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회생제동
회생제동(回生制動, regenerative brake)은 전동기의 제동법 중 하나로, 전동기를 발전기 기능으로 동작시켜 운동에너지를 전기에너지로 전환하여 발생한 전력을 전원으로 다시 되돌려 사용하는 제동 방법이다.
목차
개요
회생제동은 전동기가 가지는 운동에너지를 전기에너지로 바꾸어 이를 전원으로 되돌림으로써 제동을 행하는 경제적인 방법으로 직류 전동기에서는 무부하 속도 이상일 때, 유도 전동기에서는 동기속도 이상일 때 이 방식이 적용된다.[1] 또한 전기 공급 시 모터가 회전하고, 회전운동 시 전기가 발생하여 평상시에 충전된 전기를 이용해 회전하면서 모터를 구동하지만, 속도를 줄이고자 할 때는 돌고 있는 모터의 회전으로 전기를 충전한다. 모터는 동력을 발생시키는 회전체와 회전체를 움직이는 고정체로 구성되어 있다. 모터가 운전할 때, 회전체는 돌면서 운동에너지를 만들고 속도를 줄이기 위해 모터의 전류를 차단하면 모터와 연결된 바퀴의 운동에너지가 모터를 구동한다. 이 운동에너지를 전기로 바꾸기 위해 바깥의 고정체에 전류를 흘려주면 고정체가 자성을 띠게 되면서 회전체와 고정체 사이에 전류가 발생한다. 이 과정을 통해 바퀴의 운동에너지는 전기에너지로 전환되게 된다.[2]
특징
회생제동에는 전자기 유도 법칙이 사용되는데 이 법칙은 코일과 자석이 상호 간 운동을 하게 되면 자석의 운동만으로 자기장이 형성되어 코일에 전류가 흐르게 되는 현상이다. 회생제동장치는 코일이 감긴 회전체와 고정체에 자성을 띠게 하여 전류를 만드는 원리를 이용한다. 회생제동장치가 주목받는 이유는 전기자동차의 단점을 보완하는 동시에, 기존 제동장치의 수명을 대폭 증가할 수 있기 때문이다. 전기자동차는 화석연료보다 1회당 주행거리가 짧고 또한 배터리의 개발이 전기자동차 상용화의 급선무인 이유도, 짧은 주행거리로 인한 효율성을 높이기 위함이다. 회생제동은 주행하는 동안 배터리에 전기를 충전하기 때문에 이러한 문제를 보완하는 방법으로써 연구가 진행되고 있으며 회생제동이 사용되는 만큼 기존의 물리적인 제동이 감소하기 때문에 마찰식 제동 시스템의 수명 연장에도 기여한다. 회생제동으로 모든 감속이 이루어지는 것은 아니므로 급제동 시에는 물리적 브레이크 패드가 작동하도록 설계되어 있다. 회생제동장치는 전기자동차, 열차, 승강기 등 가속과 감속이 반복되는 모든 장치에 적용할 수 있다. 전기자동차의 경우, 회생제동장치가 탑재되었더라도 일정 속도로 계속 주행한다면 모터는 전기에너지를 사용한 회전만 하면서 배터리를 소모되기 때문에 정속주행이 오래 지속하는 고속도로나 장거리 주행보다, 신호등이 많고 정차와 출발이 반복되는 도심 내 주행이 전기자동차의 에너지 소비 효율이 높다. 전기모터는 가동 직후에 최대토크를 발휘한다는 점도 출발 시 공회전이 필요한 내연기관차에 비해 도심 주행의 이점을 갖는다.[2]
활용
열차
회생제동은 열차에도 사용이 되는데, 열차는 정확한 시간에, 정확한 위치에 멈춰서야 하고, 승객의 안전과 직접적인 연관이 있다. 제동장치의 중요성이 큰 장치로 신뢰성 측면에서 높은 기준을 충족시켜야 한다. 기존의 열차 제동은 공기 압력을 이용한 마찰 제동이 지배적이었기 때문에, 마찰 소음, 냄새와 열기가 발생했다. 하지만 회생제동이 적용된 열차는, 감속도가 일정해서 정위치에 정차가 가능하다. 또한 마찰이 없음으로 소음뿐 아니라 미세먼지 발생도 줄일 수 있어서 성능과 신뢰성이 뛰어나기 때문에 발생한 전기는 주변의 열차에서 재사용하거나, 선로 주변의 변전소에 공급할 수도 있다.[2] 또한, 회생제동 시스템은 1960년대 미국 자동차 제조사 아메리칸모터스(AMC)에서 처음 고안하고 설계했다. 이 기술은 자동차보다 전철 등 철도차량 부문에 먼저 적용됐다. 전철의 구동용 전동기에서 발생한 전력을 전차선을 통해 인근에 운행 중인 차량으로 보내거나 변전소로 반송했다. 고속열차의 경우 사용하는 소비 전력의 10% 정도가 인근 열차에서 회생제동을 통해 보내온 전력으로 대부분의 아파트 승강기에도 회생제동의 원리가 적용돼 승강기 전력 사용량의 20%~40%를 절감한다.[3]
승강기
승강기에 사용되는 회생제동장치는 승강기가 균형추보다 무거운 상태로 하강 또는 상승할 때 모터는 순간적으로 발전기로 동작하게 되며, 이때 생산되는 전력을 다른 회로에서 전원으로 활용하는 방식으로 전력 소비를 절감한다.
| 구분 | 저항제동(기존) | 회생제동(고효율) |
|---|---|---|
| 구조 | 전기저항을 용량에 따라 증감 | 전자소자로 회로 구성 |
| 회생전력 활용 여부 | 저항기를 통해 열로 발산 | 전원을 연결하여 소비전력으로 활용 |
| 적용 개소 | 엘리베이터, 에스컬레이터, 크레인, 호이스트 등 | |
| 특징 | 설치면적 증가, 상대적으로 저렴 | 설치면적 감소, 고가(저항 대비 2배~3배) |
전기자동차
전기자동차의 회생제동 시스템은 친환경차가 감속할 때 발생하는 제동력을 전력으로 바꾸는 장치다. 기존 내연기관 자동차의 전통적인 제동 시스템은 관성 에너지가 열에너지로 전환돼 달리 활용할 방법이 없었지만 친환경차는 구동을 담당하는 전기모터를 발전기 삼아 에너지 변환이 가능하다. 브레이크를 밟으면 전기모터가 역방향으로 돌게 되고, 차량이 달리면서 발생한 운동에너지가 전기에너지로 변환된다. 이렇게 만들어진 전력은 내부 코일을 이용해 배터리에 저장됐다가, 모터 등 차내 전기 기기에 재사용된다. 회생제동 기술은 친환경차 연비 효율의 3분의 1 수준을 담당하게 되고 급가속 시 1,000㎾ 전력이 순간 공급되는 일부 고성능 전기자동차의 경우 제동할 때 300~400㎾ 전력이 발생하는 것으로 알려졌다. 또한, 회생제동 시스템은 모터스포츠와 고성능 전기자동차에도 필수적으로 적용되고 있다. 전기자동차 경주대회 포뮬러E에 출전하는 경주용 자동차에 회생제동 시스템이 들어간다. 레이싱카의 브레이크는 극한의 주행 환경 속에서 섭씨 1,000도를 오르내리기 때문에 브레이크의 과열을 방지하기 위해 보통 경주용 차에는 엔진과 변속기에 부하를 걸어 속도를 줄이는 엔진브레이크를 별도로 단다. 엔진이 아니라 모터로 움직이는 경주용 전기자동차에선 회생제동 시스템이 바로 엔진브레이크 역할을 한다. 경주용 전기자동차가 회생제동 시스템 없이 배터리 전력으로만 달리면 트랙에서 30분을 채 버티기 어려우므로 출력 포뮬러E 레이싱카가 트랙에서 30분 넘게 거뜬히 달릴 수 있는 비결이 바로 회생제동 시스템이라고 할 수 있다.[3]
스마트 회생제동 시스템
시동 건 상태에서 주차(P) 단으로 변속하고 계기판 사용자 설정 → 편의 → 스마트 회생 시스템을 선택하거나 패들 시프트 우측을 1초 이상 당기고 있으면 시스템이 켜지고 작동 준비 상태가 된다. 그리고 계기판에는 오토라는 문구를 표시한 후 시동을 끄고 다시 걸면 시동을 끄기 전 설정 상태를 유지한다. 이것의 유용성은 2가지로 압축해 볼 수 있는데 회생제동 시스템에 대해 익숙지 못한 운전자들에게 자동 모드를 제공하여 연비에 도움을 줄 수 있으며 차량을 운행하는 데 있어 앞차와의 간격이 줄어들면 내가 풋브레이크나 패들 쉬프트를 조작하여 속도를 줄이지 않아도 자동으로 회생제동을 걸어 감속시켜 주므로 운전자의 피로도를 줄여 주는 것이다. 하지만 차량이 앞 차량 환경, 도로환경에 따라 운전자의 의지와는 다르게 작동하는 부분 때문에 일부 운전자들에게는 불편한 기능일 수도 있다. 흡사 차선 유지 도움 장치(LKAS, Lane Keeping Assist System)를 작동 시켜 놓고 차선을 옮길 때 깜빡이를 안 켜면 차량이 자꾸 본선으로 들어오려는 움직임 때문에 불편함을 느껴 이 기능을 종료하거나 차로 이탈 경고 시스템만 작동 시켜 놓고 운전하는 경우와 흡사하다. 또한 스마트 회생제동 시스템은 승차감에도 영향을 주어 의도치 않은 곳에서 감속이 이루어져 울컥거리는 느낌을 받을 수도 있다.[5]
전자식 통합 회생제동 시스템
초기 회생제동 시스템은 유압 충전 탱크를 활용한 압력 공급부와 전체를 통제하는 자동 제어부로 나뉘어 구성됐다. 이 같은 분리형 시스템은 부피가 크고 중량도 많이 나가는 단점이 있다. 전장기업 현대모비스㈜(Hyundai Mobis)는 2018년 세계에서 두 번째로 이들 단점을 해결한 전자식 통합 회생제동 시스템(iMEB) 양산에 성공했다. 전자식 통합 회생제동 시스템은 회생제동 시스템 중 가장 진보한 형태로 평가받는다. 유압 충전식 압력 공급부를 모터를 적용한 전동식으로 대체했고, 서로 분리됐던 압력 공급부와 자동 제어부를 일체화했다. 또한 전방 추돌을 방지하는 등의 첨단 운전자 보조 기능뿐 아니라, 당기는 대신 버튼만 누르면 되는 전자식 주차 브레이크 기능까지 통합 적용했다. 그 결과 전자식 통합 회생제동 시스템은 세계 시장의 주요 제품들보다 제동 응답성을 13% 높이고, 중량을 5% 낮출 수 있었다. 실제 전자식 통합 회생제동 시스템이 적용된 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company)의 수소전기차 넥쏘의 에너지 회수율은 85%에 달한다. 또한, 전자식 통합 회생제동 시스템은 각종 부품을 통합해 생산 원가도 기존 분리형 시스템 대비 30% 줄였다. 덕분에 이를 장착한 전기자동차는 긴급 제동 거리가 줄고 연비가 개선되며 가격 경쟁력도 높아지게 됐다.[3]
최근현황
- 경상남도 창원시, 아파트 승강기 회생제동장치 설치
2021년 4월 20일, 경상남도 창원시는 승강기가 운행할 때 발생하는 에너지를 사용 가능한 전기로 바꿀 수 있는 승강기 회생제동장치를 메트로시티 석전 아파트를 비롯한 7개소에 총 110대에 설치할 계획이다. 승강기 회생제동장치는 승강기가 상승하거나 하강할 때 모터에서 발생하는 운동에너지를 사용 가능한 전기에너지로 변환시켜주는 장치이다. 한대 당 설치비는 90만 원 정도로 설치 후 매월 전기료를 3~4만 원 정도 절감되는 것으로 알려져 있다. 2021년 총사업비는 9천 9백만 원으로 국비와 지방비를 90% 지원하고, 각 아파트에서 10% 설치비를 부담하며, 창원시에서는 한국전력공사와 효율성을 분석하여 매년 사업을 확대하는 방안도 논의하고 있다. 승강기 회생제동장치 110대가 설치되면 연간 4천만 원의 전기료 절감과 312MWh의 전기가 생산되어, 온실가스 138t을 감축하는 효과도 있는 것으로 분석된다. 김부식 경제살리기 과장은 “회생제동장치 설치지원 사업은 시민들의 아파트 관리비 부담을 덜어줌과 동시에, 온실가스 감축 효과로 탄소 중립과 기후 위기에 대응할 수 있는 우수한 시책으로 주목 받고 있어, 앞으로 효과를 면밀하게 분석하여 사업을 추진할 계획이다.”라고 말했다.[6]
- 현대로템㈜ 회생제동 신기술 적용
2020년 10월 28일, 현대로템㈜(Hyundai Rotem)이 터키 이스탄불의 무인전동차가 영업 운행을 착수했다. 이스탄불 무인전동차는 모두 30량에서 120량으로 2017년 현대로템이 1,560억 원에 수주했다. 현대로템㈜에 따르면 시속 80km로 운행되는 이스탄불 전동차는 터키에서 운행되는 두 번째 무인전동차로 마흐뭇베이와 메지데쿄이를 연결하는 노선에 20편성, 두둘루와 보스탄지를 연결하는 노선에 10편성이 투입된다. 마흐뭇베이와 메지데쿄이를 연결하는 노선에 14편성이 우선 투입되며 2021년에 두둘루와 보스탄지 연결 노선이 개통되면 순차적으로 추가 투입될 예정이다. 이스탄불 무인전동차는 현대로템㈜이 국내 최초로 개발한 영속도(Zero Speed) 회생제동 신기술을 적용한 점이 특징이라고 설명했다. 현대로템㈜의 영속도 회생제동 기술을 적용하면 감속도가 일정해져 열차의 정위치 정차 비율을 100%까지 끌어올릴 수 있으며 승차감 개선과 정차 시 발생하는 소음까지 완벽하게 차단할 수 있는 특징이 있다. 현대로템㈜ 관계자는 "차량의 품질확보는 물론 이스탄불 무인전동차의 납기를 준수하기 위해 큰 노력을 기울였다"며 "성공적인 영업 운행 실적을 바탕으로 터키에서 경쟁력을 확보하고 추가 수주를 위해 노력하겠다"라고 말했다.[7]
- 아이오닉5 회생제동 기능 사용
2021년 4월 21일, 아이오닉5 고급 사양인 롱 레인지 2WD 프레스티지 트림의 외관은 1970년대 포니에서 영감을 받아 제작됐다. 72.6kWh 용량의 배터리가 탑재돼 최대출력 225kW, 최대토크 605 Nm의 성능을 내며 정지 상태에서나 저속, 고속에서 모두 즉각적인 가속페달 반응을 보여줬다. 스포츠 모드로 바꾸면 스티어링휠이 묵직해지면서 더욱 경쾌하게 차체가 움직인다. 가속력은 더욱 향상되어 기존보다 더욱 발전한 주행감을 경험할 수 있다. 또한 회생제동 기능이 들어간 페들시프트를 활용하면 브레이크를 밟지 않고도 충분히 감속할 수 있었는데 배터리 충전이 극대화되면서 때에 따라 주행거리가 1㎞씩 늘어나기도 했다. 내비게이션 기반 스마트 크루즈 컨트롤 기능을 작동시키면 설정 속도에 맞게 주행하다가도 앞차와의 간격을 일정하게 유지하고 차선 중앙 유지 장치 덕분에 코너 구간에서도 운전 도움을 받았다. 최종 계기판에 기록된 연비는 제원인 4.9㎞/kWh보다 높은 5.8㎞/kWh가 나온다.[8]
각주
- ↑ 〈회생제동〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 2.0 2.1 2.2 한국전력공사, 〈버려지는 에너지를 전기로! 회생제동장치〉, 《한국전력공사 공식 블로그》, 2020-10-27
- ↑ 3.0 3.1 3.2 류종은 기자, 〈전기차를 더 친환경답게...달리면서 충전하는 '회생제동 시스템'〉, 《한국일보》, 2020-08-29
- ↑ 한국전력공사 사이버지점 공식 홈페이지 - https://cyber.kepco.co.kr/ckepco/indexnfl.jsp
- ↑ 마키님, 〈전기차의 스마트 회생제동 시스템〉, 《이브이포스트》, 2019-06-27
- ↑ 이상윤 기자, 〈창원시, 아파트 승강기 회생제동장치 설치 지원〉, 《부산일보》, 2021-04-20
- ↑ 송민화 기자, 〈현대로템, 터키 무인 전동차 영업운행…"회생제동 신기술 적용"〉, 《한국경제티비》, 2020-10-29
- ↑ 정진수 기자, 〈충전 걱정 덜어주는 ‘아이오닉 5’〉, 《동아닷컴》, 2021-04-27
참고자료
- 〈회생제동〉, 《네이버 지식백과》
- 한국전력공사, 〈버려지는 에너지를 전기로! 회생제동장치〉, 《한국전력공사 공식 블로그》, 2020-10-27
- 류종은 기자, 〈전기차를 더 친환경답게...달리면서 충전하는 '회생제동 시스템'〉, 《한국일보》, 2020-08-29
- 한국전력공사 사이버지점 공식 홈페이지 - https://cyber.kepco.co.kr/ckepco/indexnfl.jsp
- 마키님, 〈전기차의 스마트 회생제동 시스템〉, 《이브이포스트》, 2019-06-27
- 이상윤 기자, 〈창원시, 아파트 승강기 회생제동장치 설치 지원〉, 《부산일보》, 2021-04-20
- 송민화 기자, 〈현대로템, 터키 무인 전동차 영업운행…"회생제동 신기술 적용"〉, 《한국경제티비》, 2020-10-29
- 정진수 기자, 〈충전 걱정 덜어주는 ‘아이오닉 5’〉, 《동아닷컴》, 2021-04-27
같이 보기
