전기자동차 화재가 세계 곳곳에서 발생하고 있다. 특히 대한민국은 고층아파트가 많아 지하 주차장 등 좁은 공간에 차량이 밀집되어 있어 차량에서 화재가 발생하면 대규모 피해로 발전하기 쉽다. 대표적인 사례가 금년 8월1일 인천 청라아파트 지하주차장에서 발생한 벤츠전기차 화재이다. 이 불로 주민 등 23명이 연기를 마셔 병원으로 옮겨졌고 차량 87대가 불에 타고 783대가 그을리는 피해를 입었다.
전기자동차는 지구온난화의 주범인 탄소를 배출하지 않고 동력을 발생하여 이동하기 때문에 친환경 미래 자동차이다. 기존의 엔진을 동력원으로 채택한 내연기관 자동차에 비하여 소음도 적고 사용되는 부품도 여러면에서 간단하고 따라서 소형차의 경우 저렴한 제조 단가도 가능하다. 반면에 문제라 생각되는 점은 충전용 배터리가 많이 필요해 전기차 전체비용의 50% 가까이 이르고 성능이 떨어져 새 배터리로 교환할 때의 비용이 크다. 특히 배터리의 화재 발생에 대한 안전성이 계속해서 문제가 되고 있다.
전기자동차는 충전용 배터리, 즉 2차전지를 엔진 대신에 사용한다. 기존 자동차의 엔진은 내연기관이라하여 에너지원으로 휘발유 또는 디젤이라는 액체 연료를 연소시켜 동력을 만들어낸다. 반면에 배터리는 물질이 보유하고 있는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어 바퀴와 연결되어 있는 구동 모터를 돌려 자동차를 이동시킨다. 무거운 자동차를 이동시키려면 수십 개에서 많게는 수천 개의 배터리 셀 에너지가 필요하다.
예를 들면 재규어랜드로버의 전기차 아이페이스(I-PACE)에는 LG화학의 배터리 432개의 셀을 모아놓은 큰 팩이 하부에 놓여있다. 셀 한 개의 전기용량은 0.25-0.33kwh이지만 작은 공간에 최대용량을 집적시키기 위하여 신소재 활용 및 전기화학적 효율 연구 등은 계속되고 있다.
전기차 화재는 기본적으로 화학에너지를 보유하고 있는 이러한 배터리 팩에 문제가 생겨 발생한다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 Lithium 이온 배터리의 경우 양극, 음극, 전하를 이동시키는 전해액과 합선에 의한 스파크 방지를 위한 분리막으로 구성되어 있다. 화재는 이중 분리막이 여러 원인에 의하여 파괴되면서 불꽃이 발생되고 이러한 불꽃은 휘발성이 있는 전해액을 폭발시키면서 급속한 열폭주 현상으로 이어진다. 일단 열폭주 현상이 발생하게 되면 연소 속도가 급속하게 진행되면서 도중 진압은 거의 불가능해진다.
따라서 현재의 소화 수준으로는 옆이나 주위의 셀 또는 자동차로 열확산을 막는 방법 외에는 뚜렷한 해결책이 없다. 소방관이 불이 붙어있는 자동차에 불연 담뇨 등을 덮어 산소를 차단하거나 물을 뿌려 열이 주위에 확산되는 것을 막는 방법 등 대안이 활용되고 있다. 근본적인 방법의 하나로 폭발성이 높은 액체 전해액 대신 화재에 안정적인 고체상태의 전해물질을 채택한 전고체 배터리가 세계적으로 연구되고 있지만 연구계와 산업계에서는 효율과 경제적 면에서 상용화는 당장 어려움을 토로하고 있다.
보다 근본적인 방법으로 필자가 2017년 ‘나노사이언스와 나노테크놀로지레터’에 발표한 전기차 배터리관리시스템(BMS)에 배터리 셀 단위까지 전류와 전압, 온도 및 전하량을 측정하면서 화재 예방을 위한 예측 알고리즘을 도입 적용을 제안한다. 전기자동차에 장착된 대부분의 BMS는 모듈 단위와 연결되어있어 셀 단위까지 상황 파악 및 관리는 어렵다. 일부 파악한 경우라도 셀 배터리의 특성데이터 없이는 곧 일어날 수도 있는 화재 폭발에 대한 예측은 기준이 없어 어렵다. 배터리 셀의 특성데이터 확보는 컴퓨터 시뮬레이션과 일부 검증 실험을 통해 충분히 가능하다. 비정상 상태가 감지될 경우 정상 상태의 특성 데이터와 비교 가능케 함으로써 실시간 경고 및 배터리 교체 등 알림이 가능하다. 디즈털트윈(DT)과 인공지능의 초 연결망 사회가 도달했고 기존의 BMS에 적용하면 추가비용도 적다. 최우선 안전 확보로 전기자동차의 밝은 미래를 기대한다.
김광선 한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부 명예교수