基于ga和arma模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開(kāi)了基于GA和ARMA模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，涉及鋰 離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋰離子電池是一種可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的儲(chǔ)能裝置。和鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄 電池等其他二次電池相比，它有著能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、電池漏電率低、可大電流快速 充電、工作電壓高、工作范圍廣、成本低、無(wú)污染等諸多優(yōu)勢(shì)。憑借這些優(yōu)勢(shì)，鋰離子電池已 經(jīng)在各種便攜式信息處理終端、電動(dòng)汽車(chē)、軍事、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鋰離 子電池的退化趨勢(shì)可以從其重復(fù)放電循環(huán)的容量衰減趨勢(shì)體現(xiàn)出來(lái)。容量是指電池在全充 狀態(tài)下能夠保持的電荷量。對(duì)于絕大多數(shù)應(yīng)用而言，電池失效是指電池的容量低于其額定 容量的80%。這時(shí)候，我們認(rèn)為電池變得不再可靠，需要被更換。因?yàn)楫?dāng)電池容量到達(dá)失效 閾值時(shí)，其容量往往會(huì)呈指數(shù)式衰減。電池失效有可能導(dǎo)致操作失效、設(shè)備停工，甚至災(zāi)難 性的后果。一個(gè)典型的實(shí)例就是2006年11月，美國(guó)航空航天局發(fā)射的火星環(huán)球探測(cè)器在 運(yùn)行過(guò)程中發(fā)出錯(cuò)誤指令，命令太陽(yáng)能電池板動(dòng)作使之朝向太陽(yáng)，該指令執(zhí)行時(shí)沒(méi)有考慮 供電鋰離子電池的性能狀態(tài)，使其過(guò)放電、溫度過(guò)高失去了再充電能力，導(dǎo)致整個(gè)探測(cè)器系 統(tǒng)喪失了電力供應(yīng)而失去聯(lián)系。
[0003]預(yù)測(cè)和健康管理（Prognosticsandhealthmanagement，PHM)是一門(mén)融合了各種 技術(shù)和方法的學(xué)科，它評(píng)價(jià)了某種產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中的可靠性，并提前預(yù)報(bào)系統(tǒng)故障 和化解系統(tǒng)危險(xiǎn)。電池的PHM主要有兩種方法：物理模型以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)?；谖锢砟Ｐ偷?預(yù)測(cè)方法利用電池使用過(guò)程中的負(fù)載條件、材料特性和失效機(jī)制的知識(shí)來(lái)估計(jì)電池的剩余 使用壽命?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)方法是從例如電流、電壓、充放電時(shí)間和阻抗等性能數(shù)據(jù)中 提取出特征值，再利用統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)追蹤電池性能的退化趨勢(shì)并估計(jì)其剩余使用 壽命。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法不需要具體的關(guān)于材料特性，組織結(jié)構(gòu)或失效機(jī)制方面的知識(shí)，并且 避免了開(kāi)發(fā)高階的系統(tǒng)物理模型，因此，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法比起物理模型的方法來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)單 得多。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法能夠?qū)W習(xí)特性數(shù)據(jù)中體現(xiàn)出來(lái)的電池性能退化趨勢(shì)，從而預(yù)測(cè)電池 的剩余使用壽命。目前，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法已成為研究熱點(diǎn)?；?于自回歸滑動(dòng)平均模型的電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法是一種典型的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè) 方法，基于ARMA模型的電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法只需要單節(jié)電池的前幾十個(gè)周期的容 量衰減數(shù)據(jù)就能實(shí)現(xiàn)電池剩余使用壽命的預(yù)測(cè)，所用樣本數(shù)據(jù)量少，但是ARMA模型建模過(guò) 程中，通常使用BoxJenkins定階法（簡(jiǎn)稱(chēng)BJ定階法）確定ARMA模型的階數(shù)，BJ定階方 法存在著定階流程復(fù)雜，定階過(guò)程存在一定的主觀性，導(dǎo)致預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較差的問(wèn)題。BJ定階 法是首先通過(guò)繪制平穩(wěn)時(shí)間序列的自相關(guān)函數(shù)圖和偏自相關(guān)函數(shù)圖，判斷自相關(guān)函數(shù)和偏 自相關(guān)函數(shù)的拖尾數(shù)和截尾數(shù)，大致判斷出ARMA模型的階數(shù)的取值范圍，再借助赤池信息 準(zhǔn)則（AkaikeInformationCriterion，AIC)或貝葉斯信息準(zhǔn)則（BayesianInformation Criterion，BIC)進(jìn)一步確定ARMA模型的最優(yōu)階數(shù)，然后采用最小二乘法或極大似然估計(jì) 法估計(jì)ARM模型的參數(shù)，最后對(duì)模型中參數(shù)的顯著性、擬合度等進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，檢驗(yàn)通 過(guò)的模型才能用于預(yù)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于遺傳算法（GeneticAlgorithms,GA)和 自回歸滑動(dòng)平均（AutoRegressiveandMovingAverage，ARMA)模型的鋰離子電池剩余使 用壽命預(yù)測(cè)方法。
[0005] 本發(fā)明所述的基于GA和ARMA模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法采用如下 步驟：
[0006] 步驟1，監(jiān)測(cè)鋰離子電池的各項(xiàng)物理參數(shù)（端電壓、電流、放電時(shí)間等），獲得電池 歷史和當(dāng)前容量數(shù)據(jù)；
[0007] 步驟2,對(duì)步驟1中獲取的鋰離子電池歷史和當(dāng)前容量數(shù)據(jù)序列進(jìn)行平穩(wěn)性分析， 若序列非平穩(wěn)，對(duì)序列進(jìn)行d次差分處理，直至序列平穩(wěn)，得到平穩(wěn)序列（Xi,t= 1，2,…， n}；
[0008] 步驟3,使用ARM(p，q)模型擬合從步驟2中獲取的平穩(wěn)數(shù)據(jù)序列，其中，利用遺 傳算法獲取ARMA(p，q)模型中階數(shù)p和q的最優(yōu)取值和q
[0009] 步驟4,估計(jì)最優(yōu)階數(shù)ARM(pe，qe)模型中的參數(shù)；
[0010] 步驟5,利用步驟4建立的最優(yōu)階數(shù)ARM(pe，qe)模型向后預(yù)測(cè)h步，若原始監(jiān)測(cè) 的歷史和當(dāng)前容量數(shù)據(jù)序列是非平穩(wěn)的，需要對(duì)模型輸出的預(yù)測(cè)值進(jìn)行d次反差分處理， 得到電池容量的預(yù)測(cè)值，當(dāng)電池容量的預(yù)測(cè)值到達(dá)失效閾值時(shí)，判定電池的剩余使用壽命。
[0011] 在本發(fā)明所述的方法中，所述預(yù)測(cè)容量值是呈下降趨勢(shì)的，上述方法中所述的"到 達(dá)"是指所述預(yù)測(cè)容量值在下降過(guò)程中從大于失效閾值剛好變成小于失效閾值的情況。
[0012] 本發(fā)明所述的失效閾值是指鋰離子電池額定容量的80%。
[0013] 本發(fā)明所述的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法的流程如圖1所示。首先，該方 法根據(jù)鋰離子電池歷史和當(dāng)前容量數(shù)據(jù)序列的特點(diǎn)，判斷序列的平穩(wěn)性，若序列非平穩(wěn)，對(duì) 序列進(jìn)行d次差分處理直至序列平穩(wěn)；然后，通過(guò)遺傳算法獲取ARMA模型中p和q的最優(yōu) 取值，并估計(jì)最優(yōu)ARMA模型的參數(shù)；最后，基于建立的最優(yōu)ARMA模型預(yù)測(cè)鋰離子電池未來(lái) 容量變化，直到電池容量降至失效閾值得到鋰離子電池剩余使用壽命的預(yù)測(cè)值。
[0014] 本發(fā)明所述的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法針對(duì)ARMA模型的定階問(wèn)題，采 用了遺傳算法，有效地確定了ARM模型的最優(yōu)階數(shù)，與一般的BJ定階法確定ARM模型階 數(shù)的方法比較，發(fā)現(xiàn)其有效簡(jiǎn)化了定階流程，提高了模型的預(yù)測(cè)精度。
[0015] 本發(fā)明所述的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，經(jīng)過(guò)利用NASA公開(kāi)發(fā)布的鋰 離子電池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，證明本發(fā)明所述的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法可以很 好地滿足鋰離子電池剩余使用壽命的預(yù)測(cè)要求。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為基于GA和ARM模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法的流程示意圖。
[0017] 圖2為B0005電池前70個(gè)周期的容量觀測(cè)數(shù)據(jù)。
[0018] 圖3為B0005電池容量觀測(cè)數(shù)據(jù)的一次差分圖。
[0019] 圖4為遺傳算法定階的ARM(8,10)模型預(yù)測(cè)結(jié)果。
[0020] 圖5為BJ定階法定階的ARMA(1，1)模型預(yù)測(cè)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0021] 一：本實(shí)施方式是結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0022] 基于GA和ARMA模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法包括以下步驟：
[0023] 步驟1，監(jiān)測(cè)鋰離子電池的各項(xiàng)物理參數(shù)（端電壓、電流、放電時(shí)間等），獲得電池 歷史和當(dāng)前容量數(shù)據(jù)；
[0024] 步驟1具體過(guò)程如下：
[0025] 監(jiān)測(cè)過(guò)程為將新出廠的鋰離子電池先充滿電，再放空電，重復(fù)進(jìn)行充放電k次，在 線監(jiān)測(cè)每一次放電過(guò)程中電池端電壓V、電流i和放電時(shí)間t，鋰離子電池容量的計(jì)算公式 如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于GA和ARM模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步 驟： 步驟1，監(jiān)測(cè)鋰離子電池的各項(xiàng)物理參數(shù)（端電壓、電流、放電時(shí)間等），獲得電池歷史 和當(dāng)前容量數(shù)據(jù)； 步驟2,對(duì)步驟1中獲取的鋰離子電池歷史和當(dāng)前容量數(shù)據(jù)序列進(jìn)行平穩(wěn)性分析，若序 列非平穩(wěn)，對(duì)序列進(jìn)行d次差分處理，直至序列平穩(wěn)； 步驟3,使用ARMA(p，q)模型擬合從步驟2中獲取的平穩(wěn)數(shù)據(jù)序列，其中，利用遺傳算 法獲取ARMA(p，q)模型中階數(shù)p和q的最優(yōu)取值pJP q 步驟4,估計(jì)最優(yōu)階數(shù)ARM (pe，qj模型中的參數(shù)； 步驟5,利用步驟4建立的最優(yōu)階數(shù)ARM(pe，qj模型向后預(yù)測(cè)h步，若原始?xì)v史和當(dāng) 前容量數(shù)據(jù)序列是非平穩(wěn)的，需要對(duì)模型輸出的預(yù)測(cè)值進(jìn)行d次反差分處理，得到電池容 量的預(yù)測(cè)值，當(dāng)電池容量的預(yù)測(cè)值到達(dá)失效閾值時(shí)，判定電池的剩余使用壽命。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GA和ARMA模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法， 其特征在于，所述步驟1中，電池容量的計(jì)算公式如下：
式中：C為電池容量；i為放電電流；t為電池從滿充狀態(tài)放電至最小截止電壓時(shí)的放 電時(shí)間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GA和ARMA模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法， 其特征在于，所述步驟2中，差分運(yùn)算的計(jì)算公式如下： H (η) =Υ(η)-Υ(η-1) 式中：Y(η)為數(shù)據(jù)序列中的第η個(gè)元素 ，η = 2,…，N ;Ν為數(shù)據(jù)序列的元素個(gè)數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GA和ARMA模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法， 其特征在于，所述步驟2中，數(shù)據(jù)序列的平穩(wěn)性分析采用觀察法，即通過(guò)觀察數(shù)據(jù)序列散點(diǎn) 圖是否存在逐漸增大、逐漸減小或周期性變化的趨勢(shì)來(lái)判斷數(shù)據(jù)序列的平穩(wěn)性。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GA和ARMA模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法， 其特征在于，所使用的ARMA (p，q)模型具有如下表現(xiàn)形式：
式中：{Xt，t = 1，2, ···，!!}是均值為零的平穩(wěn)數(shù)據(jù)序列；= …，P}是自回歸系 數(shù)；P是自回歸項(xiàng)數(shù)；{Θ」，j = 1，2,…，q}是滑動(dòng)平均系數(shù)；q是滑動(dòng)平均項(xiàng)數(shù)；et是均 值為零、方差為4的平穩(wěn)白噪聲。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GA和ARMA模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法， 其特征在于，所述步驟5中，失效閾值是指電池額定容量的80 %。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于GA和ARMA模型的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，涉及鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。首先，該方法根據(jù)鋰離子電池歷史和當(dāng)前容量數(shù)據(jù)序列的特點(diǎn)，判斷序列的平穩(wěn)性，若序列非平穩(wěn)，對(duì)序列進(jìn)行d次差分處理直至序列平穩(wěn)；然后，通過(guò)遺傳算法獲取ARMA模型中p和q的最優(yōu)取值，并估計(jì)最優(yōu)ARMA模型的參數(shù)；最后，基于建立的最優(yōu)ARMA模型預(yù)測(cè)鋰離子電池剩余使用壽命。本發(fā)明所提出的方法能夠自適應(yīng)確定ARMA模型的階數(shù)，相較傳統(tǒng)的BJ定階法，簡(jiǎn)化了定階流程，提高了預(yù)測(cè)精度，且不需要大量的電池歷史容量數(shù)據(jù)，具有潛在的實(shí)際應(yīng)用能力。
【IPC分類(lèi)】G06F19-00, G06N3-12
【公開(kāi)號(hào)】CN104680024
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510108778
【發(fā)明人】陳則王, 李川江, 王友仁, 林華
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年3月11日