전기차 브레이크는 뭐가 다를까?
브레이크 시스템은 차량 속도를 줄이거나 완전히 정지시켜 사고를 방지하는 장치죠?
제가 브레이크 이야기를 하면서 꼭 하는 이야기가 ISO 26262(차량 기능 안전 표준)입니다.
이 규정은 회생제동과 마찰제동 간의 협조 제어(Cooperative Control)를 통해 차량의 제동 성능과 안정성을 보장해야 한다고 명시하지만. 여기서 가장 중요한 규정은 모터 출력이 브레이크 시스템의 최대 정지력을 초과하지 않도록 제어해야 한다. 가 기본 골자죠
실제로 모터든 엔진이든 풀로 밟고 급발진이 일어나도 브레이크를 강하게 밟으면 무조건 서도록 차를 만들고 이걸 충족하지 않으면 차량을 판매할 수 없습니다.
결국 브레이크 시스템의 신뢰성이 확보되지 않는다면 차량을 판매할 수 없고 이러한 안정성 규정 때문에 브레이크는 무조건 물리적인 장치로 만들고 있는 것이 현 상황입니다.
그렇기에 일반적인 승용차부터 대형 상용차, 하이브리드차, 그리고 전기차(EV)에 이르기까지, 브레이크 시스템은 구동방식이나 차량의 동력원과 상관없이 모두 비슷한 형식으로 존재하고 드럼브레이크 디스크브레이크등 비슷한 장치들을 사용합니다.
하지만 이러한 공통점에도 불구하고, 내연기관차(ICE)와 전기차(EV)는 구동계 구조와 동력 손실 방식에서 큰 차이가 있기 때문에, 브레이크 시스템의 설계와 작동 원리 외 에도 시스템 구성에 차이가 존재합니다.
오늘은 이 이야기를 해보죠
1. 전통적 브레이크 시스템과 내연기관차의 일반적 특징
유압식 브레이크라고 불리는 이시스템은 내연기관차에서는 브레이크 페달을 밟는 순간 캘리퍼(Caliper)나 휠 실린더(Wheel Cylinder) 등의 유압 장치가 활성화되어 브레이크 패드(Pads)와 디스크(Disc) 또는 드럼(Drum) 간의 마찰을 일으킴으로써 운동에너지를 열에너지로 소산 시킵니다.
브레이크 페달에 압력이 가해지면 마스터 실린더는 브레이크 오일(브레이크 액)을 압축하여 유압을 발생, 유압은 브레이크 라인을 통해 각 바퀴로 전달되는 것이죠 뭐 여기서 드럼브레이크를 활용할 거냐 디스크 브레이크를 활용할 거냐 이론적인 차이는 있지만 아래와 같은 두구조가 일반적으로 활용됩니다.
사실 여기까지는 워낙 당연한 이야기고 브레이크의 구조론은 나중에 따로 다루도록 하겠습니다. 우리가 여기서 이야기하고 싶은 건 이거 외에 어떤 시스템이 있느냐? 이 질문에 답변하는 거니까요.
내연기관 차량의 브레이크 원리
내연기관 차량(ICE)의 브레이크 시스템은 위에서 설명한 마찰제동에 더해, 엔진 브레이크(Engine Brake)라는 추가적인 감속을 수행합니다.
내연기관에서 엔진 브레이크는 차량 감속 시 엔진 내부의 압축 과정에서 발생하는 펌핑 손실(Pumping Loss)을 활용한 시스템으로 아래 3가지 순서로 진행이 되는 것이죠
1. 운전자가 가속 페달에서 발을 떼면, 연료 공급이 차단되고 엔진 내부의 흡입 및 압축 저항이 증가
2. 이로 인해 엔진이 바퀴로부터의 운동 에너지를 흡수하여 속도를 줄이는 역할
3. 엔진 브레이크는 마찰제동을 보조하며, 고속 운전에서 감속을 더욱 부드럽게 함
내연기관 차량에서는 고속 감속 시 주로 엔진 브레이크를 사용하다가, 차량 속도가 더 느려질수록 마찰 브레이크가 주요 역할을 맡게 되는 겁니다.
사실 작금의 자동차들은 "퓨얼 컷(Fuel Cut)"이라는 구조를 갖추고 있으며, 액셀을 밟고 있지 않은 상태에서 일정한 회전수를 넘어가게 되면 엔진에 연료를 공급하지 않기에 그렇게 큰 연비개선 효과는 없긴 하지만 말이에요
우선은 여기까지 이해하고 전기차는 뭐가 다른지 이야기해 볼까요?
3. 전기차의 브레이크 시스템과 차이점
전기차는 유명하죠? 회생제동(Regenerative Braking)이라는 새로운 방식을 사용해 제동 시 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리로 돌려보냅니다
사실 이 회생제동은 차량의 구동 모터가 감속 시 발전기(Generator) 역할을 수행하도록 설계된 시스템으로
전동기(모터)와 인버터, 배터리 사이의 상호작용을 통해, 단순히 마찰로 에너지를 소모하는 대신 차량 관성으로부터 유도된 전류를 배터리에 재충전하는 구조죠
문제는 이 회생 제동의 세기는 모터에 자속에 의해 결정되기에 결국 전기차에서는 회생제동과 마찰제동의 협조 제어를 해야 한다는 것이죠 문제는 이 회생제동이라는 게 운전감에는 악영향을 미치는 요소라는 겁니다.
실제로 회생제동을 강하게 하고 타시는 분들은 멀미를 하시는 경우도 있고요 이게 PHEV냐 HEV냐 EV냐에 따라서 또 다르게 적용되는 경향성이 있습니다.
사실 HEV가 아무 리강 하게 회생제동을 한다 해도 EV에 비하면 미약한 양이고 실제 EV를 풀로 당긴다고 하면 멀미를 하시는 분들이 많이 계시죠
회생제동은 다음 편에서 아예 따로 다룰 예정이니 좀만 기다려주세요
