회생제동은 전기차량의 제동인가 상황이나 기타 전기장비가 부하를 멈추고 활동량이 낮아지는 특정 상황에서 회로에 남아있는 전기를 방류하지 않고 배터리로 돌려보내 충전하는 기술이다.

표기법으론 한문과 영어 두 가지를 해석해보자.

영어 - regeneretive brake

한문 - 回生制動


먼저 영어를 알아보자면,

re=돌려보내다, generetive=발전, brake=멈춤으로, 멈출때 무엇인가 에너지를 돌려보냄으로써 발전을 한다는 뜻이 된다. 

영어표기는 재미가 없다. 한문표기가 재미있다.


한문표기의 해석은 아래와 같다.

일단 회생은

回: '돌아올 회'로써, 무엇인가 돌려 보내거나 돌아온 것의 의미가 있는 문자.

生: '날 생' 으로써, 무엇이 나거나 생명이 태어날 때, 싱싱할 때 쓰는 등의 살아있는 것과 연관이 있는 문자.

위 두가지만 놓고 해석하자면 '회생' 즉, 다시 살아난다는 뜻으로써 신용도에서는 개인회생이란 단어를 쓸 때 이 회생이란 한문 2글자를 사용한다.

제동은 

制: '절제할 제'로써, 무엇인가 절제하거나 억제를 한다는 의미.

動: '움직일 동'으로써, 움직이나 옮기는 의미가 담겨 있다.



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위는 복잡한 서론을 싫어하는 사람에겐 좋지 못한 설명이기에 빗금을 치는데, 

단어를 해석만 해보아도 '제동할때 돌아오는 에너지를 이용하는구나!' 라는 것을 충분히 알 수 있다.

언어적인 해석은 그만 두고, 이제 기술적인 해석으로 회생제동이 무엇인지 한번 같이 알아볼까?


① 회로는 항상 전류를 남긴다.


<그림1-회로의 기본적인 전류 순환도, 출처 - 직접 그림>


일단, 전류가 회로에 들어가기 위해서 (인입이 되기 위해서) 하나의 길이 있는데 이것을 '인가 회로' 라고 한다. (회로는 전기가 순환하는 길이라 생각하면 됨)

<그림1>을 보고 해석해보자. 인가 회로는 회로 내에 전류를 부어주는 역할을 하는 것이기 때문에 항상 회로의 첫단에 위치한다.


인가 회로를 통해 장비에 전류가가 인입이 된다면 이 전기에너지를 사용하는 부속개체들이 있는데 이것을 묶어서 '부하 회로' 라고 생각하면 쉽겠다. 

근데 이 부하 회로는 폐색단계에 들어서면 (부하가 멈추면) 더 이상 부하활동을 하지 않게 된다.

그 과정에서 기존에 부하되던 전류가 남아있다 하더라도 인입전류가 0이 되버린다면 부하활동을 멈추게 된다. 


즉, 부하회로는 좆나 개념없는 입소0일차 육군훈련소 훈련병처럼 밥을 남기는 새끼가 되어버리는데 이게 아무 대책없이 밥을 남긴다는 것이 정말 큰 문제이다.

여기서 수 많은 간부들이 훈련병이 밥을 남기는 문제를 해결하기 위해 연대장실에서 대가리 쥐어박고 회의하는 것처럼,

기술자들이 남은 전류에 대해 문제점을 제기했고 해결책을 연구했다.


폐색이되고 남은 전류가 역으로 회로에 돌아가버리면 장비에 고장을 발생시킨다던가, 접지 문제가 해결되지 않는 회로의 경우 장비의 케이스에 전기가 타고 흘러 사용자에게 감전의 문제를 안겨준다는 등의 산업안전과 직결되는 문제가 많았다. 

이 것을 고안한 것으로 최초로 나온 두 가지의 해결책이 접지였는데, 접지는 가정용/산업용 전기제품에서는 유용하게 사용이 되었다. 

차량에서는 접지 사용이 문제가 있었는데 이것은 접지의 기본적인 내용을 알고서 이해 할 수 있다. 


② 그러나 접지와 회생제동은 틀린 것이다.




<그림2-회로의 기초적인 잔류 처리회로도, 출처 - 직접 그림>


많은 이들이 철도차량에서의 접지가 회생제동이 개발되면서 회생제동의 기술과 합쳐졌다고 생각하지만, 이는 틀린 사실이다.

접지와 회생제동은 엄연히 구분지어진다. 스포츠 종목에서 같은 공을 사용하는 스포츠라 하더라도, 축구부와 야구부로 나늬어 지는 것처럼,

똑같이 전류를 사용하는 전기 기술이라 하더라도 접지부와 회생제동부로 나늬어 진다.


<그림2> 를 보고 접지와 회생제동의 기본적인 순환 과정을 알아보도록 합시다.

그림 왼편에선 부하과정을 마친 전류가 말단 과정에서 접지로 통하게 된다. 우리가 기본적으로 쓰는 가정의 세탁기나 냉장고는 최신제품의 경우 접지부가 눈에 보이지 않는데 이는 콘센트와 연결이 되기 때문이다. (콘센트와 연결이 된다고 해서 재사용이 되는게 아니라 콘센트의 접지부는 건물의 세멘과 닿게되어 그대로 전류가 땅으로 방출된다.) 구식 가전 제품의 경우 땅과 연결이 되도록 철사가 아래 쪽에 달려 있을 수도 있다.

이렇게 제품에서 사용되고 남은 전류를 reback하여 재사용 하는 것은 불가능하다. 전류의 양이 매우 적을 뿐더러, 사용하지 못하는 불순한 에너지이기 때문에 (찌꺼기와 마찬가지) 전자제품에 인입이 될 경우 고장을 일으 킬 수 있다.


그림 오른편에선 회생제동의 기초적인 과정이다. 부하과정에서 흐른 전류가 접지가 되지 않고 배터리부로 연결이 된다. 이는 잔류가 배터리로 모인다는 뜻이다.

배터리로 모인 잔류는 충전되어 회생이 되는 것이고 다시 회로를 타고 올라가 인가회로에서 부하회로로 통하게 된다.


ⓐ 철도차량 에서의 접지

이러한 가정용품의 접지과정을 철도차량에 접목시켜보니 제시된 해결책이 있기야 한데 결국 차체와 접지를 시켜 잔류를 흘러 내보내는 방법이었다. 

처음에는 이를 회생하자는 개발자들이 연구를 시도했지만 번번히 실패로 결론지어진 사례가 공학계에 기록으로 남아있고, 처참히 실패한 그 기술들은 

이제 누구도 손대지 않고 있다.


움직이는 철도차량에서의 접지회로 사용은 오히려 더 위험 할 수 밖에 없었는데 그 이유는 다음과 같았다. 

1. 선로로 흘려보내는 경우 차량 회로 내 전류가 가지는 전압이 상황에 따라 크고 작으므로 안전을 보장 할 수가 없었다.

2. 전류가 인가되는 판토그라프로 전류를 흘려보내는 기술은 접지가 개발될 당시 기술력이 보장되지 않았었다.


위 두 가지의 문제로 일반접지가 철도차량에 적합하지 않아 끝내 고안한게 모터회로의 말단부를 차체에 연결시켜 자연방출을 시키는 '차체접지' 방식이었다. 

그러나 차체접지는 차량을 이용하는 승객에게 위험성을 안겨 줄 수 있으며, 차량엔 모터 이외에 전기, 전자장비가 장착되어 있고 차체접지를 통해 차량으로 흐른 전류들이 모터 이외 장비들의 정상작동을 방해 할 수 있다는 것이 우려되었다.

그래서 고안된 마지막 해결책이 잔류를 대차로 내보내는 '대차접지' 였다. 대차에 흐르는 잔류는 차체로 돌아가지 않도록 부도체를 대차와 차체 사이에 부착하였다.

그렇게 철도차량의 잔류개발이 성공적으로 마쳐지고 나서 함께 개발된 것은, 대차에서 흐르는 전류를 신호기가 감지하면 차량이 pass했다는 것으로 인식하여 진행신호를 정지신호로 현시시키는 신호기술도 개발이 되었다.

접지를 통해 나가는 전류는 재사용이 불가능한 불순한 전류이기에 흘러 내보내야 한다. 흘러 내보낸다면 신호장치와 같은 간단한 작동만 가능하다. 


ⓑ 회생 제동

구시대적 기술시대가 벗어나자 슬슬 잔류에 대해 재사용 하자는 제안이 개발자들에 의해 많아졌는데 철도차량에서 이는 무리였다.

에너지 절감을 목적으로 시작한 개발에서 잔류 사용이 불가능 하다는 것이 확인이 되자, 다음으로 이어진 개발안은 철도차량의 바퀴가 회전하는 것을 발전기로 이용하자는 것이었다. 그것이 회생 제동이다. 

그러나 회생제동이 가능하기 위해선 '충방전' 횟수가 높은한 고성능의 배터리였다. 그런데 여기서 배터리를 개발하던 기술자들에게 문제가 있었다. 배터리 내부적인 스펙에서 문제가 있었는데 그것은 '충방 횟수' 였다. 

전기회로에서 배터리는 '저장용량' 또한 중요했지만, 무엇보다 중요한 것은 '몇 회동안, 얼마나의 기간 동안이나 충방이 가능하냐?' 는 것이었다. 산업 현장에서 배터리를 선택하는 기준은 '배터리의 용량'은 우선이 아니었다. 현장에선 손이 덜가는 (유지보수 필요성이 낮은) 배터리가 가장 인기가 좋았으며, 그러한 배터리의 특징은 충전과 방전을 허용하는 횟수가 높은 배터리였다.

스마트폰의 배터리가 똑같은 3천mah 라 하더라도, 배터리의 충방 허용횟수가 낮다면 배터리의 리튬이 활발하더라도 배터리를 교환해야만 한다. 이는 엄청난 손실이다.

철도차량에서의 배터리 또한 똑같은 조건이 붙는다. 

회생 제동은 배터리의 문제를 안고 가기 때문에 접지가 개발되는 과정에서 이루지 못한 기술이다. 산업용 배터리의 충방회로와 전류전압 유지기술이 안정화 되어가면서 회생제동이 개발된 것이다. 회생 제동이 개발된 시간적 배경은 배터리의 기술 개발이 시작되는 시점과 같다고 보면 된다.

 

배터리의 충방횟수 문제가 해결이 되고 회생제동에 대한 개발이 이루어지기 시작했다.

회생제동은, 사용하고 남은 전류를 다시 사용할 뿐만 아니라 차량의 제동시 대차에 연결되어 바퀴에 회전수에 따라 전류를 발전, 발전한 양을 배터리에 충전시키는 기술이다.

회생제동을 통해 배터리에 충전된 전류는 객차 내 전기장비에 재사용을 하거나 다음에 도착할 차량이 발차시에 사용하는 등 에너지 소비를 절감시키는 기술로 개발이 되었다.


 

③ 회생제동은 사실 에너지 절감만의 목적을 가지고 있지 않다.

 



<그림3-회생제동을 통해 발전된 전력이 사용되는 과정, 출처 - 현대자동차 홈페이지>


<그림3>을 보고서 하나하나 해석해 보도록 하자.

앞선 열차가 회생제동을 통해 역에 정차한다. 이 과정에서 발생된 전력은 차량의 다른 전기장비에서 사용하거나 다음 차량의 모터가 부하되는 때, 그리고 역사의 설비에도 보낼 수가 있다.



가장 중요한 것이, 회생제동을 통해 발전된 전력은 변전소로 되돌려 보내진다는 것이다. 소량의 전력을 차량 내에서 사용 할 수도 있지만, 이는 이론상으로만 이루어진 기술이기 때문에 매우 위험하다.

변전소로 되돌아온 전력은 별도로 설치된 배터리(저장장치)에 저장이 되었다가, 다음 열차의 모터에서 전류가 부하될때를 이용하여 내보낸다.

(모터가 부하가 된다는 것은 가동이 된다는 것, 즉 발차) 이렇게 계속 순환적으로 회생제동이 이루어지고 발전된 전류는 곳곳에서 사용되어 에너지 절감을 할 수 있는 것이다.


그러나, 회생제동은 에너지 절감만의 목적을 가지고 있지 않다.

기초직인 브레이크 기술은 패드를 차륜에 마찰시켜 속도를 줄이는 것이고, 또 개발된 것이 다이나믹 브레이크(발전제동) 기술인데 이 두가지의 제동 방법은 열이 발생된다는 것이 문제점 이었다. 지하터널에서 운행하는 차량이 위 두 가지의 제동 방법으로 차량을 세우게 된다면 터널 내의 온도는 급격하게 늘어나 승객들의 불만사항으로 이어진다.




열 문제를 해결함과 동시에 사용할 전력을 발전하는 두 마리 토끼를 잡는 것이 회생제동이며,

회생제동은 이제 철도차량 뿐만이 아닌 전기자동차와 전기이륜차등 미래의 전기설비에 굉장한 도움이 될 전기 기술이다.

특히, 배터리 충전 문제가 가장 시급한 전기자동차에서 현 기술의 회생제동은 주행중에 미약하게나마 배터리를 재충전 시켜주어 주행거리를 늘려주지만,

앞으로 개발될 기술에선 회생제동 만으로 지금 기술보다 더 먼 지역으로 이동 할 수 있을 것이다.