Geri Dön

Hibrit araçlarda meydana gelen yangınlar ve etkili söndürme sistemlerinin incelenmesi

An investigation into fires in hybrid vehicles and the assessment of effective fire suppression systems

PDF İndir

  1. Tez No: 988294
  2. Yazar: CEMİL ÖZKALAY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN SERHAD SOYHAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Otomotiv Mühendisliği, Engineering Sciences, Automotive Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Elektrokimyasal piller, Yangın güvenliği, Electrochemical cells, Fire safety
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Yangın ve Yangın Güvenliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Otomotiv sektöründe yaşanan teknolojik dönüşüm, hibrit elektrikli araçların (HEA – Hybrid Electric Vehicle) ve elektrikli araçların (EA – Electric Vehicle) yalnızca mühendislik açısından değil, aynı zamanda enerji politikaları ve çevresel sürdürülebilirlik bağlamında da kritik bir çözüm alanı haline geldiğini göstermektedir. 19. yüzyılın sonlarına doğru üretilen Armstrong Phaeton, tarihin bilinen ilk hibrit aracı olup içten yanmalı motor ve elektrik motorunu bir arada kullanmıştır. Modern anlamda hibrit araçlar ise 1997'de piyasaya sürülen Toyota Prius ile önemli bir dönüm noktası yaşamış, kısa sürede küresel pazarda yaygınlaşmıştır. Ancak teknolojinin gelişmesiyle birlikte yangın güvenliği konusu daha görünür hale gelmiştir. Özellikle 2000'li yılların başında Toyota Prius ve Honda Insight gibi modellerde batarya soğutma sistemlerinin yetersizliği nedeniyle küçük çaplı yangınlar rapor edilmiştir. 2012 yılında Chevrolet Volt'un batarya güvenlik açıkları gerekçe gösterilerek geri çağrılması, hibrit elektrikli araç yangınlarının endüstriyel düzeyde ciddiyetle ele alınması gerektiğini açıkça göstermektedir. Hibrit ve elektrikli araçların yaygınlaşmasıyla birlikte batarya kaynaklı geri çağırmaların sayısı artmıştır. Bu geri çağırmaların önemli bir kısmı batarya güvenliği ile ilişkilidir. Hücre izolasyon kusurları, Batarya Yönetim Sistemi (BMS – Battery Management System) yazılım hataları, soğutma sıvısı sızıntıları ve kablolama arızaları geri çağırmaların başlıca sebepleridir. 2010–2020 yılları arasında milyonlarca hibrit ve elektrikli araç, batarya güvenlik sorunları nedeniyle geri çağrılmıştır. Bu durum, batarya teknolojisinin sunduğu avantajların yanında güvenlik risklerinin hâlâ çözülmesi gereken ciddi bir problem olduğunu ortaya koymaktadır. Klasik içten yanmalı motorlu araçlarda (IYM – Internal Combustion Engine) yangınlar genellikle yakıt sızıntıları, elektriksel kısa devreler veya mekanik aşırı ısınma sonucu çıkmakta ve çoğunlukla dakikalar içinde birkaç yüz litre söndürücü kullanılarak kontrol altına alınabilmektedir. Buna karşın HEV'lerde lityum-iyon bataryaların kullanılmasıyla süreç daha karmaşık ve uzun süreli seyretmektedir. Lityum-iyon bataryalarda görülen termal kaçak (thermal runaway) süreci belirli aşamalardan oluşmaktadır. Yaklaşık 80–100 santigrat derecede (°C) katot yüzeyinde bulunan SEI tabakasının bozunması ve gaz çıkışlarının başlamasıyla süreç tetiklenmektedir. 120–140 °C aralığında ayırıcı tabakanın erimesi iç kısa devre riskini artırmaktadır. 150–200 °C'ye ulaşıldığında elektrolit bozunmakta, hidrojen (H₂), karbon monoksit (CO) ve uçucu organik bileşikler (VOC – Volatile Organic Compounds) açığa çıkmaktadır. 200–250 °C aralığında Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (NMC – Nickel-Manganese-Cobalt Oxide) veya Nikel-Kobalt-Alüminyum Oksit (NCA – Nickel-Cobalt-Aluminum Oxide) katot yapılarından oksijen ayrışarak reaksiyonu kendi kendine beslemektedir. Bu aşamadan sonra sıcaklık hızla yükselerek 600–1000 °C seviyelerinde jet alevleri ve zincirleme hücre reaksiyonları meydana gelmektedir. Bu mekanizma, hibrit araç yangınlarının neden dakikalar değil saatler sürebildiğini ve söndürülmelerinin neden bu kadar zor olduğunu açıklamaktadır. İstatistiksel değerlendirmeler hibrit araçların yangın sıklığı bakımından en riskli kategori olduğunu ortaya koymaktadır. ABD'de Ulusal Karayolu Trafik Güvenliği İdaresi (NHTSA) verilerine göre HEV'ler, yüz bin satış başına en yüksek yangın oranına sahiptir. Çin'de yaygın kullanılan Lityum Demir Fosfat (LFP – Lithium Iron Phosphate) bataryaları, yüksek termal kararlılıkları sayesinde daha düşük yangın riski göstermektedir. Tesla gibi üreticilerin tercih ettiği NCA hücreleri yüksek enerji yoğunluğu sağlamasına rağmen NMC gibi daha düşük kararlılık sergilemektedir. Avrupa'da yapılan araştırmalarda hibrit araç yangınlarının özellikle kapalı otoparklarda ve tünel sistemlerinde kritik güvenlik riskleri oluşturduğu vurgulanmaktadır. Araç yangınlarında yalnızca yakıt ve bataryalar değil, aynı zamanda araç üzerinde bulunan diğer yanıcı malzemeler de yangının seyrini etkilemektedir. Koltuklarda kullanılan poliüretan köpükler, iç döşemelerdeki polipropilen ve ABS plastikler, kabloların PVC izolasyonları, lastikler ve kauçuk malzemeler yüksek miktarda yanıcı yük oluşturmaktadır. Ayrıca motor yağları, hidrolik sıvılar ve şanzıman yağları yüksek sıcaklık altında tutuşarak yangının büyümesine katkı sağlamaktadır. Gövde yapısında kullanılan magnezyum alaşımları, özellikle yüksek ısıda alevlenerek yangının şiddetini artırabilmektedir. Bu tezde incelenen batarya hücreleri NMC kimyasıyla üretilmiştir. NMC yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle tercih edilmekle birlikte, termal kararlılığı LFP'ye göre daha düşüktür. Deneylerde kullanılan 18650 silindirik hücreler, kompakt yapıları nedeniyle ardışık termal kaçakları en iyi temsil eden formattır. Prizmatik hücreler ise geniş yüzey alanları nedeniyle harici ısıya karşı daha duyarlı olup yangın sırasında daha yüksek sıcaklıklara ulaşabilmektedir. Deneylerde bu iki hücre tipinin birlikte incelenmesi hibrit araç yangınlarının gerçekçi biçimde modellenmesini sağlamıştır. HEV batarya paketlerinde yüzlerce hücre bulunmakta olup tipik çalışma gerilimleri 200–400 volt (V) aralığındadır. Örneğin Toyota Prius'un batarya paketi yaklaşık 201,6 V nominal gerilime, 6,5 amper-saat (Ah) kapasiteye ve 28 modül × 6 hücre konfigürasyonuna sahiptir. Yeni nesil plug-in hibritlerde (PHEV) ise batarya gerilimi 300–400 V seviyelerine, kapasite ise 8–18 kilovat-saat (kWh) aralığına çıkabilmektedir. Deneysel çalışmada kullanılan 6 hücreli 18650 bloklar ve prizmatik hücreler, paket davranışlarını ölçekli düzeyde modellemek amacıyla tercih edilmiştir. Deney düzeneği hibrit araç yangınlarını temsil edecek biçimde tasarlanmıştır. Açık alan deneylerinde iki litre benzin tutuşturulmuş, prizmatik ve silindirik pil bloklarının alevlere tepkileri gözlemlenmiştir. Kapalı alan deneylerinde çelik kabin kullanılmış; sıcaklık ölçümleri, gaz analiz cihazları ve gözlem pencereleri ile ayrıntılı veriler kaydedilmiştir. Söndürme deneylerinde su, NOVEC 1230, BIOVERSAL ve Yüksek Vizkoziteli Sıvı Söndürücü (YVSS – High-Viscosity Suppression Solution) karşılaştırmalı olarak test edilmiştir. Sonuçlar, hibrit araç yangınlarının karmaşık yapısını net biçimde ortaya koymuştur. Açık alan deneylerinde benzin alevleri bataryaların tepkilerini hızla tetiklemiş; silindirik hücrelerde ardışık termal kaçaklar zincirleme şekilde gelişmiş; prizmatik hücrelerde ise daha geç başlayan fakat daha yüksek sıcaklıklara ulaşan reaksiyonlar kaydedilmiştir. Kapalı alan deneylerinde YVSS yüksek vizkozitesi sayesinde sağladığı ısıl direnç ve tutuşma geciktirme başarısıyla en etkin söndürücü ajan olarak öne çıkmıştır. Su hızlı soğutma sağlamış ancak yeniden tutuşma riskini ortadan kaldıramamış, BIOVERSAL çevresel avantajlarına rağmen yüksek sıcaklıklarda sınırlı kalmış, NOVEC 1230 ise düşük etkinliği nedeniyle yetersiz bulunmuştur. Yangınlarda yalnızca alevler değil, ortaya çıkan duman ve gaz karışımları da ciddi bir risk oluşturmaktadır. Elektrolit bozunması sonucu açığa çıkan hidrojen florür (HF – Hydrogen Fluoride), karbon monoksit (CO), hidrojen (H₂), VOC'ler ve metal oksit parçacıkları, yangın ortamını hem zehirleyici hem de patlayıcı hale getirmiştir. Hibrit araçlarda yakıt yanma ürünleri de bu tabloya eklenerek toksisiteyi artırmaktadır. Söndürme sonrası kullanılan binlerce litre su ve kimyasal söndürücüler de çevresel açıdan tehlikeli atığa dönüşmektedir. Elektrolit kalıntıları, ağır metaller ve organik solventler suya karışarak hem insan sağlığı hem de ekosistemler için uzun vadeli riskler oluşturmaktadır. Sonuç olarak bu tez, hibrit araç yangınlarını tarihsel bağlamından deneysel analizlerine kadar geniş bir çerçevede ele almış, literatüre özgün katkılar sunmuştur. Bulgular hibrit araç yangınlarının yalnızca batarya kaynaklı değil, yakıt ve araç üzerindeki diğer yanıcı malzemelerin etkileşimiyle gelişen çok boyutlu bir süreç olduğunu göstermiştir. Söndürme ajanlarının karşılaştırmalı değerlendirilmesi, özellikle YVSS'nin yüksek ısıl direnç ve tutuşma geciktirme başarısı ile gelecekte hibrit araç yangınlarının yönetiminde umut verici bir çözüm sunduğunu ortaya koymuştur. Bu çalışma, mühendislik tasarımları, acil müdahale stratejileri, çevresel yönetim ve politika geliştirme açısından yol gösterici nitelikte olup hibrit araçların güvenli ve sürdürülebilir ulaşım vizyonuna katkı sağlayacak bilimsel bir çerçeve sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

The technological transformation in the automotive sector has highlighted Hybrid Electric Vehicles (HEVs – Hybrid Electric Vehicles) and Battery Electric Vehicles (BEVs – Battery Electric Vehicles) not only as engineering achievements but also as critical components of global energy policies and environmental sustainability. The Armstrong Phaeton, produced in the late nineteenth century, is recognized as the first hybrid vehicle, integrating an Internal Combustion Engine (ICE – Internal Combustion Engine) with an electric motor. Modern hybrid vehicles emerged with the market introduction of the Toyota Prius in 1997, which represented a significant turning point and accelerated the widespread adoption of hybrid technologies. However, alongside this technological progress, the issue of fire safety became increasingly visible. In the early 2000s, incidents of small-scale battery fires were reported in models such as the Toyota Prius and Honda Insight due to insufficient cooling systems. In 2012, the Chevrolet Volt was recalled over battery safety concerns, clearly indicating that hybrid vehicle fires had become a serious industrial and regulatory issue. With the expansion of hybrid and electric vehicles, the number of battery-related recalls has increased substantially. Most of these recalls were directly related to safety issues such as insulation failures, malfunctions in the Battery Management System (BMS – Battery Management System), coolant leakage, and wiring faults. Between 2010 and 2020, millions of hybrid and electric vehicles were recalled worldwide because of fire-related risks. This reveals that, while battery technologies provide considerable advantages in terms of energy density and performance, they still present significant safety challenges that must be resolved. In conventional ICE vehicles, fires typically originate from fuel leaks, electrical short circuits, or overheating of mechanical components and are often brought under control within minutes using relatively small quantities of suppression agents. In contrast, HEVs that rely on high-voltage lithium-ion batteries exhibit much more complex and long-lasting fire behavior. The key mechanism responsible for this is thermal runaway, which unfolds through distinct stages and leads to uncontrolled temperature escalation and chain reactions. The process begins with the decomposition of the Solid Electrolyte Interphase (SEI) layer and gas release, followed by separator degradation, electrolyte decomposition, and finally the liberation of oxygen from cathode materials such as Nickel-Manganese-Cobalt oxide (NMC – Nickel-Manganese-Cobalt Oxide) or Nickel-Cobalt-Aluminum oxide (NCA – Nickel-Cobalt-Aluminum Oxide). These reactions can sustain themselves and escalate to very high temperatures, generating jet flames and propagating to adjacent cells. As a result, hybrid vehicle fires may last for hours and require extraordinary suppression efforts. Statistical analyses confirm that HEVs present the highest fire risk among vehicle categories. Data from the National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA – National Highway Traffic Safety Administration) in the United States indicate that HEVs experience more fire incidents per 100,000 sales compared to BEVs and ICE vehicles. In China, the prevalence of Lithium Iron Phosphate (LFP – Lithium Iron Phosphate) batteries has contributed to a relatively lower frequency of fires due to their greater thermal stability. Conversely, manufacturers such as Tesla employ NCA batteries to achieve higher energy density, though these chemistries offer narrower safety margins compared to LFP. European studies highlight the particular risk posed by HEV fires in confined infrastructures such as underground car parks and tunnels, where toxic smoke and re-ignition events create severe challenges for emergency response. Hybrid vehicle fires are not limited to batteries and fuel; other flammable components also play a significant role. Seat cushions made of polyurethane foam, plastic and polymeric materials such as polypropylene and ABS, wiring with PVC insulation, tires, rubber elements, engine oils, hydraulic fluids, and transmission fluids all contribute to fire intensity. Lightweight materials like magnesium alloys, often used for weight reduction, can ignite under extreme heat and amplify fire spread. Thus, hybrid vehicle fires represent a multidimensional hazard rather than a battery-only phenomenon. In this study, NMC-based cylindrical (18650 format) and prismatic lithium-ion cells were examined. NMC cells were selected because they combine high energy density with relatively lower thermal stability compared to LFP. The 18650 cylindrical cells are particularly suitable for modeling cascading thermal runaway in compact, series-connected formats, while prismatic cells better reflect the large surface-area exposure typical of automotive modules. The combination of these two cell formats provided a more realistic representation of hybrid battery packs. Full HEV battery packs often contain hundreds of cells with operating voltages between 200–400 volts (V – volt), whereas Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEVs) typically employ larger capacities in the range of 8–18 kilowatt-hours (kWh – kilowatt-hour). The experimental setup was carefully designed to replicate the conditions of hybrid vehicle fires. In open-area trials, gasoline flames were introduced to simulate combined fuel-battery fire scenarios, while in closed-chamber experiments, a reinforced steel enclosure was used to monitor battery responses under controlled conditions. Key measurements included thermal response, flame development, and gas release. Comparative suppression experiments were carried out with water, NOVEC 1230, BIOVERSAL, and a High-Viscosity Suppression Solution (YVSS – High-Viscosity Suppression Solution). The experimental findings revealed that open-air tests rapidly triggered battery involvement, with cylindrical cells displaying sequential thermal runaway while prismatic cells exhibited delayed but more intense thermal responses. In closed-chamber scenarios, YVSS demonstrated superior performance, delaying ignition and preventing re-ignition through its viscous adherence, which limited oxygen transport and vapor release. Water provided fast cooling but was insufficient in preventing re-ignition; BIOVERSAL had ecological advantages but limited performance under sustained heating; and NOVEC 1230 showed low effectiveness in hybrid fire scenarios. In addition to the direct suppression challenges, the study also emphasizes the toxic and environmental hazards associated with HEV fires. The breakdown of electrolytes generates hazardous products such as hydrogen fluoride (HF – Hydrogen Fluoride), carbon monoxide (CO), hydrogen (H₂), volatile organic compounds (VOC – Volatile Organic Compounds), and fine metal oxides. When combined with the products of gasoline combustion, the toxicity of the smoke and gases increases substantially. Moreover, thousands of liters of suppression agents—if not properly managed—may lead to contaminated runoff containing heavy metals, solvents, and fluorinated compounds, with long-term risks for soil, groundwater, and ecosystems. What distinguishes this dissertation from earlier research is its dual experimental framework. By combining open-air scenarios, where the interaction of gasoline flames with battery modules was observed, and closed-chamber trials, which allowed controlled analysis of thermal runaway and suppression behavior, the study bridges laboratory conditions with real-world fire dynamics. The simultaneous use of both cylindrical and prismatic NMC cells provides a methodological novelty, as it more accurately represents the diversity of cells integrated into HEV battery packs. This dual-cell approach not only enhanced the validity of the findings but also created a foundation for future scaling studies on full battery packs. Beyond its experimental contributions, the research offers forward-looking recommendations. Engineering strategies such as improved module spacing, advanced cooling systems, and fire-resistant enclosure materials are discussed as potential ways to mitigate fire risks. Furthermore, the study emphasizes the importance of training for emergency response teams, who must adapt suppression tactics to the unique challenges of HEV and BEV fires. Finally, the results provide evidence that may inform the refinement of international standards and regulatory frameworks, including NFPA guidelines and European TS EN norms, ensuring that hybrid vehicles can be safely integrated into the transport systems of the future. In conclusion, this dissertation provides an original and comprehensive analysis of hybrid vehicle fires, combining historical background, literature review, experimental research, and comparative evaluation of suppression methods. The findings demonstrate that HEV fires are multidimensional events fueled not only by high-voltage lithium-ion batteries but also by fuel and various flammable vehicle components. Among the suppression agents tested, YVSS exhibited the highest potential for enhancing fire safety. These findings contribute significantly to the academic literature and also provide practical insights for engineering design, emergency response planning, environmental management, and policy-making. The work ultimately highlights the need for integrated strategies to ensure the safe and sustainable integration of hybrid vehicles into modern transportation systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    988286

    Tam elektrikli araçlarda pil yangınları ve etkin söndürme sistemlerinin incelenmesi

    An investigation of battery fires in fully electric vehicles and effective suppression systems

    ONUR MAMMACIOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Mühendislik BilimleriSakarya Üniversitesi

    Yangın ve Yangın Güvenliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÖKHAN COŞKUN

  2. Tez No

    768748

    GIS-based multi-criteria decision analysis for optimal urban emergency facility planning

    Kentsel optimal acil durum tesis planlaması için CBS tabanlı çok kriterli karar analizi

    PENJANI HOPKINS NYIMBILI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TURAN ERDEN

  3. Tez No

    911475

    A new agro-meteorological drought index based on remote sensing

    Uzaktan algılama temelli yeni bir agro-meteorolojik kuraklık indeksi

    EYYUP ENSAR BAŞAKIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET CÜNEYD DEMİREL

  4. Tez No

    557467

    Bir tanker işletmesinde satınalma süreç modellemesi

    Purchasing process management model in the tanker shipping company

    ENDER YALÇIN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZCAN ARSLAN

  5. Tez No

    667409

    Hibrit araçlarda kullanılan plastik koruma ekipmanlarının, tasarım revizyonları ile meydana gelebilecek boyutsal hataların önlenmesi

    Preventing of encountered dimensional failures with design revisions of the plastic protective equipment of hybrid vehicles

    FIRAT SÜLE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET UÇAR

Geri Dön