마찰 제동과 회생 제동: 현대 차량이 에너지를 회수하는 원리

전통적인 자동차 브레이크는 차를 멈추는 단일 목적으로 설계되었습니다. 여러 부품으로 구성되어 작동 원리는 복잡하지만, 운전자가 브레이크 페달을 밟는 것만으로 작동합니다. 이 시스템은 에너지 효율 측면에서 큰 잠재력을 지니고 있어 '회생 제동' 기술이 개발되었습니다.

회생 제동은 새로운 발명이 아닙니다. 하이브리드 및 전기차에서 손실되는 에너지를 제어하고 회수하는 데 널리 쓰입니다. 작동 원리는 단순합니다. 자세한 내용은 계속 읽어보세요.

이 글에서는 다양한 제동 시스템 유형과 회생 제동, 그리고 기존 마찰 제동 시스템과의 차이점을 다룹니다.

기존 마찰 제동 시스템

유압, 공압, 기계식 브레이크가 여기에 속하며, 두 면이 마찰하며 운동을 억제합니다. 이동 시스템의 에너지를 마찰로 흡수해 감속·정지시킵니다. 대부분 유압액을 사용하며, 최적 성능을 위해 에어 빼기(블리딩)가 필요합니다. 유압 브레이크 회로는 마스터 실린더, 슬레이브 실린더, 브레이크 페달, 파이프 등으로 구성됩니다. 페달을 밟으면 마스터 실린더 피스톤이 눌려 유압이 파이프를 통해 각 바퀴의 슬레이브 실린더로 전달되고, 피스톤이 브레이크를 작동시킵니다.

회생 제동 시스템

하이브리드·전기차에 쓰이는 전자기 제동 방식입니다. 제동 시 손실되는 에너지를 회수해 대용량 고전압 배터리에 전기에너지로 저장합니다. 기존 마찰 제동과의 근본적 차이는 '에너지 생성' 여부입니다.

기존 디스크·드럼 브레이크가 마찰로 차를 멈추는 원리를 앞서 설명했습니다. 회생 제동은 배터리 충전이라는 부가 이점을 제공해 제조사들이 하이브리드·전기차에 채택합니다.

회생 제동 장착 차량은 브레이크 페달을 밟으면 전기 모터를 역회전시킵니다. 차량 전자 제어 장치가 모터를 역방향 모드로 전환해 바퀴를 감속시키는 동시에 전기를 생성합니다. 이 역운동 원리로 전기가 생산됩니다.

회생 제동만으로는 제동력이 부족하거나 전력이 떨어질 때를 대비해 마찰 브레이크도 함께 장착됩니다. 차량의 전자 회로와 온보드 컴퓨터가 상황(급정거, 충돌 회피 등)에 따라 마찰 브레이크를 개입시킵니다. 운전자가 페달에 가하는 힘에 따라 감속도가 결정되고, 전자 제어 장치가 회생 제동과 모터 역회전을 제어합니다.

회생 제동 시스템 다이어그램

(이미지 자리)

기존 마찰 브레이크는 급정거나 충돌 회피 시 개입합니다. 회생 제동은 브레이크 컨트롤러가 제어하는데, 이 전자 장치는 제동 시작·종료 시점, 제동 속도, 휠 속도 모니터링, 가용 토크 계산 등을 수행합니다. ABS 컨트롤러처럼 휠 회전 속도 차이를 감지합니다.

브레이크 컨트롤러는 제동 중 생성된 전기를 커패시터로 보내 최적량만 배터리/커패시터에 충전되도록 제어합니다. 과충전 방지 기능도 합니다. 최종적으로 필요한 제동력이 회생 제동 한계를 넘으면 마찰 브레이크를 작동시켜 사고를 예방합니다.

마찰 제동과 회생 제동의 차이는 제동 방식에 있습니다. 회생 제동은 정체 구간 등 특정 속도 영역에서 효과적입니다. 마찰로 열에너지로 손실되는 에너지의 약 80% 중 절반가량을 회수할 수 있으며, 연료 소비를 10~25% 줄여줍니다.

회생 제동 시스템 작동 원리 영상:

(영상 자리)

결론적으로 기존 마찰 제동은 유압·기계식으로 즉각 제동하지만, 회생 제동은 배터리 충전이라는 이점을 주며 점진적으로 감속시킵니다. 두 시스템은 상호 보완적으로 작동해 안전성과 효율을 동시에 확보합니다.

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