회생제동의 제어원리와 실제 에너지 회수율

Feb 6. 2025

전기자동차 이야기를 하면 회생제동(Regenerative Braking) 중요해요 기술적으로 핵심이에요 전기차 주행거리가 길어져요 이런 이야기가 많습니다. 그래요 "모터를 발전기처럼 사용한다." 까지는 알기 쉽지만 정확히 어떤 방식으로 활용하는 걸까요? 아니 어떤 방식으로 그 타이밍에 제어하는 걸까요?

우선 회생제동은 차량의 운동 에너지를 전기에너지로 변환하여 이를 저장하거나 다시 활용하는 기술입니다.

정확한 정의를 먼저 보실까요? 회생제동은 국제기구인 iso에서 정의를 먼저 보시죠

"Braking with conversion of kinetic energy into electric energy for charging the RESS (Rechargeable Energy Storage System)."

국문으로는 "운동 에너지를 전기에너지로 변환하여 RESS(Rechargeable Energy Storage System, 충전 가능한 에너지 저장 시스템)를 충전하는 제동 방식."이라 정의하고 있더군요 자 그래요 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 거 ok 그걸 어떤 식으로 하는데?라는 질문이 따라옵니다.

1. 회생제동의 기본원리

회생제동에 대하여 논하기 위해서는 위수식부터 들어가야 합니다.

지금 보고계시는 패러데이-렌츠법칙 은 시간에 따른 자기장 변화에 의하여 발생하는 전류에 대한법칙과 그를 연결해 자속까지 연결하는 모터에서의 가장 골자를 이루는 법칙으로

패러데이(Faraday)의 전자기 유도 법칙 : 임의의 폐회로를 쇄교 하는 시간당 자속의 변화량에 따라 그에 비례하는 기전력이 유도되고 이로 인해 폐회로에 전류가 흐름

렌츠(Lenz)의 법칙 : 패러데이가 말한 유도기전력의 방향은 쇄교 하는 자속의 변화량을 방해하는 방향으로 형성

이 법칙을 근본으로 두고 이제 논의를 해봅시다.

한마디로 모터는 전류가 흐르면 자기장이 형성되고 이 자기장의 힘으로 회전시킨다가 기본골자라면

발전기는 정반대로 회전력으로 전기를 만들 수 있다가 핵심인 겁니다.

그렇다면? 어차피 멈추게 할 거라면 남는 에너지를 발전기로 사용하자가 기본인 것이죠

물론 우리가 모터를 돌려 3상 교류 생성해 받아들이기에 이 과정이 복잡하다는 단점이 있긴 하지만요

결론을 말씀드리면

모터에서 역자계를 생성하가나 영구자석을 활용해 발전기로 활용해 제동 한다.

이렇게 이해하시면 됩니다.

2. 회생제동은 자동차에서만 쓰이는 게 아니다?

먼저 이걸 이야기하고 갑시다.

현대로템의 자료를 보시면 열차의 회생제동에 대해 다뤄둔 파트가 있습니다. 사실 원래 열차가 전기로 움직이기에 최대한 효율을 뽑도록 여기서 먼저 개발된 기술이고, 이걸 전기자동차로 가져온 것이죠

사실 기술이 부족했던 과거에는 아래처럼 추가적인 유닛을 달아 회생제동을 수행했지만

컨버터 기술이 성숙되고 나니

저 회로에 컨버터를 내장시키게 되었습니다. 오 기술의 발전의 로 간소화가 되었군요 그럼 이걸 제어하려면 어떤 방식으로 제어하는지 이야기해 봅시다.

3. 회생 제동의 제어 방식

3.1 제어의 핵심 변수 및 파라미터

먼저 회생 제동 제어에서 우리가 고려해야 할 파트를 이야기해 봅시다.

맨 처음 고려해야 할 건 배터리 SOC(State-of-Charge) 및 내부 저항입니다.

즉 전체 시스템을 먼저 고려하는 것이죠, 실제로 논리구조를 써보면

소모된 후 다시 가져오는 것이기에 과충전의 문제는 없다.(물론 HEV에서는 가능성이 있긴 합니다)

↓

1. 시스템 내의 허용전류라가 정해져 있기 때문에 일정이상의 발전을 하면 안 된다.
2. 인버터의 용량을 고려해야 한다.

간단히 말하자면 최대 스펙을 지정하는 것이죠, 회생 제동의 최대 강도를 정해둔다 정도로 이해하시면 됩니다. 결국 여기에서 우리가 필요한 방향으로 제어하기 위해 DQ변환 기반에 전류를 흘려주고

Id : 자속을 형성하는 전류

Iq : 토크를 생성하는 전류

회생제동에서는 역방향 토크를 발생시키므로 Iq 가 음수 방향으로 흐르를때 가벼운 제어가 들어간다.
즉, 모터에 직접적인 계자 전류는 흐르지 않지만, 전류 벡터 제어(FOC, Field-Oriented Control)를 통해 IdI와 Iq를 최적화하여 제어한다 정도겠네요

3.2 모터의 회전 속도 및 위상

자 이제 기초시스템을 선정했으니 다음 단계로 가야죠? 대전제를 이야기합시다.

모터를 발전기로 사용 시 회전 속도는 발전기 모드에서 발생하는 전압(역기전력)의 크기를 결정한다.

물론 사실 단순하게 말하면 PMSM 기준 전기를 끊어서 영구자 속으로 인한 자계의 변화가 생기기에 우리는 회생제동을 합니다.

문제는 이러한 방식에서 우리가 활용할 수 있는 방식으로 제어해야 하기에 실제로 우리는 계자를 만드는 방식이 아니라 미소전류를 흘려 제어하는 방식으로 전류를 빼온다 정도로 이해하시면 되는 거죠

여기서 고려해야 할 점은 우리는 시스템에 제한이 있고 필요한 만큼만 빼와야 한다 라는 게 대전제라 말씀드렸죠? 결국 역으로 흘려서 세기를 조절해 줘야 하는 것이죠, 이결 효율적으로 활용하기 위해서는 위상 제어를 통해 전류와 전압의 상관관계를 최적화함으로써 최대 에너지 회수를 한다 정도로 정리할 수 있겠습니다.

어느 파트에서 어느 만큼 에너지를 빼올 거냐가 핵심적인 고려 사항인 겁니다.

3.3. 회생제동의 기본 알고리즘

결국 정리하자면 우리는 위와 같은 알고리즘으로 표현할 수 있는 것이죠 실제로 위에 파트는 지금까지 설명한 실제로 회생제동이 필요한가 판단하고 필요하다면 회생제동을 한다 정도로 이해하시면 되겠습니다.

제동 시스템중 회생 제동은 기본적으로 전동기를 모터 모드에서 발전기 모드로 전환하는 것을 전제로 합니다. 차량이 감속을 요구할 때, 즉 브레이크 페달이 입력된다면, 차량 제어 시스템의 자동 감속 명령에 따라 전동기 제어기는 다음과 같은 순서로 동작하는 것이죠 실제로 산정 수식을 봐보시면 아래와 같이 계산됩니다.

1) 감속 명령 수신 및 토크 참조 생성:
차량 제어 시스템은 운전자의 감속 요구를 받아 해당 감속률(또는 목표 토크)을 산출, 이때, 회생 제동에 의해 회수 가능한 전력량과 한계를 고려하여 목표 토크가 결정

2) 모터 제어 모드 전환
감속 시 역기전력(Electromotive Force, EMF)을 활용해 발전기로서의 기능을 수행하도록 전환 Field-Oriented Control (FOC) 혹은 Direct Torque Control (DTC)를 활용해, 전동기 제어 알고리즘에서 모터의 d 축(자기권)과 q 축(토크권) 전류를 분리 제어합니다. 회생 제동 시에는 q 축 전류가 주로 발전 토크를 결정하며, 이와 동시에 d 축 전류를 적절히 조절하여 모터의 자속 상태를 유지하거나 최적화

3) 인버터 스위칭 및 전력 변환
인버터가 전동기가 발전기 모드에서 발생하는 교류 전력을 DC로 변환하여 배터리(또는 기타 에너지 저장 장치)로 전달하는 역할

4) 전력 전자 회로의 제어:
조건에 따라 스위칭 소자(IGBT, MOSFET 등)의 정밀한 제어를 통해 모터의 전류 위상과 전압을 맞추고, 효율적인 에너지 회수

대충 이 정도를 이해하시다면 기초적인 PMSM의 회생제동은 이해하신 겁니다(IM은 또 달라요)

2. 회생 제동에서 “LV과 g” 표현의 의미와 활용 이유

지금 보고 계시는 건 현대차의 홍보자료입니다. 그리고 다른 글을 보시면

G로 표현하기도 하죠 실제로 왜 이런 식으로 차이가 나는 걸까요?

LV은 세부적인 수치값으로 표현하기에는 제한이 있기에 알고리즘에서 하는 감속도에 대한 명령 치를 나타낸 것이고 G는 실제 값을 나타낸 것입니다.

위내용을 기반으로 일반적인 계산이나 산정은 “G” 단위의 감속도로 진행되지만, 제어 알고리즘 내에서는 여러 외부/내부 제약 조건을 고려하여 회생제동의 활성 상태를 나타내기 위해 LV와 같은 상대적 지표를 활용한다 이해하시면 되겠습니다.

2.1. “g”의 정의 및 물리적 의미

아마 대부분 아시겠지만 “g”는 중력 가속도(standard gravitational acceleration, 약 9.81 m/s²)를 나타내는 기호로 입니다.

자동차 제동 성능을 “g” 단위로 표현하는 것은, 차량이 제동 시 얼마나 큰 감속을 달성하는지를 중력 가속도의 비율로 설명할 수 있습니다. 예를 들어, 0.3g의 제동 성능은 약 2.94 m/s²(0.3 × 9.81 m/s²)의 감속인 것이죠

그럼 그냥 m/s² 를 사용하면 되는 거 아니에요?라고 질문하시면 맞는 표현입니다. 이런 부분은 관행에 가깝죠

고성능 스포츠카, 항공기, 우주선 등에서 “몇 g의 가속을 받는다”는 표현을 오래전부터 사용해 왔고, 이는 엔지니어끼리나 대중에게도 훨씬 설명하기 쉬우니까요, 오히려 더 어렵다고 말씀하시면 그것도 맞습니다. 일종의 관행이니까요

회생제동 레벨을 나누는 이유

그래서 회생제동 레벨은 왜 나누는 걸까요? 결국 NVH 적 요소 때문입니다. 단순한 강약 조절이 아니라, NVH(소음·진동·승차감) 최적화를 위한 것이죠

실제로 회생제동을 사용해 승차감이 떨어지고 멀미가 심하다.라는 사용자 평가는 오래전부터 들려왔습니다. 물론 전기차의 급가속 때문이라는 이야기도 있었지만, 사실 복합적으로 보는 것이 맞겠죠

실제로 위 그래프처럼 회생제동의 경우 차량에 진동적 영향이나 속도제어에 노이즈가 낄 수밖에 없습니다. 이는 일반적이지 않은 감속으로 인한 변화를 유발하기에 결국 멀미로 이어지는 것이고요

물론 이걸 잡아주는 방식을 개발 중이고 나름대로 초기에 비해 많이 개선되었지만 완전히 정착되기에는 아직 시간이 남았습니다.

회생제동 에너지 회수율

그럼 마지막 이야기입니다. 이렇게 회생제동 회생제동 하는데 이 회생제동의 에너지 회수율은 얼마나 될까요? 먼저 이론적으로 이야기해볼까요? 회생제동은 고속 중속 저속마다 효율이 다릅니다. 이는 고속에서 역기전력이 높고 저속에서 역기전력이 낮기 때문인데요 실제적으로 지표를 보면 다음과 같습니다.