基于數(shù)據(jù)預(yù)處理和計(jì)算機(jī)VMD-LSTM-GPR的儲(chǔ)能系統(tǒng)離子電池剩余壽命預(yù)測(cè)

田凌滸，袁炳夏

（1中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2惠州學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與信息中心，廣東 惠州 516007）

鋰離子電池因其無記憶效應(yīng)、長循環(huán)壽命、高能量密度等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)之中[1]。然而，鋰離子電池元件的壽命卻受到諸多因素的影響。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋰離子電池的剩余壽命，在提高儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性與實(shí)時(shí)效率方面具有較為重要的意義。本研究以數(shù)據(jù)預(yù)處理和計(jì)算機(jī)VMD-LSTM-GPR模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型的儲(chǔ)能系統(tǒng)離子電池剩余壽命預(yù)測(cè)方法。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)離子電池剩余壽命預(yù)測(cè)的理論研究

針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)離子電池剩余壽命的預(yù)測(cè)主要包括電化學(xué)模型、等效電路模型、經(jīng)驗(yàn)退化模型三種方式，每一種方式的側(cè)重研究?jī)?nèi)容如表1所示。

表1 儲(chǔ)能系統(tǒng)離子電池剩余壽命預(yù)測(cè)方法Table 1 Prediction method of remaining life of ion battery in energy storage system

總的來說，預(yù)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)離子電池剩余壽命，就是根據(jù)儲(chǔ)能元件的物理與化學(xué)性能，構(gòu)建退化模型，再通過參數(shù)估算的方式，推測(cè)電池元件的最佳運(yùn)行狀態(tài)，最后利用所得參數(shù)估算出所要預(yù)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的最初電池容量以及電池容量退化趨勢(shì)，從而達(dá)到預(yù)測(cè)離子電池剩余壽命的目的。

2 電池剩余壽命預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理

儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理是預(yù)測(cè)離子電池剩余壽命的關(guān)鍵步驟，能夠在去除冗余能源信息的同時(shí)，提取出更有價(jià)值的能耗數(shù)據(jù)。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長，離子電池所消耗的能源量也會(huì)不斷增大，這些被消耗的能源信號(hào)一部分轉(zhuǎn)化為傳輸電力，以供其他耗電設(shè)備的應(yīng)用，另一部分則被轉(zhuǎn)化為熱能等不必要的能源信號(hào)，而這部分不必要的能源也是導(dǎo)致電池剩余壽命下降的主要原因[2]。

設(shè)q1、q2、…、qn表示不同的儲(chǔ)能數(shù)據(jù)，ΔW表示離子電池在單位時(shí)間內(nèi)所能存儲(chǔ)的能源總量，y?表示儲(chǔ)能特征，φ表示能量信號(hào)轉(zhuǎn)存參數(shù)，聯(lián)立上述物理量，可將儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理表達(dá)式定義為：

離子電池具有持續(xù)充放電的能力，因此在系統(tǒng)儲(chǔ)能過程中，能量的循環(huán)供應(yīng)可以得到保障。

2.2 計(jì)算機(jī)VMD-LSTM-GPR預(yù)測(cè)模型

計(jì)算機(jī)VMD-LSTM-GPR 預(yù)測(cè)模型結(jié)合了VMD(變分模態(tài)分解)、LSTM(長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò))與GPR(高斯過程回歸)，是一種較為完善的預(yù)測(cè)方法。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)離子電池剩余壽命的預(yù)測(cè)，VMD 首先將儲(chǔ)能信號(hào)分解成多個(gè)模態(tài)信號(hào)，并針對(duì)不同模態(tài)分量，提取電池元件的電量特性；然后，LSTM捕捉數(shù)據(jù)序列中信息參量的相互依賴關(guān)系，以便于確定電池元件的剩余蓄電能力；最后，GPR 構(gòu)建具體預(yù)測(cè)模型，并針對(duì)所得預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理[3]。儲(chǔ)能系統(tǒng)離子電池剩余壽命的VMD-LSTM-GPR預(yù)測(cè)流程如圖1所示。

圖1 電池剩余壽命的VMD-LSTM-GPR預(yù)測(cè)流程Fig.1 VMD-LSTM-GPR prediction process for remaining battery life

綜上所述，計(jì)算機(jī)VMD-LSTM-GPR預(yù)測(cè)模型能夠快速且有效地處理儲(chǔ)能系統(tǒng)中的能量傳輸信號(hào)，故在提高電池剩余壽命預(yù)測(cè)精度和效率方面具有較強(qiáng)適應(yīng)性。

2.3 鋰離子電池的容量退化能力計(jì)算

容量退化會(huì)對(duì)鋰離子電池的剩余壽命造成影響，當(dāng)退化程度超過50%時(shí)，電池元件也就失去了為儲(chǔ)能系統(tǒng)提供穩(wěn)定電力供應(yīng)的能力。電池容量退化是一種不可避免也不可逆的行為，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長，鋰離子電池的充放電次數(shù)不斷增大，已被轉(zhuǎn)化的能量資源除了為儲(chǔ)能系統(tǒng)供能外，還會(huì)堆積在電池內(nèi)部，而這也會(huì)對(duì)鋰離子電池的儲(chǔ)能水平造成退化性影響。

設(shè)η表示能源利用效率，E?表示電池元件的電量退化特征，k表示儲(chǔ)能需求參量，ε表示鋰離子電池的供能系數(shù)，g0表示電池元件的初始儲(chǔ)能量。利用上述物理量，推導(dǎo)鋰離子電池的容量退化能力計(jì)算式如下：

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，儲(chǔ)能水平下降的鋰離子電池?zé)o法提供系統(tǒng)運(yùn)行所需的能量資源，所以及時(shí)更換電池元件才是保障系統(tǒng)運(yùn)行能力的關(guān)鍵。

2.4 剩余電池壽命評(píng)估

評(píng)估剩余電池壽命，就是在已知容量退化強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，針對(duì)鋰離子電池剩余供電能力的預(yù)測(cè)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行需借助鋰離子電池提供的能量資源，特別是在系統(tǒng)功率頻繁變化的情況下，保障電池元件的穩(wěn)定供電，才可以避免出現(xiàn)能源浪費(fèi)的問題。規(guī)定μ表示系統(tǒng)瞬時(shí)儲(chǔ)能量，z表示能源負(fù)荷參數(shù)，τ表示不為零的鋰離子電池供電系數(shù)，Xτ表示基于參數(shù)τ的能量轉(zhuǎn)化向量，聯(lián)立公式(2)，推導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)鋰離子電池的剩余壽命評(píng)估表達(dá)式為：

壽命評(píng)估條件的計(jì)算結(jié)果決定了當(dāng)前所應(yīng)用鋰離子電池是否能夠繼續(xù)提供儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的能量資源，因此該項(xiàng)計(jì)算式對(duì)于準(zhǔn)確性的要求相對(duì)較高。

3 結(jié)論與展望

本文成功構(gòu)建了高精度水平的儲(chǔ)能系統(tǒng)離子電池剩余壽命預(yù)測(cè)模型。該模型的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下：

（1）有效解決了泛化能力差、預(yù)測(cè)精度低等問題，不但有助于延長離子電池的使用壽命，還可以大幅提升系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率與可靠性，也為該領(lǐng)域的研究提供了全新的方法與思路。

（2）針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)離子電池剩余壽命的研究，不需要直接對(duì)電池元件的剩余蓄電能力進(jìn)行測(cè)量，而是以容量退化系數(shù)作為中間變量，聯(lián)合相關(guān)電量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，就可以確定當(dāng)前情況下離子電池是否還可以為儲(chǔ)能系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

（3）鋰離子電池的應(yīng)用與推廣，符合可再生能源的發(fā)展需求，在保障系統(tǒng)快速、穩(wěn)定儲(chǔ)能方面，做出了巨大貢獻(xiàn)。

總之，本文的研究工作為預(yù)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)鋰離子電池剩余壽命提供了新的解決方案，可供相關(guān)研究單位參考。