热失控是什么？为什么会危险？
当电池因过充、短路或高温受到刺激时，内部化学反应会变得不稳定。 温度升高后，电池释放出更多热量，像“雪球效应”一样加速升温。 最后，这可能导致电池起火甚至爆炸，危害人身和财产安全。
AI助力电池热失控的快速预测
为了防止电池热失控，我们需要回答两个关键问题：
1. 热失控会什么时候开始？
2. 火焰会怎么传播？
传统方法往往耗时耗力，而且很难准确预测。为此，香港理工大学团队开发了一个结合数值模拟和AI的新方法，像“给电池装上大脑”，让它能预测危险。
第一步：用数值模拟了解电池热失控行为
我们通过数值模拟工具FDS重建了电池在不同条件下的热失控行为[3]，比如不同类型的电池、不同的环境温度和不同的热释放速率等。在这项研究中，我们使用FDS构建了由18650圆柱形电池构成的4×3的电池包。通过激活第二节电池内部的热生成来触发热失控的初始发生，模拟电池内短路温度的快速升高。一旦相邻电池温度达到180°C的阈值，即触发临近电池的放热效应，进而触发相邻电池的热失控使得火势蔓延。这种模拟不仅考虑了电池之间的热量传递，还模拟了火焰的外部影响，确保热失控的传播过程能够真实再现。
第二步：AI预测热失控和火焰传播
接着，我们用AI模型分析这些数据，训练它识别热失控发生的规律，并预测温度分布和火焰传播路径。AI就像“预测大师”，不仅能准确告诉我们热失控会什么时候发生，还能模拟火焰会往哪儿烧。为了实现这一目标，我们使用了两种不同的人工智能方法：人工神经网络（ANN）和卷积神经网络（CNN）。
首先，人工神经网络（ANN）被用来预测热失控的发生时间。通过学习大量的电池热失控数据，ANN能够识别出电池在不同条件下热失控的潜在模式，帮助我们准确地预测热失控何时会发生。这种方法具有极高的准确性，对于数据库内的场景，预测误差可以控制在10%以内，而对于未见过的新情况，误差仍然保持在30%以下。
此外，卷积神经网络（CNN）则用于预测热失控时电池组的温度分布和关键事件。CNN能够处理复杂的空间信息，模拟电池组内部不同位置的温度变化，帮助我们准确了解热失控过程中温度是如何在电池组内传播的。模型的表现非常出色，预测的温度分布与实际情况高度吻合，R²值超过0.99，最大均方误差（MSE）为1.52 s²。这两种AI技术的结合，使得我们能够更好地预测和防范电池热失控的风险，确保电池管理系统的安全性和可靠性。
小结
通过结合AI和数值模拟，我们为解决电池热失控问题提供了一条全新的路径。这不仅是科技的突破，也为我们带来了更安全、更智能的电池技术。未来，我们的设备将变得更加可靠，而这种技术可能会成为背后默默守护我们的“安全卫士”。
上述研究由理大火灾安全实验室与伦敦国王学院合作完成，受香港主题研究计划及SFPE学生研究项目资助，发表于计算流体力学核心刊物《Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics》[3]，OA开放获取。理大火灾安全实验室将持续推进这项工作。
相关链接文献
[1] X. Feng, M. Ouyang, X. Liu, L. Lu, Y. Xia, X. He, Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review, Energy Storage Mater. 10 (2018) 246–267.
[2] H. Niu, C. Chen, Y. Liu, L. Li, Z. Li, D. Ji, X. Huang (2022) Mitigating Thermal Runaway Propagation of NCM 811 Prismatic Batteries via Hollow Glass Microspheres Plates, Process Safety and Environmental Protection, 162, 672-683.
[3] Z. Wang, H. Sadeghi, X. Huang, F. Restuccia, Thermal runaway and flame propagation in battery packs: numerical simulation and deep learning prediction, Eng. Appl. Comput. Fluid Mech. 19 (2025) 2445160. https://doi.org/10.1080/19942060.2024.2445160.
王自龙：香港理工大学博士后，研究领域为基于人工智能的智慧消防技术。
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黄鑫炎：香港理工大学副教授、博士生导师，研究领域包括基础燃烧科学和火灾安全应用。
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图文 | 王自龙
编辑 | 陆 童
审核 | 黄鑫炎
