2024 한국화재조사학회 추계학술대회논문집

전기차 화재 사고 원인분석에 관한 연구

김만건 이플러스에너지화재연구소(주)

A Study on the Cause Analysis of Electric Vehicle Fire Accident

Kim-Man Geon

e-Plus Research Institute for Energy and Fire

요 약

최근 전기차의 시대가 도래하였지만 한 가지 두려움이 소비자들의 발목을 붙잡고 있다. 화재위험이다. 붉은 화염이 차량을 순식간에 집어삼키는 장면이 담긴 최근 몇 건의 전기차 사고 영상들은 구매 의향자들에게는 주저함을, 제조회사와 안전 당국에는 고민거리를 안겨주고 있다. 그 원인과 해결책은 결국 ‘배터리’로 귀결된다. 전기차에 주로 쓰이는 배터리는 리튬이온전지다. 배터리의 주요 성분인 양극재와 음극재를 분리하는 분리막에 손상이 가해져 두 극이 서로 만나게 되면 과도한 단락전류가 흐르고 높은 열이 발생해 화재로 이어진다. 전기차 배터리는 수백 개 이상의 배터리 셀을 결합해 제작한다. 한 곳의 셀에 붙은 불이 옆에 있는 셀로 번지며 빠르게 온도가 오르는 ‘열폭주’ 현상이 빚어진다. 최근 발생한 전기차 화재 통계의 최초 발화점과 주행, 주차, 충전 중인 상황별 그리고 배터리 제조사별로 분석하여 전기차 화재예방과 화재 원인조사 분야에서 도움이 되기를 기대한다.

Abstract : Recently, the era of electric vehicles has arrived, but one fear is holding consumers back. It's a fire hazard. Videos of several recent electric car accidents, which show red flames engulfing vehicles in an instant, have caused hesitancy for buyers and worries for manufacturers and safety authorities. The cause and solution eventually results in a 'battery'. Lithium-ion batteries are mainly used in electric cars. Damage is done to the separator separating the anode material and the cathode material, which are the main components of the battery, causing excessive short-circuit current to flow and high fever to be generated, leading to a fire. Electric vehicle batteries are manufactured by combining hundreds of battery cells. A "thermal runaway" phenomenon occurs in which the temperature quickly rises as the fire in one cell spreads to the next. It is expected to be helpful in the field of electric vehicle fire prevention and fire cause investigation by analyzing the initial ignition point of the recent electric vehicle fire statistics, driving, parking, and charging situations, and battery manufacturers.

Key Words : electric vehicles, fire hazard, battery, short-circuit, thermal runaway

1. 서론

전기차 화재 통계를 분석한 결과 최초 발화점은 고전압 배터리(53.9 %), 차량 기타 부품(25.9 %), 외부요인(17.9 %) 순으로 발생하였다. 전기차 배터리 화재가 쉽게 꺼지지 않고 폭발성을 가진 이유는 구성요소에서 찾을 수 있다. 리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해액 등 크게 4가지 요소로 구성되는데, 리튬이온은 전해액을 통해 이동하고 분리막은 양극과 음극의 직접적인 접촉을 차단하면서 미세한 구멍으로 리튬이온만 통과시켜 전류를 발생시키는데, 분리막 절연이 파괴되면 단락사고로 화재가 발생한다.

2. 연도별 전기차 화재 발생 통계 분석

소방청 자료에 따르면 2018~2024년 상반기까지 지난 6년 6개월 동안 총 139건의 전기차 화재 사고가 발생했으며, 해마다 점차 전기차 사고가 증가하는 추세인 것으로 파악됐다.

연도별 전기차 화재 발생 현황 통계

2024년 상반기도 전기차 사고가 총 24건으로, 하반기 사고 건수까지 더해지면 지난해와 유사하거나 많은 수준일 것으로 추정된다.

해당 기간 NCM(니켈·코발트·망간) 계통 전기차 화재 사고 발생 시 최초 발화점(사고원인)은 크게 고전압 배터리, 차량 기타 부품, 외부요인 등으로 나타났으며, 사고는 ‘배터리 충전 중’, ‘주차 중’, ‘주행 중(충돌 포함)’ 등 모든 상황에서 발생한 것으로 분석됐다.

1) 최초 발화점 분석

2) 주행 중, 주차 중, 충전 중 등 상황 분석

3) 배터리 제조사별 분석

아울러 한국교통안전공단 자동차안전연구원이 자동차리콜센터 소비자 결함 신고 내역을 비롯해 자동차관리법 제33조 제3항에 따른 제작자 제출자료, 현장 조사 등을 토대로 화재 발생을 집중적으로 점검한 결과 작성된 데이터 자료는 다음과 같다.

4) 2018년 전기차 화재 발생 건수(3건)

5) 2019년 전기차 화재 발생 건수(5건)

6) 2020년 전기차 화재 발생 건수(12건)

7) 2021년 전기차 화재 발생 건수(15건)

8) 2022년 전기차 화재 발생 건수(33건)

9) 2023년 전기차 화재 발생 건수(47건)

10) 2024년 전기차 화재 발생 건수(상반기, 24건)

3. 전기차에 충격을 줄 수 있는 도로 환경

과속 방지턱, 보도와 같은 약 20㎝ 높이로 만드는 험프(HUMP, 툭 솟아 오른 고원식 횡단보도) 형 횡단보도는 과속 방지턱과 같은 개념으로 차량에 수직 방향의 물리적 충격을 주어 과속에 대한 심리적인 부담감을 느끼게 함으로 차량의 주행속도를 줄이게 하는 기능을 가지고 있다지만, 전기차의 바닥에 배치된 배터리는 충격을 자주 받게 되어 피로가 누적되면 미세단락 사고로 이어지는 요인 중 하나이다. 고원식 횡단보도는 차량의 접근성이 요구되는 도로나 차량의 속도를 30㎞/h 이하로 제한하고자 하는 지역(어린이 보호구역, 노인보호구역, 장애인 보호구역 등)에서 설치한다.

1) 주차 중 전기차 화재 사례

2024. 8월 1일 인천 청라 지하 주차장의 대형 화재가 시작된 ○○(EQE) 전기차 화재 원인은 감식 결과 외부 충격으로 배터리 손상 가능성으로 추정함.

① 엔진에 해당하는 배터리가 차체 하부에 있는 전기차는 과속 방지턱이나 도로 연석에 부딪히는 경우가 잦다.

② 겉으로 손상이 보이지 않더라도 물리적 충격은 쌓이고 누적되면 사고로 이어진다.

③ 차체 밑에 있는 배터리가 외부 충격으로 손상돼 불이 시작됐을 가능성이 있다고 밝혔다.

④ 외부 충격에 의한 미세 단락이 장시간 방치됐기 때문이라는 설명이 유력하다.

⑤ 화인을 배터리 셀의 내부 단락(ISC, Internal Short Circuit)으로 추정한 화재

2) 전기차 화재 예방 최후의 보루 BMS 역할

BMS는 Battery Management System의 약자로 배터리 관리 시스템을 말하며, 점검(monitering), 관리, 셀 밸런싱(Cell Balancing) 제어 등 많은 부분에 관여하여 전기차 배터리를 관리하는 장치다. 전기차 배터리는 많은 에너지를 저장하고 높은 출력으로 사용하다 보니 화재와 같은 위험이 있다. 이를 사전에 방지하고 배터리를 안전하게 제어하는 것이 BMS의 역할이다. 배터리 팩에서 두뇌 역할을 담당하고, 배터리를 제어하고 상태를 진단하는 역할을 하는 제어기이다.

가) Battery Balancing 또는 Cell Balancing

예를 들면, 직렬로 연결된 셀 2개를 충전할 때 첫 번째 셀은 4.2V 전압을 달성했지만, 두 번째 셀은 전압이 4.0V에 그치는 경우가 생길 경우, 이때 직렬로 연결된 배터리 셀 간의 전압 차이를 조정하여 맞추는 것을 ‘셀 밸런싱(Cell Balancing)’이라 한다.

① 셀(Cell) : 전기에너지를 충전/방전하여 사용할 수 있는 배터리의 기본 단위

② 모듈(Module) : 셀을 외부 충격, 진동, 열 등으로부터 보호하기 위해 하우징에 넣은 배터리 Assembly

③ 팩(Pack) : 전기 자동차에 장착되는 배터리 시스템의 최종 형태.

나) BMS는 고전압 배터리를 사용하는 전기차에서 그 중요도가 더 높아졌다.

BMS의 주요 기능은 아래와 같다.

① 배터리 셀 간 편차 방지. ② 전압, 전류, 온도 검출(sensing).

③ 과전압, 저전압, 과전류 진단. ④ SOC/SOH/SOP estimation(판단).

⑤ 냉각 제어. ⑥ 릴레이 제어. ⑦ 통신 등.

다) Active cell balancing

셀 간의 편차가 발생할 때, 높은 전압의 셀의 에너지를 낮은 전압의 셀로 이동시키는 방법이다. 장점은 에너지 손실이 적어 효율 높고, 셀의 수명을 늘릴 수 있으며 신속하게 밸런싱을 제어할 수 있지만, 제어 알고리즘과 회로 인터페이스가 복잡하여 비용이 상승한다.

Active balancing의 방법으로는 사용하는 회로에 따라 크게 3가지로 분류할 수 있다.

① 커패시터.

② 인덕터 또는 트랜스포머.

③ 컨버터(플라이 백, 포워드, 풀 브리지 등)가 있다.

라) 분리막이 손상되는 원인은 크게

① 제조 결함 ② 과충전·방전 ③ 외부 충격 등으로 구분된다.

제조 결함은 배터리 제조 과정에서 혼입된 금속 등 이물질이 사용 중 음극에 이른 뒤 돌기 형태로 덴드라이트(Dendrite, 수지상조직)가 자라면서 분리막 훼손하는 것이다.

3) 전기차 배터리 화재는 단락 사고를 막아야 예방할 수 있다.

① 리튬이온 배터리는 높은 에너지를 리튬 금속 산화물 형태로 저장하고, 양극과 음극 사이에서 에너지를 이온 형태로 이동시키는 과정에서 에너지(전류)를 얻는다. 충전 시 이 과정이 역으로 일어난다. 일반적으로 배터리의 양극과 음극이 직접적으로 부하 없이 만나면 대우 큰 대전류가 순간적으로 흐른다. 이와 같은 현상을 단락(short, 합선)이라고 부르며, 이때의 발열이 임계치를 넘어가면 열폭주(熱暴走; Thermal runaway)라는 연쇄적 폭발 현상이 발생한다. 배터리 사고를 방지하려면 양극과 음극이 직접적으로 만나는 단락사고를 막아야 한다.

② 배터리 내부에서는 양극과 음극이 아주 얇은 분리막이라는 필름 한 장으로 구분되어 맞닿아 있는데, 이 분리막이 어떠한 이유에서든 손상되면 내부 단락이 일어날 수 있다. 배터리 내부에서 분리막이 손상되지는 않지만, 충·방전이나 보관 과정에서 배터리에서 지속적으로 반응이 일어나고 수지상(樹枝狀) 조직 등의 부산물이 생기면서 내부 단락이 일어나기도 한다. 전기차 충전 중 화재나 배터리 보관 중 화재 등이 이럴 때 해당한다.

③ 배터리 제품을 제조할 때는 최대한 직접적으로 양극과 음극이 만나지 않도록 설계하고, 사고 등 외부 충격에도 이런 일이 일어나지 않게 안전장치와 시스템을 구성한다. 단락은 외부에서만 일어나는 것이 아니라, 배터리 내부에서도 발생할 수 있다.

④ 전기차 배터리는 용량이 크고, 대부분 차체 감량을 위해 보호대를 알루미늄 소재로 제작되어 외부 충격에 약하다는 점, 고속 충·방전으로 인해 부산물 발생 위험이 상대적으로 높다는 점, 주차 보관 환경이나 관리 상태가 상대적으로 열악하다는 점 때문에 위험 요소가 크다고 할 수 있다.

⑤ 리튬 배터리를 안전하게 보관하기 위한 환경 조건은 배터리는 기본적으로 화학제품이기 때문에 온도 등에 예민하다. 사용하지 않는 주차나 보관 상태에서도 자체 방전 등으로 인해 미세하게 화학 반응이 일어나므로 온도는 상온 조건이 가장 이상적이며, 영하(零下)나 45℃를 넘어가는 환경은 배터리 수명이나 안전성에 영향을 미칠 수 있다. 직사광선도 피하는 것이 좋고, 습도는 40~60% 정도의 쾌적한 환경이 좋다. 건조하면 플라스틱 기구물에 영향을 줄 수 있고, 다습하면 금속 부품에 부식을 일으킬 수 있어 좋지 않다.

⑥ 사용이 종료된 배터리의 재활용 및 안전한 폐기 방법은 폐기 대상 배터리는 완전 방전을 시켜 화재위험을 최소화한 상태에서 전기적으로 안전한 포장을 한 후 지자체나 국가에서 지정한 수거 장소에서 폐기해야 한다. 이를 대행해 주는 전문 업체도 있다. 방전기 등을 통해 완전 방전시키거나 염수(소금물)에 담가 화학 반응을 중화시킨 후 폐기하는 것이 좋다. 무조건적인 폐기보다는 사용 이력과 상태 진단을 통해 재사용이 가능한 경우 재사용 업체를 통해 처리하는 편이 경제성과 환경적 측면에서 바람직하다.

4) 사고 예방을 위한 안전 기술

가) 전기차는 배터리를 차 바닥에 넓게 펼친다. 차의 앞과 뒤는 구조가 비슷하지만, 배터리에 가까운 좌우에는 성인 팔뚝 두께의 알루미늄 충격 흡수재가 더해진다. 전기차만을 위한 안전 기술에 해당한다.

나) 리튬이온 배터리의 화학적 성분을 바꿔 과열돼도 산소가 적게 배출되는 리튬인산철(LFP) 배터리를 사용하기도 한다. 이에 따라 사고로 차에 화재가 발생했으나 실제 배터리 팩은 타지 않아 피해를 줄인 사례가 있다.

다) 현대자동차 아이오닉 5의 경우 배터리에 모두 384개의 셀이 있다. 이 차의 배터리 관리 시스템은 각각의 셀의 온도, 전압의 차이, 충전 정도 등을 확인하고 차이가 있으면 최적 상태로 바꾸는 ‘셀 균형화’을 한다.

라) 전기차 시대에 커넥티드카(Connected Vehicle) 기술은 안전을 위해서도 필수가 된다. 커넥티드카 기술(Technology)은 각 차량이 서로 소통함으로써 차량 흐름이나 날씨 정보와 같은 주행 정보를 수신하는 수준을 넘어서 자동차가 스마트폰이나 집, 사무실, 그리고 도시의 다양한 기반(infrastructure) 시설들과 상호 통신을 하여 사물인터넷(IoT)의 일부가 되는 기술을 말한다.

마) 자동차가 스스로 배터리를 포함한 전기 시스템 전체를 점검하고 이를 사용자나 제작사에 알려 점검이나 수리를 받을 수 있도록 도와주는 추세로 기술도 발전하고 있다.

바) 배터리 이상을 감지했을 때 불이 빠르게 커지는 것을 막는 발화 지연 기술도 있다.

① 배터리 팩을 설계할 때 강도와 방수 성능을 유지하면서도 가연성 가스는 바깥으로 빠르게 배출하는 구조를 만들어야 한다.

② 배터리 셀 사이에 전력 편차가 크거나 온도가 급격하게 올라갈 경우 냉각을 강화하는 등 화재 발생을 지연시킨다.

③ 열폭주로 발생한 인화성 가스를 밖으로 배출시키면서도 배터리 팩의 모양을 유지해 전체 셀에 불이 붙는 것을 막기도 한다.

④ 내부 단락은 얼라인먼트(Alignment) 불량과 분리막 부재 등 제조 과정에 의한 것.

⑤ 단락 사고 발생 시 아크 플래시(Arc Flash) 발생 

⑦ 전기차나 ESS 화재진압에 효과적인 소화기 보급과 전기차 충전소 바닥에 스프링클러를 추가해 화재 확산을 막을 방법도 있다. 이런 소화기와 충전시설이 늘어나면 전기차 화재에 대한 불안감을 크게 줄여줄 것이다.

⑧ 차와 충전시설 외에 주차장이나 공동주택 등의 시설관리자와 사용자에 대한 전기차 안전 교육과 홍보도 필요하다.

4. 결론

최근 전기차 보급이 많아지면서 화재 발생 건수가 6년 만에 15.6배 이상 증가한 것으로 나타났다. 전기차 배터리 화재 사고는 계속 늘어나고, 앞으로도 증가할 것으로 예상되지만, 전기차 화재 통계를 분석한 결과 최초 발화점은 배터리 부분에서 53.9 %를 차지하고 있다. 현재 수준의 리튬 배터리는 화재나 폭발 위험성으로부터 안전하지 않으므로 보다 엄격한 사용, 보관 등의 관리와 사용자에 대한 안전 교육과 홍보가 필요하다. 이를 위한 검증된 해결책들이 적극적으로 도입되고, 화재 발생 시 과학적으로 원인을 규명하고, 예방대책을 세워서 안전관리에 반영하면 전기차 화재 피해가 크게 줄어들 것으로 기대한다.

참고문헌

① 전기차 화재사고 발생현황 공개 5년간 총 115건 (전용기 국회의원실 화성저널).

② 퓨즈처럼 화재 차단하는 배터리 열폭주 억제 소재 개발(LG화학).

③ 배터리 사고 방지 음·양극이 직접 만나는 단락을 막아야(한세경 경북대학교 IT대학 전기공학과 교수 http://www.kamnews.co.kr).

④ 전기차의 구조 그림(Fig.1. the structure of an electric car / All about EV-1편). 끝.

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