리튬이온 배터리 ESS의 전기적 요인에 의한 화재 발생 분석 = Analysis of Fire Incidents Caused by Electrical Factors in Lithium-Ion Battery Energy Storage Systems

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aimed to analyze the fire occurrence characteristics of Lithium-ion Battery-based Energy Storage Systems by classifying them into stationary and mobile ESS, and to interpret the electrical fire risk pathways according to their operating types. To this end, ESS fire cases were classified based on fire causes and seasonal occurrence characteristics, and the major risk conditions observed in each operating type were examined from an electrical perspective.

The analysis results showed that, among 58 fire cases involving stationary ESS, thermal factors accounted for the highest proportion, with 29 cases. Seasonally, fires tended to be relatively concentrated in autumn and winter. This tendency was related to the long-term operation of stationary ESS in container-type structures where battery Cells, Modules, Racks, and high-voltage components are densely arranged. In addition, condensation, insulation resistance degradation, low-temperature charging, High State of Charge, and High-Voltage operating conditions were found to potentially lead to electrical and electrochemical abnormalities.

In contrast, among a total of 234 mobile ESS fire cases, electrical factors accounted for 56 cases when other or unknown factors were excluded, representing the next highest category. The number of fires in spring, summer, and autumn was similar, while winter showed a slightly lower number of fire incidents than the other seasons. Therefore, it is difficult to conclude that mobile ESS fires are concentrated in a specific season. This is because fires in mobile ESS are influenced more significantly by operating factors, such as repetitive vibration and shock, dynamic current fluctuations, and high-voltage conditions, than by seasonal factors. Specifically, vibration and shock were identified as key contributors to an increased risk of fire because they can cause increased contact resistance, insulation damage, Ground Faults, Short Circuits, heat generation or damage at contact points, which may lead to electrical arcs, and internal micro-short circuits within Cells. These conditions were identified as major factors that may increase the fire risk of mobile ESS.
Through this study, it was found that although stationary and mobile ESS are based on the same LIB technology, their fire risk conditions are formed differently depending on their installation structures and operating environments. Therefore, for ESS fire prevention, it is necessary to establish a prevention-oriented safety management system that reflects the risk characteristics of each operating type, rather than managing stationary and mobile ESS under the same criteria.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 리튬이온 배터리（LIB, Lithium-Ion Battery） 기반 에너지저장시스템（ESS, Energy Storage System）의 화재 발생 특성을 고정형과 이동형 에너지저장시스템（ESS）로 구분하여 분석하고, 운용 형태별 전기적 화재 위험 경로를 해석하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 에너지저장시스템（ESS） 화재 사례를 화재 발생 요인과 계절별 발생 특성으로 분류하고, 각 운용 형태에서 나타나는 주요 위험 조건을 전기적 관점에서 검토하였다.

분석 결과, 고정형 에너지저장시스템（ESS）는 총 58건의 화재 사례 중 열적 요인이 29건으로 가장 높은 비중을 차지하였으며, 계절별로는 가을과 겨울철에 상대적으로 집중되는 경향을 보였다. 이는 컨테이너 내부에 배터리의 셀（Cell）, 모듈（Module）, 랙（Rack） 및 고전압 부품이 밀집된 구조로 장기간 운용되는 특성과 관련이 있으며, 결로（Condensation）, 절연저항 저하, 저온 충전, 고충전 상태（HSOC, High State of Charge） 및 고전압 운용 조건이 전기적 및 전기화학적 이상으로 이어질 수 있음을 확인하였다.

반면 이동형 에너지저장시스템（ESS, Energy Storage System）은 총 234건의 화재 사례 중 기타 요인을 제외할 경우, 전기적 요인이 56건으로, 다음으로 높게 나타났으며, 계절별로는 봄, 여름, 가을의 화재 발생 건수는 비슷한 수준을 보였으나 겨울은 다른 계절보다 다소 낮아 계절 차이가 크지 않아 이동형 에너지저장시스템（ESS） 화재가 계절에 집중되었다고 보기는 어렵다. 이는 이동형 에너지저장시스템（ESS）의 화재가 계절 조건보다 주행 중 반복되는 진동과 충격, 동적（Dynamic） 전류 변화 및 고전압 운용 조건의 영향을 크게 받기 때문으로 진동과 충격으로 이루어진 접촉저항 증가와 절연 피복 손상, 지락（Ground Fault） 및 단락（Short Circuit）, 접촉부 발열 증가와 손상으로 인한 전기적 아크（Arc）, 셀（Cell） 내부 미세 단락을 유발하여 화재 발생 가능성을 높이는 요인으로 확인하였다.

본 연구를 통해 고정형과 이동형 에너지저장시스템（ESS）은 동일한 리튬이온 배터리（LIB, Lithium-Ion Battery）를 기반으로 하더라도 설치 구조와 운용 환경의 차이에 따라 화재 위험 조건이 다르게 형성됨을 확인하였다. 따라서 에너지저장시스템（ESS） 화재 예방을 위해서는 고정형과 이동형을 동일한 기준으로 관리하기보다, 운용 형태별 위험 특성을 반영한 예방 중심의 안전관리 체계가 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 1. 리튬이온 배터리（LIB）의 원리 및 특성 3
• 2. 에너지저장시스템（ESS）의 구성 13
• 3. 열폭주 발생 및 전파 메커니즘 23
• Ⅲ. ESS 화재 발생 현황 28
• 1. 리튬이온 배터리 ESS의 화재 발생 현황 28
• 2. 리튬이온 배터리 ESS의 운용 형태별 화재 발생 요인 현황 33
• 3. 리튬이온 배터리 ESS의 계절별 화재 발생 현황 37
• 4. 리튬이온 배터리 ESS의 화재 발생 종합 40
• Ⅳ. 전기적 요인 화재 발생 분석 43
• 1. 리튬이온 배터리 ESS의 전기적 화재 발생 원인 체계 43
• 2. 고정형 ESS의 열적 및 계절적 화재 요인 분석 46
• 3. 이동형 ESS의 전기적 화재 요인 및 계절 특성 분석 70
• 4. 고정형과 이동형 ESS의 전기적 화재 경로 비교 95
• Ⅴ. 결론 97
• 1. 연구 결과 97
• 2. 운용 형태별 화재 위험 분석 결과 98
• 3. 결론 98
• Ⅵ. 고찰 99
• 참고문헌 101
• 국문 초록 110
• 감사의 글 112