Comparative Machine Learning Approaches for Battery Capacity Prediction Using Random Forest and LSBoost Regression Algorithms

随机森林 均方误差 机器学习 计算机科学 算法 特征选择 预言 Boosting(机器学习) 人工智能 Lasso(编程语言) 梯度升压 规范化(社会学) 电池(电) 平均绝对百分比误差 线性回归 集成学习 决策树 人工神经网络 特征(语言学) 重采样 偏最小二乘回归 平均绝对误差 回归 预测建模 交叉验证 数学 皮尔逊积矩相关系数 数据挖掘 随机数生成 弹性网正则化 工程类
作者
Xiaoying Liu
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:173 (5): 050511-050511 被引量:1
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ae48a1
摘要

Accurate capacity prediction is critical for lithium-ion battery health management in electric vehicles and energy storage systems. This study compares four machine learning methods for battery capacity estimation using the NASA Prognostics Center of Excellence dataset, including Optimized Random Forest, Least Squares Boosting, Lasso regression, and Ridge regression. Fourteen features were engineered from voltage, current, temperature, and electrochemical impedance measurements across 447 training cycles from three batteries, with validation on 132 cycles from an independent battery. All models were tuned using Leave-One-Battery-Out cross-validation with fold-specific normalization to ensure unbiased performance evaluation. The LSBoost model achieved the best performance with test RMSE of 0.0794 Ah, MAE of 0.0751 Ah, and R 2 of 0.7351, representing 12.2% improvement in RMSE compared to Optimized Random Forest and 13.6% improvement compared to linear baselines. Feature importance analysis using permutation methods identified cycle number as the dominant predictor followed by mean power and current variability, while partial dependence analysis revealed the marginal contribution of individual features to capacity estimation. The 4.92% mean absolute percentage error meets industrial requirements for battery management systems, establishing gradient boosting as an effective and computationally efficient methodology for state-of-health estimation in practical applications.
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