Fuel cell and battery sizing analysis for heavy duty fuel cell trucks: Modelling, performance and aging aware evaluation
Ağır hizmet tipi yakıt hücreli kamyonlar için yakıt hücresi ve batarya boyutlandırma analizi: Modelleme, performans ve yaşlanma duyarlı değerlendirme
- Tez No: 999590
- Danışmanlar: PROF. DR. CAN ERKEY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, ağır hizmet tipi yakıt hücreli elektrikli kamyonlar için güç aktarma organı boyutlandırmasının modellenmesi, optimizasyonu ve farklı yaşlanma koşulları altında araç performans değerlendirilmesine odaklanmaktadır. Yakıt hücresiyle çalışan hibrit bir kamyon için; yakıt hücresi sistemi, farklı kapasiteler ve şarj/deşarj özelliklerine sahip lityum iyon batarya paketleri, elektrik motoru ve kural tabanlı bir enerji yönetim sistemi algoritması içeren ayrıntılı alt modellerden oluşan kapsamlı bir MATLAB/Simulink simülasyon modeli geliştirilmiştir. Tek modül ve çift modül olmak üzere iki farklı yakıt hücresi mimarisi, on beş farklı batarya konfigürasyonu ile birleştirilerek toplamda otuz hibrit güç aktarma sistemi konfigürasyonu oluşturulmuştur. Her konfigürasyon, hidrojen tüketimi ve araç performansını değerlendirmek amacıyla iki farklı sürüş döngüsü altında test edilmiştir. Ayrıca, VECTO ve kentsel sürüş döngülerinde çalışan seçili konfigürasyonlar için kapsamlı bir yaşlanma analizi gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, üç farklı yaşlanma senaryosu tanımlanmış ve her bir senaryo, uzun vadeli bozulma etkilerini temsil etmek amacıyla 5000 saatlik bir operasyon süresi boyunca simüle edilmiştir. Simülasyonlar, 5000 saat yaşlanmış yakıt hücresi parametreleri kullanılarak tekrarlanmış ve ortaya çıkan hidrojen tüketimi ile performans metrikleri tekrar karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, yaşlanma farkındalığı içeren boyutlandırma yaklaşımının hidrojen tüketimi ve araç menzili üzerinde kritik etkilere sahip olduğunu göstermektedir. Her iki sürüş döngüsünde de hafif yaşlanma senaryosu hidrojen tüketimini yaklaşık 4--6\% oranında artırırken, hızlandırılmış agresif yaşlanma senaryoları yakıt tüketiminde \%63'e varan artışlara yol açmaktadır. Ayrıca, yüksek eğimli rotalarda araç tırmanma performansı ve tek dolumla tamamlanacak menzil, ciddi yaşlanma koşullarından belirgin şekilde etkilenmektedir. Agresif koşullar altında yakıt hücresi sisteminin tek dolum ile tamamladığı menzil \%33'e kadar azalmaktadır. Sonuçlar, optimum güç aktarma sistemi konfigürasyonlarının yaşlanma etkisi altında değişebileceğini ortaya koymakta ve uzun yol hidrojen yakıt hücreli kamyon uygulamalarında yakıt tüketimi ve performans arasında denge kurabilmek için yaşlanma farkındalığına sahip stratejilerin gerekliliğini vurgulamaktadır. Genel olarak bu çalışmada, yakıt hücreli hibrit sistemlerde boyutlandırma, performans ve yaşlanma davranışının analizi sunularak sıfır emisyonlu ağır hizmet tipi araçların geliştirilmesine katkıda bulunmak amaçlanmıştır.
Özet (Çeviri)
This study mainly focuses on the powertrain sizing and performance evaluation of fuel cell–battery hybrid powertrains under different aging conditions for heavy duty fuel cell hybrid trucks. A comprehensive MATLAB/Simulink-based simulation framework is developed for a polymer electrolyte membrane fuel cell-powered hybrid truck, incorporating detailed sub-models for the fuel cell system, lithium-ion battery packs with varying capacities and charge/discharge characteristics, an electric motor, and a rule-based energy management system. For the evaluation, thirty distinct hybrid configurations are generated by combining two fuel cell architectures as a single-stack and twin-stack with fifteen battery setups. Battery setups are created using different battery capacity and C-rate combinations. Each configuration is tested under two drive cycles to assess hydrogen consumption and vehicle performance. In addition, aging analysis is performed for selected configurations operating in both VECTO and Urban drive cycles. Three distinct aging scenarios are defined based on different voltage loss rates, and each case is simulated for a 5000-hour operational period to capture long-term degradation effects. The simulations are repeated using 5000h aged fuel cell stack parameters, and the resulting hydrogen consumption, and vehicle performance metrics are compared. The integrated results of aging aware sizing study uncovered crucial impacts on hydrogen consumption and range: In both drive cycles, conservative aging increases hydrogen consumption by up to 4\%-6\%, while accelerated stress test scenarios lead to a deterioration in fuel consumption of up to 63\%. Moreover, the vehicle gradebility under high grade routes and the range that will be completed without refilling the tank are affected by severe aging conditions. Accelerated stress test conditions for fuel cell, decrease the vehicle's single filling range up to 33\%. Apart from the results, best configurations might shift under aging influence, emphasizing the need for degradation-aware design strategies to balance durability, performance, and economic viability in long-haul polymer electrolyte membrane fuel cell truck applications. Furthermore driving pattern and cycles are decisive factors to find the optimum configuration. While the twin stack configurations are more feasbile for long haul cycles, single stack systems might be adequate for urban drives. Overall, this study aims to contribute to the development of the next generation zero emission heavy duty vehicles by providing a multidimensional analysis of sizing, performance, and aging behavior in fuel cell hybrid systems. These developed models and findings might serve as a practical baseline for researchers and engineers to optimize real world applications and accelerate the transition toward clean transportation technologies.
Benzer Tezler
- Yakıt pilli ticari araçların modellenmesi ve verimliliğinin incelenmesi
Modeling and analysis of the efficiency of fuel cell commercial vehicles
ÖMER FARUK AKYÜNCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZDEN AĞRA
DOÇ. DR. ALP TEKİN ERGENÇ
- Şebekeden bağımsız uygulamalar için hibrit bir rüzgâr türbini/fotovoltaik/yakıt hücresi/batarya sisteminin optimizasyonu, tasarımı ve uygulaması
Optimization, design and application of a hybrid wind turbine/photovoltaic/fuel cell/battery system for stand alone applications
OZAN ERDİNÇ
Doktora
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET UZUNOĞLU
- Termoelektrik modülün iki yönlü kullanıldığı fotovoltaik sistemlerin modellenmesi
Modeling of photovoltaic systems with bidirectional use of thermoelectric module
UĞUR YILMAZ
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TÜRKER FEDAİ ÇAVUŞ
PROF. DR. YAŞAR İSLAMOĞLU
- Bir İHA'nın üst sezgisel algoritmalarla enerji yönetimi ve eniyilemesi
Energy management and optimization based on meta-heuristic algorithms for a UAV
HASAN ÇINAR
Doktora
Türkçe
2022
Uçak MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLYAS KANDEMİR
- Stochastic optimal design of a rural microgrid
Kırsal bir mikro şebekenin stokastik optimal tasarımı
GÜLFEM ER
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiBahçeşehir ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ETHEM ÇANAKOĞLU