Tam elektrikli araçlarda pil yangınları ve etkin söndürme sistemlerinin incelenmesi
An investigation of battery fires in fully electric vehicles and effective suppression systems
- Tez No: 988286
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÖKHAN COŞKUN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Otomotiv Mühendisliği, Engineering Sciences, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Elektrokimyasal piller, Yangın güvenliği, Electrochemical cells, Fire safety
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Yangın ve Yangın Güvenliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
İçten yanmalı motorlu araçlardan kaynaklanan yüksek miktarda sera gazı salınımı ve bunun sonuçlarından biri olan çevresel kirliliğe karşı güçlü bir alternatif olarak elektrikli araçlar (EA) ortaya çıkmıştır. Sessiz, çevreci ve ekonomik özellikleri sayesinde günümüzde giderek artan bir ilgi görmektedir. Her ne kadar elektrikle tahrik sistemleri araç teknolojisinin ilk çalışılan alanlarından biri olsa da, batarya kapasitelerinin yetersizliği ve içten yanmalı motorların hızlı gelişimi, elektrikli araçların uzun yıllar boyunca geri planda kalmasına neden olmuştur. Fosil yakıtların azalması ve yanma ürünlerinin atmosferde birikerek ozon tabakasına zarar vermesi ile oluşan sera etkisi, elektrikli araçlara olan ilgiyi yeniden artırmıştır. Günümüzde elektrikli araçlar; tam elektrikli, hibrit ve yakıt pilli olmak üzere üç ana grupta üretilmektedir. Tam elektrikli araçlar yalnızca elektrik motoru ile çalışmakta ve enerjilerini bataryalardan sağlamaktadır. Hibrit araçlar, elektrik motoruna ek olarak içten yanmalı motorları da kullanabilmekte, yakıt pilli araçlar ise hidrojen depolama sistemlerinden elde edilen enerjiyi elektrik motorlarına aktarmaktadır. Elektrikli araçların gelişiminde en kritik bileşenlerden biri lityum iyon piller (LİP) olmuştur. Lityum iyon piller yüksek enerji yoğunluğu, uzun ömür ve hızlı şarj gibi avantajlar sunarak elektrikli araçların menzil, performans ve kullanım kolaylığını artırmıştır. Bu pillerde anot genellikle grafit, katot ise metal oksitlerden oluşmakta, elektrolit olarak ise iyon iletken karbonat bazlı sıvılar kullanılmaktadır. Lityum iyon pillerin birçok kimyasal varyasyonu bulunmaktadır; Lityum Kobalt Oksit (LCO), Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (NMC), Lityum Nikel Kobalt Alüminyum Oksit (NCA), Lityum Demir Fosfat (LFP), Lityum Titanat Oksit (LTO), Lityum Sülfür Dioksit (Li-SO2) ve Lityum Manganez Dioksit (Li-MnO2) gibi farklı tipler, enerji yoğunluğu, güvenlik, maliyet ve döngü ömrü açısından farklı özellikler sunmaktadır. Örneğin, NMC ve NCA yüksek enerji yoğunluğu ile öne çıkarken, LFP güvenlik ve dayanıklılık açısından daha avantajlıdır. LTO ise düşük sıcaklıklarda bile yüksek güvenilirlik ve uzun döngü ömrü sağlarken, Li-SO2 yüksek teorik enerji yoğunluğuna sahip olmasına rağmen henüz teknik kısıtlamalar nedeniyle yaygınlaşmamıştır. Li-MnO2 ise güvenlik ile makul ömür arasında denge sağlasa da günümüzde daha gelişmiş kimyaların gerisinde kalmıştır. Tüm bu gelişmeler, elektrikli araçların performansını ve güvenilirliğini artırmakta, gelecekte sürdürülebilir ulaşımın dönüşümünde lityum iyon pil teknolojisinin kilit bir rol üstleneceğini göstermektedir. Elektrikli araçlar ve LİP ile ilişkili yangınların sıklığı, risk unsurları, yangın davranışları ve çeşitli söndürme yöntemlerinin etkinlikleri, kapsamlı ve disiplinler arası bir çerçevede ele alınmaktadır. Küresel veriler, tam elektrikli ve hibrit araçlarda bildirilen yangın oranlarının, içten yanmalı motorlu araçlara kıyasla daha düşük seviyelerde olduğunu ortaya koysa da; bu durum, elektrikli araçların küresel araç filosundaki sınırlı pazar payından kaynaklanmakta ve mutlak risk değerlendirmelerinde yanıltıcı sonuçlar doğurabilmektedir. Araç parkının kompozisyonundaki değişim ve elektrikli araç kullanımının hızla artmasıyla birlikte, mutlak olay sayılarının yükselmesi beklenmekte; bu durum yangın riskinin özellikle kentsel alanlar, uzun mesafe taşımacılığı, lojistik operasyonlar ve toplu taşıma filolarında daha görünür hâle gelmesine neden olmaktadır. İtfaiye raporları, elektrikli araç yangınlarının söndürülmesinden günler veya haftalar sonra bile yeniden alevlenebildiğini göstermekte; ayrıca bu yangınları kontrol altına almak için gereken su miktarının, içten yanmalı araçlara kıyasla yaklaşık 40 kat daha fazla olduğu belirtilmektedir. Birleşik Krallık ve New York İtfaiyesi verileri, 2019-2024 döneminde batarya kaynaklı yangınlarda, yaralanma ve ölüm oranlarında istatistiksel olarak anlamlı artışlar yaşandığını ortaya koymakta; 2023 yılı hem yaralanma hem de ölüm sayıları açısından zirve yılı olarak öne çıkmaktadır. Açık deniz taşımacılığı, batarya üretim hatları ve geri dönüşüm tesislerinde meydana gelen olaylar, zincirleme yangın riski, toksik gaz yayılımı ve yüksek ekonomik kayıplar açısından kritik bir tehdit oluşturmaktadır. Lityum iyon piller; yüksek enerji içeriği, uzun ömrü, hızlı şarj/deşarj kapasitesi ve kompakt yapıları sayesinde taşınabilir enerji depolama teknolojilerinin temelini oluşturmaktadır. Ancak kimyasal bileşimleri gereği yüksek derecede reaktif ve yanıcı olmaları, bu pilleri yangın güvenliği açısından riskli kılmaktadır. Mekanik hasar, aşırı şarj, aşırı deşarj, imalat hataları veya harici ısı maruziyeti gibi faktörler, termal kontrol kaybı (TKK) sürecini tetikleyebilir. Bu süreçte katı elektrolit ara yüzeyi (SEI) tabakasının bozulması, ayırıcı erimesi ve iç kısa devre oluşumu zincirleme ekzotermik reaksiyonlara neden olur; sıcaklık artışı oksijen açığa çıkmasına yol açar ve pilin kendi oksijenini üretme kapasitesi, geleneksel“oksijen kesmeye dayalı”söndürme yöntemlerinin etkinliğini sınırlar. Ek olarak, hidrojen florür (HF) ve fosforil triflorür (POF3) gibi yüksek toksisiteye sahip gazların açığa çıkması, müdahale eden personel ve çevre için ek riskler oluşturur. Literatürdeki karşılaştırmalı çalışmalar, yangın söndürme ajanlarının etkinliklerinin birbirinden önemli ölçüde farklı olduğunu ortaya koymaktadır. ABC tipi kuru kimyasal tozlar, yeniden alevlenme riski taşımaları ve iletken kalıntı bırakmaları nedeniyle uygun değildir. Su sisi, TKK yayılımını geciktirme ve soğutma açısından avantajlı olsa da yüksek kapasiteli pillerde ve engelli ortamlarda sınırlı etkiye sahiptir; ayrıca bazı durumlarda toksik gaz salınımını artırabilir. Yüzey aktif madde katkıları, suyun yüzey gerilimini düşürerek söndürme performansını artırabilir. CO2, pilin kendi oksijen üretmesi nedeniyle düşük etkinlik gösterir. HFC-227ea ve C6F12O (NOVEC 1230), kapalı alanlarda erken uygulandığında etkili olabilir; ancak toksik gaz salınımını artırma riski taşır. Sıvı azot, yüksek soğutma kapasitesi sayesinde TKK'yi geciktirebilir veya önleyebilir; ancak depolama ve lojistik zorluklar uygulamayı sınırlar. Aerosol söndürücüler başlangıçta soğutma sağlasa da yeniden alevlenme problemini ortadan kaldıramaz ve korozif kalıntılar bırakabilir. Genel olarak, LİP yangınlarının karmaşık yanma mekanizmaları, yüksek yeniden alevlenme riski, toksik gaz salınımı ve operasyonel zorluklar, mevcut yangın söndürme tekniklerinin çoğunun tek başına yeterli olmadığını ortaya koymaktadır. Etkin müdahale için söndürücü seçiminin; araç türü, batarya kimyası, yangın senaryosu, çevresel koşullar ve operasyonel kısıtlar dikkate alınarak yapılması; aktif (soğutma sistemleri, yangın algılama, hızlı izolasyon) ve pasif (batarya muhafaza tasarımı, yangına dayanıklı malzemeler) güvenlik önlemlerinin entegre edilmesi gerekmektedir. Ayrıca, mevzuatın güncellenmesi, standart test protokollerinin oluşturulması, uluslararası iş birliği mekanizmalarının güçlendirilmesi ve sürekli eğitim programlarının yaygınlaştırılması, LİP yangın riskinin yönetilmesinde kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada, elektrikli araçlarda kullanılan 18650 tip Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (NMC) lityum iyon pillerde meydana gelen yangın olaylarını incelemekte ve farklı yangın söndürücü ajanların kontrollü koşullar altında etkinliğini değerlendirmektedir. Lityum bazlı pil bileşenlerinde yer alan malzemelerin yanma özellikleri, bu tür yangınların söndürülmesini güçleştirmektedir. 18650 tip NMC pillerin yanma davranışları, özel olarak tasarlanmış güvenlik düzenekleri içerisinde aşırı ısınma yöntemiyle kontrollü şekilde tutuşturularak analiz edilmiştir. Test edilen yangın söndürücü ajanlar; Su, BIOVERSAL, NOVEC 1230 ve YVSS (yüksek viskoziteli sıvı madde) olarak belirlenmiş, deneyler iki aşamada yürütülmüştür. İlk aşamada tek pil hücresinin serbest yanma testi gerçekleştirilmiş, ikinci aşamada ise ısı kaynağının kesildiği ve sürekli ısı uygulandığı koşullar altında söndürme müdahaleleri yapılmıştır. Performans değerlendirmesinde yanma ve patlama sıcaklıkları, tutuşma gecikmesi ve ortam gaz bileşimindeki değişimler (O2, CO, CO2) dikkate alınmıştır. Isı kesme koşullarında BIOVERSAL yaklaşık 247,6 °C ile en yüksek termal direnci gösterirken, Su yaklaşık 82 saniyelik tutuşma gecikmesi ile öne çıkmıştır. Sürekli ısı uygulama koşullarında ise YVSS yaklaşık 247 °C ile en yüksek patlama sıcaklığına ve yaklaşık 75 saniyelik tutuşma gecikmesine ulaşarak en başarılı ajan olmuştur. Buna karşılık NOVEC 1230 en düşük bastırma verimliliğini sergilemiştir. Elde edilen bulgular, BIOVERSAL'ın ısı kesme koşullarında, YVSS'nin ise sürekli ısı maruziyetinde en verimli yangın söndürücü ajanlar olduğunu ortaya koymakta ve lityum iyon pil yangınlarının kontrol altına alınmasında söndürücü seçiminin uygulama senaryosuna bağlı olarak kritik öneme sahip olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Electric vehicles have emerged as a significant alternative to internal combustion engine vehicles in mitigating greenhouse gas emissions and environmental pollution. Their quiet operation, environmentally friendly characteristics, and economic advantages have contributed to a growing global interest. Although electric propulsion systems were among the earliest areas of automotive technology research, limitations in battery capacity and the rapid advancement of internal combustion vehicle technology kept electric vehicles in the background for decades. The decline of fossil fuel reserves and the accumulation of combustion-related pollutants in the atmosphere, which damage the ozone layer and contribute to the greenhouse effect, have reignited interest in electric vehicles. Today, electric vehicles are manufactured in three main categories: battery electric vehicles, hybrid electric vehicles, and fuel cell electric vehicles. Battery electric vehicles operate solely on electric motors powered by battery packs. Hybrid electric vehicles combine electric motors with internal combustion vehicles for dual propulsion, while fuel cell electric vehicles use hydrogen storage systems to generate electricity for electric motors. One of the most critical components driving the development of electric vehicle is the lithium-ion batteries. Lithium ion batteries offer high energy density, long cycle life, and rapid charging capabilities, significantly improving electric vehicle range, performance, and usability. Typically, the anode consists of graphite, the cathode is composed of various metal oxides, and the electrolyte is a carbonate-based ion-conductive liquid. Several chemical variations of lithium ion batteries exist, including Lithium Cobalt Oxide (LCO), Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC), Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (NCA), Lithium Iron Phosphate (LFP), Lithium Titanate Oxide (LTO), Lithium Sulfur Dioxide (Li-SO2), and Lithium Manganese Dioxide (Li-MnO2). Each type exhibits distinct advantages and trade-offs in terms of energy density, safety, cost, and cycle life. For instance, NMC and NCA cells offer high energy density, LFP provides superior safety and durability, LTO delivers exceptional reliability and cycle life even at low temperatures, Li-SO2 offers high theoretical energy density but faces technical limitations, and Li-MnO2 provides a balance between safety and service life but lags behind newer chemistries. These advancements underscore lithium ion battery technology's pivotal role in the future transformation of sustainable transportation. The frequency, risk factors, fire dynamics, and suppression methods associated with electric vehicle and lithium ion battery fires require a multidisciplinary and comprehensive evaluation. Global statistics indicate that reported fire incidence rates in battery electric vehicles and hybrid electric vehicles are generally lower than in internal combustion vehicles; however, this is largely attributable to the relatively low market share of electric vehicles in the global vehicle fleet and may lead to misleading conclusions in absolute risk assessments. As the composition of the vehicle fleet evolves and electric vehicles adoption accelerates, the absolute number of fire incidents is expected to rise, making the risk more pronounced, particularly in urban areas, long-distance transportation, logistics operations, and public transport fleets. Fire department reports have documented cases where electric vehicle fires reignited days or even weeks after initial suppression, and the water volume required to control these fires can be approximately 40 times greater than that needed for internal combustion vehicle fires. Data from the United Kingdom and the New York Fire Department (2019–2024) indicate statistically significant increases in injury and fatality rates from battery-related fires, with 2023 marking the peak year for both metrics. Moreover, incidents in maritime shipping, battery production lines, and recycling facilities highlight the cascading fire risks, toxic gas emissions, and high economic losses associated with such events. While lithium ion batteries form the backbone of portable energy storage systems due to their high energy density, long cycle life, rapid charge/discharge capabilities, and compact form factor, their inherently reactive and flammable chemistry makes them susceptible to safety hazards. Mechanical damage, overcharging, over-discharging, manufacturing defects, or external heat exposure can trigger thermal runaway. During thermal runaway, degradation of the solid electrolyte interphase (SEI) layer, separator melting, and the formation of internal short circuits initiate a chain of exothermic reactions. This process releases oxygen, enabling the battery to sustain combustion independently of ambient oxygen supply, thereby limiting the effectiveness of conventional oxygen-deprivation suppression methods. Additionally, the release of highly toxic gases such as hydrogen fluoride (HF) and phosphoryl fluoride (POF₃) poses further hazards to first responders and the environment. Comparative studies in the literature reveal considerable variability in the effectiveness of fire suppression agents. ABC-type dry chemical powders are unsuitable due to their potential for re-ignition and electrically conductive residues. Water mist offers advantages in delaying termal runaway propagation and cooling, yet it has limited effectiveness in large-capacity battery packs or confined spaces and may in some cases increase toxic gas emissions. The addition of surfactants can enhance water's suppression efficiency by reducing surface tension. CO₂ demonstrates low effectiveness because lithium ion batteries can generate their own oxygen during thermal runaway. Halocarbon agents such as HFC-227ea and C6F12O (NOVEC 1230) can be effective when applied early in enclosed environments but may increase toxic gas emissions. Liquid nitrogen can notably prevent or delay thermal runaway through rapid cooling, though its storage and handling present logistical challenges. Aerosol suppressants may provide initial cooling but fail to prevent re-ignition and may leave corrosive residues. Overall, the complex combustion mechanisms, high re-ignition potential, toxic gas emissions, and operational challenges of lithium ion battery fires indicate that most suppression techniques are insufficient in isolation. Effective intervention requires selecting suppression agents based on vehicle type, battery chemistry, fire scenario, environmental conditions, and operational constraints, coupled with integrated active safety systems (e.g., cooling systems, fire detection, rapid isolation) and passive safety measures (e.g., fire-resistant enclosures, robust battery housing designs). Furthermore, regulatory updates, standardized testing protocols, strengthened international cooperation, and widespread training programs are essential to managing lithium ion battery fire risks effectively. This study investigates fire incidents involving 18650-type Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC) lithium batteries used in EVs and evaluates the effectiveness of different fire suppression agents under controlled conditions. The flammability characteristics of lithium-based battery components present significant challenges for suppression. The combustion behavior of 18650 NMC cells was analyzed by inducing ignition through overheating within specially designed safety enclosures. The suppression agents tested included water, BIOVERSAL, NOVEC 1230, and a high viscosity liquid substance. Experiments were conducted in two phases: free-burning tests of a single cell and suppression tests under conditions where the heat source was either removed or continuously applied. Performance metrics included combustion and explosion temperatures, ignition delay times, and changes in ambient gas composition (O₂, CO, CO₂). Under heat removal conditions, BIOVERSAL exhibited the highest thermal resistance at approximately 247.6 °C, while water achieved the longest ignition delay of approximately 82 seconds. Under continuous heating, high viscosity liquid susbtance reached the highest explosion temperature (approximately 247 °C) and the longest ignition delay (~75 seconds), making it the most effective agent in this scenario. In contrast, NOVEC 1230 demonstrated the lowest suppression efficiency. These findings indicate that BIOVERSAL is most effective under heat removal conditions, whereas high viscosity liquid substance is superior under continuous heat exposure. The results highlight the critical importance of selecting suppression agents based on the specific operational scenario when addressing lithium ion battery fires.
Benzer Tezler
- Sivas'ta kadınların işgücüne katılım farklılıkları
Başlık çevirisi yok
BİNNUR ERCEM
Yüksek Lisans
Türkçe
1984
SosyolojiCumhuriyet ÜniversitesiKurumlar Sosyolojisi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FARUK KOCACIK
- Sivas yöresinde akraba evliliği yapan ve yapmayan çiftlerde dermatoglifik benzerlikler
Similarities of dermataoglyphies among individval of married relatives and married couples not related to each other in Sivas region
Y. SELMA SÜNGÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
1984
Tıbbi BiyolojiCumhuriyet ÜniversitesiTıbbi Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İLHAN SEZGİN
- Laktat dehidrogenaz tayini için klinik kullanıma uygun yöntem araştırması
The investigation of a suitable method for the determination of lactate dehidrogenase in routine analysis
SEVTAP BAKIR ÇETİNTARAKÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
1984
BiyokimyaCumhuriyet ÜniversitesiBiyokimya Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET AKER