전기차 회생제동의 원리와 이해

전기차 회생제동의 원리와 이해

배터리와 모터가 추가된 하이브리드 자동차가 세상에 나온지 20년이 지나고 본격적으로 전기차가 도로에서 돌아다니는 현재, 회생 제동의 개념은 이제 자동차에만 국한되지 않고 점점 넓어지고 있습니다. 특히 최근에 스마트 모빌리티가 확산되며 전기 자전거, 전기 스케이트 보드, 전기 스쿠터에 이르기까지 회생제동이 사용되고 있습니다.

 

회생제동이란?

 

고속으로 움직이는 차량에는 많은 운동에너지가 있는데 차량을 감속시키기 위해 브레이크를 밟게되면 이 운동에너지가 마찰과 함께 열에너지로 사라지게 됩니다. 결국 이 운동에너지는 감속과정에서 열에너지로 낭비되는데 회생 제동은 이 낭비되는 에너지를 다시 회수하면서 음의 토크(반대방향의 토크)를 걸어 차량을 감속시킬 수 있는 제동 방식입니다.

 

전기차 회생제동 원리

 

구체적으로는, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 구동을 위해 장착된 모터를 발전기로 사용하여 주행방향과 반대방향의 토크를 인가하며 차량이 감속을 할 때 손실되는 운동에너지를 전기에너지로 회수하는 제동 방식입니다. 마찰을 이용한 브레이크 없이도 차량을 완전히 정차시킬 수 있는 제동력을 얻을 수 있음과 동시에 감속시 잃어버리는 운동에너지의 상당부분을 전기 에너지로 회수하여 차량의 배터리에 저장하게 됩니다. 이렇게 저장된 에너지는 다시 가속을 할 때 사용하여 연료나 배터리의 소모량을 줄여 더 효율적인 에너지 사용이 가능하게 됩니다.

 

다만 회생제동은 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 주행거리를 무작정 늘릴 수 있는것은 아닙니다. 단지 차량을 덜 비효율적으로 만드는 것, 즉 더욱 효율적으로 만드는 것 뿐입니다. 기본적으로 모든 차량을 운전하는 가장 효율적인 방법은 일정한 속도로 가속한 다음 브레이크 페달을 건드리지 않고 관성 주행을 하는 것입니다. 만약 제동을 하게 되면 다시 가속을 위해 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 애초에 속도를 늦추지 않는 것이 더 효율적입니다. 이러한 이유로 회생 제동은 연비향상에 큰 도움이 되지 않는다는 주장도 있습니다.

 

그러나 실제 도로의 현실은 그렇지 못합니다. 도로 사정이나 다른 차량과의 안전거리 때문에 무조건 주행 중 브레이크를 자주 밟을 수 밖에 없습니다. 즉, 주행 중 제동이나 감속이 불가피하다면 에너지를 효율적으로 회수할 수 있는 회생제동이 유리합니다.

 

회생제동은 주행거리에 얼마나 도움이 되나요?

 

회생제동이 얼마나 에너지 절감에 도움이 되는지는 효율성과 효과성이라는 두 가지 관점에서 살펴 보아야합니다. 효율성과 효과성이라는 말은 비슷하게 들리지만 둘은 상당히 다릅니다. 효율성은 회생 제동이 감속, 즉 제동 과정에서 '손실'되는 에너지를 얼마나 잘 회수하는지를 나타냅니다. 반면, 효과성은 회생 제동이 실제 주행거리에 얼마나 큰 영향을 미치는지를 나타냅니다. 다시 말하면, 회생제동을 사용함으로써 실제 주행거리나 연비가 측정가능한 수준으로 증가하는 것인지 아니면 어떠한 차이를 느끼지 못할 정도인지를 나타냅니다.

 

효율성

 

모든 에너지 변환 또는 전송과정에서는 손실이 발생할 수 있기 때문에 100%의 효율로 에너지를 전달할 수 있는 방법은 존재하지 않습니다. 회생제동의 에너지 회수율은 배터리의 용량, 모터의 종류, 차량에 따라 차이가 있지만 최대 60-70% 정도의 에너지를 회수할 수 있다고 합니다. 테슬라에 따르면, 차량이 감속되는 과정에서 마찰 등으로 약 10-20%를 잃고 회생 제동으로 에너지를 회수하는 과정에서 약 10-20%를 잃는다고 합니다. 실제로, 테슬라의 전기차는 회생제동 시 급속충전의 충전량에 해당하는 무려 60kW와 같은 충전속도(회생제동력)를 보여 주지만 사실 이 수치는 얼마나 많은 에너지를 회수하는지, 얼마나 더 주행거리를 더 늘려주는지에 대한 수치가 아닙니다.

 

 

어쨋든 회생제동을 통해 상당히 많은 양의 에너지를 회수할 수 있다는 것을 알았습니다. 최대 70%까지 에너지를 회수 할 수 있다면 전기차의 주행거리가 최대 70% 증가한다고 볼 수 있을까요? 그렇지 않습니다. 여기서의 효율성, 즉 회수율은 제동 중 손실되는 에너지의 최대 70%를 다시 배터리에 저장해서 가속 또는 주행 시 사용할 수 있다는 것을 의미할 뿐입니다.

 

실제 주행거리와 회생제동의 상관관계를 알기 위해 회생제동의 효율성만 고려하는것은 큰 의미가 없습니다. 즉, 누군가가 일을 할때 매우 효율적으로 한다 해도 하루에 한 시간만 일한다면 큰 성과를 거둘 수 없다는 뜻입니다. 회생 제동을 제대로 이해하기 위해서는 효율성 이외에도 효과성을 함께 고려해야 합니다.

 

효과성

 

회생제동의 효과성은 실제 전기차의 주행거리를 얼마나 증가시킬 수 있는가와 관련이 있습니다. 회생제동을 적극적으로 이용한다면 얼마나 더 주행거리가 증가할 수 있을까요?

 

회생제동 여부에 따른 주행가능거리와 에너지소모량 비교

 

당연한 이야기겠지만, 회생제동의 효과성은 운전자의 운전 성향과 주변 환경, 지형 및 차량 크기를 포함한 다양한 요인에 따라 크게 다릅니다.

 

우선, 운전 조건은 회생제동의 효과성에 큰 영향을 미칩니다. 잘 뚫린 고속도로를 달리는 것 보다 신호 대기로 인해 자주 멈춰야 하는 도로를 이용할 때 회생제동의 효과가 훨씬 더 뛰어납니다. 즉, 만약 주기적으로 브레이크를 밟아야 한다면 브레이크를 밟지 않고 계속 운전하는 것 보다 훨씬 더 많은 에너지를 회수할 수 있다는 뜻입니다.

 

또한 지형도 중요합니다. 오르막길 주행은 제동의 기회가 많지 않아 회수 할 수 있는 에너지가 없지만 긴 내리막길에서 주행할 때는 배터리를 충전하면서 동시에 속도를 조절할 수 있습니다.

 

추가적으로, 크기가 크고 무거운 차량은 그만큼 더 많은 운동량과 운동 에너지를 가지기 때문에 회생제동이 더욱 효과적일 수 있습니다. 즉, 전기자전거나 전기스쿠터보다 전기승용차나 전기트럭이 회생 제동을 잘 사용하면 에너지 사용을 훨씬 줄여 주행거리의 증가에 큰 도움이 될 수 있다는 뜻입니다.

 

실제 테슬라 차량의 주행 중 회생제동 데이터를 분석한 결과 모델S 차량의 운전자들은 주행 중 약 32%의 에너지를, 모델S P85D 차량의 운전자듀은 약 28%의 에너지를 회생제동을 통해 회수하는 것으로 밝혀졌습니다. 즉 회생제동을 사용하지 않으면 대략 100 km의 주행이 가능하지만 회생제동을 활용하면 130 km까지 주행거리가 늘어난다고 볼 수 있습니다. 다른 차량에 대해서도 회생제동으로 회수한 에너지를 이용해 대략 20% 정도의 주행거리를 늘릴 수 있는 것으로 파악됩니다.

 

다만 전기 자전거나 스쿠터와 같은 스마트 모빌리티의 회생 제동으로 인한 주행거리의 증가 폭은 전기차만큼 크지 않습니다. 회생제동 기능이 있는 전기 자전거의 경우 4-8% 정도만 주행거리가 증가하는 것으로 알려졌습니다. 이러한 낮은 주행거리의 증가는 무게와 연관이 있습니다. 전기 자동차에 비해 전기 자전거나 전기 스쿠터는 무게가 적게 나가 가지고 있는 운동 에너지가 그만큼 적고 이로 인해 회생제동으로 회수할 수 있는 에너지 양이 많지 않기 때문입니다.

 

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