[자동차 이야기] 전기차의 회생제동 시스템

2020년대에 들어서면서 점차 주목받은 전기자동차는 배터리의 에너지 저장용량이 기존 내연기관 엔진에 비해 부족하기 때문에 효율적인 에너지 관리가 전기차에선 가장 중요하다.

전세계 자동차 시장에 1990년대 중반 이후 하이브리드 자동차가 출시되면서 회생 제동(Regenerative braking systems; RBSs) 시스템과 기능이 널리 알려졌다. 회생 제동 시스템은 자동차에만 국한되지 않고 철도, 전동차, 전기기관차, 고속철도 같은 기차에도 쓰였고 전기 자전거, 전기 오토바이까지 적용되며 폭넓게 사용되고 있다.

회생 제동은 달리고 있는 차량이 속도를 줄일때 발생한 마찰 운동 에너지를 바퀴에 달린 발전기로 보내 운동 에너지를 전기 에너지로 변환해 회수하여 제동력을 발휘하는 전기 제동 방법을 말한다.

자동차의 속도를 낮추는 역할을 하기 때문에 브레이크 같은 제동장치의 역할도 하며 회생 제동을 통해 자동차 운동 에너지를 배터리에 저장해 저장된 화학에너지를 주행시 쓸 수 있다.


움직이는 자동차의 속도는 제곱에 비례하는 운동에너지를 가진다. 주행속도를 낮추기 위해서는 브레이크를 밟아야 한다.

거의 대부분의 자동차는 브레이크 디스크와 라이닝 사이의 마찰 효과를 이용해 자동차 운동에너지를 열에너지로 전환해 자동차의 속도를 감속시키고 있다. 에너지 관점에서 본다면 멀쩡한 운동에너지를 공기 중에 날려버리는 것이다.


전기모터(motor)를 사용하는 전기자동차(EV)나 하이브리드 자동차(HEV)에서는 브레이크 작동 시 구동 모터를 발전기(generator)로 사용하도록 해 자동차가 감속할 때 잃어버리는 운동에너지를 전기로 변환하고 이렇게 바뀐 전기를 자동차 배터리(battery)로 저장하는 회생제동의 원리를 이용한다.

전기모터는 자기장 속에서 전류가 흐를 때 발생하는 힘을 이용해 전기에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 장치다. 전류가 흐르지 않는 회생제동 구간에서는 전기 모터가 발전기 형태로 작동된다.

제동할 때 회전 저항을 제동력으로 이용하고 회전 운동에너지를 전기에너지로 변환해 에너지를 회수한다. 자동차는 도로를 달릴 때 가속과 감속, 경사로를 오르내리기 때문에 운동에너지와 위치에너지의 변동이 발생한다.



모터 발전의 원리는 과학 교과서에서 배운 패러데이(Faraday)의 전자기 유도현상에 근거한다.

전기 모터는 여러 개의 영구자석과 코일 등으로 구성된다. 코일과 자석이 상대적인 운동을 하면 자석의 운동만으로도 자기장이 형성돼 코일에 유도전류가 흘러 전기가 발생한다.

전기자동차와 하이브리드 자동차에 사용되는 전기 모터는 대부분 교류(AC)모터를 사용하고 있으며 모터의 내부에는 영구자석(magnet)과 코일(wound wire)이 내장돼 있다.

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전기자동차가 제동할 때 모터(발전기)로 에너지를 회생하려면 마찰식 브레이크와 연동해야 한다. 먼저 브레이크 페달을 밟는 양으로부터 필요 제동력을 계산한다. 마찰 제동의 비율을 너무 크게 하면 회생할 수 있는 운동에너지가 줄어들어 효율이 떨어진다.

고속주행 상태에서 급제동하면 모터의 최대 정격전류를 초과해 발생할 수 있는 만큼 회생제동 한계가 정해져야 한다. 자동차가 정지 직전인 저속상태에서는 모터의 역기전력이 너무 작아서 회생제동이 어렵다.

이와 같이 회생 제동이 불필요한 경우에는 자동차의 감속을 위해 마찰 브레이크가 적절하게 작동해야 한다는 것이 전기자동차 제동력 제어의 핵심이다.


회생 제동의 효과는 자동차의 운전 상황, 주행 조건, 도로지형, 차량 크기 등을 포함한 요인에 따라 크게 달라진다.

시내 주행에선 공회전 제한장치 스탑앤고(Stop & Go) 기능이 회생 제동보다 훨씬 더 좋은 효과를 줄 수 있다. 그러나 전기차는 혼잡한 시내에서 잦은 제동으로 전기가 확보되며 배터리 충전이 이뤄지고 내리막 주행에서 긴 제동시간 탓에 많은 양의 에너지를 재생할 수 있다. 오히려 브레이크를 밟을 시간이 늘어나면 열에너지가 배터리로 충전되어 주행거리가 늘어난다.


이창호 글로벌이코노믹 기자 slug109@g-enews.com