基于电化学阻抗谱的锂离子电池健康状态估计
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State of Health Estimation for Lithium-Ion Batteries Based on Electrochemical Impedance Spectroscopy
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收稿日期: 2025-05-13 修回日期: 2025-07-15
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Received: 2025-05-13 Revised: 2025-07-15
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作者简介 About authors
目的 锂离子电池作为电动汽车和储能系统的关键组件,其健康状态(state of health,SOH)的准确预测对于确保系统可靠性、延长电池寿命以及优化能源管理具有重要意义。然而,电池在实际运行时因受多因素影响而导致性能衰减。为此,提出一种基于电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)数据的高精度SOH预测方法。 方法 采用EIS数据进行实验,并利用线性Kramers-Kronig算法对EIS数据进行预处理。采用卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)、双向长短时记忆(bi-directional long short-term memory,BiLSTM)网络、注意力(Attention)组合模型作为预测模型,将EIS数据的阻抗实部、虚部和模值作为输入,利用CNN从中提取出重要特征,并结合BiLSTM网络模型来预测SOH。此外,通过加入Attention机制和Dropout算法来优化模型。 结果 通过不同温度下锂离子电池SOH预测及与CNN-BiLSTM、BiLSTM模型的对比表明,CNN-BiLSTM-Attention模型在25、35、45 ℃时SOH预测效果更优,精度较2个模型分别提升了46.1%和77.9%。 结论 基于EIS数据的SOH预测是可行的,CNN-BiLSTM-Attention组合模型能够实现锂离子电池SOH的精准、高效预测,具有较强的实用性。
关键词:
Objectives Lithium-ion batteries, as key components in electric vehicles and energy storage systems, require accurate prediction of their state of health (SOH) to ensure system reliability, extend battery life, and optimize energy management. However, in actual operation, the performance of batteries deteriorates due to multiple factors. Therefore, a high-precision SOH prediction method based on electrochemical impedance spectroscopy (EIS) data is proposed. Methods Experiments are conducted using EIS data, and the linear Kramers-Kronig algorithm is employed to preprocess the EIS data. A convolutional neural network (CNN), bi-directional long short-term memory (BiLSTM) network, and an attention-based combination model are adopted as prediction models. The real part, imaginary part, and magnitude of the impedance from the EIS data are used as inputs. CNN is utilized to extract important features, which are then integrated with the BiLSTM network model to predict the SOH. Additionally, the Attention mechanism and Dropout algorithm are applied to optimize the model. Results The prediction of SOH of lithium-ion batteries at different temperatures and the comparison with the CNN-BiLSTM and BiLSTM models show that the CNN-BiLSTM-Attention model has better SOH prediction effects at 25, 35, and 45 ℃, with accuracy improvements of 46.1% and 77.9% respectively compared to the two models. Conclusions SOH prediction based on EIS data is feasible. The CNN-BiLSTM-Attention combination model is able to achieve accurate and efficient prediction of the SOH of lithium-ion batteries, demonstrating strong practicality.
Keywords:
本文引用格式
史宏思, 孙新伟, 王凯.
SHI Hongsi, SUN Xinwei, WANG Kai.
0 引言
基于此,本文利用EIS数据,采用卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)自动提取阻抗数据的特征,然后将提取的特征输入到双向长短时记忆(bi-directional long short-term memory,BiLSTM)网络中,并采用注意力(Attention)机制优化BiLSTM网络。通过对不同温度下锂离子电池的SOH进行预测,并与其他模型的结果进行对比分析,验证EIS数据在SOH估计中的有效性,以及CNN-BiLSTM-Attention组合模型在SOH估计中的实用性。
1 EIS原理及其数据预处理
1.1 EIS原理简介
在给定特定频率的正弦电流I的作用下,电池两端会产生相应的电压降V。电池阻抗值可表示为
式中:
图1
1.2 EIS数据预处理
本文采用目前国内外阻抗研究领域最大的数据集[21],阻抗数据满足Kramers-Kronig (K-K)关系。通过积分计算得到的阻抗实部
式中:
通过式(
针对这一问题,Schönleber等[22]提出线性K-K(Lin-KK)方法,其不直接运用式(
拟合等效电路的阻抗表达式如下:
式中:
最小时间常数
式中
时间常数
为合理地判断被测量的EIS数据与ECM之间的相关性,采用拟合残差作为判断依据,其实部、虚部分别表示如下:
式中:
Lin-KK测试中RC元件数量选择至关重要。为了更准确地量化在ECM中RC元件的适宜数量,引入度量值
式中:
在本文中,设计参数c的取值对实验结果具有显著影响,特别是在c=0.85时,获得了较为理想的实验效果。为深入探究不同条件下锂离子电池的阻抗特性,利用Lin-KK方法对在多种温度和SOC条件下的6块锂离子电池进行了直至其寿命终止的循环阻抗测试,计算出每块电池所有循环次数的阻抗实部和虚部残差,然后取平均值。
图2为不同状态下的阻抗实、虚部残差,可以看出,6块电池全部循环次数的平均残差都是在100%SOC时最小,明显低于其他2个状态,说明100%SOC的阻抗数据更接近真实值,所以选择100%SOC的阻抗数据作为SOH预测的数据基础。
图2
图2
不同状态下的阻抗实部和虚部残差
Fig. 2
Real and imaginary part residuals of impedance under different conditions
2 模型结构
2.1 神经网络
2.1.1 CNN
2.1.2 长短时记忆神经网络
2.1.3 BiLSTM神经网络
BiLSTM输出过程如下:
式中: xi (i=1, 2,…, t)表示输入数据; Ai 和 Bi 分别表示向前和向后迭代的LSTM隐藏状态; Yi 表示输出数据;
2.2 深度学习机制
2.2.1 Attention机制
Attention机制中信息权重选择依赖于注意力值[30]。其计算包含2个主要步骤:1)针对所有输入分配注意力;2)计算输入信息加权平均,实现信息精准处理。
注意力状态转换过程如下:
式中:
2.2.2 Dropout
模型训练中,Dropout 随机失活神经元可能丢失关键信息,削弱网络预估能力[33]。为此,本文提出融合Dropout与注意力权重机制的新策略:根据神经元权重调整失活概率,降低高注意力权重神经元的失活概率,以最大化保留对预测结果至关重要的神经元。
2.3 CNN-BiLSTM-Attention预测模型结构
基于EIS预测SOH的CNN-BiLSTM-Attention模型结构如图3所示。一维CNN参数设置如下:2个卷积层,2个池化层,32个卷积滤波器,卷积核大小为3,最大池化层大小为2,激活函数为Relu。BiLSTM参数设置如下:1层BiLSTM,128个神经元,激活函数为Selu。
图3
图3
基于EIS预测SOH的CNN-BiLSTM-Attention模型结构
Fig. 3
Structure of CNN-BiLSTM-Attention model for SOH prediction based on EIS
预测模型由一维CNN、BiLSTM神经网络和注意力机制3部分构成。首先,输入层预处理阻抗数据;其次,CNN自动提取EIS的有效非线性局部特征;再次,利用BiLSTM学习CNN提取的高级特征与SOH之间的非线性映射关系;最后,BiLSTM自动学习并关注对SOH估计最有影响的特征,从而提高模型对EIS数据的利用效率和SOH预测性能。由于训练数据数量较少,容易出现过拟合,因此通过增加Dropout层来防止过拟合。
3 实验设计
为验证EIS估计SOH的有效性与CNN-BiLSTM-Attention模型的预测能力,首先将数据集划分为以下工况:1)25 ℃工况下,25C05、25C06、25C07和25C08电池作为训练集,25C01、25C02、25C03和25C04电池作为测试集;2)35 ℃工况下,35C01电池作为训练集,35C02电池作为测试集;3)45 ℃工况下,45C01电池作为训练集,45C02电池作为测试集。然后,对模型进行训练,并保存训练好的模型,用于预测SOH。最后,采用35C01和45C01电池,通过划分不同比例的训练集和测试集来验证泛化能力。预测流程如图4所示,训练模型的参数设置如下:损失函数为Mse,优化器为Adam,批处理大小为32,学习率为0.01,迭代次数为500。
图4
4 SOH预测结果与分析
4.1 CNN-BiLSTM-Attention模型的预测结果
图5
图5
CNN-BiLSTM-Attention模型SOH预测结果及误差
Fig. 5
SOH prediction results and errors of CNN-BiLSTM-Attention model
表1 CNN-BiLSTM-Attention的SOH预测评价指标
Tab. 1
| 温度/℃ | 电池 | RMSE | MAE | R2 |
|---|---|---|---|---|
| 25 | 25C01 | 0.009 2 | 0.007 6 | 0.991 7 |
| 25C02 | 0.036 7 | 0.028 8 | 0.943 8 | |
| 25C03 | 0.011 9 | 0.018 2 | 0.981 9 | |
| 25C04 | 0.027 7 | 0.018 6 | 0.969 5 | |
| 35 | 35C02 | 0.036 8 | 0.039 7 | 0.917 6 |
| 45 | 45C02 | 0.011 1 | 0.008 6 | 0.998 1 |
从图5可以看出,CNN-BiLSTM-Attention模型在3个不同温度条件下的SOH预测结果均表现出色;预测误差紧密围绕零点波动,一致性好,且曲线波动幅度较小,显示出高稳定性。此外,考虑到电池在充放电及静置过程中受容量再生现象的影响,网络模型在特征提取时可能受到噪声干扰,这对SOH的预测精度造成影响。但该模型在此方面具有有效的追踪能力,能成功应对噪声对预测精度的影响。
从表1可以看出,各温度下预测结果的RMSE、MAE均小于0.04,R2值均保持在0.9以上,说明模型精度高、性能优。因此,利用电化学阻抗数据预测SOH有效可行,且CNN-BiLSTM-Attention模型在时序预测中优势显著。
4.2 模型对比分析
为了更深入地验证CNN-BiLSTM-Attention模型在锂电池SOH预测方面的性能,本文设计了相应的对比实验。在实验中,所有模型采用相同的训练和测试数据集,并将CNN-BiLSTM-Attention模型与CNN-BiLSTM、BiLSTM模型的预测结果进行对比,如图6所示。可以看出,3个模型中,BiLSTM模型的预测效果最差。CNN-BiLSTM模型与BiLSTM相比具有更好的拟合性,这是由于CNN能够更好地提取数据的重要特征。而CNN-BiLSTM-Attention模型引入了Attention机制,自动为BiLSTM隐藏层状态分配相应权重,以区分不同时间EIS序列的重要性,使预测值与真实值最接近。
图6
图6
不同模型SOH预测结果对比
Fig. 6
Comparison of SOH prediction results from different models
表2为各模型的SOH预测评价指标,通过对比可以看出,CNN-BiLSTM-Attention模型的RMSE、MAE均最小,R2值最大,表明该模型对SOH预测效果最好。
表2 各模型的SOH预测评价指标
Tab. 2
| 模型 | 电池 | RMSE | MAE | R2 |
|---|---|---|---|---|
| BiLSTM | 25C01 | 0.074 1 | 0.035 9 | 0.857 6 |
| 25C02 | 0.092 9 | 0.081 1 | 0.776 9 | |
| 25C03 | 0.080 8 | 0.026 3 | 0.735 2 | |
| 25C04 | 0.080 5 | 0.040 1 | 0.718 1 | |
| 35C02 | 0.094 2 | 0.064 4 | 0.790 4 | |
| 45C02 | 0.182 1 | 0.151 4 | 0.512 9 | |
| CNN-BiLSTM | 25C01 | 0.022 8 | 0.015 7 | 0.957 3 |
| 25C02 | 0.043 2 | 0.035 8 | 0.951 6 | |
| 25C03 | 0.021 5 | 0.015 1 | 0.967 0 | |
| 25C04 | 0.065 2 | 0.033 0 | 0.826 4 | |
| 35C02 | 0.056 0 | 0.040 9 | 0.925 7 | |
| 45C02 | 0.039 0 | 0.031 2 | 0.957 6 | |
| CNN-BiLSTM-Attention | 25C01 | 0.009 2 | 0.007 6 | 0.991 7 |
| 25C02 | 0.036 7 | 0.028 8 | 0.965 1 | |
| 25C03 | 0.011 9 | 0.008 2 | 0.989 9 | |
| 25C04 | 0.027 7 | 0.018 7 | 0.969 5 | |
| 35C02 | 0.036 8 | 0.029 7 | 0.967 8 | |
| 45C02 | 0.011 1 | 0.008 6 | 0.998 1 |
4.3 泛化性能验证
图7
表3 2块电池SOH预测评价指标
Tab. 3
| 电池 | 训练集比例/% | RMSE | MAE | R2 |
|---|---|---|---|---|
| 35C01 | 50 | 0.036 8 | 0.031 8 | 0.841 1 |
| 60 | 0.021 5 | 0.018 9 | 0.914 8 | |
| 80 | 0.007 8 | 0.006 9 | 0.960 4 | |
| 45C01 | 50 | 0.026 8 | 0.019 6 | 0.949 9 |
| 60 | 0.018 5 | 0.013 6 | 0.965 6 | |
| 80 | 0.006 6 | 0.005 4 | 0.983 4 |
5 结论
基于锂离子电池EIS数据,采用组合模型CNN-BiLSTM-Attention进行SOH预测,得到如下结论:
1)基于EIS数据的锂离子电池SOH预测是有效可行的,采用线性K-K方法对阻抗数据进行预处理,可以保证EIS数据的有效性。
2)CNN能够自动处理阻抗数据并提取特征,可以有效解决人工提取特征时对于重要特征的疏漏问题。Attention机制能够对BiLSTM预测模型进行优化,提高预测精度。
3)CNN-BiLSTM-Attention模型能够精准、高效预测锂离子电池SOH,预测精度比CNN-BiLSTM和BiLSTM模型分别提高了46.1%和77.9%,具有较强的实用性。
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