基于健康因子和CNN-BiLSTM的锂离子电池健康状态预测
作者:
作者单位:

1.南京林业大学;2.江苏省特种设备安全监督检验研究院吴江院

基金项目:

江苏省产业前瞻与关键核心技术项目(BE2022053-2);江苏省现代农业重点及面上项目(BE2021339);南京林业大学青年科技创新基金项目(CX2019018); 无人驾驶场车检验体系建立及关键技术研究( (KI(Y)2023042) )


Prediction of Lithium-Ion Battery Health Status Based on Health Factors and CNN-BiLSTM
Author:
Affiliation:

1.Nanjing Forestry University;2.Wujiang Branch, Jiangsu Institute of Special Equipment Safety Supervision and Inspection

  • 摘要
  • | |
  • 访问统计
  • |
  • 参考文献
  • | |
  • 引证文献
  • | |
  • 文章评论
    摘要:

    为提高锂离子电池的健康状态(SOH)监测精度,避免电池潜在的故障,本文提出一种基于健康因子的卷积神经网络(CNN)结合改进双向长短期记忆网络(BiLSTM)的联合模型预测电池SOH。首先通过NASA公开电池数据集提取5个与电池老化高度相关的健康因子作为SOH特征;其次构建联合网络模型,CNN层负责提取电池充放电特征因子数据的空间特征,BiLSTM层负责捕捉数据中不同特征之间的相关性,注意力机制负责对输入变量进行权重分配;最后通过对单一电池数据集和同类电池数据集进行训练预测,仿真结果表明:联合模型估计锂电池SOH时,平均绝对误差分布在0.015以内,最大绝对误差和RMAE分布在0.01以内,具有较高的精度和较好的普适性。

    Abstract:

    To improve the accuracy of State of Health (SOH) monitoring for lithium-ion batteries and prevent potential failures, this paper proposes a joint model based on Convolutional Neural Network (CNN) with enhanced Bidirectional Long Short-Term Memory (BiLSTM) for predicting battery SOH. Firstly, five highly correlated health factors related to battery aging are extracted as SOH features from the publicly available NASA battery dataset. Secondly, a joint network model is constructed where the CNN layer extracts spatial features from the battery charge/discharge characteristic data, the BiLSTM layer captures correlations among different features in the data, and an attention mechanism allocates weights to input variables. Finally, training and prediction are performed on both individual battery datasets and datasets of similar batteries. Simulation results demonstrate that the joint model estimates lithium battery SOH with an average absolute error distribution within 0.015, maximum absolute error and RMAE within 0.01, indicating high accuracy and good generality.

    参考文献
    [1] 张宣梁, 何霆, 朱文龙, 等. 基于多循环特征的储能电池SOH估计模型[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(11): 3488-3498.
    [2] LI W, FAN Y, RINGBECK F, et al. Electrochemical model-based state estimation for lithium-ion batteries with adaptive unscented Kalman filter[J]. Journal of Power Sources, 2020, 476: 228534.
    [3] MA Q, ZHENG Y, YANG W, et al. Remaining useful life prediction of lithium battery based on capacity regeneration point detection[J]. Energy, 2021, 234: 121233.
    [4] CHANG C, CHEN L, LIU X, et al. Electrochemical aging model of lithium-ion battery with impedance output and its parameter sensitivity analysis and identification[J]. Journal of Energy Storage, 2024, 86: 111277.
    [5] MAO S, YU Z, ZHANG Z, et al. Parameter identification method for the variable order fractional-order equivalent model of lithium-ion battery[J]. Journal of Energy Storage, 2023, 57: 106273.
    [6] JIN L M, XING G G, QIN N, et al. An empirical model for high energy density lithium-(ion) batteries with ultra-thick electrodes[J]. Tungsten, 2024, 6(1): 230-237.
    [7] 陈峥, 顾青峰, 沈世全, 等. 基于健康特征提取和PSO-RBF神经网络的锂离子电池健康状态预测[J]. 昆明理工大学学报(自然科学版), 2020, 45(6): 92-103.
    [8] 宁雪峰, 石正禄, 许加柱. 基于健康因子和PSO-LSTM的锂离子电池健康状态估计[J]. 电源学报: 1-13.
    [9] 郭海龙, 杨康, 吉龙军, 等. 基于注意力机制的改进LSTM锂电池健康状态估计方法[J]. 三峡大学学报(自然科学版), 2023, 45(4): 95-100.
    [10] 赵鑫浩, 许亮. 改进的萤火虫算法优化反向传播神经网络动力锂离子电池健康状态估计[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(3): 934-940.
    [11] 赵辉, 朱文彬, 岳有军, 等. IPOA-BP神经网络锂电池SOH估算[J]. 重庆理工大学学报(自然科学), 2023, 37(10): 255-262.
    [12] ZHOU D, ZHUANG X, ZUO H, et al. A model fusion strategy for identifying aircraft risk using CNN and Att-BiLSTM[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2022, 228: 108750.
    [13] 樊里略, 阮清强, 陈佳. 卷积神经网络的脉冲激光测距回波估计方法[J]. 激光杂志, 2021, 42(7): 32-36.
    [14] 路凯丽, 杨露, 李涛. 基于集成深度学习模型的空气质量指数预测[J]. 南京信息工程大学学报, 2024, 16(1): 56-65.
    [15] 朱博, 刘雪芹, 王宇珲, 等. 基于EMD-LSTM-Attention的锂离子电池SOC预测[J]. 电源学报: 1-12.
    [16] 张青, 赵洪利, 杨佳强. 基于CNN-BiLSTM的航空发动机滑油流量故障诊断预测方法研究[J]. 内燃机与配件, 2024(8): 84-87.
    相似文献
    引证文献
    网友评论
    网友评论
    分享到微博
    发 布
引用本文

李习龙,张涌,张伟,赵奉奎.基于健康因子和CNN-BiLSTM的锂离子电池健康状态预测[J].南京信息工程大学学报,,():

复制
分享
文章指标
  • 点击次数:108
  • 下载次数: 0
  • HTML阅读次数: 0
  • 引用次数: 0
历史
  • 收稿日期:2024-05-14
  • 最后修改日期:2024-07-13
  • 录用日期:2024-07-16

地址:江苏省南京市宁六路219号    邮编:210044

联系电话:025-58731025    E-mail:nxdxb@nuist.edu.cn

南京信息工程大学学报 ® 2025 版权所有  技术支持:北京勤云科技发展有限公司