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전기자동차 UN 세계기술규정 개발 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2014-12-17 10:11:48

본문

1. 서론

전 세계적으로 전기자동차 관련 기술의 발전으로 전기자동차 양산차종 및 판매량이 지속적으로 증가되고 있음에 따라 전기자동차 운행상태 및 충돌사고 후 고전압 전기장치에 의한 전기적인 쇼크와 충전형 에너지 저장장치(REESS : Rechargeable Energy
Storage System)의 잠재적인 위험요소에 대한 탑승자 보호 안전성 확보 필요성이 대두되고 있다.

이에 UN 경제사회이사회(유럽지역경제위원회) 산하‘자동차 기준 국제조화 회의’기구인 UN/ECE/WP.29(World Forum for Harmonization of Vehicle Regulations)에서는 GRSP(충돌안전 전문가그룹)에 전기자동차 실무그룹(Electric Vehicle Safety Informal Group)을 구성하고 과학적, 기술적 근거를 바탕으로‘전기자동차 세계기술규정(GTR :
Global Technical Regulation)’을 개발하고 있다.

2012년 3월부터 논의를 시작하여 2015년말까지 제정을 목표로 각국의 전문가 70~80여 명이 적극적으로 참여하고 있다.

특히 2014년 11월에 우리나라에서 제6차 전기자동차 전문가기술회의가 개최될 예정이어서 더 많은 관심이 요구되고 있다. UN/ECE/WP.29에서 자동차 UN Regulation(구 ECE Regulation) 및 UN GTR을 제?개정하면 각국(협정 가입국)은 이를 자국의 안전기준으로 채택하게 된다.

2. 전기자동차의 구성 및 특징

전기자동차는 그림 1과 같이 전기모터 및 감속기, 인버터, 충전기, 배터리, 배터리관리시스템 등으로 구성되어 있으며 엔진이 없고 외부로부터 배터리에 전기를 충전하여 그 전기를 사용하여 운행하는 자동차이다. 전기자동차의 모터는 전기에너지를 기계에너지로 변환하여 드라이브 라인에 동력을 공급한다.

전기자동차에서 배터리는 핵심 요소기술 중에 하나이며 니켈-수소전지, 리튬이온전지, 리튬이온폴리머전지 등 성능과 안전성 측면에서 기술적인 진보를 거듭해오고 있다.

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전기자동차는 일반적으로 작동전압 300V 이상의 고전압 배터리로부터 전원을 공급받아 구동하는 방식으로, 사용자가 이러한 전압에 직접 접촉되면 감전 등 전기적인 상해를 입게 된다.

또한 차체와 고전원 전기장치 간에 서로 절연이 되어 있지 않거나 충돌 사고가 일어나서 차체에 고전압이 인가될 경우 인체에 큰 전류가 흐르게 되어 위험한 결과를 야기할 수도 있다.

3. 전기자동차 세계기술규정 개발절차 및 구성

3.1 전기자동차 GTR 개발절차

전기자동차 GTR 개발절차는 전기자동차의 잠재적인 위험요소를 확인하고 각 위험요소에 대한 안전성 요구조건의 목적, 범위, 기준, 평가절차 및 타당성 근거 확보 등을 위한 조사, 분석 및 평가를 거쳐 규정을 개발한다. 현존 평가방법과 연구에 기반한 시험절차를 개발하고 기술적으로 지원이 불가능한 설계 제한적인 요구조건과 규정은 지양한다. 기타 고려사항으로 자동차 충전구와 차-대-외부전원 간 통신(지능형 충전) 표준을 마련하고, 제작자 또는 응급 구조대를 위한 가이드라인 또는 요령을 마련한다.

3.2 전기자동차 GTR(안) 구성

2012년 3월부터 2014년 5월 현재까지 논의를 거쳐 전기자동차 세계기술규정 초안이 도출된 상태이다. 도출된 초안을 토대로 타당성 확보를 위한 조사, 분석 및 평가를 수행하면서 GTR을 개발하고 있다.

전기자동차 GTR(안)은 Part A(서문)와 Part B(법규)로 구성되어 있다. Part A는 전기자동차 GTR을 개발하게 된 배경, 각국의 관련 법규 현황 검토, 각 분야별 기술적인 배경 및 GTR 시행에 따른 비용?편익분석 등의 내용이 수록될 예정이다. Part B는 법규 본문으로 가) 개요 및 적용범위 나) 전기자동차의 전기적 충격 안전성(운행중 및 충돌시) 다) 충전형 에너지 저장장치(REESS) 안전성(운행중 및 충돌시) 라) 셀/모듈/시스템 안전성 마) 시험방법 등으로 구성되어 있다.

4. 전기자동차 세계기술규정(안)

4.1 개요 및 적용범위

전기자동차의 고전압 시스템으로부터 발생되는 위해성으로부터 인체를 보호하는 것이며, 저속 자동차를 제외한 4.5t 이하 모든 차종이 포함되며, 화물자동차 및 버스 등의 대형차 포함 여부가 논의 중이다.

4.2 전기자동차의 전기적 충격 안전성 (운행중)

4.2.1 방수

REESS 및 모든 고전압 부품에 적용되며, 내수성 기준과 시험방법 등에 대한 논의를 지속하고 있다. 방수 규정에 대하여 절연저항 모니터링 기능이 있는 경우 방수 규정이 적용되지 않으며, 모니터링 기능이 없는 고전압 부품의 경우 방수 규정을 적용해야 한다는 의견이 있다.

4.2.2 REESS의 저 에너지 상태 표시

사용중 상태에서 저 에너지 상태 표시 규정으로, REESS의 저에너지 상태를 운전자에게 알림으로서 도로에서 발생할 수 있는 사고(자동차 정지)를 방지해야 하나 규정 제정의 당위성이 필요하다.

4.2.3 충전형 에너지 저장장치(REESS)의 경고장치

REESS의 전반적인 고장에 대한 경고장치가 필요하다. 과충전, 과방전, 과온상태의 위험성을 광학적 신호 또는 계기판에 문자정보를 통해 운전자에게 알려야 하는 규정이 제안되고 있다.

또한 일반 자동차가 연료량이 낮을 경우 경고등을 통해 알리는 것과 같이 전기자동차의 경우에도 저에너지 상태로 충전이 필요함을 알리는 경고방안이 검토 중이다.

4.3 전기자동차의 전기적 충격 안전성 (충돌시)

4.3.1 충돌 후 전기감전 방지 (저 에너지 조건)

충돌 후 저 에너지(전기에너지 0.2J 미만) 옵션만으로도 안전하나, 충돌 후 0.2J 미만의 전기 에너지 옵션만으로는 충분히 안전하지 못하다는 의견도 제시되었다.

4.3.2 충돌 후 전기감전에 대한 보호 (물리적 보호 조건)

ISO-20653(Road Vehicle-Degree of Protection: IP Code) 등에서 물리적 보호를 충돌 후 전기안전규정으로 채택하고 있으나, 절연저항이 없는 물리적 보호는 안전하지 않으므로 추가연구 데이터가 필요한 상황이다 (그림 2).

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4.3.3 충돌 후 절연저항

현행 UN R100(전기자동차)은 DC와 AC Bus간 전기적 절연이 DC는 100Ω/V 이상, AC는 500Ω/V 이상을 요구하고 있으며, DC와 AC Bus간 전기적 연결은 DC, AC 모두 500Ω/V 이상을 요구하고 있다. 한편, 미국의 FMVSS(Federal Motor Vehicle Safety Standard) 305(전기자동차, 전해액 누출 및 전기적 충격방지)는 모든 경우 500Ω/V 이상 단, 절연저항 모니터링 기능이 있는 DC 단자에는 100Ω/V 이상 허용하고 있다. 두 가지 규정을 비교 논의한 결과 현행 UN R100과 같이 규정하는 것으로 잠정 합의된 상태이다.

4.3.4 충돌 후 전해액 누출

자동차 충돌 후 30분 동안의 전해액 누출량은 REESS내 전체 전해액의 7% 이하, 수용성은 7% 이내 전해액 누출을 허용하고, 비수용성은 누출이 없어야 하나, 비수용성 전해질에 대한 논의 및 용어정의를 명확하게 하고, 전해액 정량(5ℓ) 및 비율(7%) 중 어떤 것이 타당한지에 대하여 논의하고 있다.

4.4 충전가능형 에너지 저장장치 안전성 (운행중)

REESS에 대하여 진동, 열충격 및 열사이클, 기계적 충돌 및 충격, 기계적 적합성, 외부단락보호 등 논의, 시험 시 온도조건, 진동시험 시 진동 프로파일 등 의 이슈들에 대하여, 형식승인 및 자기인증에 공히 적용될 수 있도록 구체적으로 논의되고 있다.

4.4.1 진동시험

복합진동 시험의 세부내용 및 시험절차를 마련 중이다. 현재 논의 중인 GTR 초안 상의 진동시험 기준인 전해질 누출, 발화, 폭발에 연기발생을 추가 하자는 제안이 있었으나 연기발생은 REESS의 과열, 발화, 폭발방지를 위한 보호 기능으로 기준항목으로 부적절하다는 등 진동시험에 대한 다양한 논의가 진행되고 있다.

4.4.2 열충격 및 사이클 시험

이 요건은 사용수명을 위한 규정이 아니며, 열 충격시험은 자동차 사용 환경 하에서 전체 시스템으로써의 기본적인 안전 설계를 확인하기 위한 시험으로 이론적으로는 1회의 시험만으로 충분하다는 입장이다.

열충격 시험시 고온조건은 실차 실내온도가 70℃이상 올라가므로 60±2℃보다 높은 온도가 필요하다는 주장과 열충격 횟수가 5회만으로 충분한지, 또한 열충격 및 사이클 시험 후 전해액 누출 여부 확인시 REESS를 분해하지 않고 육안으로만 확인하는 것으
로 하고 있으나 REESS 내부 전해액 누출을 허용할것인지 등에 대한 논의가 진행 중이다.

4.4.3 연소시험 (한국 제안)

우리나라는 REESS 연소시험 구성품 기반 시험에 국내의 연소시험 방법을 현재 논의 중인 GTR 초안상의 시험방법을 선택하여 적용할 수 있도록 제안하였다. 현재 두 가지 연소시험간의 연소온도 등 시험조건의 동등성 및 타당성과 국내 연소시험 조건 형성을 위한 시험장치 구성에 대하여 연구 중이며, 연소시험의 화염 노출시간 등 기본적인 사안에 대하여 추가로 논의할 예정이다.

4.4.4 보호장치 없는 REESS 시험

REESS의 외부단락, 열충격 사이클, 과충전 보호, 과방전 보호, 과열 보호 등 안전시험시 관련 보호장치 없이 시험 실시하는 것은 부적절하므로 논의 초기에는 모든 사안을 검토하고 부적절한 사항은 향후 수정하기로 했다.

4.4.5 과열보호 시험

보호장치 없이 과열보호 시험시, 제작사가 제시한 최대 작동온도까지 온도를 증가시키는데 만일 제작사가 정한 온도가 낮다면 이를 따르는 것에 대한 정당성여부, 과열 보호를 위한 최소한의 온도조건이 필요하다. 반면 REESS 유형에 따라 작동온도의 범위가 서로 달라 온도조건의 일반화가 곤란하므로 시험 REESS의 온도가 REESS로 부터 발생한 열이 온도제어 범위를 초과하면 어떤 온도값도 시험에 적용 가능하다는 상반된 입장이 있어 추가논의가 필요하다.

4.4.6 REESS 시험시 충전조건

REESS의 시험시 충전조건을 정상사용의 50% 이상으로 규정하나 배터리는 충전상태가 높을 때 더 위험하므로 실차 사용범위 중 최고 충전상태로 시험해야 하나(과충전/회생제동에 의한 과충전 등) 시험 마진 고려하여 95%(또는 100%)로 하는 방안과 전기자
동차의 구조 및 차종별로 충전상태 사용범위가 상이하므로 50%로 하자는 주장이 있어 추가 논의가 필요하다.

4.5 REESS의 에너지 방출

충돌사고 자동차 또는 A/S시 감전사고 위험을 감소시키기 위한 에너지 방출에 대한 논의항목으로 손상된 자동차의 REESS로부터 전기에너지의 방출을 가능하게 하는 구조 요건 및 A/S시 에너지 방출절차에 대한 요건이 논의되고 있다.

4.6 셀, 모듈, 시스템 안전성

시스템 레벨 시험에서 안전이 검증된다면 셀 또는 모듈 단위 시험은 불필요할 수 있으나 내부단락이나 열폭주 등은 BMS에 의해 모니터링 되지 않을 수 있으므로 셀?모듈?시스템 단위의 REESS 안전성 평가방안에 대하여 지속적인 연구와 논의가 있을 예정이다.

5. 결론

전기자동차의 잠재적인 위험요소에 의한 탑승자 보호 안전성을 확보하고, 전기자동차의 상용화를 촉진시키기 위해 UN/ECE/WP.29에서 개발 중인 전기자동차 세계기술규정(안)에 대하여 살펴보았다. 전기자동차는 기존의 내연기관과 패러다임이 다른 새로운
동력원을 사용하는 신기술의 출현에 따라 각국 및 제작사는 주도권을 잃지 않으려고 노력하고 있다.

우리나라는 전기자동차나 배터리 등 보유 기술력 대비 법규 제정 논의 대응에 약간은 소극적인 느낌이다. 따라서 국내 전기자동차 관련 산업계의 국제법규대응 중요성과 필요성에 대한 인식전환 및 적극적인 참여가 필요하다.

 

 

글 / 이재완 (자동차안전연구원)
출처 / 오토저널 14년 9월호 (http://www.ksae.org)

 

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