2020.03.24 현대자동차그룹
[전기차 백과사전 A to Z] 전기차 안전 설계의 모든 것
전기와 모터로 움직이는 전기차에는 내연기관 차량보다 더욱 강화된 안전 설계가 적용됩니다. 운전자의 안전을 지키기 위한 전기차 고유의 안전 설계에 대해 알아봅니다.
친환경 시대에 발맞춰 보급이 확대되고 있는 전기차는 전기로 동력을 만들어 달리는 자동차입니다. 수많은 전장 부품을 탑재한 전기차는 어떻게 안전성을 확보하고 있을까요?
전기차는 차량을 구성하는 각종 전장 부품들을 보호하기 위해 다양한 안전 설계를 적용합니다. 배터리를 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 안전 설계부터 전장 부품 고장을 방지하기 위한 누전 설계, 충전시 사고를 예방하는 충전구 안전 설계 등이 전기차에서 볼 수 있는 대표적인 안전 설계입니다.
전기차에 특화된 충격 안전 설계는 대부분 고전압 배터리를 물리적인 충격으로부터 보호하는 것입니다. 사고 발생 시 전면과 후면은 자동차 프레임이 충격을 흡수해 배터리에 도달하는 충격이 줄어들지만, 측면 사고에선 상대적으로 강한 충격이 배터리에 가해집니다. 이런 부분을 보완하기 위해 전기차에 사용되는 리튬 계열 배터리의 셀은 강도 향상을 위해 일반 배터리에서 사용하는 습식 분리막이 아닌 세라믹으로 코팅된 분리막을 사용하고, 외부 열로부터 보호를 위해 방열 성능을 높인 파우치 타입(알루미늄 호일에 배터리 구성물이 싸인 형태) 배터리가 사용됩니다. 그뿐만 아니라 양 측면의 사이드실에는 충격 흡수를 위한 보강재를 적용합니다.
* 전기차 배터리에 사용하는 코팅 분리막
분리막은 배터리 내부의 양극과 음극 물질이 직접적으로 접촉하는 것을 방지하고 표면의 작은 구멍인 기공을 통해 리튬이온이 이동할 수 있게 하는 배터리의 중요 부품입니다. 제조 방식에 따라 습식과 건식으로 구분되는데, 세계 배터리 시장에서는 주로 제조 공정이 간편하고 기공이 균일한 습식 분리막의 사용 비율이 높습니다. 전기차 배터리에 사용되는 분리막은 외부 충격으로부터 분리막이 손상되는 것을 예방하기 위해 습식 분리막의 표면에 세라믹을 얇게 입힌 코팅 분리막을 사용합니다.
전기차 배터리는 차체에 탑재되기 전에 다양한 고강도 검증테스트를 거칩니다. 어떤 상황에서도 탑승자의 안전을 확보하기 위해서죠. 전기차 배터리는 강한 충격을 받았을 때 발화 및 폭발 여부를 확인하는 충돌 시험, 수분의 유입 차단 및 기능 이상 유무를 검증하는 수밀 시험, 소금물에 배터리를 침수시켜 발화 및 폭발 여부를 확인하는 침수 시험, 배터리를 직접 화염에 노출시켜 폭발 여부를 검증하는 연소 시험 등의 검증 시험을 통과해야 합니다.
전기차는 구동 모터를 비롯한 대부분의 시스템이 전기로 움직입니다. 전자제품과 비슷하죠. 일반적인 전자제품은 어느 한 곳에서 누전이 발생할 경우 제품 전체의 작동이 멈추는 블랙아웃 상태가 됩니다. 하지만 전기차에서 이런 사고가 벌어질 일은 없습니다. 전기차는 고열이나 합선에 의한 전장 부품 또는 배터리 고장을 예방하기 위해 다음과 같은 3가지의 안전 설계를 복합적으로 적용하기 때문입니다.
전장 부품과 배터리 협조 제어 시스템 - 전력 공급 장치인 배터리와 각종 전장 부품은 상호 연계하여 작동하기 때문에 일부 부품의 고장이 전체로 확산될 수 있습니다. 전기차는 이런 위험을 방지하기 위해 페일 세이프(Fail-Safe)를 활용한 안전 설계가 적용됩니다. 페일 세이프는 전체 시스템 중 일부에 고장이나 오류가 발생할 경우 안전장치가 작동하도록 설계해 사고를 방지하는 시스템을 말합니다.
능동 보호 - 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)은 평소 배터리의 충전 상태를 제어하고 셀 밸런싱을 통해 부하가 걸리지 않도록 조정해 배터리 고장을 미연에 방지합니다. 배터리에 이상이 감지될 경우 ‘릴레이(특정 조건에서 작동해 다른 회로를 개폐하는 장치)’ 작동을 제어해 배터리의 전원을 제어함으로써 고장의 확산이나 사고를 예방하기도 합니다.
수동 보호 - 전기차 배터리에는 누전 또는 합선이 발생해 과부하가 걸릴 경우 전력을 차단하는 퓨즈가 장착됩니다. 배터리 화제와 같은 큰 사고의 발생을 예방하는 안전 장치라고 할 수 있습니다.
전기차를 충전할 때 발생할 수 있는 감전 사고를 우려하는 목소리도 있습니다. 전기차는 위험을 예방하기 위해 충전구에도 안전 설계를 적용합니다. 충전구 내부에는 물이 침투하는 것을 막기 위한 배출구인 드레인 홀이 있어 비가 오는 환경에서 충전을 하더라도 전기차 내부로 액체가 흘러 들어가지 않고 밖으로 빠져나갑니다. 충전기와 충전구 체결부는 밀봉 구조를 적용해 연결 후에 액체가 유입되는 것을 방지합니다. 이런 안전 설계에도 발생할 수 있는 감전사고를 예방하기 위해 충전건 버튼을 누를 경우 충전 전류가 즉각 차단되는 시스템과 함께 차량과 충전기가 완전히 연결된 후 일정 시간이 흘러야 전류가 공급되는 시스템을 적용하고 있습니다.