회생 제동, 回生制動, 전력 회생 브레이크
토크력으로 움직이고 있는 전동기가 폐회로 상태가 됐을 때의 관성력을 이용해 바퀴 등에 달려 있는 회전자를 돌려 전동기를 발전기 기능으로 작동하게 함으로써 운동 에너지를 전기 에너지로 변환해 회수하여 제동력을 발휘하는 전기 제동 방법을 통칭하는 말이다. 발전시의 회전저항을 제동력으로서 이용할 수도 있다.
철도
철도에서는, 전동차나 전기 기관차의 주전동기로 발전해 발생한 전기 에너지는 가선을 통해 송전한다. 이를 통해 열차의 소비전력을 감소(역행 시간과 제동 시간으로 상쇄)시킬 수 있으며, 터널 내 온도 상승 문제도 줄일 수 있다. 이로 인하여 신형 전동차 대부분이 이 회생 제동을 채용하고 있다.
회생 제동을 사용하기 위해서는 발생된 전기 에너지를 소비해 줄 수요처가 필요하며, 전기 에너지 특성상 발생한 전기 에너지가 바로 소비되지 않으면 제동력이 발생하지 않는 현상(회생 실효)이 발생하게 된다. 이로 인하여 주변에 역행 차량이 없거나, 가선의 전압이 안정되지 않은 경우에 안정된 제동성능을 확보할 목적으로 발전 제동을 병설한 차량이 개발되었으며, 이 경우 어느 정도 속도가 떨어지면 회생 브레이크를 발전 브레이크로 전환하는 타입과 회생 브레이크를 사용하면서 전압이 낮은 쪽을 발전 브레이크와 병용하는 브레이크 초퍼 타입이 있다. 또, 전압이 안정되지 않은 경우에도 안정된 전력을 생산하는 벡터 제어의 차량도 나와 있다.
영속도 회생제동
전동차가 소음 없이 정위치에 정차하는 전기제동 기술로, 현대로템이 국내 최초로 개발했다. 기존 전동차는 저속에서 회생제동의 정확한 제어를 하기 어려워 제동패드의 마찰로 정차하는 공기제동 기술을 사용한다.
영속도 회생제동 기술은 전동차의 정차 시점까지 회생제동을 지속 사용한다. 전기제동을 유지하고 회생제동 구간을 늘려 연간 917MWh의 소비전력을 절약할 수 있다. 제동패드의 사용률이 줄어듬에 따라 유지보수 비용을 낮출 수 있으며, 연간 419kg의 미세먼지를 저감한다.[2] 이산화탄소 배출량은 연간 약 407t을 저감시킬 수 있다. 또한 열차의 감속도가 일정해 정위치 정차가 가능하고, 정차 소음까지 차단할 수 있다. 승차감 역시 개선된다. 현재 서울 2호선 전동차 214량과 튀르키예 이스탄불 M7에 적용 중이다.[3]
자동차
자동차에서는 수소연료전지 자동차나 배터리식 전기 자동차에 주로 쓰이며 가속페달을 떼면 회생제동 기능이 작동하여 내장된 배터리에 충전된다.
스마트 회생제동 시스템
레이더를 활용하여 도로 경사 및 전방 차량의 속도, 거리 차이를 분석해 자동차가 스스로 회생제동량을 결정하는 시스템이다.[4] 스마트 회생제동 시스템을 사용할 경우, 차량을 운행하는 데 있어 앞차와의 간격이 줄어들면 운전자가 풋브레이크나 패들쉬프트를 조작하여 속도를 줄이지 않아도 자동으로 회생제동을 걸어 감속시켜준다. 이를 통해 불필요한 브레이크 조작이 약 80% 이상 줄어 운전자의 피로도가 낮아진다. 또한, 불필요한 가감속을 피하기에 실제 연비를 약 1.7% 개선할 수 있다.
활성화
1. 자동차의 속도가 10km/h 이상일 때 우측 패들을 1초 이상 당기면 활성화된다. 계기판에 AUTO라는 흰색 문구가 뜨고, 문구의 색이 파란색으로 바뀌면 스마트 회생제동 시스템이 작동되고 있다는 뜻이다. 도로 경사가 변할 때, 전방 차량과의 차간거리가 감소하거나 증가할 때, 전방 차량의 속도가 감소하거나 증가할 때만 스마트 회생제동 시스템이 작동하고, 그 외 상황에서는 작동하지 않는다.
2. 시동을 킨 상태에서 「P」(주차) 단으로 변속하고 계기판 「사용자 설정 → 편의 → 스마트 회생 시스템」 을 선택한다.
회생제동(regeneration brake)
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.
그림에서와 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 원리
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) 제어
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.
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 효과
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.