中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：4月27-28日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦的中國(guó)光儲(chǔ)端信協(xié)同發(fā)展大會(huì)在重慶國(guó)際博覽中心召開。
此次大會(huì)以“協(xié)同創(chuàng)新 融合發(fā)展”為主題，設(shè)置開幕式暨碳達(dá)峰高峰論壇、工商業(yè)儲(chǔ)能與車網(wǎng)互聯(lián)專場(chǎng)、光儲(chǔ)氫協(xié)同發(fā)展專場(chǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)集成與智能安全預(yù)警系統(tǒng)專場(chǎng)、人工智能與碳足跡專場(chǎng)五個(gè)專場(chǎng)論壇。
來(lái)自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的300余家產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈企業(yè)參加了本次大會(huì)對(duì)話與交流。
中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)、中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)與中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)聯(lián)合承辦，中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)專家委員會(huì)提供學(xué)術(shù)支持。
4月28日下午，北京理工大學(xué)材料學(xué)院副教授郁亞娟受邀在人工智能與碳足跡專場(chǎng)分享主題報(bào)告，報(bào)告題目《鋰離子電池碳-能-材耦合與智能管理》。以下為報(bào)告主要內(nèi)容：
郁亞娟：非常感謝有這個(gè)機(jī)會(huì)和大家交流智能電池、碳足跡和電池建模方面的工作，我們做的工作相對(duì)比較微觀一點(diǎn)，最開始是從實(shí)驗(yàn)室電池是不是綠色的角度去啟動(dòng)我們研究的，主要是做綠色電池評(píng)價(jià)。我們最近比較關(guān)注電池層面的研究，給大家匯報(bào)五個(gè)方面：首先是我們提出的碳—能—材耦合的觀念，碳—能—材這三個(gè)方面的耦合，形成三角形的結(jié)構(gòu)，從材料的角度出發(fā)，材料可以作為能量的載體，又可能在電池的生產(chǎn)或者是使用或者是各種回收的環(huán)節(jié)里產(chǎn)生碳的排放或者碳足跡，這是我們理解的碳—能—材三角形互相反饋的關(guān)系。這種情況下做了電池健康的診斷，我們理想目標(biāo)是讓電池有盡量長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)壽命，對(duì)我們碳足跡來(lái)講是非常有關(guān)聯(lián)的，換言之，電池能夠在固定的設(shè)定功能下，它循環(huán)的次數(shù)越多，相對(duì)來(lái)講整個(gè)生命周期的碳足跡可以被均攤一些，整個(gè)全生命周期碳足跡可以減緩或者是減排的。我們最近兩三年正在開展智能電池的研究，主要是用機(jī)器學(xué)習(xí)的各類算法來(lái)進(jìn)行電池健康評(píng)估，還有電池故障的分析，這一塊我們還正在進(jìn)行探索的工作，主要是想把人工智能和碳足跡減排有一個(gè)比較深度的結(jié)合。
第二、第三、第四部分，我們分享三個(gè)小案例。先講第一個(gè)例子，是我們之前做的探索，基于裝配在電動(dòng)大巴車上鋰離子電池生命周期的評(píng)價(jià)，這個(gè)研究的主要特點(diǎn)，是有兩個(gè)角度的功能單元的定義，在電池的生產(chǎn)還有電池的回收環(huán)節(jié)是用千克或者是質(zhì)量作為功能單元，而在電池使用，當(dāng)裝配到大巴車上的時(shí)候，我們考慮行駛每千米里程對(duì)應(yīng)碳足跡，結(jié)合電池比較特殊的能量負(fù)荷的載體，在使用的生命環(huán)節(jié)里做生命周期評(píng)價(jià)特殊的考量。LCA的實(shí)施步驟，重點(diǎn)的范圍里程或者是空間的概念對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有非常大的影響，主要考慮電池在生產(chǎn)還有在路上以及最后回收時(shí)候的范圍，定義了兩個(gè)電池，代號(hào)是N5和N6，我們進(jìn)行電池在生產(chǎn)過(guò)程碳足跡的核算，圖上展示的是基本的結(jié)果。另外還做了使用階段的，以行駛里程為功能單元的核算。在使用階段，電動(dòng)車真正在馬路上的時(shí)候并不排放二氧化碳，所產(chǎn)生的碳足跡來(lái)自于充放電的過(guò)程當(dāng)中的能源輸入導(dǎo)致的排放，跟我國(guó)的電力結(jié)構(gòu)有非常緊密的關(guān)系，我們國(guó)家目前來(lái)說(shuō)電力結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較傳統(tǒng)的一個(gè)結(jié)構(gòu)，所以未來(lái)我們有很大的發(fā)展空間，如果電力結(jié)構(gòu)越來(lái)越走上綠色化清潔化的話，未來(lái)行駛階段的碳足跡會(huì)越來(lái)越往可持續(xù)發(fā)展或者是低碳環(huán)保的角度發(fā)展。回收階段也很有意思，國(guó)內(nèi)有一些報(bào)道，對(duì)于回收的工藝有很多的探索，一個(gè)是物質(zhì)流、一個(gè)是能量流兩個(gè)維度，這兩個(gè)維度對(duì)回收技術(shù)有直接的響應(yīng)關(guān)系，如果采取相對(duì)比較清潔回收手段，對(duì)回收階段碳足跡具有很好的減排貢獻(xiàn)，當(dāng)然這是從大巴車電池角度去做的。
第三部分，也就是第二個(gè)例子，是關(guān)于固態(tài)電池這一塊的研究，固態(tài)電池這一塊，我們用比較流行的足跡家族的概念來(lái)分析，以碳足跡為其中一個(gè)代表，所有的足跡都是與生態(tài)環(huán)境、資源或者是可持續(xù)發(fā)展有關(guān)。我們拓展了足跡家族指標(biāo)，之前是主要做三個(gè)：碳足跡、水足跡和生態(tài)足跡，后來(lái)拓展到了物質(zhì)足跡和健康足跡角度，碳足跡直接跟碳中和有相應(yīng)，另外，足跡主要是跟電池這個(gè)產(chǎn)品是不是綠色，是不是環(huán)保，是不是有利于整個(gè)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有一些不是對(duì)應(yīng)的1對(duì)1的關(guān)系，但是是相應(yīng)的反饋機(jī)制，我們就把它作為足跡家族體系反映電池的可持續(xù)性。我們的實(shí)施步驟，擴(kuò)充了足跡家族指標(biāo)體系以后，首次對(duì)固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行LCA評(píng)價(jià)。（圖上）這是計(jì)算方面的方式，這是幾個(gè)計(jì)算結(jié)果，這邊是碳足跡、水足跡、生態(tài)足跡、健康足跡的情況。進(jìn)行比較以后發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池有一些足跡是比較大的，還有一些固態(tài)電池相對(duì)來(lái)說(shuō)足跡家族體系比較綠色。為了進(jìn)一步分析，我們分析了對(duì)足跡指標(biāo)值貢獻(xiàn)比較大的成分，發(fā)現(xiàn)由于某些特定組分的存在，導(dǎo)致最終其足跡家族的情況并不優(yōu)于傳統(tǒng)電池的。這對(duì)一個(gè)電池所謂的好壞或者有沒(méi)有推廣價(jià)值，要從經(jīng)濟(jì)性和工藝的推廣，還有是不是綠色和碳中和好幾個(gè)維度去比，我們這邊重點(diǎn)是講綠色維度的情況。這邊講了一些結(jié)果，就不具體的展開，有一些細(xì)節(jié)的研究，這些研究比較細(xì)、比較微觀。我們對(duì)文獻(xiàn)上最新報(bào)道電池的清單進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，有一些電池還沒(méi)有得到大規(guī)模商業(yè)的應(yīng)用和推廣，我們也做了一些計(jì)算。其實(shí)整個(gè)電池組的使用，生產(chǎn)的時(shí)候可能跟某一些比較多的特定成分的影響是很大的，在使用環(huán)節(jié)也是跟電力結(jié)構(gòu)有非常重要的響應(yīng)關(guān)系，未來(lái)如果電力結(jié)構(gòu)走向更加清潔化的話，整個(gè)電池體系全生命周期的碳足跡或者生態(tài)足跡家族都會(huì)走向更好的情況。這邊是使用階段的足跡家族的分析，發(fā)電端這一塊的影響是最大的，生態(tài)足跡這一塊，我們發(fā)現(xiàn)中國(guó)的核電這一塊，在整個(gè)比例里面相對(duì)來(lái)說(shuō)比較清潔的，沒(méi)有產(chǎn)生更多的一些排放，在核能安全利用的情況下，這是比較好的方向，有可能會(huì)提示我們電力結(jié)構(gòu)的多樣化會(huì)有更多的往核電或者其他清潔能源考慮。健康足跡這一塊有一個(gè)值得關(guān)注的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)日本產(chǎn)生的致癌物質(zhì)和非致癌物質(zhì)兩種，健康指標(biāo)的貢獻(xiàn)比較大一點(diǎn)，可能也是跟整個(gè)產(chǎn)品污染物排放有重大的關(guān)聯(lián)。
第四部分是最后一個(gè)例子，講一下我們現(xiàn)在正在進(jìn)行的電池健康的基于學(xué)習(xí)算法的模型，比如以動(dòng)力電池為例，肯定是有里程焦慮的原因，定義目前電池健康的狀態(tài)以及剩余壽命兩個(gè)概念，來(lái)表征電池運(yùn)行的情況。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池健康管理，我們?nèi)プ鲞@樣一個(gè)研究，后續(xù)還要加強(qiáng)對(duì)電池的健康還有壽命預(yù)測(cè)、故障診斷和故障預(yù)判，這一塊應(yīng)該也是熱點(diǎn)，很多國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者正在開展這一塊的研究，我們覺(jué)得這是比較重要的領(lǐng)域之一，我們也正在挖掘它跟碳中和的關(guān)系。碳足跡的減排跟電池的使用壽命穩(wěn)定安全長(zhǎng)效壽命有直接的關(guān)系，我們通過(guò)人和器材的配合優(yōu)化管理，實(shí)現(xiàn)電池能更長(zhǎng)壽命、更多循環(huán)周期，由此就能幫助我們更好的減少碳足跡的排放，實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。比如說(shuō)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，一開始切入點(diǎn)是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，后來(lái)發(fā)現(xiàn)可能要做更多的混合驅(qū)動(dòng)，加入了機(jī)理或者是模型原理性的東西。我們這邊做的是梯度提升樹原理，和Boosting原理。首先是特征的構(gòu)造，描述一些信息，然后去做采集。對(duì)特征進(jìn)行篩選，然后做特征的分析，然后做膨脹因子的篩選。這邊還做了一個(gè)特征組合的東西，其實(shí)特征的篩選識(shí)別對(duì)電池的健康建模非常重要，我們這邊做了很多的嘗試，做了12個(gè)特征再去篩選組合，看哪種能代表又能算法的快捷性和準(zhǔn)確性。最后去做結(jié)果的驗(yàn)證，得到的效果還是比較好的。為了加快算法的推進(jìn)，減少算力的依賴性，用的是迭代循環(huán)，每十個(gè)循環(huán)出現(xiàn)一個(gè)劃分，這樣像爬樓梯一樣的去推動(dòng)計(jì)算的提升，這樣可以加快計(jì)算的速度，提高時(shí)間的需求，對(duì)時(shí)間可以有更好的改進(jìn)，首先是尋找參數(shù)并訓(xùn)練模型，GBM模型，做卡爾曼濾波的修正，做容量數(shù)據(jù)的更新和迭代，最后是模型的驗(yàn)證，還有結(jié)果的分析。這邊展示的是我們開發(fā)的電池健康狀態(tài)和剩余壽命預(yù)測(cè)平臺(tái)，這邊我們一直在不斷的加模塊，把之前開發(fā)的各種模塊都綜合到一起，然后做平臺(tái)的界面，后續(xù)正在開發(fā)更多的算法，去適用于更多的電池。比如之前是以小電芯或者是動(dòng)力電池小的單體為主要的對(duì)象，現(xiàn)在正在開發(fā)更多的對(duì)于大的電池組或者是模組或者是電池艙進(jìn)行更多的應(yīng)用，對(duì)大電池組存儲(chǔ)的電化學(xué)性能一致性分析，或者大規(guī)模的故障預(yù)判診斷等，都是我們現(xiàn)在開展的工作。這邊是健康管理系統(tǒng)，這個(gè)平臺(tái)我們是在不斷的開放去包容更多的算法或者模型進(jìn)去的。這是結(jié)果情況展示，這是總體的健康評(píng)估平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)，現(xiàn)在還正在加更多的模塊。
最后是第五塊匯報(bào)內(nèi)容，給大家總結(jié)一下關(guān)于鋰電池智能管理我們的一些想法，首先是機(jī)器學(xué)習(xí)和智能電池有非常緊密的關(guān)系，想法用機(jī)器學(xué)習(xí)比較好的算法來(lái)去優(yōu)化電池健康建模，還有電池剩余壽命和電池故障的診斷，這一塊我們正在做工作，相信以后還有機(jī)會(huì)的話，把這個(gè)工作做成熟了以后繼續(xù)跟各位專家匯報(bào)。實(shí)際上機(jī)器學(xué)習(xí)是非常重要的挖掘的點(diǎn)，在智能電池管理這一塊有很多的工作可以做，大家如果有興趣的話后期可以再深入的討論。關(guān)于智能電池管理和碳中和有一個(gè)非常重要的連接的點(diǎn)，電池管理的優(yōu)化是為了能讓電池更加安全長(zhǎng)效穩(wěn)定的去運(yùn)行，避免它過(guò)早的進(jìn)入衰減老化的下一個(gè)生命周期階段。我們智能電池管理的目標(biāo)就是盡量適配電池現(xiàn)有的狀態(tài)，或者說(shuō)智能的調(diào)整它現(xiàn)在的狀態(tài)，讓它能有更好的運(yùn)行的長(zhǎng)生命周期，減少單次循環(huán)的碳排放，得到碳中和的目標(biāo)。我們現(xiàn)在還正在做更多的有關(guān)電池健康或者電池故障診斷的模型算法，或者是改進(jìn)，或者是應(yīng)用到更多實(shí)際電站，這一塊我們還不是特別的成熟，后續(xù)還會(huì)繼續(xù)的改進(jìn)。
以上是我的匯報(bào)，請(qǐng)大家批評(píng)指正！
