1. 서 론
최근 국제적 환경문제 심화와 정부의 친환경정책(eco-friendly policy) 등으로 국내에서 친환경차의 비중이 증가하고 있다. 국토교통부 자동차등록현황보고에 따르면 ‘23년말 전기차 누적등록 대수는 약 54만대에 달하며, 전년 대비 약 39.5% 증가하였다(1). 전기차 활성화 및 수요의 급증에 따라, 국내에서는 친환경자동차법 제11조의2에 따라 전기차 충전소를 배치하도록 규정하고 있으며, 고층 건축물의 밀집도가 높아 주차공간의 확보를 위해 지하주차장을 설치하는 국내 경향에 따라 전기차 충전구역 또한 지하주차장 내부에 설치되고 있다.
다수의 차량이 밀집되어 있는 지하주차장은 화재하중이 매우 높으며, 지하주차장 내 전기차에서 화재가 발생했을 때 화재 발생 차량 및 인접 차량들이 가연물이 되어 막대한 인명 및 재산 피해가 발생할 수 있다. 소방청에 따르면 ‘20년 이후부터 ‘23년 6월까지 전기차 화재 발생건수는 총 121건으로 나타났으며, 매년 화재발생 건수 및 재산피해액이 증가하고 있는 추세를 보인다(2).
현재 전기차에 주로 사용되고 있는 리튬이온배터리(lithium- ion battery, LIB)는 열폭주 시 산소 및 가연성 가스 발생으로 폭발 위험성이 높아 내연기관차에 비해 인접차량으로의 화재 전이 속도가 빠르며, 배터리의 온도 및 시간 증가에 따라 전해액의 가연성 유기용매 분출과 탄화수소 계열의 가연성 가스 및 불산 등 유해가스가 발생된다고 보고되고 있다(3-5).
이러한 위험성으로 인하여 전기차화재 및 소화에 대한 연구가 진행되고 있으며, 전기차 화재에 대한 위험성 분석을 위해 Kang 등(6)은 내연기관차, 전기차, 수소전기차에 대한 열방출율을 측정하는 등 화재 특성 연구를 수행하였으며, Blum과 Long(7)은 실물모형자동차 및 배터리팩을 이용하여 전기차의 화재대응절차 연구를 수행하였다.
Lim 등(8)은 실험을 통해 전기차 화재의 진압에 필요한 핵심 소화작용은 냉각방식으로 물 혹은 수계소화약제가 배터리 화재에 효과적이며, 전기차 화재시 실질적으로 LIB를 가장 직접적으로 냉각시킬수 있는 방법은 자동차 하부에 직접 주수하는 것이며, 물과 침윤소화약제, 포소화약제 별 LIB팩 내부의 온도감소효과는 소화약제별로 유의미한 차이를 보이지 않음을 확인하였다. 이외에도 Shin 등(9)은 지하주차장 내 전기차 화재특성 분석을 위해 지하주차장 모의 구조물 제작 및 실규모 실험을 진행하였으며, 화재성장단계에 따른 특성을 분석하였다.
또한 전기차의 화재 대응을 위한 대응장비로 상방향 방사장치, 질식소화덮개 및 이동식 소화수조 등을 제시하고 있으며, 배터리 팩의 화재진압을 위해 전기차 배터리 팩을 이용하여 열폭주를 인위적으로 발생시킨 후 배터리 하부에서 상방향 주수를 실시하여 화재진압 가능성을 확인하는 실험이 진행되었다(3).
현재 국내 지역소방본부에서는 시뮬레이션 분석 방법을 이용하여 신축되는 건축물의 전기차 전용주차구역 설치에 대한 화재안전성능 강화를 위하여 주차단위구획별 3면 방화구획 설치, 물막이판 설치 등을 요구하는 등 안전 규제를 강화하고 있는 추세이다(10,11).
하지만, 전기차 배터리의 소화 실험과 화재 시험은 전기차 및 배터리 팩에 대해 수행한 실험으로 현재 건축물에 적용된 소방시설 조건을 고려한 실규모 전기차 화재 및 소방시설물 적응성 평가 실험은 부재한 상태이다.
따라서 본 연구에서는 지하주차장 내 전기차 화재특성 분석과 소방시설물의 적응성 평가 및 하부 주수 등 추가 시설물 개발을 위해 지하주차장 모의 구조물을 제작하여 실규모 실험을 수행하였으며, 스프링클러 소화설비의 동작에 따라 전기차 화재에 대한 대응능력, 인접 차량으로의 화재 전이 차단 능력에 대해 분석하였다.
2. 실험 개요
2.1 화재실증실험 개요
본 실험은 지하주차장 전기차 충전구역에 현재 적용된 소방시설 시스템과 개발 예정인 소방시설에 따른 전기차 화재 진압 또는 지연 효과 검증을 목적으로 하며, 지하주차장 전기차 화재발생 속도 지연 및 인접차량으로 화재 전이 차단 여부를 확인하는 실험을 목표로 하였다. 실험의 결과 검증은 화재 진압(스프링클러 설비를 통해 실험 차량의 화재 소화 유무 판단), 화재 지연(온도 및 전압 측정 센서를 통한 실험 차량 배터리 팩 내부 열폭주 현상 전이 속도 지연 판단) 및 화재 전이(인접 차량 외부 및 하부 배터리 팩의 열폭주 시 온도 도달 여부 판단) 여부를 판단하여 검증하고자 한다.
2.2 실험 조건
2.2.1 실험단계 구성
본 연구에서는 2단계로 실험을 구성하였으며, 각 단계를 통해 기존 소화설비와 하부 주수 소화설비의 전기차 화재 대응능력을 평가하기 위해 Figure 1과 같이 지하주차장 목업을 제작하여 시험을 수행하였다. 기본적으로 적용한 설비는 공동주택 지하주차장에 적용되는 준비작동식 스프링클러 소화설비를 적용하였으며, 1단계에서는 기존 화재안전기준에 따른 소화설비의 대응 능력 평가를 진행하였고, 2단계에서는 주차면 하부에서 상방향 주수 장치를 추가하여 전기차 화재 대응 능력을 평가했다. 준비작동식 스프링클러 설비의 동작을 위한 감지기는 아날로그 열감지기를 사용하였으며, 하부 주수 설비 동작을 위한 감지기는 상부 스프링클러 개방시간보다 빠른 주수를 위해 광전식 연기감지기를 사용하였으며, 실험 단계별 구성 및 전기차 제원은 Tables 1 및 2와 같다.
Table 1
Test Configuration
2.2.2 전기차 충전구역 소방시설 시스템 구성
상부 스프링클러는 현재 공동주택에 적용된 시스템과 동일하고, 상부 배관에 주차면 별로 하부 스프링클러 배관을 분기(하부 1열로 구성)하였다. 하부 주수 밸브는 주차면 별로 분기된 하부 스프링클러 배관에 전자식 개폐밸브를 설치하였다. 배터리 하부 주수용 배관에는 개방형 헤드를 사용하였으며, 상방향 주수용 헤드로 인증받은 제품이 현재 존재하지 않아 배터리 팩의 면적을 고려하여 분사각이 넓은 일반 개방형 헤드를 시범적으로 적용하였다. 각 단계별로 실제 환경과 유사한 환경을 적용하기 위해 스프링클러설비의 화재안전성능기준에서 제시하고 있는 최종 말단에 있는 스프링클러의 압력이 0.1 MPa 이상이 되도록 펌프 압력을 설정하여 시험을 수행하였다. 감지기는 기존 아날로그식 열감지기를 적용하였고 화재 신호에 따라 방화구획의 준비작동식 밸브가 개방된다. 연기 감지기는 주차면 별로 설치 하고 전자식 개폐밸브와 연동하여 화재로 인한 연기감지기 동작 시 해당 주차면의 전자식 개폐밸브를 개방하여 하부 주수가 진행된다. 각 단계별로 적용한 전기차 소방 시스템 구성 및 작동 프로세스는 Figures 2 및 3에 나타내었다.
1단계 실험의 소방시설은 기존 공동주택에 적용된 시설물 그대로 구성하였고, 이는 기존 방식의 소방시설인 상부 스프링클러만으로 전기차 화재에 대한 대응 능력을 판단하고자 하였다.
열폭주 차량은 전기차 1대이며 좌우측에 위치시킨 인접차량은 내연기관 자동차 2대를 배치하여 차량 간 화재 전이 여부 등을 확인하고자 하였다. 2단계 실험의 소방시설은 기존 공동주택에 적용된 상부 스프링클러와 하부에 1열 상방향 주수 설비를 추가하여 구성하였고, 이는 하부 1열 주수의 소화 능력을 판단하고자 하였다. 열폭주 차량과 인접 차량은 1단계 실험과 동일하며, 하부에는 개방형 스프링클러(헤드 3개)를 적용하였다.
전기차의 배터리 팩의 이상상태로 인해 화재가 발생되도록 하기 위해 배터리 팩 내부에 있는 셀에 대해 인위적으로 열폭주를 발생시켰다. 셀의 열폭주를 유도시키기 위해 히팅 패드를 이용하여 셀의 온도를 상승시켰으며, 배터리의 열폭주가 발생될 때까지 전원(최대 150 W)을 인가하였다.
2.3 실험 측정 사항
본 연구에서는 지하주차장 전기차 충전구역 내에서 전기차의 화재 발생으로 차량간 화재 전이 차단 효과를 분석하기 위해 열폭주 발생 차량의 인접차량 문짝과 바닥면에 온도센서를 부착하였으며, 전기차 배터리 팩 내부의 화재 지연 효과를 분석하기 위해 배터리 팩 내부에 온도 센서를 부착하여 특성을 분석하고자 하였다. 위치별 센서 부착 위치는 Figure 4에 자세히 나타내었다.
3. 실험 결과
3.1 1단계 실험결과
1단계 실험은 Figure 2(a)과 같이 기존 설비에 대한 전기차 화재 대응 능력을 평가한 실험으로, 온도 측정 결과는 Figure 5에 나타내었다.
측정결과, 열폭주 현상은 약 23 min간 지속되었으며 온도 데이터 및 배터리 팩의 분해 관찰(Figure 6(b))을 통해 전기차 배터리 팩은 전소한 것을 확인하였다. 본 연구에서는 열폭주 발생 여부에 대한 판단 조건은 온도 상승 조건(12)을 기반으로 판단하였다. 스프링클러 헤드는 전기차 직상부에 설치된 두 개(SP2, SP5)가 개방되었으며, 개방 시점은 가스 분출 발생 6 min 56 s 후에 최초로 개방되었으며, 아날로그 열감지기의 동작 기준으로는 약 1 min 30 s 후에 개방되었다. 프리액션 밸브 및 스프링클러 헤드가 개방된 시점에 전기차 배터리 팩 C, D라인(Figure 6(b)) 배터리 모듈은 열폭주 현상이 진행 및 확산 중이었으며, A, B 라인의 배터리 모듈은 온도가 상승하고 있었으나, 대부분 100 ℃ 이하를 유지하고 있었다. 해당 실험 중에 발생한 주요 상황에 대한 사진을 Figure 7에 나타내었다.
열폭주 차량 상부에 위치한 2개의 스프링클러 헤드 개방 이후에도 전기차 배터리 팩의 열폭주 현상 확산은 지속적으로 진행되었으며, 차량의 내부 온도 또한 일시적으로 하강 후 지속적으로 상승한다는 점에서 상부 스프링클러를 통한 주수가 전기차 화재 발생 시 차량 하부에 있는 배터리의 열폭주 현상을 지연하거나, 차단하는 데에는 어려움이 있는 것으로 판단된다. 이런 배터리 열폭주 현상 지연 및 차단의 어려움은 전기차의 구조적인 특성상 배터리가 차량의 하부에 배치되어 있으며, 소화수가 배터리 하우징 내부의 화원으로 적절히 침투하지 못함에 기인한 것으로 판단된다.
인접 차량에 대한 화재 전이 여부 판단을 위하여 좌측, 우측 차량의 앞문, 뒷문 및 차량 하부에 열전대 설치 및 온도 데이터를 측정하였다. 열폭주 차량의 열폭주 현상 발생에 따라 열폭주 차량 우측 도어 RD 측정 온도는 219.2 ℃까지 상승하는 것으로 나타났으며, 스프링클러 헤드 개방에 따라 40 ℃ 이하까지 온도가 떨어졌다가 온도가 다시 상승한 후 80 ℃ 이하로 유지되는 것을 확인하였다. 헤드로부터 살수된 물이 화재로 발생한 열을 차단하여 Figure 6(c)와 같이 인접 차량에 일부 도장면 손상은 발생하였으나 화재 전이는 차단하였다. 인접 차량의 하부 온도는 최대 38.1 ℃까지 상승하였으나, 전기차라고 가정하였을 때에도 인접 차량에서 열폭주 발생 가능한 온도에 도달하지 않은 것으로 판단된다.
3.2 2단계 실험결과
2단계 실험은 Figure 2(b)와 같이 기존 설비에 하부 1열 주수를 추가한 설비에 대한 전기차 화재 대응 능력을 평가한 실험이다. 2단계 실험 결과 Figure 8과 같이 열폭주 현상은 약 29 min간 지속되었으며, 1단계 실험 대비 약 7 min 더 열폭주 현상이 지속되었다. 배터리 팩의 일부 모듈은 열폭주를 일으켰다고 판단하기에 충분한 온도에 도달하지 않았으며, 온도데이터 분석 및 육안 관찰 결과(Figure 9(b)) 전소하지 않은 것으로 판단된다.
하부 스프링클러 헤드는 광전식 연기감지기 동작에 따라 3개의 주차칸 모두 개방되었으며, 상부 스프링클러 헤드는 전기차 직상부에 설치된 SP2, SP5에서만 개방되었다. 개방시점은 가스 분출 4 min 13 s 후에 최초로 개방되었고, 아날로그 열감지기의 동작 약 1 min 21 s 후에 개방되었다. 프리액션 밸브 개방 및 하부 주수 스프링클러 헤드가 개방된 시점에 전기차 배터리 팩 C, D 라인의 배터리 모듈 중 일부 모듈들에서만 열폭주 현상이 진행 중이었으며, A 라인의 배터리 모듈은 100 ℃ 이하의 온도를 유지하고 있었다. 온도 데이터 분석 및 배터리 팩 분해 결과 배터리 팩의 A, B 라인의 일부 배터리 모듈에서 열폭주 현상이 발생하지 않은 것을 확인하였으며, 열폭주 전이 현상이 지연됨을 확인하였다. 2단계 실험을 통해 하부 1열 주수를 추가할 경우 화재 시 전기차 배터리 팩 내부 열전이 현상의 지연 및 방지하는 데 일부 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 1단계와 동일하게 인접 차량에 대한 화재 전이 여부 판단을 위하여 좌측, 우측 차량의 앞문, 뒷문 및 차량 하부에 열전대 설치 및 온도 데이터를 측정하였다. 전기차의 열폭주 현상 발생에 따라 열폭주 차량 우측 인접 차량 도어 RD 측정 온도는 229.8 ℃까지 상승했으며, 스프링클러 헤드 개방에 따라 약 30 ℃ 이하까지 온도가 하강하여 유지되는 것을 확인하였다. 좌측 인접 차량 도어 LD는 스프링클러 헤드 개방 전 57.5 ℃로 최대 온도가 측정되었으며, 소화수 주수 이후 약 30 ℃ 이하로 온도가 하강하여 유지되었다.
열폭주 차량 상부 스프링클러 헤드 2개가 개방되었으며, 헤드로부터 살수된 물이 열을 차단하여 인접차량의 일부 도장면 손상(Figure 9(c))이 발생하였으나, 화재 전이는 차단되었음을 확인하였다. 2단계 실험 중에 발생한 주요 상황에 대한 사진을 Figure 10에 나타내었다.
3.3 적용 시설에 따른 전기차 화재 특성
본 논문에서 전기차 배터리 팩 내부 화재 지연 여부 판단 인자는 전기차 배터리 팩 열폭주 지속시간과 육안 관찰 상 배터리 팩을 구성하고 있는 모듈의 화재 여부이다. 이때 열폭주 지속시간은 최초 열폭주 발생시점부터 마지막 열폭주가 발생한 시점까지의 시간을 의미한다.
전기차 배터리 팩의 열폭주 전이율은 Table 3과 같이 1단계에서는 전체 모듈에서 열폭주 전이가 발생하였으며, 2단계에서는 약 50% 모듈에서 열폭주 전이가 발생함을 확인하였다. 해당 결과는 국립소방연구원에서 실시한 상방향 주수 방사장치를 이용한 전기자동차 화재진압 실증실험(3)에서 나타난 하부주수 효과와 유사한 결과가 도출됨을 확인하였다.
Table 3
Battery Condition After Fire, Thermal Runaway Duration
전기차 배터리 팩 열폭주 지속 시간은 Table 3과 같이 하부 주수를 실시한 2단계가 1단계보다 약 26% 길어짐을 확인하였다. 이는 하부 주수를 통해 배터리 팩을 냉각시키면서 모듈간의 열폭주 전이를 지연시켜 열폭주 지속 시간이 길어진 것으로 판단된다.
차량간 화재 전이 차단 여부 판단 인자는 인접 차량 화재 전이 육안 관찰과 영상 데이터를 통한 전이 여부 측정이다. 모든 단계에서 인접 차량으로의 화재 전이 차단은 성공하였으나 인접 차량의 일부 도장면 손상은 발생하였다.
4. 결 론
본 연구는 지하주차장 전기차 화재에 대한 상부 및 하부 주수 스프링클러 설비의 적응성 및 각 구성 시스템의 효과성에 대해 분석하는 것으로, 기존 건축물에 적용된 소방시설 조건을 고려하여 총 2단계에 걸쳐 전기차 화재에 대한 소화 실험을 수행하였다. 실험 결과는 다음과 같다.
1) 상부 주수 스프링클러 설비를 고려한 1단계 실험 결과, 상부 주수 스프링클러가 작동한 이후로 인접차량의 앞문 및 뒷문 온도가 80 ℃ 이하, 인접차량 하부 온도 38.1 ℃ 이하를 유지함을 확인하였으며, 상부 주수 스프링클러를 통해 전기차 화재 발생 시 전기차 배터리 화원에 대한 직접적인 주수 소화는 어려우나, 인접 차량으로의 화재 전이 차단을 확인하였다.
2) 상부 및 하부 주수 스프링클러 설비를 고려한 2단계 실험 결과, 스프링클러가 작동한 이후 인접차량의 측면 온도 및 하부 온도가 약 30 ℃ 이하로 유지함 확인하였으며, 하부 주수 스프링클러를 통해 전기차의 배터리 팩 열폭주가 약 50%만 이루어졌으며, 열폭주 지속 시간을 지연시킬 수 있음을 확인하였다.
향후에는 인접 차량의 피해를 더 줄이기 위해 스프링클러의 조기 개방을 위한 소화시스템에 대한 연구를 진행할 예정이며, 다양한 차량에 대한 적용성 여부 분석 및 실질적으로 사용가능한 소방시설 개선을 위한 비용편익을 분석할 예정이다.
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