Bu çalışma, dört batarya paketinin üst üste yerleştirildiği 186,4 kWh kapasiteli bir lityum demir fosfat enerji depolama sisteminde soğutucu akışkanın paketler arasında eşit dağıtılamaması sorununu incelemektedir. Araştırmacılar, R410A soğutucu akışkanının doğrudan batarya altındaki soğuk plakalarda buharlaştığı bir sistemi deneysel olarak ölçmüş; ardından katı bölgelerdeki ısı iletimi ile iki fazlı akışkan hareketini birlikte çözen üç boyutlu bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli geliştirmiştir.

Model, 25 °C ortamda 93,2 kW sabit güçle gerçekleştirilen 7200 saniyelik boşalma deneyi kullanılarak doğrulanmıştır. Deney sonunda batarya kümesinin ortalama sıcaklığı 30,24 °C olmuş; simülasyon ile deney arasındaki ortalama mutlak hata 0,50 °C, kök ortalama kare hata 0,56 °C ve son andaki sıcaklık hatası 0,08 °C olarak hesaplanmıştır. Bu doğrulama sistemin ortalama sıcaklık tepkisini kapsamaktadır; yerel basınç, buhar oranı, faz dağılımı ve basınç kaybı doğrudan deneysel olarak doğrulanmamıştır.

Araştırmacılar tamamen paralel, tamamen seri ve karma seri-paralel bağlantılardan oluşan on farklı boru ağı düzenini karşılaştırmıştır. En iyi sıcaklık dağılımını, soğutucu akışkanı dört soğuk plakadan tek bir kesintisiz yol boyunca geçiren D2 seri bağlantısı sağlamıştır. D2 düzeninde 7200 saniye sonunda en yüksek batarya sıcaklığı 32,20 °C, küme içindeki en büyük sıcaklık farkı 3,80 °C olmuştur. Sıcaklık farkı, tamamen paralel D5 düzenindeki yaklaşık 5,50 °C değerinden yüzde 30,9 daha düşüktür.

Seri bağlantının ısıl avantajı önemli bir hidrolik bedelle elde edilmiştir. D2 düzeninin soğutucu akışkan basınç kaybı 29,029 kPa iken D1 paralel düzeninde bu değer yalnızca 0,909 kPa’dır. Bu nedenle D2, çalışmada sıcaklık güvenliği ve eş dağılım açısından tercih edilen topoloji olsa da enerji tüketimi veya sistem verimliliği açısından en iyi çözüm olarak kabul edilemez.

D2 topolojisinin giriş koşulları Kriging vekil modelleri, NSGA-II ve TOPSIS kullanılarak ayrıca optimize edilmiştir. Seçilen koşul; 0,05 kg/s kütlesel debi, 15,9 °C giriş sıcaklığı ve 0,21 giriş buhar kalitesinden oluşmaktadır. Üç boyutlu CFD doğrulamasında en yüksek sıcaklık 30,48 °C’ye, en büyük sıcaklık farkı 3,42 °C’ye düşmüştür. Bunlar başlangıç D2 koşuluna göre sırasıyla yüzde 5,3 ve yüzde 10,0 iyileşmedir. Ancak kütlesel debi izin verilen aralığın üst sınırına ulaşmış ve optimizasyonda basınç kaybı, kompresör tüketimi veya soğutma performans katsayısı amaç fonksiyonu olarak kullanılmamıştır.

Araştırmanın ele aldığı temel sorun nedir?

Büyük kapasiteli lityum iyon batarya enerji depolama sistemleri; yenilenebilir enerji üretiminin dengelenmesi, şebeke frekans kontrolü ve elektrik talebinin yoğun saatler dışına kaydırılması gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu sistemlerde yüzlerce hücre uzun süre şarj veya deşarj edildiğinde üretilen ısı, paketler arasında ve aynı paketin farklı bölgelerinde eşit dağılmayabilir.

Batarya paketlerinin dikey olarak üst üste yerleştirilmesi, soğutucu dağılımını daha da karmaşık hâle getirir. Soğutucu akışkanın sıvı ve buhar fazları farklı yoğunluklara sahiptir. Dikey yükselti, yerçekimi, boru direnci, bağlantı noktalarındaki yerel kayıplar ve fazların dallara ayrılma biçimi, her yükseklikteki soğuk plakaya aynı miktarda sıvı soğutucu ulaşmasını engelleyebilir.

Bir pakete daha fazla sıvı soğutucu giderken başka bir pakete buharca zengin ve ısı taşıma kapasitesi daha düşük bir karışım ulaşabilir. Paketlerin ortalama sıcaklıkları birbirine yakın görünse bile belirli hücrelerde sıcak bölgeler oluşabilir. Çalışmanın deneysel sonuçları da ortalama paket sıcaklıkları arasındaki farkın yalnızca 0,15 °C olmasına rağmen küme genelindeki yerel sıcaklık farkının 2,88 °C’ye ulaştığını göstermiştir.

Doğrudan soğutucu akışkanla soğutma nasıl çalışmaktadır?

Doğrudan soğutucu akışkanla soğutmada bataryanın altındaki soğuk plaka, buharlaştırıcı görevi görür. R410A soğutucu akışkanı plakanın kanallarına girer, bataryadan gelen ısıyı alır ve kısmen buharlaşır. Faz değişimi sırasında emilen gizli ısı, nispeten küçük bir akışkan debisiyle yüksek ısı taşıma kapasitesi sağlayabilir.

Geleneksel sıvı soğutma sistemlerinde soğutucu sıvı ile soğutma çevrimi arasında ayrı bir ısı değiştiricisi bulunabilir. Doğrudan soğutmada soğuk 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 soğutucu akışkanın soğuk plaka içinde sıvıdan buhara dönüşmesi, tek fazlı su veya glikol dolaşımından daha karmaşık bir dağılım problemi oluşturur. Girişteki sıcaklık, kütlesel debi, buhar kalitesi, kanal basıncı ve boru topolojisi birlikte değerlendirilmelidir.

İncelenen batarya kümesinin yapısı

Deney sistemi yaklaşık 186,4 kWh enerjiye ve 665,6 V nominal gerilime sahip dört katlı bir batarya kümesidir. Her batarya paketi seri bağlı 52 adet 280 Ah prizmatik lityum demir fosfat hücre içermektedir. Bir paketin enerjisi 46,592 kWh, nominal gerilimi 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 doğrudan soğutucu akışkanlı soğuk plakalar bulunmaktadır. Hücre tabanları ile soğuk plaka arasına ısı ileten ped, komşu hücreler arasına ise aerojel yalıtım levhaları yerleştirilmiştir.

Batarya hücresinin modelde kullanılan temel özellikleri şöyledir:

• Nominal kapasite: 280 Ah
• Nominal gerilim: 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 batarya paketine 28 adet T tipi termokupl yerleştirilmiştir. Dört pakette toplam 112 sıcaklık noktası kullanılmıştır. Ölçüm noktaları soğutucu girişine, plakanın orta bölgesine ve çıkışına karşılık gelen hücre bölgelerinin yanı sıra paket merkezini ve çevresini kapsamaktadır.

Termokuplların belirtilen doğruluğu ±0,5 °C, örnekleme aralığı 1 saniyedir. Sıcaklık, akım ve gerilim verileri eş zamanlı kaydedilmiştir. Bu yoğun sensör ağı, yalnızca paket ortalamalarının değil aynı paket içindeki yerel sıcaklık farklarının da izlenmesini sağlamıştır.

Deney koşulları

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

Başlangıçtaki doğrudan soğutucu akışkan koşulları şöyledir:

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

Deney platformunda kompresör, kondenser, elektronik genleşme valfi, gaz-sıvı ayırıcı, dört soğuk plaka, batarya kümesi ve veri toplama sistemi bulunmaktadır. Deneysel doğrulama sırasında dört soğuk plaka paralel bir buharlaştırıcı ağı olarak bağlanmıştır.

Batarya ısısı nasıl modellenmiştir?

Batarya hücreleri tek bir eşdeğer katı blok olarak değil, üç yönde farklı 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, hücrenin üç ana yöndeki etkin ısıl iletkenlikleridir. Hücrenin iç katmanlı yapısı nedeniyle ısı farklı yönlerde aynı hızda yayılmamaktadır.

Katı bölgelerdeki geçici sıcaklık 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 ısı üretimini ifade etmektedir.

Batarya ısısı, geri döndürülemez direnç kaybı ile geri döndürülebilir entropik ısının 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 akımını, R_int sıcaklık ve doluluk oranına bağlı iç direnci, T_b batarya sıcaklığını, U_oc açık devre gerilimini ve V_b hücre hacmini göstermektedir.

İç direnç değerleri 10, 20, 30 ve 40 °C’de gerçekleştirilen hibrit darbe güç karakterizasyonu testleriyle belirlenmiş; entropik ısı katsayısı farklı sıcaklıklardaki denge gerilimi deneylerinden elde edilmiştir. İç direnç ve entropik katsayı, doluluk oranına bağlı polinomlarla CFD modeline aktarılmıştır.

Katı ve akışkan bölgeleri nasıl bağlanmıştır?

Batarya, ısı ileten ped ve soğuk plaka katı bölgeyi; R410A kanalları, düşey dağıtım boruları, bağlantılar ve dirsekler akışkan bölgeyi oluşturmuştur. 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 sıcaklıklarını; λ_s ve λ_f ısıl iletkenlikleri; n ise yüzeye dik yönü ifade etmektedir.

Modelde hücre bağlantı uçları, elektrot tabakaları, ayırıcılar ve ikincil yapısal ayrıntılar açık biçimde modellenmemiştir. Batarya kümesinin dış yüzeyi adyabatik kabul edilmiştir. Bu kabul, çevreyle doğal taşınım ve dış yüzeyden ısı kaybını dışarıda bırakarak soğuk plaka üzerinden gerçekleşen baskın ısı aktarım yoluna odaklanmaktadır.

R410A iki fazlı akışı nasıl modellenmiştir?

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

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

Soğutucu akışkanın buhar kalitesi şu entalpi ilişkisiyle tanımlanmıştır:

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

x buhar kalitesini, h karışımın özgül entalpisini; h_l,sat ve h_v,sat ise yerel basınçtaki doymuş sıvı ve doymuş buhar entalpilerini göstermektedir. 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 verilerinden alınmış ve CFD yazılımında kullanılmak üzere basınç veya sıcaklığa bağlı bağıntılarla ifade edilmiştir. Bağıntıların geçerli olduğu aralık 273,15–313,15 K ve 7,9805–24,1870 bar mutlak basınçtır.

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

Bu sonuç, yerel iki fazlı akış tahminlerinin deneysel olarak doğrulandığı anlamına gelmez. Yalnızca modele girilen termofiziksel özellik bağıntılarının kullanılan veri tabanına yüksek uyum gösterdiğini belirtir.

Model doğrulamasının sonuçları

Modelin doğrulanmasında, deneysel olarak ölçülen batarya kümesi 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 farklı boru topolojilerinin aynı sayısal koşullar altındaki göreli karşılaştırması için kullanılmıştır.

Doğrulamanın kapsamı sınırlıdır. Paket içindeki yerel sıcaklıkların tamamı, boru basınçları, soğutucu kütlesel debisinin dallar arasındaki dağılımı, buhar kalitesi ve toplam basınç kaybı deneysel olarak doğrulanmamıştır. Çalışmanın bu büyüklüklerle ilgili sonuçları mutlak ölçüm yerine topolojiler arası göreli yorum için kullanılmalıdır.

Deneysel sıcaklık dağılımı ne göstermiştir?

7200 saniye sonunda Pack 1’de ölçülen en yüksek sıcaklık 31,8 °C, en düşük sıcaklık yaklaşık 29,2 °C olmuştur. Pack 2 ve Pack 3 yaklaşık 31,1 °C azami sıcaklığa ulaşmış; Pack 4’te de en yüksek sıcaklık yaklaşık 31,1 °C olarak ölçülmüştür.

Paketlerin ortalama sıcaklıkları şöyledir:

Küme ortalaması 30,24 °C, küme genelindeki en yüksek ve en düşük ölçüm arasındaki fark 2,88 °C’dir. Ortalama sıcaklıklar neredeyse aynıyken en üst paketin yerel sıcaklık dağılımı en alt paketten daha kötüdür. Bu durum ortalama sıcaklığın tek başına soğutma eşitsizliğini göstermeye yetmediğini ortaya koymaktadır.

Çalışmada bütün ölçümlerin 35 °C’lik değerlendirme sınırının altında kaldığı belirtilmiştir. Bu değer çalışmanın karşılaştırma ölçütüdür; her batarya kimyası ve kullanım koşulu için evrensel güvenlik sınırı olarak yorumlanmamalıdır.

On farklı boru topolojisi nasıl sınıflandırılmıştır?

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

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

Paralel düzenlerde ana borudaki soğutucu aynı anda farklı yüksekliklerdeki dört soğuk plakaya ayrılır. Akış yolları kısa ve toplam direnç düşüktür. Ancak sıvı ile buharın dikey boruda farklı davranması, her dala aynı debi ve faz oranının ulaşmasını zorlaştırır.

Seri düzende paralel ayrılma bulunmaz. Aynı toplam kütlesel debi dört soğuk plakadan sırayla geçer. Bu durum katlar arasındaki debi farkını azaltır; fakat akış yolu uzadığı için sürtünme ve yerel basınç kayıpları artar. Ayrıca soğutucu akışkan buharlaştıkça sonraki soğuk plakalara farklı termodinamik durumda ulaşır.

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

Basınç kayıplarının karşılaştırılması

Paralel düzenlerin basınç kaybı açık biçimde daha düşüktür. Tam seri D2 ve D6 düzenleri ise dört soğuk plaka ile bağlantı borularından geçen uzun yol nedeniyle en yüksek kayıpları oluşturmuştur. D2’nin basınç kaybı D1’in yaklaşık 32 katı, D6’nın basınç kaybı yaklaşık 40 katıdır.

Çalışma yalnızca buharlaştırıcı tarafındaki boru ağı basınç kaybını hesaplamıştır. Kompresörün bu farkı karşılamak için ne kadar ek güç tüketmesi gerektiği, soğutma çevriminin performans katsayısı ve toplam sistem verimi hesaplanmamıştır.

Sıcaklık alanları boru topolojisine göre nasıl değişmiştir?

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

Tam seri D2 düzeninde dört soğuk plakadan aynı kütlesel debi geçtiği için katlar arasındaki fark azalmıştır. Soğutucu akışkanın buhar kalitesi yol boyunca yükselse de paralel bir bağlantı noktasında sıvı ve buharın farklı kollara ayrılması önlenmiştir.

Karma topolojiler paralel düzenlere göre tabakalaşmayı azaltmış, ancak bazı kenarlarda ve akış yönündeki sonraki soğuk plakalarda sıcak bölgeler bırakmıştır. Araştırmacılar bu durumu dallanma noktalarında oluşan faz farklılıklarının sonraki bölümlere taşınmasıyla açıklamıştır.

Buhar dağılımı sıcaklık farklarını nasıl açıklamaktadır?

Paralel topolojilerin üst kollarında daha yüksek buhar kütle oranları ve daha düşük sıvı bulunabilirliği hesaplanmıştır. Sıvı soğutucunun buharlaşma kapasitesi yüksek olduğundan, sıvı beslemesinin azalması soğuk plakanın yerel ısı çekme kapasitesini sınırlandırabilir.

D2’de paralel ayrılma olmadığı için aynı akış dört plaka boyunca ilerlemiştir. Akışkanın buhar oranı yol boyunca artmış, ancak katlar arasındaki debi ve faz bölüşümü farkı azaltılmıştır.

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

En iyi ısıl topoloji hangisidir?

Çalışmada sıcaklık güvenliği ve sıcaklık eşitliği birlikte önceliklendirildiğinde D2 seçilmiştir. 7200 saniye sonunda D2’nin en yüksek batarya sıcaklığı 32,20 °C’dir. Karşılaştırılan topolojiler arasında en yüksek sonuç yaklaşık 33,6 °C ile D8’de görülmüştür.

D2’nin en büyük sıcaklık farkı 3,80 °C iken D5’te bu değer yaklaşık 5,50 °C’dir:

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

Bu sonuç, tamamen seri akış yolunun D5’e göre sıcaklık farkını yüzde 30,9 azalttığını göstermektedir. Ancak D2’nin 29,029 kPa basınç kaybı, ısıl iyileşmenin sistem enerjisi bakımından ücretsiz olmadığını ortaya koymaktadır.

Optimizasyonda hangi değişkenler kullanılmıştır?

D2 topolojisi seçildikten sonra üç giriş değişkeni optimize edilmiştir:

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

ṁ_in soğutucu akışkan kütlesel debisini, T_in giriş sıcaklığını, x_in giriş buhar kalitesini 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 yalnızca bu tasarım aralığı için geçerlidir. Aralığın dışında aynı eğilimlerin devam edeceği çalışma tarafından gösterilmemiştir.

Kriging vekil modeli neden kullanılmıştır?

Her bir üç boyutlu geçici CFD çözümünün 7200 saniyelik bir batarya boşalmasını temsil etmesi yüksek hesaplama maliyeti oluşturur. Bu nedenle araştırmacılar 105 adet optimal Latin hiperküp örnek noktası üretmiş ve bu noktalardaki CFD sonuçlarıyla Kriging vekil modelleri eğitmiştir.

Örneklerin 84’ü eğitim, 21’i test için kullanılmıştır. En yüksek sıcaklık modeli için test kümesi belirleme katsayısı 0,9949, kök ortalama kare hata 0,0752 °C’dir. Sıcaklık farkı modeli için belirleme katsayısı 0,9861, kök ortalama kare hata 0,0489 °C’dir.

Bu sonuçlar vekil modellerin örneklenmiş tasarım alanı içindeki CFD sonuçlarını yüksek doğrulukla temsil ettiğini göstermektedir. 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 sınırlılıkları devam etmektedir.

Hangi giriş değişkeni daha önemlidir?

Sobol küresel duyarlılık analizi, en yüksek sıcaklık ile sıcaklık eşitliğinin farklı değişkenlere duyarlı olduğunu göstermiştir.

En yüksek batarya sıcaklığı için giriş sıcaklığının birinci derece duyarlılık indeksi 0,6851, toplam etki indeksi 0,6876’dır. Bu sonuç, genel sıcaklık seviyesinin büyük bölümünün soğutucu akışkan giriş sıcaklığıyla açıklandığını göstermektedir.

En büyük sıcaklık farkı için kütlesel debinin birinci derece duyarlılık indeksi 0,9316, toplam etki indeksi 0,9340’dır. Başka bir ifadeyle incelenen aralık içinde sıcaklık eşitliğini en güçlü biçimde kütlesel debi belirlemiştir.

Birinci derece ve toplam etki indekslerinin birbirine yakın olması, değişkenler arasındaki etkileşimlerin sınırlı kaldığını göstermektedir. Giriş buhar kalitesi, incelenen 0,10–0,30 aralığında iki sıcaklık yanıtı üzerinde daha küçük etkiye sahip olmuştur.

NSGA-II ve TOPSIS nasıl kullanılmıştır?

NSGA-II, en yüksek sıcaklık ile sıcaklık farkını aynı anda küçültmeye çalışan çok amaçlı bir genetik algoritmadır. Bir hedefi daha fazla iyileştirmenin diğer hedefi kötüleştirdiği çözümler Pareto cephesini oluşturur.

Çalışmada 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 cephesindeki seçeneklerden tek bir temsilî çalışma koşulu seçmek için TOPSIS yöntemi kullanılmıştır. TOPSIS, her adayın ideal en iyi ve ideal en kötü çözüme olan uzaklığını karşılaştırmaktadır.

Seçilen çalışma koşulu ve doğrulama sonucu

TOPSIS tarafından seçilen koşul şöyledir:

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

Kriging modeli bu koşul için en yüksek sıcaklığı 30,57 °C, sıcaklık farkını 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 sıcaklığının düşürülmesi batarya sıcaklıklarını iyileştirmiştir. Fakat daha yüksek debinin pompalama veya kompresör yüküne, basınç kaybına ve enerji tüketimine etkisi optimizasyonun amaçları arasında değildir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• Dikey olarak istiflenen doğrudan soğutmalı batarya paketlerinde boru bağlantı biçimi sıcaklık eşitliğini belirgin biçimde etkileyebilir.
• Paralel dallar düşük basınç kaybı sağlarken yerçekimi ve iki fazlı dağılım nedeniyle katlar arasında farklı soğutma kapasitesi oluşturabilir.
• Kesintisiz seri akış yolu, bütün soğuk plakalardan aynı kütlesel debinin geçmesini sağlayarak katlar arasındaki sıcaklık farkını azaltabilir.
• Seri bağlantının ısıl avantajı daha yüksek soğutucu tarafı basınç kaybıyla birlikte ortaya çıkmaktadır.
• İncelenen parametre aralığında giriş sıcaklığı en yüksek sıcaklığı, kütlesel debi ise sıcaklık eşitliğini daha güçlü biçimde etkilemiştir.
• Kriging, NSGA-II ve TOPSIS birleşimi, pahalı CFD çözümlerine dayalı çok amaçlı çalışma koşulu seçimini hızlandırabilir.

Çalışma neyi kanıtlamamaktadır?

• D2 topolojisinin bütün batarya enerji depolama sistemleri için en iyi boru düzeni olduğunu kanıtlamamaktadır.
• D2’nin toplam enerji tüketimi, kompresör gücü veya soğutma performans katsayısı bakımından en verimli çözüm olduğunu göstermemektedir.
• CFD’deki yerel basınç, buhar kalitesi ve sıvı-buhar dağılımının gerçek sistemde aynı 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 sıcaklıklarında, daha yüksek boşalma güçlerinde, şarj koşullarında veya batarya yaşlanması sonrasında aynı sonuçların korunacağını göstermemektedir.
• 35 °C’nin altında kalmanın tek başına bütün güvenlik ve kullanım ömrü gereksinimlerini karşıladığını kanıtlamamaktadır.
• R410A dışındaki soğutucu akışkanlar veya farklı soğuk plaka geometrileri için aynı topoloji sıralamasının geçerli olduğunu göstermemektedir.

Çalışmanın temel sınırlılıkları

Model doğrulaması yalnızca batarya kümesinin ortalama sıcaklık tepkisine dayanmaktadır. Paket içi sıcaklık alanı ve iki fazlı soğutucu dağılımı doğrudan doğrulanmamıştır. Bu nedenle topolojilerin sıralaması anlamlı bir mühendislik göstergesi olsa da yerel akış değerleri yüksek doğrulukta ölçüm yerine model tahmini olarak okunmalıdır.

Batarya kümesinin dış yüzeyleri adyabatik kabul edilmiş; çevre havasıyla ısı alışverişi 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 basınç deneysel bir giriş basıncı değildir. Yalnızca akışkan bölgesinin ilk durumunu oluşturmak için kullanılmıştır. Sonraki basınç alanı çıkış sınırı, boru direnci, yerçekimi ve faz değişimiyle hesaplanmıştır.

Optimizasyon yalnızca en yüksek sıcaklık ve en büyük sıcaklık farkını küçültmüştür. Basınç kaybı, kompresör tüketimi, soğutma kapasitesi, COP, ekipman boyutu, ses, maliyet ve uzun dönemli güvenilirlik amaç fonksiyonuna eklenmemiştir. Sonuç bu nedenle “ısıl açıdan tercih edilen koşul”dur; sistem düzeyinde genel optimum değildir.

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

Mühendislik açısından ana çıkarım

Çalışmanın en önemli sonucu, batarya soğutmasında yalnızca soğuk plakanın iç kanal geometrisinin değil bütün boru ağının birlikte tasarlanması gerektiğidir. Dikey yerleşimde kısa ve düşük dirençli paralel borular her zaman en eşit soğutmayı sağlamamaktadır. Aynı biçimde sıcaklığı en iyi eşitleyen seri bağlantı, basınç kaybı ve enerji tüketimi hesaba katılmadan doğrudan tercih edilmemelidir.

Pratik tasarımda en yüksek sıcaklık, sıcaklık eşitliği, basınç kaybı, soğutma çevrimi verimi, kontrol edilebilirlik ve arıza durumları birlikte değerlendirilmelidir. Çalışma bu çok boyutlu problemin ısıl bölümünü ayrıntılı biçimde incelemekte; enerji ve ekonomik optimizasyon için ise sonraki araştırmalara ihtiyaç bırakmaktadır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

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 paket içindeki azami sıcaklık farkı:

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

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 ölçüm farkı:

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

CFD topoloji karşılaştırmasında ise yalnızca sensör noktaları değil bütün batarya katı hacmi kullanılmıştır:

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

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

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

Ana deneysel ve sayısal bulgular

Şekil ve tabloların bilimsel anlamı

• Şekil 1: Deneysel doğrulama, topoloji karşılaştırması, vekil model, çok amaçlı optimizasyon ve CFD geri doğrulamasından oluşan dört aşamalı araştırma akışını göstermektedir.
• Şekil 2 ve Şekil 3: İç direncin sıcaklık ve doluluk oranına bağlı değişimini ve entropik ısı katsayısının doluluk oranıyla ilişkisini sunmaktadır.
• Şekil 4: Dört katlı batarya kümesinin, soğuk plakaların, yalıtım levhalarının ve 112 sıcaklık sensörünün konumunu göstermektedir.
• Şekil 5 ve Şekil 6: Gerçek deney platformunu ve R410A soğutma çevriminin kompresör, kondenser, genleşme valfi, soğuk plakalar ve gaz-sıvı ayırıcı bağlantılarını göstermektedir.
• Şekil 7–9: Her paketteki sıcaklık artışını, paket ortalamalarını ve yerel sıcaklık farklarının üst katlarda büyüdüğünü göstermektedir.
• Şekil 10: Deneysel ve simülasyon ortalama sıcaklık eğrilerinin birbirine yakın olduğunu, ancak doğrulamanın yalnızca sistem ortalamasını kapsadığını göstermektedir.
• Tablo 11: D1–D10 arasındaki paralel, seri ve karma boru bağlantılarının akış yönlerini göstermektedir.
• Tablo 12: Seri bağlantının sıcaklık eşitliği karşılığında çok daha yüksek basınç kaybı oluşturduğunu göstermektedir.
• Tablo 13: Paralel ağlardaki dikey sıcaklık tabakalaşmasını ve D2’nin daha eşit sıcaklık alanını göstermektedir.
• Tablo 14: Üst kollardaki buhar zenginleşmesiyle sıcak bölgeler arasındaki göreli ilişkiyi göstermektedir.
• Şekil 11 ve Şekil 12: En yüksek sıcaklığın topolojiye göre sınırlı, en büyük sıcaklık farkının ise daha güçlü değiştiğini göstermektedir.
• Şekil 14: Kriging tahminleriyle CFD sonuçlarının örneklenmiş tasarım alanında yüksek uyumunu göstermektedir.
• Şekil 15: En yüksek sıcaklığın giriş sıcaklığına, sıcaklık eşitliğinin ise kütlesel debiye daha duyarlı olduğunu göstermektedir.
• Şekil 16: İki sıcaklık amacı arasındaki Pareto dengesini ve TOPSIS ile seçilen temsilî koşulu göstermektedir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Çalışmanın 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 iletişim 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 sıcaklık ölçümleri, üç boyutlu geçici CFD analizi, karşılaştırmalı boru ağı tasarımı ve çok amaçlı optimizasyon içeren mühendislik preprinti.

Hakemlik durumu: Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiştir. Sonuçlar özellikle yerel iki fazlı dağılım, topoloji genellenebilirliği ve sistem enerji verimi bakımından bu sınırlılıkla okunmalıdır.

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

Finansman: Çalışmada 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 bildirilmiştir.

Yazar katkıları: Ayrıntılı yazar katkı beyanı metinde yer almamaktadır.

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

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

Bu Türkçe makale, çalışmanın tam metni, deney düzeneği, matematiksel modelleri, tabloları, sıcaklık grafikleri, topoloji şemaları, üç boyutlu sıcaklık alanları, buhar kütle oranı görselleri, duyarlılık analizi ve optimizasyon sonuçları incelenerek hazırlanmıştır. Dış kaynaklar yalnızca preprint kimliğinin, yayımlanma tarihinin, DOI bilgisinin ve resmî bağlantının bibliyografik olarak doğrulanması amacıyla kullanılmış; bilimsel içeriğe dışarıdan bulgu eklenmemiştir.

Çalışmanın başlıca yöntemsel sınırlılıkları; modelin yalnızca küme ortalama sıcaklığıyla doğrulanması, yerel iki fazlı akış büyüklüklerinin deneysel olarak ölçülmemesi, dış yüzeylerin adyabatik kabul edilmesi, bazı hücre ve bağlantı ayrıntılarının sadeleştirilmesi, basınç kaybının enerji optimizasyonuna eklenmemesi, seçilen debinin tasarım aralığının üst sınırında bulunması ve ek optimizasyon veri tablosunun incelenen metinde yer almamasıdır.