한국폴리텍대학 광주캠퍼스 스마트전기자동차과 교수
공학박사 인곡 홍성인
내연기관 자동차의 제동장치
기존 내연기관 자동차의 제동장치는 자동차를 감속 또는 정지시키거나 주차 상태를 유지하기 위하여 사용된다. 일반적으로 마찰력(브레이크 패드 등)을 이용하여 자동차의 주행 중 생성된 운동에너지를 열에너지로 바꾸어 제동 작용을 하는 것이다. 내연기관 자동차의 경우 운전자가 운전 중 액셀러레이터 페달을 놓으면 관성주행을 하면서 동시에 약간의 엔진 브레이크가 작동 하면서 감속이 진행된다.
내연기관 자동차: 운동에너지 → 열에너지 = 에너지 소멸
전기자동차의 제동장치 <회생제동>
전기자동차도 내연기관 자동차처럼 유압식 브레이크가 장착되어 있다. 다만, 내연기관과 다른 점은 엔진이 없다는 것이다. 엔진이 없는 관계로 엔진 브레이크 대신 전기모터가 발전기 역할을 하면서 발전과 감속이 동시에 진행된다. 이것이 바로 회생제동이다. 다시 말해, 전기자동차의 회생제동은 구동 모터를 발전기로 사용하여 발생하는 전기(AC)를 통해 제동력을 얻는 방식이다.
전기자동차는 일반적인 브레이크와 회생제동 두 가지 시스템을 같이 사용한다. 정해진 제동력 내에서 유압 제동과 회생 제동의 비율을 조절한다. 전기자동차는 회생제동을 우선적으로 사용한 뒤 유압 제동을 하는 구조를 가진 덕분에 브레이크 시스템의 부담이 적은 편이다.
회생제동의 역할: 배터리 충전
인버터(AC*→DC**)를 적절히 제어해 고전압 배터리 충전이 가능하다. 가속 페달에서 발을 떼는 순간부터 배터리 충전이 시작되는데 이는 모터의 속성을 알면 이해가 쉽다.
*AC: alternating current, 교류 전기
**DC: Direct Current, 직류 전기
구동 모터의 코일은 회전자에 있는 자석에 반발하는 자기장이 생성되는데, 코일에 전력을 공급할 때는 모터가 구동해서 자동차가 주행한다. 반대로 제동 시에는 자동차의 운동력이 거꾸로 진행되어 자석이 코일에서 전기를 발생시키게 되고 이렇게 발생 된 전기를 인버터(AC→DC)를 통해 배터리에 충전할 수 있는 것이다.
전기자동차 : 운동에너지 → 전기에너지 = 재사용(충전)
이렇게 회생제동의 충전을 통한 에너지 환수율은 배터리 용량과 모터의 종류, 차량에 따라 차이가 있지만, 보통은 최대 60~70% 정도의 에너지를 회수할 수 있다고 알려져 있다. 전기자동차의 회생 제동은 에너지 손실을 최소화하여 주행 가능 거리를 약 20~30% 향상시키는데 연비개선 효과가 매우 크며, 특히 내리막길과 가속 및 감속이 반복되는 도로를 주행 시에 연비 향상의 효과가 뛰어나다.
전기자동차의 제동 원리
전기자동차 제동 시스템은 제동 중 배터리 충전을 위해 회생 제동 브레이크 시스템인 능동 유압 부스터 즉 AHB*를 적용한다. 능동 유압 부스터(AHB)는 운전자 요구에 따른 총 제동량을 제어 유닛으로 송부하고, 모터 회생 제동량에 따른 유압 제동량을 보정하는 역할을 한다. 차종에 따라 다르지만 0~3단계로 나누어져 회생제동의 크기를 상황에 맞게 선택할 수 있다. (자세한 설정 방법은 차량 취급설명서 참고)
*AHB : Active Hydraulic Booster, 능동 유압 부스터
회생 제동 시 차량통합제어기는 능동 유압 부스터(AHB)로 부터 회생 제동 요청량, 배터리 관리시스템(BMS**)로부터 가용 파워, 모터제어기(MCU***)로부터 모터 가용 토크 등의 정보를 받아서 회생 제동을 위한 모터 가용 토크를 계산하고 전체 회생 제동이 실행하는 양인 회생제동 실행량을 명령하는 역할을 한다.
**BMS : Battery Management System, 배터리 관리 시스템
***MCU : Motor Control Unit, 모터 컨트롤 유닛
이러한 기능으로 인하여 감속 시에는 약간의 울컥거림이 발생하는데 주행감이 떨어지고 멀미 현상이 일어날 수도 있으므로 회생제동 단계를 0~3단계를 적절히 조절하면 된다. 또한 엔진 브레이크와 같은 꾸준한 제동력을 유지한 상태로 가파른 언덕을 내려오고 싶다면 회생제동의 단계를 올려주는 등 주행환경에 따라 회생 제동 단계를 조절할 수 있다.
다음과 같은 경우 회생제동이 약하게 작동될 수 있다.
1. 고전압 배터리 SOC* 100%
2. 고전압 배터리 온도가 너무 높음
3. 고전압 배터리 온도가 너무 낮음
*SOC : State Of Charge, 충전 상태
전기자동차는 고전압 전기를 이용하여 모터의 구동력으로 운행되는 운송 수단이다. 그러하기에 항상 고전압 감전 위험에 노출되어 있고 사고나 고장 시에도 고압전기의 활선 상태로 사고처리 및 수리를 진행하기 때문에 반드시 전문가의 취급이 요구되므로 운전자 분들은 차량 계통의 점검(일상점검) 시 반드시 전문가의 도움을 받아야 안전하다. 특히 주황색으로 되어있는 배선은 고전압(400V, 800V)이 흐르므로 절대 만지지 말아야 한다. 전기자동차는 여러 가지 장단점이 있기에 취급(사용)설명서를 충분히 숙지하시고 사용하기를 바란다.
