The GSEG (Global Safety Experts Group)입니다.
최근 지속적으로 국내외에 발생하고 있는 전기차의 잇단 화재 원인에 대해 The GSEG (Global Safety Expert Group)에서 그 원인과 방지 대책에 대한 의견을 공유해 드립니다.
전기차 화재에 대한 원인 분석 및 방지 대책에 대한 의견은 현재 접근이 가능한 대중 매체들의 보도 자료만을 바탕으로 The GSEG에서 추청한 것으로, 가능성 있는 원인들에 대한 분석/추정을 제공할 뿐 화재 원인을 특정하여 단정하지 않음을 알려드립니다.
배터리 셀로부터의 화재 및 유독 가스 배출은 배터리를 에너지원으로 사용함에 있어 가장 위험한 불량 매커니즘의 하나로 이미 알려져 있으며, 이러한 배터리 셀의 화재 및 유독 가스 배출의 주원인은 아래와 같이 분류할 수 있습니다.
1) 배터리 과전압: 배터리 과충전으로 인한 배터리 과전압이 특정 시간 이상 지속될 경우
2) 배터리 저전압: 배터리 과방전으로 인한 배터리 저전압이 특정 시간 이상 지속될 경우
3) 배터리 고온: 배터리가 고온에 특정 시간 이상 노출된 경우
4) 배터리 저온: 배터리가 저온에 특정 시간 이상 노출된 후 재충전되어 사용된 경우
따라서 배터리 셀은 배터리를 에너지원으로 사용함에 있어 배터리가 위에 열거된 사항에 처하지 않도록 배터리의 상태를 지속적으로 모니터링해야 합니다.
이러한 모니터링이 제대로 이루어지지 않았을 경우에는 배터리 셀로부터 화재 및 유독 가스 배출 발생의 가능성이 농후하다고 할 수 있습니다.
이를 바탕으로 배터리 셀로부터의 화재 및 유독 가스 배출이 가능한 시나리오를 정리하면 아래와 같습니다.
1. 모니터링 전압 레벨 오 설정
: 위에 언급한 바와 같이 배터리 셀로부터의 화재 및 유독가스 배출을 방지하기 위해 배터리 과충전 또는 과방전으로 인한 배터리 전압이 과전압 또는 저전압 상태로 특정 기간 동안 지속되는 것을 방지하여야 하기에, 각 배터리 셀의 전압 상태를 모니터링하는 기준 전압의 설정은 매우 중요한 일 중의 하나입니다.
모니터링 기준 전압은 반드시 LG 화학이나 CATL과 같이 배터리를 제공하는 업체에서 전문성을 바탕으로 설정되어야 하며 이를 바탕으로 배터리 셀의 전압을 모니터링하는 ECU (BMS - Battery Management System)에서 배터리 전압 측정 오차를 고려하여 최종 선정되어야 합니다.
국내에서 발생하고 있는 전기차의 화재가 주차 중 배터리 충전 상태에서 다량으로 발생하고 있고 차량 주행 중에는 발생 빈도수가 적다면, 주차 중 배터리 충전 시의 환경이 배터리 전압 측정 오차에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 분석이 이루어질 필요가 있습니다.
일례로, 주차 중 배터리 충전 시에는 차량 주행 상태와는 다른 전자파 장애 상황 (eletromagnetic disturbance)에 놓일 수 있으며 이는 배터리 전압 측정에 오차를 가져올 수 있습니다.
또한 배터리 전압을 측정하는 IC (Integrated Circuit)가 배터리 셀로부터의 전압을 직접 IC 전원으로 사용하고, 주차 중 배터리 충전으로 인해 IC에 제공하는 전원의 불안정성이 증가한다면 이는 곧 특정 셀의 전압 측정의 부정확도를 증가할 수 있습니다.
이외에 보다 많은 원인들이 있을 수 있으나 보다 상세한 것은 시스템의 아키텍처와 BMS 회로도의 상세 분석을 통해 가능한 일이기에 이 정도선에서 마무리하도록 하겠습니다.
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2. 모니터링 온도 레벨 오 설정
: 과전압, 저전압과 유사하게 배터리의 온도 상태를 모니터링하는 것은 배터리 셀로부터의 화재 및 유독가스 배출을 방지하기 위한 필수사항이라 할 수 있습니다.
모니터링 기준 전압과 마찬가지로 모니터링해야 하는 배터리의 기준 온도는 반드시 LG 화학이나 CATL과 같이 배터리를 제공하는 업체에서 전문성을 바탕으로 설정되어야 하며 이를 바탕으로 배터리 셀의 온도를 모니터링하는 ECU (BMS - Battery Management System)에서 배터리 전압 측정 오차를 고려하여 최종 선정되어야 합니다.
더욱이 최근에는 배터리 팩의 비용 절감 등을 이유로 배터리 팩 내에 배터리의 온도를 모니터링하는 온도 센서의 숫자를 줄이는 추세이기에 가장 온도가 높은 배터리 셀의 위치를 파악하여 온도 센서의 장착 위치를 정하고 가능한 모든 측정 오차를 고려하여 배터리 셀의 최종 모니터링 기준 온도를 설정하여야 합니다.
만약 주행 중이 아닌 정차 중 배터리 충전 상태에서 다량으로 화재가 발생하고 있다면, 외부 충전기와 그와 맞물린 온/오프 스위치의 저항으로 인해 발생할 수 있는 과열이 배터리 셀의 온도 상승에 영향을 미칠 수 있는지에 대해 충분히 검토되어야 합니다.
정차 중의 배터리 충전이라면 지속적으로 전류를 소모할 것이고 배터리 충전을 가능케 하는 온/오프 스위치의 저항이 작지 않다면 이로 인해 발생할 수 있는 열은 배터리 셀의 온도 상승에 적지 않은 영향을 미칠 수 있습니다.
이러한 상황에서 배터리셀의 온도를 모니터링하는 온도 센서의 위치가 추가적인 온도 상승을 유도하는 원인과 가장 근접한 셀에 위치하여 있지 않다면, 배터리 셀 내의 가장 높은 온도를 측정하는 것에 실패한 것을 의미하며 이는 곧 배터리 셀로부터의 화재 또는 유독 가스 배출로 이어질 수 있습니다.
만약 주정차 중 부가적인 열원에 의해 배터리 모니터링 기준 온도가 상이하다면 system availability를 극대화하기 위한 디자인적인 방안을 적용하되 반드시 Safety를 최우선으로 고려하여야 합니다.
3. 배터리 셀의 화재 또는 유독 가스 배출로 인해 사람의 인명에 영향을 미칠 수 있다면 배터리를 모니터링하는 제품은 Functional Safety (ISO 26262)를 절대적으로 고려하여 개발되어져야 합니다.
주행 상태뿐 아니라 차량 정차 상태에서도 배터리 화재의 위험이 있다면 이는 반드시 HARA (Hazard Analysis and Risk Assessment)를 통하여 요구되는 기능의 품질 수준 (QM, ASIL A/B/C/D)이 올바르게 결정되어야 합니다.
지난 사고 사례 등을 토대로 판단하건대, 정차 상태의 배터리 화재를 방지하기 위한 BMS의 모니터링 기능은 최소 ASIL C 또는 ASIL D의 품질 수준을 만족해야 할 것으로 보입니다.
따라서 관련 업계의 종사자들은 차량 정차 중 배터리 충전 시, 배터리 셀의 상태를 모니터링하는 기능이 HARA에서 요구되는 품질 수준에 맞게끔 개발되어 있는지 반드시 재검증할 필요가 있어 보입니다.
만약 최소 ASIL C 목표로 관련 배터리 셀 모니터링 기능이 개발되었다면, 정량적으로 관련 화재 확률이 100 FIT (100건 / 1,000,000,000 동작 시간) 미만으로 관리되어야 하나, 최근 국내에 발생하는 배터리 화재 사고 숫자를 미루어 짐작컨대 이를 훨씬 넘는 것으로 짐작되어집니다.
4. 배터리가 저온 상태에서 특정 시간 이상 노출되어졌다면 반드시 배터리의 재충전을 방지하여야 하는데, 이를 방지하지 못하였다면 배터리 셀로부터의 화재 및 유독가스 배출이 가능할 것으로 보입니다.
관련 가능한 시나리오는 아래와 같습니다.
1) 주행 중 배터리 저온 상태 미감지 (저온에 대한 모니터링 기준 온도 오 설정) → 정차 중 배터리 충전
2) 주행 중 배터리 저온 상태 감지 → 관련 정보 분실 및 변경 → 정차 중 배터리 충전 시 관련 사항 파악 불가 또는 실패 → 정차 중 배터리 충전
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