Bu tədqiqat, dört batareya paketinin üst-üstə yerləşdirildiyi 186,4 kWh kapasiteli bir litium dəmir fosfat enerji saxlama sisteminde soyuducu akışkanın paketler arasında eşit dağıtılamaması sorununu araşdırır. Tədqiqatçılar, R410A soyuducu akışkanının birbaşa batarya altındaki soyuq plakalarda buxarlandığı bir sistemi deneysel olarak ölçmüş; ardından katı bölgelerdeki istilik keçirilməsi ile iki fazalı akışkan hareketini birlikte çözen üç boyutlu bir hesablama maye dinamikası modeli geliştirmiştir.

Model, 25 °C ortamda 93,2 kW sabit gücle gerçekleştirilen 7200 saniyelik boşalma təcrübəsi kullanılarak doğrulanmıştır. Deney sonunda batareya klasterinin ortalama sıcaklığı 30,24 °C olmuş; simülasyon ile deney arasındaki orta mütləq xəta 0,50 °C, kök orta kvadrat xəta 0,56 °C ve son andaki temperatur hatası 0,08 °C olarak hesaplanmıştır. Bu doğrulama sistemin orta temperatur tepkisini əhatəktadır; yerel təzyiq, buxar nisbəti, faz paylanması ve təzyiq itkisi birbaşa deneysel olarak doğrulanmamıştır.

Tədqiqatçılar tam paralel, tam ardıcıl ve qarışıq seri-paralel bağlantılardan oluşan on fərqli boru şəbəkəsi düzenini müqayisə etmişdir. En iyi temperatur paylanmasını, soyuducu akışkanı dört soyuq plakadan tek bir kesintisiz yol boyunca geçiren D2 ardıcıl bağlantısı təmin etmişdir. D2 düzeninde 7200 saniye sonunda en yüksək batarya sıcaklığı 32,20 °C, küme içindeki en büyük temperatur fərqi 3,80 °C olmuştur. Sıcaklık farkı, tam paralel D5 düzenindeki təxminən 5,50 °C değerinden yüzde 30,9 daha aşağıtür.

Seri bağlantının istilik üstünlüyüı örütubətli bir hidrolik bedelle elde edilmiştir. D2 düzeninin soyuducu akışkan təzyiq itkisi 29,029 kPa iken D1 paralel düzeninde bu değer yalnız 0,909 kPa’dır. Bu nedenle D2, tədqiqatda temperatur güvenliği ve eş dağılım açısından tercih edilen topologiya olsa da enerji tüketimi veya sistem məlumatmliliği açısından en iyi çözüm olarak kabul edilemez.

D2 topologiyasınin giriş koşulları Kriging əvəzedici modelləri, NSGA-II ve TOPSIS kullanılarak ayrıca optimize edilmiştir. Seçilen koşul; 0,05 kg/s kütləvi sərf, 15,9 °C giriş temperaturu ve 0,21 giriş buxar keyfiyyətinden oluşmaktadır. Üç boyutlu CFD doğrulamasında ən yüksək temperatur 30,48 °C’ye, en büyük temperatur fərqi 3,42 °C’ye azalmışdır. Bunlar başlangıç D2 koşuluna göre sırasıyla yüzde 5,3 ve yüzde 10,0 iyileşmedir. Ancak kütləvi sərf izin məlumatlen aralığın üst sınırına ulaşmış ve optimizasyonda təzyiq itkisi, kompresör tüketimi veya soğutma performans katsayısı amaç fonksiyonu olarak kullanılmamıştır.

Tədqiqatın ele aldığı temel sorun nedir?

Büyük kapasiteli litium-ion batareya enerji saxlama sistemləri; yenilenebilir enerji üretiminin dengelenmesi, şebeke tezlik kontrolü ve elektrik talebinin yoğun saatler dışına kaydırılması gibi tətbiqlərda istifadə olunur. Bu sistemlerde yüzlerce hüceyrə uzun süre şarj veya deşarj edildiğinde üretilen ısı, paketler arasında ve eyni paketin fərqli bölgelerinde eşit dağılmayabilir.

Batarya paketlerinin şaquli şəkildə üst-üstə yerləşdirilməsi, soğutucu dağılımını daha da qarışıqşık hâle getirir. Soğutucu akışkanın sıvı ve buhar fazları fərqli yoğunluklara sahiptir. Şaquli yükselti, yerçekimi, boru direnci, bağlantı noktalarındaki yerel kayıplar ve fazların dallara ayrılma biçimi, her yüksəklikteki soyuq plakaya eyni miktarda sıvı soğutucu ulaşmasını engelleyebilir.

Bir pakete daha fazla sıvı soğutucu giderken başka bir pakete buharca zengin ve ısı taşıma kapasitesi daha aşağı bir karışım ulaşabilir. Paketlerin orta temperaturları birbirine yakın görünse bile belirli hüceyrələrde sıcak bölgeler oluşabilir. Tədqiqatnın deneysel sonuçları da ortalama paket temperaturları arasındaki farkın yalnız 0,15 °C olmasına rağmen küme genelindeki yerel temperatur fərqinın 2,88 °C’ye ulaştığını göstərmişdir.

Birbaşa soyuducu akışkanla soğutma nasıl tədqiqatktadır?

Birbaşa soyuducu akışkanla soğutmada bataryanın altındaki soyuq plaka, buharlaştırıcı görevi görür. R410A soyuducu akışkanı plakanın kanallarına girer, bataryadan gelen ısıyı alır ve kısmen buxarlanır. Faz değişimi sırasında emilen gizli ısı, nispeten küçük bir akışkan debisiyle yüksək ısı taşıma kapasitesi təmin edə bilər.

Geleneksel sıvı soğutma sistemlerinde soğutucu sıvı ile soğutma çevrimi arasında ayrı bir ısı değiştiricisi bulunabilir. Doğrudan soğutmada soyuq plakanın kendisi soğutma çevriminin buharlaştırıcısı olduğundan ikincil sıvı devresi ve ara ısı değiştiricisi ortadan kaldırılabilir. Bu durum sistemi daha kompakt hâle getirebilir ve ısı aktarım yolunu kısaltabilir.

Buna karşılık soyuducu akışkanın soyuq plaka içinde sıvıdan buhara dönüşmesi, tek fazlı su veya glikol dolaşımından daha qarışıqşık bir dağılım problemi yaradır. Girişteki temperatur, kütləvi sərf, buxar keyfiyyəti, kanal basıncı ve boru topologiyası birlikte qiymətləndirilməlidir.

İncelenen batareya klasterinin yapısı

Deney sistemi təxminən 186,4 kWh enerjiye ve 665,6 V nominal gərginlike sahip dört katlı bir batareya klasteridir. Her batareya paketi seri bağlı 52 adet 280 Ah prizmatik litium dəmir fosfat hüceyrə içermektedir. Bir paketin enerjisi 46,592 kWh, nominal gərginliki 166,4 V’tur.

Her paket 941,65 mm × 729,7 mm × 205,67 mm ölçülerindedir. Paketlerin altında 1209 mm × 808 mm × 5,5 mm boyutlarında birbaşa soyuducu akışkanlı soyuq plakalar bulunmaktadır. Hücre tabanları ile soyuq plaka arasına istilik keçirən pad, komşu hüceyrələr arasına ise aerojel izolyasiya levhaları yerleştirilmiştir.

Batarya hüceyrəsinin modelde kullanılan temel özellikleri şöyledir:

• Nominal kapasite: 280 Ah
• Nominal gərginlik: 3,2 V
• Kütle: 5,43 ± 0,2 kg
• Boyutlar: 71,65 mm × 174,7 mm × 204,47 mm
• Katot: Lityum demir fosfat
• Anot: Grafit
• Yoğunluk: 2000 kg/m³
• Özgül ısı kapasitesi: 1000 J/(kg·K)
• Üç ana yöndeki ısıl iletkenlik: 14, 4 ve 24 W/(m·K)

Sıcaklıklar nasıl ölçülmüştür?

Her batareya paketine 28 adet T tipi termocüt yerleştirilmiştir. Dört pakette toplam 112 temperatur noktası istifadə edilmişdir. Ölçüm noktaları soğutucu girişine, plakanın orta bölgesine ve çıkışına karşılık gelen hüceyrə bölgelerinin yanı sıra paket merkezini ve çevresini əhatəktadır.

Termokuplların belirtilen doğruluğu ±0,5 °C, örnekleme aralığı 1 saniyedir. Sıcaklık, cərəyan ve gərginlik məlumatlari eş zamanlı kaydedilmiştir. Bu yoğun sensör ağı, yalnız paket ortalamalarının değil eyni paketdaxilindeki yerel temperatur farklarının da izlenmesini təmin etmişdir.

Deney koşulları

Deneyler 25 °C’de tutulan kapalı bir temperatur kontrollü odada gerçekleştirilmiştir. Batarya kümesi 93,2 kW sabit gücle 7200 saniye boyunca boşaltılmıştır. Bu tədqiqat koşulu tədqiqatçılar tarafından 0,5P olarak adlandırılmıştır.

Başlangıçtaki birbaşa soyuducu akışkan koşulları şöyledir:

• Soğutucu akışkan: R410A
• Kütlesel debi: 0,025 kg/s
• Giriş sıcaklığı: 18 °C
• Giriş buxar keyfiyyəti: 0,20
• Boşalma süresi: 7200 saniye
• Ortam ve başlangıç katı sıcaklığı: 25 °C

Deney platformunda kompresör, kondenser, elektronik genleşme klapani, gaz-sıvı ayırıcı, dört soyuq plaka, batareya klasteri ve məlumat toplama sistemi bulunmaktadır. Deneysel doğrulama sırasında dört soyuq plaka paralel bir buharlaştırıcı ağı olarak bağlanmıştır.

Batarya ısısı nasıl modellenmiştir?

Batarya hüceyrələri tek bir eşdeğer katı blok olarak değil, üç yönde fərqli ısıl iletkenliğe sahip anizotropik sürekli katılar şeklinde modellenmiştir. Isıl iletkenlik tensörü şöyledir:

\[ \boldsymbol{\lambda}_s = \begin{bmatrix} \lambda_x & 0 & 0 \\ 0 & \lambda_y & 0 \\ 0 & 0 & \lambda_z \end{bmatrix} \]

Burada λ_x, λ_y ve λ_z, hüceyrənin üç ana yöndeki etkin ısıl iletkenlikleridir. Hücrenin iç katmanlı yapısı nedeniyle ısı fərqli yönlerde eyni hızda yayılmamaktadır.

Katı bölgelerdeki geçici temperatur alanı genel olarak şu enerji denklemiyle temsil edilmiştir:

\[ \rho_s c_{p,s}\frac{\partial T_s}{\partial t} = \nabla \cdot \left(\boldsymbol{\lambda}_s \nabla T_s\right) + q_b \]

ρ_s katı yoğunluğunu, c_p,s özgül ısı kapasitesini, T_s katı sıcaklığını ve q_b birim hacimdeki batarya istilik yaranmasıni ifade etmektedir.

Batarya ısısı, geri döndürülemez direnç kaybı ile geri döndürülebilir entropik istiliknın toplamı olarak Bernardi yaklaşımıyla hesaplanmıştır:

\[ q_b = \frac{ I^2 R_{\mathrm{int}}(\mathrm{SOC},T_b) + I T_b \frac{\partial U_{\mathrm{oc}}}{\partial T_b} }{V_b} \]

Burada I batarya cərəyanını, R_int temperatur ve doluluq vəziyyətina bağlı iç direnci, T_b batarya sıcaklığını, U_oc açık devre gərginlikini ve V_b hüceyrə hacmini göstərir.

İç direnç değerleri 10, 20, 30 ve 40 °C’de gerçekleştirilen hibrit darbe güc karakterizasyonu testleriyle belirlenmiş; entropik istilik katsayısı fərqli temperaturlardaki denge gərginliki deneylerinden elde edilmiştir. İç direnç ve entropik katsayı, doluluq vəziyyətina bağlı polinomlarla CFD modeline aktarılmıştır.

Katı ve akışkan bölgeleri nasıl bağlanmıştır?

Batarya, istilik keçirən pad ve soyuq plaka katı bölgeyi; R410A kanalları, düşey dağıtım boruları, bağlantılar ve dirsekler akışkan bölgeyi yaratmışdır. Katı-akışkan arayüzünde sıcaklığın ve ısı akısının sürekli olduğu kabul edilmiştir:

\[ T_s = T_f \]

\[ -\lambda_s\frac{\partial T_s}{\partial n} = -\lambda_f\frac{\partial T_f}{\partial n} \]

T_s ve T_f katı ile akışkan temperaturlarını; λ_s ve λ_f ısıl iletkenlikleri; n ise yüzeye dik yönü ifade etmektedir.

Modelde hüceyrə bağlantı uçları, elektrot tabakaları, ayırıcılar ve ikincil yapısal ayrıntılar açık biçimde modellenmemiştir. Batarya kümesinin xarici səthi adiabatik kabul edilmiştir. Bu kabul, çevreyle doğal taşınım ve xarici səthden ısı kaybını dışarıda bırakarak soyuq plaka üzerinden gerçekleşen baskın ısı aktarım yoluna odaklanmaktadır.

R410A iki fazalı axını nasıl modellenmiştir?

Soğuk plakalarda R410A kısmen sıvı, kısmen buhar hâlindedir. Tədqiqatda STAR-CCM+ içindeki Mixture çok fazlı modeli istifadə edilmişdir. Sıvı ve buhar fazlarının ortalama hareketi karışım denklemleriyle, fazlar arasındaki hız farkı ise sürüklenme hızı terimiyle temsil edilmiştir.

Faz değişimi yerel doyma durumuna dayanan buharlaşma-yoğuşma modeliyle; dirsek ve bağlantılardaki türbülans ise gerçekleştirilebilir k-ε modeliyle hesaplanmıştır.

Soğutucu akışkanın buxar keyfiyyəti şu entalpi ilişkisiyle tanımlanmıştır:

\[ x = \frac{h-h_{\mathrm{l,sat}}} {h_{\mathrm{v,sat}}-h_{\mathrm{l,sat}}} \]

x buxar keyfiyyətini, h karışımın özgül entalpisini; h_l,sat ve h_v,sat ise yerel təzyiqtaki doymuş sıvı ve doymuş buhar entalpilerini göstərir. Buhar kalitesinin artması, akış içindeki kütlenin daha büyük bölümünün buhar fazında bulunduğu anlamına gelir.

Soğutucu akışkan özellikleri nasıl elde edilmiştir?

R410A’nın doymuş sıvı ve buhar özellikleri NIST REFPROP məlumatlarinden alınmış ve CFD yazılımında kullanılmak üzere təzyiq veya sıcaklığa bağlı bağıntılarla ifade edilmiştir. Bağıntıların geçerli olduğu aralık 273,15–313,15 K ve 7,9805–24,1870 bar mutlak təzyiqtır.

Sıvı ve buhar yoğunluğu, ısıl iletkenlik, dinamik viskozite, özgül ısı kapasitesi ve doyma sıcaklığı için oluşturulan bağıntıların belirleme katsayıları 0,998’in üzerinde, azami göreli sapmaları yüzde 0,7’nin altında bulunmuştur. Bu yüksək uyum, özellik bağıntılarının belirtilen aralıkta REFPROP məlumatlarini doğru biçimde yeniden ürettiğini göstərir.

Bu sonuç, yerel iki fazalı axın tahminlerinin deneysel olarak doğrulandığı anlamına gelmez. Yalnızca modele girilen termofiziksel özellik bağıntılarının kullanılan məlumat tabanına yüksək uyum gösterdiğini belirtir.

Model doğrulamasının sonuçları

Modelin doğrulanmasında, deneysel olarak ölçülen batareya klasteri ortalama sıcaklığı ile simülasyon sonucu karşılaştırılmıştır. Kullanılan hata ölçütleri şöyledir:

Simülasyon, ölçülen ortalama sıcaklığın zaman içindeki artış eğilimini iyi biçimde yeniden üretmiştir. Bu nedenle model fərqli boru topologiyalerinin eyni sayısal koşullar altındaki göreli karşılaştırması için istifadə edilmişdir.

Doğrulamanın kapsamı sınırlıdır. Paket içindeki yerel temperaturların tamamı, boru təzyiqları, soğutucu kütləvi sərfsinin dallar arasındaki dağılımı, buxar keyfiyyəti ve toplam təzyiq itkisi deneysel olarak doğrulanmamıştır. Tədqiqatnın bu büyüklüklerle ilgili sonuçları mutlak ölçmə yerine topologiyaler arası göreli yorum için kullanılmalıdır.

Deneysel temperatur paylanması ne göstərmişdir?

7200 saniye sonunda Pack 1’de ölçülen ən yüksək temperatur 31,8 °C, en aşağı temperatur təxminən 29,2 °C olmuştur. Pack 2 ve Pack 3 təxminən 31,1 °C azami sıcaklığa ulaşmış; Pack 4’te de ən yüksək temperatur təxminən 31,1 °C olarak ölçülmüştür.

Paketlerin orta temperaturları şöyledir:

Küme ortalaması 30,24 °C, küme genelindeki en yüksək ve en aşağı ölçmə arasındaki fark 2,88 °C’dir. Ortalama temperaturlar neredeyse eyniyken en üst paketin yerel temperatur paylanması en alt paketten daha kötüdür. Bu durum ortalama sıcaklığın tek başına soğutma eşitsizliğini göstermeye yetmediğini ortaya koymaktadır.

Tədqiqatda bütün ölçmələrin 35 °C’lik değerlendirme sınırının altında kaldığı belirtilmiştir. Bu değer tədqiqatnın karşılaştırma ölçütüdür; her batarya kimyası ve kullanım koşulu için evrensel təhlükəsizlik sınırı olarak yorumlanmamalıdır.

On fərqli boru topologiyası nasıl sınıflandırılmıştır?

Tədqiqatçılar D1’den D10’a kadar on bağlantı düzeni tasarlamıştır:

• D1 ve D5: Tamamen paralel bağlantılar
• D2 ve D6: Tamamen ardıcıl bağlantılar
• D3, D4 ve D7–D10: Seri ve paralel bölümleri birleştiren qarışıq bağlantılar

Paralel düzenlerde ana borudaki soğutucu eyni anda fərqli yüksəkliklerdeki dört soyuq plakaya ayrılır. Akış yolları kısa ve toplam direnç aşağıtür. Ancak sıvı ile buharın şaquli boruda fərqli davranması, her dala eyni debi ve faz oranının ulaşmasını zorlaştırır.

Seri düzende paralel ayrılma bulunmaz. Aynı toplam kütləvi sərf dört soyuq plakadan sırayla geçer. Bu durum katlar arasındaki debi farkını azaltır; fakat akış yolu uzadığı için sürtünmə ve yerel təzyiq kayıpları artar. Ayrıca soyuducu akışkan buharlaştıkça sonraki soyuq plakalara fərqli termodinamik durumda ulaşır.

Karma düzenler akış direnci ile dağılım eşitliği arasında ara çözüm sağlamaya tədqiqatktadır. Buna rağmen dal ayrılma ve birleşme noktalarında oluşan faz fərqlilıkları sonraki soyuq plakalara taşınabilmektedir.

Basınç kayıplarının karşılaştırılması

Paralel düzenlerin təzyiq itkisi açık biçimde daha aşağıtür. Tam seri D2 ve D6 düzenleri ise dört soyuq plaka ile bağlantı borularından geçen uzun yol nedeniyle en yüksək kayıpları yaratmışdır. D2’nin təzyiq itkisi D1’in təxminən 32 katı, D6’nın təzyiq itkisi təxminən 40 katıdır.

Tədqiqat yalnız buharlaştırıcı tarafındaki boru şəbəkəsi təzyiq itkisinı hesaplamıştır. Kompresörün bu farkı karşılamak için ne kadar ek güc tüketmesi gerektiği, soğutma çevriminin performans katsayısı ve toplam sistem məlumatmi hesaplanmamıştır.

Sıcaklık alanları boru topologiyasıne göre nasıl değişmiştir?

Üç boyutlu temperatur alanları, tam paralel bağlantılarda belirgin şaquli tabakalaşma oluştuğunu göstərmişdir. Özellikle D5 düzeninde alt paketler daha soğuk, üst paketler daha sıcak kalmıştır. Bu görünüm, şaquli dağıtım borusunda üst dallara daha az sıvı ve daha fazla buhar ulaşmasıyla ilişkilendirilmiştir.

Tam seri D2 düzeninde dört soyuq plakadan eyni kütləvi sərf geçtiği için katlar arasındaki fark azalmışdır. Soğutucu akışkanın buxar keyfiyyəti yol boyunca yükselse de paralel bir bağlantı noktasında sıvı ve buharın fərqli kollara ayrılması önlenmiştir.

Karma topologiyaler paralel düzenlere göre tabakalaşmayı azaltmış, lakin bazı kenarlarda ve akış yönündeki sonraki soyuq plakalarda sıcak bölgeler bırakmıştır. Tədqiqatçılar bu durumu dallanma noktalarında oluşan faz fərqlilıklarının sonraki bölümlere taşınmasıyla açıklamıştır.

Buhar dağılımı temperatur farklarını nasıl izahktadır?

Paralel topologiyalerin üst kollarında daha yüksək buhar kütle oranları ve daha aşağı sıvı bulunabilirliği hesaplanmıştır. Sıvı soğutucunun buharlaşma kapasitesi yüksək olduğundan, sıvı beslemesinin azalması soyuq plakanın yerel ısı çekme kapasitesini sınırlandırabilir.

D2’de paralel ayrılma olmadığı için eyni akış dört plaka boyunca ilerlemiştir. Akışkanın buxar nisbəti yol boyunca artmış, lakin katlar arasındaki debi ve faz bölüşümü farkı azaltılmıştır.

Bu faz dağılımları, üç boyutlu CFD modelinin göreli tahminleridir. Yerel buxar keyfiyyəti veya sıvı film dağılımı sensörlerle ölçülmediği için renkli faz haritaları gerçek sistemdeki kesin yerel değerler olarak değerlendirilmemelidir.

En iyi ısıl topologiya hangisidir?

Tədqiqatda temperatur güvenliği ve temperatur eşitliği birlikte önceliklendirildiğinde D2 seçilmiştir. 7200 saniye sonunda D2’nin en yüksək batarya sıcaklığı 32,20 °C’dir. Karşılaştırılan topologiyaler arasında en yüksək sonuç təxminən 33,6 °C ile D8’de görülmüşdür.

D2’nin en büyük temperatur fərqi 3,80 °C iken D5’te bu değer təxminən 5,50 °C’dir:

\[ \frac{5{,}50-3{,}80}{5{,}50}\times100 \approx 30{,}9\% \]

Bu sonuç, tam ardıcıl akış yolunun D5’e göre temperatur fərqinı yüzde 30,9 azalttığını göstərir. Ancak D2’nin 29,029 kPa təzyiq itkisi, ısıl iyileşmenin sistem enerjisi texniki xidmətından ücretsiz olmadığını ortaya koymaktadır.

Optimizasyonda hangi değişkenler istifadə edilmişdir?

D2 topologiyası seçildikten sonra üç giriş değişkeni optimize edilmiştir:

\[ \mathbf{x} = \left[ \dot{m}_{\mathrm{in}}, T_{\mathrm{in}}, x_{\mathrm{in}} \right] \]

ṁ_in soyuducu akışkan kütləvi sərfsini, T_in giriş temperaturunı, x_in giriş buxar keyfiyyətini ifade etmektedir.

Aynı anda küçültülmeye çalışılan iki amaç şöyledir:

\[ \min \mathbf{f}(\mathbf{x}) = \left[ T_{\max}(\mathbf{x}), \Delta T_{\max}(\mathbf{x}) \right] \]

Değişkenlerin tarandığı aralıklar:

\[ 0{,}005 \leq \dot{m}_{\mathrm{in}} \leq 0{,}050\ \mathrm{kg/s} \]

\[ 15 \leq T_{\mathrm{in}} \leq 20\ ^\circ\mathrm{C} \]

\[ 0{,}10 \leq x_{\mathrm{in}} \leq 0{,}30 \]

Sonuçlar yalnız bu tasarım aralığı için geçerlidir. Aralığın dışında eyni eğilimlerin devam edeceği tədqiqat tarafından gösterilmemiştir.

Kriging əvəzedici modeli neden istifadə edilmişdir?

Her bir üç boyutlu geçici CFD çözümünün 7200 saniyelik bir batarya boşalmasını temsil etmesi yüksək hesaplama maliyeti yaradır. Bu nedenle tədqiqatçılar 105 adet optimal Latin hiperkubu örnek noktası üretmiş ve bu noktalardaki CFD sonuçlarıyla Kriging əvəzedici modelləri eğitmiştir.

Örneklerin 84’ü eğitim, 21’i test için istifadə edilmişdir. En yüksək temperatur modeli için test dəsti belirleme katsayısı 0,9949, kök orta kvadrat xəta 0,0752 °C’dir. Sıcaklık farkı modeli için belirleme katsayısı 0,9861, kök orta kvadrat xəta 0,0489 °C’dir.

Bu sonuçlar əvəzedici modellərin örneklenmiş tasarım alanı içindeki CFD sonuçlarını yüksək doğrulukla temsil ettiğini göstərir. Ancak Kriging doğruluğu, temel CFD modelinin fiziksel doğruluğundan ayrı bir konudur. Vekil model CFD’yi iyi taklit etse bile CFD’deki model kabulleri ve deneysel doğrulama məhdudiyyətlərı devam etmektedir.

Hangi giriş değişkeni daha örütubətlidir?

Sobol qlobal həssaslıq analizi, ən yüksək temperatur ile temperatur eşitliğinin fərqli değişkenlere duyarlı olduğunu göstərmişdir.

En yüksək batarya sıcaklığı için giriş temperaturunın birinci derece həssaslıq indeksi 0,6851, toplam etki indeksi 0,6876’dır. Bu sonuç, genel temperatur seviyesinin büyük bölümünün soyuducu akışkan giriş temperaturuyla açıklandığını göstərir.

En büyük temperatur fərqi için kütləvi sərfnin birinci derece həssaslıq indeksi 0,9316, toplam etki indeksi 0,9340’dır. Başka bir ifadeyle incelenen aralık içinde temperatur eşitliğini en güclü biçimde kütləvi sərf müəyyən etmişdir.

Birinci derece ve toplam etki indekslerinin birbirine yakın olması, değişkenler arasındaki etkileşimlerin sınırlı kaldığını göstərir. Giriş buxar keyfiyyəti, incelenen 0,10–0,30 aralığında iki temperatur yanıtı üzerinde daha küçük etkiye sahip olmuştur.

NSGA-II ve TOPSIS nasıl istifadə edilmişdir?

NSGA-II, ən yüksək temperatur ile temperatur fərqinı eyni anda küçültmeye çalışan çok amaçlı bir genetik algoritmadır. Bir hedefi daha fazla iyileştirmenin diğer hedefi kötüleştirdiği çözümler Pareto cəbhəsini yaradır.

Tədqiqatda kullanılan temel NSGA-II ayarları şöyledir:

• Popülasyon büyüklüğü: 200
• Azami nesil sayısı: 100
• Çaprazlama olasılığı: 0,9
• Mutasyon olasılığı: 0,1
• Çaprazlama dağılım indeksi: 20
• Mutasyon dağılım indeksi: 20

Pareto cəbhəsindeki seçeneklerden tek bir temsilî tədqiqat koşulu seçmek için TOPSIS metodi istifadə edilmişdir. TOPSIS, her adayın ideal en iyi ve ideal en kötü çözüme olan uzaklığını müqayisə edir.

Seçilen tədqiqat koşulu ve doğrulama sonucu

TOPSIS tarafından seçilen koşul şöyledir:

• Kütlesel debi: 0,05 kg/s
• Giriş sıcaklığı: 15,9 °C
• Giriş buxar keyfiyyəti: 0,21

Kriging modeli bu koşul için en yüksək sıcaklığı 30,57 °C, temperatur fərqinı 3,52 °C olarak tahmin etmiştir. Üç boyutlu CFD doğrulamasında sırasıyla 30,48 °C ve 3,42 °C elde edilmiştir. Vekil model ile CFD arasındaki göreli hatalar yüzde 0,3 ve yüzde 2,9’dur.

Soğutucu debisinin iki katına çıkarılması ve giriş temperaturunın düşürülmesi batarya temperaturlarını yaxşılaşdırmışdır. Fakat daha yüksək debinin pompalama veya kompresör yüküne, təzyiq itkisina ve enerji tüketimine etkisi optimizasyonun amaçları arasında değildir.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

• Şaquli olarak istiflenen birbaşa soğutmalı batarya paketlerinde boru bağlantı biçimi temperatur eşitliğini belirgin biçimde etkileyebilir.
• Paralel dallar aşağı təzyiq itkisi sağlarken yerçekimi ve iki fazlı dağılım nedeniyle katlar arasında fərqli soğutma kapasitesi oluşturabilir.
• Kesintisiz seri akış yolu, bütün soyuq plakalardan eyni kütləvi sərfnin geçmesini sağlayarak katlar arasındaki temperatur fərqinı azaltabilir.
• Seri bağlantının istilik üstünlüyüı daha yüksək soğutucu tarafı təzyiq itkisiyla birlikte ortaya çıkmaktadır.
• İncelenen parametre aralığında giriş temperaturu en yüksək sıcaklığı, kütləvi sərf ise temperatur eşitliğini daha güclü biçimde etkilemiştir.
• Kriging, NSGA-II ve TOPSIS birleşimi, pahalı CFD çözümlerine dayalı çok amaçlı tədqiqat koşulu seçimini hızlandırabilir.

Tədqiqat nəyi sübut etmir?

• D2 topologiyasınin bütün batarya enerji saxlama sistemləri için en iyi boru düzeni olduğunu sübut etmir.
• D2’nin toplam enerji tüketimi, kompresör gücü veya soğutma performans katsayısı texniki xidmətından en məlumatmli çözüm olduğunu göstermemektedir.
• CFD’deki yerel təzyiq, buxar keyfiyyəti ve maye-buxar dağılımının gerçek sistemde eyni değerlerde oluştuğunu deneysel olarak doğrulamamaktadır.
• Optimize edilen 0,05 kg/s debinin ekonomik veya enerjik açıdan uygun olduğunu göstermemektedir; bu değer tasarım aralığının üst sınırıdır.
• Farklı ortam temperaturlarında, daha yüksək boşalma güclerinde, şarj koşullarında veya batarya yaşlanması sonrasında eyni sonuçların korunacağını göstermemektedir.
• 35 °C’nin altında kalmanın tek başına bütün təhlükəsizlik ve kullanım ömrü gereksinimlerini karşıladığını sübut etmir.
• R410A dışındaki soyuducu akışkanlar veya fərqli soyuq plaka geometrileri için eyni topologiya sıralamasının geçerli olduğunu göstermemektedir.

Tədqiqatnın temel məhdudiyyətlərı

Model doğrulaması yalnız batareya klasterinin orta temperatur tepkisine dayanmaktadır. Paket içi temperatur alanı ve iki fazlı soğutucu dağılımı birbaşa doğrulanmamıştır. Bu nedenle topologiyalerin sıralaması anlamlı bir mühendislik göstergesi olsa da yerel akış değerleri yüksək doğrulukta ölçmə yerine model tahmini olarak okunmalıdır.

Batarya kümesinin xarici səthleri adiabatik kabul edilmiş; çevre havasıyla ısı alışməlumatşi göz ardı edilmiştir. Hücre uçları, elektrotlar, ayırıcılar ve bazı yapısal parçalar modele dahil edilmemiştir. Bu sadeleştirmeler hesaplama maliyetini azaltırken gerçek sistemdeki bazı yerel ısı yollarını dışarıda bırakmaktadır.

Başlangıçta kullanılan 12,2 bar mutlak təzyiq deneysel bir giriş basıncı değildir. Yalnızca akışkan bölgesinin ilk durumunu oluşturmak için istifadə edilmişdir. Sonraki təzyiq alanı çıkış sınırı, boru direnci, yerçekimi ve faz değişimiyle hesaplanmıştır.

Optimizasyon yalnız ən yüksək temperatur ve en büyük temperatur fərqinı küçültmüştür. Basınç kaybı, kompresör tüketimi, soğutma kapasitesi, COP, ekipman boyutu, ses, maliyet ve uzun dörütubətli güvenilirlik amaç fonksiyonuna eklenmemiştir. Sonuç bu nedenle “ısıl açıdan tercih edilen koşul”dur; sistem düzeyinde genel optimum değildir.

Tədqiqatda 105 CFD örneğinin tamamının Ek Tablo S1’de sunulduğu belirtilmektedir. Ancak incelenen dosyada bu ek tablo yer almamaktadır. Bu durum, əvəzedici model məlumat kümesinin bağımsız olarak yeniden incelenmesini sınırlandırmaktadır.

Mühendislik açısından ana çıkarım

Tədqiqatnın en örütubətli sonucu, batarya soğutmasında yalnız soyuq plakanın iç kanal geometrisinin değil bütün boru şəbəkəsinın birlikte tasarlanması gerektiğidir. Şaquli yerleşimde kısa ve aşağı dirençli paralel borular her zaman en eşit soğutmayı sağlamamaktadır. Aynı biçimde sıcaklığı en iyi eşitleyen ardıcıl bağlantı, təzyiq itkisi ve enerji tüketimi hesaba katılmadan birbaşa tercih edilmemelidir.

Pratik tasarımda ən yüksək temperatur, temperatur eşitliği, təzyiq itkisi, soğutma çevrimi məlumatmi, kontrol edilebilirlik ve arıza durumları birlikte qiymətləndirilməlidir. Tədqiqat bu çok boyutlu problemin ısıl bölümünü ayrıntılı biçimde incelemekte; enerji ve ekonomik optimizasyon için ise sonraki araştırmalara ihtiyaç bırakmaktadır.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Araştırma tasarımının özeti

Sayısal modelin başlangıç ve sınır koşulları

Malzeme özellikleri

Sıcaklık değerlendirme ölçütleri

Her paketteki 28 sensörün ortalama sıcaklığı şu şekilde hesaplanmıştır:

\[ \overline{T}_j(t) = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N}T_{j,i}(t), \qquad N=28 \]

Bir paketdaxilindeki azami temperatur fərqi:

\[ \Delta T_j(t) = \max_i T_{j,i}(t) - \min_i T_{j,i}(t) \]

Dört paketin tamamındaki küme ortalaması:

\[ \overline{T}_c(t) = \frac{1}{MN} \sum_{j=1}^{M} \sum_{i=1}^{N} T_{j,i}(t), \qquad M=4 \]

Küme genelindeki en büyük ölçmə farkı:

\[ \Delta T_c(t) = \max_{j,i}T_{j,i}(t) - \min_{j,i}T_{j,i}(t) \]

CFD topologiya karşılaştırmasında ise yalnız sensör noktaları değil bütün batarya katı hacmi istifadə edilmişdir:

\[ T_{\max}(t) = \max_{\mathbf{x}\in\Omega_b} T_b(\mathbf{x},t) \]

\[ \Delta T_{\max}(t) = \max_{\mathbf{x}\in\Omega_b}T_b(\mathbf{x},t) - \min_{\mathbf{x}\in\Omega_b}T_b(\mathbf{x},t) \]

Bu ayrım örütubətlidir. Deneysel temperatur farkları 112 ayrık sensörden, CFD değerleri ise hesaplanan bütün batarya hacminden elde edilmiştir.

Ana deneysel ve sayısal nəticələr

Şekil ve tabloların bilimsel anlamı

• Şekil 1: Deneysel doğrulama, topologiya karşılaştırması, əvəzedici model, çok amaçlı optimizasyon ve CFD geri doğrulamasından oluşan dört aşamalı araştırma akışını göstərir.
• Şekil 2 ve Şekil 3: İç direncin temperatur ve doluluq vəziyyətina bağlı değişimini ve entropik istilik katsayısının doluluq vəziyyətiyla ilişkisini sunmaktadır.
• Şekil 4: Dört katlı batareya klasterinin, soyuq plakaların, yalıtım levhalarının ve 112 temperatur sensörünün konumunu göstərir.
• Şekil 5 ve Şekil 6: Gerçek deney platformunu ve R410A soğutma çevriminin kompresör, kondenser, genleşme klapani, soyuq plakalar ve gaz-sıvı ayırıcı bağlantılarını göstərir.
• Şekil 7–9: Her paketteki temperatur artışını, paket ortalamalarını ve yerel temperatur farklarının üst katlarda büyüdüğünü göstərir.
• Şekil 10: Deneysel ve simülasyon orta temperatur eğrilerinin birbirine yakın olduğunu, lakin doğrulamanın yalnız sistem ortalamasını kapsadığını göstərir.
• Tablo 11: D1–D10 arasındaki paralel, seri ve qarışıq boru bağlantılarının akış yönlerini göstərir.
• Tablo 12: Seri bağlantının temperatur eşitliği karşılığında çok daha yüksək təzyiq itkisi oluşturduğunu göstərir.
• Tablo 13: Paralel ağlardaki şaquli temperatur tabakalaşmasını ve D2’nin daha eşit temperatur alanını göstərir.
• Tablo 14: Üst kollardaki buhar zenginleşmesiyle sıcak bölgeler arasındaki göreli ilişkiyi göstərir.
• Şekil 11 ve Şekil 12: En yüksək sıcaklığın topologiyaye göre sınırlı, en büyük temperatur fərqinın ise daha güclü değiştiğini göstərir.
• Şekil 14: Kriging tahminleriyle CFD sonuçlarının örneklenmiş tasarım alanında yüksək uyumunu göstərir.
• Şekil 15: En yüksək sıcaklığın giriş temperaturuna, temperatur eşitliğinin ise kütləvi sərfye daha duyarlı olduğunu göstərir.
• Şekil 16: İki temperatur amacı arasındaki Pareto dengesini ve TOPSIS ile seçilen temsilî koşulu göstərir.

Mənbə və Metod Qeydi

Tədqiqatnın tam özgün adı: Topology and Thermal Performance Optimization of a Direct Refrigerant Cooling Network for a Vertically Stacked Lithium-Ion Battery Energy Storage System

Yazarlar ve sıraları: Jinyi Liu, Yan Wang, Ziyang Zhang, Xilong Zhang, Haoran Liu ve Shouwang Feng.

Eş birinci yazar: Eş katkı veya eş birinci yazarlık bilgisi belirtilmemiştir.

Sorumlu yazar: Sorumlu yazar işareti veya kommunikasiya bilgisi metinde yer almamaktadır.

Kurumsal bağlantılar:

• School of Smart Transportation and Mobility, Qingdao University of Technology, Qingdao, China
• School of Vehicle and Mobility, Tsinghua University, Beijing, China
• Chongqing Energy Storage Safety Technology Innovation Center Co., Ltd., P.R. China

Jinyi Liu, Ziyang Zhang ve Xilong Zhang birinci kuruma; Yan Wang birinci ve ikinci kuruma; Haoran Liu ikinci kuruma; Shouwang Feng üçüncü kuruma bağlı olarak gösterilmiştir.

DOI: 10.2139/ssrn.7196298. Bu DOI, SSRN preprint kaydına aittir; hakemli bir dergi makalesi DOI’si olarak yorumlanmamalıdır.

Dergi: Hakemli bir dergi adı belirtilmemiş ve yayımlanmış dergi sürümü doğrulanmamıştır.

Yayın platformu: SSRN.

SSRN özet numarası: 7196298.

Yayın tarihi: 28 Temmuz 2026.

Kaynak türü: Deneysel temperatur ölçmələri, üç boyutlu geçici CFD analizi, karşılaştırmalı boru şəbəkəsi tasarımı ve çok amaçlı optimizasyon içeren mühendislik preprinti.

Hakemlik durumu: Tədqiqat rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmiştir. Sonuçlar özellikle yerel iki fazlı dağılım, topologiya genellenebilirliği ve sistem enerji məlumatmi texniki xidmətından bu məhdudiyyətla okunmalıdır.

Resmî bağlantı:https://ssrn.com/abstract=7196298

Finansman: Tədqiqatda Çin Ulusal Temel Araştırma ve Geliştirme Programının 2024YFE0213000 ve 2022YFB2404803 numaralı projeleri, Shandong Eyaleti Yükseköğretim Kurumları Genç Yenilikçi Ekip Programının 2023KJ323 numaralı desteği ve Shandong Eyaleti Temel Araştırma ve Geliştirme Programının 2024TSGC0815 numaralı desteği bildirilmişdir.

Yazar katkıları: Ayrıntılı yazar katkı beyanı metinde yer almamaktadır.

Çıkar çatışması: Ayrı bir çıkar çatışması beyanı metinde yer almamaktadır.

Veri erişimi: Tədqiqatda 105 optimizasyon örneğinin Ek Tablo S1’de sunulduğu belirtilmektedir. İncelenen metinde bu ek tablo bulunmamaktadır.

Bu Türkçe makale, tədqiqatnın tam metni, deney düzeneği, matematiksel modelləri, tabloları, temperatur grafikleri, topologiya şemaları, üç boyutlu temperatur alanları, buhar kütle oranı görselleri, həssaslıq analizi ve optimizasyon sonuçları incelenerek hazırlanmıştır. Dış kaynaklar yalnız preprint kimliğinin, yayımlanma tarihinin, DOI bilgisinin ve resmî bağlantının bibliyografik olarak doğrulanması amacıyla kullanılmış; bilimsel içeriğe dışarıdan bulgu eklenmemiştir.

Tədqiqatnın başlıca metodsel məhdudiyyətlərı; modelin yalnız küme ortalama sıcaklığıyla doğrulanması, yerel iki fazalı axın büyüklüklerinin deneysel olarak ölçülmemesi, xarici səthlerin adiabatik kabul edilmesi, bazı hüceyrə ve bağlantı ayrıntılarının sadeleştirilmesi, təzyiq itkisinın enerji optimizasyonuna eklenmemesi, seçilen debinin tasarım aralığının üst sınırında bulunması ve ek optimizasyon məlumat tablosunun incelenen metinde yer almamasıdır.