Hidrojen Yakıt Hücresi–Batarya Hibrit Bir Ekskavatör Güç Aktarma Sisteminin Dinamik Modellemesi ve Performans Analizi

Abstract

Bu çalışma, ağır iş makineleri için hidrojen yakıt hücresi–batarya hibrit güç aktarma sisteminin sistem seviyesinde modellenmesini ve sayısal analizini sunmaktadır. Hidrojen depolama ve besleme süreci ile yakıt hücresi–batarya sisteminin çalışma prensipleri açıklanmış ve DC bara tabanlı bir güç paylaşım mimarisi geliştirilmiştir. Önerilen konfigürasyonda yakıt hücresi ortalama güç ihtiyacını karşılamakla sorumlu iken, batarya geçici ve tepe yük taleplerini desteklemektedir. Sayısal simülasyonlar, ekskavatör çalışma koşullarını temsil eden zamana bağlı güç taleplerine dayalı olarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, önerilen hibrit sistemin dinamik güç gereksinimlerini etkin bir şekilde karşılayabildiğini ve kararlı bir şekilde çalıştığını göstermektedir. Yakıt hücresi sürekli ve kararlı bir güç kaynağı olarak görev yaparken, batarya ani yük değişimlerini dengelemektedir. Batarya şarj durumu (SOC) değerinin belirli sınırlar içinde kalması, uygulanan kural tabanlı güç paylaşım stratejisinin etkinliğini ve sürdürülebilirliğini ortaya koymaktadır. Geliştirilen model, yakıt hücreli hibrit ekskavatörler üzerine yapılan güncel çalışmalarla uyumlu olmakla birlikte, optimizasyon tabanlı yaklaşımlardan farklı olarak, gerçek zamanlı uygulamalara uygun basitleştirilmiş ve pratik bir sistem seviyesi model ile kural tabanlı bir enerji yönetim stratejisine odaklanmaktadır. Elde edilen bulgular, önerilen hibrit sistemin operasyonel kararlılık, verimlilik ve emisyon azaltımı açısından geleneksel dizel sistemlere güçlü bir alternatif sunduğunu göstermektedir. Geliştirilen modelleme yaklaşımı, ileri düzey enerji yönetim stratejileri ve daha gerçekçi çalışma çevrimlerinin incelenmesine yönelik gelecekteki çalışmalar için bir temel oluşturmaktadır.

Keywords

• Ağır Hizmet Tipi Araçlar
• Hidrojen Yakıt Hücresi
• Batarya
• Hibrit Ekskavatör
• Hidrojen Depolama

Dynamic Modeling and Performance Analysis of a Hydrogen Fuel Cell–Battery Hybrid Excavator Powertrain System

Abstract

This study presents a system-level modeling and numerical analysis of a hydrogen fuel cell–battery hybrid powertrain for heavy-duty construction machinery. The hydrogen storage and supply process, as well as the operating principles of the fuel cell–battery system, are described, and a DC bus-based power-sharing architecture is developed. In the proposed configuration, the fuel cell is responsible for supplying the average power demand, while the battery supports transient and peak load requirements. Numerical simulations are performed based on time-dependent power demands representative of excavator operation. The results demonstrate that the proposed hybrid system can effectively meet dynamic power requirements while maintaining stable operation. The fuel cell provides a continuous and stable power output, whereas the battery compensates for rapid load variations. The battery state of charge (SOC) remains within a controlled range, indicating the effectiveness and sustainability of the implemented rule-based power-sharing strategy. The developed model aligns with recent studies on fuel cell hybrid excavators; however, unlike optimization-based approaches, this work focuses on a simplified and practical system-level model combined with a rule-based energy management strategy suitable for real-time applications. The findings indicate that the proposed hybrid system offers a promising alternative to conventional diesel-powered excavators in terms of operational stability, efficiency, and emission reduction. The developed modeling framework provides a foundation for future studies on advanced energy management strategies and realistic duty cycle analyses.

Keywords

• Heavy-Duty Vehicles
• Hydrogen Fuel Cell
• Battery
• Hybrid Excavator
• Hydrogen Storage

References

1. [1] R. K. Ahluwalia and X. Wang, "Fuel cell systems for transportation: Status and trends," Journal of Power Sources, vol. 177, no. 1, pp. 167-176, 2008.
2. [2] N. Mebarki et al., "PEM fuel cell/battery storage system supplying electric vehicle," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 41, no. 45, pp. 20993-21005, 2016.
3. [3] Q. Li et al., "Energy management strategy for fuel cell/battery/ultracapacitor hybrid vehicle based on fuzzy logic," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 43, no. 1, pp. 514-525, 2012.
4. [4] T. C. Do et al., "Energy management strategy of a PEM fuel cell excavator with a supercapacitor/battery hybrid power source," Energies, vol. 12, no. 22, p. 4362, 2019.
5. [5] T. Li, L. Huang, and H. Liu, "Energy management and economic analysis for a fuel cell supercapacitor excavator," Energy, vol. 172, pp. 840-851, 2019.
6. [6] X. Zhao et al., "Energy management strategies for fuel cell hybrid electric vehicles: Classification, comparison, and outlook," Energy Conversion and Management, vol. 270, p. 116179, 2022.
7. [7] H. V. A. Truong et al., "Mapping fuzzy energy management strategy for PEM fuel cell–battery–supercapacitor hybrid excavator," Energies, vol. 13, no. 13, p. 3387, 2020.
8. [8] H.-A. Trinh et al., "Optimization-based energy management strategies for hybrid construction machinery: A review," Energy Reports, vol. 8, pp. 6035-6057, 2022.

9. [9] H.-A. Trinh et al., "Comprehensive control strategy and verification for PEM fuel cell/battery/supercapacitor hybrid power source," Int. J. Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, vol. 10, no. 2, pp. 421-436, 2023.
10. [10] H. V. Dao et al., "Optimization-based fuzzy energy management strategy for PEM fuel cell/battery/supercapacitor hybrid construction excavator," Int. J. Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, vol. 8, no. 4, pp. 1267-1285, 2021.
11. [11] O. Tremblay and L.-A. Dessaint, "Experimental validation of a battery dynamic model for EV applications," World Electric Vehicle Journal, vol. 3, no. 2, pp. 289-298, 2009.
12. [12] S. J. Chapman, Electric Machinery Fundamentals, vol. 5. New York, NY, USA: McGraw-Hill Education, 2003.
13. [13] Y. A. Cengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach. Sea, vol. 1000, no. 8862, pp. 287-293, 2002.
14. [14] C. Borgnakke, Fundamentals of Thermodynamics. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2025.
15. [15] A. Esposito, Fluid Power with Applications. Columbus, OH, USA: Pearson Prentice Hall, 2009.
16. [16] J. Larminie, A. Dicks, and M. S. McDonald, Fuel Cell Systems Explained, vol. 2. Chichester, UK: J. Wiley, 2003.
17. [17] M. Ehsani, Y. Gao, S. Longo, and K. Ebrahimi, Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles, 3rd ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2018.
18. [18] F. Barbir, PEM Fuel Cells: Theory and Practice. Cambridge, MA, USA: Academic Press, 2012.
19. [19] R. O’hayre et al., Fuel Cell Fundamentals. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2016.