1.一种锂电池故障的联邦协同智能诊断方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)以时间序列获取包括正常数据和故障数据的锂电池的运行数据;
(2)对运行数据进行预处理,采用样本熵对处理后的数据进行评估,设定样本熵的阈值,将样本熵值大于阈值的数据分类为复杂,否则分类为简单;
(3)利用联邦学习,将复杂和简单的两类数据分别进行参数聚合,联合不同品牌锂电池协同建立全局模型,实现故障参数共享;
(4)利用动态模态分解DMD对运行数据进行特征提取,生成特征向量;
(5)将DMD及Autoformer模型的关键参数组合在同一框架中,对其进行编码,构建编码集合;
(6)将基于能量谷优化算法EVO对DMD和Autoformer模型进行协同优化,并将分类为简单的数据输入至随机森林模型进行诊断,分类为复杂的数据输入优化后的Autoformer模型进行诊断;
(7)将特征提取后的数据输入至随机森林或者优化后的Autoformer模型,进行诊断,输出故障诊断结果;
所述步骤(5)中实现过程如下:
DMD的关键参数包括U、V、Σ三种奇异参数,Autoformer模型的关键参数包括学习率b、编码器层数c、解码器层数d;将这六个参数进行编码,在各自变化范围内生成参数,构建编码集合;
所述步骤(6)实现过程如下:
S1:进行随机初始化,将DMD和Autoformer模型的关键参数作为粒子的个体位置:式中,Xi为第i个粒子即编码后的关键参数,m为备选参数集合的个数,t为待优化DMD和Autoformer的关键参数的个数, 为第i个粒子的第j个决策变量;
S2:以锂电池的诊断结果综合误差最小,作为中子富集水平NEL,具体为:根据每组参数对应的诊断结果,计算出锂电池的召回率Liz、误报率Liw、漏报率Lil,EVO优化参数的搜索方向为使诊断综合误差E最小,E(·)的计算公式为:E(U,∑,V,af)=pzLiz+pwLiw+plLil
式中,YY为锂电池真实结果与检测结果均有故障;YN为锂电池真实结果为有故障,检测结果为无故障;NY为锂电池真实结果为无故障,检测结果为有故障;NN为锂电池真实结果与检测结果均无故障;pz,pw,pl分别是召回率Liz、误报率Liw、漏报率Lil对应的权重,其计算采用信息熵;
计算备选关键参数集合的平均诊断误差EB:
S3:根据NELi,确定备选关键参数的归一化诊断误差SL:
式中,BS和WS分别代表最优参数值和最差参数值对应的诊断误差;
S4:当NELi>EB,关键参数组会进行以α、β、γ策略的衰变以保持关键参数的稳定性;在[0,1]范围内随机生成数,作为局部搜索范围SB;当SLi>SB时,关键参数进行以α和γ策略的衰变,以保持关键参数的稳定性;位置更新公式如下:式中, 为第i组关键参数与第k组关键参数之间的误差累加,(X1,Y1)和(X2,Y2)为关键参数在搜索空间中的坐标; 为第i组关键参数发生以α为策略的衰变后产生的新位置向量,即寻优后DMD和Autoformer的关键参数;XBS为最优关键参数的位置向量,Alpha IndexⅡ为[1,Alpha IndexⅠ]范围内的随机整数,定义哪些关键参数进行以α为策略的衰变;发射的射线是关键参数的决策变量,将其去除并替换为XBS; 为第i组关键参数进行以γ策略为衰变的新位置向量,即寻优后DMD和Autoformer的关键参数;XNG为第i组关键参数的相邻关键参数的位置向量,该位置向量由 确定;Gamma IndexⅠ为[1,t]范围内的随机整数,定义关键参数进行随机探索,以避免陷入局部最优;Gamma IndexⅡ为[1,Gamma IndexⅠ]范围内的随机整数,定义哪些组关键参数进行随机探索;发射的光子是关键参数的决策变量,被移除并被邻近的关键参数或候选XNG替代;
S5:当SLi≤SB,关键参数进行以β为策略的衰变;计算公式如下:式中,XCP为关键参数均值, 为第i组关键参数进行以β为策略的衰变后产生的新位置向量,即生成新的DMD和Autoformer的关键参数集合,该组关键参数会向XBS和XCP进行有控制的变化,r1和r2是两个在[0,1]范围内的随机数,决定了关键参数的变化量;对发生以β为策略的衰变的关键参数进行另一位置更新过程,此时第i组关键参数进行以β为策略衰变后产生的新位置向量为 即生成新的DMD和Autoformer的关键参数集合,以β为策略的衰变的关键参数向XBS和XNG进行有控制的变化,此时SLi不影响变化过程;r3和r4是两个在[0,1]范围内的随机数,决定了关键参数的变化量;
S6:当NELi≤EB时,关键参数进行位置和速度趋于稳定的变化;此时关键参数更新公式如下:式中, 为第i组关键参数通过位置和速度变化生成新位置向量,即寻优后DMD和Autoformer的关键参数,r为[0,1]范围内的随机数,决定了关键参数的变化量;
S7:在每次位置更新后,进行验证该位置是否超出预设的上界或下界,若超出,则需进行修正以保证在预设范围内;
S8:当EVO主循环结束时,如果NELi>EB,则每组关键参数生成两组新关键参数,分别为和 相反,则只生成一组新关键参数,即 然后将新生成的关键参数与当前关键参数集合合并,最佳关键参数组参与算法的下一个搜索循环;当算法达到最大迭代次数时,终止循环并输出XBS,此时对输出解码,即为DMD和Autoformer模型的最终最优参数,实现协同优化。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池故障的联邦协同智能诊断方法,其特征在于,步骤(1)所述锂电池运行数据包括电压、电流、温度、荷电状态、内阻、锂电池内部压力、锂电池周围气体监测数据。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池故障的联邦协同智能诊断方法,其特征在于,所述步骤(3)中实现过程如下:通过s个锂电池品牌参与联邦,所有的建模任务都视为对损失函数优化的过程,损失函数min(f(a))为不同品牌对应模型库中诊断误差的累加,误差累加过程中考虑不同品牌锂电池样本量对全局诊断误差的影响,f(a)为当前任务的模型全局诊断误差;
联邦学习构建全局模型的搜索方向为使全局诊断误差最小:
式中,Fi(a)为一种品牌锂电池的第i个用户的故障损失;ni为第i个锂电池的总样本量;
aJ为随机森林模型参数,aF为Autoformer模型参数。
4.根据权利要求1所述的一种锂电池故障的联邦协同智能诊断方法,其特征在于,所述步骤(4)实现过程如下:将以时间序列获取的锂电池运行数据,由K条时间长度为T组成,在t时刻的表达式为:xt=Axt‑1+εt
式中,A为K×K的系数矩阵;
Xn为高维度采样数据矩阵的第n列负荷数据,构建滑动矩阵:
则动态模态分解表达式为:
X2≈AX1
对X进行奇异矩阵分解:
T
X1=UΣV
式中,U为n×r维奇异矩阵,Σ为r×r维的奇异对角矩阵,V为(t‑1)×r维奇异矩阵,r为X的秩,U、Σ、V均为X1的截断奇异值;得近似矩阵式中, Vr、Σr分别为U、V、Σ的截断矩阵;
利用 计算 的特征值λ和特征向量ω,得动态特征:
‑1
式中,Q为锂电池特征向量矩阵,Λ为锂电池特征值的对角矩阵,Q 为锂电池特征向量矩阵的逆矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种锂电池故障的联邦协同智能诊断方法,其特征在于,所述锂电池特征向量矩阵Q包括锂电池的动态特征,具体为阻尼比、频相信息、实时温度变化、SOC变化、内阻变化、实时充放电速率和电池失效模式。
6.根据权利要求4所述的一种锂电池故障的联邦协同智能诊断方法,其特征在于,所述特征值λ包含锂电池在所属系统的动态特征。
7.一种采用如权利要求1至6所述方法的锂电池故障的联邦协同智能诊断系统,其特征在于,包括数据采集模块、数据预处理模块、特征提取模块、故障参数共享模块和故障诊断模块;其中:数据采集模块,收集锂电池运行数据,包括电压、电流、温度、荷电状态、内阻、锂电池内部压力、锂电池周围气体监测;
数据预处理模块,对运行数据进行预处理,采用样本熵对处理后的数据进行评估,设定样本熵的阈值,将样本熵值大于阈值的数据分类为复杂,否则分类为简单;
特征提取模块,利用动态模态分解DMD对运行数据进行特征提取,生成特征向量,提取锂电池动态特征数据;
故障参数共享模块,利用联邦学习,将复杂和简单的两类数据分别进行参数聚合,联合不同品牌锂电池协同建立全局模型,实现故障参数共享;将DMD及Autoformer模型的关键参数组合在同一框架中,对其进行编码,构建编码集合;
故障诊断模块,基于能量谷优化算法EVO对DMD和Autoformer模型进行协同优化,并将分类为简单的数据输入至随机森林模型进行诊断,分类为复杂的数据输入优化后的Autoformer模型进行诊断。
8.根据权利要求7所述的一种锂电池故障的联邦协同智能诊断系统,其特征在于,所述系统还包括分类管理模块,对数据及结果进行分类管理,并将结果及相关处理方案反馈回用户端,以供用户进行紧急有效应对。