Hot Tech - 전자석을 활용한 상용차용 전자석식 보조 브레이크 기술(리타더)
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▲ 김상조 연구소장/전무이사 상신브레이크(주)
기술개발 배경
중·대형 버스 및 트럭 등과 같이 하중이 무거운 차량이 내리막길, 산길, 빗길 또는 눈길 등을 운행하는 경우 잦은 제동 및 제동 시간이 증가한다.
이로 인해 주 Brake시스템이 과열되어 Brake 파열 및 베이퍼 록/페이드 현상 등이 일어나 대형사고가 빈번히 발생하게 된다.
보조 브레이크 장치는 브레이크 고장으로 인한 사고를 급격히 감소시키는 효과가 있어 선진국을 중심으로 안전성 향상을 위하여 의무 장착이 법규화되어 있다.
국내에서는 2017년부터 발효되는 제동안전법규에 따라 생산되는 시내버스 전 차종에 보조 브레이크 장착이 의무화되고, 중·대형 트럭 등에도 의무 장착이 확산될 것으로 예상되고 있다.
또한, 상용차량의 Euro-VI 배기가스 규제 강화로 인하여 엔진 다운사이징으로 Jake Brake 제동력이 감소되고, 터보챠저 증대 기술로 Exhaust Brake 제동력 감소가 유발되며, 출력토크 증가에 따른 차동비 저감으로 인해 보조제동장치의 제동력이 저감된다.
결론적으로 Euro-VI 엔진 개발로 인한 엔진 계통의 보조 브레이크 전체 제동력 감소가 야기되므로 상용차의 보조 브레이크 시스템의 추가 장착이 필수적이다.
국내에는 유압식 리타더를 현재 전량 수입에 의존하여 차량에 장착하고 있다.
특히 가격, 제동 응답시간, 냉각시스템 추가 등의 복잡성 때문에 제어가 가능하며 구조가 간단한 전자석식 리타더 시스템으로 변경이 절실하다.
이런 시장 환경에 발맞추어 당사는 국내 최초로 전자석식 리타더 시스템 및 전자석식 리타더 시스템에 회생제동 기술을 가미한 전자석식 회생제동 리타더 시스템의 기술개발을 추진하게 되었다.
현재 완성차 업체와 공동개발 추진을 통하여 2017년 발효되는 제동안전법규 대응을 위해 양산 개발을 추진하고 있다.
리타더 기술개발 Trend
해외 선진사들에서는 유체마찰을 이용한 유압식 리타더와 와전류를 이용한 전자석식 리타더 및 영구자석식 리타더 개발과 상용화 장착이 활발히 이루어지고 있다.
특히, 유럽에서는 V社 및 T社를 중심으로 유압식 및 전자석식의 보조 제동 시스템으로 상용화가 가장 활발하게 이루어지고 있다.
국내 기술은 현재 상용차량의 부품 개발 연구에 많은 투자와 관심이 집중되지 못한 연유로 대개 외국 선진업체의 유압식 리타더 시스템을 전량 수입하여 장착하고 있다.
그러나 국내 차량 가격 및 기술경쟁력 확보를 위하여 리타더 국산화 개발에도 많은 관심을 가지고 있는 상황이다.
유체식 리타더의 경우 제동력 측면에서 우수하나, 엔진 냉각 시스템을 공유함으로써 엔진부하를 가중시키는 단점 및 반응속도가 느리다는 단점이 있어 주로 높은 제동성능이 필요로 하는 적재중량 10톤 이상의 대형트럭용으로 개발이 진행되고 있다.
전자석식 리타더의 경우는 빠른 응답성 및 전자제어가 가능하다는 측면에서는 우수하나, 제동력이 유체식 리타더에 비해 부족하다는 단점이 있어 주로 대형 트럭을 제외한 적재중량 10톤 이하의 중형트럭, 중대형버스용으로 개발되고 있는 추세이다.
영구자석식 리타더의 경우는 사이즈가 콤팩트하여 차량 장착성이 용이하나, 제동력 부족 및 영구자석 사용에 따른 제조원가 상승 등으로 적용성이 점점 떨어지고 있는 추세에 있다.
이와 더불어 현재는 차량전장화 및 HEV/EV 차량개발 추세에 따라 차량 제동시 발생되는 제동에너지 회수기술이 자동차의 효율향상에 중요한 핵심기술로 부각되고 있다.
상대적으로 차량 주 제동력에 미치는 영향도가 적은 보조 제동장치에서 전기에너지를 발생시켜 리타더 기능으로 사용함과 동시에 잉여전력을 차량으로 공급해 줌으로써 보조 브레이크 기능과 차량 발전기의 부하감소 등에 의한 연비향상을 기대할 수 있는 전자석식 리타더에 회생제동 기술을 가미한 기술이 신기술로 떠오르고 있다.
전자석식 리타더 주요 기술
전자석식 리타더의 원리는 그림 3에서 보는 바와 같이 기존의 주 브레이크 장치 외에 엔진 동력 출력 부분에 연결된 구동축에 장착된 회전드럼이 회전하고 있을 때 전자석에 전류를 가하면 회전드럼에는 와전류(Eddy Current)가 발생하여 구동축이 회전하는 반대방향으로 제동력이 발생하는 원리이다.
차량의 구동축(T/M)에 장착 및 제동력을 발생하여 제동시스템 효율을 극대화한 기술이다.
당사에서 개발한 전자석식 리타더는 차량의 한정된 리타더 장착 Lay-Out에서 최적의 성능 발휘를 위해 전자장 해석을 통한 최적화 구조설계를 실시하여 각 구조물의 치수 및 사양을 선정하였고, 추가적인 성능 향상을 위해 Drum 내부 특수 코팅을 추가하였다.
제어 부문에서는 차량의 CAN통신을 활용하여 차량, 리타더 간 협조제어, 리타더 보호를 위한 Drum 및 전자석의 온도 제어, Duty 제어를 통한 제동 성능 제어, Fail Safe 기능 등을 추가하였다.
또한, 제작 완료된 제품을 국내 상용차 완성 메이커와 공동으로 벤치환경 및 실차환경에서의 평가 추진을 통해 선진사 대비 동등 수준의 성능 및 품질신뢰성을 확보하였다.
전자석식 회생제동 리타더 주요 기술
전자석식 회생제동 리타더 기술은 기존 전자석식 리타더에 제동에너지 회수기술을 적용하여 차량의 제동 안전성 향상뿐만 아니라 차량 에너지 절감 및 연비 효율 향상이 가능한 시스템이다.
주요 구성은 제동력 발생과 회생전력을 발생시키는 리타더와 차량측 신호를 송수신하고 제동력을 제어하는 통합제어기, 회생전력을 제동에 활용한 후 잉여전력을 회수하는 전력회수장치로 구성되어 있다.
전자석식 회생제동 리타더 또한 전자석식 리타더와 동일하게 대형버스, 중소형 트럭 등 상용차용 보조브레이크 시스템에 적용 가능하다.
제동에너지 회수 기술 및 전자제어 기술은 내연기관 차량뿐만 아니라 HEV/EV, 산업용 제동장치 등 전기에너지원을 사용하는 제품군으로 확대 적용이 가능하다.
전자석식 회생제동 장치의 주요 원리는 그림 4에서 보는 바와 같이 L-C 공진회로를 활용하는 것으로 기존의 전자석식 리타더 기술에서 Coil을 각각 120° 간격으로 3相 배열하고 각 Coil에 Condenser를 직렬 연결하여 L-C 공진회로를 구성한 후 공진 작용에 의해 3相 교류 전압이 발생하게 되는 구조이다.
이 3相 교류 전압에 의해 발생되는 회전자기장의 회전 속도와 Drum의 회전 속도 차이에 의해 Drum 내 와전류(Eddy Current)가 발생되며 이러한 와전류는 리타더 Coil 전압의 증가로 더욱 증폭하게 되고, 와전류의 증가 작용은 리타더 Coil의 자기장이 포화되는 시점에 정지하게 된다.
이렇게 발생한 와전류는 자기장과 결합하여 힘을 발생하게 되며 그 힘은 Drum이 움직이려고 하는 반대방향으로 작용하게 되어 제동 작용이 이루어지고, 공진회로에 의해 발생된 3相 교류 전압은 차량 내 회수 전력으로 활용하는 원리이다.
전자석식 리타더 국산화 기술개발 파급효과
기술적 측면에 있어서 전량 수입에 의존하고 있는 리타더 기술을 국내 기술로 확보함으로써 강화되는 제동안전법규 및 배기가스 규제에 대응하고, 중대형 버스 및 트럭 등의 안전도 향상에 이바지하며, 국내 완성차 메이커의 가격 경쟁력 확보, 국가적 차원의 수입대체 효과가 기대된다.
또한, 전자석식 리타더 시스템의 국산화 개발 및 시장규모가 확대됨에 따라 R&D 및 생산인력의 수요가 지속적으로 증가될 것으로 전망된다.
특히 전자석식 리타더는 기계, 전기, 전자, 제어 등의 여러 분야의 기술융합이 요구되고 있어 R&D 고용창출의 시너지 효과는 극대화되리라 전망하고 있다.
승용차, 고속철도, 풍력 등 타 산업으로의 기술 수평 전개가 가능한 분야로서 고용창출의 파급효과 또한 증대할 것으로 전망하고 있다.