회생제동

회생제동(Regenerative Brake)은 전동기의 제동법 중 하나로, 전동기를 발전기 기능으로 동작시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하여 발생한 전력을 전원으로 다시 되돌려 사용하는 제동방법이다.

개요

회생제동은 전동기가 가지는 운동에너지를 전기에너지로 바꾸어 이를 전원으로 되돌림으로서 제동을 행하는 경제적인 방법으로 직류 전동기에서는 무부하 속도 이상일 때, 유도 전동기에서는 동기속도 이상일 때 이 방식이 적용된다. 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 띄게 되면서 회전체와 고정체 사이에 전류가 발생한다. 이 과정을 통해 바퀴의 운동에너지는 전기에너지로 전환되게 된다.

원리

회생제동에는 전자기 유도법칙이 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 띄게 하여 전류를 만드는 원리를 이용한다. 회생제동장치가 주목받는 이유는 전기자동차의 단점을 보완하는 동시에, 기존 제동장치의 수명을 대폭 향상할 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 지속되는 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.

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 없으므로 소음뿐 아니라 미세먼지 발생도 줄일 수 있어서 성능과 신뢰성이 뛰어나기 때문에 발생한 전기는 주변의 열차에서 재사용하거나, 선로 주변의 변전소에 공급할 수도 있다. 더불어 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.

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 전력소비를 절감한다.

저항제동방식과 비교

구분	저항제동(기존)	회생제동(고효율)
회생전력 활용여부	저항기를 통해 열로 발산	전원을 연결하여 소비전력으로 활용
특징	설치면적 증가, 상대적으로 저렴	설치면적 감소, 고가(저항대비 2배~3배)
적용개소	엘리베이터, 에스컬레이터, 크레인, 호이스트 등
구조	전기저항을 용량에 따라 증감	전자소자로 회로 구성

전기자동차

특징

전기자동차의 회생제동 시스템은 친환경차가 감속할 때 발생하는 제동력을 전력으로 바꾸는 장치다. 기존 내연기관 자동차의 전통적인 제동 시스템은 관성에너지가 열에너지로 전환돼 달리 활용할 방법이 없었지만 친환경차는 구동을 담당하는 전기모터를 발전기 삼아 에너지 변환이 가능하다. 브레이크를 밟으면 전기모터가 역방향으로 돌게 되고, 차량이 달리면서 발생된 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 급가속시 1,000㎾ 전력이 순간 공급되는 일부 고성능 전기자동차의 경우 제동할 때 300~400㎾ 전력이 발생되는 것으로 알려졌다. 더불어 회생제동 시스템은 모터 스포츠와 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 어렵기 때문에 출력 포뮬러E 레이싱카가 트랙에서 30분 넘게 거뜬히 달릴 수 있는 비결이 바로 회생제동 시스템이라고 할 수 있다.

전자식 통합 회생제동 시스템

초기 회생제동 시스템은 유압 충진 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 시스템는 회생제동 시스템 중 가장 진보한 형태로 평가받는다. 유압 충진식 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 시스템는 세계 시장의 주요 제품들보다 제동 응답성을 13% 높이고, 중량을 5% 낮출 수 있었다. 실제 전자식 통합 회생제동 시스템가 적용된 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company)의 수소전기차 넥쏘의 에너지 회수율은 85%에 달한다. 또 전자식 통합 회생제동 시스템는 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.

참고자료

• 〈회생제동〉, 《네이버 지식백과》
• 한국전력공사, 〈버려지는 에너지를 전기로! 회생제동장치〉, 《한국전력공사 공식 블로그》, 2020-10-27
• 한국전력공사 사이버지점 공식 홈페이지 - https://cyber.kepco.co.kr/ckepco/indexnfl.jsp
• 류종은 기자, 〈전기차를 더 친환경답게...달리면서 충전하는 '회생제동 시스템'〉, 《한국일보》, 2020-08-29

같이 보기

• 전동기
• 발전기
• 전기자동차

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