1. 서 론
2. 실험계획 및 방법
2.1 소화약제 적응성 실험개요
2.2 실험 방법
3. 실험결과 및 분석
3.1 LIB 모듈 대상 소화약제의 적응성 실험결과
3.2 외함을 적용한 LIB 모듈 대상 소화약제의 적응성 실험결과
4. 결 론
1. 서 론
최근 자동차는 도로 내 인공지능을 활용한 자율주행 서비스의 확대와 다양한 신차 디자인 출시로 인해 1가구 다 차량 시대에 접어들면서 차량 누적등록대수가 2014년 2,011만대에서 2024년 6월 2,613만대로 증가하였으며, 이 중 수도권(서울, 경기, 인천) 차량이 1,151만대로 전체의 44%를 차지하고 있다(MOLIT, 2024). 이로 인해 수도권 주요 고속도로는 대부분 도로용량을 초과하여 서비스 수준이 E~F (unstable flow~forced flow)로 고속도로 기능을 상실한 것으로 알려져 있다(Lee and Moon, 2023). 이러한 배경하에 정부는 2022년 서울시 신월여의지하도로와 서부간선지하도로 개통을 시작으로 경부고속도로(화성-서울), 경인고속도로(인천-서울), 수도권 제1순환고속도로(구리-성남) 등 약 30 km 이상의 초장대 지하고속도로 사업을 추진하고 있다(Lee and Lee, 2023).
이와 더불어 우리나라는 2050 탄소중립 선언을 통해 도로에서 발생하는 온실가스 감축(KOTI, 2024)을 목표로 2030년까지 전기자동차 430만대를 보급하고 신차 판매의 80% 이상을 전기차(electric vehicle, EV)로 전환하는 전기차 보급사업을 시행하고 있다(Seok, 2022). 이로 인해 전기차 비중이 점차 증가(’19년 약 9천대 → ’24년 약 60만대) 하고 있는 추세이다(Kim, 2024). 이처럼 국내 전기차의 보급이 증가함과 동시에 사고 발생에 따른 전기차 화재 사고도 점차 증가하고 있는 것이 현실이다. 소방청 통계자료(Kim, 2024)에 의하면 전기차 화재 건수는 2018년 3건, 2019년 5건이 발생하였으나 전기차 보급 대수가 급속도로 증가하기 시작한 2020년 이후부터 2023년 72건, 2024년 상반기 59건이 발생한 것으로 보고되고 있다.
전기차는 내연기관차와는 다르게 리튬이온배터리(lithium-ion battery, LIB)를 이용하여 구동하는 원리로서, Fig. 1과 같이 LIB 셀(cell) - 모듈(module) - 팩(pack) 단위의 금속하우징 형태로 구성되어 있으며, 하우징 내부 상부와 하부 사이에 실링스트립이 삽입되어 외부로부터 수분 또는 이물질 등의 침투를 방지하도록 설계되어 있다(Arora et al., 2016; Shui et al., 2018). 이러한 전기차(LIB)는 화재 사고 시, LIB셀 내부에 화학반응이 촉진되어 폭발함에 따라 약 1,000°C 이상 급격히 온도가 상승하는 열폭주 현상이 발생하게 된다(Batov, 2020). 또한 열폭주 현상이 발생하게 되면 내연기관 자동차의 화재 양상과는 다르게 강력한 제트화염(jet blast)과 산소, 가연성 및 유해성 가스(Wang et al., 2012; Lai et al., 2024)로 인해 인접 셀과 모듈로 열폭주 전이(thermal runaway transfer)가 발생되고 화염이 증폭되어 즉각적인 화재진압이 어려울 뿐만 아니라, 더 나아가 인명피해로 이어질 위험성이 높다. 특히 지하고속도로와 같은 지하공간에서 전기차(LIB) 화재가 발생하게 되면, 이에 따른 피해 규모가 더욱 더 가중되어 2차 및 3차 피해까지 야기시키게 될 것으로 판단된다(Yoo and Kweon, 2010). 이에, 현재 전기차 화재 진압을 위한 대응 방안으로 소화용수(물) 및 소화약제, 질식소화덮개, 이동식 소화 수조 그리고 상방향 방사 장치 등에 관한 진압 방법이 권장(NFRI, 2023)되고 있으나, 이에 관한 성능 검증 및 실효적 데이터(track record)가 현저히 부족하여 효과적이고 효율적인 전기차 화재진압 방법이 불투명한 상황이다(Ko et al., 2024; Zhao et al., 2024).
따라서 본 연구는 지하고속도로 내 전기차(LIB) 화재사고 발생 시, 조기소화 및 확산방지를 위한 기초적 연구로서, 전기차에 적용중인 LIB 모듈을 대상으로 소화약제에 관한 실효적 적응성을 검토하고자 한다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 소화약제 적응성 실험개요
본 연구는 지하고속도로 내 전기차(LIB) 화재 발생 시, 조기소화 및 확산방지를 위한 연구로서, 전기차용 LIB 모듈을 대상으로 소화약제 종류에 따른 적응성 실험을 수행하였다.
실험변수는 Table 1과 같이 총 4종(수계형 3종, 분말형 1종)의 소화약제를 대상으로 스테인리스 스틸로 제작된 외함 적용 유무에 따라 총 8 수준으로 설정하였다. 이에, 실험체는 각 수준당 1개씩 제작하였으며, LIB 모듈의 내부에너지가 가장 높은 상태인 충전율(SOC) 100%를 반영하였다.
Table 1.
Experimental variables
| Model | Type of fire extinguishing agent | Presence or absence of enclosure | Quantity | LIB SOC* |
| W | Water | X | 1 | 100% |
| WA | Wetting agent | X | 1 | |
| S | Loaded stream agent | X | 1 | |
| D | Dry powder | X | 1 | |
| W-E | Water | O | 1 | |
| WA-E | Wetting agent | O | 1 | |
| S-E | Loaded stream agent | O | 1 | |
| D-E | Dry powder | O | 1 |
본 실험에 사용한 소화약제의 물리적 특성은 Table 2와 같다. 또한 LIB 모듈의 경우, 국내 H사에서 생산된 제품으로 셀 타입은 파우치형이며, 셀 수는 12개(2P6S)이다. 이에 관한 상세 사양은 Table 3과 같다.
Table 2.
Properties of the fire extinguishing agent in this experiment
Table 3.
Specifications of the battery used in this experiment
|
Battery type (module) | Cell type |
Number of cells (2P6S) |
Maximum voltage (V) |
Capacity (Ah) |
| Lithium-ion battery | Pouch | 12 cells | 25.2 | 111.2 Ah |
전기차용 LIB팩을 모사하기 위하여 ｢SPS-C KBIA-10102-02-7588:2024, 리튬이차전지용 열전이 지연 소재 시험방법｣에서 제시하고 있는 열전이 시험 용기 제작방법을 준용하여 Fig. 2와 같이 실험용 LIB 모듈 외함을 제작하였다. 외함의 재질은 스테인리스 스틸이며, 크기는 580 mm × 270 mm × 170 mm이다.
2.2 실험 방법
소화약제 분사는 수계형의 경우, 분사 노즐 높이를 대상으로 분사 범위에 관한 예비실험을 실시하여 소화약제가 실험체에 대해 일정하게 분사될 수 있도록 Fig. 3과 같이 실험체 상부로부터 약 50 cm 이격하여 분사 노즐을 설치하였다. 분말형의 경우, 소화약제 방출 노즐을 활용할 수 없는 점을 고려하여 약 20 kg 용량의 소화기 형태로 제작하여 분사하였다.
LIB 모듈의 소화약제 적응성 실험 시, 온도변화를 관찰하기 위해 Fig. 4와 같이 K-Type 열전대를 부착하였다. 열전대는 필름 히터와 LIB 1단 셀 측면 사이(TC01) 1개, 그리고 LIB 모듈 하부를 중심으로 LIB 셀 4단(TC02), 8단(TC03), 12단(TC04)에 각각 1개씩 열전대 부착하였으며, 열전대는 셀과 셀 사이의 간극으로 인한 온도측정 영향을 최소화 하도록 30 AWG의 소구경으로 설치하였다. 또한 각 열전대를 통해 출력된 데이터는 기록장치(data logger)와 연결하여 온도 데이터를 취득하였다.
LIB 모듈의 열폭주 현상을 유도하기 위해 LIB 셀에 열적 이상 조건을 공급하여 열폭주를 유도하였다. 열적 이상조건으로 260 mm (가로) × 60 mm (세로)인 필름 히터를 사용하였으며, 10 ± 5°C/min 범위로 온도를 상승시켜 열폭주를 발생시켰다. 이에 관한 실험 모습은 Fig. 5와 같다.
소화약제의 분사 시기는 열적 이상조건 공급으로 발생한 첫 번째 열폭주 직후, 열전대 TC01 기준, 약 600°C 도달 시 소화약제를 분사하였다. 또한 소화약제 분사량의 경우, ｢소화기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣ 제10조(대형소화기의 소화약제) 물소화기(침윤, 소화약제 포함)를 참조하여 수계형은 약 30 L/min의 속도로 80 L를 분사하였고 분말형은 약 34 kg/min의 속도로 20 kg를 분사한 후, 온도 변화를 관찰하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 LIB 모듈 대상 소화약제의 적응성 실험결과
전기차 LIB 모듈을 대상으로 소화약제 4종에 관한 적응성 실험결과는 Fig. 6과 같다. 모든 실험체는 TC 01 기준, 약 237~259°C 도달 시 LIB 셀 팽창과 동시에 열폭주 현상이 발생하였으며, 이후 각 실험체 별(TC01) 600°C 이상 도달 시 소화약제를 분사하여 Fig. 7과 같이 소화약제의 적응성을 검토하였다.
일반적으로 화재 시 주로 사용되는 소화용수(물) W의 경우, TC01 기준, 약 258.4°C에서 첫 번째 열폭주가 발생하였고 약 7초 후(629.8°C) 소화용수를 분사하였다. 그리고 수계형 침윤 소화약제 WA의 경우, 약 250.3°C에서 열폭주가 발생한 이후 약 8초 후(614.6°C) 소화약제를 분사하였으며, 수계형 강화액 소화약제 S의 경우, 약 250.7°C에서 열폭주가 발생한 이후 약 6초 후(620.3°C) 소화약제를 분사하였다. 마지막으로 분말형 소화약제 D는 약 237.2°C에서 열폭주가 발생하였으며, 약 8초 후(628.7°C) 소화약제를 분사하였다.
LIB 모듈 대상 소화약제의 적응성을 분석하기 위해 소화약제 분사 시점 및 분사 종료 시점의 온도측정 결과를 Table 4에 나타내었으며, 소화약제 분사 종료 시점까지 전소된 실험체는 없는 것을 확인하였다.
Table 4.
Effectiveness of temperature reduction regarding experiment model (no enclosure)
W의 소화약제 분사 시점 TC01 온도는 약 629.8°C, 분사 종료 시 온도는 약 514.6°C로 나타났으나, 약 0.72°C/s의 온도감소율을 보였다. 하지만 LIB 모듈 중심부 TC02 온도는 약 824.8°C로서, 약 4.33°C/s의 다소 높은 온도상승률로 나타났다. 이는 전도성 소화약제인 물이 LIB 모듈 내부로 침투되면서 셀 내부의 양극과 음극 간의 단락을 촉진시켜 쇼트 현상이 발생한 것으로 판단되며, 이후 열폭주 및 열전이를 증폭시킨 것으로 사료된다. 따라서, 물을 활용한 LIB의 화재진압 효과는 다소 낮은 것으로 판단된다.
WA의 경우, 소화약제 분사 시점 온도는 TC01 기준, 약 641.6°C로서, 소화약제 분사 종료 시 온도 약 517.8°C로 약 0.61°C/s의 온도감소율을 보였다. 하지만 W의 양상과는 다르게 LIB 모듈 중심부 온도(TC02)는 약 337.8°C로서, 약 1.79°C/s의 온도상승률로 나타났다. 또한 TC03 및 TC04의 분사 종료 시점의 온도는 74°C 및 50.2°C로서, 열폭주 및 열전이 현상이 발생하지 않았다. 이는 침윤 소화약제가 LIB 모듈 내부(셀)에 직접분사 되면서 급속적인 냉각효과가 발현된 것으로 판단된다.
수계 형태의 강화액 소화약제를 사용한 S의 경우, 소화약제 분사 시점 대비, 분사 종료 시점의 온도감소율은 약 0.49°C/s로 나타났으며, W 및 WA 대비, 화재진압 효과는 다소 낮은 것으로 사료된다. 또한 LIB 중심부 온도(TC02, TC03)는 약 823~895°C로 W의 화재 양상과 유사한 양상을 보였다.
마지막으로 분말 소화약제를 사용한 D의 경우, 소화약제 분사 시점의 TC01 온도는 약 628.7°C, 분사 종료 시점의 온도는 약 787.5°C로서, 소화약제 분사 후 오히려 약 0.99°C/s의 온도가 상승되는 것으로 나타났다. 이는 분말 소화약제의 특성상, 냉각효과가 없는 것에 기인하며, 수계형 소화약제 대비, LIB 화재진압 효과는 미미한 것으로 사료된다. 하지만 분사 종료 시점의 TC03 및 TC04의 온도는 각각 229.4°C 및 30.5°C로서, 열폭주 및 열전이가 발생하지 않은 것을 확인하였다. 이는 분말의 미립분이 발화하지 않은 LIB 셀에 적층되면서 형성된 질식 효과로 판단된다.
3.2 외함을 적용한 LIB 모듈 대상 소화약제의 적응성 실험결과
일반적으로 LIB팩 구조는 다량의 LIB셀들을 직렬로 연결시켜 고전압을 공급하게 되며, LIB셀들이 집적된 금속하우징을 차체 프레임에 볼팅시켜 고정하고 있다. LIB팩의 금속 합금 하우징 내부에는 다량의 LIB셀, 냉각시스템 그리고 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS) 등이 배치되어 있으며, 하우징의 상부와 하부 사이에는 고무재질의 실링 스트립이 삽입되어 외부로부터의 수분, 이물질 등의 침투를 방지한다. 이에 따라, 본 실험에서는 LIB 팩을 모사한 상태에서 소화약제의 적응성을 검토하기 위하여 Fig. 8과 같이 스테인리스 스틸로 외함을 제작하였으며, 이를 LIB 모듈 바깥쪽에 덮은 뒤, 소화약제를 분사하여 적응성 실험을 실시하였다.
외함을 적용한 LIB 모듈의 소화약제 적응성 실험결과는 Fig. 9와 같다. 외함을 적용한 모든 실험체는 TC 01 기준, 약 250~257°C 도달 시 LIB 셀 팽창과 동시에 열폭주가 발생하였으며, 평균 약 5초 후 외함을 적용하지 않은 실험체와 동일하게 각 실험체 별 TC01 기준, 600°C 도달 시 소화약제를 분사하여 소화약제의 적응성을 검토하였다.
소화용수(물)인 W-E의 경우, TC 01 기준, 약 250.4°C에서 첫 번째 열폭주가 발생하였고 약 7초 후(679.3°C) 소화용수를 분사하였다. 수계형 침윤 소화약제인 WA-E의 경우, 약 250.5°C에서 열폭주가 발생한 이후 약 4초 후(654.2°C) 소화약제를 분사하였으며, 수계형 강화액 소화약제인 C의 경우, 약 252°C에서 열폭주가 발생하여 약 4초 후(620.5°C) 소화약제를 분사하였다. 마지막으로 분말형 소화약제를 사용한 D는 약 256.8°C에서 열폭주 현상이 발생함을 확인하였으며, 약 4초 후(682.2°C) 소화약제를 분사한 후 온도변화를 관찰하였다. 소화약제 분사 종료 시점까지 모든 실험체에 대해 전소된 실험체는 없는 것으로 나타났으며, 오히려 소화약제 분사 종료 이후, 화염이 확산되면서 열폭주 현상이 발생되는 화재양상을 보였다.
마찬가지로 외함을 적용한 LIB 모듈 대상 소화약제의 적응성을 분석하기 위해 소화약제 분사 시점 및 분사 종료 시점의 온도측정 결과를 Table 5에 나타내었다.
W-E의 소화약제 분사 시점의 온도(TC01)는 약 679.3°C, 분사 종료 시 온도는 약 747°C로 나타나, 약 0.42°C/s의 온도증가율을 보였다. 또한 LIB 모듈 중심부 온도(TC 02)는 약 883.1°C로서, 약 5.38°C/s의 다소 높은 온도상승률로 나타났다. 이는 전도성 소화약제인 물이 스테인리스 스틸로 제작된 외함으로 인해 LIB 모듈 내부로 침투되지 못하여 열폭주 및 열전이 현상을 수반한 것으로 사료된다. 이에 따라, 물을 이용한 LIB팩의 화재진압 효과는 미미한 것으로 판단된다.
Table 5.
Effectiveness of temperature reduction regarding experiment model (with enclosure)
수계형 침윤 소화약제 WA-E의 경우, 소화약제 분사 시점 온도(TC01)는 약 654.2°C로서, 소화약제 분사 종료 시 온도 약 749°C로 약 0.59°C/s의 온도증가율로 나타났다. 하지만 LIB 모듈 중심부 TC03의 소화약제 종료시점 온도는 약 393.4°C이며, TC04는 약 199.2°C로 나타나 상대적으로 물을 사용한 W-E 대비, 낮은 수준의 온도 범위로 나타났다. 또한 Fig. 9(c) 및 Fig. 9(d)와 같이 소화약제 분사 종료 직후 TC03, TC04의 LIB 셀에서 열폭주 및 열전이가 발생하여 화염이 확산되는 경향을 확인하였다. 이는 수계형 침윤 소화약제가 스테인리스 스틸로 제작된 배터리 하우징을 대상으로 냉각 및 지연 효과가 구현된 것으로 판단된다.
S-E의 경우, 소화약제 분사 시점 온도(TC01)는 약 620.5°C로서, 소화약제 분사 종료 시 온도는 약 768.8°C로 약 0.93°C/s 속도로 온도가 증가되는 것으로 나타났다. W-E 및 WA-E의 소화약제 대비, 화재진압 효과는 다소 미미한 것으로 나타났지만, 소화약제 분사 종료 시 TC04의 온도가 약 263.8°C인점으로 미루어볼 때, 수계형태의 강화액 소화약제가 미미하지만 소정의 열전이 방지효과가 있는 것으로 판단된다.
분말 소화약제를 사용한 D-E의 경우, 소화약제 분사 시점의 TC01 온도는 약 591.7°C, 분사 종료 시점의 온도는 약 427.6°C로서, 소화약제 분사 후 약 1.03°C/s의 온도감소율로 나타나 수계형 소화약제 대비, 소화 적응성이 우수한 것으로 나타났다. 또한 LIB 모듈 중심부(TC03) 및 외측(TC04)의 온도는 각각 172.2°C 및 68.6°C로서, 열폭주 및 열전이 현상이 발생하지 않은 것을 확인하였다. 하지만 LIB 모듈의 첫 번째 열폭주 이후, 수계형 소화약제와는 다르게 상부 노즐을 통해 약제를 분사한 것이 아닌 한쪽 측면으로만 약제를 분사를 하였기에 발생한 실험적 오차라고 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 지하고속도로 내, 전기차(LIB) 화재 발생 시, 조기소화 및 확산방지를 위한 기초적 연구로서, 전기차에 적용중인 LIB 모듈 대상, 소화 약제에 관한 적응성을 검토하였다. 총 4종(수계형 3종, 분말형 1종)의 소화약제와 스테인리스 스틸로 제작된 외함(프레임) 적용 유무에 따라 총 8 수준으로 적응성 실험을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 전기차용 LIB셀의 열 폭주 현상은 SOC 100% 기준, 약 237~260°C 도달 시, LIB셀 팽창과 동시에 열폭주 현상이 발생하는 것을 확인하였다.
2. LIB 모듈 대상, 소화약제의 적응성 실험결과, 침윤 소화약제인 WA의 경우, 약 0.61°C/s의 온도감소율로 나타났으며, 열폭주 및 열전이 현상이 발생하지 않아, 소화약제의 적응성이 가장 우수한 것을 확인하였다.
3. 스테인리스 스틸로 제작된 외함(LIB팩 모사)을 적용한 LIB 모듈의 소화약제 적응성 실험결과, 침윤 소화약제인 WA-E의 경우, 약 0.59°C/s의 온도가 증가되는 것으로 나타났다. 하지만 LIB 모듈 중심부(TC03)의 소화약제 종료시점 온도는 약 393.4°C로서, 상대적으로 물을 사용한 W-E 대비, 낮은 수준의 온도 범위로 나타났다. 이는 수계형 침윤 소화약제가 스테인리스 스틸로 제작된 배터리 하우징을 냉각하여 지연 효과가 구현된 것으로 판단된다.
4. 전기차 화재사고의 효과적인 대응을 위해서는 1차적으로 침투력과 냉각효과가 우수한 수계형 침윤 약제를 사용하여 냉각효과로 열을 감소시키고, 2차적으로 전기화재에 적응성 있는 수계형 약제를 사용하여 양극과 음극을 차단해 쇼트 현상을 줄일 수 있는 추가적인 방안이 모색되어야 할 것으로 사료된다.
5. 마지막으로 본 연구결과에서 제시된 기초 데이터는 추후 전기차 화재 대응기술 확보 및 화재 대응 시스템 개발에 널리 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
