전기차 배터리 화재의 분석과 대책
Battery, 지금은 배터리 시대입니다
네이버나 google에서 한글로 '배터리학과' 검색해 보시면 한국의 웬만한 대학에는 다 있습니다.
전기차도 휘발유차도 같은 차이기는 하지만 새로운 세상의 많이 다른 차입니다.
제가 가진 전기면도기는 작은 1회용 건전지 1.5 볼트짜리 2개가 들어 가는데 1번 넣고 3달 정도 씁니다. 보통 건전지 가격의 2,000%의 가격입니다
중국산 전기차 배터리들도 가격차이가 아주 크고 다릅니다.
위 그림은 유리 전조로 만들어진 대형 Battery를 정면, 앞에서 보는 그림입니다.
위 그림처럼 전기를 저장하는 양극과 음극의 극판과 그 사이를 분리하는 절연판을 넣고 전해액을 녛으면 배터리가 됩니다., 간단합니다
전압을 높이거나 용량을 크게하려면 극판의 크기나 개수를 늘립니다. 전기 사용단자는 바깥에 설치됩니다
대용량 Battery는 큰 4각형 박스에 10개런 정도의 전해액이 들어가는 위가 열린 유리 박스를 사용합니다.
음극과 양극 단자에 DC전기를 공급하면 충전이 됩니다.
이때 충전이 시작되면 전해액에서 보글보글 거품이 나와 위가 열린 유리박스 바깥으로 나가게 됩니다.
외부에서 공급하는 전압을 높이면 충전 속도가 빨라지는데 충전 속도에 따라 온도가 높아집니다.
충전을 걸어놓고 극판을 관찰하면 계기를 안보아도 몇% 정도 충전이 되었는지도 알 수 있습니다. 배터리 점검 때 가장 중요한것은 온도입니다. 온도가 올라가면 충전기 전압을 낮게하여 충전 속도를 늦게 합니다.
충전 이게 전부입니다. 화재나 폭발 모두 여기서 발생합니다.
과충전 문제, 100% 충전이란
배터리 양극판 “NCM -니켈·코발트·망간 의 100% 용량은 g당 275mAh(밀리암페어시)정도이나 실제로는 200∼210mAh 정도로 제조하는데 우리가 100% 충전이라고 말하는 것은 안전까지 고려한 배터리 용량입니다.
100% 충전이 문제가 되는것은 컵에 물을 가득 채우는것에 비유할 수 있습니다.
50% 충전된 Battery와 100% 충전된 Battery중 어느것이 더 위험하냐?고 묻는다면 100%라고 답하겠죠
배터리 화재
충전기를 사용하여 양극판과 음극판에 전기를 저장하여 그 저장된 전기를 사용하는 것인데 화재가 나는 것은 배터리 내부에서 열이 나 화재가 나는 것입니다.
자세하게 알아봅니다.
유리 전조의 배터리를 눈으로 직접 보면 충전기 전압을 높게 설정하여 급속 충전을 하게되면 전해액에서 많은 거품이 나면서 극판의 색깔이 급하게 변하고 심할 경우에는 금속 극판이 휘어집니다.
이럴 경우 분리막 절연체가 파손되면 합선, Short가 납니다.
즉 분리된 극판들의 전하들이 외부로 나가 일을 하는 게 아니라 내부 방전을 하게되어 열이 올라가고 그 열이 커지면 불이 나는 것입니다.
내부 방전으로 전해액도 열을 받이 불순물이 생겨 열화를 일으킵니다.
내부 방전은 작은 건전지나 자동차 배터리에나 다 있는 현상입니다.
작은 건전지를 새로 구입하여 오래 보관하다 보면 약해져서 못쓰게 되는 것과 같아서
전기차를 여러 날 동안 운행하지 않고 주차해 두었더라도 배터리의 분리막 절연체가 문제가 있을 경우 그 기능을 제대로 하지 못하면 화재가 날 수 있는 것입니다.
배터리 화재 예방
양극판과 음극판이 물리적으로나 전기적으로나 건강해야 합니다. 열을받아 휘어지거나 비포장 도로나 과속방지턱 위를 급하게 달리면 물리적으로 손상을 입기도 하고 사용기간이 오래되면 노후화가 됩니다.
전기차의 가장 큰 매력이 급 가속이나 급가속은 배터리에는 아주 나븝니다. 전기차는 전기 모타의 회전력으로 주행이 되는데 정차된 차가 출발할 때는 평소 주행시의 모타 전력 보다 2.5배 - 7.5 배 전력이 사용됩니다.
정차된 전기차를 급속 출발을 하면 엄청난 전류가 순간적으로 흐르게 됩니다. 그렇게 되면 음극과 양극의 극판의 물질 분자들이 배열 정리를 할 시간을 갖지못할 뿐 아니라 전해액들도 온도가 낮아 활성화를 제대로 하지 못하고 대용량의 전기가 흐르게 하려니 열이 발생됩니다.
거기다 바로 고속으로 주행을 하게되면 배터리는 비상사태가 되어 열을 올리게 됩니다.
휘발유차를 아침에 급하게 시동을 걸자마자 바로 급하게 운전을 하는 것과 같습니다
제가 오래 전 유러피안 차를 딜러에서 시동을 걸고 바로 출발하지 않고 워밍업을 시키고 있으니 직원이 와서 "왜 출발하지 않냐? 고 하며 이 차는 바로 출발해도 되는 차" 라고 몇번이나 말 했습니다. 이 사람에게 재료공학의 분자 정렬 강의를 할 수는 없으니까. 그냥 좀 있다가 출발했습니다
오래전 옛날 차들은 아침에 시동을 걸 때 Thlottle 을 당기고 시동을 걸어야 걸렸습니다. 그러면 휘발유 밸브가 크게 넓혀지고 연료를 진하게 하여 점화를 시켜서 시동을 걸었습니다. 약간의 시간이 지나면 엔진이 부더러워 지면 Thlottle을 원위치 시키고 운행을 했습니다
사람도 마찬가지 입니다. 아침에 눈을 뜨고 바로 일어나지 말고 그자리에서 팔다리 목과 몸통을 움직여 웜업을 하면 하루가 편안합니다.
전기차의 출발시 순간 가속이 휘발유차와는 비교가 안될 정도로 빠르고 운행중에도 순간 가속이 아주 좋습니다
그러나 배터리는 힘들어 열이 나게 됩니다.
분리막 절연체가 건강해야 합니다.
노후화가 되거나 급속충전이나 과충전으로 작은 바늘구멍이라도 생기면 내부방전이 생기고 계속 그 구멍이 커져 화재가 나기도 합니다.
Battery Management System (BMS)
전기차 배터리에는 수억개의 셀이 있고 약간의 편차가 있는데 이런 편차는 BMS가 자동으로 관리하고 초동 조치를 하게하는데 이런 기술적인 문제는 User가 알 수 없고 딜러에서도 알지 못합니다.
양극과 음극의 극판 NCM-소재 조성 비율 등 기본적인 셀 케미스트리(화학요소)도 중요하나 이는 메이커 고위 기술직만 알고 있습니다.
미국의 상업용 충전소에서 빠른충전을 하면 대부분 85% 이상은 충전되지 않게 설정하여 100% 충전을 막아 놓습니다.
전기차 배터리는 물리적으로 안정된 장소에 설치하지 못하기에 전해액이 흔들림에 견딜수 있게 제작되지만 구조적으로 큰 흔들림과 장시간 흔들림이 좋을수는 없을 거라는 생각은 항상 하여야 합니다.
한국에서 90% 이상 충전차 주차장 출입금지나 85% 충전 권유의 이유는 배터리의 온도가 이미 올라가 있거나 올라 갈 위험이 있을거라고 생각하는 것 같습니다.
급속 충전을 할 때는 온도도 함께 급속하게 올라가 위험하기 때문에 제한하는 것입니다.
충전 후에는 온도가 내려가게 잠시 쉬었다가 출발하고 바로 급속 운전을 하는 것은 피하는 것도 좋은 방법입니다.
휘발유차를 장시간 주차후 출발할 때는 잠시 동안 저속으로 운행하다 FW로 올라가면 차가 부드럽게 운행되는 것과 같습니다
밧데리 수명은 충전 횟수에 민감합니다. 밧데리 사용시간보다 몇번이나 충전을 했느냐? 입니다.
좋은 Battery는 충전 가능 횟수가 많습니다.
휘발유차는 휘발유 등급이 있으나 전기차는 그런게 없지만 좋은 충전기로 좋은 충전 속도로 충전을 하게되면 고급 휘발유를 주입한 것과 같이 잘 운행할 수 있습니다.
충전기는 AC를 DC로 바꾸어 Battery에 전기를 집어넣는 것인데 어떤 전기(휘발유의 보통 고급)를 넣느냐?가 중요합니다.
위 그림에서 왼쪽 AC파형의 제로 0 의 아래 부분을 위로 올리면 아래 부분이 없어지며 DC 로 바뀌어 지는데 대부분의 충전기는 오른쪽 그림처럼 일정한 전기가 흐르는 DC 전기가 되지 않고 그냥 아래 부분을 그대로 위로 올리기만 한 충전기가 많습니다. 울퉁불퉁한 DC전기
자격있는 기술자의 조언을 받아 1일 평균 운행 조건에 맞는 충전기나 충전 속도 선택이 가능한 충전기를 사용하시면 좋습니다.
뜨거운 햇빛아래 모든 창문을 꽉 닫는 장시간 주차를 피하십시오
가끔은 계기판을 보면서 충전 가능 거리가 짧아지는지도 관찰하시면 배터리의 성능에 문제가 있는지를 알 수 있습니다. 휘발유차 개런당 마일리지와 같습니다.
충전 방식
빠른 충전은 열이 발생하여 극판과 분리막 절연체에 피로를 주고 손상시킬 수 있으므로 완속 충전이나 느린 충전을 추천합니다..
분리막 절연체: 극판 못지 않게 중요한 역할을 하는데 충전시 열이 나거나 노화하면 분리막 절연체에 작은 구멍이 생겨 내부 방전으로 누전이 되면 대기중에 전선의 누전과 비슷한 원리로 열이나서 화재나 폭발이 일어납니다.
과충전 또는 과방전을 하면 열이 나게되고 극판이 휘어져서 전하를 수용하는 용량이 부족해집니다. 그리고 극판이 휘어지면 분리막 절연체를 손상시켜 내부 방전으로 열이나고 화재가 나기도 합니다.
밧데리 수명은 충전 횟수에 민감합니다. 밧데리 사용시간보다 몇번이나 충전을 했느냐? 입니다.
좋은 Battery는 충전 가능 횟수가 많습니다.
미국이 한국보다 전기차 화재 발생이 더 많으나 TV나 언론 매체에 보도가 잘 나오지 않는 이유
미국에서도 한국보다 전기차 화재 발생이 더 많으나 TV나 언론 매체에 보도가 잘 나오지 않는 이유
한국 소방청에 따르면 전기차 화재는 지난 2021년 24건, 2022년 43건, 지난해 73건으로 증가했고, 전체의 18.7%는 충전 중에 일어났습니다
New York city EV Fires
Since 2019, lithium-ion batteries have started 733 fires, killing 29 New Yorkers and injuring 442 more.
Notably,
In 2023, 133 fires started from lithium-ion batteries that were not charging, compared to 91 that occurred while they were.
미국 뉴욕시의 경우 2019년 이래로 리튬 이온 배터리는 733건의 화재를 일으켜 뉴욕 주민 29명을 사망시키고 442명을 부상시켰습니다.
2023년에 충전 중이 아닌 리튬 이온 배터리에서 발생한 화재가 133건인 반면, 충전 중이던 배터리에서 발생한 화재는 91건이었습니다.
New Tork City Mayor Adams Takes New Actions To Prevent Deadly Lithium-Ion Battery Fires
땅이 넓고 인구가 많은 미국의 뉴욕시와 한국 전체를 비교해도 전기차 배터리 관련 화재가 많이 발생하지만 한국처럼 전 세계 사람들을 놀라게하는 그런 화재는 일어나지 않고 화재가 나도 진화가 빠릅니다.
건설관련 법규가 아주 엄격하기도 하지만 상업용 건물이나 디중 인원 이용 시설은 소방 점검이 철저합니다
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Peter Park / sosoo electric owner
한국에서 전기 공부를 하였고 한국에서 Battery를 가장 많이 사용하는 국가기간산업 직장에서 일했습니다.
한국 최고 수준의 고가 정밀 장비를 운용하기에 1,000,000 의 1 정전이나 오차가 허용되지 않는 세계 최고의 장비들을 사용하는 국가기간산업이라 Battery는 바로 생명이었습니다.
Cell Phone이 처음으로 보급될 때 Battery 전문가로 Motorola 한국지사에서 Battery 강의를 하기도 했습니다.
미국에서는 전기공사 회사에서 employ로 근무하며 미국 전기를 익히며 California Electric Contractor License(C-10 814547)를 취득하여 2002년 부터 Sosoo Electric Company를 운영하고 있습니다.
연방정부 FCC (Federal Communications Commission)의 전자 통신 라이센스도 가지고 있으며
2011년 1월 2일, 전기차 대중화 보급 출시 하루 전부터 지금까지 많은 전기차 충전기 설치 공사를 하고있는 전문가입니다.
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