[자동차 이야기(78)] 전기차의 회생제동

2020년대 들어 점차 각광을 받고 있는 전기자동차는 배터리의 에너지 저장용량이 기존 내연기관 엔진에 비해 현저하게 떨어지기 때문에 효율적인 에너지의 관리가 전기자동차의 중요하다고 할 수 있다. 1990년대 중반 세계 자동차 시장에 하이브리드 전기자동차가 첫선을 보인 이래로 회생제동(regeneration brake)의 개념은 하이브리드 전기자동차(HEV)에만 국한되지 않고 모터가 있는 고속철도(KTX), 전기자동차(EV), 전기자전거, 전기 스쿠터에 이르기까지에서 폭넓게 적용되고 있다. 자동차의 속도를 늦추는 역할을 하기 때문에 제동장치의 하나라고 볼 수 있으며 회생 제동은, 자동차의 운동 에너지를 배터리에 저장된 화학에너지로 변환하는 것으로, 저장된 화학에너지를 차후에 자동차를 주행하는 데 사용할 수 있다. 이번 호에서는 전기자동차에 대한 보다 넓은 이해를 위해 회생제동에 대하여 알아보기로 하겠다.

■ 회생제동(regeneration brake)이란 무엇인가?

움직이는 자동차는 속도의 제곱에 비례하는 운동에너지(kinetic engery)를 갖게 되며, 주행속도를 늦추기 위하여 브레이크가 작용하게 된다. 거의 대부분의 자동차는 브레이크 디스크와 라이닝 사이의 마찰 효과를 이용하여 자동차의 운동에너지를 거의 열에너지로 전환하여 자동차의 속도를 감속시키고 있다. 에너지 관점에서 본다면 운동에너지를 공기 중에 날려버리는 것이다.

그러나 전기를 이용하는 모터(motor)를 사용하는 전기자동차(EV)나 하이브리드 전기자동차(HEV)에서는, 브레이크 작동 시에 구동 모터를 발전기(generator)로 사용하도록 하여 자동차가 감속할 때 잃어버리게 되는 운동에너지를 전기로 변환하고, 이렇게 변환된 전기가 자동차 배터리(battery)로 저장하도록 한 것이 회생제동의 원리이다.

그림 2에서와 같이 전기 모터는 발전기(generator)로서도 사용될 수 있다. 전기 모터는, 자기장 속에서 전류가 흐를 때 발생하는 힘을 이용하여 전기에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 장치이다. 전류가 흐르지 않게 되는 회생제동 구간에서는 전기 모터가 발전기 형태로 작동된다. 제동할 때의 회전 저항을 제동력으로 이용하고 회전 운동에너지(모터 회전속도의 제곱에 비례)를 전기에너지로 변환하여 에너지를 회수하는 역할을 하는 것이다.
자동차는 실제 도로 주행시 가속, 감속, 경사로를 오르내리기 때문에 운동에너지와 위치에너지의 변동이 발생한다. 그림 3은 자동차가 경사로를 오르내리는 경우에, 운동에너지와 위치에너지가 손실되는 만큼 내리막 길에서 회생제동으로 에너지를 회수하는 상황을 나타내주고 있다.

■ 모터 발전의 원리는 무엇인가?

발전의 원리는, 그림 4와 같이 과학 교과에서 배운 패러데이(Faraday)의 전자기 유도현상에 근거한다. 전기 모터는 여러개의 영구자석과 코일 등으로 구성되는 데, 코일과 자석이 상대적인 운동을 하게 되면 자석의 운동만으로도 자기장이 형성되고 따라서 코일에 유도전류가 흐르게 되어 전기가 발생한다는 것이다.

전기자동차와 하이브리드 전기자동차에 사용되는 전기 모터는 대부분 AC모터(교류모터)를 사용하고 있으며 모터의 내부에는, 그림 5와 같이 영구자석(magnet)과 코일(wound wire)이 내장되어 있다.

■ 회생제동(회생브레이크)은 어떻게 제어되는가?

전기자동차에서의 제동 시의 제어는 모터(발전기)로 에너지를 회생하려면 마찰식 브레이크와의 연동이 필요하다. 먼저 브레이크 페달 밟는 양으로부터 필요 제동력을 계산한다. 그림 6와 같이 필요 제동력이 발생하도록, 자동차의 주행 상태에 따라 마찰 브레이크(마찰제동)와 회생제동를 적절하게 분할하는 제동력 제어가 필요하다. 마찰 제동의 비율을 너무 크게 하게 되면 회생할 수 있는 운동에너지가 줄어들어 효율이 떨어질 것이다.

제동력, 속도에 따른 회생제동과 마찰제동의 분담 역할. 사진=도서출판 골든벨

그림 7은 제동력과 자동차 속도에 따른 회생제동과 마찰제동을 비중을 나타내어 주는 선도이다. 그림에서 배터리가 완전히 충전되어 있는 상태라면 회생제동을 사용할 수 없어야 한다. 또한 고속주행 상태에서 급제동하면 모터(발전기)의 최대 정격전류를 초과하여 발생할 수 있으므로 회생제동이 한계가 정해져야 하고, 자동차가 정지 직전인 저속상태에서는 모터(발전기)의 역기전력이 너무 작아서 회생제동이 어렵다. 이와 같이 회생제동이 불필요한 경우에는 자동차의 감속을 위해 마찰 브레이크가 적절하게 작동해야 한다는 것이 전기자동차 제동력 제어의 요지이다.

■ 회생제동(회생브레이크)의 효과는?
회생제동의 효과는 자동차의 주행 조건, 도로 지형 및 차량 크기, 운전 조건 등을 포함한 요인에 따라 크게 달라진다. Stop & Go기능이 시내 주행에 회생제동보다 훨씬 더 나은 효과를 볼 수 있다. 오르막 주행은 제동할 기회가 많지 않지만, 내리막 주행은 긴 제동시간으로 인해 많은 양의 에너지를 재생할 수 있다. 긴 내리막에서의 회생제동은 배터리를 지속적으로 충전하는 동시에 속도를 조절하는 데 많은 도움을 받을 수 있다.
테슬라 전기자동차 모델 S 보유 운전자들에게서 얻어진 데이터를 기준하면 회생제동으로 약 20~30%의 에너지 관리가 회복된다고 보고되고 있다고 한다. 그림 8은, 약 30Km 주행한 결과로서 소모된 에너지(5.27Kwh)의 약 30%(1.60Kwh)가 회생제동 기능을 통하여 회수되었음을 보여주는 테슬라 전기자동차 운전자의 앱 데이터이다.