전기차 화재선도 분석

국가화재평가원

노재현 대리

최근 전기차가 많이 보급되면서 전기차 화재가 빈번하게 발생하고 있습니다. 전기차 화재의 특성상 화재진압이 빠르게 이뤄지지 않아 많은 재산 및 인명피해가 발생합니다. 전기차 화재를 진압하기 위한 다양한 제품이 개발되고 있지만 아직 미흡한 실정입니다.

 

전기차 화재 진압을 하기 위해서는 전기차 화재의 특성을 알아야 합니다.

 

① 하부에 배치된 배터리

전기차는 대부분 차량 하부에 리튬이온 배터리가 설치되어 있습니다. 이러한 구조는 주수소화 시 화재원인이 되는 배터리까지 침투되지 않아 소화를 방해합니다.

 

② 리튬이온 배터리의 특징

리튬이온 배터리는 다른 배터리보다 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 그래서 전기차에서 가장 중요한 주행거리를 늘리기 위해 리튬이온 배터리를 사용합니다. 하지만, 에너지 밀도가 높다는 것은 그만큼 화재 발생 시 높은 열량이 발생될 수 있습니다.

 

리튬이온 배터리의 구조는 크게 양극과 음극, 분리막, 전해질로 이뤄져 있습니다. 해당 구조에서 조금만 충격이 가해져 분리막이 찢어지면 양극과 음극이 내부에서 닿아 쇼트(short-circuit) 현상이 발생하여 바로 화재가 발생될 수 있습니다.

 

리튬이온 배터리에서 화재가 발생하면 열폭주 현상이 발생해 순식간에 화재가 발생하여 차량은 화염에 뒤덮이게 됩니다.

 

먼저 전기차 화재를 확인하기 전 리튬이온 배터리의 화재 현상에 대해 알아보겠습니다. 리튬이온 배터리의 화재현상과 관련된 연구는 다양하지만 항상 그 특징이 보입니다.

리튬이온 배터리의 화재상황에서 나타나는 메커니즘은 표와 같습니다. 초기에는 아무 현상이 없다가 스웰링 현상 즉, 부풀어 오르기 시작하고 배터리의 제일 약한부분(Vent 개방)이 터지고, 화염이 분출되기까지의 시간이 매우 짧습니다.

외부수열을 통한 실험이었지만 Vent가 개방되고 화재가 발생하기까지 짧은 시간에 현상이 나타나는 것을 볼 수 있습니다.

 

전기차 화재는 리튬이온 배터리 화재라고 해도 무방할 정도로 원인이나 현상 등이 동일합니다. 여러 논문 및 실험에서 전기차 화재의 성장속도는 Fast ~ medium  사이의 화재로 나타내고 있습니다. 실제 화재를 보고 있으면 Ultra Fast 화재로 보일 수 있지만 왜 Fast ~ medium  화재인지 확인해 보겠습니다.

위의 그래프들은 전기차 실화재 실험을 통한 논문 자료를 확보하였습니다. 논문은 전창호의 학술논문인 『배터리 남용 요인에 따른 열폭주 등가회로 개발 및 위험공간 내의 전기차와 내연기관차의 화재 위험성 비교분석』에서 실험한 자료입니다.

 

전기차 화재의 HRR 그래프를 보면 75초~100초 사이에 1,000kW의 HRR을 나타내는 것을 볼 수 있습니다. 해당 그래프만 분석해 보면 전기차 화재는 Ultra Fast화재에 속합니다. 하지만 이는 실제 화염이 발생했을 때부터 분석한 것으로 확인됩니다.

 

전기차에서 리튬이온 배터리 열폭주 현상까지의 온도〮시간 그래프를 확인해 보면 다음과 같습니다.

 

전기차 배터리의 온도〮시간 그래프를 보면 열폭주 현상이 나타날 때까지 약 90초 이상이 흘렀으며 실질적으로 열폭주가 시작되는 90초 이상부터 온도가 급격하게 올라갑니다. 해당 구간부터 HRR도 같이 상승합니다.

 

두 그래프를 보면 HRR이 75초~100초 사이에 1,000kW를 돌파했지만, 실험 처음으로 돌아가 온도그래프의 90초가 더해진다면 165초~190초 사이에 1,000kW를 돌파하는 것으로 확인됩니다. 이는 Fast ~ medium 화재로 볼 수 있습니다.

 

다른 논문을 통해 화재성장속도를 알아보겠습니다. 이번 논문은 한국화재 소방학회 논문지에 실린 신연제, 권민재, 강성욱, 최정윤의 투고논문인 『지하주차장 내 실규모 전기차 화재 실험』에서 실험한 자료입니다.

 

위의 그래프에서 보듯이 일정 구간에서부터 급격히 올라가는 그래프들을 볼 수 있습니다. 해당 구간은 열폭주 현상으로 인한 데이터로 확인됩니다.

 

전기차 화재의 HRR 그래프를 보면 15분 까지도 미동이 없던 그래프가 살짝 올라갔다 내려가고 다시 5.2MW까지 치솟는걸 확인할 수 있습니다. 처음부터 화재가 시작하여 1,000kW까지 도달하는데 20분 이상이 걸렸지만 처음 HRR이 상승했을 때 부터 확인하면 5분(300초) 만에 1,000kW까지 상승하였습니다. 이는 medium 화재로 확인됩니다.

 

두 논문의 그래프 해석에서 화재성장속도를 확인할 수 있는 그래프의 시작지점이 다른 이유는 전기차 화재의 화재 발생 방법이 다르기 때문입니다. 첫 번째 논문은 HRR이 오르지 않는 시간을 포함해서 해석하고, 두 번째 논문은 HRR이 상승하는 순간부터 시작지점으로 해석했습니다.

 

첫 번째 논문의 실험방법은 물리적인 충격 즉, 파괴 및 변형에 의한 실험을 통해 얻은 데이터입니다. 이러한 실험은 직접 배터리의 분리막을 손상시켜 화재를 발생시키는 방법으로 교통사고 같은 충격으로 일어난 화재사고의 원인이 됩니다. 해당 실험의 특징으로는 매우 빠른 열폭주 현상을 확인할 수 있으며, 인명피해의 주된 원인의 전기차 화재입니다.

 

두 번째 논문의 실험방법은 외부에서 열을 가해 배터리의 화학적 반응을 일으키는 외부수열 실험을 통한 데이터 입니다. 이러한 실험은 배터리 셀에 열패드를 붙여 실험하는 것으로 충전 중 화재가 발생하는 상황을 구현한 것입니다.

 

해당 실험의 특징은 열을 전달하는 시간이 매우 오래 걸려 열폭주까지 천천히 일어납니다. 빠르게는 몇 십 분 ~ 1시간 이상 까지도 걸리는 경우가 많습니다. 실제 배터리의 열로 인해 화재가 발생하는 경우에는 운전자가 비운 상태에서 나타나기 때문에 인명피해는 매우 적습니다.

 

두 실험의 공통점은 열폭주가 일어난 순간 걷잡을 수 없이 화재가 발생하고 화재가 발생하면 매우 빠르게 화재도 커지는 것입니다. 그리고 전기차 화재의 화재성장속도는 150초(Fast) ~ 300초(medium) 화재로 확인되었습니다.

 

이번 호에서는 두가지의 논문을 통해 전기차 화재의 화재성장속도가 Fast ~ medium 사이로 나타나게 되는 현상에 대해 확인해 봤습니다.

 

-본 칼럼은 국가화재안전저널 제 37호에 기고된 글입니다.