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[자동차 칼럼] 전기차 연비절약의 키 ‘회생제동’

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  •  |  입력 : 2018-01-30 18:52:09
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주행 중인 자동차의 운동에너지는 매우 커 자동차의 속도를 줄이거나 정지시키기 위해 유압을 이용한 기계적 마찰제동만 사용하여 열로 방출하는 것은 비효과적이고 소비적이다. 대부분 전기차는 운행 중 가속 페달을 놓을 때나 브레이크 페달을 밟을 때 감속이 되면서 회생 제동(Regenerative braking)이라는 동작을 한다. 이는 내연기관 자동차의 엔진 브레이크 효과와 같은 원리다. 다른 점은 전기에너지를 회수할 수 있어 연비개선 효과가 있다는 것이다. 내연기관 자동차에서 마찰제동 과정 중에 버려지던 열에너지가 전기차에서는 회생 제동을 통해 전기에너지로 회수할 수 있게 돼 주행거리 증대에 도움이 된다.

전기적 제동법의 일종인 회생 제동 동작을 하는 순간 전기차를 직접 구동하는 전동기의 전류를 차단하게 되고 달리고 있던 자동차의 바퀴가 전동기를 구동하는 형태가 되어 전동기를 발전기로 동작시키게 된다. 이때 발생하는 전기에너지를 배터리로 보내게 되면 전기적 제동과 전력회수라는 두 마리 토끼를 잡게 되는 것이다. 회생 제동이 걸리는 순간에 급작스러운 제동으로 인해 자동차의 흔들림이 조금 있지만, 기계적 마찰제동과 동시에 작동하게 되면 기계적 마찰제동을 위한 브레이크 패드의 마찰 부담을 조금 완화하는 효과가 있다. 차종에 따라 다르지만 회생 제동 설정 레버를 통해 제동의 크기(회생 충전의 강도)를 조정할 수 있는 장점이 있다. 이를 이용하면 빈번한 정지와 출발을 하게 되는 도심에서 주행할 때, 회생 제동의 크기를 높은 단으로 설정해 두고 브레이크 페달을 사용하지 않고 가속 페달만 밟았다 놓았다 하면서 운전하는 방식도 가능하다.
전기차를 움직이게 하는 주요 부품은 바퀴에 회전력을 공급하는 전동기와 이 전동기에 교류전력을 공급하는 인버터, 그리고 인버터에 직류전력을 공급하는 배터리로 구성된다. 전기차에 장착되는 전동기 중 가장 많이 사용되는 것은 고효율, 고출력 밀도를 가지며 희토류 영구자석을 회전자에 매입 또는 표면에 부착시킨 영구자석형 동기전동기(PMSM)다. 둘째, 가격 및 유지보수 측면에서 유리한 유도전동기(IM)다. 이런 전동기들은 대부분 다량의 절연된 구리선을 얇게 적층된 규소강판에 코일형태로 감아놓고 여기에 인버터를 통해 교류전류를 흘리게 되면 회전하는 자기장이 만들어지고 이 자기장의 회전속도와 비슷한 속도로 전동기 회전자가 회전하게 된다. 회생 제동 상태에서는 이 전동기에 전류를 흘리지 않아도 차바퀴로 부터의 운동에너지를 받아들여서 전동기 축을 강제로 회전시키는 발전기 동작을 하게 되므로 이때 발생하는 코일의 발전전력이 인버터 내부의 전력용 다이오드를 통해 배터리 쪽으로 회생된다. 약 10~15% 연비개선 효과가 있는 것으로 알려진 회생 제동은 주행거리 개선에 도움이 된다.

회생 제동을 통해 에너지를 회생하면서도 유압을 이용한 기계적 마찰제동에 추가적인 보조 제동력을 발생하여 필요한 제동력을 얻는 것도 중요하지만, 자동차 승차감의 한 부분을 차지하는 제동 느낌에 미치는 영향도 중요한 이슈가 되고 있다. 즉, 유압식 마찰제동과 전기적 회생 제동을 적절히 협조제어 할 수 있는 전자제어 브레이크 시스템(ECB)도 이미 개발되어 다양한 차종에 적용되고 있다. 회생 제동을 통해 에너지를 회수하는 기술 속에는 최첨단 감성기술도 숨어있으며 모두가 인류의 행복지수를 높이는 행복기술이다.

손영대 동서대 메카트로닉스 융합공학부 교수

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