证集和测试集。
具体包括:
将获得的数据集时间序列按照8:1:1的比例分别划分为训练集、验证集和测试集。
将电池数据进行归一化处理,分别计算数据的均值和标准差,归一化计算公式为:
其中,代表各个测量数据,代表数据均值;代表数据的标准差。
进一步的,以锂离子电池各个测量信号和健康状态为节点,以节点之间的连接关系为边,再以归一化的电池数据分别构建为各个节点对应的特征向量,其中,i代表第i个节点,将所有特征向量进行组合得到特征矩阵,构建节点之间的连接关系邻接矩阵,其中为图节点的数量,d为节点特征维度;对邻接矩阵进行归一化处理,获得归一化的邻接矩阵。图2为本公开所构建的图数据示意图。图中,左上角虚线框中为以电池测量数据构建的图数据结构,图中的V_M、I_M为测量电压和测量电流;V_L、I_L为负载测量电压和负载测量电流;T为电池的温度;SOH为步骤1中定义的锂离子电池健康状态;各个节点之间为完全连接;图右侧中的SOHx表示虚线框中所构建的含有电池健康状态的图数据经过图卷积神经网络的处理不断更新特征的过程。
最后得到图数据训练集,验证集和测试集。
上述过程可概括为:①先获取电池数据;②处理电池数据;③构建邻接矩阵描述每个节点所对应的电池信号;④电池信号的数据作为特征向量。实际上数据的分集操作在②或者④中处理都是一样效果。
步骤3:采用图神经网络和循环神经网络构建图卷积循环神经网络层,该层可分为两个模块:图神经网络模块和循环神经网络模块。其中,图神经网络模块可使用图卷积神经网络(GCN)或图注意力神经网络(GAT),循环神经网络模块可使用长短期记忆网络(LSTM)或门控循环单元(GRU)。模块中的网络可以任意选择。训练数据邻接矩阵A和特征矩阵X被图神经网络模块处理提取出测量信号之间的物理关系特征,循环神经网络模块再根据图神经网络模块中的更新的输出和上一时刻的隐状态计算出当前时刻的隐状态,提取的时间序列中的时间特征。
在本实施例中,选择使用图卷积网络(Graph Convolutional Networks,GCN)和门控循环单元(Gated Recurrent Units,GRU)分别作为图神经网络模块和循环神经网络模块。
首先,在图神经网络模块中,图卷积网络的学习方式遵循逐层学习,所有节点同步更新,图卷积网络的本质是在节点间传播信息来更新节点表示。首先,定义简单的图卷积网络层,表示如下:
其中,为归一化后的邻接矩阵;为权重矩阵,为新的特征维度,为激活函数。在图卷积网络模块中,使用两个图卷积层构成一个图卷积神经网络。
其次,对于循环神经网络模块,门控循环单元通过使用重置门和更新门来计算隐藏状态,其中携带着过去的电池时间序列的信息,以实现对时间序列数据以往观测值的利用。其中,使用图神经网络模块来计算当前隐状态,标记两个图神经网络模块,分别提取过去的时间序列信息和现在的时间序列信息以更新网络权重,计算过程如下:
计算门控循环单元在t时刻的重置门和更新门,利用图神经网络模块提取当前输入图数据与上一时刻的隐状态图数据中的空间特征。
其中,concat为拼接操作;split为分割操作;输出的结果经过split操作获得和,其中,是经过网络输出的特征矩阵,是经过网络提取了空间特征t-1时刻的隐状态;为t时刻的输入;为t-1时刻的隐状态;sigmoid函数,在神经网络中常作为激活函数;
其中,tanh是双曲正切函数,也是常作为激活函数;为t时刻的候选隐状态状态,它通过计算当前输入与保留多少上一时刻隐状态的时间序列信息相拼接获得。丢弃传递下来的中的之前时间序列中不相关的信息,并加入当前节点输入的相关的时间序列信息。至此,完成了一个图卷积循环层的构建。图3为图卷积循环神经网络层计算门控循环单元模型中的隐状态示意图。
在本发明实施例的训练过程中,定义3层图卷积循环层,固定长度滑动窗口为20,模型训练500轮,选用梯度下降算法,损失通过梯度下降进行反向传播,使用Adam优化器进行优化,学习率为0.001。
步骤4:将测试数据集导入步骤3中训练完成的图卷积循环神经网络模型,实现对锂离子电池的健康状态的预测。
Claims (8)
1.一种可充电电池健康状态预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:获取电池充放电过程中各项电池参数的测量数据,所述电池参数包括与电池健康状态相关的性能参数及其对应的电池健康状态;
S2:将总的可用数据通过定长滑窗方式分成若干组时间序列,基于一组时间序列构建一个图数据,其中,以各项电池参数作为图的各个节点,一个节点代表一项电池参数的一个时间序列,构建各节点之间的邻接矩阵和特征矩阵;
构建的图数据划分为训练集、验证集和测试集;
S3:采用图神经网络和循环神经网络构建图卷积循环神经网络层,将训练集中的图数据输入到所述图神经网络中进行训练,提取出各项电池参数之间的物理关系特征;再由所述循环神经网络进一步提取各组时间序列之间的时间特征;
S4:将测试集中的图数据导入步骤S3中训练完成的图卷积循环神经网络模型,实现对可充电电池健康状态的预测。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S1中,通过恒温环境下对可充电电池依次进行恒定电流充电、恒压充电以及恒流放电的充放电实验,获取相关电池参数的测量数据。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,在步骤S1中,所述充放电实验的具体方法包括:
在条件为恒温24摄氏度的环境下,以1.5A的恒定电流对锂离子电池充电;工作电压升至最大截止电压2.4V时,切换为恒压充电;当电流降至20mA时充电停止,一次充电的过程作为一个充电周期;
放电时,以2A的电流进行恒流放电,至电池的工作电压低至最小截止电压时放电停止,一次放电的过程作为一个放电周期;
反复进行充放电过程,直到电池的健康状态低于70%停止;
锂离子电池健康状态SOH的定义包括:
其中,为当前时刻以2A 恒流放电时电池的最大容量,为出厂状态的额定容量。
4.如权利要求1-3中任一所述的方法,其特征在于,所述步骤S1中,与电池健康状态相关的性能参数包括:测量电压、测量电流、电池温度、负载测量电流、负载测量电压、电池容量中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括:
设定固定长度滑动窗口,从各项电池参数数据集中滑取若干个时间序列;
将电池参数数据进行归一化处理,分别计算数据的均值和标准差,归一化计算公式为:
其中,代表各个测量数据,代表数据均值;代表数据的标准差;
以可充电电池各项电池参数为节点,一个节点代表一项电池参数的一个时间序列,以节点之间的连接关系为边,构建节点之间的连接关系邻接矩阵,为图节点的数量;对邻接矩阵进行归一化处理,获得归一化的邻接矩阵;
以归一化的电池参数时间序列分别构建为各个节点对应的特征向量,其中,i代表第i个节点,d为节点特征维度,将所有特征向量进行组合得到特征矩阵;
得到的图数据分为训练集,验证集和测试集。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述步骤S3中,所述图神经网络模块使用图卷积神经网络或图注意力神经网络,循环神经网络模块使用长短期记忆网络或门控循环单元。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述步骤S3中,所述图神经网络模块采用图卷积神经网络;
图卷积网络层定义如下:
其中,为归一化后的邻接矩阵;为权重矩阵,为经过卷积降维后的节点特征维度,为激活函数;l代表图卷积神经网络的第l层,代表图卷积神经网络的第l层输入特征矩阵;
两个图卷积网络层构成一个图卷积神经网络。
8. 如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述步骤S3中,所述循环神经网络模块使用门控循环单元,通过使用重置门和更新门计算隐藏状态,其中隐藏状态携带着过去的电池时间序列的信息,以实现对时间序列数据以往观测值的利用,其中,采用两个图神经网络模块,分别提取过去的时间序列信息和现在的时间序列信息以更新网络权重,计算过程如下:
利用图神经网络模块提取当前输入图数据与上一时刻的隐状态图数据中的空间特征,计算门控循环单元在t时刻的重置门和更新门,即
其中,concat为拼接操作;split为分割操作,输出的结果经过分割操作获得和,其中,是经过网络输出的特征矩阵,经过网络提取了空间特征t-1时刻的隐状态;为t时刻的输入;为t-1时刻的隐状态;
其中,为t时刻的候选隐状态,它通过计算当前输入与保留多少上一时刻隐状态的时间序列信息相拼接获得;是t时刻的隐状态;tanh为双曲正切函数。
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