Hibrit deniz enerji sistemleri, klasik dizel makine dairesine hidrojen depolama, PEM yakıt hücresi, batarya, güç elektroniği ve gelişmiş enerji yönetimi eklendiğinde çok sayıda fiziksel alt sistemin birbirine bağımlı çalıştığı karmaşık yapılara dönüşmektedir. İncelenen çalışma, dizel jeneratör seti, proton değişim membranlı yakıt hücresi (PEMFC), metal-hidrit hidrojen depolaması ve batarya enerji depolama sisteminin ortak bir DC barayı beslediği seri hibrit deniz güç sistemini tek bir fizik tabanlı dijital ikiz tanı ve prognostik mimarisi altında ele almaktadır.

Çalışmanın deneysel olarak en ileri bölümü dizel motor tarafıdır. Altı silindirli bir deniz dizel motoru için oluşturulan sıfır boyutlu termodinamik dijital ikiz; silindir grubu, enjeksiyon sistemi, turboşarj, hava yolu, egzoz sistemi ve EGR alt modellerini içerir. Model, gerçek silindir basıncı ölçümleri kullanılarak kalibre edilmiş ve %40, %60 ve %100 motor yüklerinde doğrulanmıştır. Tepe silindir basıncı ölçümleri yaklaşık %1,1–1,5; brake mean effective pressure (BMEP) ise yaklaşık %2,3–7,5 sapmayla yeniden üretilmiştir.

Arıza tanısı iki bilgi kaynağına dayanır: gerçek sistemden alınan ölçümler ile model tahminleri arasındaki residual'lar ve fiziksel model parametrelerinin referans değerlerinden zamanla sapması. Kaynak çalışma, %40 motor yükünde geç egzoz valfi kapanmasını ve %100 yükte geç enjeksiyon sonunu çevrim dışı simüle ederek birbirinden ayrılabilen silindir-basıncı arıza imzaları üretmiştir. Bu yaklaşım, arızaları gerçek gemide kasıtlı olarak oluşturmadan bir fault-signature kütüphanesi oluşturmayı amaçlamaktadır.

Çerçeve daha sonra PEMFC, metal-hidrit hidrojen depolama ve batarya tarafına genişletilmiştir. Yakıt hücresi flooding, membrane drying, hidrojen veya hava açlığı; metal-hidrit tankında yetersiz desorpsiyon, ısıl dengesizlik ve hidrojen kaçağı; bataryada hücre aşırı ısınması, kapasite kaybı ve iç direnç artışı gibi bozulmalar belirli residual desenleriyle eşleştirilmiştir. Ancak bu hidrojen-elektrik katmanlar henüz gerçek bir hibrit deniz platformundan alınmış ölçümlerle doğrulanmamıştır.

Neden hibrit deniz güç sistemlerinde yeni bir tanı yaklaşımına ihtiyaç var?

Geleneksel bir gemi makine dairesinde bile dizel motor, turboşarj, yağlama, soğutma, yakıt sistemi ve egzoz yolu birçok arıza mekanizmasına sahiptir. Hibritleşmeyle birlikte buna yakıt hücresi, hidrojen depolaması, batarya, DC/DC dönüştürücüler, inverter, elektrik motoru ve enerji yönetimi eklenir.

Bu yeni yapı yalnız bileşen sayısını artırmaz. Alt sistemlerden birinde meydana gelen problem başka bir sistemde benzer belirtiler oluşturabilir. Örneğin PEM yakıt hücresine yeterli hidrojen ulaşmaması stack üzerinde hidrojen starvation belirtisi oluşturabilir; ancak sorun yakıt hücresinde değil metal-hidrit tankının yetersiz desorpsiyonunda bulunabilir.

Bu nedenle çalışma, bileşenlerin yalnız bağımsız alarm sistemleriyle izlenmesi yerine, tüm enerji sisteminin fiziksel ilişkilerini tek bir dijital ikizde birleştirmeyi önermektedir.

Fizik Tabanlı Dijital İkiz Bu Çalışmada Ne Anlama Geliyor?

Fizik tabanlı dijital ikiz, fiziksel gemi enerji sisteminin basınç, sıcaklık, akış, yanma, elektriksel güç ve enerji depolama davranışlarını matematiksel modellerle tahmin eden ve bu tahminleri gerçek sensör ölçümleriyle sürekli karşılaştıran sanal sistemdir. Ölçülen davranış sağlıklı model tahmininden anlamlı biçimde uzaklaştığında residual oluşur; bu residual'ın büyüklüğü, deseni veya zaman içindeki eğilimi arıza tanısı ve prognostik için kullanılır.

Seri hibrit güç sisteminin mimarisi

Kaynak çalışmanın önerdiği seri hibrit sistemde pervane mekanik olarak doğrudan dizel motora bağlı değildir. Dizel motor bir jeneratörü döndürür ve elektrik üretir. PEMFC hidrojen ile elektrik üretir, batarya ise enerjiyi çift yönlü olarak alıp verebilir. Bu üç kaynak ortak bir DC barada birleşir.

DC baradan alınan enerji inverter üzerinden elektrikli tahrik motoruna aktarılır ve motor pervaneyi döndürür. Böylece güç kaynaklarının çalışma noktası pervane hızından doğrudan bağımsız hale gelir.

Metal-hidrit ile PEMFC arasındaki ısıl bağlantı

Metal-hidrit malzeme hidrojen salarken endotermik bir desorpsiyon sürecine ihtiyaç duyar; yani ısı gerektirir. Yakıt hücresi ise çalışırken atık ısı üretir. Kaynak çalışma, PEMFC soğutma devresindeki ısının metal-hidrit yatağındaki hidrojen salımını desteklemek için kullanılabileceğini vurgular.

Bu yararlı enerji entegrasyonu tanı açısından da önemli bir bağımlılık yaratır. PEMFC soğutma sistemindeki bir problem yalnız stack sıcaklığını değil, MH tankına sağlanan ısıyı ve dolayısıyla hidrojen desorpsiyon hızını da değiştirebilir.

Neden Tek Bir Sistem-Geneli Dijital İkiz Gerekiyor?

Tek bir tesis-geneli dijital ikiz gereklidir çünkü farklı alt sistemlerdeki arızalar aynı lokal belirtinin ortaya çıkmasına yol açabilir. Örneğin PEMFC'deki hidrojen açlığı, yakıt hücresinin kendi valf veya akış problemi nedeniyle oluşabileceği gibi metal-hidrit tankının yeterli hidrojen desorbe edememesi nedeniyle de ortaya çıkabilir. Stack ölçümleri tek başına bu iki nedeni ayıramayabilir; metal-hidrit sıcaklık, basınç ve H₂ akış residual'ları birlikte değerlendirildiğinde arıza izolasyonu güçlenir.

Dizel motor dijital ikizinin yapısı

Motor modeli AVL Cruise M ortamında geliştirilmiştir. Gerçek zamanlı tanı için hesaplama maliyetini sınırlamak amacıyla sıfır boyutlu termodinamik yaklaşım seçilmiştir.

Model şu ana bileşenleri içerir:

• hava filtresi,
• turboşarj kompresörü ve türbini,
• charge-air cooler,
• intake/scavenge manifold,
• silindir grubu,
• enjeksiyon sistemi,
• egzoz kollektörü,
• EGR devresi,
• egzoz sonrası arıtma sistemi.

Kaynağın 14. sayfasındaki motor-topoloji diyagramı, hava filtresinden kompresör ve charge-air cooler üzerinden silindirlere uzanan giriş akışını; silindirlerden türbin, EGR ve egzoz arıtma sistemine uzanan çıkış yolunu göstermektedir.

Silindir modelinin yapısı

Silindir grubu krank açısı çözünürlüklü bir çalışma çevrimine sahiptir. Model; geometri, air filling, compression/expansion, injection, combustion ve emissions paketleriyle kalibre edilir.

Çıktılar arasında silindir basıncı, silindir sıcaklığı, yanma başlangıcı, heat release, peak firing pressure, yakıt tüketimi, güç, tork, BMEP ve farklı emisyon türleri bulunur.

Deneysel motor

Model, altı silindirli doğrudan enjeksiyonlu bir deniz dizel motoru üzerinde ölçülen verilere göre kurulmuştur. Kaynakta verilen temel geometrik bilgiler şöyledir:

Silindir basıncı Kistler 7061 basınç sensörleri ve krank konumu Leine & Linde crank-angle marker kullanılarak ölçülmüştür.

Dizel Motor Dijital İkizi Ne Kadar Doğru?

Kaynak çalışmada dijital ikizin doğruluğu %40, %60 ve %100 motor yüklerinde ölçülmüş BMEP ve tepe silindir basıncı ile karşılaştırılmıştır. Peak firing pressure için bağıl sapma %1,1–1,5; BMEP için %2,3–7,5 aralığındadır. Bu doğruluk yalnız incelenen motor ve kalibrasyon aralığı için gösterilmiştir; başka motorlara doğrudan aynı hata oranıyla genellenemez.

Kaynak yazarlar, gösterilen model doğruluğuna dayanarak pmax residual'ları için yaklaşık %2, BMEP için yaklaşık %8 mertebesinde tanı eşiklerinin başlangıç noktası olabileceğini belirtmektedir. Bu eşikler evrensel motor limitleri değildir; mevcut modelin doğrulama başarısından türetilen uygulama önerileridir.

Neden BMEP hatası daha yüksek?

Peak cylinder pressure büyük ölçüde krank-açısı çözünürlüklü yanma süreciyle belirlenirken BMEP, sürtünme ve gaz değişim kayıplarını da içerir. Bu ek etkiler modelde daha toplulaştırılmış korelasyonlarla temsil edildiği için BMEP sapması daha büyüktür.

Residual Tabanlı Arıza Tanısı Nasıl Çalışıyor?

Residual, aynı çalışma koşulunda gerçek sistemde ölçülen değer ile sağlıklı durum dijital ikizinin tahmin ettiği değer arasındaki farktır. Sağlıklı sistemde residual'ın sıfıra veya belirlenen belirsizlik bandına yakın olması beklenir. Kalıcı ve anlamlı bir sapma, sistemin sağlıklı model davranışından uzaklaştığını gösterir.

Basitleştirilmiş biçimde:

\[ r_j = y_{exp,j}-y_{cal,j} \]

Burada \(y_{exp,j}\) ölçüm, \(y_{cal,j}\) ise dijital ikizin tahminidir.

Model sabitlerinin drift'i

Çalışma yalnız anlık residual'ları değil, kalibre edilmiş fiziksel model parametrelerinin zaman içindeki değişimini de kullanır. Kaynakta sabit sapması şu biçimde tanımlanmıştır:

\[ \varepsilon_j = \frac{\beta_j-\beta_{j,ref}} {\beta_{j,ref}} \]

Burada \(\beta_j\), sistemin mevcut durumuna göre belirlenen model sabiti; \(\beta_{j,ref}\) ise shop-test sırasında elde edilen referans değeridir.

Bu yaklaşımın avantajı yalnız “arıza var” dememesi, hangi fiziksel parametrenin değiştiğini göstererek muhtemel arıza bölgesini daraltabilmesidir.

Dijital İkiz Gerçek Bir Arızayı Oluşturmadan Arıza İmzası Üretebilir mi?

Çalışmanın simülasyon sonuçlarına göre belirli motor arızaları çevrim dışı olarak modellenerek birbirinden ayrılabilir basınç-izi imzaları üretilebilir. Yazarlar bunu gerçek bir motorda arızayı kasıtlı olarak oluşturmadan ve denizde arıza gerçekleşmesini yıllarca beklemeden diagnostic fault library oluşturmanın yolu olarak önermektedir.

Geç egzoz valfi kapanması

İlk vaka %40 motor yükünde late exhaust-valve closing durumudur. Altı silindirin basınç izleri karşılaştırıldığında arızalı silindirin tepe basıncı ve eğri şekli diğerlerinden ayrılmaktadır.

Kaynak yaklaşımında önce sapma gösteren silindir belirlenir, ardından ölçülen eğri sağlıklı referans ve önceden simüle edilmiş arıza izleriyle karşılaştırılır.

Geç enjeksiyon sonu

İkinci vaka %100 motor yükünde late end of injection durumudur. Buradaki karakteristik belirti, yanmanın expansion stroke içine uzaması nedeniyle oluşan belirgin çift tepe basınç eğrisidir.

Bu şekil hem normal tek-tepeli basınç eğrisinden hem de geç egzoz valfi kapanması örneğinden ayrılmaktadır.

Neden bu yöntem önemli?

Gerçek arıza verileri denizcilikte doğal olarak seyrektir. Kritik motor arızalarını yalnız makine öğrenmesiyle tanımak isteyen bir sistem, yeterli sayıda farklı fault severity ve çalışma koşulunda gerçek arıza kaydı bulmakta zorlanabilir.

Fizik tabanlı ikiz, farklı fault severity seviyelerini çevrim dışı simüle ederek yapay fakat fiziksel temelli fault signatures veya sentetik eğitim verisi üretebilir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Dizel enjeksiyon sisteminin tanısı

Rail pressure, start of injection, duration of injection ve ölçülen yakıt miktarı enjeksiyon modeli için temel girdilerdir. Modelin hesapladığı rail pressure ile gerçek ölçüm karşılaştırılır.

Aynı pompa ve injected mass-flow koşullarında anlamlı rail-pressure residual oluşması bir kaçak olasılığına işaret edebilir. Ancak tek başına bu sinyallerle belirli bir enjektör arızasını lokalize etmek zor olduğundan silindir-basıncı analiziyle birlikte kullanılır.

Turboşarj ve hava filtresi tanısı

Turbocharger diagnostic model; ambient pressure ve temperature, boost pressure ve temperature, exhaust state, turbocharger speed ve air-filter sonrası pressure gibi ölçümleri kullanır.

Hava filtresi tıkanması ile turboşarj degradasyonu benzer motor-performans etkileri oluşturabilir; fakat residual desenleri farklıdır. Filtre tıkanması post-filter pressure residual'ını belirgin biçimde değiştirirken compressor/turbine bozulması turbocharger-speed residual'ında farklı bir imza oluşturabilir.

Charge-air cooler tanısı

Charge-air cooler modelinde boost pressure ve temperature ile ambient temperature girdileri kullanılır; scavenge pressure ve temperature tanı için karşılaştırılır. Basınç düşümü ve cooler efficiency üzerinden hesaplanan değerlerin ölçümle sapması fouling veya hasar ihtimaline işaret edebilir.

PEM Yakıt Hücresinde Hangi Arızalar İzleniyor?

Kaynak çalışma PEMFC tarafında flooding, membrane drying, hidrojen starvation, air starvation, cooling-system malfunction ve electrochemical degradation durumlarını tanımlamaktadır. Her fault mode, tek bir sensöre değil birden fazla residual'ın birlikte oluşturduğu desene bağlanmaktadır.

Metal-Hidrit Hidrojen Depolamasında Hangi Arızalar İzleniyor?

Batarya Dijital İkizi Hangi Bozulmaları İzliyor?

Tanı ile Prognostik Arasındaki Fark Bu Modelde Nasıl Kuruluyor?

Ani bir residual eşik aşımı, mevcut arızayı tespit etmek için kullanılırken kalibre edilmiş fiziksel parametrelerin zaman içindeki drift'i yavaş bozunmanın gidişatını gösterir. Bu drift eğrisi bakım limitine doğru extrapolate edilebilirse Remaining Useful Life (RUL) tahmini yapılabilir. Böylece aynı dijital ikiz hem diagnostic hem prognostic işlev görür.

Enerji yönetimine geri besleme

Tanı çıktıları yalnız operatöre gösterilmez; EMS'ye de aktarılabilir. Kaynak çalışma şu örnekleri vermektedir:

• PEMFC sağlığı bozulduğunda fuel-cell yükünü azaltmak,
• bataryayı hızlı transients için daha fazla kullanmak,
• H₂ delivery yetersiz olduğunda diesel genset'i devreye almak,
• bozulmuş bir battery module'ü izole etmek.

Bu yaklaşımda sağlık durumu güç paylaşım kararının doğrudan girdisine dönüşür.

Bu Çalışma Hibrit Sistemin Tamamını Deneysel Olarak Doğruluyor mu?

Hayır. Deneysel kalibrasyon ve doğrulama yalnız dizel motor dijital ikizi için gösterilmiştir. PEMFC, metal-hidrit hidrojen depolama ve batarya katmanları; fiziksel mekanizmalar, izlenecek değişkenler, residual oluşturma mantığı ve fault matrix düzeyinde tanımlanmıştır. Bu katmanların operasyonel hibrit gemi veya dedicated test bench üzerinde kalibre edilmesi ve gerçek arızalarla doğrulanması gelecekteki çalışma olarak bırakılmıştır.

Kaynak çalışmanın desteklediği sonuçlar

• Altı silindirli deniz dizel motorunun sıfır boyutlu dijital ikizinin incelenen yük noktalarında düşük pmax hatasıyla çalışabildiğini.
• BMEP tahmininin incelenen yüklerde yaklaşık %2,3–7,5 sapma gösterdiğini.
• Measured–predicted residual ve physical-parameter drift'in birlikte tanı için kullanılabileceğini.
• Late EVC ve late end-of-injection arızalarının simülasyonda ayrılabilir pressure-trace signatures üretebildiğini.
• PEMFC, metal-hidrit ve batarya arızalarının fiziksel residual desenleri temelinde ortak bir fault-matrix yapısında temsil edilebildiğini.
• Alt sistemler arası ısıl ve kütlesel bağlantıların arıza izolasyonu açısından önemli olduğunu.
• Tanı çıktısının EMS kararlarına geri beslenebileceği bir mimarinin kurulabileceğini.

Kaynak çalışmanın desteklemediği sonuçlar

• PEMFC fault matrix'in gerçek gemide doğrulanmış bir classification accuracy değerine sahip olduğunu.
• Metal-hidrit arızalarının gerçek deniz platformunda başarılı biçimde izole edildiğini.
• BESS degradation modelinin deneysel false-alarm veya missed-detection oranlarının bilindiğini.
• Tüm hibrit dijital ikizin gerçek zamanlı onboard hardware üzerinde çalıştırıldığı ve benchmark edildiğini.
• Birden fazla arızanın aynı anda oluştuğu koşullarda fault isolation performansının doğrulandığını.
• Önerilen EMS geri beslemesinin yakıt tüketimini veya emisyonları belirli bir yüzde azalttığını.
• RUL tahmin doğruluğunun deneysel olarak gösterildiğini.

Başlıca sınırlılıklar

Birinci sınırlılık, doğrulama kapsamındaki asimetridir. Dizel motor katmanında gerçek ölçüm vardır; hidrojen-elektrik katmanda yoktur.

İkinci sınırlılık fault thresholds konusudur. Motor tarafındaki eşikler model doğruluğundan türetilebilirken PEMFC, MH ve BESS residual limitleri deneysel olarak belirlenmemiştir.

Üçüncü sınırlılık belirsizliktir. Sensör hataları, model belirsizliği ve çevresel koşulların residual dağılımına etkisi plant-wide mimaride henüz nicel olarak ele alınmamıştır.

Dördüncü sınırlılık hesaplama maliyetidir. Motor dijital ikizi gerçek zamanlı çalışabilecek biçimde tasarlanmıştır; ancak bütün plant-wide twin'in residual generation ve trend analysis ile aynı anda gerçek onboard hardware üzerinde çalıştırılmasının hesaplama yükü henüz ölçülmemiştir.

Beşinci sınırlılık eşzamanlı fault'lardır. Fault matrix büyük ölçüde tek arıza modları üzerine kuruludur; birden fazla fault mode aynı anda oluştuğunda residual desenlerinin ayrıştırılabilirliği deneysel olarak gösterilmemiştir.

Gelecek araştırma

Kaynak yazarlar bir sonraki aşamada gerçek hibrit deniz platformu veya dedicated test bench ölçümleriyle PEMFC, MH ve battery modellerinin kalibre edilmesini; fault thresholds ve uncertainty'nin deneysel olarak belirlenmesini; simultaneous faults için fault matrix'in geliştirilmesini ve tüm dijital ikizin gerçek zamanlı hesaplama performansının ölçülmesini önermektedir.

Fizik tabanlı modellerin recursive parameter estimation ve machine-learning tabanlı adaptive yöntemlerle birleştirilmesi de yaşlanma, yakıt özelliği değişimi, çevresel koşullar ve retrofit sonrası çalışma için önerilen geliştirme yönlerinden biridir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün çalışma: A Physics-Based Digital Twin for Diagnostics and Prognostics of Hybrid Marine Energy Systems Integrating Diesel Generation, PEM Fuel Cells, Metal-Hydride Hydrogen Storage, and Batteries.

Yazarlar: Nikola Matulić, Gojmir Radica, Song Li, Chuanyu Sun, Kai Song, Ivan Tolj.

Kurumlar: University of Split, Faculty of Electrical Engineering, Mechanical Engineering and Naval Architecture; Huazhong University of Science and Technology; Harbin Institute of Technology.

Kaynak türü: SSRN preprint research paper.

SSRN: Abstract No. 7382226.

Hakemlik: Kaynak PDF çalışmanın henüz peer reviewed olmadığını açıkça belirtmektedir.

DOI: Mevcut PDF bu çalışma için DOI belirtmemektedir.

Finansman: Croatian Science Foundation, grant IP-2025-02-1981, HyRefuelStat projesi.

Çıkar çatışması: Yazarlar bilinen finansal veya kişisel çıkar çatışması bulunmadığını beyan etmektedir.

Generative AI beyanı: Metnin dil, yapı ve biçimlendirmesini iyileştirmek için büyük dil modeli tabanlı bir yardımcı kullanılmış; şekil veya görsellerin oluşturulmasında üretken yapay zekâ kullanılmadığı belirtilmiştir.

Veri erişimi: Motor geometrisi, mean-value performance ve validation sonuçları makaledeki tablolarda verilmiştir. Ölçülen indicated-pressure kayıtları ile dijital ikiz model dosyaları operatörle yapılan gizlilik anlaşmaları nedeniyle açık değildir; yazarlarla iletişim üzerinden talep edilebilir.

Motor model platformu: AVL Cruise M.

Motor modeli: Zero-dimensional, real-time-capable thermodynamic architecture; cylinder group, injection, turbocharger, air path, CAC, manifolds ve EGR alt modelleri.

Kalibrasyon: Altı silindirli deniz motorunun %40, %60 ve %100 yük noktalarındaki measured cylinder-pressure traces ve mean-value performance verileri kullanılmıştır.

Doğrulama: pmax için %1,1–1,5; BMEP için %2,3–7,5 relative deviation.

Fault simulation: %40 yükte late exhaust-valve closing ve %100 yükte late end of injection.

Hibrit mimari: Diesel genset + PEMFC + metal-hydride H₂ storage + BESS + common DC bus + inverter + electric propulsion motor.

Hidrojen-elektrik doğrulama durumu: PEMFC, MH ve BESS katmanları henüz gerçek hibrit deniz platformu ölçümleriyle kalibre ve deneysel olarak doğrulanmamıştır.

Telif/lisans: PDF'de doğrulanabilir açık yeniden kullanım lisansı belirtilmemektedir. Kaynak şekil ve görselleri yeniden kullanılmamış, bütün anlatım ve tablolar Verianla için bağımsız olarak yeniden yapılandırılmıştır.