Ин таҳқиқот мушкили нобаробар тақсим шудани моддаи хунуккунандаро байни бастаҳо дар низоми захираи энергияи литий-оҳан-фосфат бо иқтидори 186,4 kWh, ки аз чор бастаи батареяи амудӣ болои ҳам ҷойгиршуда иборат аст, меомӯзад. Муҳаққиқон низомеро ба таври таҷрибавӣ чен карданд, ки дар он моддаи хунуккунандаи R410A мустақиман дар лавҳаҳои сард зери батарея бухор мешавад; сипас модели сеандозагии динамикаи ҳисоббарории моеъро таҳия карданд, ки гузариши гармӣ дар минтақаҳои сахт ва ҳаракати ҷараёни дуфазаро якҷоя ҳал мекунад.

Модел бо таҷрибаи 7200-сонияи холишавӣ дар муҳити 25 °C ва қувваи собити 93,2 kW санҷида шуд. Дар охири таҷриба ҳарорати миёнаи кластери батарея 30,24 °C буд; хатои миёнаи мутлақ байни симулятсия ва таҷриба 0,50 °C, хатои решаи миёнаи квадратӣ 0,56 °C ва хатои ҳарорат дар лаҳзаи ниҳоӣ 0,08 °C ҳисоб шуд. Ин санҷиш посухи миёнаи ҳарорати низомро фаро мегирад; фишори маҳаллӣ, ҳиссаи буғ, тақсимоти фаза ва талафи фишор мустақиман ба таври таҷрибавӣ санҷида нашудаанд.

Муҳаққиқон даҳ тарҳи гуногуни шабакаи қубурро муқоиса карданд, ки аз пайвастҳои пурра параллел, пурра пайдарпай ва омехтаи пайдарпай-параллел иборат буданд. Беҳтарин тақсимоти ҳароратро пайвасти пайдарпайи D2 таъмин кард, ки моддаи хунуккунандаро аз чор лавҳаи сард тавассути як роҳи пайваста мегузаронад. Дар тарҳи D2 пас аз 7200 сония баландтарин ҳарорати батарея 32,20 °C ва бузургтарин фарқи ҳарорат дар кластер 3,80 °C буд. Фарқи ҳарорат нисбат ба қимати тақрибан 5,50 °C дар тарҳи пурра параллели D5 ба андозаи 30,9 фоиз камтар буд.

Бартарии гармии пайвасти пайдарпай бо арзиши назарраси гидравликӣ ба даст омад. Талафи фишори моддаи хунуккунанда дар D2 29,029 kPa буд, дар ҳоле ки дар тарҳи параллели D1 ин қимат танҳо 0,909 kPa буд. Аз ин рӯ, гарчанде D2 дар таҳқиқот аз нигоҳи бехатарии ҳарорат ва тақсимоти баробар топологияи бартарӣ дониста мешавад, онро аз нигоҳи истеъмоли энергия ё самаранокии низом беҳтарин роҳи ҳал шуморидан мумкин нест.

Шароити вурудии топологияи D2 инчунин бо моделҳои ҷойгузини Kriging, NSGA-II ва TOPSIS оптимизатсия шуданд. Шароити интихобшуда аз дебити массавии 0,05 kg/s, ҳарорати вурудии 15,9 °C ва сифати буғи вурудии 0,21 иборат буд. Дар санҷиши сеандозагии CFD баландтарин ҳарорат то 30,48 °C ва бузургтарин фарқи ҳарорат то 3,42 °C коҳиш ёфт. Инҳо нисбат ба ҳолати ибтидоии D2 мутаносибан беҳбудии 5,3 фоиз ва 10,0 фоиз мебошанд. Аммо дебити массавӣ ба ҳади болоии диапазони иҷозашуда расид ва дар оптимизатсия талафи фишор, истеъмоли компрессор ё коэффисиенти иҷрои хунуккунӣ ҳамчун функсияи ҳадаф истифода нашуд.

Масъалаи асосие, ки таҳқиқот баррасӣ мекунад, чист?

Низомҳои калонҳаҷми захираи энергияи батареяи литий-ионӣ дар барномаҳо чун мувозинати истеҳсоли энергияи барқароршаванда, назорати басомади шабака ва интиқоли талаботи барқ аз соатҳои авҷ истифода мешаванд. Вақте садҳо ҳуҷайра дар чунин низомҳо муддати тӯлонӣ пур ё холӣ мешаванд, гармии тавлидшуда метавонад байни бастаҳо ва дар минтақаҳои гуногуни ҳамон баста нобаробар паҳн шавад.

Амудӣ болои ҳам ҷойгир кардани бастаҳои батарея тақсимоти моддаи хунуккунандаро боз ҳам мураккабтар мекунад. Фазаҳои моеъ ва буғи моддаи хунуккунанда зичиҳои гуногун доранд. Баландии амудӣ, ҷозиба, муқовимати қубур, талафоти маҳаллӣ дар нуқтаҳои пайваст ва тарзи тақсимшавии фазаҳо ба шохаҳо метавонанд монеъ шаванд, ки ба лавҳаи сард дар ҳар баландӣ ҳамон миқдори моддаи хунуккунандаи моеъ расад.

Дар ҳоле ки ба як баста моддаи хунуккунандаи моеъ бештар мерасад, ба бастаи дигар омехтаи буғбойтар ва дорои қобилияти пасттари интиқоли гармӣ расида метавонад. Ҳатто агар ҳароратҳои миёнаи бастаҳо ба ҳам наздик бошанд, дар баъзе ҳуҷайраҳо минтақаҳои гарм ба вуҷуд омада метавонанд. Натиҷаҳои таҷрибавии таҳқиқот низ нишон доданд, ки гарчанде фарқи байни ҳароратҳои миёнаи бастаҳо танҳо 0,15 °C буд, фарқи маҳаллии ҳарорат дар тамоми кластер ба 2,88 °C расид.

Хунуккунии мустақим бо моддаи хунуккунанда чӣ гуна кор мекунад?

Дар хунуккунии мустақим бо моддаи хунуккунанда, лавҳаи сард зери батарея вазифаи бухоркунандаро иҷро мекунад. Моддаи хунуккунандаи R410A ба каналҳои лавҳа ворид шуда, гармии батареяро мегирад ва қисман бухор мешавад. Гармии ниҳоние, ки ҳангоми тағйири фаза ҷаббида мешавад, метавонад бо дебити нисбатан ками моеъ қобилияти баланди интиқоли гармиро таъмин кунад.

Дар низомҳои анъанавии хунуккунии моеъ метавонад байни моеъи хунуккунанда ва давраи хунуккунӣ ивазкунандаи алоҳидаи гармӣ мавҷуд бошад. Дар хунуккунии мустақим, азбаски худи лавҳаи сард бухоркунандаи давраи хунуккунӣ аст, давраи дуюмдараҷаи моеъ ва ивазкунандаи миёнаи гармиро бартараф кардан мумкин аст. Ин метавонад низомро паймонтар созад ва роҳи интиқоли гармиро кӯтоҳ кунад.

Дар иваз, табдил ёфтани моддаи хунуккунанда аз моеъ ба буғ дар дохили лавҳаи сард нисбат ба гардиши якфазавии об ё гликол мушкили мураккабтари тақсимот ба вуҷуд меорад. Ҳарорати вуруд, дебити массавӣ, сифати буғ, фишори канал ва топологияи қубур бояд якҷоя арзёбӣ шаванд.

Сохтори кластери батареяи омӯхташуда

Низоми таҷрибавӣ кластери батареяи чорошёна бо энергияи тақрибан 186,4 kWh ва шиддати номиналии 665,6 V мебошад. Ҳар бастаи батарея 52 ҳуҷайраи призматии литий-оҳан-фосфати 280 Ah-ро, ки пайдарпай пайваст шудаанд, дар бар мегирад. Энергияи як баста 46,592 kWh ва шиддати номиналии он 166,4 V мебошад.

Андозаи ҳар баста 941,65 mm × 729,7 mm × 205,67 mm мебошад. Зери бастаҳо лавҳаҳои сарди мустақим бо моддаи хунуккунанда бо андозаи 1209 mm × 808 mm × 5,5 mm ҷойгир шудаанд. Байни поёни ҳуҷайра ва лавҳаи сард pad-и гузаронандаи гармӣ, ва байни ҳуҷайраҳои ҳамсоя лавҳаҳои изолятсионии аэрогел ҷойгир шудаанд.

Хусусиятҳои асосии ҳуҷайраи батарея, ки дар модел истифода шудаанд, чунинанд:

• Иқтидори номиналӣ: 280 Ah
• Шиддати номиналӣ: 3,2 V
• Масса: 5,43 ± 0,2 kg
• Андозаҳо: 71,65 mm × 174,7 mm × 204,47 mm
• Катод: Литий-оҳан-фосфат
• Анод: Графит
• Зичӣ: 2000 kg/m³
• Гармии хос: 1000 J/(kg·K)
• Гузаронандагии гармӣ дар се самти асосӣ: 14, 4 ва 24 W/(m·K)

Ҳароратҳо чӣ гуна чен шудаанд?

Дар ҳар бастаи батарея 28 thermocouple-и навъи T ҷойгир карда шуд. Дар чор баста ҳамагӣ 112 нуқтаи ҳарорат истифода шуд. Нуқтаҳои ченкунӣ минтақаҳои ҳуҷайраеро дар бар мегирифтанд, ки ба вуруди моддаи хунуккунанда, қисми миёнаи лавҳа ва баромад мувофиқанд, инчунин марказ ва атрофи бастаро фаро мегирифтанд.

Дақиқии эълоншудаи thermocouple-ҳо ±0,5 °C ва фосилаи намунагирӣ 1 сония мебошад. Маълумоти ҳарорат, ҷараён ва шиддат ҳамзамон сабт шуданд. Ин шабакаи зичи сенсорӣ имкон дод, ки на танҳо миёнаи ҳарорати бастаҳо, балки фарқҳои маҳаллии ҳарорат дар дохили ҳамон баста низ пайгирӣ шаванд.

Шароити таҷриба

Таҷрибаҳо дар утоқи пӯшидаи назоратшавандаи ҳарорат дар 25 °C иҷро шуданд. Кластери батарея бо қувваи собити 93,2 kW дар давоми 7200 сония холӣ карда шуд. Муҳаққиқон ин ҳолати кориро 0,5P номидаанд.

Шароити ибтидоии хунуккунии мустақим чунин буд:

• Моддаи хунуккунанда: R410A
• Дебити массавӣ: 0,025 kg/s
• Ҳарорати вуруд: 18 °C
• Сифати буғи вуруд: 0,20
• Давомнокии холишавӣ: 7200 сония
• Ҳарорати муҳит ва ҳарорати ибтидоии ҷисмҳои сахт: 25 °C

Платформаи таҷрибавӣ компрессор, конденсатор, клапани электронии васеъшавӣ, ҷудокунандаи газ-моеъ, чор лавҳаи сард, кластери батарея ва низоми ҷамъоварии маълумотро дар бар мегирад. Ҳангоми санҷиши таҷрибавӣ чор лавҳаи сард ҳамчун шабакаи параллелии бухоркунандаҳо пайваст буданд.

Гармии батарея чӣ гуна моделсозӣ шудааст?

Ҳуҷайраҳои батарея на ҳамчун як блоки сахти эквивалентӣ, балки ҳамчун ҷисмҳои сахти пайвастаи анизотропӣ бо гузаронандагии гармии гуногун дар се самт моделсозӣ шудаанд. Тензори гузаронандагии гармӣ чунин аст:

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

Дар ин ҷо λ_x, λ_y ва λ_z гузаронандагиҳои самараноки гармии ҳуҷайра дар се самти асосӣ мебошанд. Аз сабаби сохтори қабатии дохилии ҳуҷайра, гармӣ дар самтҳои гуногун бо суръати яксон паҳн намешавад.

Майдони гузарои ҳарорат дар минтақаҳои сахт умуман бо муодилаи энергияи зерин ифода шудааст:

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

ρ_s зичии ҷисми сахт, c_p,s гармии хос, T_s ҳарорати ҷисми сахт ва q_b тавлиди гармии батарея дар воҳиди ҳаҷмро ифода мекунад.

Гармии батарея бо равиши Bernardi ҳамчун маҷмӯи талафи муқовиматии барнагашт ва гармии энтропии баргашт ҳисоб шудааст:

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

Дар ин ҷо I ҷараёни батарея, R_int муқовимати дохилии вобаста ба ҳарорат ва сатҳи пуршавӣ, T_b ҳарорати батарея, U_oc шиддати занҷири кушода ва V_b ҳаҷми ҳуҷайраро нишон медиҳад.

Қиматҳои муқовимати дохилӣ бо санҷишҳои тавсифи қувваи импулсии гибридӣ дар 10, 20, 30 ва 40 °C муайян шуданд; коэффисиенти гармии энтропӣ аз таҷрибаҳои шиддати мувозинатӣ дар ҳароратҳои гуногун гирифта шуд. Муқовимати дохилӣ ва коэффисиенти энтропӣ бо полиномҳои вобаста ба сатҳи пуршавӣ ба модели CFD ворид карда шуданд.

Минтақаҳои сахт ва моеъ чӣ гуна пайваст шуданд?

Батарея, pad-и гармӣ ва лавҳаи сард минтақаи сахтро; каналҳои R410A, қубурҳои амудии тақсимот, пайвастҳо ва оринҷҳо минтақаи моеъро ташкил доданд. Дар сарҳади ҷисми сахт–моеъ пайвастагии ҳарорат ва ҷараёни гармӣ қабул шуд:

\[ T_s = T_f \]

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

T_s ва T_f ҳарорати ҷисми сахт ва моеъ, λ_s ва λ_f гузаронандагиҳои гармӣ, ва n самти нормалӣ ба сатҳро ифода мекунанд.

Дар модел терминалҳои пайвасти ҳуҷайра, қабатҳои электрод, separator-ҳо ва ҷузъиёти дуюмдараҷаи сохторӣ ба таври возеҳ моделсозӣ нашудаанд. Сатҳи берунии кластери батарея адиабатикӣ қабул шудааст. Ин фарзия конвексияи табиӣ бо муҳит ва талафи гармиро аз сатҳи беруна хориҷ карда, ба роҳи асосии интиқоли гармӣ тавассути лавҳаи сард тамаркуз мекунад.

Ҷараёни дуфазаи R410A чӣ гуна моделсозӣ шудааст?

Дар лавҳаҳои сард R410A қисман моеъ ва қисман буғ мебошад. Дар таҳқиқот модели бисёрфазаи Mixture дар STAR-CCM+ истифода шудааст. Ҳаракати миёнаи фазаҳои моеъ ва буғ бо муодилаҳои омехта ва фарқи суръати байни фазаҳо бо ҳади суръати лағжиш ифода шудааст.

Тағйири фаза бо модели бухоршавӣ-конденсатсия бар асоси ҳолати маҳаллии сершавӣ; турбулентӣ дар оринҷҳо ва пайвастҳо бо модели realizable k-ε ҳисоб шудааст.

Сифати буғи моддаи хунуккунанда бо муносибати энталпии зерин муайян шудааст:

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

x сифати буғ, h энталпияи хоси омехта; h_l,sat ва h_v,sat энталпияҳои моеъи сершуда ва буғи сершуда дар фишори маҳаллиро нишон медиҳанд. Афзоиши сифати буғ маънои онро дорад, ки қисми бештари массаи ҷараён дар фазаи буғ аст.

Хосиятҳои моддаи хунуккунанда чӣ гуна гирифта шуданд?

Хосиятҳои моеъ ва буғи сершудаи R410A аз маълумоти NIST REFPROP гирифта шуда, барои истифода дар нармафзори CFD бо муносибатҳои вобаста ба фишор ё ҳарорат ифода шуданд. Диапазони эътибори ин муносибатҳо 273,15–313,15 K ва 7,9805–24,1870 bar фишори мутлақ мебошад.

Барои зичӣ, гузаронандагии гармӣ, часпакии динамикӣ, гармии хос ва ҳарорати сершавии моеъ ва буғ коэффисиентҳои муайянкунии муносибатҳои сохташуда аз 0,998 боло ва каҷравии максималии нисбӣ аз 0,7 фоиз камтар буданд. Ин мутобиқати баланд нишон медиҳад, ки муносибатҳои хосият дар диапазони зикршуда маълумоти REFPROP-ро дақиқ такрор мекунанд.

Ин натиҷа маънои онро надорад, ки пешгӯиҳои ҷараёни дуфазаи маҳаллӣ таҷрибавӣ санҷида шудаанд. Он танҳо нишон медиҳад, ки муносибатҳои термофизикии ба модел воридшуда ба пойгоҳи маълумоти истифодашуда мутобиқати баланд доранд.

Натиҷаҳои санҷиши модел

Барои санҷиши модел ҳарорати миёнаи кластери батарея, ки дар таҷриба чен шудааст, бо натиҷаи симулятсия муқоиса гардид. Меъёрҳои хатои истифодашуда чунинанд:

Симулятсия тамоюли афзоиши ҳарорати миёнаи ченшударо бо гузашти вақт хуб такрор кардааст. Аз ин рӯ модел барои муқоисаи нисбии топологияҳои гуногуни қубур дар шароити якхелаи ҳисоббарорӣ истифода шудааст.

Доираи санҷиш маҳдуд аст. Ҳамаи ҳароратҳои маҳаллӣ дар дохили бастаҳо, фишорҳои қубур, тақсимоти дебити массавии моддаи хунуккунанда байни шохаҳо, сифати буғ ва талафи умумии фишор таҷрибавӣ санҷида нашудаанд. Натиҷаҳои таҳқиқот оид ба ин бузургиҳо бояд на ҳамчун ченкунии мутлақ, балки барои тафсири нисбии байни топологияҳо истифода шаванд.

Тақсимоти таҷрибавии ҳарорат чиро нишон дод?

Дар охири 7200 сония баландтарин ҳарорати ченшуда дар Pack 1 31,8 °C ва пасттарин ҳарорат тақрибан 29,2 °C буд. Pack 2 ва Pack 3 ба ҳарорати максималии тақрибан 31,1 °C расиданд; дар Pack 4 низ баландтарин ҳарорат тақрибан 31,1 °C чен шуд.

Ҳароратҳои миёнаи бастаҳо чунинанд:

Миёнаи кластер 30,24 °C ва фарқи байни баландтарин ва пасттарин ченкунӣ дар тамоми кластер 2,88 °C буд. Гарчанде ҳароратҳои миёна қариб яксон буданд, тақсимоти маҳаллии ҳарорат дар бастаи болоӣ нисбат ба бастаи поёнӣ бадтар буд. Ин нишон медиҳад, ки танҳо ҳарорати миёна барои ошкор кардани нобаробарии хунуккунӣ кофӣ нест.

Дар таҳқиқот гуфта шудааст, ки ҳамаи ченкуниҳо аз ҳади арзёбии 35 °C паст монданд. Ин қимат меъёри муқоисавии худи таҳқиқот аст ва набояд ҳамчун ҳади универсалии бехатарӣ барои ҳар гуна кимиёи батарея ва шароити истифода тафсир шавад.

Даҳ топологияи гуногуни қубур чӣ гуна гурӯҳбандӣ шуданд?

Муҳаққиқон даҳ тарҳи пайваст аз D1 то D10 таҳия карданд:

• D1 ва D5: Пайвастҳои пурра параллел
• D2 ва D6: Пайвастҳои пурра пайдарпай
• D3, D4 ва D7–D10: Пайвастҳои омехта, ки қисмҳои пайдарпай ва параллелро якҷоя мекунанд

Дар тарҳҳои параллелӣ моддаи хунуккунанда дар қубури асосӣ ҳамзамон ба чор лавҳаи сард дар баландии гуногун тақсим мешавад. Роҳҳои ҷараён кӯтоҳ ва муқовимати умумӣ паст аст. Аммо рафтори гуногуни моеъ ва буғ дар қубури амудӣ расидани дебит ва таносуби фазаи яксон ба ҳар шохаро душвор мекунад.

Дар тарҳи пайдарпай тақсимшавии параллел вуҷуд надорад. Ҳамон дебити умумии массавӣ аз чор лавҳаи сард пай дар пай мегузарад. Ин фарқи дебит байни қабатҳоро кам мекунад; вале азбаски роҳи ҷараён дароз мешавад, соиш ва талафоти маҳаллии фишор зиёд мешаванд. Илова бар ин, бо бухор шудани моддаи хунуккунанда, он ба лавҳаҳои баъдӣ дар ҳолати термодинамикии дигар мерасад.

Тарҳҳои омехта кӯшиш мекунанд, ки байни муқовимати ҷараён ва баробарии тақсимот ҳалли миёна пешниҳод кунанд. Бо вуҷуди ин, фарқҳои фазае, ки дар нуқтаҳои ҷудошавӣ ва ҳамроҳшавӣ ба вуҷуд меоянд, метавонанд ба лавҳаҳои баъдӣ интиқол ёбанд.

Муқоисаи талафоти фишор

Талафи фишор дар тарҳҳои параллелӣ равшан пасттар буд. Тарҳҳои пурра пайдарпайи D2 ва D6 аз сабаби роҳи тӯлонӣ тавассути чор лавҳаи сард ва қубурҳои пайвасткунанда баландтарин талафотро ба вуҷуд оварданд. Талафи фишори D2 тақрибан 32 маротиба ва талафи D6 тақрибан 40 маротиба аз D1 зиёд буд.

Таҳқиқот танҳо талафи фишори шабакаи қубур дар тарафи бухоркунандаро ҳисоб кардааст. Чӣ қадар қувваи иловагӣ лозим аст, то компрессор ин фарқро ҷуброн кунад, коэффисиенти иҷрои давраи хунуккунӣ ва самаранокии умумии низом ҳисоб нашудаанд.

Майдони ҳарорат вобаста ба топологияи қубур чӣ гуна тағйир ёфт?

Майдони сеандозагии ҳарорат нишон дод, ки дар пайвастҳои пурра параллел қабатбандии амудии равшан ба вуҷуд меояд. Хусусан дар тарҳи D5 бастаҳои поёнӣ сардтар ва бастаҳои болоӣ гармтар монданд. Ин ҳолат бо он алоқаманд дониста шуд, ки дар қубури амудии тақсимот ба шохаҳои болоӣ моеъи камтар ва буғи бештар мерасад.

Дар тарҳи пурра пайдарпайи D2, азбаски аз ҳамаи чор лавҳаи сард ҳамон дебити массавӣ мегузашт, фарқи байни қабатҳо кам шуд. Гарчанде сифати буғи моддаи хунуккунанда дар тӯли роҳ зиёд шуд, ҷудошавии моеъ ва буғ ба шохаҳои гуногун дар нуқтаи пайвасти параллел пешгирӣ гардид.

Топологияҳои омехта қабатбандиро нисбат ба тарҳҳои параллел кам карданд, аммо дар баъзе канорҳо ва дар лавҳаҳои баъдӣ дар самти ҷараён минтақаҳои гарм боқӣ монданд. Муҳаққиқон ин ҳолатро бо интиқоли фарқҳои фаза аз нуқтаҳои шохабандӣ ба қисмҳои минбаъда шарҳ доданд.

Тақсимоти буғ фарқҳои ҳароратро чӣ гуна шарҳ медиҳад?

Дар шохаҳои болоии топологияҳои параллел ҳиссаи массавии буғ баландтар ва дастрасии моеъ камтар ҳисоб шудааст. Азбаски қобилияти бухоршавии моддаи хунуккунандаи моеъ баланд аст, кам шудани таъминоти моеъ метавонад қобилияти маҳаллии гирифтани гармии лавҳаи сардро маҳдуд кунад.

Дар D2 тақсимшавии параллел набуд, аз ин рӯ ҳамон ҷараён аз чор лавҳа пай дар пай гузашт. Ҳиссаи буғи ҷараён дар тӯли роҳ зиёд шуд, аммо фарқи тақсимоти дебит ва фаза байни қабатҳо кам шуд.

Ин тақсимоти фаза пешгӯиҳои нисбии модели сеандозагии CFD мебошанд. Азбаски сифати буғи маҳаллӣ ё тақсимоти филми моеъ бо сенсорҳо чен нашудааст, харитаҳои рангаи фаза набояд ҳамчун қиматҳои дақиқи маҳаллӣ дар низоми воқеӣ қабул шаванд.

Кадом топология аз нигоҳи гармӣ беҳтарин аст?

Дар таҳқиқот, вақте бехатарии ҳарорат ва баробарии ҳарорат якҷоя афзалият дода шуданд, D2 интихоб шуд. Пас аз 7200 сония баландтарин ҳарорати батарея дар D2 32,20 °C буд. Миёни топологияҳои муқоисашуда баландтарин натиҷа тақрибан 33,6 °C дар D8 дида шуд.

Бузургтарин фарқи ҳарорат дар D2 3,80 °C буд, дар ҳоле ки дар D5 ин қимат тақрибан 5,50 °C буд:

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

Ин натиҷа нишон медиҳад, ки роҳи пурра пайдарпайи ҷараён фарқи ҳароратро нисбат ба D5 ба андозаи 30,9 фоиз коҳиш додааст. Аммо талафи фишори 29,029 kPa дар D2 нишон медиҳад, ки беҳбудии гармӣ аз нигоҳи энергияи низом ройгон нест.

Дар оптимизатсия кадом тағйирёбандаҳо истифода шуданд?

Пас аз интихоби топологияи D2 се тағйирёбандаи вурудӣ оптимизатсия шуданд:

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

ṁ_in дебити массавии моддаи хунуккунанда, T_in ҳарорати вуруд ва x_in сифати буғи вурудро ифода мекунад.

Ду ҳадафе, ки ҳамзамон кам карда шуданд, чунинанд:

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

Диапазонҳои тағйирёбандаҳо:

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

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

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

Натиҷаҳо танҳо барои ҳамин фазои тарҳ эътибор доранд. Таҳқиқот нишон надодааст, ки берун аз ин диапазон ҳамон тамоюлҳо идома меёбанд.

Чаро модели ҷойгузини Kriging истифода шуд?

Азбаски ҳар як ҳалли сеандозагии гузарои CFD холишавии 7200-сонияи батареяро ифода мекунад, хароҷоти ҳисоббарорӣ баланд аст. Аз ин рӯ муҳаққиқон 105 нуқтаи намунавии optimal Latin hypercube тавлид карда, бо натиҷаҳои CFD дар ин нуқтаҳо моделҳои ҷойгузини Kriging-ро омӯзонданд.

Аз намунаҳо 84-то барои омӯзиш ва 21-то барои санҷиш истифода шуданд. Барои модели ҳарорати максималӣ коэффисиенти муайянкунии маҷмӯи санҷиш 0,9949 ва хатои решаи миёнаи квадратӣ 0,0752 °C буд. Барои модели фарқи ҳарорат коэффисиенти муайянкунӣ 0,9861 ва хатои решаи миёнаи квадратӣ 0,0489 °C буд.

Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки моделҳои ҷойгузин натиҷаҳои CFD-ро дар фазои тарҳи намунагирифташуда бо дақиқии баланд муаррифӣ мекунанд. Аммо дақиқии Kriging масъалаи ҷудо аз дурустии физикии модели асосии CFD мебошад. Ҳатто агар модели ҷойгузин CFD-ро хуб тақлид кунад, фарзияҳои модели CFD ва маҳдудиятҳои санҷиши таҷрибавӣ боқӣ мемонанд.

Кадом тағйирёбандаи вуруд муҳимтар аст?

Таҳлили глобалии ҳассосияти Sobol нишон дод, ки ҳарорати максималӣ ва баробарии ҳарорат ба тағйирёбандаҳои гуногун ҳассосанд.

Барои баландтарин ҳарорати батарея индекси ҳассосияти дараҷаи якуми ҳарорати вуруд 0,6851 ва индекси таъсири умумӣ 0,6876 буд. Ин нишон медиҳад, ки қисми зиёди сатҳи умумии ҳароратро ҳарорати вурудии моддаи хунуккунанда шарҳ медиҳад.

Барои бузургтарин фарқи ҳарорат индекси ҳассосияти дараҷаи якуми дебити массавӣ 0,9316 ва индекси таъсири умумӣ 0,9340 буд. Ба ибораи дигар, дар диапазони омӯхташуда баробарии ҳарорат аз ҳама бештар бо дебити массавӣ муайян шудааст.

Наздик будани индексҳои дараҷаи якум ва таъсири умумӣ нишон медиҳад, ки таъсири мутақобилаи байни тағйирёбандаҳо маҳдуд будааст. Сифати буғи вуруд дар диапазони 0,10–0,30 ба ду ҷавоби ҳарорат таъсири камтар дошт.

NSGA-II ва TOPSIS чӣ гуна истифода шуданд?

NSGA-II алгоритми генетикии бисёрҳадафӣ мебошад, ки кӯшиш мекунад ҳарорати максималӣ ва фарқи ҳароратро ҳамзамон кам кунад. Ҳалҳое, ки беҳтар кардани як ҳадаф ҳадафи дигарро бад мекунад, фронти Pareto-ро ташкил медиҳанд.

Танзимоти асосии NSGA-II дар таҳқиқот чунин буданд:

• Андозаи популятсия: 200
• Шумораи максималии наслҳо: 100
• Эҳтимоли crossover: 0,9
• Эҳтимоли mutation: 0,1
• Индекси тақсимоти crossover: 20
• Индекси тақсимоти mutation: 20

Барои интихоб кардани як ҳолати намояндагии корӣ аз вариантҳои фронти Pareto усули TOPSIS истифода шуд. TOPSIS масофаи ҳар номзадро аз ҳалли идеалии беҳтарин ва идеалии бадтарин муқоиса мекунад.

Шароити интихобшуда ва натиҷаи санҷиш

Шароити интихобкардаи TOPSIS чунин аст:

• Дебити массавӣ: 0,05 kg/s
• Ҳарорати вуруд: 15,9 °C
• Сифати буғи вуруд: 0,21

Модели Kriging барои ин ҳолат ҳарорати максималиро 30,57 °C ва фарқи ҳароратро 3,52 °C пешгӯӣ кард. Дар санҷиши сеандозагии CFD мутаносибан 30,48 °C ва 3,42 °C ба даст омад. Хатоҳои нисбӣ байни модели ҷойгузин ва CFD 0,3 фоиз ва 2,9 фоиз буданд.

Ду баробар кардани дебити моддаи хунуккунанда ва паст кардани ҳарорати вуруд ҳарорати батареяро беҳтар кард. Аммо таъсири дебити баландтар ба бори насос ё компрессор, талафи фишор ва истеъмоли энергия ба ҳадафҳои оптимизатсия дохил нашудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Дар бастаҳои батареяи амудӣ ҷойгиршуда бо хунуккунии мустақим, шакли пайвасти қубур метавонад ба баробарии ҳарорат таъсири назаррас расонад.
• Шохаҳои параллелӣ талафи пасти фишор медиҳанд, аммо бинобар ҷозиба ва тақсимоти дуфаза метавонанд байни қабатҳо қобилияти хунуккунии гуногун ба вуҷуд оранд.
• Роҳи пайвастаи ҷараёни пайдарпай метавонад бо гузаронидани ҳамон дебити массавӣ аз ҳамаи лавҳаҳои сард фарқи ҳарорат байни қабатҳоро кам кунад.
• Бартарии гармии пайвасти пайдарпай бо талафи баландтари фишор дар тарафи моддаи хунуккунанда ҳамроҳ аст.
• Дар диапазони омӯхташуда ҳарорати вуруд ба ҳарорати максималӣ ва дебити массавӣ ба баробарии ҳарорат таъсири қавитар дошт.
• Омезиши Kriging, NSGA-II ва TOPSIS метавонад интихоби ҳолати кори бисёрҳадафиро, ки ба ҳалҳои гарони CFD такя мекунад, тезонад.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Исбот намекунад, ки топологияи D2 барои ҳамаи низомҳои захираи энергияи батарея беҳтарин тарҳи қубур аст.
• Нишон намедиҳад, ки D2 аз нигоҳи истеъмоли умумии энергия, қувваи компрессор ё коэффисиенти иҷрои хунуккунӣ роҳи самараноктарин аст.
• Ба таври таҷрибавӣ тасдиқ намекунад, ки фишори маҳаллӣ, сифати буғ ва тақсимоти моеъ-буғ дар CFD дар низоми воқеӣ бо ҳамон қиматҳо ба вуҷуд меоянд.
• Нишон намедиҳад, ки дебити оптимизатсияшудаи 0,05 kg/s аз нигоҳи иқтисодӣ ё энергетикӣ мувофиқ аст; ин қимат ҳади болоии фазои тарҳ мебошад.
• Нишон намедиҳад, ки дар ҳароратҳои дигари муҳит, қувваҳои баландтари холишавӣ, шароити пуркунӣ ё баъд аз пиршавии батарея ҳамон натиҷаҳо нигоҳ дошта мешаванд.
• Исбот намекунад, ки танҳо аз 35 °C паст мондан ҳамаи талаботи бехатарӣ ва умри хизматро қонеъ мекунад.
• Нишон намедиҳад, ки барои моддаҳои хунуккунандаи ғайр аз R410A ё геометрияҳои дигари лавҳаи сард ҳамон тартиби топологияҳо эътибор дорад.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот

Санҷиши модел танҳо ба посухи ҳарорати миёнаи кластери батарея асос ёфтааст. Майдони ҳарорат дар дохили баста ва тақсимоти дуфазаи моддаи хунуккунанда мустақиман санҷида нашудаанд. Аз ин рӯ, ҳарчанд тартиббандии топологияҳо нишондиҳандаи маънодори муҳандисист, қиматҳои маҳаллии ҷараён бояд ҳамчун пешгӯии модел хонда шаванд, на ҳамчун ченкунии дақиқ.

Сатҳҳои берунии кластери батарея адиабатикӣ қабул шудаанд ва мубодилаи гармӣ бо ҳавои муҳит ба назар гирифта нашудааст. Терминалҳои ҳуҷайра, электродҳо, separator-ҳо ва баъзе қисмҳои сохторӣ ба модел дохил нашудаанд. Ин соддасозиҳо хароҷоти ҳисоббарориро кам мекунанд, аммо баъзе роҳҳои маҳаллии гармиро дар низоми воқеӣ хориҷ мекунанд.

Фишори мутлақи ибтидоии 12,2 bar фишори таҷрибавии вуруд нест. Он танҳо барои сохтани ҳолати ибтидоии минтақаи моеъ истифода шудааст. Майдони фишори баъдӣ бо сарҳади баромад, муқовимати қубур, ҷозиба ва тағйири фаза ҳисоб шудааст.

Оптимизатсия танҳо ҳарорати максималӣ ва бузургтарин фарқи ҳароратро кам кардааст. Талафи фишор, истеъмоли компрессор, иқтидори хунуккунӣ, COP, андозаи таҷҳизот, садо, хароҷот ва эътимоднокии дарозмуддат ба функсияи ҳадаф илова нашудаанд. Аз ин рӯ натиҷа “ҳолати аз нигоҳи гармӣ афзал” аст, на оптимуми умумии сатҳи низом.

Дар таҳқиқот гуфта шудааст, ки ҳамаи 105 намунаи CFD дар Ҷадвали иловагии S1 пешниҳод шудаанд. Аммо дар файли баррасишуда ин ҷадвали иловагӣ мавҷуд нест. Ин ҳолат бознигарии мустақили маҷмӯи маълумоти модели ҷойгузинро маҳдуд мекунад.

Хулосаи асосӣ аз нигоҳи муҳандисӣ

Натиҷаи муҳимтарини таҳқиқот ин аст, ки дар хунуккунии батарея на танҳо геометрияи дохилии канали лавҳаи сард, балки тамоми шабакаи қубур бояд якҷоя тарҳрезӣ шавад. Дар ҷойгиркунии амудӣ қубурҳои кӯтоҳ ва муқовиматашон пасти параллел ҳамеша баробартарин хунуккуниро таъмин намекунанд. Ба ҳамин монанд, пайвасти пайдарпайе, ки ҳароратро беҳтар баробар мекунад, набояд бе ҳисоб кардани талафи фишор ва истеъмоли энергия мустақиман интихоб шавад.

Дар тарҳи амалӣ ҳарорати максималӣ, баробарии ҳарорат, талафи фишор, самаранокии давраи хунуккунӣ, идорашавӣ ва ҳолатҳои вайроншавӣ бояд якҷоя арзёбӣ шаванд. Таҳқиқот қисми гармии ин масъалаи бисёрченака را муфассал меомӯзад; барои оптимизатсияи энергетикӣ ва иқтисодӣ бошад таҳқиқоти минбаъда лозим аст.

Усул ва бозёфтҳои таҳқиқот

Хулосаи тарҳи таҳқиқот

Шароити ибтидоӣ ва сарҳадии модели рақамӣ

Хосиятҳои мавод

Меъёрҳои арзёбии ҳарорат

Ҳарорати миёнаи 28 сенсор дар ҳар баста чунин ҳисоб шудааст:

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

Фарқи максималии ҳарорат дар дохили як баста:

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

Миёнаи кластер барои ҳамаи чор баста:

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

Бузургтарин фарқи ченкунӣ дар тамоми кластер:

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

Дар муқоисаи топологияҳои CFD бошад, на танҳо нуқтаҳои сенсор, балки тамоми ҳаҷми сахти батарея истифода шуд:

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

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

Ин фарқ муҳим аст. Фарқҳои ҳарорати таҷрибавӣ аз 112 сенсори ҷудогона ва қиматҳои CFD аз тамоми ҳаҷми ҳисобшудаи батарея гирифта шудаанд.

Бозёфтҳои асосии таҷрибавӣ ва рақамӣ

Маънои илмии расмҳо ва ҷадвалҳо

• Расми 1: Ҷараёни чормарҳилаи таҳқиқотро аз санҷиши таҷрибавӣ, муқоисаи топология, модели ҷойгузин, оптимизатсияи бисёрҳадафӣ ва санҷиши дубораи CFD нишон медиҳад.
• Расми 2 ва Расми 3: Тағйири муқовимати дохилиро вобаста ба ҳарорат ва сатҳи пуршавӣ ва робитаи коэффисиенти гармии энтропиро бо сатҳи пуршавӣ нишон медиҳанд.
• Расми 4: Ҷойгиршавии кластери чорошёнаи батарея, лавҳаҳои сард, лавҳаҳои изолятсионӣ ва 112 сенсори ҳароратро нишон медиҳад.
• Расми 5 ва Расми 6: Платформаи воқеии таҷрибавӣ ва пайвастҳои компрессор, конденсатор, клапани васеъшавӣ, лавҳаҳои сард ва ҷудокунандаи газ-моеъро дар давраи хунуккунии R410A нишон медиҳанд.
• Расмҳои 7–9: Афзоиши ҳарорат дар ҳар баста, миёнаҳои баста ва бузургтар шудани фарқҳои маҳаллии ҳарорат дар қабатҳои болоиро нишон медиҳанд.
• Расми 10: Наздикии каҷҳои ҳарорати миёнаи таҷрибавӣ ва симулятсияро нишон медиҳад, аммо ҳамзамон нишон медиҳад, ки санҷиш танҳо миёнаи низомро фаро мегирад.
• Ҷадвали 11: Самтҳои ҷараёнро дар пайвастҳои параллел, пайдарпай ва омехтаи D1–D10 нишон медиҳад.
• Ҷадвали 12: Нишон медиҳад, ки пайвасти пайдарпай бар ивази баробарии ҳарорат талафи хеле баланди фишорро ба вуҷуд меорад.
• Ҷадвали 13: Қабатбандии амудии ҳароратро дар шабакаҳои параллел ва майдони баробартари ҳарорати D2 нишон медиҳад.
• Ҷадвали 14: Робитаи нисбии байни ғанишавии буғ дар шохаҳои болоӣ ва минтақаҳои гармро нишон медиҳад.
• Расми 11 ва Расми 12: Нишон медиҳанд, ки ҳарорати максималӣ вобаста ба топология камтар, вале бузургтарин фарқи ҳарорат қавитар тағйир меёбад.
• Расми 14: Мутобиқати баланди пешгӯиҳои Kriging ва натиҷаҳои CFD-ро дар фазои тарҳи намунагирифташуда нишон медиҳад.
• Расми 15: Нишон медиҳад, ки ҳарорати максималӣ ба ҳарорати вуруд ва баробарии ҳарорат ба дебити массавӣ ҳассостар аст.
• Расми 16: Мувозинати Pareto байни ду ҳадафи ҳарорат ва ҳолати намояндагии бо TOPSIS интихобшударо нишон медиҳад.

Ёддошти манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Topology and Thermal Performance Optimization of a Direct Refrigerant Cooling Network for a Vertically Stacked Lithium-Ion Battery Energy Storage System

Муаллифон ва тартиби онҳо: Jinyi Liu, Yan Wang, Ziyang Zhang, Xilong Zhang, Haoran Liu ва Shouwang Feng.

Муаллифи аввали баробар: Маълумоти саҳми баробар ё муаллифи аввали баробар нишон дода нашудааст.

Муаллифи масъул: Дар матн нишонаи муаллифи масъул ё маълумоти тамос вуҷуд надорад.

Пайвандҳои муассисавӣ:

• 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 ва Xilong Zhang ба муассисаи якум; Yan Wang ба муассисаҳои якум ва дуюм; Haoran Liu ба муассисаи дуюм; Shouwang Feng ба муассисаи сеюм вобаста нишон дода шудаанд.

DOI: 10.2139/ssrn.7196298. Ин DOI ба сабти preprint-и SSRN тааллуқ дорад ва набояд ҳамчун DOI-и мақолаи журнали peer-reviewed тафсир шавад.

Журнал: Номи журнали peer-reviewed нишон дода нашудааст ва версияи нашршудаи журнал тасдиқ нашудааст.

Платформаи нашр: SSRN.

Рақами abstract-и SSRN: 7196298.

Санаи нашр: 28 July 2026.

Навъи манбаъ: Preprint-и муҳандисӣ, ки ченкуниҳои таҷрибавии ҳарорат, таҳлили сеандозагии гузарои CFD, тарҳи муқоисавии шабакаи қубур ва оптимизатсияи бисёрҳадафиро дар бар мегирад.

Вазъи peer review: Таҳқиқот аз peer review нагузаштааст. Натиҷаҳо, махсусан аз нигоҳи тақсимоти маҳаллии дуфаза, умумисозии топология ва самаранокии энергетикии низом, бояд бо ин маҳдудият хонда шаванд.

Пайванди расмӣ:https://ssrn.com/abstract=7196298

Маблағгузорӣ: Дар таҳқиқот лоиҳаҳои 2024YFE0213000 ва 2022YFB2404803-и Барномаи миллии асосии тадқиқот ва рушди Чин, дастгирии 2023KJ323-и Барномаи гурӯҳи ҷавони инноватсионии муассисаҳои таҳсилоти олии вилояти Shandong ва дастгирии 2024TSGC0815-и Барномаи асосии тадқиқот ва рушди вилояти Shandong зикр шудаанд.

Саҳми муаллифон: Дар матн изҳороти муфассали саҳми муаллифон вуҷуд надорад.

Тазоди манфиатҳо: Дар матн изҳороти ҷудогонаи тазоди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Дастрасии маълумот: Дар таҳқиқот гуфта шудааст, ки 105 намунаи оптимизатсия дар Ҷадвали иловагии S1 пешниҳод шудаанд. Дар матни баррасишуда ин ҷадвали иловагӣ вуҷуд надорад.

Ин мақолаи тоҷикӣ бо баррасии матни пурраи таҳқиқот, таҷҳизоти таҷрибавӣ, моделҳои математикӣ, ҷадвалҳо, графикҳои ҳарорат, схемаҳои топология, майдонҳои сеандозагии ҳарорат, тасвирҳои ҳиссаи массавии буғ, таҳлили ҳассосият ва натиҷаҳои оптимизатсия омода шудааст. Манбаъҳои беруна танҳо барои санҷиши библиографии ҳувияти preprint, санаи нашр, DOI ва пайванди расмӣ истифода шудаанд; ба мазмуни илмӣ аз берун бозёфт илова нашудааст.

Маҳдудиятҳои асосии усулии таҳқиқот инҳоянд: модел танҳо бо ҳарорати миёнаи кластер санҷида шудааст, бузургиҳои маҳаллии ҷараёни дуфаза таҷрибавӣ чен нашудаанд, сатҳҳои беруна адиабатикӣ қабул шудаанд, баъзе ҷузъиёти ҳуҷайра ва пайваст содда карда шудаанд, талафи фишор ба оптимизатсияи энергия дохил нашудааст, дебити интихобшуда дар ҳади болоии диапазони тарҳ қарор дорад ва ҷадвали иловагии маълумоти оптимизатсия дар матни баррасишуда вуҷуд надорад.