회생 제동

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1. 개요
2. 철도
3. 자동차
4. 기타 운송 수단
- 4.1. 자전거
- 4.2. 엘리베이터
5. 열역학적 고찰
참조

1. 개요

회생 제동은 전동차나 전기 자동차 등에서 감속 시 발생하는 운동 에너지를 전기로 변환하여 재사용하는 기술이다. 철도에서는 전동기의 발전 기능을 활용하여 전력을 전력망에 공급하고, 자동차에서는 배터리를 충전하여 에너지 효율을 높인다. 작동 원리는 주전동기를 발전기로 작동시켜 전기를 가선이나 배터리로 되돌려 보내는 것이며, 발전 제동과 달리 에너지를 재활용한다. 회생 제동은 에너지 절감, 차륜 마모 감소, 터널 온도 상승 억제 등의 장점이 있지만, 회생 실효(전력 공급 부족으로 제동력 저하)가 발생할 수 있으며, 이를 해결하기 위해 발전 제동 병설, 저항기 장착 등의 대책이 사용된다. 자동차에서는 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 연료전지 자동차 등에 적용되며, KERS와 같은 모터스포츠 기술로도 활용된다.

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회생 제동
개요
명칭	회생 제동
로마자 표기	hoesaeng jedong
영어 명칭	Regenerative braking
일본어 명칭	回生ブレーキ
중국어 명칭	再生制动 (Zàishēng zhìdòng)
작동 원리
에너지 변환	제동 시 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 회수
작동 방식	모터 또는 발전기를 사용하여 감속
에너지 저장	회수한 전기는 배터리, 커패시터 또는 전력망에 저장
활용 분야	전기 자동차, 하이브리드 자동차, 기차, 엘리베이터, 크레인 등
유형 및 기술
직류 회생 제동	직류 모터 사용
교류 회생 제동	교류 모터 사용
전기 역행 제동	모터를 발전기로 전환하여 제동
동력 회생 제동	마찰 제동과 함께 사용, 추가적인 감속력 제공
장점
에너지 효율 증가	운동 에너지 회수로 연료 소비 및 전력 소비 감소
친환경성	온실가스 배출 감소 및 환경 보호
브레이크 마모 감소	마찰 제동 사용 감소로 브레이크 부품 수명 연장
단점
시스템 복잡성	추가 부품 및 제어 시스템 필요
초기 비용 증가	시스템 구축 비용 증가
제동력 제한	저속 또는 완전 정지 시에는 마찰 제동 필요
기타
발전	감속 시 모터가 발전기 역할 수행
반환	생성된 전기를 배터리 또는 전력망으로 다시 보냄
제동력	회생 제동력은 모터의 크기 및 시스템 설계에 따라 다름
제동 효율	회생 제동 효율은 시스템 설계 및 작동 조건에 따라 다름

2. 철도

철도에서는 전동차나 전기 기관차의 주전동기를 발전기로 활용하여 발생한 전기를 가선(전차선)을 통해 전력망으로 다시 보낸다.

가장 일반적인 회생 제동 방식은 전동기가 전기 발전기 역할을 하는 것이다. 전기 철도에서는 생성된 전기가 전력 공급 시스템으로 다시 공급된다.^[2] 제동 중에는 주행 전동기 연결을 변경하여 전기 발전기로 작동하도록 한다. 전동기 계자는 주행용 주발전기(MG)에 연결되고, 전동기 전기자는 부하에 연결된다. MG는 전동기 계자를 여기시키고, 회전하는 기관차 또는 다중 단위 차륜이 전동기 전기자를 회전시켜 전동기는 발전기 역할을 한다. 이때 생성된 전류는 차내 저항기를 통해 보내거나(동적 제동) 공급 장치로 되돌려 보낸다(재생 제동). 전기-공압식 마찰 제동과 비교하여, 주행 전동기를 이용한 제동은 더 빠르게 조절할 수 있어 차륜 슬립 방지 성능이 향상된다.

주행 방향이 주어지면, 제동 중 전동기 전기자를 통한 전류 흐름은 구동 중 전류 흐름과 반대이다. 따라서 전동기는 회전 방향과 반대 방향으로 토크를 발생시킨다. 제동력은 계자 권선의 자력과 전기자 권선의 자력의 곱에 비례한다.

영국철도 390형 전동차는 마찰 제동 부품의 마모 감소와 17%의 에너지 절감 효과가 있다고 주장된다.^[20] 델리 메트로는 2004년부터 2007년까지 재생 제동 시스템을 통해 112,500 메가와트시의 전력을 재생하여 대기 중으로 배출되는 이산화탄소() 양을 약 90,000톤 감소시켰다. 델리 메트로는 2단계 공사가 완료되면 재생 제동을 통해 연간 100,000톤 이상의 배출량을 줄일 것으로 예상되었다.^[21]

재생 제동으로 생성된 전력은 주행 전력 공급 장치로 되돌릴 수 있다. 이는 당시 네트워크의 다른 전력 수요를 상쇄하거나, 헤드 엔드 전력 부하에 사용하거나, 나중에 사용하기 위해 선로변 저장 시스템에 저장할 수 있다.^[22]

런던 지하철의 일부 구간에서는 일종의 재생 제동 방식이 사용된다. 이는 역으로 오르내리는 완만한 경사를 설치하여 달성된다. 열차는 오르막길에서 속도가 줄어들고, 내리막길을 내려가면서 운동 에너지가 중력 위치 에너지로 전환된다.^[23] 이는 일반적으로 네트워크의 깊은 터널 구간에서 발견되며, 지상이나 개착식 메트로폴리탄선과 디스트릭트선 구간에서는 일반적으로 사용되지 않는다.

철도에서 일부 전기 기관차, 전동차, 축전지 전동차, 하이브리드식 기동차, 내연 기관차(디젤 또는 가스터빈)에 사용된다. 전동차와 전기 기관차의 경우, 주전동기로 발전하여 발생한 전기 에너지는 가선 또는 제3궤조(이하, 전력 공급선을 가선으로 함)로 되돌아간다. 변전소에서 열에너지로 변환하여 버리는 경우도 일반적으로 회생 제동이라고 부른다. 회생 제동은 발전 제동에 포함되지만, 차량에서 가선 등으로 전기를 되돌리는 것을 회생 제동, 자차 내에서 저항기 등으로 열에너지로 변환하여 버리는 것을 발전 제동이라 하여 구분한다. 축전지 차량 및 하이브리드식 동력 차량에서는 자차의 축전지에 회수되며, 대부분은 자차의 주행에 사용되지만 일부는 공조·조명용 전원으로 소비된다.^[67]

발전 제동은 저항기를 이용하여 발전 전압에 따라 저항값을 변화시켜 발전 전압을 일정하게 하여 안정된 제동력을 얻도록 하고 있지만, 가선으로 전기를 되돌리는 회생 제동의 경우에는 발전 전압을 가선의 전압보다 약간 높게 해야 한다.

발전기의 발전 전압은 회전수와 자계의 세기에 비례하므로, 전자석식 고정자 코일(계자)과 회전자 코일의 정류자를 가진 직류 전동기를 사용하는 차량의 경우, 계자 코일의 전류를 제어함으로써 계자 코일의 세기를 변화시켜 회전수가 변해도 발전 전압이 일정하게 하여 전동기의 발전 전압을 일정하게 한다. 실제 제어는 철도용으로 표준으로 사용된 직권 정류자 전동기에서는 계자 코일의 일부를 단락(약계자)하기 위한 단자를 사용하여 주회로와는 다른 회로를 형성하고 보조 전원에서 여기 전류를 흘려 주회로에 발생하는 전압을 제어한다. 여기 전류의 제어에는 스위칭 소자에 의한 정전압 가변 전류 제어가 필요하며, 저항 제어 시대에는 내구성의 관점에서 자기 증폭기가 널리 사용되었다.^[68] 또한 계자 제어의 폭을 넓히기 위해 단거리 중심의 차량에서는 복권 정류자 전동기를 사용하고, 완전히(회전자의) 주회로와 별도 회로로 한 것도 등장했다.^[69]

후에 스위칭 소자로서 반도체 사이리스터가 등장하면서 회로 전체를 반도체 스위칭 소자로 제어하는 전기자 초퍼 제어가 등장했지만, 반도체 소자가 고가이기 때문에 일본에서는 帝都高速度交通営団(현·도쿄 지하철) 이외에서는 거의 정착하지 않았다. 고정자의 제어는 종래대로 저항 제어로 하고, 여기 회로를 반도체에 의한 스위칭 회로로 한 것이 등장하여, 복권 주전동기를 사용한 것은 계자 초퍼 제어, 직권 주전동기를 사용한 것은 계자 추가 여기 제어라고 불린다. 현재 주류인 가변 전압 가변 주파수 제어(VVVF)에서는 회생 제동 시 가선 측에 대해 고정 전압 고정 주파수 가변 전류(CVCF) 출력을 하여 회생 제동을 실시하고 있다.

또한 교류 전철화 구간에서는 전압뿐만 아니라 교류 전원의 위상도 동기시킬 필요가 있다.

회생 제동을 사용함으로써 열차의 소비 전력을 절감(주행 시와 제동 시 상쇄)할 수 있을 뿐만 아니라, 플랫 발생에 의한 승차감 악화의 억제, 특히 마찰 제동(공기 제동 등의 기본 제동)으로 답면 브레이크를 채용하고 있는 차량에서는 윤축 마모율 억제^[70] 및 긴 내리막 구간 등에서의 과열에 의한 윤축 이완 방지^[71]가 기대할 수 있으며, 지하 터널 내의 온도 상승 문제도 경감할 수 있다.

2. 1. 작동 원리 및 특징

철도에서 전동차나 전기 기관차는 주전동기를 발전기로 작동시켜 발생한 전기 에너지를 가선으로 되돌려 보낸다. 이를 통해 열차의 소비 전력을 줄이고, 터널 내 온도 상승 문제를 줄일 수 있어, 신형 전동차 대부분이 회생 제동을 채용하고 있다.^[72]

회생 제동을 사용하려면 발생된 전기를 소비할 곳이 필요하며, 전기 에너지 특성상 바로 소비되지 않으면 제동력이 발생하지 않는 현상(회생 실효)이 발생한다.^[73] 주변에 역행 차량이 없거나 가선 전압이 안정되지 않은 경우, 안정된 제동 성능을 확보하기 위해 발전 제동을 함께 사용하는 차량이 개발되었다.

회생 제동과 발전 제동의 비교
구분	회생 제동	발전 제동
전력 처리 방식	발생된 전기를 가선 또는 제3궤조(전력 공급선)로 되돌려 보냄^[67]	자차 내 저항기를 통해 열에너지로 변환^[67]
장점	전력 소비 절감, 터널 내 온도 상승 억제, 윤축 마모율 감소^[70], 긴 내리막 구간에서 과열 방지^[71]	안정된 제동력 확보
단점	회생 실효 발생 가능성^[73]	전력 회수 불가

회생 제동의 종류는 다음과 같다.

어느 정도 속도가 떨어지면 회생 제동에서 발전 제동으로 전환하는 방식 (近畿日本鉄道|긴키 닛폰 철도^일본어 차량 등)
회생 제동을 사용하면서 가선에 회생할 수 없는 여분의 전력을 발전 제동으로 소비시키는 브레이크 초퍼 방식 (JR東海313系電車|JR 도카이 313계 전차^일본어, JR東海383系電車|JR 도카이 383계 전차^일본어 등)

가선 전압이 불안정한 경우에도 안정된 회생 제동을 가능하게 하는 벡터 제어 차량도 등장하고 있다.
회생 실효(回生失効): 회생 제동 시 회생 출력에 대한 부하를 확보할 수 없어 제동 능력이 저하되거나 무효화되는 현상이다.^[77] 직류 전철화된 노선에서 발생하기 쉬운데,^[78] 이는 교류 전철화에 비해 직류 전철화의 급전 구간이 짧고, 변전소에서 교류를 직류로 변환하는 다이오드 브리지가 전류의 흐름 방향을 제한하기 때문이다.

회생 실효 발생 시, 제동 성능이 크게 저하되거나 무효화된다. 차량 간 제동력 차이로 인한 충격이 발생할 수 있다.
회생 실효 대책:

차량 측:
발전 제동 병설: 저항기를 장착하여 회생 실효 시 발생 전력을 저항기로 전환, 발전 제동으로 기능하게 한다.^[79]
회생 제동 완전 차단 후 공기 제동(마찰 제동)으로만 전환: 실효 직후 공기 제동을 작동시키거나, 운전사가 임의로 회생 제동을 멈출 수 있는 스위치 설치.
집전 장치를 여러 개 장착하거나, 모선을 연결하여 여러 차량 간 공통 회로 구성.
주변 설비:
변전소에 회생 전력 흡수 장치 설치: 인버터 등을 사용하여 급전 측으로 전력을 되돌리는 장치 설치 (南海高野線|난카이 고야선^일본어 등).
플라이휠 배터리나 캐패시터, 축전지^[84] 등을 이용한 회생 전력 활용.

회생 제동에는 주전동기의 역기전력이 유효한 전압을 얻을 수 없게 되어 제동을 종료하는 "차단"이 있다. 이는 "회생 실효"의 일부로 간주되기도 한다.

60kW 이상의 회생 제동을 사용하는 테슬라 모델 S P85+. 회생 제동 중에는 전력 표시등이 녹색으로 표시됩니다.

2. 2. 영속도 회생 제동

현대로템이 국내 최초로 개발한 영속도 회생 제동 기술은 전동차가 정위치에 소음 없이 정차할 수 있도록 한다.^[88] 기존 전동차는 저속에서 회생 제동을 정확하게 제어하기 어려워 제동 패드를 마찰시켜 정차하는 공기 제동 기술을 사용했다. 영속도 회생 제동은 전동차가 정차할 때까지 회생 제동을 계속 사용하여, 전기 제동을 유지하고 회생 제동 구간을 늘린다.^[89]

이 기술을 통해 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다.^[89],^[90]

효과
연간 917MWh의 소비 전력 절약
연간 419kg의 미세먼지 저감
연간 약 407t의 이산화탄소 배출량 저감
제동 패드 사용률 감소로 유지보수 비용 절감
열차 감속도가 일정하여 정위치 정차 가능
정차 소음 차단
승차감 개선

현재 서울 지하철 2호선 전동차 214량과 튀르키예 이스탄불 M7에 적용되고 있다.^[90]

2. 3. 회생 제동과 제어 회로

회생 제동을 사용하려면 가선이나 축전지 등의 전원보다 높은 전압을 발생시켜야 하므로, 단순히 전동기를 전원에 연결하는 것만으로는 안정적인 제동력을 얻을 수 없다. 따라서 철도 차량에서는 안정적인 제동력과 큰 회생 전력을 얻기 위해 다양한 제어 방식이 사용된다.

저항 제어: "여분의 전력을 열로 버리는" 제어 방식이다. 전기 브레이크가 필요한 차량에서는 회생 제동 대신 발생 전력을 저항기로 소비하는 발전 제동을 사용했다. 직병렬 제어로 주전동기를 회생 시 직렬 연결하면 가선 전압보다 높은 전압을 확보할 수 있지만, 이것만으로는 제동 능력이 불안정하다. 계자 조정기를 탑재하면, 이론상 차단 속도는 높지만 안정적인 회생 제동을 탑재할 수 있다. 계자 조정기로는 주로 자기 증폭기가 사용되었는데, 이는 계자 접촉기 대신 계자율을 조정(직권 타여 계자 제어)할 수 있어 제어기의 접점 수 감소에도 유효하다. 발전 제동과 마찬가지로 차단 속도는 주 전동기의 기어비나 정격 속도에 따라 크게 좌우되지만, 대략 40km/h 전후로 높고, 회생 효율 자체도 반도체를 사용한 것에 비해 떨어진다. 하지만, 전기자 초퍼 제어는 대전력용 반도체가 비싸고, 계자 초퍼 제어에서는 과도 특성이 철도 차량에 부적합한 복권 전동기를 사용해야 했기 때문에, 계자 첨가 여자 제어가 보급될 때까지 사용되었다.^[68]

탭 제어: 주변압기의 탭(출력 단자)을 전환하여 속도를 제어하는 교류 전용 방식이다. 교류 전원에서는 가장 간단하고 고전적인 제어 방식이지만, 탭 전환 회로와는 별도로 인버터 회로를 조합하여 주 변압기로 되돌릴 수 있다면 회생 제동이 가능하다. 회로가 대규모가 되므로, 운행 구간에 긴 내리막 경사가 있어 전기 브레이크를 장시간 연속으로 사용해야 하는 등, 특수한 조건에서 사용되는 차량(예: 일본국유철도 ED79형 전기 기관차)에만 회생 제동이 채용되었다.

사이리스터 위상 제어: 교류 전력 파형의 일부를 꺼내는 위상 제어를 통해 전압을 제어한 후, 정류하여 직류 정류자 전동기를 구동하는 교류 차량 전용 방식이다. 회생 시에는 사이리스터를 인버터로 사용하여, 주 전동기에서 발생한 직류 전력을 교류로 변환한다. 전기 기관차에서는 주 회로에 저항기를 가질 필요가 없어 산악 구간을 중심으로 많이 사용되었다. 반면 전동차에서는 교류 전철화 구간에 회생 제동을 적극적으로 이용해야 할 필요가 있는 혼잡 구간이 아닌 경우가 많고, 직류 전철화 구간과의 직통 운전을 위해 직류 전동차에 정류기를 탑재한 직류·교류 겸용 전동차가 많이 사용되므로, 발전 제동을 탑재하는 차량이 많다. 이 사이리스터 위상 제어를 이용한 회생 제동을 탑재하는 것은, 일본에서는 일본국유철도 713계 전동차, JR큐슈 783계 전동차 등 소수에 불과하다.

전기자 초퍼 제어: 사이리스터를 직류 전철화에 응용한 것으로, 주 회로를 고속으로 On-Off하여 제어한다. 회생 시에는 주 전동기에 역전압을 걸어 전원 전압보다 높은 전압을 얻는다. 고속에서 회생 제동을 시작하면 가선 전압을 크게 초과하므로, 저항기를 삽입하여 규정 전압 이내로 억제하는 장치가 이루어지는 경우가 있다. 차단 속도는 수 km/h 정도이다.

계자 초퍼 제어: 복권 정류자 전동기를 이용하여 계자 회로만을 초퍼 제어로 한 것이다. 하지만, 주 회로는 저항 제어 그대로이므로 차단 속도는 20-40km/h 정도로 높다(정격 속도에 거의 비례하며, 직병렬 전환을 하지 않는 경우 그 약 2배가 된다).

계자 첨가 여자 제어: 직권 전동기를 이용하면서, 보조 전원을 이용하여 계자 조정을 가능하게 한 것이다. 주 회로는 저항 제어 그대로이므로 차단 속도는 15-30km/h 정도로 높지만, 회생 실효는 일어나기 어렵다. 계자 초퍼 제어를 직류 직권 전동기에 응용한 제어 방식으로, 계자 초퍼 제어의 문제였던 복권 전동기의 과도 특성 악화를 극복하여, 대용량 반도체가 불필요하고 저렴하므로, 일본국유철도 및 JR에서는 211계, 205계 등 신형 차량에 많이 사용되었다. 특히 205계는 1,461량으로 일본국유철도 형식 중 5위(재래선 한정 4위)의 대량 생산에 이르렀다. 일본 최초의 회생 제동 탑재 직류·교류 겸용 차량인 JR동일본 651계 전동차도 이 방식이다. 저항 제어 차량에서 간단하게 개조할 수 있다는 장점이 있어, 사철이나 공영 지하철에서는 나고야 철도5300계 전동차, 경한 2200계 전동차, 영단 5000계 전동차 등과 같이 기존 형식에서 개조가 자주 이루어졌다.

계자 위상 제어: 보조 전원의 정류자 전동기에서 계자 전류 제어를 통해 회생 제동을 사용 가능하게 한 것이다. 복권 정류자 전동기를 사용하는 경한 방식과 직권 전동기를 사용하는 긴테쓰 방식이 있다. 경한 전철에서는 1983년 12월에 600V에서 1500V로 승압을 앞두고, 복전압에 대응할 수 있고 계자 초퍼 제어와 같은 절전 효과가 있다고 하여 1970~80년대에 걸쳐 대량으로 도입되었다.

VVVF 인버터 제어: 마이크로컨트롤러와 스위칭 소자의 조합을 3개(6소자) 이상 구성하여 직류 전원에서 속도에 맞춰 삼상 교류를 만들어 내고, 교류 전동기를 이용할 수 있도록 한 것이다. 회생 시에는 속도에 맞춰 각 상에 역전압을 거는 듯이 제어하여, 직류 전력을 얻는다. 차단 속도는 이론상 수 km/h까지 유지할 수 있지만, 철도 차량 중에는 일부러 다른 제어 방식의 차량과 타이밍을 맞추기 위해 높은 속도로 차단하는 경우도 있다. 교류에서 교류로의 직접 변환 회로는 개발 중이므로, 전원이 교류인 경우 회생 시에 일단 인버터부에서 직류를 만들어 내고, 컨버터부에서 다시 교류로 하여 가선에 돌려보낸다(가속 시와 역할이 역전한다). 전동차에 의한 교류 전원으로의 회생이 일반화된 것은 이 방식이 보급된 이후이다. 인버터에 탑재된 소프트웨어에 따라 순수 전기 브레이크를 이용할 수 있다. 이 제어 방식을 채용하고 있는 차종의 대부분은, 회생 실효 시 특유의 발진음(노이즈)이 들리지 않으므로, 다른 제어 방식에 비해 판별하기 쉽다.

직류 전동기에서 발생하는 회생 전력은 직류이며, 교류 전원에 회생하려면 회생용 인버터가 필요하므로, 기존의 교류형 차량이나 직류·교류 겸용 차량에서 채용되는 예는 적었다.

3. 자동차

자동차에서 회생 제동은 수소 연료 전지 자동차, 전기자동차(미쓰비시 아이-MiEV, 닛산 리프 등), 하이브리드 자동차(토요타 프리우스, 혼다 인사이트 등)에 주로 사용되며, 감속 시 운동 에너지를 회수하여 배터리에 저장한다.

일반적인 회생 제동 방식은 전동기가 발전기 역할을 하는 것이다. 전기 철도에서는 생성된 전기가 전력 공급 시스템으로 다시 공급된다. 배터리 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에서는 에너지가 배터리에 화학적으로 저장되거나, 축전기에 전기적으로 저장되거나, 회전하는 플라이휠에 기계적으로 저장된다. 유압 하이브리드 자동차는 유압 모터를 사용하여 압축 공기 형태로 에너지를 저장하며, 수소 연료 전지 자동차에서는 모터가 생성한 전기에너지가 배터리에 화학적으로 저장된다.^[2]

1990년대 후반부터는 일반적인 내연기관 자동차에서도 발전기를 감속 시 고부하로 작동시켜 가속 및 주행 시의 작동 부하를 줄여 연비를 향상시키는 충전 제어 기술이 적용되고 있다.^[87]

모터스포츠에서는 2009년 F1에 도입된 운동에너지 회생 시스템(KERS)과 FIA 세계 내구 선수권 대회(WEC) LMP1-H 클래스 차량에 회생 제동 형식의 시스템이 사용되고 있다.

3. 1. 작동 원리 및 특징

수소연료전지 자동차나 배터리식 전기 자동차에서 주로 사용되며, 가속 페달에서 발을 떼면 회생 제동 기능이 작동하여 내장된 배터리를 충전한다.^[91] 하이브리드 자동차의 경우 엔진 브레이크와 함께 사용된다.^[87] 그러나 잦은 고심도 충전은 배터리 수명을 크게 단축시키므로 회생 전력량은 억제되는 경향이 있다.^[87]

현대자동차와 기아자동차는 레이더를 활용하여 도로 경사, 전방 차량의 속도 및 거리를 분석해 자동차가 스스로 회생 제동량을 결정하는 스마트 회생 제동 시스템을 사용한다.^[91] 스마트 회생 제동 시스템을 사용하면 앞차와의 간격이 줄어들 때 운전자가 직접 브레이크나 패들 쉬프트를 조작하지 않아도 자동으로 회생 제동이 작동하여 감속된다. 이는 불필요한 브레이크 조작을 약 80% 이상 줄여 운전자의 피로를 덜어주고, 불필요한 가감속을 줄여 실제 연비를 약 1.7% 개선하는 효과가 있다.^[91]

회생 제동만으로는 차량을 안전하게 정지시키거나 필요한 만큼 감속하기에 충분하지 않으므로, 마찰 기반 제동과 같은 다른 제동 시스템과 함께 사용해야 한다.

회생 제동 효과는 저속에서 감소하며, 현재 기술로는 차량을 빠르게 완전히 정지시킬 수 없다. 그러나 쉐보레 볼트와 같은 일부 자동차는 운전자가 회생 제동 거리를 알고 있다면 평지에서 완전히 정지할 수 있는데, 이를 원 페달 드라이빙(One Pedal Driving, OPD)이라고 한다.
현재 일부 회생 제동 시스템은 정지된 차량을 고정할 수 없다. 예를 들어 차량이 언덕 아래로 굴러가는 것을 막으려면 물리적 고정이 필요하다. 쉐보레 볼트와 같은 일부 자동차는 모터만으로 작은 경사면에서 정지 상태를 유지할 수 있다.
회생 제동이 장착된 많은 도로 차량은 모든 바퀴에 구동 모터가 있는 것이 아니다(이륜 구동 차량처럼). 회생 제동은 일반적으로 모터가 있는 바퀴에만 적용되므로, 안전을 위해 모든 바퀴를 제동할 수 있는 기능이 필요하다.
사용 가능한 회생 제동 효과는 제한적이며, 차량을 정지시키거나 상당한 속도 감소를 위해서는 여전히 기계식 제동이 필요하다.

회생 제동과 마찰 제동은 모두 사용되어야 하며, 필요한 제동력을 만들기 위해 이 둘을 함께 제어해야 한다. GM EV-1은 이 기능을 처음으로 상용화한 자동차였다. 1997년과 1998년에 Abraham Farag와 Loren Majersik 엔지니어는 이 ''전자식 제동'' 기술에 대한 두 개의 특허를 받았다.^[3]^[4]

초기에는 심각한 안전 문제가 자주 발생했다. 회생 제동이 장착된 초기 전기 자동차는 동력과 회생 제동을 같은 컨트롤러 위치에서 사용하고 별도의 수동 스위치로 기능을 전환하는 방식이었는데, 이 때문에 운전자가 제동하려다 실수로 가속 페달을 밟는 사고가 여러 건 발생했다. 1948년 바덴스빌(Wädenswil), 스위스에서 발생한 탈선 사고는 21명의 사망자를 냈다.

2020년대에는 회생 제동이 장착된 대부분의 차량이 원 페달 드라이빙 모드에서 빠르게 완전히 정지할 수 있다. 일부 자동차 모델은 회생 제동 작동 시 제동등이 켜지지 않아 안전 문제가 발생하기도 한다. 대부분의 규정에서는 회생 제동을 통해 차량이 감속할 때 제동등 점등을 의무화하지 않는다.^[5] 원 페달 드라이빙(OPD) 모드는 갑작스러운 의도치 않은 가속(SUA)에 대한 우려도 야기하는데, 운전자가 스트레스를 받는 상황에서 가속 페달을 브레이크로 착각할 수 있기 때문이다. OPD 주행 중에는 브레이크 페달을 거의 사용하지 않게 된다.^[6]

전기자동차(미쓰비시 아이-MiEV, 닛산 리프 등), 하이브리드 자동차(토요타 프리우스, 혼다 인사이트 등), 연료전지 자동차(토요타 미라이 등)에 사용된다.

타이어 회전을 이용하여 모터로 전력을 발생시켜 차량에 탑재된 축전지를 충전하고, 가속 시에는 이 전력을 사용한다. 잦은 고심도 충전은 배터리 수명을 크게 단축시키므로 회생 전력량은 억제된다.

1990년대 후반부터는 전기 자동차나 하이브리드 자동차 외에 일반적인 내연기관 자동차에서도 발전기를 감속 시에 고부하로 작동시켜 가속 및 주행 시의 작동 부하를 줄여 연비를 향상시키는 기술(충전 제어)이 적용되고 있다.^[87]

3. 2. 스마트 회생 제동 시스템

레이더를 활용하여 도로 경사 및 전방 차량의 속도, 거리 차이를 분석해 자동차가 스스로 회생 제동량을 결정하는 시스템이다.^[91] 스마트 회생 제동 시스템을 사용할 경우, 차량 운행 중 앞차와의 간격이 줄어들면 운전자가 풋브레이크나 패들 쉬프트를 조작하여 속도를 줄이지 않아도 자동으로 회생 제동을 걸어 감속시켜준다. 이를 통해 불필요한 브레이크 조작을 약 80% 이상 줄여 운전자의 피로도를 낮춘다. 또한, 불필요한 가감속을 피하므로 실제 연비를 약 1.7% 개선할 수 있다.

스마트 회생 제동 시스템 활성화 방법은 다음과 같다.

자동차 속도가 10km 이상일 때 우측 패들을 1초 이상 당기면 활성화된다. 계기판에 AUTO라는 흰색 문구가 뜨고, 이 문구의 색이 파란색으로 바뀌면 스마트 회생 제동 시스템이 작동되고 있다는 뜻이다. 도로 경사가 변할 때, 전방 차량과의 차간 거리가 감소하거나 증가할 때, 전방 차량의 속도가 감소하거나 증가할 때만 스마트 회생 제동 시스템이 작동하고, 그 외 상황에서는 작동하지 않는다.
시동을 켠 상태에서 「P」(주차) 단으로 변속하고 계기판 「사용자 설정 → 편의 → 스마트 회생 시스템」을 선택한다.

3. 3. KERS (운동 에너지 회수 시스템)

2009 시즌에 운동 에너지 회수 시스템(KERS)이 도입되었으나, 2010 시즌에는 사용되지 않았다. 이후 2011 시즌에 다시 도입되었고, 2013 시즌부터는 마루시아 F1을 포함한 모든 팀이 KERS를 사용했다.^[25]

KERS는 플라이휠과 같은 기계적 에너지나 배터리, 슈퍼커패시터와 같은 전기 에너지 형태로 저장될 수 있다.^[34]

2014 시즌에는 KERS를 대체하는 ERS 시스템의 일부인 MGU-K의 출력이 60kW에서 120kW로 증가했으며, 랩당 2메가줄(MJ)을 회수할 수 있게 되었다.^[41]

KERS는 도입 초기에는 코스나 팀의 레이스 전략에 따라 탑재 여부가 선택되었지만, 2014년 이후에는 모든 차량에 의무적으로 탑재되고 있다.

4. 기타 운송 수단

전기 자전거는 원칙적으로 회생 제동을 사용할 수 있다. 그러나 2024년 현재 자전거에서 회생 제동은 거의 사용되지 않는데, 주로 직접 구동 허브 모터가 필요하기 때문이다. 또한, 회생 제동은 프리휠 메커니즘과 결합될 수 없고, 회생되는 에너지의 양도 충분하지 않다.^[55]

비전기 자전거에서도 회생 제동이 가능하다. 미국 환경보호청은 미시간 대학교 학생들과 함께 유압식 회생 제동 발진 보조 장치(RBLA)를 개발했다.^[56] 일부 전기자전거에는 제동 시 발생하는 전력을 축전지에 충전하여 보조 주행 거리를 늘리는 기능이 있다(산요전기·에네루프 자전거, 브리지스톤사이클·알베르토e).

엘리베이터의 경우, 어느 정도 대형인 것은 전동기에서 발생한 회생 전력을 전력 계통으로 되돌려 보내지만, 아파트 등에 설치되는 일반적인 것에서는 회생 전력을 저항기에 흘려 열에너지로 버리는 발전 브레이크가 일반적이다. 이는 발생하는 회생 전력이 철도 차량 등에 비해 작고, 전력 계통으로 역류시키는 가역 컨버터를 설치하는 비용에 맞지 않기 때문이다. 미쓰비시전기(三菱電機)의 제품에는 회생 전력을 축전지에 저장하여 정전 시 짧은 시간 동안 운전을 계속할 수 있는 비상 전원으로 사용하는 것(상품명: 엘리세이브)도 있지만, 일반적이지는 않다.

4. 1. 자전거

전기 자전거에서는 원칙적으로 회생 제동을 사용할 수 있다. 그러나 2024년 현재 자전거에서 회생 제동은 거의 사용되지 않는데, 주로 직접 구동 허브 모터가 필요하기 때문이다(많은 자전거는 체인을 구동하는 미드 드라이브 모터를 사용함). 또한, 회생 제동은 프리휠 메커니즘과 결합될 수 없다. 그리고 회생되는 에너지의 양은 일반적으로 그만한 가치가 있을 만큼 충분히 높지 않다.^[55]

비전기 자전거에서도 회생 제동이 가능하다. 미국 환경보호청은 미시간 대학교 학생들과 함께 유압식 회생 제동 발진 보조 장치(RBLA)를 개발했다.^[56]

일부 제조사에서 판매하는 전기자전거에는 제동 시 발생하는 전력을 축전지에 충전하여 보조 주행 거리를 늘리는 기능이 있는 모델이 있다(산요전기·에네루프 자전거, 브리지스톤사이클·알베르토e).

4. 2. 엘리베이터

엘리베이터의 경우, 어느 정도 대형인 것은 전동기에서 발생한 회생 전력을 전력 계통으로 역류시키는 형태로 되돌려 보내지만, 아파트 등에 설치되는 일반적인 것에서는 회생 전력을 저항기에 흘려 열에너지로 버리는 발전 브레이크가 일반적이다. 이는 발생하는 회생 전력이 철도 차량 등에 비해 작고, 전력 계통으로 역류시키는 가역 컨버터를 설치하는 비용에 맞지 않기 때문이다. 미쓰비시전기(三菱電機)의 제품에는 회생 전력을 축전지에 저장하여 정전 시 짧은 시간 동안 운전을 계속할 수 있는 비상 전원으로 사용하는 것(상품명: 엘리세이브(エレセーブ))도 있지만, 이것도 일반적이지는 않다.

5. 열역학적 고찰

회전체의 에너지는 회전체를 시스템으로 가정할 때 다음과 같은 일반적인 에너지 방정식으로 설명할 수 있다.

: $E_\text{in}-E_\text{out}= \Delta E_\text{system}$

여기서

:* $E_\text{in}$ 은 회전체로 들어가는 에너지이다.

:* $E_\text{out}$ 은 회전체에서 나오는 에너지이다.

:* $\Delta E_\text{system}$ 은 회전체의 에너지 변화량이다.

제동 중에는 회전체의 위치 에너지, 엔탈피, 압력 또는 부피의 변화가 없다고 가정하므로, 운동 에너지만 고려한다. 차량이 제동하는 동안 회전체에서 에너지가 소산되지 않으며, 회전체로 들어가는 에너지는 차량의 초기 운동 에너지뿐이다. 따라서 방정식은 다음과 같이 간소화할 수 있다.

: $\frac{mv^2} {2} = \Delta E_\text{fly}$

여기서

:* $m$ 은 차량의 질량이다.

:* $v$ 는 제동 직전 차량의 초기 속도이다.

회전체는 차량의 초기 운동 에너지의 일정 비율을 수집하며, 이 비율은 $\eta_\text{fly}$ 로 나타낼 수 있다. 회전체는 에너지를 회전 운동 에너지로 저장한다. 에너지가 다른 형태의 에너지로 변환되지 않고 운동 에너지로 유지되므로 이 과정은 효율적이다. 그러나 회전체는 최대 회전 운동 에너지에 의해 제한되는 양의 에너지만 저장할 수 있다. 이는 회전체의 관성과 각속도에 따라 결정된다. 차량이 정지해 있을 때는 시간이 지남에 따라 소량의 회전 운동 에너지만 손실되므로 회전체의 초기 에너지량은 회전체가 분배하는 최종 에너지량과 같다고 가정할 수 있다. 따라서 회전체가 분배하는 운동 에너지량은 다음과 같다.

: $KE_\text{fly}=\frac{\eta_\text{fly} mv^2} {2}$

회생 제동은 기계식 플라이휠의 방정식과 유사한 에너지 방정식을 갖는다. 회생 제동은 모터/발전기와 배터리를 포함하는 두 단계 과정이다. 초기 운동 에너지는 발전기에 의해 전기에너지로 변환된 후 배터리에 의해 화학 에너지로 변환된다. 이 과정은 플라이휠보다 효율이 낮다. 발전기의 효율은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

: $\eta_\text{gen}=\frac{W_\text{out}}{W_\text{in}}$

여기서

:* $W_\text{in}$ 은 발전기로 들어가는 일이다.

:* $W_\text{out}$ 은 발전기가 생성하는 일이다.

발전기로 들어가는 일은 자동차의 초기 운동 에너지뿐이며, 발전기가 생성하는 일은 전기에너지뿐이다. 발전기가 생성하는 출력을 구하기 위해 이 방정식을 재배열하면 다음 방정식이 된다.

: $P_\text{gen}= \frac{\eta_\text{gen} mv^2}{2 \, \Delta t}$

여기서

:* $\Delta t$ 는 자동차가 제동하는 시간이다.

:* $m$ 은 자동차의 질량이다.

:* $v$ 는 제동 직전 자동차의 초기 속도이다.

배터리의 효율은 다음과 같이 설명할 수 있다.

: $\eta_\text{batt}=\frac{P_\text{out}} {P_\text{in}}$

여기서

:* $P_\text{in}=P_\text{gen}$

:* $P_\text{out}=\frac{W_\text{out}}{\Delta t}$

배터리의 출력 일은 회생 제동에 의해 생성된 에너지량을 나타낸다. 이것은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

: $W_\text{out}=\frac{\eta_\text{batt} \eta_\text{gen} mv^2}{2}$

미국 에너지부(DoE)에 따른 도시 및 고속도로에서의 자동차 에너지 효율

미국 에너지부(DoE)의 다이어그램에 따르면, 내연기관 자동차는 도시 주행 시 효율이 일반적으로 13%, 고속도로 주행 시 20%이다. 유용한 기계적 에너지에 비례하는 제동은 도시에서는 6/13 즉 46%, 고속도로에서는 2/20 즉 10%에 해당한다.

DoE는 전기 자동차가 전력망에서 바퀴까지 전기 에너지의 77% 이상을 변환한다고 한다.^[64] 장-마크 잔코비치에 따르면 전기 네트워크, 난방 및 에어컨 손실을 고려한 전기 자동차의 효율은 약 50%이다.^[65]

전기 모터 효율

\eta_\text{eng}=0.5

와 도시에서의 제동 비율

p=0.46

, 고속도로에서의 제동 비율

p=0.1

이라고 가정하고, 제동 에너지의 회수 비율인

\eta_\text{recup}

을 도입하여

\eta_\text{recup}=0.6

이라고 가정한다.^[66]

이러한 상황에서, 전기 엔진에 도달하는 에너지 흐름을

E

, 제동 중 손실되는 에너지 흐름을

E_\text{braking}

, 회수된 에너지 흐름을

E_\text{recup}

이라고 하면, 다음 방정식에 따라 평형이 이루어진다.

E_\text{braking}=(E + E_\text{recup}) \cdot \eta_\text{eng} \cdot p

그리고

E_\text{recup}=\eta_\text{recup} \cdot E_\text{braking}

따라서

E_\text{braking}=\frac {E \cdot \eta_\text{eng} \cdot p} {1-\eta_\text{eng} \cdot p \cdot \eta_\text{recup}}

기존 에너지 흐름

E

가 새로운 에너지 흐름

E \cdot (1-\eta_\text{eng} \cdot p \cdot \eta_\text{recup})

으로 대체된 것과 같다.

예상되는 이득은

\eta_\text{eng} \cdot p \cdot \eta_\text{recup}

이다.

회수 효율이 높을수록 회수량이 높아진다.

전기 모터와 바퀴 사이의 효율이 높을수록 회수량이 높아진다.

제동 비율이 높을수록 회수량이 높아진다.

고속도로에서는 이 수치가 3%이고, 도시에서는 14%에 달한다.

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