Ushbu tadqiqot to‘rtta batareya paketi vertikal ravishda ustma-ust joylashtirilgan, sig‘imi 186,4 kWh bo‘lgan litiy-temir-fosfat energiya saqlash tizimida sovutuvchi agentni paketlar orasida teng taqsimlay olmaslik muammosini o‘rganadi. Tadqiqotchilar R410A sovutuvchi agenti batareya ostidagi sovuq plastinalarda to‘g‘ridan-to‘g‘ri bug‘lanadigan tizimni tajribada o‘lchagan; so‘ng qattiq hududlardagi issiqlik o‘tkazuvchanligi bilan ikki fazali oqim harakatini birgalikda yechadigan uch o‘lchamli hisoblash suyuqlik dinamikasi modelini ishlab chiqqan.

Model 25 °C muhitda 93,2 kW doimiy quvvat bilan bajarilgan 7200 soniyalik razryad tajribasi yordamida tekshirilgan. Tajriba oxirida batareya klasterining o‘rtacha harorati 30,24 °C bo‘lgan; simulyatsiya bilan tajriba orasidagi o‘rtacha mutlaq xato 0,50 °C, o‘rtacha kvadratik ildiz xatosi 0,56 °C va yakuniy vaqtdagi harorat xatosi 0,08 °C deb hisoblangan. Ushbu tekshiruv tizimning o‘rtacha harorat javobini qamrab oladi; mahalliy bosim, bug‘ ulushi, faza taqsimoti va bosim yo‘qotilishi bevosita tajribada tekshirilmagan.

Tadqiqotchilar to‘liq parallel, to‘liq ketma-ket va aralash ketma-ket-parallel ulanishlardan tashkil topgan o‘nta turli quvur tarmog‘i sxemasini taqqoslagan. Eng yaxshi harorat taqsimotini sovutuvchi agentni to‘rtta sovuq plastinadan bitta uzluksiz yo‘l bo‘ylab o‘tkazadigan D2 ketma-ket ulanishi ta’minlagan. D2 sxemasida 7200 soniya oxirida eng yuqori batareya harorati 32,20 °C, klaster ichidagi eng katta harorat farqi 3,80 °C bo‘lgan. Harorat farqi to‘liq parallel D5 sxemasidagi taxminan 5,50 °C qiymatdan 30,9 foiz past.

Ketma-ket ulanishning termik afzalligi sezilarli gidravlik narx evaziga olingan. D2 sxemasida sovutuvchi agentning bosim yo‘qotilishi 29,029 kPa bo‘lgan, D1 parallel sxemasida esa bu qiymat atigi 0,909 kPa. Shu sabab D2 tadqiqotda harorat xavfsizligi va teng taqsimot nuqtai nazaridan afzal topologiya bo‘lsa-da, energiya sarfi yoki tizim samaradorligi jihatidan eng yaxshi yechim deb qabul qilinmaydi.

D2 topologiyasining kirish sharoitlari Kriging o‘rinbosar modellari, NSGA-II va TOPSIS yordamida qo‘shimcha ravishda optimallashtirilgan. Tanlangan sharoit 0,05 kg/s massaviy sarf, 15,9 °C kirish harorati va 0,21 kirish bug‘ sifati qiymatlaridan iborat. Uch o‘lchamli CFD tekshiruvida eng yuqori harorat 30,48 °C gacha, eng katta harorat farqi esa 3,42 °C gacha tushgan. Bu boshlang‘ich D2 sharoitiga nisbatan mos ravishda 5,3 foiz va 10,0 foiz yaxshilanishdir. Biroq massaviy sarf ruxsat etilgan oraliqning yuqori chegarasiga yetgan va optimallashtirishda bosim yo‘qotilishi, kompressor sarfi yoki sovutish samaradorlik koeffitsiyenti maqsad funksiyasi sifatida ishlatilmagan.

Tadqiqot ko‘rib chiqayotgan asosiy muammo nima?

Katta sig‘imli litiy-ion batareya energiya saqlash tizimlari qayta tiklanuvchi energiya ishlab chiqarishni muvozanatlash, tarmoq chastotasini boshqarish va elektr talabini tig‘iz soatlardan tashqariga ko‘chirish kabi qo‘llanmalarda ishlatiladi. Ushbu tizimlarda yuzlab hujayralar uzoq vaqt zaryad yoki razryad qilinganda hosil bo‘ladigan issiqlik paketlar orasida va bir paketning turli hududlarida teng taqsimlanmasligi mumkin.

Batareya paketlarini vertikal ravishda ustma-ust joylashtirish sovutuvchi agent taqsimotini yanada murakkablashtiradi. Sovutuvchi agentning suyuq va bug‘ fazalari turli zichliklarga ega. Vertikal balandlik, gravitatsiya, quvur qarshiligi, ulanish nuqtalaridagi mahalliy yo‘qotishlar va fazalarning tarmoqlarga bo‘linish shakli har bir balandlikdagi sovuq plastinaga bir xil miqdorda suyuq sovutuvchi agent yetib borishiga to‘sqinlik qilishi mumkin.

Bir paketga ko‘proq suyuq sovutuvchi agent borganida boshqa paketga bug‘ga boy va issiqlik tashish qobiliyati pastroq aralashma yetib borishi mumkin. Paketlarning o‘rtacha haroratlari bir-biriga yaqin ko‘rinsa ham ayrim hujayralarda issiq nuqtalar paydo bo‘lishi mumkin. Tadqiqotning tajriba natijalari ham o‘rtacha paket haroratlari orasidagi farq atigi 0,15 °C bo‘lsa-da, klaster bo‘yicha mahalliy harorat farqi 2,88 °C ga yetganini ko‘rsatgan.

To‘g‘ridan-to‘g‘ri sovutuvchi agent bilan sovitish qanday ishlaydi?

To‘g‘ridan-to‘g‘ri sovutuvchi agent bilan sovitishda batareya ostidagi sovuq plastina bug‘latgich vazifasini bajaradi. R410A sovutuvchi agenti plastina kanallariga kiradi, batareyadan keladigan issiqlikni oladi va qisman bug‘lanadi. Faza o‘zgarishida yutilgan yashirin issiqlik nisbatan kichik oqim sarfi bilan yuqori issiqlik tashish qobiliyatini ta’minlashi mumkin.

An’anaviy suyuq sovitish tizimlarida sovutuvchi suyuqlik bilan sovutish sikli orasida alohida issiqlik almashtirgich bo‘lishi mumkin. To‘g‘ridan-to‘g‘ri sovitishda sovuq plastinaning o‘zi sovutish siklining bug‘latgichi bo‘lgani uchun ikkilamchi suyuqlik konturi va oraliq issiqlik almashtirgichni yo‘q qilish mumkin. Bu tizimni yanada ixcham qilishi va issiqlik uzatish yo‘lini qisqartirishi mumkin.

Buning evaziga sovutuvchi agentning sovuq plastina ichida suyuqlikdan bug‘ga aylanishi bir fazali suv yoki glikol aylanishiga qaraganda murakkabroq taqsimot muammosini yuzaga keltiradi. Kirish harorati, massaviy sarf, bug‘ sifati, kanal bosimi va quvur topologiyasi birgalikda baholanishi kerak.

O‘rganilgan batareya klasterining tuzilishi

Tajriba tizimi taxminan 186,4 kWh energiya va 665,6 V nominal kuchlanishga ega to‘rt qavatli batareya klasteridir. Har bir batareya paketi ketma-ket ulangan 52 ta 280 Ah prizmatik litiy-temir-fosfat hujayrani o‘z ichiga oladi. Bir paket energiyasi 46,592 kWh, nominal kuchlanishi 166,4 V.

Har bir paketning o‘lchamlari 941,65 mm × 729,7 mm × 205,67 mm. Paketlar ostida 1209 mm × 808 mm × 5,5 mm o‘lchamdagi to‘g‘ridan-to‘g‘ri sovutuvchi agentli sovuq plastinalar mavjud. Hujayra taglari bilan sovuq plastina orasiga issiqlik o‘tkazuvchi pad, qo‘shni hujayralar orasiga esa aerojel izolyatsiya plastinalari joylashtirilgan.

Modelda ishlatilgan batareya hujayrasining asosiy xususiyatlari quyidagicha:

• Nominal sig‘im: 280 Ah
• Nominal kuchlanish: 3,2 V
• Massa: 5,43 ± 0,2 kg
• O‘lchamlar: 71,65 mm × 174,7 mm × 204,47 mm
• Katod: Litiy temir fosfat
• Anod: Grafit
• Zichlik: 2000 kg/m³
• Solishtirma issiqlik sig‘imi: 1000 J/(kg·K)
• Uch asosiy yo‘nalishdagi issiqlik o‘tkazuvchanligi: 14, 4 va 24 W/(m·K)

Haroratlar qanday o‘lchangan?

Har bir batareya paketiga 28 ta T turidagi termopara o‘rnatilgan. To‘rtta paketda jami 112 ta harorat nuqtasi ishlatilgan. O‘lchov nuqtalari sovutuvchi agent kirishi, plastinaning o‘rta hududi va chiqishiga mos hujayra zonalari bilan birga paket markazi va atrofi hududlarini qamrab olgan.

Termoparalarning ko‘rsatilgan aniqligi ±0,5 °C, namuna olish oralig‘i 1 soniya. Harorat, tok va kuchlanish ma’lumotlari bir vaqtning o‘zida qayd etilgan. Ushbu zich sensor tarmog‘i nafaqat paket o‘rtachalarini, balki ayni paket ichidagi mahalliy harorat farqlarini ham kuzatish imkonini bergan.

Tajriba sharoitlari

Tajribalar 25 °C da ushlab turilgan yopiq harorat nazoratli xonada bajarilgan. Batareya klasteri 93,2 kW doimiy quvvat bilan 7200 soniya davomida razryad qilingan. Ushbu ish sharoiti tadqiqotchilar tomonidan 0,5P deb atalgan.

Boshlang‘ich to‘g‘ridan-to‘g‘ri sovutuvchi agent sharoitlari quyidagicha:

• Sovutuvchi agent: R410A
• Massaviy sarf: 0,025 kg/s
• Kirish harorati: 18 °C
• Kirish bug‘ sifati: 0,20
• Razryad davomiyligi: 7200 soniya
• Muhit va boshlang‘ich qattiq jism harorati: 25 °C

Tajriba platformasida kompressor, kondensator, elektron kengaytirish klapani, gaz-suyuqlik ajratgich, to‘rtta sovuq plastina, batareya klasteri va ma’lumot yig‘ish tizimi mavjud. Tajribaviy tekshiruv vaqtida to‘rtta sovuq plastina parallel bug‘latgich tarmog‘i sifatida ulangan.

Batareya issiqligi qanday modellashtirilgan?

Batareya hujayralari bitta ekvivalent qattiq blok sifatida emas, balki uch yo‘nalishda turli issiqlik o‘tkazuvchanlikka ega anizotrop uzluksiz qattiq jismlar sifatida modellashtirilgan. Issiqlik o‘tkazuvchanlik tenzori quyidagicha:

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

Bu yerda λ_x, λ_y va λ_z hujayraning uch asosiy yo‘nalishdagi samarali issiqlik o‘tkazuvchanliklarini bildiradi. Hujayraning ichki qatlamli tuzilishi sabab issiqlik turli yo‘nalishlarda bir xil tezlikda tarqalmaydi.

Qattiq hududlardagi vaqtga bog‘liq harorat maydoni umumiy holda quyidagi energiya tenglamasi bilan ifodalangan:

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

ρ_s qattiq jism zichligini, c_p,s solishtirma issiqlik sig‘imini, T_s qattiq jism haroratini va q_b birlik hajmdagi batareya issiqlik hosil bo‘lishini ifodalaydi.

Batareya issiqligi qaytmas qarshilik yo‘qotilishi bilan qaytar entropik issiqlik yig‘indisi sifatida Bernardi yondashuvi bilan hisoblangan:

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

Bu yerda I batareya tokini, R_int harorat va zaryad holatiga bog‘liq ichki qarshilikni, T_b batareya haroratini, U_oc ochiq zanjir kuchlanishini va V_b hujayra hajmini bildiradi.

Ichki qarshilik qiymatlari 10, 20, 30 va 40 °C da bajarilgan gibrid impuls quvvat tavsiflash sinovlari bilan aniqlangan; entropik issiqlik koeffitsiyenti esa turli haroratlardagi muvozanat kuchlanishi tajribalaridan olingan. Ichki qarshilik va entropik koeffitsiyent zaryad holatiga bog‘liq polinomlar orqali CFD modeliga uzatilgan.

Qattiq va oqim hududlari qanday bog‘langan?

Batareya, issiqlik o‘tkazuvchi pad va sovuq plastina qattiq hududni; R410A kanallari, vertikal taqsimlash quvurlari, ulanishlar va tirsaklar esa oqim hududini tashkil qilgan. Qattiq jism–suyuqlik chegarasida harorat va issiqlik oqimi uzluksiz deb qabul qilingan:

\[ T_s = T_f \]

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

T_s va T_f qattiq jism va suyuqlik haroratlarini; λ_s va λ_f issiqlik o‘tkazuvchanliklarini; n esa sirtga normal yo‘nalishni bildiradi.

Modelda hujayra ulanish uchlari, elektrod qatlamlari, separatorlar va ikkilamchi konstruktiv detallar aniq modellashtirilmagan. Batareya klasterining tashqi yuzasi adiabatik deb qabul qilingan. Ushbu qabul atrof-muhit bilan tabiiy konveksiya va tashqi yuzadan issiqlik yo‘qotilishini chiqarib tashlab, sovuq plastina orqali ustun issiqlik uzatish yo‘liga e’tibor qaratadi.

R410A ikki fazali oqimi qanday modellashtirilgan?

Sovuq plastinalarda R410A qisman suyuq, qisman bug‘ holatida. Tadqiqotda STAR-CCM+ ichidagi Mixture ko‘p fazali modeli ishlatilgan. Suyuqlik va bug‘ fazalarining o‘rtacha harakati aralashma tenglamalari bilan, fazalar orasidagi tezlik farqi esa sirpanish tezligi hadi bilan ifodalangan.

Faza o‘zgarishi mahalliy to‘yinganlik holatiga asoslangan bug‘lanish-kondensatsiya modeli bilan; tirsak va ulanishlardagi turbulentlik esa realizable k-ε modeli bilan hisoblangan.

Sovutuvchi agentning bug‘ sifati quyidagi entalpiya munosabati bilan aniqlangan:

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

x bug‘ sifatini, h aralashmaning solishtirma entalpiyasini; h_l,sat va h_v,sat esa mahalliy bosimdagi to‘yingan suyuqlik va to‘yingan bug‘ entalpiyalarini bildiradi. Bug‘ sifatining oshishi oqimdagi massaning kattaroq qismi bug‘ fazasida ekanini anglatadi.

Sovutuvchi agent xossalari qanday olingan?

R410A ning to‘yingan suyuqlik va bug‘ xossalari NIST REFPROP ma’lumotlaridan olingan va CFD dasturida ishlatish uchun bosim yoki haroratga bog‘liq korrelyatsiyalar bilan ifodalangan. Korrelyatsiyalar amal qiladigan oraliq 273,15–313,15 K va 7,9805–24,1870 bar mutlaq bosimdir.

Suyuqlik va bug‘ zichligi, issiqlik o‘tkazuvchanligi, dinamik qovushqoqligi, solishtirma issiqlik sig‘imi va to‘yinganlik harorati uchun tuzilgan korrelyatsiyalarning aniqlash koeffitsiyentlari 0,998 dan yuqori, maksimal nisbiy og‘ishlari esa 0,7 foizdan past bo‘lgan. Ushbu yuqori moslik xossa korrelyatsiyalari ko‘rsatilgan oraliqda REFPROP ma’lumotlarini aniq qayta ishlab chiqishini ko‘rsatadi.

Bu natija mahalliy ikki fazali oqim bashoratlari tajribada tekshirilganini anglatmaydi. U faqat modelga kiritilgan termofizik xossa korrelyatsiyalari ishlatilgan ma’lumotlar bazasiga yuqori darajada mos kelishini bildiradi.

Modelni tekshirish natijalari

Modelni tekshirishda tajribada o‘lchangan batareya klasterining o‘rtacha harorati bilan simulyatsiya natijasi taqqoslangan. Ishlatilgan xato mezonlari quyidagicha:

Simulyatsiya o‘lchangan o‘rtacha haroratning vaqt bo‘yicha o‘sish tendensiyasini yaxshi qayta yaratgan. Shu sabab model turli quvur topologiyalarini bir xil sonli sharoitlarda nisbiy taqqoslash uchun ishlatilgan.

Tekshiruv qamrovi cheklangan. Paket ichidagi barcha mahalliy haroratlar, quvur bosimlari, sovutuvchi agent massaviy sarfining tarmoqlar orasidagi taqsimoti, bug‘ sifati va umumiy bosim yo‘qotilishi tajribada tekshirilmagan. Tadqiqotning ushbu kattaliklarga oid natijalari mutlaq o‘lchov sifatida emas, balki topologiyalar orasidagi nisbiy talqin uchun ishlatilishi kerak.

Tajriba harorat taqsimoti nimani ko‘rsatgan?

7200 soniya oxirida Pack 1 da o‘lchangan eng yuqori harorat 31,8 °C, eng past harorat taxminan 29,2 °C bo‘lgan. Pack 2 va Pack 3 taxminan 31,1 °C maksimal haroratga yetgan; Pack 4 da ham eng yuqori harorat taxminan 31,1 °C deb o‘lchangan.

Paketlarning o‘rtacha haroratlari quyidagicha:

Klaster o‘rtachasi 30,24 °C, butun klaster bo‘yicha eng yuqori va eng past o‘lchov orasidagi farq 2,88 °C. O‘rtacha haroratlar deyarli bir xil bo‘lsa ham, eng yuqori paketdagi mahalliy harorat taqsimoti eng pastki paketdagidan yomonroq. Bu holat o‘rtacha haroratning o‘zi sovitish notekisligini ko‘rsatish uchun yetarli emasligini ochib beradi.

Tadqiqotda barcha o‘lchovlar 35 °C baholash chegarasidan past qolgani aytilgan. Bu qiymat tadqiqotning taqqoslash mezonidir; har bir batareya kimyosi va foydalanish sharoiti uchun universal xavfsizlik chegarasi sifatida talqin qilinmasligi kerak.

O‘nta turli quvur topologiyasi qanday tasniflangan?

Tadqiqotchilar D1 dan D10 gacha o‘nta ulanish sxemasini ishlab chiqqan:

• D1 va D5: To‘liq parallel ulanishlar
• D2 va D6: To‘liq ketma-ket ulanishlar
• D3, D4 va D7–D10: Ketma-ket va parallel bo‘limlarni birlashtiradigan aralash ulanishlar

Parallel sxemalarda asosiy quvurdagi sovutuvchi agent bir vaqtning o‘zida turli balandlikdagi to‘rtta sovuq plastinaga bo‘linadi. Oqim yo‘llari qisqa va umumiy qarshilik past. Biroq suyuqlik bilan bug‘ning vertikal quvurda turlicha harakat qilishi har bir tarmoqqa bir xil sarf va faza nisbatining yetib borishini qiyinlashtiradi.

Ketma-ket sxemada parallel bo‘linish yo‘q. Ayni umumiy massaviy sarf to‘rtta sovuq plastinadan navbat bilan o‘tadi. Bu qavatlar orasidagi sarf farqini kamaytiradi; biroq oqim yo‘li uzaygani sabab ishqalanish va mahalliy bosim yo‘qotishlari ortadi. Bundan tashqari sovutuvchi agent bug‘langan sari keyingi sovuq plastinalarga turli termodinamik holatda yetib boradi.

Aralash sxemalar oqim qarshiligi bilan taqsimot tengligi orasida oraliq yechim berishga urinadi. Shunga qaramay tarmoqlanish va qo‘shilish nuqtalarida yuzaga kelgan faza farqlari keyingi sovuq plastinalarga ko‘chishi mumkin.

Bosim yo‘qotishlarini taqqoslash

Parallel sxemalarning bosim yo‘qotilishi aniq ravishda pastroq. To‘liq ketma-ket D2 va D6 sxemalari esa to‘rtta sovuq plastina va ulanish quvurlaridan o‘tadigan uzun yo‘l sabab eng yuqori yo‘qotishlarni hosil qilgan. D2 ning bosim yo‘qotilishi D1 nikidan taxminan 32 baravar, D6 niki esa taxminan 40 baravar.

Tadqiqot faqat bug‘latgich tomonidagi quvur tarmog‘i bosim yo‘qotilishini hisoblagan. Kompressor ushbu farqni qoplash uchun qancha qo‘shimcha quvvat sarflashi kerakligi, sovutish siklining ishlash koeffitsiyenti va umumiy tizim samaradorligi hisoblanmagan.

Harorat maydonlari quvur topologiyasiga ko‘ra qanday o‘zgargan?

Uch o‘lchamli harorat maydonlari to‘liq parallel ulanishlarda sezilarli vertikal qatlamlanish paydo bo‘lganini ko‘rsatgan. Ayniqsa D5 sxemasida pastki paketlar sovuqroq, yuqori paketlar issiqroq qolgan. Bu ko‘rinish vertikal taqsimlash quvurida yuqori tarmoqlarga kamroq suyuqlik va ko‘proq bug‘ yetib borishi bilan bog‘langan.

To‘liq ketma-ket D2 sxemasida to‘rtta sovuq plastinadan bir xil massaviy sarf o‘tgani uchun qavatlar orasidagi farq kamaygan. Sovutuvchi agentning bug‘ sifati yo‘l bo‘ylab oshgan bo‘lsa-da, parallel ulanish nuqtasida suyuqlik va bug‘ning turli tarmoqlarga bo‘linishi oldi olingan.

Aralash topologiyalar parallel sxemalarga nisbatan qatlamlanishni kamaytirgan, ammo ayrim chetlarda va oqim yo‘nalishidagi keyingi sovuq plastinalarda issiq hududlarni qoldirgan. Tadqiqotchilar buni tarmoqlanish nuqtalarida yuzaga kelgan faza farqlarining keyingi bo‘limlarga ko‘chishi bilan izohlagan.

Bug‘ taqsimoti harorat farqlarini qanday tushuntiradi?

Parallel topologiyalarning yuqori tarmoqlarida bug‘ massaviy ulushining yuqoriroq va suyuqlik mavjudligining pastroq bo‘lishi hisoblangan. Suyuq sovutuvchi agentning bug‘lanish qobiliyati yuqori bo‘lgani sabab suyuqlik ta’minotining kamayishi sovuq plastinaning mahalliy issiqlik olish qobiliyatini cheklashi mumkin.

D2 da parallel bo‘linish bo‘lmagani uchun ayni oqim to‘rtta plastina bo‘ylab harakatlangan. Oqimning bug‘ ulushi yo‘l bo‘ylab ortgan, biroq qavatlar orasidagi sarf va faza bo‘linishi farqi kamaygan.

Ushbu faza taqsimotlari uch o‘lchamli CFD modelining nisbiy bashoratlaridir. Mahalliy bug‘ sifati yoki suyuqlik plyonkasi taqsimoti sensorlar bilan o‘lchanmagani sabab rangli faza xaritalari haqiqiy tizimdagi aniq mahalliy qiymatlar deb baholanmasligi kerak.

Eng yaxshi termik topologiya qaysi?

Tadqiqotda harorat xavfsizligi va harorat tengligi birgalikda ustuvor qilinganda D2 tanlangan. 7200 soniya oxirida D2 ning eng yuqori batareya harorati 32,20 °C. Taqqoslangan topologiyalar orasida eng yuqori natija taxminan 33,6 °C bilan D8 da kuzatilgan.

D2 ning eng katta harorat farqi 3,80 °C bo‘lsa, D5 da bu qiymat taxminan 5,50 °C:

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

Bu natija to‘liq ketma-ket oqim yo‘li D5 ga nisbatan harorat farqini 30,9 foiz kamaytirganini ko‘rsatadi. Biroq D2 ning 29,029 kPa bosim yo‘qotilishi termik yaxshilanish tizim energiyasi nuqtai nazaridan bepul emasligini ko‘rsatadi.

Optimallashtirishda qaysi o‘zgaruvchilar ishlatilgan?

D2 topologiyasi tanlangandan keyin uchta kirish o‘zgaruvchisi optimallashtirilgan:

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

ṁ_in sovutuvchi agent massaviy sarfini, T_in kirish haroratini, x_in kirish bug‘ sifatini ifodalaydi.

Bir vaqtning o‘zida minimallashtirilgan ikki maqsad quyidagicha:

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

O‘zgaruvchilar tekshirilgan oraliqlar:

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

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

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

Natijalar faqat ushbu dizayn oralig‘i uchun amal qiladi. Oraliq tashqarisida ayni tendensiyalar davom etishini tadqiqot ko‘rsatmagan.

Nega Kriging o‘rinbosar modeli ishlatilgan?

Har bir uch o‘lchamli vaqtga bog‘liq CFD yechimi 7200 soniyalik batareya razryadini ifodalagani sabab yuqori hisoblash xarajati yuzaga keladi. Shu sabab tadqiqotchilar 105 ta optimal Latin hypercube namuna nuqtasini yaratib, ushbu nuqtalardagi CFD natijalari bilan Kriging o‘rinbosar modellarini o‘qitgan.

Namunalarning 84 tasi o‘qitish, 21 tasi sinov uchun ishlatilgan. Eng yuqori harorat modeli uchun sinov to‘plami aniqlash koeffitsiyenti 0,9949, o‘rtacha kvadratik ildiz xatosi 0,0752 °C. Harorat farqi modeli uchun aniqlash koeffitsiyenti 0,9861, o‘rtacha kvadratik ildiz xatosi 0,0489 °C.

Ushbu natijalar o‘rinbosar modellar namuna olingan dizayn sohasi ichidagi CFD natijalarini yuqori aniqlikda ifodalashini ko‘rsatadi. Biroq Kriging aniqligi asosiy CFD modelining fizik aniqligidan alohida masala. O‘rinbosar model CFD ni yaxshi takrorlasa ham CFD dagi model taxminlari va tajribaviy tekshiruv cheklovlari saqlanib qoladi.

Qaysi kirish o‘zgaruvchisi muhimroq?

Sobol global sezgirlik tahlili eng yuqori harorat bilan harorat tengligi turli o‘zgaruvchilarga sezgir ekanini ko‘rsatgan.

Eng yuqori batareya harorati uchun kirish haroratining birinchi tartibli sezgirlik indeksi 0,6851, umumiy ta’sir indeksi 0,6876. Bu natija umumiy harorat darajasining katta qismini sovutuvchi agent kirish harorati tushuntirishini ko‘rsatadi.

Eng katta harorat farqi uchun massaviy sarfning birinchi tartibli sezgirlik indeksi 0,9316, umumiy ta’sir indeksi 0,9340. Boshqacha aytganda, tekshirilgan oraliqda harorat tengligini eng kuchli ravishda massaviy sarf belgilagan.

Birinchi tartibli va umumiy ta’sir indekslarining bir-biriga yaqin bo‘lishi o‘zgaruvchilar orasidagi o‘zaro ta’sirlar cheklanganini ko‘rsatadi. Kirish bug‘ sifati tekshirilgan 0,10–0,30 oralig‘ida ikki harorat javobiga kichikroq ta’sir ko‘rsatgan.

NSGA-II va TOPSIS qanday ishlatilgan?

NSGA-II eng yuqori harorat bilan harorat farqini bir vaqtda minimallashtirishga urinadigan ko‘p maqsadli genetik algoritmdir. Bir maqsadni ko‘proq yaxshilash ikkinchi maqsadni yomonlashtiradigan yechimlar Pareto frontini hosil qiladi.

Tadqiqotda ishlatilgan asosiy NSGA-II sozlamalari quyidagicha:

• Populyatsiya hajmi: 200
• Maksimal avlod soni: 100
• Chatishtirish ehtimoli: 0,9
• Mutatsiya ehtimoli: 0,1
• Chatishtirish taqsimot indeksi: 20
• Mutatsiya taqsimot indeksi: 20

Pareto frontidagi variantlardan bitta vakillik ish sharoitini tanlash uchun TOPSIS usuli ishlatilgan. TOPSIS har bir nomzodning ideal eng yaxshi va ideal eng yomon yechimga masofasini taqqoslaydi.

Tanlangan ish sharoiti va tekshiruv natijasi

TOPSIS tanlagan sharoit quyidagicha:

• Massaviy sarf: 0,05 kg/s
• Kirish harorati: 15,9 °C
• Kirish bug‘ sifati: 0,21

Kriging modeli ushbu sharoit uchun eng yuqori haroratni 30,57 °C, harorat farqini 3,52 °C deb bashorat qilgan. Uch o‘lchamli CFD tekshiruvida mos ravishda 30,48 °C va 3,42 °C olingan. O‘rinbosar model bilan CFD orasidagi nisbiy xatolar 0,3 foiz va 2,9 foiz.

Sovutuvchi agent sarfini ikki baravar oshirish va kirish haroratini pasaytirish batareya haroratlarini yaxshilagan. Biroq yuqori sarfning nasos yoki kompressor yukiga, bosim yo‘qotilishiga va energiya sarfiga ta’siri optimallashtirish maqsadlari orasida emas.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlaydigan natijalar

• Vertikal joylashtirilgan, to‘g‘ridan-to‘g‘ri sovutiladigan batareya paketlarida quvur ulanish shakli harorat tengligiga sezilarli ta’sir qilishi mumkin.
• Parallel tarmoqlar past bosim yo‘qotilishini ta’minlar ekan, gravitatsiya va ikki fazali taqsimot sabab qavatlar orasida turli sovitish qobiliyatini hosil qilishi mumkin.
• Uzluksiz ketma-ket oqim yo‘li barcha sovuq plastinalardan bir xil massaviy sarf o‘tishini ta’minlab, qavatlar orasidagi harorat farqini kamaytirishi mumkin.
• Ketma-ket ulanishning termik afzalligi sovutuvchi agent tomonidagi yuqoriroq bosim yo‘qotilishi bilan birga keladi.
• Tekshirilgan parametr oralig‘ida kirish harorati eng yuqori haroratga, massaviy sarf esa harorat tengligiga kuchliroq ta’sir qilgan.
• Kriging, NSGA-II va TOPSIS birikmasi qimmat CFD yechimlariga asoslangan ko‘p maqsadli ish sharoitini tanlashni tezlashtirishi mumkin.

Tadqiqot nimani isbotlamaydi?

• D2 topologiyasi barcha batareya energiya saqlash tizimlari uchun eng yaxshi quvur sxemasi ekanini isbotlamaydi.
• D2 umumiy energiya sarfi, kompressor quvvati yoki sovutish samaradorlik koeffitsiyenti jihatidan eng samarali yechim ekanini ko‘rsatmaydi.
• CFD dagi mahalliy bosim, bug‘ sifati va suyuqlik-bug‘ taqsimoti haqiqiy tizimda ayni qiymatlarda yuz berishini tajribada tasdiqlamaydi.
• Optimallashtirilgan 0,05 kg/s sarf iqtisodiy yoki energetik jihatdan maqbul ekanini ko‘rsatmaydi; bu qiymat dizayn oralig‘ining yuqori chegarasidir.
• Turli muhit haroratlarida, yuqoriroq razryad quvvatlarida, zaryad sharoitlarida yoki batareya qarishidan keyin ayni natijalar saqlanishini ko‘rsatmaydi.
• 35 °C dan past qolishning o‘zi barcha xavfsizlik va xizmat muddati talablarini qondirishini isbotlamaydi.
• R410A dan boshqa sovutuvchi agentlar yoki turli sovuq plastina geometriyalari uchun ayni topologiya tartibi amal qilishini ko‘rsatmaydi.

Tadqiqotning asosiy cheklovlari

Model tekshiruvi faqat batareya klasterining o‘rtacha harorat javobiga asoslangan. Paket ichidagi harorat maydoni va ikki fazali sovutuvchi agent taqsimoti bevosita tekshirilmagan. Shu sabab topologiyalar tartibi mazmunli muhandislik ko‘rsatkichi bo‘lsa-da, mahalliy oqim qiymatlari yuqori aniqlikdagi o‘lchov emas, model bashorati sifatida o‘qilishi kerak.

Batareya klasterining tashqi yuzalari adiabatik deb qabul qilingan; atrof havosi bilan issiqlik almashinuvi e’tiborga olinmagan. Hujayra terminallari, elektrodlar, separatorlar va ayrim konstruktiv qismlar modelga kiritilmagan. Ushbu soddalashtirishlar hisoblash xarajatini kamaytirsa-da, haqiqiy tizimdagi ayrim mahalliy issiqlik yo‘llarini chiqarib tashlaydi.

Boshlang‘ichda ishlatilgan 12,2 bar mutlaq bosim tajribaviy kirish bosimi emas. U faqat oqim hududining boshlang‘ich holatini hosil qilish uchun ishlatilgan. Keyingi bosim maydoni chiqish chegarasi, quvur qarshiligi, gravitatsiya va faza o‘zgarishi bilan hisoblangan.

Optimallashtirish faqat eng yuqori harorat va eng katta harorat farqini kamaytirgan. Bosim yo‘qotilishi, kompressor sarfi, sovutish quvvati, COP, uskuna o‘lchami, shovqin, xarajat va uzoq muddatli ishonchlilik maqsad funksiyasiga qo‘shilmagan. Shu sabab natija “termik nuqtai nazardan afzal sharoit”dir; tizim darajasidagi umumiy optimum emas.

Tadqiqotda barcha 105 CFD namunasining Qo‘shimcha S1-jadvalda taqdim etilgani aytiladi. Biroq ko‘rib chiqilgan faylda ushbu qo‘shimcha jadval mavjud emas. Bu holat o‘rinbosar model ma’lumotlar to‘plamini mustaqil qayta ko‘rib chiqishni cheklaydi.

Muhandislik nuqtai nazaridan asosiy xulosa

Tadqiqotning eng muhim natijasi shuki, batareyani sovitishda faqat sovuq plastinaning ichki kanal geometriyasi emas, balki butun quvur tarmog‘i birgalikda loyihalanishi kerak. Vertikal joylashuvda qisqa va past qarshilikli parallel quvurlar har doim eng teng sovitishni ta’minlamaydi. Xuddi shuningdek, haroratni eng yaxshi tenglashtiradigan ketma-ket ulanish bosim yo‘qotilishi va energiya sarfi hisobga olinmasdan bevosita tanlanmasligi kerak.

Amaliy dizaynda eng yuqori harorat, harorat tengligi, bosim yo‘qotilishi, sovutish sikli samaradorligi, boshqariluvchanlik va nosozlik holatlari birgalikda baholanishi kerak. Tadqiqot ushbu ko‘p o‘lchovli muammoning termik qismini batafsil o‘rganadi; energiya va iqtisodiy optimallashtirish uchun esa keyingi tadqiqotlarga ehtiyoj qoldiradi.

Tadqiqot usuli va topilmalari

Tadqiqot dizaynining xulosasi

Sonli modelning boshlang‘ich va chegara sharoitlari

Material xossalari

Haroratni baholash mezonlari

Har bir paketdagi 28 sensorning o‘rtacha harorati quyidagicha hisoblangan:

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

Bitta paket ichidagi maksimal harorat farqi:

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

To‘rtta paketning klaster o‘rtachasi:

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

Butun klaster bo‘yicha eng katta o‘lchov farqi:

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

CFD topologiya taqqoslashida esa faqat sensor nuqtalari emas, butun batareya qattiq hajmi ishlatilgan:

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

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

Bu farq muhim. Tajribaviy harorat farqlari 112 ta alohida sensordan, CFD qiymatlari esa hisoblangan butun batareya hajmidan olingan.

Asosiy tajribaviy va sonli topilmalar

Rasm va jadvallarning ilmiy ma’nosi

• 1-rasm: Tajribaviy tekshiruv, topologiya taqqoslash, o‘rinbosar model, ko‘p maqsadli optimallashtirish va CFD qayta tekshiruvidan iborat to‘rt bosqichli tadqiqot oqimini ko‘rsatadi.
• 2-rasm va 3-rasm: Ichki qarshilikning harorat va zaryad holatiga bog‘liq o‘zgarishini hamda entropik issiqlik koeffitsiyentining zaryad holati bilan munosabatini ko‘rsatadi.
• 4-rasm: To‘rt qavatli batareya klasteri, sovuq plastinalar, izolyatsiya plastinalari va 112 harorat sensori joylashuvini ko‘rsatadi.
• 5-rasm va 6-rasm: Haqiqiy tajriba platformasi hamda R410A sovutish siklidagi kompressor, kondensator, kengaytirish klapani, sovuq plastinalar va gaz-suyuqlik ajratgich ulanishlarini ko‘rsatadi.
• 7–9-rasmlar: Har bir paketdagi harorat ko‘tarilishini, paket o‘rtachalarini va mahalliy harorat farqlari yuqori qavatlarda ortishini ko‘rsatadi.
• 10-rasm: Tajribaviy va simulyatsiya o‘rtacha harorat egri chiziqlari bir-biriga yaqinligini, ammo tekshiruv faqat tizim o‘rtachasini qamrab olishini ko‘rsatadi.
• 11-jadval: D1–D10 orasidagi parallel, ketma-ket va aralash quvur ulanishlarining oqim yo‘nalishlarini ko‘rsatadi.
• 12-jadval: Ketma-ket ulanish harorat tengligi evaziga ancha yuqori bosim yo‘qotishini hosil qilishini ko‘rsatadi.
• 13-jadval: Parallel tarmoqlardagi vertikal harorat qatlamlanishini va D2 ning tengroq harorat maydonini ko‘rsatadi.
• 14-jadval: Yuqori tarmoqlardagi bug‘ga boyish bilan issiq hududlar orasidagi nisbiy munosabatni ko‘rsatadi.
• 11-rasm va 12-rasm: Eng yuqori harorat topologiyaga ko‘ra cheklangan darajada, eng katta harorat farqi esa kuchliroq o‘zgarishini ko‘rsatadi.
• 14-rasm: Kriging bashoratlari bilan CFD natijalari namuna olingan dizayn hududida yuqori moslikka ega ekanini ko‘rsatadi.
• 15-rasm: Eng yuqori harorat kirish haroratiga, harorat tengligi esa massaviy sarfga ko‘proq sezgir ekanini ko‘rsatadi.
• 16-rasm: Ikki harorat maqsadi orasidagi Pareto muvozanatini va TOPSIS bilan tanlangan vakillik sharoitini ko‘rsatadi.

Manba va usul eslatmasi

Tadqiqotning to‘liq asl nomi: Topology and Thermal Performance Optimization of a Direct Refrigerant Cooling Network for a Vertically Stacked Lithium-Ion Battery Energy Storage System

Mualliflar va tartibi: Jinyi Liu, Yan Wang, Ziyang Zhang, Xilong Zhang, Haoran Liu va Shouwang Feng.

Teng birinchi muallif: Teng hissa yoki teng birinchi mualliflik haqida ma’lumot berilmagan.

Mas’ul muallif: Matnda mas’ul muallif belgisi yoki aloqa ma’lumoti yo‘q.

Muassasa aloqalari:

• 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 va Xilong Zhang birinchi muassasaga; Yan Wang birinchi va ikkinchi muassasaga; Haoran Liu ikkinchi muassasaga; Shouwang Feng uchinchi muassasaga tegishli deb ko‘rsatilgan.

DOI: 10.2139/ssrn.7196298. Ushbu DOI SSRN preprint yozuviga tegishli; peer-reviewed jurnal maqolasi DOI si sifatida talqin qilinmasligi kerak.

Jurnal: Peer-reviewed jurnal nomi ko‘rsatilmagan va nashr etilgan jurnal versiyasi tasdiqlanmagan.

Nashr platformasi: SSRN.

SSRN annotatsiya raqami: 7196298.

Nashr sanasi: 28 July 2026.

Manba turi: Tajribaviy harorat o‘lchovlari, uch o‘lchamli vaqtga bog‘liq CFD tahlili, taqqoslama quvur tarmog‘i dizayni va ko‘p maqsadli optimallashtirishni o‘z ichiga olgan muhandislik preprinti.

Peer-review holati: Tadqiqot peer review’dan o‘tmagan. Natijalar, ayniqsa mahalliy ikki fazali taqsimot, topologiya umumlashtirilishi va tizim energiya samaradorligi jihatidan ushbu cheklov bilan o‘qilishi kerak.

Rasmiy havola:https://ssrn.com/abstract=7196298

Moliyalashtirish: Tadqiqotda Xitoy Milliy asosiy tadqiqot va rivojlantirish dasturining 2024YFE0213000 va 2022YFB2404803 raqamli loyihalari, Shandong provinsiyasi oliy ta’lim muassasalari Yosh innovatsion jamoa dasturining 2023KJ323 raqamli qo‘llab-quvvatlashi va Shandong provinsiyasi Asosiy tadqiqot va rivojlantirish dasturining 2024TSGC0815 raqamli qo‘llab-quvvatlashi qayd etilgan.

Muallif hissalari: Matnda batafsil muallif hissasi bayonoti yo‘q.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Matnda alohida manfaatlar to‘qnashuvi bayonoti yo‘q.

Ma’lumotlarga kirish: Tadqiqotda 105 ta optimallashtirish namunasi Qo‘shimcha S1-jadvalda berilgani aytilgan. Ko‘rib chiqilgan matnda ushbu qo‘shimcha jadval mavjud emas.

Ushbu o‘zbekcha maqola tadqiqotning to‘liq matni, tajriba qurilmasi, matematik modellari, jadvallari, harorat grafiklari, topologiya sxemalari, uch o‘lchamli harorat maydonlari, bug‘ massaviy ulushi tasvirlari, sezgirlik tahlili va optimallashtirish natijalari ko‘rib chiqilib tayyorlangan. Tashqi manbalar faqat preprint identifikatori, nashr sanasi, DOI ma’lumoti va rasmiy havolani bibliografik tekshirish uchun ishlatilgan; ilmiy mazmunga tashqaridan topilma qo‘shilmagan.

Tadqiqotning asosiy uslubiy cheklovlari: model faqat klaster o‘rtacha harorati bilan tekshirilgani, mahalliy ikki fazali oqim kattaliklari tajribada o‘lchanmagani, tashqi yuzalar adiabatik deb qabul qilingani, ayrim hujayra va ulanish detallari soddalashtirilgani, bosim yo‘qotilishi energiya optimallashtirishiga qo‘shilmagani, tanlangan sarf dizayn oralig‘ining yuqori chegarasida ekani va qo‘shimcha optimallashtirish ma’lumotlari jadvali ko‘rib chiqilgan matnda mavjud emasligidir.