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전기동력자동차 충돌후 전기적 안전 표준 개발현황

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2015-01-20 06:03:52

본문

1. 표준의 배경

해마다 이맘때 모터쇼 기간이 되면 올해는 또 어떤 전기동력자동차가 나오게 될까 궁금해진다.

글 / 한창수 (자동차부품연구원)
출처 / 오토저널 2014년 10월호

이미 모터쇼에서 하이브리드 자동차는 특별히 홍보하지 않으면 그냥 지나칠 정도로 많은 차량들의 하이브리드화가 이루어져 있으며, 충전기와 함께 전시되는 전기자동차나 플러그인 하이브리드 자동차가 그 뒤를 이어 스포트라이트를 받고 있다.

그러나 모터쇼에서의 관심과는 달리 2013년도 미국시장 기준 전기동력자동차의 판매대수는 60만 대로서 미국내 전체 자동차 판매대수의 3.84%만을 차지하고 있어 생각보다는 그 비율이 작은 편이다. 반면 전기자동차의 화재는 일반 자동차의 화재보다 훨씬 큰 이슈가 되고 있으며 특히 2013년, 2014년 보도된 테슬라 모델S 전기자동차의 화재와 쉐보레 볼트 플러그인 하이브리드 자동차의 배터리 화재는 발생원인과 CEO의 대응 등으로 많은 관심을 일으켰던 사건이다.

특히 사고발생시 탑승자 뿐만 아니라 최초로 사고차량에 접근해야 하는 구급대원들은 전기동력자동차 특유의 위험에 항상 노출되고 있다. 따라서 미국과 유럽에서는 전기동력자동차의 사고시 대비하기 위한 다양한 교육 커리큘럼을 마련하고 있으며, 이에 발맞추어 국제표준기구인 ISO에서도 전세계의 전문가들과 함께 전기동력자동차 안전표준을 개발하고 있다.

2. 전기동력자동차 안전표준 및 ERG

전기동력자동차란 전기 모터를 주동력 또는 보조동력으로 사용하여 주행할 수 있는 자동차로서 전기자동차, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 연료전지자동차 등을 통칭하는 용어이다.

내연기관자동차의 사고는 주로 충돌시 기계적인 손상이나 연료의 화재가 주를 이루는 반면 전기동력자동차의 사고에서는 배터리의 화재나 수소탱크의 폭발, 전해액에 의한 피해, 전기장치에 의한 감전 등 기계적, 화학적, 전기적인 복합작용까지 포함하므로 안전에 더욱 신중을 기해야 한다.

현재 ISO에서는 전기자동차 안전표준 6469 시리즈 3종과 연료전지자동차 안전표준 23273 시리즈 1종을 발간하였고 국내에서는 이를 부합화하여 KS 표준으로 제정하였다. KS R ISO 6469-1~3은 각각 배터리, 차량, 탑승자에 대한 안전표준이고, KS R ISO 23273은 압축수소 충전 차량에 대한 안전표준이다.

- ISO 6469-1 : 내장형 전기에너지 저장장치
- ISO 6469-2 : 기능적 안전대책과 고장 대비보호
- ISO 6469-3 : 전기적 위험에 대한 인명 보호
- ISO 23273 : 압축수소 충전 차량의 수소위험 방지

전세계 완성차업체는 자사의 차량에 긴급상황 발생시 대응방안을 제공하고 있으며 이를 긴급대응가이드(ERG : Emergency Response Guide)라고 부른다. 이 가이드에는 구조대원들이 사고구조시 숙지해야 하는 모든 내용들이 간추려 들어있으며 내연기관자동차의 경우 에어백, 고강도강판등에 대한 통합적인 유의사항만을 제공하는 것으로도 충분하였다. 그러나 전기동력자동차의 경우 모든 차량의 핵심부품의 구조 및 기능, 전압 및 배터리 특성, 고전압 차단 방법 등이 매우 다양하여 차종별로 제공되고 있으며 이미 그 종류가 150여종을 넘고 있다.

ERG에는 차종, 차량 인식표시, 시스템 구성부품, 에어백 위치 및 전개원리, 고전압라벨 및 태그설명, 저/고전력차단방법, 절단금지영역 표시 등이 상세하게 제공되고 있다. 이 자료를 통해 안전상 중요한 부분을 확인할 수 있는데 에어백 불능시간과 고전압 차단 시간이 그것이다.

일반적으로 에어백은 충격센서에서 감지된 신호를 받아 전개되는데 이때 전개되지 않은 나머지 에어백들은 12V 전원이 연결되어 있는 상태에서는 외부의 충격 등에 의해 언제든지 전개될 가능성이 있어 2차 사고의 위험이 있다. 그러므로 12V전원을 차단한 후 에어백이 작동되지 않도록 하는데까지 소요되는 시간인 에어백 불능 시간은 짧으
면 짧을수록 좋다. 또한 고전압 차단 시간은 12V전원이 차단된 후 200~650V 정도의 고전압을 받고 있는 구동시스템이 60V 이하로 낮아질때까지 소요되는 시간으로서 이 두 시간이 긴급한 상황에서 탑승자의 생존 여부를 판가름하는 중요한 시간이 되고 있다.

(표 1)에는 ERG를 기준으로 다양한 전기동력 자동차의 에어백 불능 시간과 고전압 차단 시간을 보여주고 있으며 각 사별로 다른 값을 보임을 알수 있다. 그러므로 이와 같이 충돌후 안전상 차이가 발생할 수 있는 부분을 줄이고자 ISO 6469-4 표준이 필요하게 되었다.

3. ISO 6469-4 표준

ISO 6469-4 표준은 2011년 11월 독일측의 발의로 충돌 후 전기적 안전에 대한 규격을 제정하기로 하였고 ISO TC22(자동차) SC21(전기자동차) WG1(안전분과)에서 담당하고 있다.

이 표준의 적용 범위는 최대 작동 전압이 교류30~1000V 또는 직류 60~1500V인 전압 등급 B 전기시스템을 적용한 차량의 내부와 외부에 있는 사람을 보호하기 위한 것으로서 충돌 후 전기적인 안전 요건만을 명시하고 있다. 또한 충돌 시험 절차에 대해서는 각국에서 규정하고 있는 표준에 따라 시험하도록 하고 있고 시험 후 전기적인 결과
에 대해서만 규정하고 있다.

충돌 후 전기적인 안전을 확보하기 위해서는 다음과 같은 4가지 기준 중 최소한 하나의 기준을 충족해야 한다.

- 전압 한계 - 절연 저항
- 물리적 보호 - 전기 에너지

3.1 전압 한계

전압 한계는 ERG의 고전압 차단 시간과 같은 개념으로 (그림 1)과 같은 전기동력자동차의 전기회로에서 차량이 초기 충격 후 10초 때 측정한 전압 V1, V2, Vb가 교류 30V 또는 직류 60V 이하여 야 한다. 이 10초라는 시간은 본 표준에서 가장 많은 이견이 있는 부분으로서 각 국에서 규정하고 있는 전압 측정의 시간이 달라 5~60초 내에서 변
동되고 있으며 아직도 확정되지 않았다.

3.2 절연 저항

절연 저항이란 전기가 흐르는 부분과 접지 사이의 저항을 말하는 것으로서 직류 회로에 대해 100 Ω/V, 교류 회로에 대해 500Ω/V 이상을 가지도록 하고 있다. (표 2)를 통해 알 수 있듯이 인체는 미소한 전류만 통과한다고 하더라도 치명적일 수있기 때문에 절연 저항을 통해 위험을 줄이는 것이 필요하기 때문이다.

3.3 물리적 보호

차량이 충돌하더라도 전기적으로 노출되는 부분이 없다면 안전하다고 볼 수 있다. 이 표준에서는 ISO 20653에 따른 보호 등급 IPXXB를 따르는데 손가락이 틈 사이에 들어가 감전되는 것을 가정하여 손가락 형태의 조인트 시험용 핑거를 이용하여 10N ± 10%의 하중으로 시험한다.

3.4 전기 에너지

일반적인 전기동력자동차의 구동시스템은 (그림 3)과 같이 + 극과 - 극 사이의 노이즈 제거를 위한 X-캐패시터와, 극과 접지 사이의 노이즈 제거를 위한 Y-캐패시터를 가지고 있다.

캐패시터의 특성상 전원이 차단된다고 하더라도 일정 시간동안 전기 에너지를 가지고 있는데 사고시 이 잔류 전기 에너지로 인한 감전이 될 수 있으므로 충돌 후 10초 때에 두 캐패시터 내에 저장된 에너지의 합이 0.2J 이내여야 한다.

여기에서도 전압 한계와 마찬가지로 10초라는 시간은 아직 정해지지 않은 시간이다. 이 시간이 정해지면 완성차업체들은 그 시간내에 캐패시터내에 잔류 전기 에너지를 소진시키기 위한 방안을 강구해야 하며 기술적인 한계나 비용상승을 가져 올 수 있는 심각한 문제가 될 수 있는 중요사안이다.

4. 향후 진행방향 및 국내 대응 방안

본 표준은 현재 마지막 단계인 FDIS 투표에 앞서 수정작업을 진행 중에 있으며 올해 10월 회의가 끝나면 어느 정도 마무리될 예정이다. 그러나 아직도 10초냐 60초냐를 두고 독일, 일본, 프랑스등이 자국의 규정과 자사의 기술력을 비교하며 저울질을 하고 있는 실정이다. 이는 독일(Daimler, VW), 일본(Toyota, Honda, Nissan), 프랑스(Renault), 미국(Ford) 등 각국의 표준 전문가들이 주로 완성차업체에서 참여하고 있으므로 실제적인 논의가 되고 있다.

반면 국내에서는 완성차업체나 부품업체의 전문가들의 참여가 거의 없어 추후 표준개발이 완료된 후 대처하는 것은 시간적, 비용적인 측면에서 불리하리라는 것은 누구나 미루어 짐작할 수 있다. 물론 완성차업체나 부품업체들이 국제회의에 참석하기는 현실상 쉽지 않고 오히려 직접규제를 받고 있는 EMI, 연비 등에서 적극적으로 활동하는 것은 이해가 되는 것이다.

그러므로 대안으로서 국내 완성차업체, 부품업체, 연구소 및 학계 전문가들로 각 표준별 전문가 워킹그룹을 구성할 때 적극 참여하여 새로운 기술정보를 제공받고 의견을 개진함으로서 표준 개발이라는 새로운 세상을 맛보시기를 적극 권장하는 바이다.
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