전기차 화재 대응을 위한 수계 소화시스템의 실규모 소화 실험
Full-Scale Fire Suppression Experiment of a Water-Based Extinguishing System for Electric Vehicle Fire Response
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Abstract
요 약
정부의 온실가스 저감 및 미래 신산업 육성 정책에 따라 국내 전기차 보급이 지속적으로 확대되고 있다. 2024년 7월 기준 등록된 전기차는 총 62.1만 대이며, 2023년 기준 차량 1만 대당 화재 발생 건수는 1.32건으로 보고되었다. 본 연구에서는 전기차 화재 대응을 위한 기본 소방시설인 스프링클러와 하부 주수 시스템의 화재 진압 및 제어 성능을 검증하기 위해 2단계 실험을 수행하였으며, 선행연구에서 적용하지 않은 하부 2열 주수 시스템과 배터리 타입이 다른 전기차도 대상으로 하였다. 1단계에서는 파우치형 배터리를 장착한 국산 전기차에 상부 스프링클러와 하부 2열 주수 시스템을, 2단계에서는 원통형 배터리를 장착한 외산 전기차에 상부 스프링클러와 하부 1열 주수 시스템을 적용하였다. 실험 결과, 1단계에서 배터리 손실률은 약 30%였으며, 2단계에서는 100%에 도달했다. 다양한 실험 조건에 따라 배터리 팩의 열폭주 지속 시간, 손실률, 인접 차량으로의 화재 확산이 영향을 받았지만, 상부와 하부 수계 소화시스템을 사용하여 배터리 팩을 냉각함으로써 열폭주를 지연시키고 화재 확산을 효과적으로 차단할 수 있었다. 특히, 하부 주수 시스템은 배터리 셀 타입에 따라 열폭주 지속 시간과 소화 성능에서 차이를 보임을 확인했다.
Trans Abstract
ABSTRACT
The distribution of electric vehicles (EVs) in South Korea continues to expand owing to government policies aimed at reducing greenhouse-gas emissions and fostering future industries. As of July 2024, 621,000 EVs were registered, with 1.32 fire incidents reported per 10,000 vehicles in 2023. A two-stage experiment was conducted to verify the fire suppression and control performance of the sprinkler and undercarriage sprinkling systems, which are the basic fire safety facilities for responding to EV fires. The experiment also targeted EVs with different battery types and included a lower two-line sprinkling system, which was not used in previous experiments. In the first stage, a domestic EV equipped with pouch-type batteries was tested using the upper sprinkler and lower two-line sprinkling system. In the second stage, a foreign EV equipped with cylindrical batteries was tested using the upper sprinkler and lower one-line sprinkling system. The results showed that in the first and second stages, the battery loss rates were approximately 30%, and 100%, respectively. Although various experimental conditions affected the thermal runaway duration, loss rate, and fire spread to adjacent vehicles, cooling the battery pack using both the upper and lower water-based extinguishing systems delayed thermal runaway and effectively prevented the spread of fire. Notably, the lower sprinkling system showed differences in thermal runaway duration and fire-suppression performance depending on the battery cell type.
1. 서 론
온실가스 저감 및 미래 신산업 육성 등을 위한 정부의 정책 지원에 힘입어, 국내 전기차 보급이 지속적으로 확대되고 있다. ’24년 7월 현재 등록된 전기차는 62.1만대로, 전체 차량의 2.3%를 차지하며, 이 중 전기승용차는 47.6만 대, 전기화물차는 13.5만 대, 전기승합차는 0.9만 대이다. 연도별 누적 등록 대수는 ’20년 13.5만 대, ’21년 23.1만 대 ’22년 39.0만 대, ’23년 54.4만대, ’24년 7월 현재 62.1만 대에 달한다. 전기차 등록대수 증가와 함께 충전기도 증가하여, 현재 전국적으로 37.4만 기가 설치되어 있다(1).
전기차 화재는 주로 배터리 외부 충격, 충전 오류, 리튬이온 배터리의 충전 반복으로 인한 수상돌기(dendrite) 형성에 따른 내부 단락 등으로 발생한다. 전기차의 수가 증가함에 따라 화재 건수도 증가하고 있으나, 그 발생 비율은 내연기관차와 유사한 수준이다. 연도별 전기차 화재 발생 현황은 ’20년 11건, ’21년 24건, ’22년 43건, ’23년 72건, ’24년 7월까지 32건이다. ’23년 기준 차량 1만 대당 화재 건수는 전기차가 1.32건, 내연기관차가 1.55건이다. 화재 발생 유형은 운행 중 48.9%, 주차⋅정차 중 29.5%, 충전 구역 18.7%의 순으로 나타났다(1).
’24년 8월에 발생한 인천 아파트 전기차 화재를 계기로, 범정부 차원에서 전기차 화재 안전관리 대책이 발표되었다. 대책에는 지하주차장 스프링클러 살수설비 개선 및 확충 외에도 배터리 상태를 실시간으로 감지하고 경고하는 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)의 사용 활성화 및 기능 고도화가 중점 대책으로 포함되었다. 이를 통해 정부의 전기차 화재 대책이 BMS를 통한 사전 예방과 화재 발생 시에 스프링클러를 이용한 화재 제어에 중점을 두고 있음을 알 수 있다.
전기차에 널리 사용되는 리튬이온 배터리(lithium-ion battery, LIB)는 열폭주가 일어날 때 산소와 가연성 가스를 방출하여 폭발의 위험성이 높다. 배터리 온도가 증가함에 따라 전해액의 가연성 유기용매, 탄화수소(CmHn) 계열의 가연성 가스, 불화수소(HF) 등 유해가스가 발생하는데, 특히 열폭주 과정에서 발생되는 탄화수소계열 가스는 대부분 공기보다 무거워 바닥에 가라앉아 폭발 위험을 높인다(2-4).
Lim 등(5)은 실험을 통해 LIB팩 하부를 물, 침윤 소화약제, 포 소화약제를 사용해 주수한 결과, 열폭주가 발생한 LIB팩 내부 온도 저감 효과는 소화약제별로 큰 차이가 없음을 확인하였다. 또한, 질식 소화 덮개를 사용하여 자동차 내장재의 연소는 저지할 수 있었으나, LIB셀의 열폭주는 지속되었다. 간이 수조를 사용할 경우, 열폭주로 인해 파손된 LIB팩 내부에 물이 직접 유입된 후에야 LIB셀 온도가 급격히 하락한 것을 볼 수 있었다. 이를 통해 전기차 화재 대응 시 LIB팩 외부에서 간접적으로 냉각시키기보다는 LIB팩 내부에 소화제를 직접 투입할 필요가 있음을 확인하였다.
전기차 화재 대응을 위한 장비로는 전기차 하부에서 상방향으로 물을 주수할 수 있는 상방향 분사 장치, 연기 발생 억제 및 외부 화염 차단이 가능한 질식 소화 덮개, 전기차 배터리 팩을 침수 및 냉각할 수 있는 이동식 소화수조 등이 제시되었다. 이와 관련된 실험에서는 배터리 팩 열폭주를 인위적으로 발생시킨 후, 배터리 팩 하부에서 상방향 주수를 통해 냉각 소화를 진행한 결과, 화재 지연 효과와 더불어 지속적인 주수 시에 화재 진압 가능성을 확인하였다(2).
Ko 등(6)은 지하주차장에서 전기차 화재 시에 상부 및 상⋅하부 주수 시스템의 적용성과 각 시스템의 효과를 분석하였다. 총 2단계에 걸친 실험 중 1단계에서는 상부 주수 스프링클러 설비를 적용하여, 인접 차량 앞문 및 뒷문 온도를 80 ℃ 이하, 하부 온도를 38.1 ℃ 이하로 유지함을 확인하였다. 상부 주수 스프링클러를 통해 전기차 화재 시 배터리 화원에 직접적으로 주수 소화는 어려우나, 인접 차량으로의 화재 전이 차단 효과를 확인하였다. 2단계에서는 상부 주수 스프링클러 시스템에 하부 1열 주수 시스템을 추가 적용한 결과, 인접 차량의 측면 및 하부 온도를 30 ℃ 이하로 유지할 수 있었으며, 하부 주수로 인해 전기차 배터리 팩의 열폭주가 약 50% 수준으로 이루어져, 열폭주 지속 시간을 지연시킬 수 있었다.
본 연구는 선행 연구(6)의 후속 연구로서, 전기차 화재 대응을 위한 기본 소방시설인 상부 스프링클러 시스템과 하부 주수 시스템의 화재 진압 및 제어 성능을 검증하기 위해 총 2단계 실험을 수행하였다. 선행연구(6)와의 차별성을 확보하기 위해 1단계에서는 상부 스프링클러 설비에 하부 2열 주수 시스템을 추가로 적용하였고, 2단계에서는 상부 스프링클러 설비에 하부 1열 주수 시스템과 배터리 셀 타입이 다른 원통형 배터리를 장착한 외산 전기차를 대상으로 실험을 진행하였다. 또한, 배터리 셀 타입이 다른 국산 전기차와 외산 전기차를 대상으로 지하주차장에서 발생하는 전기차 화재 특성을 분석하고, 상부 및 하부 주수 시스템의 화재 대응 적용성을 평가하였다. 이를 위해 지하주차장 모형을 제작하고 실제 규모로 소방시설을 설치하여, 각 시스템의 인접 차량으로의 화재 확산 차단 능력을 분석하였다.
2. 실험 개요
2.1 화재실증실험 개요
본 실험은 현재 지하주차장에 적용된 소방시설인 상부 주수 스프링클러 시스템과 추가 시설인 하부 주수 시스템들의 전기차 화재 제어 및 지연 효과를 검증하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 수계 소화시스템의 전기차 화재 진압 및 화재 지연효과와 인접 차량으로의 화재 전이 여부에 대한 실험을 진행하였다. 하부 주수 시스템은 주차장 바닥에 설치된 스프링클러 헤드(개방형)가 전기차 하부를 향하여 소화수를 분사하는 시스템으로 정의된다.
2.2 실험 조건
2.2.1 실험단계 구성
본 연구에서는 선행연구(6)와 같이 2단계 실험을 구성하였다. 각 단계별로 배터리 셀 타입이 서로 다른 국산 및 외산 전기차를 대상으로 기존 상부 주수 스프링클러 시스템에 하부 주수 시스템을 적용할 때 전기차 화재 대응능력을 평가하기 위해, Figure 1과 같은 구조로 지하주차장 목업을 제작하였다. 스프링클러 헤드는 천장 및 바닥으로부터 각각 300 mm와 3,250 mm의 이격거리를 두고 설치하였다.
기본적으로 적용한 설비는 지하주차장에 적용되는 준비작동식 스프링클러 시스템을 적용하였으며, 1단계에서는 국산 전기차를 대상으로 기존 화재안전기준에 따른 상부 주수 스프링클러 시스템에 하부 2열 주수 시스템을 설치하여 소방시설의 대응 능력 평가를 진행하였고(Figure (a)), 2단계에서는 외산 전기차를 대상으로 상부 주수 스프링클러 시스템에 하부 1열 주수 시스템을 설치하여 소방시설의 대응 능력 평가를 진행하였다(Figure 2(b)). 준비작동식 스프링클러 설비의 동작을 위한 감지기는 아날로그 열감지기를 사용하였으며, 하부 주수 설비 동작을 위한 감지기는 1단계에서는 상부 스프링클러 개방시간보다 빠른 주수를 위해 광전식 연기감지기를 사용하였으며, 2단계에서는 아날로그 열감지기를 사용하였다. 실험시스템 구성 및 전기차 제원을 단계별로 나타내면 Tables 1 및 2와 같다.
Sprinkling system diagram.
Test Configuration
Specifications of Car by Experiment Configuration
2.2.2 전기차 주차구역 수계 소화시스템 구성
상부 주수 스프링클러 시스템은 현재 지하주차장에 적용되고 있는 시스템과 동일하며 하부 주수 시스템은 상부 소화배관에서 분기시켜 주차면 별로 설치하였다. 1단계에서는 하부 2열, 2단계에서는 하부 1열로 설치하였다. 하부 주수 밸브는 각 주차면에 분기된 하부 배관에 전자식 개폐밸브를 설치하여 제어하였다.
전기차 하부 주수용 배관에는 개방형 헤드를 사용하였으며, 상방향 주수용 헤드로 인증받은 제품이 존재하지 않으므로 배터리팩의 면적을 고려해 분사각이 넓은 일반 개방형 헤드를 적용하였다. 스프링클러의 펌프압력은 화재안전 성능 기준에서 제시하고 있는 0.1 MPa 이상이 되도록 설정하여 실제 환경과 유사한 환경을 적용하고자 하였다.
감지기는 기존 아날로그식 열감지기(예비경보 50 ℃, 화재경보 70 ℃)를 적용하였으며, 화재 감지 신호에 따라 방호구역의 솔레노이드 밸브가 작동하여 준비작동식 밸브가 개방되는 방식으로 구성하였다. 1단계에서는 각 주차면에 광전식 연기 감지기(화재경보 6∼10%)를 설치하고, 이를 전자식 개폐밸브와 연동하여 연기 감지 시 해당 주차면의 전자식 개폐밸브가 개방되어 하부 주수가 이루어진다. 즉, 광전식 연기 감지기에 의해 하부 주수 헤드용 전자식 개폐밸브가 개방되고 아날로그식 열감지기에 의해 준비작동식 밸브가 작동해야 최종적으로 하부에서 물분사가 시작되는 구조로 구성하였다.
2단계에서는 아날로그 열감지기(예비경보 50 ℃, 화재경보 70 ℃)를 주차면 별로 설치하고, 전자식 개폐밸브와 연동하여 화재로 인한 열 감지 시 해당 주차면의 전자식 개폐밸브가 개방되어 하부 주수가 진행되도록 하였다. 단계별로 적용한 주차구역의 수계 소화시스템 및 감지기 시스템 구성과 작동 프로세서를 Figures 2와 3에 나타내었다.
Operational process of tests.
이러한 시스템을 활용하여 상⋅하부 수계 소화시스템의 동시 주수 시 화재 제어 능력을 평가하고, 하부 1열 및 2열 주수 시 전기차 배터리의 초기 진압 및 열폭주에 대한 대응 능력을 비교하고자 하였다.
1단계 실험에서는 파우치 셀 타입의 국산 전기차를 사용하였으며, 2단계에서는 원통형 셀 타입의 외산 전기차를 사용하였다. 각 단계에서 열폭주 차량의 좌⋅우측에는 내연기관 자동차 2대를 인접 배치하여, 차량 간 화재 전이 여부를 확인하고자 하였다. 수계 소화시스템은 기존 지하주차장에 적용된 상부 스프링클러에 더해, 1단계에서는 하부 2열 주수 시스템, 2단계에서는 하부 1열 주수 시스템을 추가하여 구성하였다. 이를 통해 하부 1열 주수(헤드 3개)와 2열 주수(헤드 6개)의 소화 능력을 비교하고자 하였다.
전기차의 배터리 팩에 화재가 발생되도록 하기 위해 배터리 팩 내부 셀에 인위적으로 열폭주를 발생시켰다. 배터리의 열폭주를 발생시키기 위해 히팅 필름을 이용하여 배터리의 열폭주가 발생될 때까지 전력(최대 150 W)을 공급하였다.
2.3 실험 측정 사항
본 연구에서는 수계 소화시스템의 작동에 따른 전기차 배터리 팩 내부의 화재 지연 및 차량 화재 제어 효과, 차량간 화재 전이 차단 효과를 관찰하고자 하였다. 이를 위해 배터리 팩 내부, 실험용 전기차의 내부, 인접 차량의 문짝과 바닥면에 온도센서를 부착하여 화재발생 과정에서의 온도를 시간별로 측정하였다.
Figure 4는 전기차 배터리 팩 내부에서 열폭주를 유도하기 위해 설치된 히팅 필름과, 열폭주 현상 및 화재 지연 효과를 분석하기 위해 배치된 온도센서들의 설치 모습을 보여준다. 또한, 전기차 내부 및 외부에 설치된 온도센서의 위치를 함께 나타내어, 다양한 위치에서의 온도 변화를 확인할 수 있도록 하였다.
Location of thermo-couple (T/C) sensors.
열폭주 현상, 화재 진행 현상, 인접 차량으로의 화재 전이 현상 등을 관찰하기 위해 온도와 함께 영상데이터를 수집하여 관찰하였다.
화재로 인한 배터리의 손실 정도를 파악하기 위해 실험이 끝난 후 배터리를 분해하여 육안으로 관찰하였다.
3. 실험 결과
3.1 1단계 실험결과
1단계 실험에서는 상부 스프링클러 시스템에 하부 2열 주수 시스템을 추가하여 전기차 화재 대응 능력을 평가하고자 하였다. 본 연구에서는 열폭주 여부를 판단할 때, 온도 상승 조건(7)을 기반으로 하였다. 실험 시간의 경과에 따른 온도 측정 결과를 Figure 5에 나타내었다. 열폭주는 약 36 min 간 지속되었다. 상부 스프링클러 헤드는 전기차 및 좌⋅우측 내연기관 차량의 직상부에 위치한 6개(SP1∼SP6)가 모두 개방되었으며, 최초 개방은 오프가스 분출 발생 4 min 58 s 후에 이루어졌다.
Temperature-time profiles in Test 1.
1단계 실험에서 오프가스 분출 약 30 s 후 외부 출화가 발생하였으며, 영상 데이터 분석 결과, 외부 출화가 발생한 후 차량 내부로 화염이 침투하였다. 차량 내부로 화염이 침투한 결과로 차량 내 상부에서 최고 870.8 ℃의 온도가 측정되었다. 스프링클러 개방 이후, 차량 내부 온도는 일시적으로 150 ℃ 이하로 하강했으나, 전기차 배터리 팩 열폭주로 인해 온도가 상승과 하강을 반복하였다. 이는 열폭주 차량 내부의 고온으로 차량 유리창이 파손되어 소화수가 차량 내부로 침투하며, 스프링클러의 화재 제어 효과를 나타낸 결과로 판단된다.
배터리 팩 내부의 온도는 상⋅하부에서의 주수에 의해 변화하였다(Figure 5). 트리거 모듈의 경우, 하부 주수를 시작한 지 103 s 후에 온도가 810 ℃에서 400 ℃ 이하로 감소하는 현상이 관찰되었다(Figure 6(b)).
The photograph of Test 1.
배터리 내부의 열폭주 전이 상태를 파악하기 위해 배터리를 분해하여 외관 상태를 확인하였으며, 배터리 열폭주 유무는 모듈 및 셀 외관 상태를 통해 손상상태를 판단하였다(Figure 6(b)).
전기차 배터리 팩의 약 30%가 전소된 것으로 확인되었으며, B라인을 중심으로 좌⋅우측 모듈에서 화재가 발생한 것으로 판단되었다. A 및 C라인의 모듈과 B라인의 일부 모듈은 육안 검사 결과 양호한 상태였으며, 배터리 셀 또한 화재로 인한 손상이 없는 것으로 확인되었다.
실험 과정에서의 화재 진행 상황을 Figure 7에 나타내었다. 최초 스프링클러 헤드 개방은 전기차 좌측 인접 차량 전면 상부에 위치한 SP1에서 이루어졌으며, 1 s 후 SP3∼SP6이 개방되었고, SP2는 3 s 후 개방되어 화재로 인한 열기류로 상부 모든 스프링클러가 거의 동시에 개방되었다. 하부 스프링클러 헤드는 각 주차면 상부에 설치된 광전식 연기 감지기의 동작에 따라 개방되었으며, 3개의 광전식 연기 감지기 모두 프리액션 밸브 개방 이전에 동작하여 주차면 3곳에서 프리액션 밸브 개방과 동시에 하부 주수가 시작되었다. 따라서 총 24개의 헤드(상부 6개, 하부 18개)가 개방되었다.
The photographs of the specimens at the critical events in Test 1.
감지기의 동작 시간은 오프가스가 외부로 분출된 시점을 기준으로 하였으며, 광전식 연기 감지기 3개는 1 min 36 s에서 2 min 5 s 사이에 모두 작동하였고, 아날로그 열감지기는 3 min 52 s에 작동하였다.
인접 차량의 화재 전이 여부를 확인하기 위해 좌⋅우측 차량의 앞문, 뒷문 및 차량 하부에 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 열폭주 차량의 배터리 열폭주 및 차량 내부 화재로 인해 열폭주 차량 우측 인접 차량 도어(RD)의 온도는 최대 249.9 ℃, 좌측 인접 차량 도어(LD)는 최대 193.3 ℃로 기록되었으며, 상⋅하부 스프링클러 헤드가 개방되고 23 s 후에 도어(RD) 온도는 50 ℃ 이하로 하강하였고, 계속 하강하여 20 ℃ 이하로 유지되었다(Figure 5(b)).
실험 중 인접 차량 우측 전면부 타이어와 차량 본체에 순간적으로 착화가 발생했으나, 상부 헤드로부터 살수된 소화수로 인해 즉시 진압되었다. 이로 인해 화재로 인한 열이 차단되었고, Figure 6(c)와 같이 인접 차량 도장면에 일부 피해는 발생하였으나 화재 전이는 차단되었다. 인접 차량 하부 온도는 Figure 5(b)의 RU, LU 그래프와 같이 열폭주 차량 배터리 팩에서 열폭주가 발생한 직후 상승하여 RU 및 LU 각각 최대 48.5 ℃와 22.1 ℃를 기록하였고, 상⋅하부 스프링클러 헤드가 개방된 후 양쪽 모두 20 ℃ 이하로 유지되었다. 이러한 결과로부터 인접 차량이 전기차라고 가정했을 경우에 배터리 열폭주가 발생할 수 있는 온도에 도달하지 않은 것으로 판단된다.
3.2 2단계 실험결과
2단계 실험에서는 상부 스프링클러 시스템에 하부 1열 주수 시스템을 추가하여, 원통형 셀 타입의 외산 전기차에 대해 화재 대응 능력을 평가하였다. 실험 시간 경과에 따른 온도 측정 결과를 Figure 8에 나타내었다. 열폭주 현상은 약 56 min 간 지속되었으며, 상부 스프링클러 헤드는 열폭주 차량 후면 상부에 설치된 SP5 헤드 1개만 개방되었고, 오프가스 분출 기준으로 13 min 41 s 후에, 아날로그 열감지기 기준으로는 약 1 min 51 s 후에 개방되었다. 국산 전기차와 다른 원통형 셀 타입으로 진행된 이 실험에서는 열폭주 발생 시간, 열폭주 지속 시간 등에서 화재 양상이 차이를 보였다.
Temperature-time profiles in Test 2.
열폭주로 인해 전기차 하부의 배터리 하우징은 파손된 것으로 관찰되었으며, 배터리 팩을 분해하여 관찰한 결과, 배터리 팩이 전소한 것으로 확인되었다(Figure 9(b)). 영상 데이터 분석 결과, 최초 외부 출화 시점부터 파손이 시작된 것으로 판단된다.
The photograph of Test 2.
하부 스프링클러 헤드 개방 방식은 1단계와 달리, 주차면 상부에 설치된 아날로그 열감지기가 동작하면 프리액션 밸브와 하부 주수 배관용 전자개폐밸브가 개방되도록 변경되었다. 상부 스프링클러 헤드는 SP5에서만 개방되었고, 하부 스프링클러 헤드는 3면 모두에서 개방되었으며, 아날로그 열감지기 동작 시간 차이는 6 s 이내로 나타났다. 스프링클러 헤드는 총 10개(상부 1개, 하부 9개)가 개방되었다.
감지기의 동작 시간은 오프가스가 외부로 분출된 시점을 기준으로 하였으며, 아날로그 연기 감지기는 9 min 49 s에 작동하였고, 아날로그 열감지기는 11 min 50 s에 작동하였다. 1단계와 비교했을 때, 2단계에서는 연기 감지기가 8 min 13 s, 열감지기는 7 min 58 s 더 느리게 작동하였다. 열폭주 이후 연기 발생 특성을 영상으로 분석한 결과, 파우치 셀 타입인 1단계 실험보다 원통형 셀 타입인 2단계 실험에서 오프가스 발생량이 더 적게 나타남을 확인하였다. 이는 전기차 화재 양상 및 배터리 셀 타입에 따른 용량 차이로 판단되며, 셀 용량에 따라 배터리 열폭주 시 발생하는 오프가스 발생량이 증가하기 때문인 것으로 판단된다(8).
2단계 실험의 화재 진행 상황을 Figure 10에 나타내었다. 오프가스 분출 후 약 5 min 38 s 후에 외부 출화가 발생하였으며, 영상 데이터를 통해 외부 출화가 발생하고 1 min 39 s 후에 차량 내부로 화염이 침투하는 것이 확인되었다. 차량 내부로 화염이 직접 침투함에 따라 차량 내부 최고 온도는 뒷좌석 우측 상부에서 1,371.9 ℃로 측정되었다. 상부 및 하부 수계 소화시스템을 통해 소화수가 지속적으로 살수되었으며, 이로 인해 차량 유리창이 깨지지 않아 열폭주 차량 내부의 온도는 실험 종료 시까지 지속적으로 높은 온도로 유지되었다. 하부 스프링클러 헤드는 3면 모두에서 총 9개 헤드가 개방되었음에도 불구하고, 2단계 전기차 배터리의 열폭주 현상은 약 56 min 간 지속되었다. 이는 1단계 실험을 포함한 선행연구(6) 중 가장 오래 지속된 사례로, 배터리 팩 구성에 따른 열폭주 지속 시간 차이 때문인 것으로 판단된다. 이러한 결과는 현재까지의 실험만으로 하부 주수 시스템의 효과성을 명확히 검증하기 어렵다는 점을 시사한다.
The photographs of the specimens at the critical events in Test 2.
인접 차량에 대한 화재 전이 여부를 판단하기 위해 좌측 및 우측 차량의 앞문, 뒷문, 그리고 차량 하부에 열전대를 설치하고 온도 데이터를 측정하였다. 열폭주 차량의 배터리 열폭주 및 차량 내부 화재에 따른 온도 변화는 Figure 8(b)에 나타낸 RD와 LD 그래프에 제시되어 있다. 열폭주 차량의 우측 인접 차량 도어(RD)의 측정 온도는 최대 86.8 ℃였고, 좌측 인접 차량 도어(LD)의 온도는 최대 141.6 ℃가 측정되었다. 스프링클러 헤드가 개방된 이후 양쪽 차량의 온도는 30 ℃ 이하로 감소했으나, 열폭주 차량에서 발생한 열폭주 현상과 화염으로 인해 양측 차량의 온도는 순간적으로 60∼70 ℃까지 상승하였다. 2단계 실험에서는 인접 차량에 대한 육안 관찰 결과, 화염 등으로 인한 명확한 피해는 발견되지 않았다. 우측 인접 차량의 하부(RU) 온도는 실험 내내 15 ℃ 이하로 유지되었으며, 좌측 인접 차량 하부(LU)의 온도는 20 ℃ 이하로 유지되었다(Figure 8(b)). 그러나 실험 중 열폭주 차량의 연소로 인해 일시적으로 46 ℃까지 상승한 경우가 있었다. 1단계 실험과 마찬가지로, 2단계 실험에서도 인접 차량이 전기차라고 가정했을 때, 열폭주 차량의 화재 전이를 통해 배터리 열폭주가 발생할 수 있는 온도에 도달하지 않은 것으로 판단된다.
3.3 적용 시설에 따른 전기차 화재 특성
전기차 배터리 팩 내부 화재 지연 여부를 판단하는 인자는 배터리 팩 열폭주 지속시간과 배터리 팩 모듈의 화재 발생 여부이다. 이와 더불어 화재발생시 인접차량으로의 화재 전이 여부는 매우 중요한 요소이다. 실험을 통해 나타난 전기차 배터리의 열폭주 지속시간 및 손실률과 인접차량으로의 화재 전이 특성을 요약하여 Table 3에 나타내었다.
Battery Condition After Fire, Thermal Runaway Duration
배터리 팩의 열폭주 지속시간은 하부 2열 주수를 적용한 1단계 실험에서 36 min, 하부 1열 주수를 적용한 2단계 실험에서는 56 min으로 나타났다. 전기차 배터리 팩의 손실률은 배터리 팩의 종류 및 실험 조건의 차이에 따라 1단계에서는 약 30%의 모듈에서 손실이 발생하였고, 2단계에서는 100%의 모듈에서 손실이 발생하였다. 선행연구(6)에서는 1단계(상부 스프링클러)와 2단계(상부 스프링클러 + 하부 1열 주수)에서 열폭주 지속 시간이 각각 23 min과 29 min이었고, 배터리 손실률은 각각 100%와 50%였다. 선행연구(6)와 본 실험을 비교했을 때, 동일한 배터리 모듈로 구성된 팩에서는 하부 주수량이 많을수록 전기차 배터리의 열폭주를 지연시키는 효과가 있다는 점이 확인되었다. 하부 주수 시스템은 배터리 팩을 냉각시키고, 모듈 간 열폭주 전이를 지연시키며 열폭주 지속 시간을 증가시키는 것으로 판단된다. 다만, 본 연구에서는 실험 단계별로 사용된 배터리의 종류가 다르기 때문에 배터리 팩 타입에 따른 하부 주수 효과를 검증하기 위한 추가 연구가 필요하다.
차량 간 화재 전이는 1단계와 2단계 실험 모두에서 인접 차량으로의 화재 전이는 차단된 것으로 나타났다. 1단계 실험에서는 인접 차량의 일부 도장면이 손상되었으며, 2단계 실험에서는 하부 1열 주수와 상부 스프링클러 1개만 작동했음에도 인접 차량으로의 화재 전이를 차단하는 데 성공했다. 이는 스프링클러 시스템의 화재 제어 능력을 보여주는 결과로 판단된다.
Kang 등(9)의 연구에 의하면, 전기차 몸체의 내장재가 전기차 전체의 화재 강도를 결정하며, 배터리 팩의 연소만으로는 전기차 화재 강도에 큰 영향을 주지 않는다.
따라서 하부 주수 시스템이 배터리 팩의 열폭주 전이를 감소시키더라도, 배터리 화재가 전기차 내부로 전이될 경우에 대형 화재로 발전할 가능성이 높아진다. 배터리 화재 발생 시 전기차 내부로 화재 전이를 지연시키기 위해 제조사에서 배터리와 차체 사이에 방화 격벽과 같은 안전 장치를 마련하는 것이 중요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 전기차 화재에 대응하기 위한 상부 및 하부 수계 소화시스템의 효과성을 분석하고, 배터리 셀 타입에 따른 하부 주수 시스템의 적용성을 평가하기 위해 실규모 소화실험을 수행하였으며, 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 파우치형 셀 타입 배터리를 장착한 국산 전기차를 대상으로 상부 스프링클러 및 하부 2열 주수 시스템을 적용한 결과, 수계 소화시스템이 작동한 후 인접 차량의 측면 및 하부 온도가 약 20 ℃ 이하로 유지되어, 인접 차량으로의 화재 전이가 차단됨을 확인하였다. 또한 하부 2열 주수를 통해 배터리 팩 열폭주가 약 30% 정도로 제한되었으며, 상부 스프링클러가 작동하여 인접 차량의 타이어와 본체에서 발생한 순간적인 착화를 즉시 소화하였다.
2) 원통형 셀 타입 배터리를 장착한 외산 전기차를 대상으로 상부 스프링클러 및 하부 1열 주수 시스템을 적용한 결과, 수계 소화시스템이 작동한 후 인접 차량의 측면 및 하부 온도가 약 30 ℃ 이하로 유지되었으며, 전기차 배터리 팩 전체가 전소되었으나 인접 차량으로 화재 전이를 차단할 수 있었다.
3) 배터리 팩의 열폭주 지속 시간과 손실률, 인접 차량으로의 화재 전이는 실험 조건에 따라 다양한 영향을 받을 수 있으나, 상부 및 하부 주수 시스템을 통해 배터리 팩을 냉각하여 배터리의 열폭주를 지연시키고, 인접 차량으로의 화재 전이를 효과적으로 차단할 수 있었다. 특히, 하부 주수 시스템은 배터리 셀의 타입에 따라 열폭주 지속 시간 및 소화 성능에서 차이를 보일 수 있음을 확인하였다. 이는 배터리 유형에 적합한 맞춤형 소화 대응 방안의 개발이 필요함을 시사한다.
4) 차량의 종류와 배터리 셀 타입에 따라 오프가스 발생량과 화재 성장 속도가 달라지며, 그 결과 연기 감지기가 열 감지기보다 평균 2 min 8 s 빠르게 작동하는 것으로 나타났다. 따라서 전기차 화재 대응을 위해 연기 감지기의 적용이 필요하며, 배터리 셀 타입에 따라 감지기 작동까지 상당한 시간이 소요될 수 있으므로 실시간 감지를 위한 영상 감시 장치의 도입도 필요하다.
본 연구는 비용이 많이 소요되는 실규모 실험으로 다양한 종류의 전기차와 수계 소화시스템의 적응성, 그리고 감지기 종류에 따른 작동 시간을 평가하고자 하였다. 그러나, 실험 변수들의 통제가 충분히 이루어지지 않아 일부 한계가 존재한다. 향후, 열폭주 차량 및 인접 차량의 피해를 방지하기 위해 스프링클러의 적정 방수량(K-factor 115 이상)을 검증하는 실험이 필요하다. 또한, 배터리 셀 타입(파우치형, 각형, 원통형 등)에 따른 하부 주수 효과와 감지기 작동 소요 시간을 분석하고, 배터리와 차체 사이의 화재 전이를 제어할 수 있는 방안을 도출하기 위한 추가 연구가 필요하다.
후 기
본 연구는 한국건설생활환경시험연구원(KCL)에서 실험이 수행되었으며, 실험에 참여해 주신 첨단방재센터 박영섭 센터장님 이하 참여 연구원분들께 깊은 감사를 드립니다. 또한, 본 연구의 실험 과정에서 적극적인 자문을 제공해 주신 (사)한국소방기술사회 박경환 회장님과 (사)한국안전인증원 윤해권 이사장님께도 깊은 감사의 뜻을 전합니다.