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韋國(guó)丹/周光敏/張璇EEM: 脈沖測(cè)試+機(jī)器學(xué)習(xí)快速估計(jì)電池剩余容量

鋰離子電池已廣泛用于消費(fèi)電子、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車領(lǐng)域，估算其容量的直接方法是直接測(cè)量，但完全充放電過(guò)程通常需要數(shù)小時(shí)才能完成。此外，來(lái)自傳感器的測(cè)量噪聲很容易影響實(shí)時(shí)電阻估計(jì)，而容量估計(jì)通常依賴于準(zhǔn)確的荷電狀態(tài)（SOC）。因此，如何準(zhǔn)確獲得SOC估計(jì)仍然是另一個(gè)挑戰(zhàn)。

在此，清華-伯克利深圳學(xué)院（TBSI）韋國(guó)丹副教授、周光敏副教授及張璇等人通過(guò)將常規(guī)的實(shí)時(shí)電流短脈沖測(cè)試與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高斯過(guò)程回歸（GPR）算法相結(jié)合，成功開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了一種有效的電池估計(jì)方案，適用于容量從100%健康狀態(tài)（SOH）到 50% 以下的電池，最終估計(jì)的平均準(zhǔn)確率高達(dá)95%。

首先，作者基于所提出的方法從電流脈沖測(cè)試的原始測(cè)量中獲取特征，以建立準(zhǔn)確有效的容量估計(jì)；其次，選擇在不同SOC和電壓階段上執(zhí)行短期電流脈沖測(cè)試來(lái)捕獲電池退化信息；第三，方便地從電流脈沖測(cè)試的電壓響應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)中提取特征。其中，輸入是脈沖電壓的采樣點(diǎn)，輸出是相應(yīng)的測(cè)量容量。作者比較了5種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，并最終選擇了結(jié)果可靠且魯棒性更好的GPR算法來(lái)進(jìn)行容量估計(jì)。

圖1. 五種典型機(jī)器學(xué)習(xí)方法的性能比較

總體而言，這種脈沖測(cè)試只持續(xù)幾秒鐘，便于在鋰離子電池的各種工作條件下進(jìn)行。與傳統(tǒng)的長(zhǎng)充放電方法相比，所提出的脈沖測(cè)試可將測(cè)試時(shí)間減少80% 甚至更多。作者通過(guò)探索不同電壓階段和SOC對(duì)容量估計(jì)精度的影響來(lái)研究機(jī)制，結(jié)果表明電壓在3.4V左右時(shí)精度最好且SOC低時(shí)精度高，相同SOC下精度高于相同電壓脈沖下精度。

此外，該模型的有效性主要取決于脈沖測(cè)試，因?yàn)樗梢苑从畴S著老化的發(fā)展而極化加深的電池內(nèi)阻。其次，需要在脈沖測(cè)試前將電池統(tǒng)一到相同的狀態(tài)。否則，即使充電相同的電量，實(shí)際的SOC也會(huì)隨著老化程度的不同而不同。同時(shí)，脈沖曲線反映了電池在充電階段的老化程度及其電壓平臺(tái)的變化?？傊@種與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法相結(jié)合的新型脈沖測(cè)試為快速估計(jì)剩余電池容量打開(kāi)了一個(gè)新窗口。

圖2. 脈沖特征對(duì)預(yù)測(cè)能力的物理解釋

Fast Remaining Capacity Estimation for Lithium-ion Batteries Based on Short-time Pulse Test and Gaussian Process Regression, Energy & Environmental Materials 2022. DOI: 10.1002/eem2.12386

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