[아롱 테크] 전기차 회생제동 시스템과 자유 낙하 아찔한 놀이 기구 자이로드롭

하이브리드차와 전기차 등 전동화 차량(xEV, xElectronic Vehicle)이 대중화됨에 따라 회생제동시스템(Regenerative Break)이 브레이크 시스템이 단순 제동 이상 새로운 역할로 주목받고 있습니다. 전기를 주동력원으로 사용하고 있는 전동화 차량은 내연기관의 유압식 브레이크와 함께 회생제동이라는 혼합 브레이크 시스템을 사용하고 있는데요.

회생제동은 주행 중 액셀러레이터에서 발을 때거나 브레이크 페달을 밟았을 때 버려졌던 열에너지와 운동에너지를 전기 에너지로 변환시켜 고전압 배터리를 충전해 주는 것입니다. 전기차는 이러한 회생제동을 이용해 주행중 감속하거나 타력주행 할 때의 구동력으로 모터-제너레이터를 작동시키면 전기에너지를 생성할 수 있을 뿐 아니라 역기전력(저항)이 발생해 내연기관 엔진 브레이크와 같은 감속효과도 얻을 수 있습니다. 

배터리 충전과 제동력이라는 일석이조의 효과를 볼 수 있는 것이지요. 참고로 회생제동으로 부족한 제동력은 전자제어 마스터실린더를 통해 내연기관과 같이 유압으로 제동력을 발생시킵니다. 일반적으로 주행 중에 발생하는 모든 감속상황의 80% 이상이 회생제동구간에서 발생하므로 전기차의 경우 내연기관차보다 브레이크 패드 마모가 훨씬 적은 이유입니다.

전기차 회생제동은 ‘제동(Break)’이라는 단어 때문에 실제 유압 브레이크가 작동하는 것처럼 생각하기 쉽지만 사실은 제동장치가 아니라 전기모터가 작동하는 것입니다. 아시다시피 전기모터와 발전기의 작동원리는 서로 반대 개념으로 전기를 모터 몸체에 있는 구리권선에 공급하면 회전로터가 자기장에 의해 회전하게 되지만 반대로 회전로터를 구동하게 되면 전기가 발생합니다. 

전기차는 전기모터와 발전기를 각각 따로 두지않고 하나의 전기모터로 전기 구동모터와 발전기 역할을 병행하고 있습니다. 이것을 ‘모터-제너레이터(Motor-Generator)’라고 부르기도 합니다. 전기차를 움직이는 전기 구동모터의 공급전원을 차단하고 바퀴구동력(운동에너지)으로 전기 구동모터를 회전시키면 모터의 회전을 방해하려는 힘(역기전력)과 함께 전기에너지를 얻을 수 있는 것이지요. 

회생제동의 작동원리를 보다 자세히 이해하기 위해서는 플레밍의 오른손 법칙과 렌츠의 힘과 같은 전기이론이 필요하지만 회생제동의 원리를 가장 쉽게 알 수 있는 것은 놀이공원에 있는 자이로드롭과 롤로코스터 등과 같은 각종 놀이기구입니다. 그중에서도 70m 이상의 고공에서 자유낙하하는 자이로드롭이라는 놀이기구는 전기차의 회생제동과 같은 작동원리를 적용하고 있습니다.

자이로드롭은 전 세계 테마파크에서 흔히 찾아볼 수 있는 고공낙하 놀이기구로 1998년 우리나라 놀이공원에 세계 최초로 설치된 바 있습니다. 국내 한 놀이공원에 있는 자이로드롭의 경우 전기모터를 이용해 지상 25층 높이인 70m 상공까지 탑승좌석을 끌어올린 후 2.5초만에 시속 88km의 속도로 지상으로 떨어지는 놀이기구입니다. 

이렇게 높은 위치에서 떨어지는 놀이기구가 땅에 직접 떨어지지 않고 안전하게 멈출 수 있는 이유는 영구자석의 자기장(기전력)을 이용하기 때문입니다. 자석의 N극과 S극 사이에 전기가 통하는 도체(금속)를 넣으면 도체에 순간적으로 전류가 발생하면서 자석과 같은 성질을 띠게 됩니다. 

이때 원래의 자석(N극과 S극)과 순간적으로 자성을 띠게된 도체 사이에서 발생하는 자기장이 서로 반대로 작용하면서 자석과 도체가 서로 밀어내려는 힘(역기전력)이 발생하는데 이것을 전기용어로 맴돌이 전류라고 합니다. 이러함 맴돌이 전류가 고공에서 떨어지는 놀이기구의 낙하속도를 떨어트려 브레이크 역할을 하는 것이지요. 자리로드롭은 낙하속도에 비례해 맴돌이 전류의 크기도 커지기 때문에 빠른 속도로 놀이기구를 멈출 수 있다고 합니다.

전기차의 회생제동 또한 이러한 자이로드롭처럼 영구자석인 모터와 모터 내부의 회전자(도체) 사이에서 발생하는 맴돌이 전류를 이용합니다. 즉 모터의 회전방향(차량속도)와 반대로 움직이는 회전자(로터)에서 발생하는 맴돌이전류가 커지면서 차량의 주행속도를 감속시켜 엔진브레이크와 같은 역할을 하고 있습니다. 

김아롱 칼럼니스트/[email protected]