机器学习助力电动汽车电池研发，两年充电测试可缩短至16天
图片来源@视觉中国
文 | 学术头条
从行驶里程，到充电时间，再到汽车使用寿命，电池的性能深刻影响着一辆电动汽车的体验。
而数十年来，电动汽车电池的发展一直受到电池研发测试这一主要瓶颈的限制。在电池开发过程中的每个阶段，都必须对新技术进行数月甚至数年的测试，以确定电池能够持续使用多长时间。
最典型的例子，就是对锂离子电池的材料选择、电池制造和工作运行等过程进行控制优化。通常人们需要对锂离子电池的寿命进行评估，但是这样的实验往往会花费数月乃至数年的时间，而且参数的调整、空间和样品的多样性更使得实验进一步延长。
现在由斯坦福大学教授、麻省理工学院和丰田研究院合作开发了一种基于机器学习的方法，能够将电池充电测试时间从近两年缩短至 16 天，缩短了近 15 倍，有助于加速新型电池的开发进度。
该研究于 2020 年 2 月 19 日发表在《自然》杂志上。
极大压缩测试时间
设计超快速充电电池是一个重大挑战，主要是因为很难使它们持续使用。更快的充电强度会使电池承受更大的压力，这通常会导致电池过早失效。
为了防止构成电动汽车总成本很大一部分的电池组的轻易损坏，电池工程师必须测试一系列详尽的充电方式，以找到最有效的充电方法。
新的研究试图优化这一过程。从一开始，团队就发现快速充电优化需要进行多次试错测试，这对人类来说效率不高，但对机器而言却是可以完美解决的问题。
在这项研究中，该团队开发了具有早期结果预测功能的闭环优化（CLO）系统。该系统具有早期的结果预测功能，可以在大参数空间上进行高效的优化，同时具有高采样可变性。
这种方法能够快速优化特定的包含六步过程的电流和电压曲线，以及能够使得电池寿命最大化的十分钟快充协议，这种快充技术能够缓解电动汽车用户的里程焦虑。
研究团队从左至右包括斯坦福大学教授 William Chueh，丰田汽车研究所科学家 Muratahan Aykol，斯坦福大学博士生 Aditya Grover、Peter Attia，斯坦福大学教授 Stefano Ermon 和 TRI 科学家 Patrick Herring。（图片来源：Farrin Abbott）
首先，他们使用算法来减少每个循环实验的时间。
在先前的研究中，研究人员发现，不用通过每个电池进行反复充电直至其报废（这是测试电池寿命的通常方法），他们可以仅在最初 100 个充电周期后预测出电池可以使用多长时间。这是因为机器学习系统在接受过几次循环的电池充电训练后，可以在早期数据中找到预示电池可持续使用时间的规律。
其次，机器学习减少了他们必须测试的方法的数量。
计算机不是均等地或依靠直觉来测试每种可能的充电方法，而是从其经验中吸取教训，以快速找到要测试的最佳协议。
通过使用这种 CLO 优化方法，研究人员能够在 16 天内将 224 个待测电池中具有长寿命快充能力的电池筛选出来，并最终验证了该方法的有效性，值得一提的是，原有 224 电池测试大约需要 560 天。
闭环优化 (CLO) 系统的原理
该闭环优化系统的工作原理如图所示。
CLO 系统原理示意图
如图所示，该系统包括三个组件：多通道电池循环器，循环寿命的早期预测器和 BO 算法。在每个顺序轮次中，我们都要遍历这三个组成部分。
第一个组件是多通道电池循环器；这项工作中使用的循环仪可同时测试 48 个电池。在开始 CLO 之前，从完整的 224 个独特的多步骤协议集中随机选择（不替换）第一轮 48 个电池的充电协议（方法）。每个电池进行 100 次循环重复充电（约 4 天；平均预测循环寿命 905 个循环），超过该时间终止实验。
前 100 个充电周期的循环数据（特别是电化学测量值，例如电压和电容）用作循环寿命早期结果预测的输入。这些来自机器学习模型的循环寿命预测，随后被发送到 BO 算法，来测试下一个具有较高估计寿命的协议，重复此过程，直到测试结束。
在这种方法中，早期预测减少了每个测试电池所需的循环次数，而最佳的实验设计减少了所需的实验次数。
更加宽广的应用范围
研究人员在提到该算法时表示，他们的方法几乎可以加速电池开发的每个环节：从设计电池的化学性质到确定其尺寸和形状，再到寻找更好的制造和存储系统。
这不仅对电动汽车，而且对其他类型的储能方式都将产生广泛的影响，这是在全球范围内转向风能和太阳能的关键要求。
该研究的合著者、丰田研究院的科学家 Patrick Herring 表示：「这是进行电池开发的一种新方法。拥有可以在学术界和工业界之间共享并自动分析的数据，可以加快创新速度。」
Herring 补充说，这项研究的机器学习和数据收集系统，将可供未来的电池科学家自由使用。他说，通过机器学习来优化过程的其他部分，电池开发以及更新更好的技术的出现将加速一个数量级甚至更多个数量级。
研究人员也认为，这项研究方法的潜力甚至超出了电池领域。从药物开发到优化 X 射线和激光的性能等其他大数据测试问题，都可以通过使用机器学习优化来彻底解决。
斯坦福大学教授 Stefano Ermon 表示：「更大的希望是帮助科学发现本身。我们在问：我们可以设计这些方法来自动提出假设吗？它们可以帮助我们提取人类无法理解的知识吗？随着我们的算法越来越好，我们希望整个科学发现过程可以大大加快。」
参考资料：
Attia, P.M., Grover, A., Jin, N. et al. Closed-loop optimization of fast-charging protocols for batteries with machine learning. Nature 578, 397–402 (2020).
https://news.stanford.edu/2020/02/19/machine-learning-speed-arrival-ultra-fast-charging-electric-car/
更多精彩内容，关注钛媒体微信号（ID：taimeiti），或者下载钛媒体App
相关文章
-
日本首艘锂电池潜艇服役 艇员全都戴口罩参加仪式
【环球网军事报道】据日本海上自卫队3月5日最新发布的消息，日本第11艘苍龙级潜艇SS-511“凰龙”号的交付入列仪式当天在三菱重工神户造船厂隆重举行。与此前建造的苍龙级潜艇不同的是，“凰龙”号是首艘换用锂电池的苍龙级潜艇，也是世界首艘完全用锂电池取代传统铅酸电池的常规潜艇。可以看到受到新冠肺炎疫情的影响，日本自卫队对参加入列仪式的人数进行了一定限制，艇员们在列队时也都佩戴了口罩。此前据英国《简氏 该潜艇是日本第11艘“苍龙”级潜艇，长84米，标准排水量为2950吨，水中速度约20节。它于2015年11月开...
2020-03-06 18:25:52 日本潜艇锂电池 -
北京新高考首测试怎么实施？提前半小时启动云监考家长当监考员
开启家里摄像头，老师远程监考；打开学校规定的app，考试期间不能中途退出；家长成为“监考员”，发卷、收卷等全包揽；隔空签订“承诺书”，自觉诚信应考……开启家里摄像头，老师远程监考；打开学校规定的app，考试期间不能中途退出；家长成为“监考员”，发卷、收卷等全包揽；隔空签订“承诺书”，自觉诚信应考……开启家里摄像头，老师远程监考；打开学校规定的app，考试期间不能中途退出；家长成为“监考员”，发卷、收卷等全包揽；隔空签订“承诺书”，自觉诚信应考……开启家里摄像头，老师远程监考；打开学校规定的app，考试期间...
2020-03-04 07:08:08 考试考生学校 -
“云高考”是什么意思？2020高考进入倒计时100天！北京新高考首测试：各地高三考试居家备考攻略汇总
2020年高考如期进行，已进入倒计时！按照通常的安排，2月28日，2020年高考将进入100天倒计时。对于疫情阴影笼罩下的高三学生来说，那是他们必须全力以赴的另一场挑战。2020年高考如期进行，已进入倒计时！按照通常的安排，2月28日，2020年高考将进入100天倒计时。对于疫情阴影笼罩下的高三学生来说，那是他们必须全力以赴的另一场挑战。2020年高考如期进行，已进入倒计时！按照通常的安排，2月28日，2020年高考将进入100天倒计时。对于疫情阴影笼罩下的高三学生来说，那是他们必须全力以赴的另一场挑战。...
2020-03-03 19:08:11 倒计时凉山彝族自治州班级 -
北京2020新高考举行首次适应性测试,让我们看看远程云监控考试到底什么样
开启家里摄像头，老师远程监考；打开学校规定的APP，考试期间不能中途退出；家长成为“监考员”，发卷、收卷等全包揽；隔空签订“承诺书”，自觉诚信应考…&he...
2020-03-03 14:43:36 新高考本科北京 -
.jpg&w=224&h=120&zc=1)
不思量自难忘°:一道测试题
经典：一道测试题 励志心语：每个人都会认为以上的回答是最好的，但没有一个人一开始就想到。是否因为我们从未想过要放弃我们手中已经拥有的优势（比如故事中的车钥匙）？有时，如果我们能放弃一些我们的固执、狭隘和一些优势的话，我们可能会得到更多。 这是一家公司招收新职员时中的一道题： 你开着一辆车，在一个暴风雨的晚上，你经过一个车站。有三个人正在等公共汽车，一个是快要死的老人，很可怜；一个是医生，他曾经救过你的命，是大恩人，你做梦都想报答他；还有一个女人（或男人），她（他）是那种你做梦都想娶（嫁）的人，也许...
2020-02-29 09:10:20 有一老人优势 -
三星为汽车安全部署行业领先的新思科技TestMAX XLBIST动态系统内测试解决方案
-作为更广泛合作的一部分，合作目标是实现ASIL-D级设计安全进行功能安全和制造测试新思科技TestMAXXLBIST解决方案通过克服阻碍传统自测试解决方案的硅问题，提供更高的故障覆盖率和更短的测试时间新思科技TestMAXXLBIST是新思科技TestMAX产品系列的最新成员，该产品系列用于实现RTL-to-GDSII测试加州山景城2020年2月28日/美通社/--新思科技（Synopsys,I...
2020-02-28 09:17:04 三星思科测试 -
2020年北京零模什么时间考试怎么考如何安排？北京新高考适应性测试详细安排出炉
近日，市教委发布《关于我市调整2020年高考适应性测试时间和方式的通知》，就有关高考适应性测试的问题给出权威解答，一起来看↓↓北京市2020年高考适应性测试什么时间进...
2020-02-27 17:06:33 北京新高考适应性测试 -
中国向日本捐款明细 核酸检测试剂盒帮助很大
投我以木桃，报之以琼瑶，日本疫情升级，中国援助马上到位了。中国向日本捐款明细受到网友们高度关注，核酸检测试剂盒对日本疫情防控工作帮助很大，不少中国网友还留下了为日本加油的评论，一起来看看详细内容吧。
2020-02-27 12:55:10 日本明细中国
爱心捐赠
我国我们通过中国深圳华大基因科技有限公司和深圳市猛犸公益基金会紧急向日本国立传染病研究所捐赠一批新冠病毒核酸检测试剂盒。物资箱子上面写着，投我以木桃，报之以琼瑶！
全句是：投我以木桃，报之以... -
瑞德西韦测试成功了吗？ 公布试验结果时间在这里
很多人都在关注国内疫情情况，相信同时也在关注治疗病毒新药瑞德西韦，此前就已经有消息报道，瑞德西韦新药进入中国了，而且也进入了测试阶段，各位想了解一下新药瑞德西韦测试成功了吗？一起看一看。瑞德西韦临床试验
2020-02-25 18:55:22 临床试验瑞德测试
瑞德西韦新药主要针对的是新冠状病毒，新药已在武汉医院开始临床试验了，希望新药可以排上用场。那么，瑞德西韦测试成功了吗？目前，测试结果还没有公布，将在4月27日对外公布。
国家知识产权局副局长何志... -
| 留言与评论（共有 0 条评论） |
