基于Bi-LSTM-Dropout的蓄電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法

黃曉智 張華明 黃藝航 許志杰

本文引用格式：黃曉智，張華明，黃藝航，等.基于Bi-LSTM-Dropout的蓄電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法[J].自動(dòng)化與信息工程， 2024，45（1）：42-46;60.

HUANG Xiaozhi， ZHANG Huaming， HUANG Yihang， et al. Prediction method of battery remaining useful life based on Bi-LSTM-dropout[J]. Automation & Information Engineering， 2024，45（1）：42-46;60.

摘要：蓄電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)對(duì)能源的安全性和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。該文提出一種蓄電池剩余使用壽命的預(yù)測(cè)方法，利用蓄電池的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和充放電周期，構(gòu)建Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型。利用Bi-LSTM提取時(shí)間序列中蓄電池長(zhǎng)期依賴的特征，采用Dropout優(yōu)化算法降低Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜度，提高模型的泛化能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在測(cè)試集上的準(zhǔn)確率達(dá)96.2%，實(shí)現(xiàn)了蓄電池剩余使用壽命的精確預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：蓄電池；剩余使用壽命預(yù)測(cè)；Bi-LSTM；Dropout優(yōu)化算法

中圖分類號(hào)：TM912? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-2605（2024）01-0007-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2024.01.007

Prediction Method of Battery Remaining Useful Life? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Based on Bi-LSTM-Dropout

HUANG Xiaozhi1? ZHANG Huaming2? HUANG Yihang1? XU Zhijie1

（1.School of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China

2.School of Advanced Manufacturing Guangdong University of Technology， Jieyang 522000， China）

Abstract： The prediction of the remaining useful life of battery is crucial for the safety and sustainable development of energy. This article proposes a prediction method for the remaining useful life of battery， using historical operating data and charging and discharging cycles of battery to construct a Bi-LSTM-Dropout network model. Using Bi-LSTM to extract long-term dependent features of battery in time series， using Dropout optimization algorithm to reduce the complexity of Bi LSTM network model and improve its generalization ability. The experimental results show that the accuracy of this method on the test set reaches 96.2%， achieving accurate prediction of the remaining useful life of the battery.

Keywords： battery; remaining useful life; Bi-LSTM; dropout optimization algorithm

0 引言

蓄電池組作為變電站直流電源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，在交流電源發(fā)生斷電時(shí)，能為重要負(fù)載設(shè)備提供不間斷的直流供電保障[1]。目前，變電站的通信用蓄電池每年都要進(jìn)行充放電核容和激活，需要耗費(fèi)2人3日的工作量[2]。且僅依賴人工使用放電儀表進(jìn)行核容，無(wú)法準(zhǔn)確地掌握蓄電池的健康情況[3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蓄電池剩余使用壽命（re-

maining useful life， RUL）預(yù)測(cè)進(jìn)行了大量的研究，主要方法包括基于物理模型法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法[4]?；谖锢砟Ｐ头ㄍㄟ^(guò)研究電池的內(nèi)部狀態(tài)，結(jié)合相關(guān)算法預(yù)測(cè)電池RUL[5]。文獻(xiàn)[6]利用簡(jiǎn)化的電化學(xué)模型和雙非線性濾波器，結(jié)合電池的荷電狀態(tài)（state of charge， SOC）和健康狀態(tài)（state of health， SOH）估計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)電池RUL的預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[7]基于固體電解質(zhì)界面副反應(yīng)建立電化學(xué)-熱耦合模型，能有效地模擬固體

電解質(zhì)界面副反應(yīng)對(duì)鋰電池容量衰減的影響。但基于物理模型法預(yù)測(cè)蓄電池RUL存在建模過(guò)程復(fù)雜、成本高等問(wèn)題?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法通過(guò)蓄電池的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)學(xué)習(xí)規(guī)律，以適應(yīng)不同條件的電池工況，能夠快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)蓄電池RUL。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法主要包括深度學(xué)習(xí)、支持向量機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法。QU[8]等利用長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)和注意力機(jī)制建模，同時(shí)引入粒子群優(yōu)化算法，對(duì)鋰電池RUL進(jìn)行預(yù)測(cè)，SOH進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該模型的均方根誤差為3.62%，實(shí)現(xiàn)了鋰電池RUL的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。REN等[9]結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)鋰電池RUL，采集鋰電池實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，預(yù)測(cè)結(jié)果的均方根誤差為4.80%。但基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法存在數(shù)據(jù)樣本較少的問(wèn)題，導(dǎo)致模型容易出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象，降低網(wǎng)絡(luò)模型性能。

本文采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法來(lái)預(yù)測(cè)蓄電池RUL，提出一種融合雙向長(zhǎng)短時(shí)記憶（bi-directional long short-term memory， Bi-LSTM）網(wǎng)絡(luò)與Dropout優(yōu)化算法的蓄電池RUL預(yù)測(cè)方法。通過(guò)蓄電池歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和充放電周期，建立Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型，利用Bi-LSTM提取時(shí)間序列中蓄電池長(zhǎng)期依賴的特征，同時(shí)引入Dropout優(yōu)化算法提高Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)模型的泛化能力，實(shí)現(xiàn)蓄電池RUL的精確預(yù)測(cè)。

1 模型原理

1.1 Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)

Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)包含2個(gè)LSTM單元：一個(gè)LSTM單元按時(shí)間序列的正向順序處理輸入數(shù)據(jù)；另一個(gè)LSTM單元按時(shí)間序列的逆序處理輸入數(shù)據(jù)。Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

這種雙向處理數(shù)據(jù)的方式使Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)利用過(guò)去和未來(lái)的數(shù)據(jù)，提高了對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)能力[10]。

LSTM單元主要由遺忘門、記憶門和輸出門組成，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。通過(guò)這些門的配合，LSTM能選擇性地遺忘歷史信息、保留輸入信息，輸出需要的信息[11]。

1.2 Dropout優(yōu)化算法

Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)隨著網(wǎng)絡(luò)層數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。此外，變電站蓄電池組長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，運(yùn)行周期長(zhǎng)，可獲得的蓄電池樣本數(shù)據(jù)較少[12]，導(dǎo)致Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)模型易產(chǎn)生過(guò)擬合現(xiàn)象。為此，本文引入Dropout優(yōu)化算法，提升Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)模型的泛化性能。Dropout優(yōu)化算法示意圖如圖3所示。

Dropout優(yōu)化算法在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程中，按丟棄概率屏蔽部分神經(jīng)元的輸出，減少模型的復(fù)雜度，避免陷入局部最優(yōu)解，從而防止模型過(guò)擬合。

定義神經(jīng)元i在第t時(shí)刻的連接強(qiáng)度計(jì)算公式為

（1）

式中：為神經(jīng)元i與神經(jīng)元j的權(quán)重，為神經(jīng)元j在第t次迭代的激活狀態(tài)，激活狀態(tài)更新公式為

（2）

式中：為丟棄概率，x為神經(jīng)元輸入，為概率閾值。

當(dāng)大于概率閾值時(shí)，該神經(jīng)元在本次迭代中不激活，否則該神經(jīng)元以輸入x/（1-）作為激活狀態(tài)。

2 Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 模型結(jié)構(gòu)

Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型采用基于序列模型端到端的架構(gòu)，主要由輸入層、隱藏層、全連接層和輸出層組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

第一層為輸入層，以蓄電池歷史使用數(shù)據(jù)和充放電周期為輸入序列，輸入維度為input_size，表示每個(gè)時(shí)間步的輸入特征維度。

第二層由4層Bi-LSTM-Dropout層組成，利用該網(wǎng)絡(luò)層對(duì)第一層的輸入序列分別進(jìn)行前向和后向的特征提取，得到前向和后向LSTM的特征輸出，包括蓄電池的電壓、電流、溫度、充放電周期等數(shù)據(jù)。將兩個(gè)方向LSTM學(xué)習(xí)到的特征表示進(jìn)行拼接，融合前向、后向的上下文信息。在每層Bi-LSTM之間引入

Dropout，按照丟棄概率使網(wǎng)絡(luò)層中一些神經(jīng)元的輸出為0，防止模型過(guò)擬合。

第三層為全連接層，其將Bi-LSTM-Dropout層的神經(jīng)元輸出連接到本層的每個(gè)神經(jīng)元，作為回歸分類器，用于預(yù)測(cè)連續(xù)的蓄電池RUL。

最后一層為輸出層，輸出經(jīng)過(guò)全連接層處理后的蓄電池RUL預(yù)測(cè)值，其維度為1。

2.2 網(wǎng)絡(luò)建模過(guò)程

Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型建模過(guò)程如圖5所示。

Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型建模步驟如下：

1） 獲取數(shù)據(jù)樣本，在公開(kāi)數(shù)據(jù)集（NASA鋰電池?cái)?shù)據(jù)集）中提取蓄電池的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括充放電的電壓、電流和溫度）和充放電周期等數(shù)據(jù)；

2） 劃分?jǐn)?shù)據(jù)集，將獲取的數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集；

3） 訓(xùn)練Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，使模型對(duì)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)的擬合度不斷提高，從而減小訓(xùn)練集的損失函數(shù)值；設(shè)置Dropout丟棄概率，丟棄部分神經(jīng)元，減小過(guò)擬合現(xiàn)象；

4） 調(diào)整模型參數(shù)：通過(guò)損失函數(shù)、準(zhǔn)確率等判斷Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型的性能是否達(dá)到最優(yōu)，如果是則進(jìn)入下一步，否則更新Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型中的神經(jīng)元狀態(tài)和參數(shù)，重新訓(xùn)練模型；

5） 模型預(yù)測(cè)效果：通過(guò)均方根誤差、平均絕對(duì)誤差和準(zhǔn)確率在測(cè)試集上對(duì)Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型效果進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估模型的預(yù)測(cè)能力。

通過(guò)循環(huán)迭代訓(xùn)練、調(diào)參等步驟，可獲得性能最優(yōu)的Bi-LSTM-Dropout的網(wǎng)絡(luò)模型。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要來(lái)自NASA Ames Prognostics數(shù)據(jù)中心的鋰電池?cái)?shù)據(jù)集，選擇數(shù)據(jù)集中的B0005、B0006、B0007和B0018號(hào)4個(gè)鋰電池作為研究對(duì)象。在室溫24 ℃下測(cè)量鋰電池的充放電的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)。當(dāng)鋰電池的剩余容量降至額定容量的70%時(shí)，定義該鋰電池達(dá)到失效閾值。將該數(shù)據(jù)集前95個(gè)循環(huán)次數(shù)的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，其余循環(huán)次數(shù)數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，用該數(shù)據(jù)集驗(yàn)證Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)鋰電池RUL的效果。

B0005、B0006、B0007和B0018號(hào)鋰電池的容量變化趨勢(shì)如圖6所示。

鋰電池歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括充放電的電壓、電流和溫度）和充放電周期（循環(huán)次數(shù)）作為Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，鋰電池實(shí)際容量作為模型輸出。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置如下：操作系統(tǒng)為Window 11專業(yè)版，處理器為intel i7-12700KF，獨(dú)立顯卡為RTX 3080 12 GB圖形處理器，內(nèi)存為64 GB DDR5 3600 MHz，算力為29.77 TFLOPS。在Jupyter notebook中基于TensorFlow框架構(gòu)建Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型，并進(jìn)行模型訓(xùn)練。Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

由表1可知：輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)5表示輸入的時(shí)間步數(shù)；隱藏層包含4層Bi-LSTM和1個(gè)全連接層，其中Bi-LSTM節(jié)點(diǎn)數(shù)為650個(gè)，全連接層節(jié)點(diǎn)數(shù)為50個(gè)；輸出層輸出鋰電池的實(shí)際容量，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1個(gè)；設(shè)置學(xué)習(xí)率為0.001，迭代次數(shù)為500次（epoch=500），批大小為25；為防止過(guò)擬合，Dropout的丟棄概率為0.3；選擇Adam優(yōu)化器來(lái)調(diào)整模型參數(shù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)選取均方根誤差（root mean square error， RMSE）、平均絕對(duì)誤差（mean absolute error， MAE）和準(zhǔn)確率（accuracy，ACC）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，RMSE反映電池預(yù)測(cè)RUL與真實(shí)RUL偏差的程度；MAE反映電池預(yù)測(cè)RUL與真實(shí)RUL差值的平均值；ACC反映模型正確預(yù)測(cè)電池RUL樣本數(shù)量占總樣本數(shù)量的比例。RMSE和MAE的值越小，表示預(yù)測(cè)精度越高；ACC越高，則表示與真實(shí)值越接近。計(jì)算公式為

（3）

（4）

式中：為樣本i的實(shí)際RUL， 為樣本i的預(yù)測(cè)RUL，n為樣本總數(shù)。

（5）

式中：TP為正確預(yù)測(cè)電池RUL的正樣本數(shù)量，TN為正確預(yù)測(cè)電池RUL的負(fù)樣本數(shù)量，S為總樣本數(shù)。

為驗(yàn)證Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)鋰電池RUL的效果，利用RNN、LSTM、Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)模型在測(cè)試集上進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知：Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型的RMSE和MAE值最小，且準(zhǔn)確率最高；相對(duì)于Bi-LSTM網(wǎng)絡(luò)模型，RMSE從4.8%下降到2.9%；相對(duì)于LSTM網(wǎng)絡(luò)模型，準(zhǔn)確率提高了2.5%。

RNN、LSTM、Bi-LSTM、Bi-LSTM-Dropout 4種網(wǎng)絡(luò)模型在B0006號(hào)鋰電池測(cè)試集上的預(yù)測(cè)效果如圖7所示。

由圖7可知，Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型的擬合效果最好。

4 結(jié)論

本文提出一種基于Bi-LSTM-Dropout的蓄電池RUL預(yù)測(cè)方法。通過(guò)提取蓄電池歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的特征，構(gòu)建Bi-LSTM模型，并采用Dropout算法進(jìn)行模型優(yōu)化，能夠有效提高蓄電池RUL預(yù)測(cè)的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比LSTM網(wǎng)絡(luò)模型，本文提出的Bi-LSTM-Dropout網(wǎng)絡(luò)模型可以降低RUL預(yù)測(cè)的RMSE和MAE，在測(cè)試集上的準(zhǔn)確率達(dá)96.2%。該方法基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)蓄電池使用壽命的預(yù)測(cè)，可輔助電站蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行維護(hù)。

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作者簡(jiǎn)介：

黃曉智，男，1999年生，在讀研究生，主要研究方向：智能測(cè)控。

張華明，男，1984年生，碩士研究生，高級(jí)工程師，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：智能測(cè)控。E-mail： inventor-1010@163.com

黃藝航，男，1999年生，在讀研究生，主要研究方向：智能測(cè)控。

許志杰，男，1999年生，在讀研究生，主要研究方向：智能測(cè)控。