The Korean Society Of Automotive Engineers

Current Issue

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27 , No. 7

[ Article ]
Transactions of The Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27, No. 2, pp.117-124
Abbreviation: KSAE
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Feb 2019
Received 08 May 2018 Revised 25 Jul 2018 Accepted 05 Oct 2018
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2019.27.2.117

하이브리드 자동차 화재위험성과 화재감식에 관한 연구
이정일*, 1) ; 하각천2)
1)중앙소방학교 교육훈련과
2)유원대학교 경찰소방행정학부

A Study on the Fire Risk and the Fire Investigation of Hybrid Cars
Jung Il Lee*, 1) ; Kag Cheon Ha2)
1)Director of Education Support Division Fire Marchall, National Fire Service Academy, Chungnam 31068, Korea
2)Department of Police and Fire Safety, U1 University, Chungbuk 29131, Korea
Correspondence to : *E-mail: gydhhh@korea.kr


Copyright Ⓒ 2019 KSAE / 159-01
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Abstract

The number of hybrid vehicles has been increasing since 2004. Currently, the number of domestic cars is about 30 million, and the number of hybrid vehicles is estimated at 240,000, or 1.1 percent of the total. Vehicle fires are often caused by flammable and combustible materials, such as oil and seats. Thus, precise fire detection is difficult because evidence may be easily damaged. Furthermore, there are few cases of fire detection. To determine the source of the fire and its significant identification, simulator experiments have been conducted to identify the possibility of ignition in the high voltage battery and in the high voltage connecting the electric motor to the high voltage battery, both of which produce and transmit high energies. As a result, it is required to check for leakages of electrolytes in the fuel and in the battery, check for high voltage leakages in the vehicle, including the start control, spark plugs, and other sources of ignition.


Keywords: Hybrid vehicle fire, High voltage battery, High voltage connecting electric motor
키워드: 하이브리드자동차 화재, 고전압 배터리, 고전압 연결 전기모터

1. 서 론
1.1 연구 배경

최근 급격한 도시화와 산업화로 인한 대기오염 및 지구온난화에 따라 배출가스 규제가 강화되고 자원 고갈 등 에너지 위기에 따른 대체 에너지 개발 연구가 활발히 진행되고 있어 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이에 따라 새로운 동력원을 이용하는 하이브리드 자동차의 이용이 증가하고 있다. 국내에서는 2004년 최초의 하이브리드 차량인 ‘클릭 하이브리드’의 출시 이후 하이브리드 자동차의 보급이 본격적으로 이루어지고 있다. 통계청 자료에 의하면 2017년 12월 기준 국내 자동차 등록대수는 총 22,528,295대이며, 그중 하이브리드 자동차 등록대수는 313,856대로 약 1.4 %를 차지하고 있고, 매년 빠르게 증가 추세를 보이고 있다. 현재까지 유류를 동력원으로 하는 내연기관의 자동차가 대다수이지만, 가까운 미래에 내연기관에서 하이브리드 또는 전기자동차로 전환될 것으로 보인다. 하지만 증가하는 하이브리드 차량에 대한 고충도 늘고 있다. 많은 화재조사관들이 자동차 화재감식이 쉽지 않은 분야라고 여기고 있는데 특히 하이브리드 차량의 화재조사는 더욱 어려움을 느끼고 있는 게 사실이다. 자동차 화재는 유류 등 인화성 물질과 부품 등 가연성 물질로 구성되어 있어, 소방대가 도착 시 전소되는 경우가 대부분으로 증거물이 훼손되어 정확한 화재 감식이 이루어지기 곤란하고, 자동차의 세부명칭부터 구조까지 정확히 이해하기가 용이하지 않기 때문이라고 한다. 게다가 일반 자동차에 비해 하이브리드 자동차에 대한 사례가 많지 않아 화재 감식 경험이 충분하지 않고, 그에 대한 화재조사 자료 역시 구하고 참고하기가 쉽지 않은 상태이다. 이에 본 연구에서는 하이브리드 자동차의 기본적인 구조와 화재 발생 위험성을 살펴보고, 화재진압과 화재감식에 대한 유의사항을 살펴보았다.

1.2 연구범위 및 방법

국내 자동차 화재 통계는 승용, 화물, 승합차량 및 농업, 건설 기계 등 9개 유형별로 분류하고 있다가 2016년 12월에 하이브리드 자동차가 포함된 친환경 자동차 항목이 추가되었다. 친환경 자동차에 대한 항목이 추가되고 세분화가 시작된 것은 그만큼 수요가 증가하고 있으며 더불어 화재 발생도 증가를 의미하고 화재 원인조사나 예방대책의 중요성 역시 증가할 것이 분명하다. 그 동안, 하이브리드 자동차에 대한 통계 관리가 다소 충분하지 않았다는 것은 하이브리드 자동차 화재 사례가 많지 않았다는 것으로 짐작할 수 있으나, 앞으로 친환경 자동차에 대한 관심과 요구가 높아짐에 따라 하이브리드 자동차에 대하여 적합한 화재감식이 뒤따라야 할 필요성이 충분하다고 여겨진다.

그러한 의미에서 본 연구에서는 시뮬레이터를 활용하여 하이브리드 자동차에 대한 원리 및 특성에 따른 발화 가능성과, 고전압 배터리에 대한 구체적 발화 가능성에 대한 검토분석을 제시하고자 구상하였다. 좀 더 세부적인 연구범위는 첫째, 고전압 케이블로 연결된 전기모터와 고전압 배터리 사이에서의 발화 가능성, 그리고 둘째, 고전압 배터리 및 부속 부품 자체에서의 발화 가능성에 대한 분야로 설정하였다.


2. 본 론
2.1 하이브리드 자동차
2.1.1 하이브리드 자동차 개념과 종류

하이브리드 자동차의 일반적인 의미는 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동하는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료를 사용하여 동력을 얻는 엔진과 전기로 구동시키는 전기모터 시스템을 말하며, 영문으로는 Hybrid electric vehicle(HEV)로 부른다. ‘혼합’이라는 의미를 갖고 있는 하이브리드(Hybrid)는 성질이 다른 두 가지의 기능이나 역할이 하나로 합쳐진다는 의미로 사용되며, 엔진의 동력과 전기 모터의 동력을 함께 사용하여 연비를 향상시킬 수 있는 친환경 자동차라 할 수 있다. 휘발유 + 전기, 경유 + 전기, LPG + 전기, CNG + 전기 등 2개의 동력원을 함께 쓰는 차를 의미하나, 일반적으로는 휘발유 엔진과 전기를 함께 쓰는 방식의 자동차가 주로 이용되고 있다.1-3)


Fig. 1 
Structure of hybrid car

하이브리드 자동차는 소프트 타입, 하드 타입, 플러그-인 타입으로 구분된다. 소프트 타입은 변속기와 모터 사이에 클러치를 두어 제어하는 FMED(Flywheel mounted Electric Device) 타입이다. 하드 타입은 엔진과 모터 사이에 클러치를 설치하여 제어하는 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 타입으로, 저속 상태에서는 전기 모터로 주행할 수 있고, 전기 모터로 주행 중 엔진 시동을 위한 별도의 HSG(Hybrid Starter Generator)가 장착되어 있으며, 엔진 시동 기능 및 약간의 충전 기능을 가지고 있다. 플러그-인 하이브리드 타입은 전기차 주행 능력을 확대한 차량으로, 배터리의 용량이 보다 커지게 된다. 또한 가정용 전기 등 외부 전원을 사용하여 배터리를 충전할 수 있다. 차량 구조는 하드 타입과 유사하며, 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 중간 단계 차량이라고 할 수 있다.4,5)

Table 1 
Vehicle type applied by type
HEVsystem Parallel type Power split
FMED TMED
EV mode EV (x)
Mile(soft) type
EV (o)
Full hybrid (hard) type
EV (o)
Full hybrid (hard) type
Structure
Case Avante
Civic
Sonata
K5
Prius
Carmy
ML450

2.1.2 하이브리드 자동차의 구성

하드 타입의 하이브리드 자동차를 기준으로 하이브리드 시스템 구성은 전기모터 주행이 가능하기 위해서 고전압 배터리, 대용량 모터, HSG, EOP, AHB, 엔진 클러치 등으로 구성되어 있다.


Fig. 2 
System structure of hard type

2.1.2.1 하이브리드 모터

하이브리드 전기 자동차는 소형, 경량, 고출력이면서 고효율인 모터 구동 시스템을 필요로 한다. 이러한 요구에 대응하기 위해 기존의 하이브리드 자동차의 모터 구동 기술을 토대로 주 동력원으로 사용하는 구동모터와 엔진의 시동과 발전기 역할을 수행하는 기동 발전기(HSG)가 있다.


Fig. 3 
Structure of hybrid motor

2.1.2.2 고전압배터리

고전압배터리는 리튬이온 플리머 배터리로 일반적으로 트렁크룸에 장착된다. 고전압 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리에 대한 제반적인 상태를 총괄하여 관리하며 제어하는 일종의 제어수단으로서, 하이브리드 차량의 통합 제어를 수행하는 차량의 주 제어기(HCU)에 배터리의 SOC 정보를 알려줌으로써, 발전제어와 주행제어를 지원해주는 역할을 한다. 하이브리드 자동차는 이러한 고전압 배터리를 포함하고 있어서 시스템이나 차량을 잘못 건드릴 경우 심각한 누전이나 감전 등의 사고로 이어질 수 있으며, 이러한 배터리와 접속되어 있는 고전압 케이블 및 각종 전선상의 전기적 요인으로 화재가 발생할 수 있다.6,7)


Fig. 4 
Structure of high voltage battery


Fig. 5 
Location of safety plug and fuse

고전압배터리에는 주요 부품으로 고전압메인릴레이와 안전플러그가 있다. 고전압메인릴레이의 파워릴레이어셈블리(PRA)는 (+),(-) 메인릴레이, 프리챠지 릴레이, 프리챠지 레지스터, 배터리 전류 센서로 구성되어 있다. PRA는 배터리 팩 어셈블리 내에 위치하고 있으며, 고전압 배터리와 BMS ECU의 제어 신호에 의한 인버터의 고전압 전원 회로를 제어한다.

안전 플러그는 고전압 배터리의 뒤쪽에 위치하고 있으며, 하이브리드 시스템의 정비 시고전압 배터리 회로 연결을 기계적으로 차단하는 역할을 한다. 고전압계 부품으로는 고전압 배터리, 파워릴레이 어셈블리, HPCU, BMS ECU, 하이브리드 구동 모터, 인버터, HSG, LDC, 파워케이블, 전동식 컴프레서 등이 있다. 그리고, 안전 플러그 내부에는 과전류로부터 고전압 시스템 관련 부품을 보호하기 위해서 고전압 메인 퓨즈가 장착되어 있다.

2.1.2.3 엔진클러치

엔진 클러치 제어란, 차량이 EV 모드로 주행하다가 엔진 동력으로 전환할 때 정지 상태의 엔진을 작동 중인 HEV 모터와 충격 없이 연결하는 기술로 HEV의 핵심 제어 기술 중 하나이다. 엔진 클러치는 엔진과 HEV 모터 사이에서 엔진의 동력을 HEV 모터로 연결하는 핵심 부품이며, 변속기 어셈블리 내부에 있다.8-10)

HPCU(Hybrid Power Control Unit)는 HCU(Hybrid Control Unit), 인버터(MCU: Motor Control Unit), LDC(Low voltage DC‐DC Converter)의 부품으로 구성된다. 엔진과 전기모터를 주행 상황에 맞게 상호 연동하는 제어 기술로 메인 제어 유닛인 HCU와 MCU, LDC가 함께 내장되어 있으며. HCU는 메인 컴퓨터로 ECU, TCU, MCU, BMS, LDC 등을 상위에서 제어하는 컨트롤 타워 역할을 한다.11-13)


Fig. 6 
Structure of engine clutch


Fig. 7 
Location of HPCU and inside

2.2 하이브리드 자동차 시뮬레이터 실험

경기도 화재조사 전문위원 변영호 교수의 자문과 보험개발원 자동차기술연구소의 손정배 연구원의 협조를 받아 시뮬레이터를 구동하였으며, ➀ 하이브리드 자동차의 기본제원 및 시스템 ② 일반 자동차와 다른 특수성 및 발화 가능성 ③ 화재 감식 시 주의사항 등 3가지에 대한 시뮬레이터를 진행하였다.

2.2.1 시뮬레이터 기본제원
Table 2 
Specifications of SONATA YF 2.0
Specifications Engine specifications
Length 4,820 mm Type Serial, DOHC
Wide 1,835 mm Cylinder quantity 4
Hight 1,470 mm Cylinder internal diameter 81.0 mm
Engine type V 2.0 MPI Cylinder stroke 97.0 mm
Exhaust 1,999 CC Compression ratio 12.5 ± 0.2 : 1
Max. HP 30 kW Ignition order 1-3-4-2

Table 3 
Motor specifications of SONATA YF 2.0
Category Start motor HGC motor
Type Permanent magnetic motor Permanent magnetic motor
Function Start / Generator Engine start, Generation
Voltage 270 V 270V
Max. output 30 kW, 1.4 ~ 6 krpm 8.5 kW, 1.9 ~ 12 krpm
Max. torque 205 N.m, 0~14 krpm 43.2 kW, 0 ~ 1.9 krpm
Max. speed 6,000 rpm 15,000 rpm
Cooling system ATF cooling Cooling water

Table 4 
Invert specifications of SONATA YF 2.0
Type Item Ref.
Inverter Motor Max. 245 A Control motro torque
650 V/400 V Power module
HSG Max. 125A Control HSG torque
650 V/200 V Power module
Package Location : Engine room
Capacity : 9.2ℓ
Total capacity : 12.5 kg

2.2.2 시뮬레이터 실험

시뮬레이터 실험은 D기술개발원에 있는 자동차시술연구소에서 실시하였으며, 현대자동차의 소나타 2.O HEV를 대상으로 하였다.

- 일시 : 2017. 2. 22. (월) 09:00~17:00
- 장소 : D기술개발원 자동차기술연구소
- 장비 : SONATA YF 2.0 HEV
- 개요

시뮬레이터 실험은 Fig. 8에서 보는 바와 같이 여러 단계를 거쳐 이루어진다. 첫째, 화재 실험을 앞두고 필요한 자료를 준비한다. 둘째, 하이브리드 자동차 이론 및 자료를 분석한다. 셋째, 하이브리드 자동차 시뮬레이터의 기본제원을 파악한다. 넷째, 시뮬레이터 구동장비를 소개하고 확인한다. 다섯째, 시뮬레이터를 실제 구동해 본다. 여섯째, 시뮬레이터 시스템을 작동한다. 일곱째, 전기모터를 작동한다. 여덟째, 하이브리드 스타트 제너레이터를 확인한다. 아홉째, 저전압 직류 변환장치(LDC)를 확인한다.


Fig. 8 
Sequence and content of experiments

시뮬레이터 실험이 제반 성능을 확인하는 기능이 우선이겠지만, 고전압의 밧데리와 주변 연결장치들의 유기적인 기능이 이루어지지 않을 때 화재 등 사고로 이어지는 위험성이 있는 만큼 충분히 시뮬레이터 실험의 의미가 있을 것이다.

2.2.3 고전압배터리 회로도와 설치위치

하이브리드 자동차의 동력에너지는 고전압배터리에서 나온다. Fig. 9는 고전압 배터리 내부 회로도이다. 고전압배터리 1팩은 270 V인데, 이는 9모듈(module) × 8셀(cell) × 3.75 V의 용량이다.


Fig. 9 
High voltage internal schematic

Fig. 10은 고전압 배터리 및 케이블 설치위치이다. 각각 DC 퓨즈(Fuse)와 트렁크룸 정면에서와 후면에서의 고전압배터리 모습이다.


Fig. 10 
DC fuse and trunk room high voltage battery

한편, 국내 하이브리드 자동차는 대부분 리튬이온 폴리머 배터리를 장착하고 있다. 이에 반해 수입자동차는 80 %이상 니켈 메탈수소 배터리를 사용하고 있다. 수입자동차의 경우 사고 발생 시 경우에 따라 전해질 누출의 위험성이 있는 것으로 알려지고 있다. Table 5는 차종에 따른 고전압 배터리의 제원을 나타내고 있다.

Table 5 
High voltage battery type
Type Nickel cadmium Nickel cadmium hydrogen Lithium-ion Lithium-ion polymer
Voltage (V) 1.2 1.2 3.5~3.8 3.6~3.8
Energy density (Wh/kg) 35 50~60 90~120 180~200
Environmental pollution Exist None None None
Strengths Low price Long life, Safety, Low price Wright, High energy density Safety, Small volume
Weakness Environmental pollution,
Low energy density
Quick charging difficult High price, Decline safety High price
Vehicles Imported vehicles over 80 % Hyundai Kia Motors

2.3 시뮬레이터 결과
2.3.1 고전압 케이블 등의 발화 가능성

고전압 배터리에서 분기된 케이블을 따라 고압전류가 흐르고 있으며, 고전압 배터리가 설치된 트렁크룸에서 차량하부를 지나 엔진룸 내부 부품까지 고전압 케이블이 연결되어 충돌 시 케이블의 절연파괴와 배터리의 연소위험, 즉 2차 사고의 발생 가능성이 잠재되어 있다.


Fig. 11 
High voltage battery cable at risk of fire

2.3.2 고전압 배터리의 발화 가능성

하이브리드 자동차는 직렬로 연결된 수백 개의 셀을 필요로 하기 때문에 하나의 고장이 심각한 결과를 초래할 수 있고, 1개 셀에서 발생된 고장이 전체 배터리 팩의 화재나 폭발을 일으킬 수 있으며, 셀 과전압은 셀 온도를 빠르게 증가시켜 가스가 새어나오는 열 폭주 조건을 발생시킬 수 있다.


Fig. 12 
Fire risk at high voltage battery


Fig. 13 
Fire risk at high voltage battery


3. 결 론

하이브리드 자동차는 일반 자동차보다 세밀하고, 정교한 화재 감식을 요구한다. 특히, 화재조사자는 먼저 3가지 사항을 확인할 필요가 있다. 먼저, 고전압 배터리 안전플러그 탈착을 한다. 다음 12 V 보조 배터리 음극(-극) 분리하고, 그 다음에는 5~10분 이상 대기 후 테스터기로 DC-Link 전압이 0 V임을 확인 후 감식을 실시한다.

3가지 사항 확인 후에는 다음과 같은 주의사항을 확인하면서 감식을 실시해야 한다.

첫째, 차량 하부를 확인하여 연료 및 배터리 내 전해액 누출여부를 확인하고, 전해액 접촉에 주의한다.

둘째, 전압 측정기를 이용하여 차량 내 고전압 누전여부를 확인한다.

셋째, 차량의 엔진이 멈춰있다 하더라도 오토스톱 기능이 작동하고 있을 경우 기어레버 및 가속, 브레이크 폐달 등으로 엔진이 재 시동될 수 있으므로 시동키를 돌려 시동을 제어한다.

넷째, 리튬이온 폴리머 배터리는 고온의 열원에 일정시간 이상 노출되었을 때 전해액 분해에 의한 가스방출 가능성이 있으므로, 불꽃, 스파크 등의 점화원이 있는 경우 화재폭발을 일으킬 수 있다.


References
1. Society of Automotive Engineers, Cleaning the Hybrid Electric Field, Seoul, (2017).
2. National Statistical Office, Hybrid Registration Ratio and Growth Ratio, Seoul, (2017).
3. Korea Insurance Development Institute Motor Technical Institute, Hybrid Vehicle Structure, Seoul, (2017).
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5. J. W. Kim, and G. J. Yong, “A Study on Maximum Power Measurement Method for NOVC-type Hybrid Electric Vehicle”, Journal of Auto-Vehicle Safety Association, 10(2), p36-42, (2018).
6. National Fire Agency, National Fire Information System Statistics, Korea, (2016).
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9. Nnewscj, 22 Million Car Registration, Korea, (2018).
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12. I. C. Chung, M. K. Kim, H. H. Kang, J. I. Park, and J. H. Lee, “Fuel Economy Analysis of Hybrid Electric Vehicles in On-road Driving Condition”, Transactions of KSAE, 25(4), p408-414, (2017).
13. J. M. Kim, “A Study on the Comparative Analysis of Plug-in Hybrid Electric Vehicle Powertrain for the First and Second Generation Volt”, Transactions of KSAE, 26(1), p1-10, (2018).