최근 전기자동차 보급이 확대됨에 따라, 전기자동차 화재 사고도 크게 증가하고 있는 추세이다. 물론 내연기관 자동차 대비 전기자동차 화재가 더 많이 발생되는 것은 아니지만, 전기자동차의 경우 화재가 발생되는 경우 진압이 어렵고, 피해규모도 크게 발생되어 불안감 및 공포감이 더욱 커지고 있는 상황이다. 전기자동차와 마찬가지로, 전기이륜차의 경우도 시장규모 및 보급대수가 크게 증가하고 있는 추세이고, 이에 따라 화재 건수도 증가하고 있어서 안전에 대한 사회적인 관심이 커지고 있다.
전기자동차 및 전기이륜차 화재/폭발을 예방하기 위해서는 고전원 배터리에 대한 품질을 높이고, 안전과 관련된 성능의 표준화 및 의무화(법제화)를 통해서, 이러한 위험을 근본적으로 줄이는 것이 필요하다. 전기자동차의 경우 주로 대기업 위주이고, 국가적인 관심도 매우 높아서 비교적 대응이 잘 이루어지고 있으나, 전기이륜차의 경우 주로 중소기업 위주이고, 시장도 크지 않아서 상대적인 어려움이 있는 것이 현실이다. 최근 전기이륜차 배터리 화재/폭발 안전 관련 표준화 및 규제가 강화되고 있어서, 이에 대한 현황을 소개하고자 한다.
전기이륜차 배터리 안전성 관련 표준(Standards) 현황
배터리 안전에 대한 관심이 커짐에 따라, LIB(Lithiumion battery) 안전성을 평가할 수 있는 시험 방법에 대한 표준화가 ISO (International Organization for Standardization), IEC(International Electrotechnical Commission), SAE(Society of Automotive Engineers), UL 등 다양한 기관에서 제안되고, 제정/개정이 이루어지고 있다.
표준화된 LIB 시험방법은 적용 대상(휴대용, 산업용, ESS, 차량용 등)에 따라 다양한 국제표준이 제정되어 있으며, 우리나라도 대부분 이러한 국제표준과 부합화를 통해 국내 표준을 관리하고 있다.
전기이륜차 배터리 안전성 관련한 국제표준은 ISO 18243(Electrically propelled mopeds and motorcycles — Test specifications and safety requirements for lithium-ion battery systems)이 있으며, 국내표준은 이를 부합하여 KS R ISO 18243(전기 모페드 및 모터사이클 ─ 리튬이온 배터리 시스템의 시험 제원 및 안전 요구사항)이 있다. ISO 국제표준이 2020년 개정됨에 따라 국내에서도 2020년에 국가기술표준원에서 제정 고시되었다.
KS R ISO 18243 표준은 전기 모페드 및 모터사이클에 사용되는 구동용 리튬이온 배터리팩 및 시스템에 대한 시험절차를 규정하고 있으며, <표 1>에서 보는 것처럼 일반시험, 성능시험, 안전 및 신뢰성 시험 항목으로 구성되어 있다. 최근 전기 이륜차용 공용 교환형 배터리 팩에 대한 한국산업표준인 KS R 6100이 고시되었다(고시일 2022년 12월 27). 이 표준에서는 제1부: 일반 요구사항과 기계적/전기적 제원, 제2부: 충방전 전용 커넥터, 제3부: 통신프로토콜, 제4부: 배터리 팩의 성능, 안전성 및 내구성 시험방법 등으로 구성되어 있다.
전기이륜차 배터리 안전성 관련 규정(Regulations) 현황
전기이륜차 배터리 안전성 관련 규정은, 국제 표준을 참고하여 각 국가별로 반드시 만족해야하는 강제 규정으로 법제화를 하고 있다. 전기이륜차 배터리 안전성 관련 국제 규정은 UN/ECE Regulation No. 136(이하 UN R136)이 있다. 이 규정은 유럽에서 카테고리 L 차량의 승인을 위한 시험 방법을 다루고 있다. 국내의 경우도, 국토교통부에서 국제 기준과 부합화 및 전기이륜자동차의 안전성 확보를 위해 “자동차 및 자동차부품의 성능과 기준에 관한 규칙” 일부개정안을 2020년 5월 22일 입법예고하였으며, 2022년 12월 25일부터 시행된다.
<표 2>는 국제 기준인 UN R136과 국내 기준인 국토교통부 이륜자동차 구동축전지 안전성 시험을 비교한 것으로, 시험방법은 유사하지만 조건 및 기준이 더 엄격하다고 할 수 있다. 시험 항목에 있어서는, 국내 규정에서는 기계적인 충격은 제외되고, 대신 과전류 및 침수 시험이 추가되어 있다.
그리고 초기 배터리 충전 상태가 UN R136 규정에서는 SOC 50%, 낙하시험은 SOC 90%로 규정하고 있으나, 국내 기준에서는 기본적으로 100%로 규정하고 있다. 배터리 상태가 완충에 가까울수록 배터리가 외부 환경(열, 충격, 침수 등)에 민감하기 때문에 조금 더 엄격하다고 할 수 있다.
그리고 시험 합격 기준은 UN R136에서는 화재 시험은 폭발(Explosion)이 없으면 합격이고, 나머지는 전해질 누출(Electrolyte leakage), Rupture(파열), 발화(Fire), 폭발(Explosion) 등이 없고, 절연저항(Isolation resistance)이 100Ω/V 이상이면 합격이다. 그러나 국내의 경우, 낙하 시험의 경우 파손(시험 중 발생한 충격에 의해 시험품에 금이 가거나 일부가 분리되어 정상작동이 불가한 상태)에 대한 항목이 추가되어 있어서, 보다 강화된 규정이라고 할 수 있다. 낙하 시험의 경우 1m 높이에서 자유 낙하되기 때문에 충격이 커서, 이에 대한 대비가 팩 설계에 반영되지 않으면, 내부 셀과 셀을 연결하는 니켈스트립(Nickel strip)이 충격에 쉽게 끊어져서 정상 동작이 안 되는 경우가 자주 발생한다.
전기이륜차 배터리 연소(화재) 시험
앞에서 언급한 전기이륜차 배터리 안전성 시험에서 가장 통과하기가 어려운 시험이 연소(화재) 시험이다. UN R136 규정에서는 연소 시험의 경우 승객실(Passenger
compartment)이 있는 경우, 즉 유럽에서 L카테고리로 분류되는 초소형전기자동차 트위지와 같이 승객실이 있는 경우에만 시험 대상이 된다. 연소 시험의 목적이 화재가 발생했을 때 운전자와 승객이 안전하게 탈출할 시간을 벌어주기 위한 것이기 때문이다. 그에 비해 국내 기준은 모든 전기이륜차 배터리에 대해서 적용을 하고 있고, 시험조건인 SOC도 100%로 UN R136에서 규정하고 있는 SOC 50%보다 높아서 보다 강화된 규정이라고 할 수 있다.
연소(화재) 실험은 ISO 18243 및 UN R136 규정에서는 <그림 1>에서와 같이 휘발유를 이용한 연소 시험이 규정되어 있다. 국내 국토교통부 규정에서는 추가로 LPG 버너 연소 시험도 규정되어 있어서 선택적으로 적용할 수 있다. <그림 1>의 휘발유 연소 시험의 경우, 단계 A : 예열 60초, 단계 B : 70초 화염 직접 노출, 단계 C : 60초 화염 간접 노출로 구성되어 있다. LPG 버너를 이용한 연소 시험은, 배터리를 화염에 직접 노출 시키고, 예열 시간 30초 이내에 평균 온도 800℃ 도달한 후 2분 동안 유지한다.
<그림 2>는 휘발유 연소 시험이며, <그림 3>은 LPG 연소 시험 사진이다. <그림 4>는 연소 시험 후 배터리 화재/폭발이 일어나서 불합격된 사진이고, <그림 5>는 연소 시험 후 화재는 발생했으나, 시간이 지나면서 화재가 스스로 소화되어 폭발이 일어나지 않아서 합격한 경우의 사진이다.
표준화 및 규제에 대한 대응 및 전망
표준화 및 규제는 궁극적으로 산업의 발전을 견인하고, 국민의 안전을 향상시키는 방향으로 나아가야 한다. 배터리 연소 시험의 경우 배터리 안전성을 확보하는 데, 매우 중요한 성능임은 분명하다. 하지만, 전기이륜차 배터리의 경우 무게, 공간, 크기 등의 제약이 있어서 이를 해결하기가 쉽지 않은 상황이다. 현재 이를 해결하기 위해서는, 외부에서 발생한 화재로 내부 배터리 셀의 온도가 열폭주 발생 온도 이하로 유지하기 위해서 배터리 내부 케이스에 단열재를 쓰거나, 배터리 내부를 내열 기능이 있는 실리콘 등으로 채우는 방법이 주로 사용되고 있다. 하지만, 이러한 방법은 화재 시험을 통과하는 데에는 유리하지만, 이로 인해 배터리 냉각성능에는 악 영향을 미친다. 즉, 배터리 외부에서 발생한 화재에는 효과적이지만, 반대로 내부에서 발생한 배터리 열폭주에 는 취약하여, 열폭주 전이로 인한 화재/폭발의 위험성이 증가할 수 있다. 또한 배터리 냉각이 잘 이루어지지 않는 경우, 내구성(수명) 등에도 악 영향을 미칠 수 있다. 현재 전기이륜차 배터리 시험 항목에는 열폭주 전이에 대한 시험 항목이 빠져있다. 향후 배터리 안전성 및 내구성 향상을 위해서는 배터리 열폭주 전이에 대한 시험 항목을 고려하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
글 / 김강출 (한국에너지기술연구원)
출처 / 오토저널 2023년 1월호
