考虑储能工况的退役动力电池退化建模与剩余寿命预测

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.10.012

摘要/Abstract

摘要：

提出了一种融合鲸鱼优化算法（WOA）、卷积神经网络（CNN）、门控循环单元（GRU）和自注意力机制（SA）的深度学习模型，用于精准预测退役电池的剩余使用寿命。该模型充分发挥了CNN的特征提取能力、GRU的时序建模优势以及自注意力机制的长程依赖捕捉能力，并通过WOA实现超参数的全局最优配置。基于CALCE公开数据集的对比实验结果表明，所提WOA-CNN-GRU-SA模型在测试集上取得均方根误差（RMSE）为0.809 27%、平均绝对误差（MAE）为0.554 40%、决定系数R²为99.840%的预测性能，相较于次优模型WOA-CNN-LSTM-SA，在RMSE与MAE上分别降低10.35%与13.39%，体现出更高的预测精度与鲁棒性。研究结果可为退役动力电池的精准分级与储能系统的高效可靠管理提供关键技术支撑。

关键词: 退役动力电池, 剩余使用寿命, 储能系统, 深度学习, 梯次利用

Abstract:

A deep learning model integrating the whale optimization algorithm （WOA）， convolutional neural network （CNN）， gated recurrent unit （GRU）， and self-attention（SA） mechanism was proposed to achieve accurate prediction of the RUL of retired batteries. The proposed model leveraged CNN for feature extraction， GRU for temporal dependency modeling， and SA for capturing long-range dependencies， while WOA was employed to globally optimize hyperparameters. Comparative experiments on the public CALCE dataset demonstrate that the proposed WOA-CNN-GRU-SA model achieves RMSE of 0.809 27%， an MAE of 0.554 40%， and an R² of 99.840% on the test set. Compared with the second-best model（WOA-CNN-LSTM-SA）， the RMSE and MAE are reduced by 10.35% and 13.39%， respectively， indicating superior prediction accuracy and robustness. These results provide key technical support for accurate health grading of retired power batteries and efficient， reliable management of energy storage systems.

Key words: retired power battery, remaining useful life（RUL）, energy storage system, deep learning, cascade utilization

中图分类号:

TM912

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图/表 18

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优化变量	类型	搜索范围
学习率η	连续	［0.001，0.01］
GRU隐藏层单元数H	整数	［50，100］
L2正则化系数λ	连续	［0.0001，0.1］

优化变量	类型	搜索范围
学习率η	连续	［0.001，0.01］
GRU隐藏层单元数H	整数	［50，100］
L2正则化系数λ	连续	［0.0001，0.1］

模型	输入（L×F）	CNN配置（filters/层数）	RNN（类型/层数/单元）	Attention	Dropout	输出
WOA-CNN-GRU-SA	1×3	16→32（2层）	GRU/2层/h^*	Self-Attention×2	0.01	1
WOA-CNN-LSTM-SA	1×3	16→32（2层）	LSTM/2层/h^*	Self-Attention×2	0.01	1
WOA-CNN-GRU	1×3	16→32（2层）	GRU/2层/h^*	无	0.01	1
WOA-CNN-LSTM	1×3	16→32（2层）	LSTM/2层/h^*	无	0.01	1
CNN-GRU	1×3	16→32（2层）	GRU/2层/h₀	无	0.01	1
CNN-LSTM	1×3	16→32（2层）	LSTM/2层/h₀	无	0.01	1

模型	输入（L×F）	CNN配置（filters/层数）	RNN（类型/层数/单元）	Attention	Dropout	输出
WOA-CNN-GRU-SA	1×3	16→32（2层）	GRU/2层/h^*	Self-Attention×2	0.01	1
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WOA-CNN-LSTM	1×3	16→32（2层）	LSTM/2层/h^*	无	0.01	1
CNN-GRU	1×3	16→32（2层）	GRU/2层/h₀	无	0.01	1
CNN-LSTM	1×3	16→32（2层）	LSTM/2层/h₀	无	0.01	1

Layer	Activation function	Output data shape
Input	N/A	None，1，3
CNN1（Convolutional 2D）	Relu	None，1，16
CNN2（Convolutional 2D）	Relu	None，1，32
Pooling Layer	N/A	None，1，32
Flatten Layer	N/A	None，32
GRU Layer 1	Tanh	None，1，50
Self-Attention Layer 1	N/A	None，1，50
Fully Connected Layer 1	N/A	None，1，1
Dropout Layer	N/A	None，1，1
GRU Layer 2	Tanh	None，50
Self-Attention Layer 2	N/A	None，50
Fully Connected Layer 2	N/A	None，1
Output	N/A	None，1