1. 머리말

빈 최근 몇 년 동안 전기차 시장은 전 세계적으로 가파른 성장세를 기록하고 있다. 올해 전망이 다소 둔화될 것으로 예상됐음에도 불구하고, 글로벌 전기차 시장은 지난해 대비 약 20% 증가할 것으로 추정된다. 특히 우리나라에서는 2017년부터 2022년까지 전기차 보급이 약 145배 증가하였다. 이러한 빠른 보급 속도와 더불어 전기차 화재 사고도 증가하고 있다. 특히, 국토면적이 좁은 우리나라의 경우 건물의 주차장이 대부분 지하에 위치하고 있기 때문에, 화재가 지하주차장에서 발생할 가능성이 높다고 할 수 있다. 지하주차장과 같은 특정 환경에서는 제한된 출입구, 복잡한 내부 구조, 그리고 환기의 어려움과 같은 요소들이 전기차 화재의 위험성을 증가시킨다. 더욱이, 전기차 화재는 전통적인 내연기관 차량의 화재와 다른 양상을 보이기 때문에 이러한 위험성을 고려한 연구가 필요하다. 본 연구는 라지 스케일 칼로리미터를 활용하여 전기차 화재의 확산 양상을 실험적으로 분석하고자 하였다.

2. 실험장치 및 시험체

2.1 라지스케일 칼로리미터

빈 콘칼로리미터는 가연물이 연소하면서 소모하는 산소의 양을 기초로 발열량을 측정하는 장비로 연소 중 산소 1kg이 소모되면서 약 13.1MJ의 열량이 방출된다는 산소소모원리를 바탕으로 재료의 열방출율을 간접적으로 측정하는 대표적 장비이다. 또한 연소 시 발생하는 연소가스(산소, 이산화탄소 및 일산화탄소 등) 생성량의 측정이 가능하다. 일반적인 콘칼로리미터는 ISO 5660-1의 기준에 따라 소형 시편(100 x 100)mm에 대해 열방출율 등을 측정하여 재료의 화재안전성능을 평가하고 있지만, 실규모의 재료에 대한 화재안전성능을 평가하기엔 다소 미흡하다. 따라서 라지스케일 칼로리미터를 사용하여 실제 발생할 수 있는 화재(물류창고, 사무실, 자동차 등)에 대한 실험을 수행하고 열방출율과 연소가스를 측정하였다. 본 실험에 사용한 라지스케일 칼로리미터는 최대 10MW까지 열방출율 측정이 가능하며, 실험장의 크기는 (37(가로) x 37(세로) x 24(높이))m 이다. 전기차의 상부에는 연소 시 발생하는 연소가스를 포집할 수 있도록 지름 9m의 후드가 10m 높이에 설치되어있다. 포집된 연소가스는 후드를 지나 덕트 내부에 있는 프로프를 통해 샘플링되어 연소가스의 온도와 유량, 산소, 이산화탄소, 일산화탄소의 농도를 분석하여 열방출율을 계산하게 된다.

[그림 1] 칼로리미터

2.2 온도 측정장치

빈 배터리 셀의 열폭주 시점, 오프가스 방출이나 인접 모듈 또는 셀로 열폭주가 전이되는지 여부 등을 확인하기위해 팩 내부에 열전대를 설치하였다. 또한, 전기차의 측면, 후면, 상부의 일정 거리에 열전대를 설치하여 팩 내부와 차량 주위에 온도 변화를 실시간으로 모니터링하였다. K-type 열전대를 사용하여 배터리팩에는 배터리 셀과 모듈에 6개소, 팩 외부에 2개소의 총 8개의 열전대를 부착하고, 전기차의 외부에는 15개소, 내부에 1개소 총 16개의 열전대를 부착하여 데이터수집장치를 통해 초당 1회씩 온도 데이터를 수집하였다.

[표 1]

[그림 2] 배터리팩 열전대 부착 위치

[그림 3] 전기차 열전대 부착 위치

2.3 시험체

빈 실험용 전기차는 시중에 판매되는 차량으로 승용 4도어 준대형 세단 차량으로 배터리로 구동되는 순수 전기차량으로 기본적인 차량의 제원은 표2와 같다. 실험 중에 발생하는 연소생성물의 정확한 측정을 위해 창문을 전부 개방하여 실험을 수행하였다. 이러한 조건은 화재 시 원활한 산소 공급으로 인해 더 정확한 연기발생량과 열방출율 측정이 가능할 것으로 판단된다. 배터리팩 내부에는 총 36개의 모듈이 9열 4행의 형태로 배열되어 있으며, 각 모듈의 크기는 (38(길이) × 13(높이) × 13.5(폭))cm 이다. 한 개의 모듈 내부에는 12개의 셀로 구성되어 있다. 이 셀들은 6개가 병렬로 연결된(2P 6S) 형태로 배치되어 있다. 배터리팩 내부에는 432개의 셀로 구성되어 있으며, 각 셀의 크기는 (355 × 100 × 10)mm이고, 무게는 약 740g 정도이다.

[표 2] 실험용 전기차 제원

[그림 4] 배터리모듈(셀)

3. 시험방법

3.1 열폭주 유도

빈 전기차의 배터리팩을 분해하여 셀의 측면에 셀 표면 온도측정을 위한 K-type 열전대를 설치하고 배터리 가열을 위한 필름히터를 부착하였다. 그림 2에 배터리팩 내부에 설치한 열전대와 필름히터위 부착위치를 나타내었다. 이후 배터리팩을 재조립하고 전기차에 배터리팩을 장착한 후 완속 충전기에 연결하여 완속으로 충전율이 100%가 될때까지 충전을 진행하였다. 열폭주는 소방청 공고 제2022-40호 "전기저장시설에 설치되는 배터리용 소화장치의 성능평가 기준" 에 따라 셀 표면의 온도를 (4 ∼ 7) ℃/min의 속도로 상승하도록 가열하여 열폭주를 유도하였다.

3.2 개략도

빈 전기차 화재 시 발생하는 열방출율과 연소 확대 과정을 분석하기 위해 전기차의 배터리에 강제로 열폭주를 유도하여 화재를 발생시켰다. 화재 발생 시 연소가스는 칼로리미터의 포집후드를 통해 포집되며, 가스분석기를 이용해 연소가스의 조성을 분석하고 열방출율과 연소생성물의 양을 측정한다. 전기차의 연소확대과정을 정밀하게 분석하기위해 20cm 간격으로 표시된 스케일바를 설치하여 화염의 높이와 진행 정도 등을 관찰하였다. 또한, 전기차 주변의 여러 위치에 열전대를 설치하여 온도 변화를 실시간으로 모니터링 하였다. 그림5에 본 실험의 개략도를 나타내었다.

[그림 5] 실험 개략도

4. 시험결과

4.1 오프가스 방출 과정

빈 필름 히터에 전원을 인가한 후 약 34분이 지났을 때 첫 번째 오프가스 방출이 시작했다. 오프가스 방출은 약 2분 30초 동안 지속되었고, 배터리 팩의 운전석 쪽에서 발생하는 것을 확인하였다. 관찰결과, 오프가스는 운전석쪽으로 시작되어 조수석 쪽으로 확산되었음을 확인할 수 있었다. 첫 번째 오프가스 방출이 종료된 후 약 5분 뒤에 두 번째 오프가스 방출이 시작되었다. 이는 약 1분 20초 동안 지속되었고, 이번에도 배터리팩의 운전석 쪽에서 시작되어 조수석 쪽으로 확산되었다. 이 시점에서 셀 표면의 온도는 약 700℃에 도달했고, 인접한 배터리 셀의 온도도 680℃ 정도로 매우 높은 상태였다. 세 번째 오프가스 방출은 두 번째 방출 후 약 4분 뒤에 발생했으며, 약 2분 30초간 지속되었다. 이후 추가적인 온도 상승과 하락을 반복하며 총 6번의 오프가스 방출이 발생했다. 이러한 연속적인 오프가스 방출과 온도 변화는 배터리 팩 내에서 복잡한 열적 및 화학적 반응이 일어나고 있음을 나타내며, 팩 내부 또는 전기차의 주위에 가연성 증기의 체류 등으로 인해 폭발 위험이 증가시킬 수 있다. 그림 6와 그림 7은 전기차의 오프가스 방출 시간과 오프가스 방출 사진을 나타낸다.

[그림 6] 오프가스 방출 시간표

[그림 7] 오프가스 방출 사진

4.2 화재 확산 과정

빈 시험 시작 후 약 80분이 지나고 7번째 오프가스가 방출된 직후, 곧이어 운전석 하부에서 불꽃과 함께 착화가 일어났다. 주변에 체류하던 가연성 증기로 인해 폭발적인 발화가 일어났으며, 이는 차량 하부에서 연소가 시작되어 차량 내부까지 차량 여러 부위에서 급격한 열과 화염 발생으로 이어졌다. 착화시점으로부터 약 2분 후, 자동차 상부까지 화염이 치솟는 것을 관찰할 수 있었다. 착화 후 약 3분이 지나자, 전기차의 승객석이 전소하기 시작했고, 화염은 차량의 프론트 후드까지 진행되었다. 이어서 운전석 타이어와 조수석 타이어가 연소하여 폭발적으로 터져나갔다. 약 12분 후에는 운전석 도어가 높은 열로 인해 용융되어 녹기 시작하였고, 곧이어 프론트 범퍼가 완전히 연소되어 차량 전면부가 화염에 휩싸였다. 약 20분이 지나 전기차 후면까지 연소가 진행되었고, 대략 27분 후에는 화염이 점차 소멸하는 것을 확인할 수 있었다. 이후에도 간헐적으로 남아있는 배터리의 열폭주로 인한 화염이 계속 관찰되었다. 착화 후 약 70분이 지나면서 잔여 화염을 소화하며 시험을 종료하였다. 그림 8와 그림 9는 전기차의 연소 시간과 전기차 주요 연소 사진을 나타낸다.

[그림 8] 전기차 연소 시간표

[그림 9] 전기차 주요 연소사진

4.3 온도변화

빈 배터리팩에 설치한 필름히터에 전원을 인가하여 배터리 셀의 온도변화를 관찰하였다. 시험 시작 후 약 35분이 지날 때까지 배터리 셀의 온도가 꾸준히 상승하다가 약 192℃에 도달 시점에서 첫 번째 오프가스가 방출하였다. 오프가스 방출 직후, 필름 히터 표면의 온도는 1000℃ 이상으로 급격히 상승했고, 이는 인접한 셀에도 영향을 미쳐 해당 셀의 온도가 약 750℃까지 상승하였다. 이는 배터리 셀 간 열 전달에 의한 열폭주 연쇄 반응을 발생시킬 수 있는 온도라고 할 수 있다. 이후 열폭주 전이가 나타나면서 셀과 모듈의 온도는 상승과 하강을 반복하다가 실험 시작 약 80분에 발화와 동시에 급격한 온도변화를 관찰할 수 있었다. 그림 10은 배터리팩 내부의 온도변화를 나타낸다. 오프가스가 처음 발생한 모듈의 상부(Module TOP)와 오른쪽에 위치한 모듈(Module RH)은 온도가 800℃까지 상승하는 것이 관찰되었고 이는 주변 모듈로의 열전달이 진행되고 있음을 나타낸다. 2차 오프가스가 방출될 때 전방에 위치한 모듈(Module FRT)의 온도는 1000℃ 이상으로 상승하는 것을 관찰할 수 있었다. 이후 오프가스가 지속적으로 방출되며 셀과 모듈의 온도는 상승과 하락을 반복하는 모습을 보였다. 이는 인접 배터리 셀로 열폭주가 전이가 발생하고 있음을 나타낸다. 후방에 위치한 모듈의 온도는 상대적으로 늦게 상승했는데, 열과 오프가스가 배터리 팩 내부의 구조적 특성과 공간적 배열에 의한 것으로, 열폭주에 의해 발생한 오프가스와 열이 상대적으로 공간에 여유가 있는 부분으로 이동한 것으로 판단된다. 약 80분경에 배터리팩 내부에서 급격한 온도 변화가 발생했으며, 이는 팩 내부에서 착화되어 화염이 방출하기 시작하는 시점을 나타낸다.

[그림 10] 배터리팩 내부 온도변화

빈 전기차의 배터리 팩에서 발생한 화재는 인접한 차량이나 건축 구조부에 영향을 줄 수 있다. 특히, 배터리로 인해 발생한 화재의 특성으로 인해 주변 차량으로 화재가 전이될 수있고, 구조부의 열적 손상을 야기할 수 있다. 실험용 전기차 측면의 1열과 2열, 그리고 후면에 열전대를 설치하여 화재에 의한 온도 변화를 측정하였다. 그림 11은 전기차 외부 온도 변화를 나타낸다.

빈 전기차에 발화한 후 2분 이내(실험 시작 후 약 82분경)에 운전석 1열 열전대(F/L)의 온도가 상승하기 시작하였고, 이후 최대 550℃까지 상승하며 20분간 400℃이상 유지하는 것을 관찰할 수 있었다. 발화 10분 뒤에(실험 시작후 약 90분경) 2열 열전대(R/L, R/R)가 상승하기 시작해서 최대 600℃를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 발화 12분 후(실험 시작 후 약 102분경)에는 후면 열전대 중 100cm 높이에 설치된 열전대(Tail/100cm)가 먼저 온도 상승을 보였고, 이후 30cm 높이에 설치된 열전대(Tail/30cm)의 온도가 상승하는 것을 관찰했다. 이는 전기차 내부가 연소하면서 화염이 상승하고, 화염에 의한 복사열로 인해 높은 위치에 있는 열전대의 온도가 먼저 상승했으며, 이후 전기차 후방으로 화재가 확산되면서 낮은 위치에 있는 열전대의 온도도 상승한 것으로 판단된다. 이 현상은 연소가 전면부에서 시작해 측면, 후면으로 확대된 것을 나타낸다.

빈 전기차 화재 시 주요 가연물은 내연기관 차량과 유사하다. 차량 내부를 구성하는 내장재는 주로 폴리우레탄 폼, 패브릭, PVC, 및 기타 합성 재료로 만들어져 있고, 시트는 고밀도 폼과 패브릭 또는 가죽으로 구성된다. 일반적인 승용차 시트는 약 10kg에서 30kg 사이의 무게를 가진다. 이러한 재료는 연소 시 상당한 열과 연기를 발생시키고, 연소 속도가 빠르다. 타이어는 주로 고무와 각종 첨가제로 구성되어 있으며, 화재 발생 시 많은 농연을 동반하며 연소한다. 전기차의 경우, 배터리뿐만 아니라 많은 고전압 케이블이 사용되는데, 이 케이블들은 주로 구리와 플라스틱 절연체로 구성되어 있다. 구리는 연소되지 않지만, 플라스틱 절연체는 연소 시 많은 열과 연기를 동반한다. 가연물이 발화한 후에는 빠른 화재 확산이 발생하여 인접한 가연물에 영향을 줄 수 있는 온도가 관찰되었다. 이는 인접 차량으로의 화재 전이나 구조부에 영향을 줄 수 있음을 의미한다.

[그림 11] 전기차 외부 온도변화

4.4 열방출율

빈 배터리의 열폭주는 전기차의 화재 안전성에 있어 중대한 위험 요소 중 하나이다. 이현상은 높은 에너지 밀도를 가진 배터리 내부의 화학 반응이 비정상적으로 빠르게 진행되어 많은 열이 발생시킨다. 배터리 자체의 연소 뿐만아니라, 차량 내장재 및 외장재의 연소로 이어질 수 있으며, 이 과정에서 발생하는 열방출율(Heat Release Rate, HRR)을 측정하는 것은 화재의 진행과정과 위험성을 이해하는 데 매우 중요하다고 볼 수 있다. 그림12은 발화 후 열방출율 측정값을 나타낸다.

빈 배터리가 발화한 후 약 4분이 경과하면 차량 내부 가연물의 화재가 확산되며 열방출율의 첫 번째 피크가 발생한다. 이 시점에서 열방출율은 약 4.7MW에 도달하고, 화염의 높이는 약 3.5m까지 상승한다. 이는 시트와 같은 차량 내 가연물질이 연소되면서 급격한 열과 화염을 발생시키는 단계로 볼 수 있다. 약 7분 후에는 엔진룸의 연소가 시작되고 타이어를 비롯한 다른 부품들도 연소하며 두 번째 피크가 발생한다. 이 때의 열방출율은 약 5MW까지 증가하며, 화염의 높이는 약 4m로 관찰된다. 엔진룸 내의 플라스틱류와 배선 등의 가연물로 인해 이 구역의 연소는 열방출율의 급격한 상승을 초래한다. 약 13분 후에는 전기차의 후방까지 화재가 확산되며 세 번째 피크가 발생한다. 이때의 열방출율은 약 6.2MW로, 본 시험에서 최대치를 기록했으며, 농연으로 인해 화염 높이의 정확한 관찰이 어려웠다. 연소 과정 중, 배터리 내부의 열폭주 현상은 간헐적으로 발생하며, 화재의 강도는 점차 감소하는 추세를 보인다.

[그림 12] 열방출율 측정값

5. 맺음말

빈 본 실험을 통해 전기차 화재 전파 특성을 이해하고, 필수적인 기초 데이터를 획득하기 위해 라지스케일 칼로리미터 실험이 실시하였다. 칼로리미터를 사용하여 전기차 연소에 따른 열방출율을 측정하고, 전기차 주변에 설치한 열전대를 통해 화재로 인한 인접 차량 또는 건축 구조물의 온도 변화를 모니터링함으로써, 전기차 화재의 특성을 파악할 수 있었다.

빈 열방출율과 온도 변화 측정 결과는 전기차 화재의 특성을 이해하는 데 뿐만 아니라, 효과적인 예방 및 대응 전략을 수립하는 데 중요한 정보를 제공할수 있다. 특히, 이러한 데이터는 전기차 화재로 인한 위험을 최소화하는 방안을 개발하는 데 필수적이며, 더욱 신뢰할 수 있는 화재 시뮬레이션 모델을 구축하고, 전반적인 화재 위험성을 평가하는 데 기초적인 역할을 한다.

빈 이 연구는 전기차 화재와 관련된 안전 규제와 기준을 마련하는 데 있어서도 중요한 참고 자료가 될 수 있으며, 앞으로의 전기차 설계 및 안전성 개선에 기여할 것으로 기대된다.

빈 이와 관련하여 화재보험협회 부설 방재시험연구원에서는 전기차 화재와 관련된 다양한 연구를 수행하고 있다. 본 연구의 진행을 위해 지원과 협력을 아끼지 않으신 서울특별시 소방재난본부에 깊은 감사를 드립니다.