王鐘毅，姬曉，左思

（1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710000；2.遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

前言

鋰離子電池因其工作電壓高、比能大、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)以及自放電率小等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于生活中的很多領(lǐng)域[1]。然而鋰離子電池在充放電過程中受到內(nèi)外界環(huán)境和不規(guī)范操作的影響，造成其逐漸老化，最終導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降與故障率的上升。因此，為了保證系統(tǒng)的可靠性與安全性，需要對(duì)鋰離子電池的健康狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)及預(yù)測(cè)，從而為工作人員維修決策及保養(yǎng)計(jì)劃提供指導(dǎo)。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是信號(hào)前向傳遞，誤差反向傳播。在前向傳遞中，輸入信號(hào)從輸入層經(jīng)隱含層逐層處理，直至輸出層。每一層神經(jīng)元狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元狀態(tài)。如果輸出層得不到期望輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，根據(jù)預(yù)測(cè)誤差調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值，從而使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)輸出不斷逼近期望輸出[2]。BP網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)括撲結(jié)構(gòu)圖

其中，X1，X2，...，Xn是 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值，Y1，Y2，...，Y m是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)ωij和ωjk是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重。

具體步驟如下：

（1）初始化，確定結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，隨即給定各個(gè)權(quán)值與閾值；

（2）由給定的輸入計(jì)算出實(shí)際輸出與隱含層神經(jīng)元的輸出；

（3）計(jì)算實(shí)際值與期望值的誤差，求出輸出層的誤差與隱含層的誤差；

（4）根據(jù)得到的誤差更新節(jié)點(diǎn)間的權(quán)值；

（5）重復(fù)步驟（3）-（4）計(jì)算損失函數(shù)，直到損失函數(shù)小于事先給定的閾值或迭代次數(shù)用完為止。

2 剩余壽命預(yù)測(cè)

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的數(shù)據(jù)為 NASA鋰離子電池循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)中有四個(gè)鋰離子電池（5號(hào)，6號(hào)，7號(hào)和18號(hào)）在室溫下經(jīng)過3種不同的操作（充電，放電和阻抗）。以1.5A的恒定電流（CC）模式進(jìn)行充電，直到電池電壓達(dá)到4.2V，然后以恒定電壓（CV）模式繼續(xù)充電，直到充電電流降至20mA。以2A的恒定電流（CC）進(jìn)行放電，直到電池5，6，7和18的電池電壓分別降至2.7V，2.5V，2.2V和2.5V。阻抗測(cè)量是通過從0.1Hz到5kHz的電化學(xué)阻抗譜（EIS）頻率掃描進(jìn)行的。重復(fù)的充電和放電循環(huán)會(huì)導(dǎo)致電池加速老化，而阻抗測(cè)量則可以深入了解隨著老化的進(jìn)行而變化的內(nèi)部電池參數(shù)。當(dāng)電池達(dá)到壽命終止（EOL）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)即終止實(shí)驗(yàn)，該標(biāo)準(zhǔn)是額定容量（從2Ahr降至1.6Ahr）下降了20%。該數(shù)據(jù)集可用于預(yù)測(cè)剩余電荷（對(duì)于給定的放電周期）和剩余使用壽命（RUL）。其循環(huán)壽命圖像如圖2所示：

圖2 鋰離子電池循環(huán)壽命圖像

從圖中可以看出，動(dòng)力電池容量衰減軌跡通常分為兩個(gè)階段：階段1為非線性容量迅速衰減段；階段2為容量近似衰減段。兩個(gè)階段的分界點(diǎn)在80-100次循環(huán)間。階段1中動(dòng)力電池容量經(jīng)歷了較快的衰減過程，其主要原因是動(dòng)力電池負(fù)極SEI膜形成的過程中消耗了內(nèi)部的活性物質(zhì)。階段2中動(dòng)力電池SEI膜已經(jīng)完全形成，此時(shí)容量相對(duì)穩(wěn)定且衰減速率降低，從而產(chǎn)生了近似線性的容量衰減軌跡。

2.2 循環(huán)壽命預(yù)測(cè)

以#5鋰離子電池循環(huán)壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，以前50%的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，以后50%的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到的圖像如圖3所示。

從圖中可以看出，鋰離子電池壽命終止循環(huán)次數(shù)為 73次，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)得到的結(jié)果為75次，相對(duì)誤差為0.027，誤差在允許范圍內(nèi)。結(jié)果表明利用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鋰離子電池循環(huán)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)可以得到較為精確的結(jié)果。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)圖

3 結(jié)論

對(duì)鋰離子電池進(jìn)行有效的剩余壽命預(yù)測(cè)不僅可以提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，而且還有利于預(yù)防系統(tǒng)故障發(fā)生帶來的災(zāi)難損失。本文采用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鋰離子電池循環(huán)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在鋰離子電池壽命預(yù)測(cè)方面精度較高，為鋰離子電池壽命研究提供一個(gè)方法。但是由于電池是高度非線性系統(tǒng)，對(duì)精確度和穩(wěn)定性的要求越來越高，且 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也在許多缺陷，后續(xù)需要對(duì)算法進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，已達(dá)到實(shí)車使用的效果。