1. 서 론
최근 ｢환경친화적 자동차의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률｣과 ｢주택건설기준등에 관한 규칙｣의 개정으로 건축물 내 전기차 전용주차구역의 설치가 의무화되었으며, 전기자동차의 이동형 충전기 콘센트 설치 개수는 7%에서 2025년부터 10%로 확대될 예정이다. 전기차 전용구역 및 충전시설의 주요 설치대상은 공공건물 및 공중이용시설, 공동주택 등이며 국내 건축물의 경우 도심지의 환경적 요인으로 인하여 주로 지하주차장 내 설계되고 있다. 하지만 국내의 경우 2019년 8월 세종시에서 발생한 화재 사고를 최초로 건축물 내 지하주차장에서의 전기차 화재사고가 매년 발생하고 있으며(1), 전용주차구역 설치에 따라서 지하주차장 내 전기차뿐만 아니라 충전시설까지 설치되기 때문에 지하주차장 화재와 관련된 안전성에 문제가 제기되고 있다.
지하주차장은 실외공간 화재와 비교하여 차량이 밀집된 상태로 주차되어있으며, 건축물 내 인접 가연물로 화재가 확산될 위험성이 있다(2,3). 또한, 지하주차장의 공간적 특성상 밀폐공간의 구조로 설계되어있어 화재 발생 시 고온의 열기류가 누적되며, 열기류에서 방사되는 복사열 및 대류열에 의하여 차량의 화재 전파 속도가 증가할 가능성이 있다(4). 특히 전기차의 경우 내연기관차와 비교하여 에너지밀도가 높은 리튬이온배터리(lithium-ion battery, LIB)가 배터리 팩 내부에 기밀하게 보관되어 있으며, 배터리 팩 내부 셀의 열폭주에 의한 화재 발생 시 가연성 가스 방출 및 재발화로 인하여 비교적 화재 진압이 어렵다고 보고되기 때문에(3,5-7) 지하주차장 내 전기차 화재와 관련하여 대응방안 및 화재특성 분석에 관한 연구가 시급하게 요구되고 있다.
이에 부산소방본부(8)는 신축되는 건축물의 전기차 전용주차구역 설치에 대한 화재안전성능 강화를 위하여 ‘전기차 전용주차구역 소방안전가이드’를 배포하였으며, Figure 1과 같이 건축물 내 충전 중인 전기차에 화재가 발생하였을 때 피해를 최소화하기 위한 전기차 전용주차구역의 설치기준 및 소화설비 설계 방안 등을 제시하였다. 또한, Kang 등(5)은 전기차, 수소차 그리고 내연기관차에 대하여 실규모 실험을 통한 차량 내부 및 주변의 온도 변화, 열유속 등을 분석하였으며, 화재 성장에 따른 질량 변화와 산소소모법을 사용하여 산출된 열방출률을 통하여 해당 조건에서 전기차의 평균 유효연소열(heat of combustion)을 제시하여 개방조건에서 전기차 화재 특성에 관한 정량적 연구를 수행하였다. 이외에도 국내⋅외에서 전기차 화재와 관련하여 대응방안, 위험요소, 화재특성 등에 대한 연구가 활발히 수행되고 있지만, 지하주차장과 같은 밀폐 공간 내에서 전기차 화재특성 및 지하주차장 내 누적된 열기류에서 방사되는 열적 조건에 대한 실험적 연구가 추가적으로 필요한 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 지하주차장 내 전기차 화재특성 분석을 위해 지하주차장 모의 구조물을 제작하여 실규모 실험을 수행하였으며, 화재성장단계에 따라서 배터리 팩과 지하주차장 공간 내 온도 변화 및 열유속 그리고 열방출률을 정량적으로 분석하였다.
2. 본 론
2.1 지하주차장 모의 구조물 준비
국토교통부령 제 1157호 ｢주차장법 시행규칙｣에 따르면, 주차단위구획의 너비와 길이는 일반형의 경우 각각 2,500 mm와 5,000 mm 이상, 확장형의 경우 각각 2,600 mm와 5,200 mm 이상으로 규정되어 있으며, 지하주차장의 구조 기둥들 사이에는 일반적으로 3면의 주차구획이 설계된다. 따라서, 본 실험에서는 Figure 2(a)과 같이 지하주차장의 일부 공간을 모의하기 위하여 보편적인 차량의 너비 1,900 mm와 주차된 차량들 간 문 개방 공간 600 mm를 고려하였으며, 너비 2,500 mm 및 길이 5,000 mm인 주차단위구획 3면의 공간을 모의하도록 설계하였다. 높이의 경우, ｢주택건설기준 등에 관한 규칙｣에 따르면 2019년 이전 구축 건물의 경우 2,300 mm 이상, 개정 이후에는 2,700 mm 이상으로 규정하고 있으며, 이를 고려하여 구조물 공간의 내측 높이를 2,300 mm로 설계하였다. 또한, 4면의 옆면들 중 2면에만 내화석고보드를 이용한 모의 벽체를 설치하여 열린 2면 방향으로 주차장이 확장됨을 가정하였다.
실외 화재와 다르게 구획 화재는 천장에 의하여 기류의 확산이 제한되므로 구획 상부에 열기류(fire plume)가 누적되는 경향이 나타난다. 고온의 열기류에서 방사되는 복사열 및 공간 내 열기류 대류 거동으로 인한 대류열은 구획 내 가연물을 추가적으로 가열하게 되므로 구획 화재의 열적 조건은 실외 화재보다 더 가혹한 경향을 보이며(4), 지하주차장과 같은 부분 밀폐 공간에서 화재 발생 시 동일한 경향이 나타날 것으로 예상된다. 따라서 본 실규모 화재실험에서는 이러한 경향을 최대한 구현하기 위하여 Figure 2(a)에서 보이는 것과 같이 1,000 mm 높이의 스커트를 천장에 매달아 열기류가 구획 상부에 누적될 수 있도록 설계하였다. 또한, 구조물의 상부 모서리 부분에는 약 1,200 mm2 면적의 개구부를 통하여 연소 가스가 배출되어 10 MW급 콘칼로리미터(cone calorimeter) 후드로 흡입될 수 있도록 설계함으로써 산소소모법(oxygen consumption method)을 이용한 열방출률(heat release rate, HRR) 산출이 가능하도록 설계하였다.
Figure 2(b)과 같이 실험 차량 바로 윗 천장 부위의 열기류 온도를 측정하기 위하여 구조물에 6개의 열전대(TC_GB, GW, GR, GCRW, GFW and GRW)를 설치하였으며, 실험 차량 주변의 구조물 혹은 주변 차량에 가해질 열유속을 측정하기 위하여 3개의 열유속계(HF_FD, RD and R)를 석고보드 벽면에 설치하였다. 각 위치 별 플래시오버(flashover) 발생 가능 시점을 파악하기 위하여 각 주차 공간의 바닥에 측정면이 천장 방향을 향하도록 열유속계(HF_1, 2, 3, 4 and 5)를 설치하였다. 이는 구획 내 플래시오버 발생 예상 시점을 구획 바닥면에서의 열류량이 약 20 kW/m2에 도달한 시점으로 판단하는 화재공학 관점에 기반하고 있다(9,10). 실험 차량은 Figure 2(b)와 같이 구조물의 두 벽면이 맞닿는 모서리 근방에 위치한 1면(Area 0)의 주차구획 내에 주차하였으며, 차체의 외부면과 후방 및 측방 벽면과의 거리는 각각 300 mm, 800 mm로 설계하였다.
2.2 실험 차량 준비
Figure 3(a)는 실험 차량 주변에 배치한 열전대 및 열유속계의 위치를 나타내고 있으며, 이 센서들은 Figure 2(a)에서 보이는 구조물에 설치되어 있다. 실험 차량은 전장 4,635 mm, 전폭 1,890 mm, 전고 1,605 mm 그리고 공차중량 약 1,920 kg 이상의 제원으로 전기차 전용 플랫폼에서 생산된 5도어 스포츠유틸리티 battery electric vehicle (BEV) 모델을 사용하였다. Figure 3(b)는 LIB 팩 내부 모듈의 배치와 전기 발열 시트 그리고 열전대의 위치를 나타내었다. LIB 셀의 열폭주를 구현하기 위하여 전기 발열 시트(90 x 65 mm, 575 W)를 모듈 8의 한쪽 끝 단에 위치한 셀의 노출 표면에 부착하였다. LIB 팩의 금속 외함(housing) 내부에 위치한 셀에 발열 시트를 부착하기 위하여 실험 차량의 차체로부터 LIB 팩을 탈거하고 팩 외함의 상부 덮개를 개방하였으며, 다시 역순으로 조립하였다. 본 실험의 BEV LIB 팩의 경우 2개의 셀이 병렬로 연결되어 1개의 어셈블리를 구성하고 직렬로 연결된 6개의 어셈블리들이 1개의 모듈, 직렬로 연결된 30개의 모듈이 한 개의 팩을 구성하며, 자세한 차량 및 배터리팩의 제원은 Table 1과 같다. 또한, LIB 팩의 금속 외함 상부 및 하부 표면의 온도 변화를 분석하기 위하여 Figure 3(c)과 같이 열전대를 부착(TC_PTF, PTC, PTR, PBF, PBC, and PBR)하였다.
Table 1
Specification of the Battery Electric Vehicle and its Lithium-ion Battery Pack
3. 지하주차장 내 BEV 화재의 전개 양상
Figure 4는 본 실험에서 관찰된 지하주차장 내 BEV 화재의 전반적인 거동을 시간의 경과에 따라 정리한 흐름도로써, 실험 중에 관찰된 주요 사건들과 이들을 기점으로 구분한 구간(stage)은 다음과 같다:
가열 구간(Stage A): 리튬이온배터리(LIB) 셀의 가열이 시작된 시점(Event 1)으로부터 최초 열폭주가 발생한 시점(Event 2)까지의 시간(약 8 min 24 s);
가스배출 구간(Stage B): 회색의 가연성 가스가 점화없이 배출된 시간(약 13 min 3 s);
화재 성장 및 플래시오버 구간(Stage C): 가연성 가스의 최초 점화 및 폭연 현상이 관찰된 시점(Event 3)에서부터 지하주차장 내 모든 공간에서 플래시오버 조건이 충족된 시점(Event 4)까지의 시간(약 3 min 47 s);
화재 최성기(Stage D): 플래시오버 조건이 충족된 시점부터 BEV 화재의 열방출률이 크게 감소한 시점(Event 5)까지의 시간(약 8 min 45 s);
화재 감쇄기(Stage E): 지하주차장 내 BEV 화재가 서서히 사그러드는 시간.
3.1 가열 구간(Stage A)
본 연구에서는 BEV의 배터리 팩 내부에서 LIB 셀의 내부 손상에 따라 열폭주가 발생하는 시나리오를 구현하기 위하여 Figure 3(b)에서와 같이 모듈 8을 구성하고 있는 셀의 한쪽 표면에 전기 발열 시트를 부착하여 전기를 인가하였다(Event 1). 이 가열 작업의 목적은 LIB의 열폭주 유발이었으므로 발열 시트의 가열 속도는 특별히 고려하지 않았다.
3.2 가스배출 구간(Stage B)
Figure 5(a)는 시간에 따른 가열면의 온도와 LIB 팩 외함의 온도 변화를 보여주며, 그래프 상단의 숫자와 화살표는 각각 Figure 4에서 설명한 주요 사건들과 이들이 발생한 시점을 표시하고 있다. Figures 5(b)-5(c)는 가스 배출 구간 내 주요 사건 발생 시점에서의 현장 상황을 보여주고 있다. Figure 5(b) 내 노란색 원으로 표시된 부분에서 보이는 바와 같이, 8 min 24 s 시점(Event 2)에 LIB 팩 부위에서 회색의 가스가 최초로 관찰되었다. Figure 5(a)에서 가열면의 온도(검은색 점)가 약 205 ℃에서 400 ℃ 이상으로 급격하게 증가하는 것으로 보아, 이 시점에 LIB 셀의 열폭주가 최초로 발생하였음을 알 수 있으며, 이러한 현상으로 인하여 외부에서 가스가 관찰된 것으로 이해할 수 있다. 이렇게 발생된 가연성 가스는 Figure 5(c)과 같이 지하주차장 모의 구조물의 천장 아래에 약 13 min 3 s 동안 축적되었다.
3.3 화재 성장 및 플래시오버 구간(Stage C)
가열 시작 후 21 min 28 s가 지난 시점(Event 3)에는 Figure 6(a) 내 노란색 원으로 표시된 부분과 같이 가연성 가스의 점화가 최초로 관찰되었다. 이 시점에서는 Figure 6(b)과 같이 지하주차장 모의 구조물의 천장 아래 누적된 가연성 가스가 거의 동시에 점화되면서, Figure 6(c)에서와 같이 연기가 아음속(subsonic)의 속도로 외부 방향으로 분출되는 폭연(deflagration) 현상이 나타났다(11). 폭연 현상은 화염전파 속도가 음속보다 낮은 폭발(explosion)을 의미하며, 공간 내 국부적으로 연소된 가스가 가열 및 팽창하면서 연소되지 않은 가스를 공간 외부로 배출시킨다(12). 이는 지하주차장 내 BEV 화재사고 시에만 발생이 가능한 매우 특이한 현상이며, 그 이유는 일반적으로 지상주차장, 야외공간 등에서는 가스가 누적되지 않으므로 이러한 현상이 발생하지 않는다. 또한, 동일한 반밀폐 조건이라고 하더라도 내연기관 차량의 화재에서는 천장에 누적되는 연기의 대부분이 연소 생성물이며, 가연성 가스가 아니기 때문에 이러한 현상이 발생할 확률이 매우 낮다.
Figure 7(a)는 시간에 따른 천장 제트 기류(ceiling jet flow)의 온도 변화를 보여준다. 폭연 현상이 발생(Event 3)한 직후, 지하주차장 내 천장부의 가스 온도가 600 ℃ 이상으로 매우 빠르게 증가했으며, K타입 열전대의 측정한계치인 1,260 ℃를 기록하기도 했다. 이러한 결과를 기반으로 지하주차장 모의 구조물 내 열적 조건이 플래시오버에 도달한 것으로 이해할 수 있다. 플래시오버 현상이란, 구획 화재에서 천장 하부에 형성된 고온의 가스층으로부터 방사되는 복사열에 의해, 구획 내부에 존재하는 거의 모든 가연물이 동시에 연소하는 상태를 의미하며, 짧은 시간 내에 최성기 화재로 확대된다(13,14). 이 조건은 구획공간 내 천장부의 온도가 약 600 ℃에 도달하거나, 바닥에 입사되는 열유속이 약 20 kW/m2에 도달하였을 때 형성된다고 보고되고 있다(9,10). Figure 7(b)는 구조물 내 구역별 바닥 높이에 설치한 열유속계를 통해 측정한 값을 보여주고 있다(Figures 2(a)와 2(b) 참고). 각 주차구역 별 열유속 측정값에 따르면, 5개의 구역별 플래시오버 조건 도달 시점은 각각 21 min 25∼31 s (Area 1), 22 min 55 s (Area 5), 22 min 55∼58 s (Area 4), 23 min 6∼19 s (Area 2), 23 min 22∼24 s (Area 3) 순으로 파악되었다.
3.4 화재 최성기(Stage D)
플래시오버 구간 이후, BEV 화재는 최성기에 도달하였으며, 이 구간에서 천장 제트 기류의 온도는 Figure 7(a)에서 보이는 바와 같이 1,000 ℃ 이상을 유지하였다. Figure 8은 시간에 따른 HRR의 변화와 동일한 시간에 BEV 근접 위치하여 설치된 열유속계를 통하여 얻어진 측정값(HF_FD, HF_RD and HF_R)을 보여준다. 최성기 구간에서의 최대 HRR은 27 min 52 s에 6.04 MW로 나타났으며, 반밀폐 공간 내부에서의 최대 열유속은 225 kW/m2 이상의 매우 높은 수치를 기록하였다. 이러한 열유속 수치는 기존 연구에서 수행한 개방조건의 BEV 화재확산 실험결과와 비교하여 약 2배 이상 높은 결과가 나타났다(5). 참고로, 본 실험에서는 정확한 HRR 측정을 목적으로, 구조물의 상부 모서리 부분에 약 1,200 mm2 면적의 개구부를 만들고, 연소 생성물들이 칼로리미터 후드 안으로 가능한 한 모두 흡입될 수 있도록 구조물의 개구부를 후드 중앙축 선 상에 위치시켰다. 하지만 화재 최성기 구간에 예상보다 더 많은 양의 연소 가스가 발생하면서, 의도치 않게 스커트 하부로도 가스 배출이 진행되었고, 이 가스들이 후드로 제대로 흡입되지 못하는 상황이 발생하였다. 이에, 본 연구에서 측정된 BEV 화재의 HRR 값은 과소 평가되었다고 할 수 있다.
3.5 화재 감쇄기(Stage E)
가열을 시작한 후 약 34 min이 지난 시점부터는 Figure 8에서 보이는 바와 같이 BEV 화재의 HRR이 빠르게 감소하면서 감쇄기에 도달하였다. 실험은 약 90 min에 종료되었고, 이 시점에 구획 내부 천장 부위의 평균 온도는 약 121.5 ℃를 유지했다.
4. 지하주차장 BEV 화재의 특징
지하주차장에서의 BEV 화재 거동에서 가장 특이했던 점은 예상치 못했던 폭연 현상의 발현이었다. 이 현상은 가연성 가스층이 점점 누적됨으로써 발생하기에 개방 공간에서는 발현되기 어렵다. 뿐만 아니라, 동일한 반밀폐 공간이더라도 내연기관차 화재 사고에서는 발현될 확률이 매우 낮은 것으로 판단되며, 이는 적층된 가스의 종류가 가연성 가스가 아닌 연소 생성물이기 때문이다. Figure 9는 폭연현상이 발현되기 직전과 직후의 현장 상황을 보여준다. BEV의 최초 발화는 Figure 9(a)에서 보이는 것처럼 BEV 하부 LIB 팩 부위에서 작은 스파크가 발생함과 동시에, BEV 승객석 내부에서 발생하였음을 확인할 수 있었다. 이는 LIB의 열폭주로 인해 생성된 가연성 가스들이 승객석 내부 공간을 거쳐 천장 하부에 점차 누적되고 있다가, 작은 스파크를 시작점으로 발화가 빠르게 상부로 확산되었다고 유추해볼 수 있다. 마이크로초가 흐른 후, Figure 9(b)에서 보이는 것처럼 천장에 누적된 가스층이 거의 동시에 발화되었다. 이와 동시에, Figures 9(c)-9(h)에서 순차적으로 보이는 바와 같이, 발화로 발생한 강력한 압력이 구획 내부의 가스층을 외부 방향으로 빠르게 밀어내면서 폭연이 구현되었다.
폭연 발생 이후, BEV의 천장 및 윈도우 부위의 가연물들(외부 도장면, 윈도우 실링 등)은 Figure 10에서 보이는 것처럼 1,000 ℃ 이상의 가스층(Figure 7(a) 참고)에서 발산하는 복사열의 영향으로 빠르게 열분해되고 발화되기 시작했으며, 이러한 열적 조건으로 인하여 BEV 내에 존재하는 모든 가연물이 빠르게 연소하였다. 본 실험의 지하주차장 공간 내에서 진행된 BEV 화재는 발화에서부터 최성기 구간(i.e., Stage C∼D)까지 약 12 min 30 s가 걸린 반면에, 개방 공간에서의 BEV 화재에서는 약 20 min 30 s가 걸렸다(5). 즉, 지하주차장 내 BEV 화재는 개방 공간에서의 화재에 비해 가혹도 혹은 집중도가 높고 연소 시간이 짧다는 특징을 유추할 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 지하주차장 내에서 BEV 배터리 셀 열폭주 발생에 따른 화재 확산 특성을 화재성장 단계에 따라서 분석하였다. 이를 위해서 실규모 지하주차공간을 모의하여 배터리 팩, 차량 상부 그리고 각 주차영역 별 열전대와 열유속계를 설치였으며, 본 실험의 조건하에 다음과 같은 결과를 도출하였다.
첫째, 최초 열폭주는 LIB 셀에 부착된 가열면의 온도가 약 205 ℃에 도달하였을 때 발생하였으며, 배터리팩 외부로 가스가 방출되어 지하주차장 내 고온의 가연성 가스가 축적되는 현상이 관찰되었다.
둘째, LIB 팩 주위에서 스파크가 발생됨과 동시에 지하주차장 내 가연성 가스와 차량 내부 가연물이 순식간에 연소되며 폭연 현상이 발현되었으며, 이때 지하주차장 내 천장 제트 기류의 온도가 600 ℃ 이상으로 빠르게 상승하였다. 이후 화재가 성장함에 따라서 천장부의 온도는 열전대의 측정한계치인 1,260 ℃, 모든 주차영역으로 입사되는 열유속은 20 kW/m2 이상으로 나타났으며, 플래시오버 조건에 도달하는 결과가 나타났다.
셋째, 최성기 단계에서 지하주차장 천장부의 평균 온도는 약 1,000 ℃ 이상 유지하였으며, BEV의 측⋅후방의 벽면으로 최대 225 kW/m2 이상의 열유속이 입사되는 것을 확인하였다. 이는 개방조건의 BEV 화재 확산 실험 결과와 비교하여 입사되는 열유속이 약 2배 이상 높은 결과가 나타났다.
이러한 결과를 통하여 내연기관차량이나 개방 공간의 전기차 화재와 비교하여 지하주차장 화재에서 가장 큰 위험요소는 리튬이온배터리로부터 발생하는 고온의 가연성 가스가 반밀폐된 공간에 축적되었다가 배터리 팩 외부로 분출되는 스파크가 발생함과 동시에 점화되면서 순간적으로 매우 가혹한 열적 환경을 만들어낸다는 사실이다. 이로 인하여 플래시오버 현상과 같이 주변의 가연물이 동시에 발화될 위험성이 있으며, BEV를 구성하는 모든 가연물의 연소 속도가 빨라질 가능성이 높다.
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