전기자동차 화재의 원인은 뭔가요?
영상을 하나 보고 갈까요?
이영상은 실제 화재현장의 CCTV로 전기차의 화재는 최근 몇 년간 미디어와 대중들 사이에서 큰 관심을 끌고 있습니다.
이 문제는 안전에 대한 우려뿐만 아니라 전기차의 신뢰성에도 영향을 미치기 때문에, 화재 발생의 원인, 빈도, 그리고 주요 위험 요소에 대하여 자세하게 분석해 볼 필요성이 있겠죠, 오늘은 이 이야기를 해봅시다.
1. 전기차 화재 발생 위치와 빈도
혹시 화재 케이스 중에 달리던 전기차에서 불이 나서 사람이 죽었다!! 이런 기사를 보신 적이 있나요? 아마 옛날부터 팔로업 하시던 분은 보신 적이 있겠지만 최근 들어 그런 현상은 거의 없고 (중국사례가 있긴 합니다.) 거의 충돌 혹은 주차 중에난 화재가 대다수입니다.
우선적으로 이야기해야 할 건 전기차 화재의 대부분은 차량이 주행 중이 아닌 충전 중일 때 발생합니다. 특히, 고전압 배터리 시스템의 특성상 화재는 충전소에서, 혹은 가정 내 충전 중에 발생할 가능성이 높고 오랫동안 방치된 차량에서 발생할 확률이 높죠
미국 소방국(USFA)의 보고서들에서 관련된 연구들을 많이 진행하는데 상당히 흥미롭습니다 자체의 자료에서 배터리를 온도별로 나눠서 구분하거나 실제 주행 중에 어떤 문제가 발생하는지 연구하거나 이로 통계를 제시하는 등등의 연구를 우리나라보다 많이 진행하고 있죠
놀라운 점은 전기차의 경우 10만 대당 약 25대가 화재를 겪는 것으로 나타났으며, 이는 내연기관 차량의 1,500대당 화재 발생률과 비교해 훨씬 낮은 수치라는 점입니다.
근데 왜 전기차가 문제냐고요? 실제로 탈출 못하고 죽는다는 불안감을 증폭시키거나 사고 후 기절한다면 사망할 확률이 있고 아직 대중화된 게 아니니 불안감이 드는 건 사실이니까요
자 대충 통계이야기를 했으니 원인을 분석해 봅시다.
2. 전기차 화재의 주요 원인
전기차 화재의 주요 원인은 크게 배터리 시스템 관련 문제와 외부 충격으로 나눌 수 있습니다.
사실 최근 테슬라의 주행 중 화재의 건을 보게 된다면 에어컨 시스템이 고장 난 채로 경고를 보냈지만 렌트차라 확인할 수 없어 문제가 된 사례도 있고, 현대차 보고서를 보면 특정셀에서 문제가 된 경우가 있었지만
우선은 전체적인 원인을 분석해 봅시다.
2.1 배터리 열폭주(Thermal Runaway)
사실이게 열폭주라는 단어가 굉장히 어려운 개념 입니다. 정의는 "배터리 셀 내부의 온도가 급격히 상승하여 제어 불가능한 상태에 이르게 되는 현상"을 의미하는데
이게 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 발생한다 하기에는 과방전으로 인해서 발생하는 경우도 있고 외부 손상으로 인한 경우, 내부 단락이나 과열 시에 발생하는 경우가 모두 다릅니다.
원인은 모두 다르지만 열폭주는 배터리 셀 내에서 온도가 급격히 상승하여 인접 셀로 퍼지는 현상으로, 이는 전체 배터리 팩을 위험에 빠뜨릴 수 있다는 사실만을 인지하시면 됩니다.
이 과정에서 발생하는 열은 내부에서 방출되지 못하고 축적되며, 결국 배터리 내의 전해질을 가연성 기체로 변화시켜 화재를 일으킬 수 있고, 이를 방지하기 위해 배터리 관리 시스템(BMS)에서 온도 모니터링과 냉각을 담당하는 겁니다.
하지만, BMS의 결함도 문제 아니냐! 이런 주장도 흔합니다. 소프트웨어 오류, 또는 센서 오작동으로 인해 적절한 대응이 이루어지지 않으면 문제가 발생할 수 있다. 정도의 사전적인 이야기만을 많이들 하죠 물론 이를 부정하는 것은 아닙니다만 물리적 하드웨어가 소프트 웨어 만으로 단순하게 끝난다면 참 좋겠지만 여러 문제가 따라오죠
결론적으로 말씀드리자면 열폭주는 참 다양한 원인으로 발생한다 정도로 정리할 수 있겠지만 실제로 순수한 BMS 오류로 발생하는 경우는 매우 적습니다 오히려 물리적인 원인이 더 많죠 그럼 그 물리적인 세부 원인을 볼까요?
2.2 덴드라이트(dendrite)
노후화로 인한 덴드라이트 형성이야기를 또 해야겠네요, 덴드라이트(dendrite)는 배터리 셀이 노후화되면서 리튬 금속이 음극 표면에 불균형적으로 침전되어 생성되는 나뭇가지 모양의 금속 구조를 칭합니다.
덴드라이트는 전기화학적 반응에서 리튬 이온이 비균일 하게 석출 될 때 형성되며, 이러한 덴드라이트가 지속적으로 자라게 되면 전극의 분리막을 관통하게 됩니다. 이는 양극과 음극 간의 전기적 단락을 유발하여 국부적인 과열을 초래하고, 결국 열폭주를 유발할 수 있습니다.
특히, 덴드라이트 형성은 배터리의 충전 속도가 빠를수록, 그리고 과도한 충전과 방전 주기가 반복될수록 그 위험이 증가합니다. 하지만 사실 덴드라이트는 노후화에 문제일 뿐이지 수명보다는 짧게 쓰니 이런 현상론이 존재한다 정도만을 설명하고 넘어가죠
2.3 충전 중 과열
화제 중 가장 많은 케이스입니다.
사실 전기차의 충전 중 과열은 고속 충전이 주요 원인이라고 하죠. 고속 충전 시 높은 전류가 배터리 내부로 유입되면서 내부 저항에 의해 상당한 열이 발생하며, 이러한 열은 냉각 시스템의 용량을 초과할 경우 배터리 셀에 과열을 유발하며, 이는 화재의 주요 위험 요소가 됩니다.
솔직히 인입전류에 안정화 장치는 당연히 해두고 또한, 충전 인프라의 품질과 충전 케이블의 상태 역시 과열의 주요 원인으로 지적되지만 충전기를 통째로 물에 담가도 불이 안 나거든요 그런 방지시스템에는 최적의 작업을 다해두는 편입니다.
다만 충전 시에 회로오류 물리적인 배터리문제로 인한 화재가 날확률이 훨씬 높은 거죠 방전 시에는 그런 문제가 거의 없으니까요
문제는 그러한 작업을 다해둔다 해도 모든 변수를 차단할 수는 없습니다. 실제로 수백 개의 셀 중 특정셀에 문제가 발생하는 걸 다 막을 순 없죠, 네 실제로 모든 케이스를 막을 순 없습니다.
그렇다면 어찌해야 하나요? 이는 다음글에서 다뤄보죠
2.4 외부 충격과 물리적 손상
이것도 많은 케이스인데, 전기차는 주행 중 사고로 인해 배터리가 물리적으로 손상될 경우 화재의 위험이 존재합니다.
배터리 팩이 충격을 받아 셀이 파손되거나 전극이 단락(short-circuit)되면 곧바로 화재로 이어질 수 있고 실제로 문제가 발생하는 경우가 많죠. 테슬라와 같은 제조사들은 이러한 충격으로부터 배터리를 보호하기 위해 알루미늄 케이스와 액체 냉각 시스템을 사용하고 있습니다. 거기에 과거 하부충격으로 배터리 화제 케이스가 많았기에 방지대책을 충분히 해두었죠
좀 오래된 이야기 지만 못으로 뚫어도 멀쩡한 배터리는 완성된 지 오래입니다. 그럼 이상하죠 그런데도 왜 불이 나는 걸까요?
실제로 케이스를 보면 결론은 오픈서킷 즉 단락 회로가 형성되어 셀 과열이 주된 케이스인데 이런 원인은 너무나도 다양하고 케이스마다 달라서 큰 의미는 없습니다.
실제로 이러저러한 원인들이 많지만 결국 배터리 내에 분리막이 파괴되어 불이 난다 정도를 이해하시면 되겠네요
3. 그렇다면 충전량 제한은 의미가 있을까요?
최근 서울시에서 90% 제한을 도입했죠?
사실 전기차 제조사들은 배터리의 안전성을 높이기 위해 충전량을 제한하는 방법을 도입하고 있습니다.
예를 들어, 100%까지 충전하지 않고 80~90% 수준에서 충전이 불가능한 방식이죠 심지어 추가적으로 배터리 제조사에도 기본제한을 걸어두니 실제 구매자들은 70% 대만 사용한다고 보시면 됩니다.
실제로 위에서 과충전을 한 번도 언급 안 드렸죠? 전기차는 구고적으로 과충전이 불가능한 형태로 출시되기 때문입니다.
아래는 제가 분석했던 글인데 실제 현대차 보도자료만을 봐도 확실해지는 이야기죠
실제로 많은 연구들이 충전량과 배터리 화재 발생 간의 명확한 상관관계를 찾지 못했다는 결과가 보고되고 있습니다. 예를 들어, XYZ 연구소의 보고서에 따르면, 충전량을 80%로 제한하는 것과 100% 충전 사이의 화재 발생 빈도에 통계적으로 유의미한 차이가 없다는 결론을 내리고 있습니다.
왜 그럴까요?
이는 배터리가 뭔지 몰라서 그러는 경우가 많습니다. 배터리는 에너지를 저장 장치긴 하지만 전자의 흐름으로 화학적인 특성을 이용해서 에너지를 저장합니다.
그로 인해 여러 특성들이 나타나지만 화학적인 전자의 흐름은 결국 전류고 전체 시스템 상에 더 많은 에너지를 저장하지만 이 과정에서 문제가 발생해 화재가 발생하는 경우 즉 충전 중 화재 발생이 이 케이스에 해당합니다.
충전 후에도 그런 문제가 된 셀에서 불이 나는 거죠
물론 충전량과 상관관계가 아예 없냐?
이렇게 물어보신다면 "상관관계가 아예 0%는 볼 수 없다."는 대답이 나오긴 합니다 배터리 관점에서는 상관없을지라도 시스템 내에서 절대안정치로 설계를 했더라도 에너지가 더 흐르는 건 사실이니 유의미하지는 않은 확률 대략 0.00001%라도 증가하는 건 사실이니까요
그래서 결론이 뭡니까?
결론적으로 말씀드리면 배터리의 열폭주는 100% 막는다는 건 말이 안 됩니다. 공학자에게 100%는 없는 거니까요, 완전히 시스템이 다른 새로운 배터리가 나오는 게 아닌 이상에요(전고체 반고체 배터리 같은 거요)
하지만 초소한 줄일 수는 있죠 새로운 배터리개발부터 셀의 안정화기술의 개발까지요 실제로 수많은 연구자분들이 갈려나가며 이 분야를 연구하고 있습니다.
사실 지금도 배터리가 화재가 내연기관보다 낮은 거 아니냐!! 이 정도면 훌륭하지!라고 말씀하시는 분들도 있습니다만,
발전된 차량이라면 내연기관보다 훌륭해야죠 라는 대답을 드리며 최종의 목적지는 지금보다 100배 정도 더 화재위험성이 더 낮은 차량을 목표로 하면 좋겠다 말하며 이번글을 마무리하겠습니다.
다음글에서는 전기차에 난 불을 어떤 방식으로 진화하는지 이야기해 보죠
