nature子刊:MCNN基于电池故障诊断的模型约束的深度学习方法
1. 研究背景与问题
锂离子电池是电动汽车的核心组件,但存在安全风险,如热失控(TR)、电解液泄漏(EL)、内部短路(ISC)和过度老化(EA)。这些故障在随机工作条件(如温度变化、负载波动)下难以实时诊断,导致召回事件和经济损失。传统方法(如知识基、模型基或数据基方法)在真实场景中受限,因为数据波动大、故障样本稀缺且诊断延迟高。本研究旨在开发一个在线诊断系统,实现高精度实时检测和故障分类,减少对故障样本的依赖。
2. 方法框架:模型约束神经网络(MCNN)
MCNN是一个端到端框架,整合电池物理模型约束和深度学习,以处理随机数据波动。框架分为四个模块:
- 模型构建与状态解析:使用统计修正的电池包模型(基于逆高斯分布拟合电压分布),计算整体包状态(如终端电压 UT,p,k) 和单体偏差状态 (ΔUi,k)。强跟踪卡尔曼滤波用于实时状态估计。
- 整体状态序列预测:采用双向LSTM(BiLSTM)网络处理时间序列数据(包括电压、电流、温度、SOC、车速和里程)。输入7维矩阵,输出18维预测矩阵,经线性层降维为2维状态(电压和SOC)。
- 基于模型耦合的自动编码器(MC-AE):编码器压缩整体状态和偏差状态;隐空间采样融合物理模型关系(单体状态 = 包状态 + 偏差状态);解码器生成单体预测状态。设计确保物理可解释性。
- 诊断输出:从MC-AE输出提取特征(如最大残差 zu1(k)),通过统计回归(Hotelling T2 和SPE统计)生成综合评估指标,用于故障检测和分类。
创新点包括模