친환경차(전기차,수소차,하이브리드차) 회생제동 원리 및 장단점

요즘 출시되는 친환경차(전기차,수소차,하이브리드차)는 에는 회생제동이 적용되어 있습니다.
자동차를 운전하거나 탑승할때 가속페달을 떼면 내연기관과는 다르게 울렁거리는 이질적인 느낌을 받으신 분이 많으실겁니다.
이러한 부분은 회생제동때문에 발생하는 현상인데 어떤 원리로 동작하고 장단점이 어떤게 있는지 알아보도록 하겠습니다.

회생제동의 개념 및 활용분야

회생제동의 개념에 대해서 알아보고 초기 개발회사 및 사용분야에 대해서 알아보겠습니다.

 

회생제동 개념

회생제동은 아래와 같이 정의 되어있습니다.
회생 제동(回生制動), 또는 전력 회생 브레이크는 토크에 의해서 움직이는 전동기가 폐회로(정지)상태가 되었을때 관성력을 이용해 바퀴등에 달려있는 회전자를 돌려 전동기를 발전기 기능으로 작동하게 함으로써 운동에저니를 전기에너지로 변환해 회수하는 전기 제동방법을 통칭하는 말입니다.
간단하게 말씀드리면, 차량 운행(가속)시 감속을 하게되면 이 운동에너지가 감속하는 과정에서 낭비되는데 이 에너지를 전기에너지로 회수하여 배터리에 저장하는 방식입니다.

회생제동 초기 개발 

회생제동은 1960년대 미국 자동차 제조회사 AMC(아메리칸모터스)에서 처음 고안하고 설계한 기술입니다.
회생제동시스템이 개발되었을때 자동차가 아닌 전철 등 철도차량에 먼저 적용되었습니다.
전철의 전동기에서 발생한 전력을 전차선을 통해서 인근에 운행중인 차량에 보내거나 변전소로 반송해서 사용했습니다.

회생제동 활용분야

회생제동은 전기차나 자동차분야에 국한되지않고 전기를 사용하는 다양한 제품에 사용되고 있습니다.

• 친환경차(전기차/수소차/하이브리드차) : 회생제동 시스템을 통해서 감속시 에너지를 배터리로 저장
• 스마트모빌리티(전기 자전거/전기 스케이트보드/전기 스쿠터) : 회생제동 시스템을 통해서 감속시 에너지를 배터리로 저장
• 전기 철도 : 전동기에서 감속시 발생한 전력을 다른 차량 or 변전소로 반송
• 엘리베이터 : 전동기에서 감속시 발생한 전력을 저장하여 사용 (승강기전력 감소효과, 약 20%~40%)
• 모터스포츠(고성능전기차) : 브레이크 과열을 방지하기 위해 회생제동 시스템이 엔진브레이크 역할 수행

친환경차(전기차,수소차,하이브리드차)에 회생제동 시스템은 왜 필수인가?

친환경차는 적은 에너지소비로 먼거리를 주행해야 친환경성을 높일 수 있기때문에 효율성이 매우 중요합니다.
자동차 업체들은 고용량/고효율배터리, 다양한 에너지관리 시스템, 경량화등으로 제한된 에너지로 효율을 높일수 있는 다양한 기술을 개발해왔습니다.
그중에서 "회생제동" 시스템은 주행중에 배터리를 충전하는 효율성이 높은 기술이라 모든 친환경차에 장착되어 사용되고 있습니다.
회생제동의 사용여부 및 사용방법에 따라서 전비차이가 최대 30%~40%까지 날 수가 있어서 선택이 아닌 필수기능이 되었습니다.

친환경차(전기차,수소차,하이브리드차) 회생제동 시스템 동작구조

회생제동 시스템은 기본적으로 모터,인버터,배터리로 구성되어 있으며 차량 유형에 따라서 동작구조가 조금상이합니다.

 

하이브리드차(HEV),플러그인하이브드차(PHEV)

메인은 엔진으로 구동되며 회생제동은 엔진구동시에 보조역할을 수행하게 됩니다.
감속운행 및 내리막길 등에서 회생제동으로 저장된 전기에너지를 고전압배터리에 저장해서 저속 및 고속주행에서 사용합니다. 

하이브리드 회생제동

• 출발/저속주행 : 모터구동(배터리 소모시작)
• 가속/오르막길 : 엔진구동 & 모터보조(배터리 소모 증대)
• 중/고속 정속 : 엔진구동 & 모터구동
•  감속/내리막길 : 배터리 충전

전기차(EV), 수소차(FCEV)

전기차는 엔진없이 구동모터로만 운행되며 회생제동을 통해서 저장된 전기에너지를 고전압배터리에 저장하여 운행에 사용됩니다.

수소차는 엔진없이 구동모터로만 운행되며 전기차와는 다르게 충전된 수소연료를 전기에너지로 변환하는 연료전지 시스템이 적용되어 있습니다. 회생제동으로 저장된 전기에너지를 고전압배터리로 저장해 저속주행에서 사용합니다.

회생제동

• 출발/저속주행 : 모터구동(배터리 소모시작)
• 가속/오르막길 : 엔진구동 & 모터보조(배터리 소모 증대)
• 중/고속 정속 : 엔진구동 & 모터구동
•  감속/내리막길 : 배터리 충전

회생제동 시스템 레벨(강도) 조절 및 제한사항

회생제동 시스템은 유용한 기능이지만 기존에 내연기관 자동차에 익숙한 운전자들은 감속시 발생하는 회생제동때문에 멀미를 하거나 불편한 승차감을 느낄 수 있습니다.
이런경우 상황에 맞춰서 회생제동 시스템 레벨(강도)을 조절하여 사용하시면됩니다.
 

회생제동 레벨(강도) 올리기

운전대(스티어링휠) 왼쪽의 패들시프트를 당기면 레벨(강도)이 증가합니다.
내리막길이나 고속주행 시 감속할 때 사용하면 더 많은 전기에너지저장이 가능합니다.
※ 길게 당기면 최대 레벨까지 증가합니다.(예시: 0단계->3단계)

 

회생제동 레벨(강도) 내리기

운전대(스티어링휠) 오른쪽의 패들시프트를 당기면 레벨(강도)이 감소합니다.
부드러운 감속을 원하면 레벨(강도)를 내려서 사용하시면 좀 더 이질감없은 운행이 가능합니다.
※길게 당기면 최소 레벨까지 감소합니다.(예시: 3단계->0단계)

 

회생제동이 제한되는 경우

배터리가 100% 충전되었을 경우 클러스터에 "회생제동이 제한됩니다"라는 문구를 보실 수 있습니다.
또한 배터리의 운도가 너무 높거나 낮을때에도 배터리 보호를 위해서 제한될 수 있으니 참고해주세요.

회생제동 시스템 장단점

회생제동 시스템은 친환경차에 필수적인 기능이지만 장점과 단점이 존재합니다.

회생제동 장점

1. 주행거리(전비)에 도움이 됩니다.
 회생제동으로 저장된 에너지를 사용할 수 있어서 더 많은 주행거리를 운행할 수 있게 해줍니다.
2. 브레이크 패드 수명을 늘려줍니다.
 회생제동 기능을 사용하게되면 브레이크페달 사용 빈도가 줄어들게됩니다. 따라서 브레이크 패드 수명을 연장시켜주는 효과가 있으며 수명이 1.5배~2배정도 차이가 납니다.

회생제동 단점

1. 승차감이 저하됩니다.
 내연기관차에 익숙한 운전자들은 감속시 쏠림현상으로 인해 울렁거림으로 불편할 수 있습니다.

승차감 저하 부분은 점점 회생제동기술이 발전하고 있고 스마트회생제동 시스템등으로 인해서 머지않아 불편함을 못느낄 정도로 될 것 같습니다.

진화하는 회생제동 시스템(스마트 회생제동)

자동차 제조회사들도 회생제동으로 인해 승차감 저하 및 멀미가 발생하는 문제를 알고 있으며, 이부분을 해결하기 위해서 여러가지 노력을 하고 있습니다.초기 출시된 차들은 회생제동 레벨(강도)조절이 불가능해서 가속페달에서 발을떼면 바로 회생제동이 걸리는 방식이 었고 이후에 출시된 차들은 운전자가 회생제동 레벨(강도)를 패들시프트를 통해서 조절할 수 있었습니다. 
요즘에 나오는 최신차들은 도로상황에 따라서 스스로 회생제동 레벨(강도)를 조절하고 있습니다.
최근에 출시된 아이오닉5,EV6,GV60에는 스마트 회생제동 시스템 2.0 기술이 적용되었습니다.라이다를 활용해 도로경사, 전방 차량의 속도, 전방 차량과의 거리 등을 분석 해 회생 제동 단계를 자동으로 설정하는 제어 방식입니다.
운전자의 불필요한 브레이크 조작으로 인한 피로도 감소 및 불필요한 감속/가속을 줄여 전비를 2%정도 개선할 수 있다고 합니다.

 

친환경차의 효율성 측면에서 회생제동은 필수적인 기능으로 자리매김하였으며, 기술도 점점 진화하고 있습니다.

앞으로 출시되는 차들이 어떤 회생제동 기술을 탑재하여 출시될 지 지켜볼만한 포인트인것 같습니다.

향후 친환경차 전비경쟁에서 어떤 자동차 제조회사들이 효율적인 회생제동 기술을 개발하고 적용하는 지가 중요해지는 시점 인 것 같습니다.

 

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