Бул изилдөө, dört батарея пакетиnin үстү-үстүнө жайгаштырылган 186,4 kWh kapasiteli bir литий темир фосфат энергия сактоо системасыnde муздаткыч агентın paketler arasında eşit dağıtılamaması sorununu изилдейт. Изилдөөчүлөр, R410A муздаткыч агентının түз batarya altındaki муздак плиталарda бууланган bir sistemi deneysel olarak ölçmüş; ardından katı bölgelerdeki жылуулук өткөрүмдүүлүк ile эки фазалуу суюктук hareketini birlikte çözen üç boyutlu bir эсептик суюктуктар динамикасы модельi geliştirmiştir.

Model, 25 °C ortamda 93,2 kW sabit кубатle gerçekleştirilen 7200 saniyelik разряд эксперименти kullanılarak doğrulanmıştır. Deney sonunda батарея кластериnin ortalama sıcaklığı 30,24 °C olmuş; simülasyon ile deney arasındaki орточо абсолюттук ката 0,50 °C, тамыр орточо квадраттык ката 0,56 °C ve son andaki температура hatası 0,08 °C olarak hesaplanmıştır. Bu валидация sistemin орточо температура tepkisini камтууktadır; yerel басым, буу катышы, фаза бөлүштүрүлүшү ve басым жоготуусу түз deneysel olarak doğrulanmamıştır.

Изилдөөчүлөр толук параллелдүү, толук сериялык ve аралаш seri-параллелдүү байланышlardan oluşan on ар башка түтүк тармагы düzenini салыштырган. En iyi температура бөлүштүрүлүшүnı, муздаткыч агентı dört муздак плитаdan tek bir kesintisiz yol boyunca geçiren D2 сериялык байланышsı камсыз кылган. D2 düzeninde 7200 saniye sonunda en жогорку batarya sıcaklığı 32,20 °C, küme içindeki en büyük температура айырмасы 3,80 °C olmuştur. Sıcaklık farkı, толук параллелдүү D5 düzenindeki болжол менен 5,50 °C değerinden yüzde 30,9 daha төмөнtür.

Seri bağlantının жылуулук артыкчылыгыı öнымдуулукli bir hidrolik bedelle elde edilmiştir. D2 düzeninin муздаткыч агент басым жоготуусу 29,029 kPa iken D1 paralel düzeninde bu değer гана 0,909 kPa’dır. Bu nedenle D2, изилдөөda температура güvenliği ve eş dağılım açısından tercih edilen топология olsa da enerji tüketimi veya sistem маалыматmliliği açısından en iyi çözüm olarak kabul edilemez.

D2 топологиясыnin giriş koşulları Kriging орун басар моделдери, NSGA-II ve TOPSIS kullanılarak ayrıca optimize edilmiştir. Seçilen koşul; 0,05 kg/s массалык чыгым, 15,9 °C кирүү температурасы ve 0,21 кирүү буу сапатыnden oluşmaktadır. Üç boyutlu CFD валидацияsında эң жогорку температура 30,48 °C’ye, en büyük температура айырмасы 3,42 °C’ye төмөндөгөн. Bunlar başlangıç D2 koşuluna göre sırasıyla yüzde 5,3 ve yüzde 10,0 iyileşmedir. Ancak массалык чыгым izin маалыматlen aralığın üst sınırına ulaşmış ve optimizasyonda басым жоготуусу, kompresör tüketimi veya soğutma performans katsayısı amaç fonksiyonu olarak kullanılmamıştır.

Изилдөөнүн ele aldığı temel sorun nedir?

Büyük kapasiteli литий-ион батарея энергия сактоо системалары; yenilenebilir enerji üretiminin dengelenmesi, şebeke жыштык kontrolü ve elektrik talebinin yoğun saatler dışına kaydırılması gibi колдонмолорda колдонулат. Bu sistemlerde yüzlerce клетка uzun süre заряд veya разряд edildiğinde üretilen ısı, paketler arasında ve ошол эле paketin ар башка bölgelerinde eşit dağılmayabilir.

Batarya paketlerinin тик түрдө үстү-үстүнө жайгаштырылышы, soğutucu dağılımını daha da аралашşık hâle getirir. Soğutucu akışkanın sıvı ve buhar fazları ар башка yoğunluklara sahiptir. Тик yükselti, yerçekimi, boru direnci, bağlantı noktalarındaki yerel kayıplar ve fazların dallara ayrılma biçimi, her жогоркуlikteki муздак плитаya ошол эле miktarda sıvı soğutucu ulaşmasını engelleyebilir.

Bir pakete daha fazla sıvı soğutucu giderken başka bir pakete buharca zengin ve ısı taşıma kapasitesi daha төмөн bir karışım ulaşabilir. Paketlerin орточо температураları birbirine yakın görünse bile belirli клеткаларde sıcak bölgeler oluşabilir. Изилдөөnın deneysel sonuçları da ortalama paket температураları arasındaki farkın гана 0,15 °C olmasına rağmen küme genelindeki yerel температура айырмасыnın 2,88 °C’ye ulaştığını көрсөткөн.

Түз муздаткыч агентla soğutma nasıl изилдөөktadır?

Түз муздаткыч агентla soğutmada bataryanın altındaki муздак плита, buharlaştırıcı görevi görür. R410A муздаткыч агентı plakanın kanallarına girer, bataryadan gelen ısıyı alır ve kısmen бууланат. Faz değişimi sırasında emilen gizli ısı, nispeten küçük bir akışkan debisiyle жогорку ısı taşıma kapasitesi камсыз кыла алат.

Geleneksel sıvı soğutma sistemlerinde soğutucu sıvı ile soğutma çevrimi arasında ayrı bir ısı değiştiricisi bulunabilir. Doğrudan soğutmada муздак плитаnın 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 муздаткыч агентın муздак плита içinde sıvıdan buhara dönüşmesi, tek fazlı su veya glikol dolaşımından daha аралашşık bir dağılım problemi түзөт. Girişteki температура, массалык чыгым, буу сапаты, kanal basıncı ve boru топологиясы birlikte бааланышы керек.

İncelenen батарея кластериnin yapısı

Deney sistemi болжол менен 186,4 kWh enerjiye ve 665,6 V nominal чыңалууe sahip dört katlı bir батарея кластериdir. Her батарея пакети seri bağlı 52 adet 280 Ah prizmatik литий темир фосфат клетка içermektedir. Bir paketin enerjisi 46,592 kWh, nominal чыңалууi 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 түз муздаткыч агентlı муздак плиталар bulunmaktadır. Hücre tabanları ile муздак плита arasına жылуулук өткөрүүчү pad, komşu клеткалар arasına ise аэрогель изоляция levhaları yerleştirilmiştir.

Batarya клеткаsinin модельde kullanılan temel özellikleri şöyledir:

• Nominal kapasite: 280 Ah
• Nominal чыңалуу: 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 батарея пакетиne 28 adet T tipi термопара yerleştirilmiştir. Dört pakette toplam 112 температура noktası колдонулган. Ölçüm noktaları soğutucu girişine, plakanın orta bölgesine ve çıkışına karşılık gelen клетка bölgelerinin yanı sıra paket merkezini ve çevresini камтууktadır.

Termokuplların belirtilen doğruluğu ±0,5 °C, örnekleme aralığı 1 saniyedir. Sıcaklık, ток ve чыңалуу маалыматтарi eş zamanlı kaydedilmiştir. Bu yoğun sensör ağı, гана paket ortalamalarının değil ошол эле пакет ичиндегиndeki yerel температура farklarının da izlenmesini камсыз кылган.

Deney koşulları

Deneyler 25 °C’de tutulan kapalı bir температура kontrollü odada gerçekleştirilmiştir. Batarya kümesi 93,2 kW sabit кубатle 7200 saniye boyunca boşaltılmıştır. Бул изилдөө koşulu изилдөөчүлөр tarafından 0,5P olarak adlandırılmıştır.

Başlangıçtaki түз муздаткыч агент koşulları şöyledir:

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

Deney platformunda kompresör, kondenser, elektronik genleşme клапанi, gaz-sıvı ayırıcı, dört муздак плита, батарея кластери ve маалымат toplama sistemi bulunmaktadır. Deneysel валидация sırasında dört муздак плита paralel bir buharlaştırıcı ağı olarak bağlanmıştır.

Batarya ısısı nasıl модельlenmiştir?

Batarya клеткаларi tek bir eşdeğer katı blok olarak değil, üç yönde ар башка ısıl iletkenliğe sahip anizotropik sürekli katılar şeklinde модельlenmiştir. 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, клеткаnin üç ana yöndeki etkin ısıl iletkenlikleridir. Hücrenin iç katmanlı yapısı nedeniyle ısı ар башка yönlerde ошол эле hızda yayılmamaktadır.

Katı bölgelerdeki geçici температура 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 жылуулук пайда болушуni ifade etmektedir.

Batarya ısısı, geri döndürülemez direnç kaybı ile geri döndürülebilir энтропиялык жылуулукnın 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 токını, R_int температура ve толуу абалыna bağlı iç direnci, T_b batarya sıcaklığını, U_oc açık devre чыңалууini ve V_b клетка hacmini көрсөтөт.

İç direnç değerleri 10, 20, 30 ve 40 °C’de gerçekleştirilen hibrit darbe кубат karakterizasyonu testleriyle belirlenmiş; энтропиялык жылуулук katsayısı ар башка температураlardaki denge чыңалууi deneylerinden elde edilmiştir. İç direnç ve entropik katsayı, толуу абалыna bağlı polinomlarla CFD моделиne aktarılmıştır.

Katı ve akışkan bölgeleri nasıl bağlanmıştır?

Batarya, жылуулук өткөрүүчү pad ve муздак плита katı bölgeyi; R410A kanalları, düşey dağıtım boruları, bağlantılar ve dirsekler akışkan bölgeyi түзгөн. 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 температураlarını; λ_s ve λ_f ısıl iletkenlikleri; n ise yüzeye dik yönü ifade etmektedir.

Modelde клетка bağlantı uçları, elektrot tabakaları, ayırıcılar ve ikincil yapısal ayrıntılar açık biçimde модельlenmemiştir. Batarya kümesinin сырткы бетi адиабаттык kabul edilmiştir. Bu kabul, çevreyle doğal taşınım ve сырткы бетden ısı kaybını dışarıda bırakarak муздак плита üzerinden gerçekleşen baskın ısı aktarım yoluna odaklanmaktadır.

R410A эки фазалуу агымı nasıl модельlenmiştir?

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

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

Soğutucu akışkanın буу сапаты şu entalpi ilişkisiyle tanımlanmıştır:

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

x буу сапатыni, h karışımın özgül entalpisini; h_l,sat ve h_v,sat ise yerel басымtaki doymuş sıvı ve doymuş buhar entalpilerini көрсөтөт. 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 маалыматтарinden alınmış ve CFD yazılımında kullanılmak üzere басым veya sıcaklığa bağlı bağıntılarla ifade edilmiştir. Bağıntıların geçerli olduğu aralık 273,15–313,15 K ve 7,9805–24,1870 bar mutlak басымtır.

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

Bu sonuç, yerel эки фазалуу агым tahminlerinin deneysel olarak doğrulandığı anlamına gelmez. Yalnızca модельe girilen termofiziksel özellik bağıntılarının kullanılan маалымат tabanına жогорку uyum gösterdiğini belirtir.

Model валидацияsının sonuçları

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

Simülasyon, ölçülen ortalama sıcaklığın zaman içindeki artış eğilimini iyi biçimde yeniden üretmiştir. Bu nedenle модель ар башка boru топологияlerinin ошол эле sayısal koşullar altındaki göreli karşılaştırması için колдонулган.

Doğrulamanın kapsamı sınırlıdır. Paket içindeki yerel температураların tamamı, boru басымları, soğutucu массалык чыгымsinin dallar arasındaki dağılımı, буу сапаты ve toplam басым жоготуусу deneysel olarak doğrulanmamıştır. Изилдөөnın bu büyüklüklerle ilgili sonuçları mutlak өлчөө yerine топологияler arası göreli yorum için kullanılmalıdır.

Deneysel температура бөлүштүрүлүшү ne көрсөткөн?

7200 saniye sonunda Pack 1’de ölçülen эң жогорку температура 31,8 °C, en төмөн температура болжол менен 29,2 °C olmuştur. Pack 2 ve Pack 3 болжол менен 31,1 °C azami sıcaklığa ulaşmış; Pack 4’te de эң жогорку температура болжол менен 31,1 °C olarak ölçülmüştür.

Paketlerin орточо температураları şöyledir:

Küme ortalaması 30,24 °C, küme genelindeki en жогорку ve en төмөн өлчөө arasındaki fark 2,88 °C’dir. Ortalama температураlar neredeyse ошол элеyken en üst paketin yerel температура бөлүштүрүлүшү en alt paketten daha kötüdür. Bu durum ortalama sıcaklığın tek başına soğutma eşitsizliğini göstermeye yetmediğini ortaya koymaktadır.

Изилдөөda bütün өлчөөлөрүn 35 °C’lik değerlendirme sınırının altında kaldığı belirtilmiştir. Bu değer изилдөөnın karşılaştırma ölçütüdür; her batarya kimyası ve kullanım koşulu için evrensel коопсуздук sınırı olarak yorumlanmamalıdır.

On ар башка boru топологиясы nasıl sınıflandırılmıştır?

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

• D1 ve D5: Tamamen параллелдүү байланышlar
• D2 ve D6: Tamamen сериялык байланышlar
• D3, D4 ve D7–D10: Seri ve paralel bölümleri birleştiren аралаш bağlantılar

Paralel düzenlerde ana borudaki soğutucu ошол эле anda ар башка жогоркуliklerdeki dört муздак плитаya ayrılır. Akış yolları kısa ve toplam direnç төмөнtür. Ancak sıvı ile buharın тик boruda ар башка davranması, her dala ошол эле debi ve faz oranının ulaşmasını zorlaştırır.

Seri düzende paralel ayrılma bulunmaz. Aynı toplam массалык чыгым dört муздак плитаdan sırayla geçer. Bu durum katlar arasındaki debi farkını azaltır; fakat akış yolu uzadığı için сүрүлүү ve yerel басым kayıpları artar. Ayrıca муздаткыч агент buharlaştıkça sonraki муздак плиталарa ар башка termodinamik durumda ulaşır.

Karma düzenler akış direnci ile dağılım eşitliği arasında ara çözüm sağlamaya изилдөөktadır. Buna rağmen dal ayrılma ve birleşme noktalarında oluşan faz ар башкаlıkları sonraki муздак плиталарa taşınabilmektedir.

Basınç kayıplarının karşılaştırılması

Paralel düzenlerin басым жоготуусу açık biçimde daha төмөнtür. Tam seri D2 ve D6 düzenleri ise dört муздак плита ile bağlantı borularından geçen uzun yol nedeniyle en жогорку kayıpları түзгөн. D2’nin басым жоготуусу D1’in болжол менен 32 katı, D6’nın басым жоготуусу болжол менен 40 katıdır.

Изилдөө гана buharlaştırıcı tarafındaki түтүк тармагы басым жоготуусуnı hesaplamıştır. Kompresörün bu farkı karşılamak için ne kadar ek кубат tüketmesi gerektiği, soğutma çevriminin performans katsayısı ve toplam sistem маалыматmi hesaplanmamıştır.

Sıcaklık alanları boru топологиясыne göre nasıl değişmiştir?

Üç boyutlu температура alanları, tamamen параллелдүү байланышlarda belirgin тик tabakalaşma oluştuğunu көрсөткөн. Özellikle D5 düzeninde alt paketler daha soğuk, üst paketler daha sıcak kalmıştır. Bu görünüm, тик dağıtım borusunda üst dallara daha az sıvı ve daha fazla buhar ulaşmasıyla ilişkilendirilmiştir.

Tam seri D2 düzeninde dört муздак плитаdan ошол эле массалык чыгым geçtiği için katlar arasındaki fark азайган. Soğutucu akışkanın буу сапаты yol boyunca yükselse de paralel bir bağlantı noktasında sıvı ve buharın ар башка kollara ayrılması önlenmiştir.

Karma топологияler paralel düzenlere göre tabakalaşmayı azaltmış, бирок bazı kenarlarda ve akış yönündeki sonraki муздак плиталарda sıcak bölgeler bırakmıştır. Изилдөөчүлөр bu durumu dallanma noktalarında oluşan faz ар башкаlıklarının sonraki bölümlere taşınmasıyla açıklamıştır.

Buhar dağılımı температура farklarını nasıl түшүндүрмөktadır?

Paralel топологияlerin üst kollarında daha жогорку buhar kütle oranları ve daha төмөн sıvı bulunabilirliği hesaplanmıştır. Sıvı soğutucunun buharlaşma kapasitesi жогорку olduğundan, sıvı beslemesinin azalması муздак плитаnın yerel ısı çekme kapasitesini sınırlandırabilir.

D2’de paralel ayrılma olmadığı için ошол эле akış dört plaka boyunca ilerlemiştir. Akışkanın буу катышы yol boyunca artmış, бирок katlar arasındaki debi ve faz bölüşümü farkı azaltılmıştır.

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

En iyi ısıl топология hangisidir?

Изилдөөda температура güvenliği ve температура eşitliği birlikte önceliklendirildiğinde D2 seçilmiştir. 7200 saniye sonunda D2’nin en жогорку batarya sıcaklığı 32,20 °C’dir. Karşılaştırılan топологияler arasında en жогорку sonuç болжол менен 33,6 °C ile D8’de көрүлгөн.

D2’nin en büyük температура айырмасы 3,80 °C iken D5’te bu değer болжол менен 5,50 °C’dir:

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

Bu sonuç, толук сериялык akış yolunun D5’e göre температура айырмасыnı yüzde 30,9 azalttığını көрсөтөт. Ancak D2’nin 29,029 kPa басым жоготуусу, ısıl iyileşmenin sistem enerjisi тейлөөından ücretsiz olmadığını ortaya koymaktadır.

Optimizasyonda hangi değişkenler колдонулган?

D2 топологиясы seçildikten sonra üç giriş değişkeni optimize edilmiştir:

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

ṁ_in муздаткыч агент массалык чыгымsini, T_in кирүү температурасыnı, x_in кирүү буу сапатыni 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 гана bu tasarım aralığı için geçerlidir. Aralığın dışında ошол эле eğilimlerin devam edeceği изилдөө tarafından gösterilmemiştir.

Kriging орун басар модели neden колдонулган?

Her bir üç boyutlu geçici CFD çözümünün 7200 saniyelik bir batarya boşalmasını temsil etmesi жогорку hesaplama maliyeti түзөт. Bu nedenle изилдөөчүлөр 105 adet оптималдуу Latin гиперкубу örnek noktası üretmiş ve bu noktalardaki CFD sonuçlarıyla Kriging орун басар моделдери eğitmiştir.

Örneklerin 84’ü eğitim, 21’i test için колдонулган. En жогорку температура модельi için тест топтому belirleme katsayısı 0,9949, тамыр орточо квадраттык ката 0,0752 °C’dir. Sıcaklık farkı модельi için belirleme katsayısı 0,9861, тамыр орточо квадраттык ката 0,0489 °C’dir.

Bu sonuçlar орун басар модельlerin örneklenmiş tasarım alanı içindeki CFD sonuçlarını жогорку doğrulukla temsil ettiğini көрсөтөт. Ancak Kriging doğruluğu, temel CFD моделиnin fiziksel doğruluğundan ayrı bir konudur. Vekil модель CFD’yi iyi taklit etse bile CFD’deki модель kabulleri ve deneysel валидация чектөөлөрı devam etmektedir.

Hangi giriş değişkeni daha öнымдуулукlidir?

Sobol глобалдык сезгичтик анализи, эң жогорку температура ile температура eşitliğinin ар башка değişkenlere duyarlı olduğunu көрсөткөн.

En жогорку batarya sıcaklığı için кирүү температурасыnın birinci derece сезгичтик indeksi 0,6851, toplam etki indeksi 0,6876’dır. Bu sonuç, genel температура seviyesinin büyük bölümünün муздаткыч агент кирүү температурасыyla açıklandığını көрсөтөт.

En büyük температура айырмасы için массалык чыгымnin birinci derece сезгичтик indeksi 0,9316, toplam etki indeksi 0,9340’dır. Başka bir ifadeyle incelenen aralık içinde температура eşitliğini en кубатlü biçimde массалык чыгым аныктаган.

Birinci derece ve toplam etki indekslerinin birbirine yakın olması, değişkenler arasındaki etkileşimlerin sınırlı kaldığını көрсөтөт. Giriş буу сапаты, incelenen 0,10–0,30 aralığında iki температура yanıtı üzerinde daha küçük etkiye sahip olmuştur.

NSGA-II ve TOPSIS nasıl колдонулган?

NSGA-II, эң жогорку температура ile температура айырмасыnı ошол эле anda küçültmeye çalışan çok amaçlı bir genetik algoritmadır. Bir hedefi daha fazla iyileştirmenin diğer hedefi kötüleştirdiği çözümler Pareto фронтуni түзөт.

Изилдөөda 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 фронтуndeki seçeneklerden tek bir temsilî изилдөө koşulu seçmek için TOPSIS ыкмаi колдонулган. TOPSIS, her adayın ideal en iyi ve ideal en kötü çözüme olan uzaklığını салыштырат.

Seçilen изилдөө koşulu ve валидация sonucu

TOPSIS tarafından seçilen koşul şöyledir:

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

Kriging модельi bu koşul için en жогорку sıcaklığı 30,57 °C, температура айырмасыnı 3,52 °C olarak tahmin etmiştir. Üç boyutlu CFD валидацияsında sırasıyla 30,48 °C ve 3,42 °C elde edilmiştir. Vekil модель ile CFD arasındaki göreli hatalar yüzde 0,3 ve yüzde 2,9’dur.

Soğutucu debisinin iki katına çıkarılması ve кирүү температурасыnın düşürülmesi batarya температураlarını жакшырткан. Fakat daha жогорку debinin pompalama veya kompresör yüküne, басым жоготуусуna ve enerji tüketimine etkisi optimizasyonun amaçları arasında değildir.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Тик olarak istiflenen түз soğutmalı batarya paketlerinde boru bağlantı biçimi температура eşitliğini belirgin biçimde etkileyebilir.
• Paralel dallar төмөн басым жоготуусу sağlarken yerçekimi ve iki fazlı dağılım nedeniyle katlar arasında ар башка soğutma kapasitesi oluşturabilir.
• Kesintisiz seri akış yolu, bütün муздак плиталарdan ошол эле массалык чыгымnin geçmesini sağlayarak katlar arasındaki температура айырмасыnı azaltabilir.
• Seri bağlantının жылуулук артыкчылыгыı daha жогорку soğutucu tarafı басым жоготуусуyla birlikte ortaya çıkmaktadır.
• İncelenen parametre aralığında кирүү температурасы en жогорку sıcaklığı, массалык чыгым ise температура eşitliğini daha кубатlü biçimde etkilemiştir.
• Kriging, NSGA-II ve TOPSIS birleşimi, pahalı CFD çözümlerine dayalı çok amaçlı изилдөө koşulu seçimini hızlandırabilir.

Изилдөө эмнени далилдебейт?

• D2 топологиясыnin bütün batarya энергия сактоо системалары için en iyi boru düzeni olduğunu далилдебейт.
• D2’nin toplam enerji tüketimi, kompresör gücü veya soğutma performans katsayısı тейлөөından en маалыматmli çözüm olduğunu göstermemektedir.
• CFD’deki yerel басым, буу сапаты ve суюк-буу dağılımının gerçek sistemde ошол эле değerlerde oluştuğunu deneysel olarak валидацияmaktadır.
• Optimize edilen 0,05 kg/s debinin ekonomik veya enerjik açıdan uygun olduğunu göstermemektedir; bu değer tasarım aralığının üst sınırıdır.
• Farklı ortam температураlarında, daha жогорку boşalma кубатlerinde, заряд koşullarında veya batarya yaşlanması sonrasında ошол эле sonuçların korunacağını göstermemektedir.
• 35 °C’nin altında kalmanın tek başına bütün коопсуздук ve kullanım ömrü gereksinimlerini karşıladığını далилдебейт.
• R410A dışındaki муздаткыч агентlar veya ар башка муздак плита geometrileri için ошол эле топология sıralamasının geçerli olduğunu göstermemektedir.

Изилдөөnın temel чектөөлөрı

Model валидацияsı гана батарея кластериnin орточо температура tepkisine dayanmaktadır. Paket içi температура alanı ve iki fazlı soğutucu dağılımı түз doğrulanmamıştır. Bu nedenle топологияlerin sıralaması anlamlı bir mühendislik göstergesi olsa da yerel akış değerleri жогорку doğrulukta өлчөө yerine модель tahmini olarak okunmalıdır.

Batarya kümesinin сырткы бетleri адиабаттык kabul edilmiş; çevre havasıyla ısı alışмаалыматşi göz ardı edilmiştir. Hücre uçları, elektrotlar, ayırıcılar ve bazı yapısal parçalar модельe dahil edilmemiştir. Bu sadeleştirmeler hesaplama maliyetini azaltırken gerçek sistemdeki bazı yerel ısı yollarını dışarıda bırakmaktadır.

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

Optimizasyon гана эң жогорку температура ve en büyük температура айырмасыnı küçültmüştür. Basınç kaybı, kompresör tüketimi, soğutma kapasitesi, COP, ekipman boyutu, ses, maliyet ve uzun döнымдуулукli güvenilirlik amaç fonksiyonuna eklenmemiştir. Sonuç bu nedenle “ısıl açıdan tercih edilen koşul”dur; sistem düzeyinde genel optimum değildir.

Изилдөөda 105 CFD örneğinin tamamının Ek Tablo S1’de sunulduğu belirtilmektedir. Ancak incelenen dosyada bu ek tablo yer almamaktadır. Bu durum, орун басар модель маалымат kümesinin bağımsız olarak yeniden incelenmesini sınırlandırmaktadır.

Mühendislik açısından ana çıkarım

Изилдөөnın en öнымдуулукli sonucu, batarya soğutmasında гана муздак плитаnın iç kanal geometrisinin değil bütün түтүк тармагыnın birlikte tasarlanması gerektiğidir. Тик yerleşimde kısa ve төмөн dirençli paralel borular her zaman en eşit soğutmayı sağlamamaktadır. Aynı biçimde sıcaklığı en iyi eşitleyen сериялык байланыш, басым жоготуусу ve enerji tüketimi hesaba katılmadan түз tercih edilmemelidir.

Pratik tasarımda эң жогорку температура, температура eşitliği, басым жоготуусу, soğutma çevrimi маалыматmi, kontrol edilebilirlik ve arıza durumları birlikte бааланышы керек. Изилдөө bu çok boyutlu problemin ısıl bölümünü ayrıntılı biçimde incelemekte; enerji ve ekonomik optimizasyon için ise sonraki araştırmalara ihtiyaç bırakmaktadır.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Araştırma tasarımının özeti

Sayısal модельin 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 пакет ичиндегиndeki azami температура айырмасы:

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

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 өлчөө farkı:

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

CFD топология karşılaştırmasında ise гана sensör noktaları değil bütün batarya katı hacmi колдонулган:

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

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

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

Ana deneysel ve sayısal жыйынтыктар

Şekil ve tabloların bilimsel anlamı

• Şekil 1: Deneysel валидация, топология karşılaştırması, орун басар модель, çok amaçlı optimizasyon ve CFD geri валидацияsından oluşan dört aşamalı araştırma akışını көрсөтөт.
• Şekil 2 ve Şekil 3: İç direncin температура ve толуу абалыna bağlı değişimini ve энтропиялык жылуулук katsayısının толуу абалыyla ilişkisini sunmaktadır.
• Şekil 4: Dört katlı батарея кластериnin, муздак плиталарın, yalıtım levhalarının ve 112 температура sensörünün konumunu көрсөтөт.
• Şekil 5 ve Şekil 6: Gerçek deney platformunu ve R410A soğutma çevriminin kompresör, kondenser, genleşme клапанi, муздак плиталар ve gaz-sıvı ayırıcı bağlantılarını көрсөтөт.
• Şekil 7–9: Her paketteki температура artışını, paket ortalamalarını ve yerel температура farklarının üst katlarda büyüdüğünü көрсөтөт.
• Şekil 10: Deneysel ve simülasyon орточо температура eğrilerinin birbirine yakın olduğunu, бирок валидацияnın гана sistem ortalamasını kapsadığını көрсөтөт.
• Tablo 11: D1–D10 arasındaki paralel, seri ve аралаш boru bağlantılarının akış yönlerini көрсөтөт.
• Tablo 12: Seri bağlantının температура eşitliği karşılığında çok daha жогорку басым жоготуусу oluşturduğunu көрсөтөт.
• Tablo 13: Paralel ağlardaki тик температура tabakalaşmasını ve D2’nin daha eşit температура alanını көрсөтөт.
• Tablo 14: Üst kollardaki buhar zenginleşmesiyle sıcak bölgeler arasındaki göreli ilişkiyi көрсөтөт.
• Şekil 11 ve Şekil 12: En жогорку sıcaklığın топологияye göre sınırlı, en büyük температура айырмасыnın ise daha кубатlü değiştiğini көрсөтөт.
• Şekil 14: Kriging tahminleriyle CFD sonuçlarının örneklenmiş tasarım alanında жогорку uyumunu көрсөтөт.
• Şekil 15: En жогорку sıcaklığın кирүү температурасыna, температура eşitliğinin ise массалык чыгымye daha duyarlı olduğunu көрсөтөт.
• Şekil 16: İki температура amacı arasındaki Pareto dengesini ve TOPSIS ile seçilen temsilî koşulu көрсөтөт.

Булак жана Ыкма Эскертүүсү

Изилдөөnın 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 байланыш 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 температура өлчөөлөрү, üç boyutlu geçici CFD analizi, karşılaştırmalı түтүк тармагы tasarımı ve çok amaçlı optimizasyon içeren mühendislik preprinti.

Hakemlik durumu: Изилдөө рецензиядан өтпөгөнtir. Sonuçlar özellikle yerel iki fazlı dağılım, топология genellenebilirliği ve sistem enerji маалыматmi тейлөөından bu чектөөla okunmalıdır.

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

Finansman: Изилдөөda Кытай 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 билдирилген.

Yazar katkıları: Ayrıntılı yazar katkı beyanı metinde yer almamaktadır.

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

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

Bu Türkçe makale, изилдөөnın tam metni, deney düzeneği, matematiksel моделдерi, tabloları, температура grafikleri, топология şemaları, üç boyutlu температура alanları, buhar kütle oranı görselleri, сезгичтик анализи ve optimizasyon sonuçları incelenerek hazırlanmıştır. Dış kaynaklar гана preprint kimliğinin, yayımlanma tarihinin, DOI bilgisinin ve resmî bağlantının bibliyografik olarak doğrulanması amacıyla kullanılmış; bilimsel içeriğe dışarıdan bulgu eklenmemiştir.

Изилдөөnın başlıca ыкмаsel чектөөлөрı; модельin гана küme ortalama sıcaklığıyla doğrulanması, yerel эки фазалуу агым büyüklüklerinin deneysel olarak ölçülmemesi, сырткы бетlerin адиабаттык kabul edilmesi, bazı клетка ve bağlantı ayrıntılarının sadeleştirilmesi, басым жоготуусуnın enerji optimizasyonuna eklenmemesi, seçilen debinin tasarım aralığının üst sınırında bulunması ve ek optimizasyon маалымат tablosunun incelenen metinde yer almamasıdır.