발전제동

1. 개요2. 마찰제동과 발전제동3. 회생제동

4. 동작5. 제동력6. 사용

1. 개요

발전제동( 發電制動)은 운동에너지를 전기에너지로 전환하여 제동하는 방식이다. 전기자동차나 전기기관차 등 전동기가 들어간 차량[1]은 차량의 운동에너지로 전동기를 돌려서 운동에너지를 전기에너지로 변환하면서 제동을 걸 수도 있으며, 이는 기력이나 점화된 화석연료의 팽창력을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 발전기와 완전히 동일한 원리다. 회수된 전기에너지는 다시 배터리나 전력망으로 보내어 재사용하거나, 별도의 저항기를 이용해 열로 소비한다.

서보드라이브 등에서 언급되는 다이나믹 브레이크는 이런 발전제동을 위한 저항기를 의미한다. 이런 별도의 외장 저항기를 지원하는 이유는 전동기가 회전방향을 바꾸기 위해 역토크를 내는 것이 말 그대로 발전제동이기 때문이다. 이 상황에서 서보드라이브의 전원이 입력을 받지 못하면 꽉 막힌 수도꼭지의 물처럼 전기에너지가 오도가도 못해 DC Link 전압이 올라가는데 이게 심하면 회전방향을 바꿀 때마다 과전압 Fault가 발생할 수 있다. 그래서 이를 저항기로 예방하는 것이다.

2. 마찰제동과 발전제동

개요에서 설명했다시피 발전제동을 하더라도 저항기를 이용해 전기에너지를 열로 소비할 수 있는데 이것은 본질적으로 운동에너지가 열로 변환되어 날아가는 것이므로 당연히 여기서 발생하는 발열량은 마찰제동시 발열량과 동일하다.[2] 만일 마찰제동의 발열량이 더 크면 이건 그냥 무한동력이므로 착각해선 안된다.

그럼 발전제동이나 마찰제동이나 그게 그거 아님? 이라고 할 수 있는데 둘 다 장단점이 있다. 발전제동은 브레이크처럼 마모가 되지 않고 바퀴에 붙을 필요가 없어 설치 위치와 형태가 제한되지 않으며 열용량을 훨씬 크게 할 수 있다는 장점이 있다. 반면에 마찰제동은 구현가능한 제동력의 제약이 덜하고[3] 구조가 단순하며 신뢰성이 높다. 그래서 모든 철도차량들은 항상 마찰브레이크를 갖고 있다.

3. 회생제동

회생제동은 KERS의 하위 개념인 발전기식 회수 방법에 속한다. 즉, 운동에너지를 전기에너지로 다시 회수하여 배터리 등에 다시 저장하는 것을 의미한다. 쉽게 설명하면 발전기를 돌리느라 발생하는 반작용을 제동에 이용하는 것이다. 발전제동시 발생하는 전기에너지를 배터리에 저장하거나 전원으로[4] 되돌려보내는 식으로 재사용이 가능하게 구성하면 회생제동이 된다.

거의 대부분의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 전동휠, 전동 킥보드, 전동 스쿠터 등 전기모터 동력 장치가 탑재된 차량 및 일반적인 전기 기관차와 전동차처럼 전용 모터드라이브까지 같이 붙는 시스템은 본질적으로 회생제동이 가능한데 왜냐하면 기본적으로 회생제동에 필요한 모든 장비들이 다 달려있기 때문이다. 종류를 막론하고 거의 모든 전기 모터들은 반대로 발전기로 운용하는 것도 가능하기 때문에 전기자동차는 모터 → 모터 드라이브 → 배터리로, 전기기관차는 모터 → 모터 드라이브 → 전원으로 회생제동 사이클이 구성 된다. 전동기와 발전기는 동작 원리가 같다. 전동기는 전기에너지를 운동에너지로 바꾸고 발전기는 운동에너지를 전기에너지로 바꾸고 변환 방향만 서로 반대일 뿐이며, 보통 모터 드라이브는 모터에 흐르는 전류의 방향을 자유자재로 제어할 수 있기 때문에 구동과 발전을 모두 구현할 수 있다.

인버터 기반 시스템, 혹은 직류 전동기로부터 얻는 회생전력은 전부 직류다. 이렇게 되는 이유는 전원의 주파수는 고정되는데 교류전동기의 회전수가 주파수를 따라가므로 가변속을 하려면 실시간으로 주파수 변환이 이루어져야 하기 때문이다. 그래서 일단 직류로 갈아엎고 이를 스위칭해서 원하는 주파수의 교류를 전동기로 공급하며, 전동차도 교류를 수전받는 경우에는 직류로 변환해서 인버터로 집어넣는다. 반대로 인버터가 전동기를 회생제동 운전하여 나오는 회생전류도 직류이며, 전동차는 이를 컨버터를 통해 다시 교류로 변환해서 전력망으로 보낸다. 전기자동차와 같은 배터리, 혹은 수소차 같은 화학발전 기반 시스템들은 본질적으로 직류전원이므로 인버터만 있어도 구동과 발전이 전부 가능하며 컨버터가 필요하지 않다.[5]

단점이 없지는 않은데, 회생제동으로 전동기를 돌리는 데 필요한 토크가 꽤 강하기 때문에 가속 페달에서 발을 떼는 순간 탑승자가 불쾌감을 느낄 정도의 강한 감속이 걸릴 수 있다. 특히 전기차의 경우 브레이크를 안 밟아도 내연기관 자동차가 브레이크를 밟았을 때의 감속력에 준할 정도로 크게 감속하고, 하이브리드 자동차도 내연기관 자동차에 비해 브레이크가 민감해 제동 시의 감각이 좋지 않다는 단점이 있다. 다만 이는 회생제동 강도를 적절히 조절하면 예방할 수 있고, 아래의 스마트 회생제동 시스템이 있다면 더욱 사용이 수월해진다.

스마트 회생제동 시스템은 레이더를 활용하여 도로 경사 및 전방 차량의 속도, 거리 차이를 분석해 자동차가 스스로 회생제동량을 결정한다. 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, 쓸 데 없는 가감속을 피하기에 실제 연비를 약 1.7% 개선할 수 있다. 스마트 회생제동이 제대로 만들어져 있는 차량은 악셀 페달 하나만 가지고도 운전이 가능한 수준까지 도달한다. 물론 그 반작용으로 브레이크를 자주 밟지 않아서(=디스크를 자주 갈지 않아서) 브레이크 패드에 녹이 빨리 스는 경우도 종종 나타나지만 브레이크 자체의 결함은 아니다. 회생제동 단계가 높다고 연비운전과 관련이 없고, 0단계라도 급감속 줄이는것이 유리하다. #

기계식 브레이크의 노후화를 피하려 드럼 브레이크로 회귀하려는 움직임도 보인다. 드럼 브레이크는 밀폐형이라 자주 쓰지 않아도 기능고장이 덜하며, 가격도 저렴한데다 적절한 제동력까지 가졌기 때문이다. 가령 폭스바겐 ID.4는 후륜을 드럼 브레이크를 채용하였다. 발열에 취약하다는 드럼 브레이크의 약점도 회생제동을 통해 해결이 가능하다. 더불어 드럼 브레이크는 분진이 외부로 흩날리지 않고 브레이크 내부에 쌓이므로 미래에 강화될 환경 규제에 유리하다는 장점도 있다. 물론 회생제동 시스템과 디스크 브레이크 동시에 썼을 때 (기계 브레이크 개입이 적으므로)에도 분진 발생은 유의미할 정도로 줄어든다.

흔히 회생제동을 사용하는 전기차, 하이브리드 차량들은 기계 브레이크를 거의 쓰지 않는 것으로 오인하곤 하는데, 원 페달 드라이빙을 사용하는 게 아니라 브레이크 페달을 사용하여 제동을 한다면 특정 차량을 제외하고는[6] 기계 브레이크가 무조건 함께 작동되도록 되어있다. 제동 압력을 만들어주는 시스템이 유압식에서 전자식으로 바뀌었을 뿐, 기계적으로 제동장치와 페달은 연결되어있기 때문에 브레이크를 사용하면 기계 브레이크도 함께 작동한다.[7]

3.1. 회생제동과 철도차량

대한민국의 거의 모든 전동차와 전기기관차는 회생제동 시스템을 갖추고 있다. 노선에서 달리는 차량의 수가 많아서 어느 한 편성이 제동중일 때 다른 쪽에서는 거의 항상 주행중인 편성이 존재하므로 회생제동을 사용할 좋은 여건이 주어져 있기 때문이다. 어느 한 편성이 회생제동을 하면서 발생하는 전력이 주행중인 편성으로 공급되므로 총 전력 소비량이 감소되는 원리. 만약의 경우라도 철도 변전소에 설치된 대용량의 저항기를 통해 초과분의 전력을 소비할 수 있어서[8] 대한민국의 전동차 및 전기기관차에 따로 대용량의 저항기를 장착한 발전제동은 사용하고 있지 않다. 예전에 저항제어 전동차 및 8000호대 전기기관차만이 발전제동을 사용했고 현재는 보기 힘들다. 디젤기관차의 경우 가선과 떨어져 있으므로 발전제동을 채용하고 있다.

이런 회생제동을 통해서 전기차량들은 주행효율을 엄청나게 상승시킬 수 있다. 게다가 전동차는 일반 자동차와는 달리 고무타이어가 없어 바퀴의 변형이 거의 없으므로 주행 중의 에너지 손실이 상당히 작다. 전동차들의 전력소비량 대부분이 전기에너지를 전동차의 운동에너지로 바꾸는, 즉 가속 상황에서 발생하게 되는데 회생제동을 구현하게 되면 감속 시에 전동차의 운동에너지를 다시 전기에너지로 회수하게 된다. 이렇게 되면 소비되는 에너지가 비중이 작은 주행 손실 밖에 없게 되므로 엄청난 효율 상승 효과를 보게 된다. 타이어 때문에 주행 손실도 꽤 되는 전기자동차만 해도 회생제동을 통해 주행거리를 거의 50% 이상 향상시킬 수 있으므로 전동차의 절전효과가 얼마나 큰 지 알 수 있을 것이다.

저항제어 전동차들은 전류제어 원리에 따라 발전제동도 좀 시원찮은 편이다. 정확히는 발전제동 시의 제동력을 원하는대로 제어하기가 어렵다. 가속과 마찬가지로 제동전류량을 저항기로 제어해야 하기 때문이다. 그나마 발전제동은 어차피 태울 전기를 태우는거라 쳐도 회생제동에까지 저항기를 써야 하기 때문에 매우 비효율적이다.[9]

최근에는 완전 정차할 때까지 회생제동을 유지하는 순전기제동 기술이 상용화되었다.[10]

4. 동작

안전하고 효과적인 발전제동을 위해서는 이를 위한 회로가 구성될 필요가 있다. 다이오드로 만드는 단순 정류로는 발전량과 제동력을 효과적으로 정밀하게 제어하기 어렵기 때문에 회로 파손 등의 사고가 날 위험이 있고 효율이 나쁘며 회생제동이 가능한 솔루션이 제한된다. 특히 배터리가 있는 환경이면 저런 단순 정류 방법을 쓰기에는 많이 위험한데 발전력의 제어가 안정적이지 못하면 리플이 심하게 들어가거나 과전압이 걸릴 수 있기 때문이다.

현재의 전동차나 전기자동차들은 모터 드라이브의 뛰어난 전압 제어 능력을 활용하여 큰 회로 변경 없이도 모터 구동 및 회생제동을 병행할 수 있으며, 모터 드라이브의 동작이 조금 복잡해지지만 우수한 발전 제어 성능을 얻을 수 있다.

과거에는 전기제동력을 오로지 전동기 역기전력에만 의존하였기에 전동기의 회전속도가 줄어들수록 제동력과 회생전력이 감소하였으나 최근에는 VVVF 기술의 발전으로 유의미한 전기제동력을 받아낼 수 있는 최저속도는 무의미해졌다. 모터 드라이브의 전류제어 성능을 십분 활용하여 영속도까지 운동에너지를 회수할 수 있어 완전전기제동이 가능하기 때문이다.

저속에서 전동기의 역기전력이 DC 전압보다 낮을 때 회생제동이 어떻게 작동하나 싶겠지만, 모터는 일종의 인덕터이고 드라이브에는 스위치들이 있다. 따라서 스위칭 패턴을 조절하여 일종의 부스트 컨버터 회로를 구성하게 되는데, 이를 통해서 입력 전압보다 회생 제동을 통해 만들어진 전압을 더 높일 수 있다. 물론 약계자 제어 등을 이용하여 빠른 속도로 회전한다면 이미 높은 역기전력이 유기되기 때문에 스위칭 패턴을 적절이 조절하여 너무 높은 전압이 걸리지 않도록 제어한다.

5. 제동력

발전제동으로 일으킬 수 있는 제동력의 한계는 전동기 타입마다 조금씩 다르긴 하지만, 대체로 모터가 동작할 때의 최대 토크와 거의 동등하다고 보면 된다. 그러니 영구자석 계통 전동기가 유도 전동기보다 제동력이 좋은 것은 당연하다. 또한 전동기의 유형과 더불어서 발전된 전력을 회수할 전원 장치의 사양도 충분해야 한다. 일반적으로 배터리는 방전 성능보다 충전 성능이 떨어지기 때문에 배터리의 충전 성능이 넉넉하지 않으면 재활용되는 에너지가 제한될 수 밖에 없다.

6. 사용

회생제동은 여러모로 마찰 브레이크를 대신할만한 획기적인 방안이지만, 마찰 브레이크를 완전히 갈음할 수는 없다. 전원에서 발전량을 수용할 수 없을 경우[11]에는 발전제동을 지속할 수 없기 때문이다. 또한 완전 정지 상태로 차량을 세우려면 전동기가 차량을 힘으로 붙들고 있어야 하기 때문에 이런 삽질을 할 필요가 없는 마찰 브레이크를 따라오기 힘들다. 다만 하이브리드 차량 및 전기차에서 회생제동이 기존 브레이크를 상당 부분 대체하는 효과는 있다. 회생제동 덕분에 마찰 브레이크 사용이 적잖이 감소하여, 브레이크 패드를 실질적으로 차량 수명 내내 반영구적으로 사용 가능하다고 할 정도이다. 발전제동을 적극적으로 쓰는 교통수단으로는 전동휠이 있다.

차량 이외에도 반 영구적으로 제동력을 발생시킬 필요가 있는 분야에 널리 사용된다. 대표적으로는 엘리베이터가 있다. 패달을 돌리거나 바퀴를 굴리는 형태의 운동기구에 마찰 브레이크를 사용하면 브레이크의 수명이 빠르게 감소하기 때문에 발전제동을 사용하기도 한다. 또한 전기 제어를 통해 제동력을 조절하여 운동 강도를 조절할 수 있다. 또한 발전제동의 전류를 이용하여 타이머나 칼로리 계산기 같은 전자 부품을 작동시키는데 사용할 수 있지만 대부분 실내자전거 같은 운동 기구는 플라이휠에 벨트를 이용하거나 영구자석을 이용한 유도식 브레이크를 사용한다.

엔진브레이크가 원동기가 들어간 차량에 무조건 들어가듯이 발전제동도 제조사가 의도적으로 넣지 않더라도 전동기가 들어간 차량이라면 거의 무조건 들어가게 된다. 발전제동을 중단시키려면 전동기의 회로를 완전히 개방하거나 스로틀을 당기지도 않더라도 전동기에 전압을 계속 걸어주거나[12] 흘러 따로 프리휠 등의 클러치를 넣어서 동력전달을 끊어야 하는데 굳이 그런 장치들을 넣어서 마찰 브레이크의 수명을 감소시킬 바에는 발전제동을 활용하는 편이 낫기 때문이다. 그래서 모터가 들어간 전동 킥보드도 브레이크를 밟거나, 전원이 꺼지면 전동기의 발전제동이 걸린다. 전동킥보드에서 발전제동을 통해 만들어진 전류는 다시 배터리에 충전된다. 발열해소가 어렵기 때문에 따로 저항기가 없어 배터리가 만충 상태면 동작하지 않는 제품도 있다. 전기자전거의 경우는 발전제동이 걸리면 페달만 가지고 운전하기 어렵기 때문에 프리휠이 들어 있어 모터보다 바퀴의 회전 속도가 빨라지면 모터와 동력이 끊어지도록 만들어진 제품도 있다. 이러한 전기 지전거는 발전제동이 작동하지 않는다.

전동 RC카 또한 대부분 발전 제동을 이용하여 브레이크를 구현한다. ESC가 단순한 구조이기에 높은 회생제동 효율을 달성하지는 못하고 모터의 권선 저항을 활용한 발전 제동이 큰 비중을 차지하지만, 미세하게나마 회생 전력을 발생시키기는 한다.

[1] 혹은 전기식 리타더브레이크 전기식 리타더는 마그네틱 브레이크에 까깝기는 하다. [2] 발전제동도 중간에 전기가 끼어있을 뿐이지 물리적으로는 마찰제동과 원리가 다르지 않다. [3] 발전제동은 전동기를 발전기로 쓰는 것이므로 당연히 발전제동력의 최대치는 전동기의 최대토크와 같고, 이 이상의 제동력은 전기적 사양 상 구현이 불가능하거나 전동기가 발열을 견디지 못해 위험하다. [4] 한전에서 오는 전력망으로 다시 전원을 되돌려보낸다는 의미다. 만일 같은 종단 전력망에서 전력을 소비하는 다른 부하가 있으면 총 전력소비는 감소할 것이고 그렇지 않다면 한전에 전원을 반대로 공급함으로써 발전소의 부담이 작게나마 줄어든다. [5] 화학전기의 특성상 교류배터리 같은 물건은 존재하지 않는다. [6] 아우디의 일부 전기차들은 브레이크가 기계적으로 연결되지 않고 전기신호로 작동되어서 브레이크 페달을 밟았을 때 기계 브레이크를 전혀 사용하지 않고도 회생제동을 사용할 수 있다. [7] 전력제어 시스템이 고장나면 회생제동도 먹통이 되고 따라서 감속도 불가능하다. 그래서 안전을 위해 마찰제동 시스템이 그대로 있는 것. [8] 한전 전력망 등의 외부로 회생전력을 내보낼 수 없으면 회생제동으로 발생하는 전력은 모선의 전압을 상승시킨다. 그래서 과전압으로 인한 사고를 막기 위해 저항기로 초과분의 전력을 열로 태우는 것. 최근에는 가선에 전력을 공급하는 사이리스터 정류기와 사이리스터 인버터를 같이 물려서 한전으로 역송전을 시키는 곳도 있다. 이러면 한전을 거쳐 발전소 수준에서 소비전력 절감이 가능하므로 실제 청구 요금이 절감되기도 한다. [9] 사실 저항제어 차량들에 효율을 논하는건 무의미한 일이다. 무슨말이냐면 발열이 크고 제어가 비효율적인건 저항제어라서가 아니라, 얘내가 현역이던 시절에는 전기를 이렇게 밖에 쓸 수가 없던 시절이라서 그렇다고 보는게 맞다는 것이다. [10] 사실은 순전기제동의 경우도 일본에서는 90년대 초반, 한국에서는 90년대 후반부터 사용되었을 정도로 역사가 있는 기술이다. 단, 한국에서는 순전기제동이 탑재된 차량이 많지 않다. [11] 배터리가 만충되었거나 기전력이 너무 커서 전압이 지나치게 상승하거나 하는 안전상의 이유도 존재할 수 있다. [12] 사실 전동기가 약계자 제어를 통해 고속으로 회전하는 상황에서는 스로틀을 놓더라도 전압이 계속 인가되어 속도가 줄어들기 전 까지 약계자 제어를 하게 된다. 만약 약계자 제어를 하는 상황에서 그냥 전원을 끊어 버리면 스위치의 내부 다이오드를 통해 DC전압보다 높은 역기전력이 유기되어 과전압, 과전류로 인해 드라이브, 배터리가 파손되거나 매우 강한 브레이크가 걸리게 된다. 따라서 약계자 제어 속도 이하로 내려가기 전 까지는 계속 드라이브가 작동한다. 속도가 느려 역기전력이 입력보다 적은 상황에서는 그냥 전원을 끊어 버려도 상관이 없다.