【AppliedEnergy最新原创论文】通过充电片段调整实现锂离子电池健康状态精细化评估

锂电联盟会长 2024-09-11 09:30

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原文信息:
Refined lithium-ion battery state of health estimation with charging segment adjustment
原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261924014600

Highlights

•提出了一种残差卷积和Transformer网络来确保随机电压段的SOH估计。

利用了交叉注意机制来整合充电段老化特征和运行条件的信息。

采用了残差卷积作为Transformer的嵌入层,将充电段提取的信息映射到高维向量。

设计了一种基于 ElasticNet 的特征传输策略来使用任意长度的电压段。

摘要

对于电池管理系统 (BMS) 来说,准确监测锂离子电池 (LIBs) 的健康状态 (SOH) 至关重要,但无法充分利用任意长度的随机充电段。为此,提出了一种残差卷积和变压器网络 (R-TNet),以利用随机段中稀疏维度的特征实现准确的 LIB SOH 估计,其中估计任务需要充电段的起始和结束电压、安培小时 (Ah) 吞吐量、温度和电流速率。通过 R-TNet 的交叉注意机制,可以整合运行条件和片段位置,从而实现充电段内的 LIBs SOH 估计。为了扩展任意充电行为的灵活性,设计了一种基于 ElasticNet 的特征传输策略来使用任意充电长度。使用 121 个具有不同化学成分和循环条件的电池来验证所提出方法的性能。所提方法的结果表明,即使对于 50 mV 电压段,SOH 估计的均方根误差 (RMSE) 也能达到 1.6%。

Abstract

Accurately monitoring the state of health (SOH) of lithium-ion batteries (LIBs) is crucial for battery management systems (BMS), yet there lack of the possibility to fully use the random charging segments with any length. To this end, a residual convolution and transformer network (R-TNet) is proposed to enable an accurate LIB SOH estimation with the sparse dimension of feature in random segments, where the start and end voltage, the Ampere-hour (Ah) throughput, temperature, and current rate of a charging segment are required for the estimation task. Through the cross-attention mechanism of R-TNet, the operation condition and the position of the partial voltage can be integrated to enable the LIBs SOH estimation within a charging segment. To extend the flexibility with arbitrary charging behaviors, an ElasticNet-based feature transfer strategy is designed to use any charging length. 121 cells with different chemistries and cycling conditions are used to validate the performance of the proposed method. The results of the proposed method show that the root mean square error (RMSE) of SOH estimation can reach 1.6% even for a 50 mV voltage segment.

Keywords

State of health estimation;

Residual convolution and transformer network;

Charging segment;

Feature transfer;

ElasticNet;

Graphics

Fig. 1. The overall framework of the proposed method.

Fig. 3. The detailed structure of the R-TNet.

Fig. 4. The proposed feature transfer strategy.

Fig. 6. Results of SOH estimation for NCA cells. (a) RMSE (%); (b) MAE (%); (c) R2.

Fig. 7. Results of SOH estimation for Cell 1

Fig. 9. The errors of the comparison methods for Cell 1~14. (a) RMSE (%); (b) MAE (%); (c) R2; (d) Max error.

Fig. 10. SOH estimation results of different models for Cell 1.

Fig. 11. SOH estimation AE results for voltage segments of different lengths.

Fig. 13. SOH estimation results for Cells 15~25.

团队简介

       本研究由西安交通⼤学先进电力储能技术研究中心人员完成。

通讯作者简介:

       孟锦豪,博士,西安交通大学副教授,长期从事电池储能系统及能量管理方面研究。累计发表学术论文100余篇,其中,8篇ESI高被引论文,1篇ESI热点论文,授权国家发明专利10余项,参与起草团体标准1项。曾获2020年度陕西高等学校科学技术二等奖1项、陕西省自然科学优秀论文三等奖1项。主持或参与多项与电池储能应用相关课题。

第一作者简介:

       郑琨,西安交通大学未来技术学院硕士研究生,研究方向为数据驱动的锂离子电池SOX估计及故障诊断。

锂电联盟会长向各大团队诚心约稿,课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿,请联系:邮箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。
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锂电联盟会长 研发材料,应用科技
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