鋰離子電池電量會(huì)隨著使用次數(shù)的新增而逐漸降低。假如能利用早期循環(huán)數(shù)據(jù)對(duì)電池壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，那無(wú)疑將會(huì)為電池生產(chǎn)、使用和優(yōu)化帶來(lái)新的機(jī)遇。例如，電池制造商可以加快電池開發(fā)周期，快速驗(yàn)證新的制造工藝，并按預(yù)期壽命對(duì)新電池進(jìn)行分類。同樣，消費(fèi)者也可以估計(jì)他們的電子產(chǎn)品中電池的預(yù)期壽命。假如要做到這些，我們不得不倚仗一個(gè)強(qiáng)大的靈魂：大數(shù)據(jù)。在本文中，美國(guó)麻省理工學(xué)院RichardD.Braatz等人開發(fā)了一個(gè)新的大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，在不分析電池衰減機(jī)理的情況下，僅僅利用早期循環(huán)數(shù)據(jù)，就能對(duì)商用磷酸鐵鋰（LFP）/石墨電池的循環(huán)壽命作出精確預(yù)測(cè)。

一、本文預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性

1）作者提出了三個(gè)模型來(lái)預(yù)測(cè)循環(huán)壽命使用的候選特點(diǎn)集大小，第一個(gè)模型稱為方差模型，不考慮子集選擇，只使用ΔQ100-10(V)的對(duì)數(shù)方差進(jìn)行預(yù)測(cè)。令人驚訝的是，僅使用這個(gè)模型會(huì)導(dǎo)致在主數(shù)據(jù)集上存在大約15%的平均誤差，在輔助數(shù)據(jù)集上存在大約11%的平均誤差。第二個(gè)放電模型考慮了從前100個(gè)循環(huán)放電期間的電壓和電流測(cè)量中獲得的額外信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，在13個(gè)特點(diǎn)集中，作者選擇了6個(gè)。第三個(gè)完整模型考慮了所有可用的特性，在這個(gè)模型中，20個(gè)特點(diǎn)集中有9個(gè)被選中。正如預(yù)期的那樣，通過(guò)新增額外特性，主測(cè)試平均誤差降低到7.5%，次測(cè)試平均誤差下降到10.7%；

2）為了適應(yīng)工業(yè)規(guī)模，作者開發(fā)了一個(gè)邏輯回歸模型，將電池分為低壽命或高壽命組，只使用前五個(gè)循環(huán)圈數(shù)的數(shù)據(jù)對(duì)整體電池壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。關(guān)于方差模型，作者僅使用第四和第五個(gè)周期之間的ΔQ5-4(V)，獲得88.8%的精度。關(guān)于完整模型，作者使用具有18個(gè)候選特點(diǎn)的邏輯回歸，以達(dá)到95.1%的預(yù)測(cè)精度。

二、目前的預(yù)測(cè)模型有什么問(wèn)題

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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早在以前，就有研究模擬過(guò)鋰離子電池的壽命，比如Bloom(J.PowerSources101,238–247(2001))和Broussely(J.PowerSources97–98,13–21(2001))等人做過(guò)一些前期工作，通過(guò)構(gòu)建擬合模型預(yù)測(cè)電池的功率和容量損耗。從那時(shí)起，許多作者都提出過(guò)一些物理模型，解釋了各種機(jī)制，比如固體電解質(zhì)界面生長(zhǎng)，鍍鋰現(xiàn)象，活性材料損耗和阻抗新增等。盡管這些物理/化學(xué)模型可以成功預(yù)測(cè)一些東西，但開發(fā)全電池循環(huán)壽命預(yù)測(cè)的模型仍舊困難重重，這是因?yàn)殡姵氐乃p機(jī)理非常復(fù)雜，工作環(huán)境也非常復(fù)雜。

使用統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)電池循環(huán)壽命是很有吸引力的，近年來(lái)，大數(shù)據(jù)生成技術(shù)的崛起，在科技前沿的各個(gè)領(lǐng)域都大展身手，包括預(yù)測(cè)材料性能、確定化學(xué)合成路線以及發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能和催化的材料等。目前已經(jīng)有越來(lái)越多的文獻(xiàn)利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在線收集，并預(yù)測(cè)電池的剩余使用壽命。但是這些文章中采集的數(shù)據(jù)都比較小，而電池性能的衰減是典型的非線性退化過(guò)程，因此它們還做不到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池循環(huán)壽命。因此，想要做到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，就必須對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化，包括更高的準(zhǔn)確度、更早的預(yù)測(cè)、更大的可解釋性。

三、作者是如何實(shí)現(xiàn)更高準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的

在本文中，麻省理工學(xué)院RichardD.Braatz等人開發(fā)了一個(gè)新的大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，在不了解電池衰減機(jī)理的情況下，僅僅利用早期循環(huán)數(shù)據(jù)，就能對(duì)商用磷酸鐵鋰（LFP）/石墨電池的循環(huán)壽命作出精確預(yù)測(cè)。作者采用72種不同倍率下的快充，生成了124個(gè)電池組的數(shù)據(jù)集，直到電池容量降低至80%的額定容量。為了精確地預(yù)測(cè)循環(huán)壽命，作者僅使用前100個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)9.1%的預(yù)測(cè)誤差。

3.1數(shù)據(jù)獲取

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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作者認(rèn)為，鋰離子電池容量衰減的參數(shù)化是高維度的，因?yàn)樗鼈冇泻芏嗳萘克p機(jī)制。為了建立這一維度空間，作者在控制溫度（30℃）的室內(nèi)，在不同的快速充電條件和相同的放電條件下（4℃至2.0V，其中1C為1.1A），對(duì)商用LFP/石墨電池（A123，APR18650M1A，額定容量1.1Ah）進(jìn)行測(cè)試。由于石墨負(fù)極在這些電池中占主導(dǎo)地位，因此這些結(jié)果關(guān)于其它石墨基鋰離子電池也是有用的。通過(guò)故意改變充電條件，作者生成了一個(gè)數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集捕獲了電池大量的循環(huán)壽命信息平均循環(huán)壽命為806，標(biāo)準(zhǔn)偏差為377。在控制室內(nèi)溫度的同時(shí)，由于電池在充放電過(guò)程中出現(xiàn)的大量的熱量，電池溫度上下變化高達(dá)10℃，溫度的變化來(lái)自內(nèi)阻和充電條件的變化。在循環(huán)過(guò)程中持續(xù)測(cè)量電壓、電流、電池溫度和內(nèi)阻。該數(shù)據(jù)集包含大約96700個(gè)循環(huán)，就目前而言，本文的數(shù)據(jù)集是在受控條件下，商業(yè)鋰離子電池最大的公開可用數(shù)據(jù)集。

上圖a，b表示電池在前1000個(gè)循環(huán)中的放電容量，可以看到，在最初的100個(gè)循環(huán)中，容量衰減可以忽略不計(jì)，但是隨著時(shí)間的新增，容量衰減開始加速，正如我們經(jīng)常在電子產(chǎn)品中觀察到的那樣。容量衰減的軌跡交叉說(shuō)明了初始容量與循環(huán)壽命之間的弱關(guān)系，比如第二個(gè)循環(huán)（相關(guān)性ρ=−0.06，圖d）和第100個(gè)循環(huán)（ρ=0.27，圖e）的循環(huán)壽命對(duì)數(shù)，與第100個(gè)循環(huán)（ρ=0.47，圖f）附近的容量衰減率之間存在很弱的相關(guān)性。由于容量衰減曲線中的相關(guān)性很弱，因此其預(yù)測(cè)能力有限。作者隨后采用了一種新的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，該方法考慮了更大的循環(huán)數(shù)據(jù)，包括每個(gè)循環(huán)的全電壓曲線，以及電池內(nèi)阻和溫度等附加測(cè)量。

3.2機(jī)器學(xué)習(xí)和模型建立

作者使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立了一個(gè)早期預(yù)測(cè)模型，在這個(gè)模型中，原始數(shù)據(jù)發(fā)生各種線性和非線性轉(zhuǎn)換，并生成一個(gè)規(guī)則化的線性框架，即彈性網(wǎng)絡(luò)。

為了捕捉單個(gè)電池在循環(huán)過(guò)程中的電化學(xué)演變，作者根據(jù)放電電壓曲線計(jì)算了幾個(gè)特點(diǎn)（上圖a）。具體地說(shuō)，作者考慮了電量Q(V)隨著循環(huán)圈數(shù)的變化（備注：Q(V)是一個(gè)電壓函數(shù)，電壓是變量），因?yàn)榉烹婋妷呵€是循環(huán)電壓的函數(shù)。由于每個(gè)周期的電壓范圍是相同的，因此作者將容量視為電壓的函數(shù)，而不是電壓視為容量的函數(shù)，即ΔQ30-20(V)=Q30(V)-Q20(V)。作者采集的數(shù)據(jù)集中ΔQ(V)曲線如上圖b所示，給出了第100和第10個(gè)周期之間的數(shù)據(jù)，即ΔQ100-10(V)。然后計(jì)算每個(gè)電池ΔQ(V)曲線的匯總統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，例如最小值、平均值和方差。每個(gè)匯總統(tǒng)計(jì)都是一個(gè)標(biāo)量，它捕獲兩個(gè)周期之間電壓曲線的變化，而選擇這些匯總統(tǒng)計(jì)是因?yàn)樗鼈兙哂蓄A(yù)測(cè)能力，不代表它們具有物理意義。由于基于ΔQ100-10(V)的具有很高的預(yù)測(cè)能力，作者研究了三種不同的模型：(1)ΔQ100-10(V)的方差；(2)放電期間獲得的其它特點(diǎn)；(3)額外特性如溫度和內(nèi)阻。機(jī)器學(xué)習(xí)模型開發(fā)部分中含義的兩個(gè)指標(biāo)用于評(píng)估預(yù)測(cè)性能：均方根誤差（RMSE）、循環(huán)次數(shù)和平均百分比誤差。

3.3早期預(yù)測(cè)模型的結(jié)果分析

作者提出了三個(gè)模型來(lái)預(yù)測(cè)循環(huán)壽命使用的候選特點(diǎn)集大小，第一個(gè)模型稱為方差模型，不考慮子集選擇，只使用ΔQ100-10(V)的對(duì)數(shù)方差進(jìn)行預(yù)測(cè)。令人驚訝的是，僅使用這個(gè)模型會(huì)導(dǎo)致在主數(shù)據(jù)集上存在大約15%的平均誤差，在輔助數(shù)據(jù)集上存在大約11%的平均誤差。第二個(gè)放電模型考慮了從前100個(gè)循環(huán)放電期間的電壓和電流測(cè)量中獲得的額外信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，在13個(gè)特點(diǎn)集中，作者選擇了6個(gè)。最后，第三個(gè)完整模型考慮了所有可用的特性，在這個(gè)模型中，20個(gè)特點(diǎn)集中有9個(gè)被選中。正如預(yù)期的那樣，通過(guò)新增額外特性，主測(cè)試平均誤差降低到7.5%，次測(cè)試平均誤差下降到10.7%。詳細(xì)數(shù)據(jù)如上表所示。

作者將本文中使用早期周期數(shù)據(jù)對(duì)循環(huán)壽命的預(yù)測(cè)性能，與之前的文獻(xiàn)中的naïve模型進(jìn)行比較。在本文中，使用相關(guān)容量新增0.2%的中位數(shù)，通過(guò)早期循環(huán)的電壓曲線，對(duì)電池的循環(huán)壽命實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。而以前報(bào)導(dǎo)的模型，在預(yù)測(cè)精度上與本文相差25%。假如使用之前報(bào)導(dǎo)的模型對(duì)電池平均周期壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，則重要和次要測(cè)試集的平均誤差分別約為30%和36%。

為了適應(yīng)工業(yè)規(guī)模，作者還在非常低的循環(huán)圈數(shù)下，對(duì)循環(huán)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，盡管在這種情況下精度可能有些許偏差。作者開發(fā)了一個(gè)邏輯回歸模型，將電池分為低壽命或高壽命組，只使用前五個(gè)循環(huán)圈數(shù)的數(shù)據(jù)對(duì)整體電池壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。關(guān)于方差模型，作者僅使用第四和第五個(gè)周期之間的ΔQ5-4(V)，獲得88.8%的預(yù)測(cè)精度。關(guān)于完整模型，作者使用具有18個(gè)候選特點(diǎn)的邏輯回歸，以達(dá)到95.1%的預(yù)測(cè)精度。以上結(jié)果在上表中進(jìn)行匯總，可以看出，該邏輯回歸手段說(shuō)明了ΔQ(V)的預(yù)測(cè)能力，即使只使用前幾個(gè)周期的數(shù)據(jù)，也能預(yù)測(cè)電池的循環(huán)壽命。

3.4性能預(yù)測(cè)合理化

通過(guò)上述數(shù)據(jù)，作者認(rèn)為，從早期循環(huán)放電電壓曲線得出的特點(diǎn)，對(duì)電池循環(huán)壽命具有良好的預(yù)測(cè)性能，甚至在容量衰減開始之前就可以可靠預(yù)測(cè)。作者將出現(xiàn)在放電電壓曲線中的退化模式與接近壽命結(jié)束時(shí)的快速容量衰減聯(lián)系起來(lái)，使這一觀察結(jié)果更合理化。

為了研究去鋰化負(fù)極LAMdeNE的對(duì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的影響，作者對(duì)不同的充電速率（4C、6C和8C）和恒定的放電速率（4C）循環(huán)的電池進(jìn)行了額外實(shí)驗(yàn)，包括在第1圈、100圈和循環(huán)壽命結(jié)束時(shí)的緩慢循環(huán)。將C/10下（上圖，第1行和第2行）的電池放電曲線的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行比較，并將第10圈、101圈和循環(huán)壽命結(jié)束（第3和第4行）時(shí)的ΔQ(V)進(jìn)行比較?？梢钥吹?，循環(huán)中觀察到的dQ/dV和dV/dQ的變化對(duì)應(yīng)于充電期間鋰儲(chǔ)存在石墨中電位的變化。隨著充電速度的新增，從第1個(gè)循環(huán)到第100個(gè)循環(huán)的位移量也隨之新增。這些觀察結(jié)果合理地解釋了為何使用基于放電曲線的特點(diǎn)模型，比僅使用容量衰減曲線的特點(diǎn)模型誤差更低，因?yàn)長(zhǎng)AMdeNE在早期循環(huán)中沒有表現(xiàn)出容量衰減。

最后，作者還進(jìn)行了額外的分析，以了解在回歸設(shè)置中ΔQ(V)的特點(diǎn)選擇受周期指數(shù)的影響。作者研究了僅使用重要測(cè)試數(shù)據(jù)集的Qi(V)–Qj(V)方差單變量線性模型，如上圖所示?？梢钥闯?，該模型對(duì)i>60的索引方法不是很敏感，表明使用更早的周期進(jìn)行精確預(yù)測(cè)周期壽命是完全可能的。作者假設(shè)，模型對(duì)索引方法的不敏感性意味著周期數(shù)的線性退化，而周期數(shù)通常為L(zhǎng)AM模式。

四、小結(jié)

大數(shù)據(jù)建模是一種很有前景的鋰離子電池診斷和預(yù)測(cè)方法，在鋰離子電池的開發(fā)、制造和優(yōu)化中有著潛在新興的應(yīng)用。在本文中，作者利用早期循環(huán)放電數(shù)據(jù)建立了預(yù)測(cè)模型，以顯示在快速充電條件下，商用LFP/石墨電池在循環(huán)后的使用壽命。在回歸設(shè)置中，作者使用前100個(gè)循環(huán)，得到的預(yù)測(cè)誤差僅為9.1%；在分類設(shè)置中，作者使用前5個(gè)周期的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)誤差僅為4.9%。使用該模型，即便對(duì)電池的化學(xué)原理和衰減機(jī)制沒有了解，也能達(dá)到精確預(yù)測(cè)。從廣義上講，該工作強(qiáng)調(diào)了將數(shù)據(jù)生成和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模相結(jié)合，在理解和開發(fā)鋰離子電池等復(fù)雜系統(tǒng)中具有廣闊的前景。