KR20170118911A - 용융 스위치, 이를 포함하는 배터리 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

용융 스위치, 이를 포함하는 배터리 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 배터리의 배터리 제어장치는 배터리 셀의 일부가 고장난 경우 그 고장난 배터리 셀의 연결을 배제하는 동시에 교체용 배터리를 자동적으로 연결하여 배터리 셀의 고장에도 불구하고 배터리의 출력전압이 일정하게 유지되도록 한다. 또한 다수의 배터리 모듈을 병렬로 연결한 상태에서, 고장난 배터리 셀의 교체 중에는 고장난 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 연결을 차단함으로써 배터리의 출력 전압이 불연속이 되는 것을 방지한다.
또한 상기 배터리의 배터리 제어장치에 사용되는 스위치는, 분리되어 있는 2개의 고정전극, 1개의 이동전극을 포함하는 용융 스위치이다.

Description

용융스위치, 이를 포함하는 배터리 제어장치 및 제어방법
용융 스위치, 이를 포함하는 배터리 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 배터리 셀의 일부가 고장난 경우 고장난 셀(faulty Cell)을 자동적으로 교체용 배터리 셀(replacement cell)로 교체해주는 배터리 제어장치 및 제어방법 및 이에 사용되는 용융 스위치에 관한 것이다.
최근 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등이 기술개발이 활발해지면서, 다수의 배터리 셀을 연결한 고전압 대용량의 배터리 팩에 대한 연구도 활발해지고 있다.
현재 배터리의 안전성 확보를 위해 배터리 관리 시스템(BMS)을 이용하는 등 다양한 방법을 시도하고 있지만, 배터리의 전기화학적 비선형성 및 불안정한 특성으로 인하여 배터리의 셀 손상 및 고장에 대한 근본적인 안전성 확보기술은 현재까지 개발되지 않고 있다.
특히, 다수의 배터리 셀을 연결한 배터리 팩은 단위 셀이 하나라도 고장 나면, 고가의 전체 배터리 팩을 교체해야 하는 치명적인 한계점을 가지고 있다.
만일 전체 배터리 팩 전체를 교체하지 않으려면, 고장난 셀을 발견한 후 그 연결을 배제하는 기술이 개발되어 있었다.
특허문헌 1(한국 공개특허 KR 10-2013-0040435 A, 공개일: 2013.04.24.)과 특허문헌 2(한국 공개특허 KR 10-2014-0091109 A, 공개일: 2014.07.21.)는 그러한 기술이 기재된 문헌의 예로서, 특허문헌 1과 특허문헌 2에는 '다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 팩에 있어서, 배터리 셀이 고장 나면, 그 고장된 배터리 셀을 직렬연결된 배터리에서 우회연결(bypassing)함으로써, 배터리 팩 전체의 고장을 자동적으로 복원하는 기술'이 기재되어 있다.
그러나 상기 기술은 '고장난 셀을 배터리에서 우회연결(bypassing)한 후 발생되는 배터리 팩의 전압강하 손실을 보상해주지 못하는 문제점'을 갖고 있다.
또한, 상기 우회연결 방법을 직병렬 연결의 배터리 팩에 적용시에는 병렬로 연결된 모듈 간에 발생되는 전압차이가 발생하는 문제점이 있다.
또한, 상기 특허 에서 고장난 셀을 릴레이로 우회연결시에 발생되는 불연속 구간으로 인하여 배터리 부하의 충방전 전류가 끊어지는 구조적인 문제점도 안고 있다.
따라서, 상기에서 언급한 배터리 셀의 우회연결 방법으로 발생되는 배터리팩의 전압강하 문제점과 충방전 전류의 불연속 문제점을 해결하기 위한 기술이 필요하다.
또한 특허문헌 1과 특허문헌 2에는 다이오드를 포함하는 다수의 스위치가 사용되고 있는데, 이 다수의 스위치는 대용량의 전류가 통과하므로, 도통저항(on resistance)이 문제가 된다.
스위치에 대용량의 전류가 흐를 때, 스위치의 도통저항(on resistance)으로 인해 높은 전력소모와 발열이 존재하게 되는데, 이것은 스위치의 고출력, 고밀도화의 구현에 치명적인 걸림돌이 되고 있다
통상 스위치는 크게 반도체 기반의 스위치와 기계적 접점 기반의 스위치로 구분되며, 트랜지스터와 같은 반도체 기반의 스위치는 릴레이(relay), 접촉기(contactor)와 같은 기계식 스위치에 비해 매우 우수한 내충격성과 높은 동작 주파수로 작동할 수 있는 것을 특징으로 한다.
반면에 릴레이, 접촉기와 같은 기계식 스위치는 반도체 스위치 대비 내충격성은 취약하나 매우 낮은 접촉저항(contact resistance)을 가지는 것을 특징으로 한다.
그러나 기계적 접촉 방식의 스위치도 기계적인 접촉을 통하여 두 도체 사이에 전류가 흐르므로 항상 기계적인 접촉의 접촉저항이 존재하고, 이로 인하여 대용량의 전류가 흐를 때 접촉저항으로 인하여 과다한 전력소모와 스위치 발열이 발생된다.
따라서 통상적으로 접촉저항을 줄이기 위해서는 도체 사이의 접촉면적을 크게 하고, 접점부위를 낮은 비저항값과 높은 전도율을 가진 재료를 사용하여야 한다. 그리고 접촉저항은 두 도체간의 접점 압력에 따라 달라지는데, 접촉압력이 높을수록 접촉저항이 낮아진다.
그러나 요구되는 수준의 접촉저항을 만족하도록 접촉면적(contact surface)을 늘리면 접점 도체의 부피가 이에 비례하여 커지고, 은, 백금과 같은 높은 전도율의 도체를 사용하면 비용이 증가하게 된다. 또한 외부의 충격/진동으로부터도 기계적인 접점상태 유지하고 접촉압력을 높여 접촉저항을 줄이기를 위해서는 물리적으로 강한 힘이 요구되어져 스위치의 부피와 무게가 증가하게 된다.
따라서 종래의 스위치 기술로는, 대용량의 전류가 흐를 때 높은 내충격성을 지니는 동시에 접촉저항이 작은 소형/경량화 스위치 구현에 한계가 있다.
이를 극복하기 위하여, 전도성 접합물질(conductive bonding materials)의 용융에 의하여 두 접점을 접합시키는 솔더링(용융)기반의 용융 스위치(fusible switch)(용융 스위치는 fusion switch 라고 부를 수도 있으나, 본 명세서에서는 fusible switch 로 부르기로 함)에 관련된 발명들이 이루어졌고, 그 발명들은 다음의 2가지 기술방식으로 대별될 수 있다.
첫 번째 방식은 이격된 전극(electrode)이 상호 접촉되게 직접 이동되어 전극 사이의 솔더링 물질(soldering material)을 압착하면서 밀착하는 방식이다. 즉 밀착방식( Press-contact method)이라 할 수 있다. 특허문헌 3(미국 등록특허 US 5025119 A, 등록일: 1991.06.18.)의 스위치는 이러한 밀착방식의 예라 할 수 있다. 특허문헌 3의 스위치는, 2개의 전극의 접촉과정에서 발생되는 접촉저항과 도통전류에 의해 주울열(Joul heat)(전류가 흐름으로써 도체에 발생하는 열)이 발생되고, 상기 주울열에 의해 전도성 접합물질이 용융되는 구조를 갖는다.
그러나, 밀착방식( Press-contact method)은 두 전극(electrode)의 밀착에 의해 도통저항(on resistance)을 감소시킬수 있는 장점은 있으나, 전극단자(electrode terminal)의 움직임이 초래되는 구조로 인하여 대전류 용량의 스위치의 용도로는 부적합하다.
즉 밀착되는 전극은 이동성을 갖기 위해 소정의 길이에서 굽힘성을 갖도록 얇은 두께의 도체로만 제한되고 이로 인하여 매우 낮은 저항값을 갖는 두꺼운 도체는 사용할 수가 없어 도통저항을 최소화 하는데 구조적으로 한계성을 가진다.
또한, 특허문헌 3에서는 스위치를 온(on, 단락)시킬 때 발생되는 접촉저항과 도통전류에 의해 주울열(Joul heat)이 발생되고, 상기 주울열에 의해 전도성 접합물질이 용융되어 용융결합되는 구조를 갖는다.
따라서, 또한 특허문헌 3에서는 상기 두 전극간의 용융결합 정도는 상기 도통전류와 접촉저항에 의해 발생되는 주울열 크기에 따라 결정된다. 그러므로 도통전류 또는 접촉저항이 충분한 주울열을 발생할 정도로 크지 못하면 접점부위에서 국부적인 용융결합으로 인하여 도통저항이 커지는 문제점이 있다.
또한 특허문헌 3의 스위치는 온-오프 접점간의 상태 전이가 단방향으로만 동작하는 비가역적인 구조를 가져 1회용의 단락형 스위치(One-time close switch)로 제한된다. 즉 off 상태에서 on 상태로 바뀔 수는 있으나, on 상태에서 off 상태로 다시 바뀔 수는 없다. 다시 말하면, 스위치 작동 후 복귀 동작이 불가능하다.
이러한 문제점 때문에 전극단자(electrode terminal)의 움직임을 초래하는 밀착방식( Press-contact method)의 용융 스위치는 실용화되지 못 하였고, 다음의 2번째 방식이 제안되었다.
두 번째 방식은, 솔더링 물질(soldering material)을 열에 의해 용융시킨 후, 두개의 이격된 고정전극(stationary electrode) 사이에 용융된 솔더링 물질(soldering material)을 채워 넣은 후 응고(solidification)시키는 방식이다. 이 방식에 의한 용융 스위치는, 매립방식(Gap-filling method)의 용융스위치(fusible switch)라고 부를 수 있고, 특허문헌 4(미국 등록특허 US 5898356 A, 공개일: 1999.04.27.), 특허문헌 5(영국 공개특허 GB2355340 A, 공개일: 2001.04.18.)의 스위치는 그 예이다.
그러나, 일반적으로 솔더링 물질의 비저항(resistivity)은 전극의 비저항(resistivity)보다 크므로, 상기 매립방식에서 전극간의 내전압(또는 절연저항)은 전극간의 이격거리에 비례하여 커짐에 따라 상기 이격공간(air gap)에 매립되는 전도성 접합물질의 양도 이격거리 방향으로 증가되어 스위치의 도통저항(on resistance)이 커지는 단점을 가진다.
따라서, 상기 매립방식의 용융스위치는 고전압의 대전류가 요구되는 환경에서 사용하기에는 적합하지 않다.
특허문헌 4, 특허문헌 5의 스위치는 온-오프 접점간의 상태 전이가 단방향으로만 동작하는 비가역적인 구조를 가져 1회용의 단락형 스위치(One-time close switch)로 제한된다. 즉 off 상태에서 on 상태로 바뀔 수는 있으나, on 상태에서 off 상태로 다시 바뀔 수는 없다.
또한 특허문헌 4, 특허문헌 5의 스위치는 구조가 복잡하고, 스위치 동작시 많은 양의 솔더링 물질이 요구된다.
또한 종래의 용융 스위치의 경우, 스위치에 흐르는 도통전류를 이용하는 경우가 대분분인데, 이러한 경우, 스위치의 도통전류와 관계없는 독립적인 스위치 동작이 어렵다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, '다수의 배터리 셀을 연결한 배터리'의 제어장치에 있어서, 일부 배터리 셀이고장난 경우 그 고장난 셀(faulty cell)을 연결에서 자동적으로 제외하면서도 전압강하 문제점과 충방전 전류의 불연속 문제점을 해결하는 장치를 제공하는 것이다.
또한 상기 장치에는 대용량의 전류가 흐르는 스위치가 필요한데, 대용량의 전류가 흐를 때 스위치의 도통저항을 극소화 시킬 수 있는 소형/경량의 용융 스위치 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 가역적인 동작(스위치 작동 후 복귀 동작)을 할 수 있고, 스위치의 도통전류로부터 독립적인 온/오프 제어가 가능한 용융 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 종래의 용융 스위치는 단락형 스위치만 가능하였는데, 개방형 스위치로도 사용 가능한 용융 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 의한 배터리의 제어장치는, 다수의 기본 배터리 셀과 1개 이상의 교체용 배터리 셀을 직렬로 연결한 배터리의 제어장치에 있어서, 상기 각각의 기본 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제1형 스위치;상기 제1형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제2형 스위치; 상기 각각의 교체용 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제2형 스위치; 상기 제2형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제1형 스위치; 각각의 배터리 셀의 상태를 측정하는 센싱부; 상기 스위치들의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제1형 스위치는 최초 단락 상태에서 개방 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고, 상기 제2형 스위치는 최초 개방 상태에서 단락 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고, 상기 제어부는, 센싱부의 입력으로부터 기본 배터리 중 고장난 배터리 셀을 감지하면, 고장난 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 고장난 배터리 셀의 연결을 전기 흐름 선로에서 배제하고, 교체용 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 전기 흐름 선로에 포함되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리의 제어장치는, 다수의 기본 배터리 셀과 1개 이상의 교체용 배터리 셀을 직렬로 연결한 배터리 모듈이 병렬로 연결된 배터리의 배터리 제어장치에 있어서, 상기 각각의 기본 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제1형 스위치; 상기 제1형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제2형 스위치; 상기 각각의 교체용 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제2형 스위치; 상기 제2형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제1형 스위치; 상기 각각의 배터리 모듈에 직렬로 연결된 모듈 스위치; 각각의 배터리 셀의 상태를 측정하는 센싱부; 상기 스위치들의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제1형 스위치는 최초 단락 상태에서 개방 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고, 상기 제2형 스위치는 최초 개방 상태에서 단락 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고, 상기 제어부는, 센싱부의 입력으로부터 기본 배터리 중 고장난 배터리 셀을 감지 하면, 고장난 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 고장난 기본 배터리 셀의 연결을 전기 흐름 선로에서 배제하고, 고장난 배터리 셀이 있는 배터리 모듈 중에서 선택된 교체용 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 전기 흐름 선로에 포함되도록 제어하고, 해당 배터리 모듈에서 상기 교체를 위한 스위치 제어가 시작되기 전에는 해당 배터리 모듈의 모듈 스위치를 개방하였다가 상기 교체를 위한 스위치 제어가 종료된 후에 해당 배터리 모듈의 모듈 스위치를 단락시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 의한 배터리의 제어방법은, 다수의 기본 배터리 셀과 1개 이상의 교체용 배터리 셀을 직렬로 연결한 배터 모듈의 배터리 제어장치의 제어방법에 있어서, 배터리 제어장치의 제어부가 센싱부의 입력으로부터 기본 배터리 중 고장난 배터리 셀을 감지하는 단계; 배터리 제어장치의 제어부가 고장난 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 고장난 기본 배터리 셀의 연결을 전기 흐름 선로에서 배제하는 단계; 배터리 제어장치의 제어부가 교체용 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 교체용 배터리를 전기 흐름 선로에 포함시키는 단계;를 포함하고, 상기 배터리 제어장치는, 상기 각각의 기본 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제1형 스위치; 상기 제1형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제2형 스위치; 상기 각각의 교체용 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제2형 스위치; 상기 제2형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제1형 스위치; 각각의 배터리 셀의 상태를 측정하는 센싱부; 상기 스위치들의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제1형 스위치는 최초 단락 상태에서 개방 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고, 상기 제2형 스위치는 최초 개방 상태에서 단락 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리의 제어방법은, 다수의 기본 배터리 셀과 1개 이상의 교체용 배터리 셀을 직렬로 연결한 배터리 모듈이 병렬로 연결된 배터리의 배터리 제어장치의 제어방법에 있어서, 배터리 제어장치의 제어부가 센싱부의 입력으로부터 기본 배터리 중 고장난 배터리 셀을 감지하는 단계; 배터리 제어장치의 제어부가 고장난 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈의 모듈 스위치를 개방시키는 단계; 배터리 제어장치의 제어부가 고장난 배터리에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 고장난 기본 배터리의 연결을 전기 흐름 선로에서 배제하는 단계; 배터리 제어장치의 제어부가 교체용 배터리에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 교체용 배터리를 전기 흐름 선로에 포함시키는 단계; 배터리 제어장치의 제어부가 고장난 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈의 모듈 스위치를 단락시키는 단계;를 포함하고, 상기 배터리 제어장치는, 상기 각각의 기본 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제1형 스위치; 상기 제1형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제2형 스위치; 상기 각각의 교체용 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제2형 스위치; 상기 제2형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제1형 스위치; 상기 각각의 배터리 모듈에 직렬로 연결된 모듈 스위치; 각각의 배터리 셀의 상태를 측정하는 센싱부; 상기 스위치들의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제1형 스위치는 최초 단락 상태에서 개방 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고, 상기 제2형 스위치는 최초 개방 상태에서 단락 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 의한 용융스위치는, 분리되어 있는 2개의 고정전극; 상기 고정전극에 접촉 또는 분리되는 방향으로 이동할 수 있는 이동전극; 상기 2개의 고정전극과 이동전극 사이에 위치하는 전도성 접합물질; 발열체;를 포함하고, 상기 전도성 접합 물질의 녹는점은 상기 고정전극의 녹는점과 상기 이동전극의 녹는점보다 낮고, 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 접촉되면 2개의 고정전극이 전기적으로 연결되고, 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 분리되면 2개의 고정전극이 전기적으로 분리되고, 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 접촉할 때 상기 이동전극은 2개의 고정전극과 전도성 접합 물질에 의해 용융결합하게 되고, 상기 발열체를 통해 가열하면 상기 전도성 접합 물질이 용융되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 용융스위치는, 분리되어 있는 2개의 고정전극; 2개의 고정전극에 접촉하는 방향으로 이동할 수 있는 이동전극; 상기 2개의 고정전극과 이동전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질; 발열체;를 포함하고, 상기 전도성 접합 물질의 녹는점은 상기 고정전극의 녹는점과 상기 이동전극의 녹는점보다 낮고, 상기 발열체의 가열에 의해 상기 전도성 접합 물질이 녹을 수 있고, 상기 이동전극과 상기 2개의 고정전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질이 발열체의 열에 의해 용융된 후 응고 되면, 상기 이동전극은 2개의 고정전극과 용융결합하게 됨으로써, 상기 2개의 고정전극이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 용융스위치는, 분리되어 있는 2개의 고정전극; 2개의 고정전극에서 분리하는 방향으로 이동할 수 있는 이동전극; 상기 2개의 고정전극과 이동전극 사이에 위치하면서, 상기 2개의 고정전극과 이동전극을 용용결합시키고 있는 전도성 접합물질; 발열체;를 포함하고, 상기 전도성 접합 물질의 녹는점은 상기 고정전극의 녹는점과 상기 이동전극의 녹는점보다 낮고, 상기 발열체의 가열에 의해 상기 전도성 접합 물질이 녹을 수 있고, 상기 이동전극과 상기 2개의 고정전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질이 발열체의 열에 의해 용융된 후 상기 이동전극이 2개의 고정전극에서 분리되는 방향으로 이동하면, 상기 2개의 고정전극이 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 용융스위치는, 분리되어 있는 제1 고정전극과 제2 고정전극; 분리되어 있는 제3 고정전극과 제4 고정전극; 1개의 이동전극; 상기 고정전극과 이동전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질; 발열체;를 포함하고, 상기 전도성 접합 물질의 녹는점은 상기 고정전극의 녹는점과 상기 이동전극의 녹는점 보다 낮고, 상기 이동전극이 제1 고정전극 및 제2 고정전극과 접촉되면 제1 고정전극과 제2 고정전극이 전기적으로 연결됨과 동시에 제3 고정전극과 제4 고정전극은 전기적으로 분리되고, 상기 이동전극이 제3 고정전극 및 제4 고정전극과 접촉되면 제1 고정전극과 제2 고정전극이 전기적으로 분리됨과 동시에 제3 고정전극과 제4 고정전극은 전기적으로 연결되고, 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 접촉될 때 상기 이동전극은 2개의 고정전극과 전도성 접합 물질에 의해 용융결합하게 되고, 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 분리될 때 상기 이동전극은 2개의 고정전극과 전도성 접합 물질에 의해 용융분리하게 되고, 상기 발열체를 통해 가열하면 상기 전도성 접합 물질이 용융되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 용융스위치는, 분리되어 있는 2개의 고정전극; 2개의 고정전극에 접촉하는 방향으로 이동할 수 있는 이동전극; 상기 2개의 고정전극과 이동전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질; 를 포함하고, 상기 전도성 접합 물질의 녹는점은 상기 고정전극의 녹는점과 상기 이동전극의 녹는점 보다 낮고, 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 접촉되면 2개의 고정전극이 전기적으로 연결되고, 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 분리되면 2개의 고정전극이 전기적으로 분리되고, 2개의 고정전극 양단에 도통전류를 흐르게 하는 개방전압이 걸린 상태에서 상기 이동전극이 2개의 고정전극에 접촉하는 방향으로 이동하여 2개의 고정전극에 접촉하게 되면, 이동전극과 전도성 접합물질을 경유하여 2개의 고정전극 사이에 도통전류가 흐르게 되고 그 도통전류의 주울열에 의해 전도성 접합물질이 용융된 후 2개의 고정전극 사이에 도통저항이 작아지면 전도성 접합물질이 응고되는 것을 특징으로 한다.
상기 발열체는 발열효율 극대화를 위해 상기 이동전극 내부에 형성되고, 상기 이동전극에는 최소 1개 이상의 구멍이 형성되고, 상기 구멍에 절연된 발열체가 삽입될 수 있다.
상기 발열체는 이동전극의 표면 중 상기 2개의 고정전극과 접촉되는 접촉면을 제외한 이동전극 표면에 부착될 수 있다.
상기 이동전극은 1개 이상의 분기선로를 가지고, 상기 분기선로에 발열체가 설치될 수 있다.
상기 분기선로는, 이동전극과 2개의 고정전극과의 접촉부위에서의 열전달이 대칭이 되도록 하는 위치에서, 이동전극으로부터 분기될 수 있다.
상기 분기선로는 2개 이상이고, 상기 분기선로의 끝이 연결되어 닫힌 루프를 형성할 수 있다.
상기 분기선로의 표면과 내부에 발열체가 설치될 수 있다.
상기 발열체의 설치위치는, 열전달 경로가 발열체, 이동전극, 고정전극의 접점부위, 고정전극의 전극단자의 순서가 되도록 하는 위치일 수 있다.
상기 용융 스위치는 상기 이동전극의 위치를 움직일 수 있는 힘을 발생시키는 이송력 발생수단을 더 포함할 수 있다.
상기 이송력 발생수단은 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 접촉시 발생되는 접촉압력을 제어할 수 있는 것일 수 있다.
상기 이동전극과 고정전극의 표면 중 전도성 접합물질을 통해 용용결합하는 표면에는 요철이 형성될 수 있다.
상기 전도성 접합 물질의 표면 중 일부 또는 전부에는 요철이 형성될 수 있다.
상기 발열체는 발열체 외부에 위치하는 전력 공급부에 의해 전력공급 및 전력차단 기능이 제공되는 것일 수 있다.
상기 이송력 발생수단은 전달링크를 통해 이동전극과 연결되고, 상기 전달링크는 두 고정전극 사이를 가로질려 이동하는 평판 형상의 칸막이 절연체로 형성되어 두 고정전극간의 단락을 방지하는 것일 수 있다.
상기 용융 스위치는 상기 이동전극이 특정 방향으로 이동하지 못하도록 지지하는 이송 억제 수단을 포함할 수 있다.
상기 용융 스위치는, 상기 이동전극이 특정 방향으로 이동하지 못하도록 지지하는 지지 부재를 더 포함하고, 상기 지지 부재는 2개의 고정전극과 이동전극의 녹는점보다 낮은 온도에서 녹는 것일 수 있다.
상기 이송력 발생수단은 이동전극에 가해지는 이송력을 차단하기 위해 퓨즈와이어(fuse wire)로 구속되고, 상기 퓨즈와이어(fuse wire)는 전류공급에 의해 녹아 끓어지게 되면, 이송력 발생수단의 이송력이 이동전극에 가해지는 것일 수 있다.
상기 용융 스위치에 있어서, 전도성 접합 물질을 통해 결합하는 고정전극 또는 이동전극은 접촉부위의 테두리를 따라 홈이 형성될 수 있다.
상기 용융 스위치에 있어서, 전도성 접합 물질을 통해 결합하는 고정전극과 이동전극 중에서 아래쪽에 위치하는 전극(중력의 작용방향 쪽에 위치하는 전극)에는 오목부가 형성되고, 상기 오목부에 상기 전도성 접합 물질이 위치할 수 있다.
상기 용융 스위치의 2개의 고정전극 양단에 병렬로 반도체 스위치를 연결하여 용융분리 또는 용융결합시 도통전류의 경로를 제공하여 상기 고정전극 양단의 아크발생을 억제해 줄 수도 있다.
상기 용융 스위치는 상기 반도체 스위치의 도통 시간을 최소화하기 위해 용융 스위치에 흐르는 전류를 측정하는 전류검출 수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 용융스위치는, 제1고정전극; 제2고정전극; 이동전극; 상기 제1고정전극 및 상기 제2고정전극과 상기 이동전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질; 발열체; 이동전극을 제1고정전극으로 이동시키는 힘을 발생시키는 이송력 발생수단; 이동전극이 제1고정전극으로 이동하지 못하도록 하는 이송 억제 수단;을 포함하고, 상기 발열체의 발열 전에는 이동전극이 제2고정전극과 전기적으로 연결되어 있다가, 상기 발열체의 발열 후에는 상기 전도성 접합 물질이 녹고 상기 이송 억제 수단이 이동전극의 이동을 허용하여, 상기 이동전극이 제1고정전극과 전도성 접합 물질을 통해 용융결합되어 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 용융 스위치에 있어서, 고정전극 중 이동전극과 접촉하는 부분의 두께가 이동전극과 접촉하지 않는 부분보다 얇게 형성될 수 있다.
상기 용융스위치가 용융결합 수행을 하기 전에 상기 이동전극을 예열하기 위해, 상기 발열체에 소정의 시간동안 전력을 공급한 후 상기 이동전극을 이동시키는 것일 수 있다.
상기 용융 스위치는 배터리 제어장치에 포함될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 아크 방지 방법은, 용융 스위치와 용융 스위치에 병렬로 연결된 반도체 스위치를 이용하여, 용융스위치의 작동시 용융스위치의 아크를 방지하는 방법에 있어서, 반도체 스위치의 온 명령을 내리는 제1단계; 용융스위치의 작동 명령을 내리는 제2단계; 반도체 스위치의 오프 명령을 내리는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 아크 방지 방법은, 발열체와 이송력 발생수단을 포함하는 용융 스위치, 용융 스위치에 병렬로 연결된 반도체 스위치를 이용하여, 용융스위치의 작동시 용융스위치의 아크를 방지하는 방법에 있어서, 반도체 스위치 온 명령, 발열체 작동 개시 명령, 이동전극의 이송력 발생 명령을 내리는 제1단계; 용융분리 완료를 확인하는 제2단계; 반도체 스위치의 오프 명령, 발열체 동작 종료 명령을 내리는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계의 용융분리 완료는 용융 스위치의 전류를 측정하는 전류검출 수단에 의해 용융 스위치에 흐르는 전류값을 측정하여 확인하는 것일 수 있다.
본 발명의 배터리 제어장치는, '다수의 배터리 셀을 연결한 배터리'의 배터리 제어장치에 있어서, 일부 배터리 셀이 고장난 경우 그 고장난 셀을 연결에서 자동적으로 제외하면서도 전압강하 문제점과 충방전 전류의 불연속 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명의 용융 스위치는 전극단자(electrode terminal)의 움직임을 초래하지 않는 밀착방식(Press-contact method)의 용융 스위치(fusible switch)여서 전극간의 이격거리를 최소화하면서도 스위치의 도통전류 조건에 관계없이 전극간의 용융결합이 완전하게 이루어진다. 따라서 대용량 전류가 흐를 수 있고, 도통저항이 작은 스위치이면서도 소형/경량화가 가능하다.
또한, 가역적인 동작(스위치 작동 후 복귀 동작)을 할 수 있으면서 스위치의 도통전류로부터 독립적인 온/오프 제어가 가능하다.
또한 단락형 스위치 뿐만 아니라 개방형 스위치로도 사용 가능한 용융 스위치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 배터리 블록의 도면
도 2는 본 발명의 배터리 블록의 변형된 실시예의 도면
도 3은 다수의 배터리 블록이 연결된 도면
도 4는 제1형 스위치와 제2형 스위치의 변형 도면
도 5는 본 발명에 의한 1접점 용융스위치(One-way fusible switch)의 개념도
도 6은 a 접점 용융 스위치의 제1 실시예의 동작 전후의 모습
도 7은 발열체를 이동전극에 탑재시키기 위한 이동전극 형상의 예
도 8은 a 접점 용융 스위치의 제2 실시예의 동작 전후의 모습
도 9는 a 접점 용융 스위치의 제3 실시예의 동작 전후의 모습
도 10은 a 접점 용융 스위치의 변형실시예의 동작 전후의 모습
도 11은 b 접점 용융 스위치의 제1 실시예의 동작 전후의 모습
도 12는 b 접점 용융 스위치의 제2 실시예의 동작 전후의 모습
도 13은 본 발명에 의한 c 접점 용융스위치의 개념도
도 14는 c 접점 용융 스위치의 제1실시예의 동작전후의 모습
도 15는 c 접점 용융 스위치의 제1실시예에서 이동전극과 고정전극 모두에 발열체가 매립되는 경우의 이동전극과 고정전극의 사시도
도 16은 c 접점 용융 스위치에 가이드 홈이 설치된 모습
도 17은 c 접점 용융 스위치가 용용 스위치 하우징에 의해 밀폐된 모습
도 18은 c 접점 용융 스위치의 변형실시예
도 19는 전도성 접합물질이 흘러내리는 모습
도 20은 아래쪽 전극에 홈을 형성한 실시예
도 21은 홈이 형성된 아래쪽 전극의 사시도의 예
도 22는 오목부가 형성된 실시예 1의 모습
도 23는 오목부 형성된 실시예 2의 모습
도 24는 오목부가 형성된 실시예 3의 모습
도 25는 반복형 용융 스위치의 실시예
도 26은 도 25의 반복형 용융 스위치의 사시도
도 27은 도 25의 반복형 용융 스위치의 이동전극의 사시도
도 28은 용융스위치의 아크방지 장치의 구성도
도 29는 용융스위치의 아크방지 방법의 순서도의 예
도 30은 도 9의 실시예에서 발열체(321)를 제거한 용융 스위치
도 31은 고정전극의 두께가 변경된 모습
도 32는 회전이동하는 이동전극을 갖는 c 접점 용융 스위치의 예
도 33은 접촉하는 전도성 접합 물질의 일부에 요철을 형성한 모습의 예
도 34는 도 33에서 요철이 형성된 전도성 접합 물질의 평면도
도 35는 전극 표면에 요철을 형성한 예
도 36은 c 접점 용융스위치에서 이동전극의 외부 표면에 발열체를 부착한 실시예
도 37은 분기선로의 표면적을 증가시키기 위해 도 36의 분기선로 형상을 변형한 실시예
도 38은 발열체의 열선이 부착되는 이동전극의 비접점 표면을 증가시키기 위한 이동전극의 분기선로 형상의 또 다른 실시예
도 39는 발열체의 절연된 열선이 다수의 구멍이 형성되어 있는 이동전극 내부에 매립되고, 고정전극이 평행하게 위치하는 c 접점 용융스위치의 실시예
도 40은 이동전극(1620)이 분기선로(1620b)를 가지는 형상이고, 발열체의 절연된 열선(1621)이 분기선로(1620b)에 위치하는 경우의 실시예
도 41은 도체의 표면과 내부에 열선을 동시에 장착하는 실시예
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 의미하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 설명에서, '제1형 스위치'는 최초 단락 상태에서 개방 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치를 의미하고, '제2형 스위치'는 최초 개방 상태에서 단락 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치를 의미한다.
또한 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 셀 그룹의 단위를 '배터리 모듈'이라 한다.
또한 배터리 모듈에 스위칭 장치가 결합된 것을 '배터리 블록'이라고 하고 다수의 배터리 블록이 하나의 배터리 팩을 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 배터리 블록의 도면이다.
도 1의 배터리 모듈은 '다수의 기본 배터리 셀(111)이 직렬로 연결된 기본 배터리 (셀)그룹(110)'과 '다수의 교체용 배터리 셀(131, replacement cells)이 직렬로 연결된 교체용 배터리 (셀)그룹(130)'이 직렬로 연결되어 있다.
각각의 기본 배터리 셀에 제1형 스위치(S1)가 직렬로 연결되고, 제2형 스위치(S2)가 병렬로 연결되어 있다. 이때 제2형 스위치(S2)의 위치와 관련하여, 상기 제1형 스위치가 직렬 연결된 경로에 제2형 스위치가 병렬로 연결되어 있다고 표현할 수도 있다.
각각의 교체용 배터리 셀에는 제1형 스위치(S1)가 병렬로 연결되고, 제2형 스위치(S2)가 직렬로 연결되어 있다. 이때 제1형 스위치(S1)의 위치와 관련하여, 상기 제2형 스위치가 직렬 연결된 경로에 제1형 스위치가 병렬로 연결되어 있다고 표현할 수도 있다.
상기 배터리 셀은 여러 개의 하부 배터리 셀이 집합된 배터리 셀일 수도 있다.
최초 상태에서는. 제1형 스위치(S1)가 단락되어 있고 제2형 스위치(S2)는 개방되어 있으므로, 기본 배터리 셀들은 모두 작동 상태이고, 교체용 배터리 셀은 모두 작동하지 않는 상태이다. 즉 기본 배터리 셀들은 전기 흐름 선로(전기가 흐르는 선로)에 포함된 상태이고, 교체용 배터리 셀은 전기 흐름 선로에 포함되지 않는 상태이다. 이때 모듈 양극 단자(101)과 모듈 음극 단자(102) 사이의 전압은 기본 배터리 셀들의 출력 전압을 합친 것과 같다.
만일 배터리 제어장치의 제어부가 작동중인 배터리 셀 중에서 고장난 배터리 셀을 발견하면 그 고장난 배터리 셀의 전기적 연결을 배제하고 교체용 배터리 셀로 교체하도록 제어하게 된다.
제어부가 고장난 배터리 셀을 발견하기 위해서는 각각의 배터리 셀의 상태를 측정하는 센싱부(예를 들면, 배터리 셀의 전압, 전류, 온도를 측정하는 장치)가 설치되어 있고 그 측정결과가 제어부로 전송되어야 하는 것은 당연한 사실이다. 이러한 기술은 이미 공지되어 있고 이 부분은 본 발명의 특징부와는 관련이 없으므로 자세한 설명은 생략한다.
'고장난 배터리 셀의 전기적 연결을 배제하고 교체용 배터리로 교체하도록 제어하는 과정'에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.
제어부는, 고장난 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치에는 개방상태로 전이하라는 신호를 보내고, 고장난 배터리 셀에 연결된 제2형 스위치에는 단락상태로 전이하라는 신호를 보낸다. 그렇게 되면 그 고장난 배터리 셀은 전기 흐름 선로에서 제외되게 되어, 그 고장난 배터리 셀로는 전기가 흐르지 않게 된다.
그리고 제어부는, 교체용 배터리 셀그룹(130) 중 하나의 교체용 배터리 셀을 선택하여, 선택된 교체용 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치에는 개방상태로 전이하라는 신호를 보내고, 선택된 교체용 배터리 셀에 연결된 제2형 스위치에는 단락상태로 전이하라는 신호를 보낸다. 그렇게 되면, 선택된 교체용 배터리 셀이 전기 흐름 선로에 포함되게 되어, 선택된 교체용 배터리 셀로 전기가 흐를 수 있게 된다.
위와 같은 과정을 거치고 나면, 고장난 기본 배터리 셀를 교체용 배터리 셀로 교체하는 과정이 완료된다.
이때 기본 배터리 셀에 연결된 스위치들은 셀 분리에 사용되므로, '셀 분리 스위칭부(120)'라 할 수 있다. 그리고 교체용 배터리 셀에 연결된 스위치들은 셀 교체에 사용되므로, '셀 교체 스위칭부(140)'라 할 수 있다.
고장난 배터리 셀을 배제한 후 교체용 배터리를 연결하여 전기 흐름 선로에 포함시키게 되면, 고장난 배터리 셀의 배제 후에도 배터리 모듈의 출력 전압이 강하되지 않는 장점이 있다.
도 1의 배터리 블록(100)은 '기본 배터리 그룹(110)', '셀 분리 스위칭부(120)', '교체용 배터리 그룹(130)', '셀 교체 스위칭부(140)'을 포함한다.
도 1의 구성은 변형될 수 있다.
도 2는 본 발명의 배터리 블록의 변형된 실시예의 도면이다.
도 2가 도 1과 달라진 점은 셀 교체 스위칭부(140a)의 구성이다.
만일 교체용 배터리 그룹(130)에 N개의 교체용 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있고, 각각의 교체용 배터리 셀의 극점(+극 또는 -극)과 모듈 양극 단자(101) 사이에 스위치를 설치한다면, 도 2에서 보는 바와 같이 (N + 1)개의 스위치를 설치할 수있다.
이때 기본 배터리 셀그룹(110)과 연결되는 극점(termimal)에는 제1형 스위치가 설치되고, 기본 배터리 그룹(110)과 가장 먼 쪽에 연결되는 극점에는 제2형 스위치가 설치된다.
그리고 (N - 1)개의나머지 극점에는 제3형 스위치가 설치된다.
'제3형 스위치'는 최초 개방 상태에서 단락 상태로 전이되는 동작을 할 수 있고, 단락 상태에서 다시 개방 상태로 전이하는 동작을 할 수 있는 스위치이다.
제3형 스위치도 최초 개방 상태에서 단락 상태로 전이되는 동작을 할 수 있으므로, 제2형 스위치의 일종이라고 볼 수 있다.
도 2의 배터리 제어장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
배터리 제어장치의 제어부가 작동중인 배터리 셀 중에서 고장난 배터리 셀을 발견하면 그 고장난 배터리 셀의 전기적 연결을 배제하는 과정은 도 1의 배터리 제어장치와 동일하다.
차이점은 교체용 배터리를 연결하는 셀 교체 스위칭부(140a)의 동작이다.
만일 최초로 고장 배터리 셀이 발생한 경우에는 스위치인 스위치 141 을 개방하고 그 다음 스위치인 스위치 142를 단락시킨다. 만일 다른 배터리 셀의 고장이 발생한 경우에는 스위치 142를 개방하고 그 다음 스위치인 스위치 143을 단락시킨다. 이런 과정을 반복하면 고장난 배터리의 수만큼 교체용 배터리를 전기 흐름 선로에 포함시켜 배터리 모듈의 전압을 일정하게 유지할 수 있다.
도 2의 배터리 제어장치는 도 1의 배터리 제어장치와 비교할 때, 셀 교체 스위칭부(140a)의 스위치 수를 줄일 수 있고 전기 흐름 선로 상의 스위치 수가 적어지므로 스위치에 의한 저항이 작아지는 장점은 있으나, 교체용 배터리 중 첫번째 것이 고장나는 경우 나머지 교체용 배터리를 모두 사용할 수 없게 되는 문제점이 있다.
그런데 도 1과 도 2의 배터리 모듈의 배터리 제어장치는 고장난 배터리 셀이 교체된 이후에는 이전과 동일한 전압을 출력할 수 있으나, 교체하는 과정에서는 전압이 불연속이 될 수 있다. 따라서 배터리 모듈을 병렬로 연결하고 배터리 셀을 교체하는 배터리 모듈(또는 배터리 블록)은 배터리 셀 교체 시간 동안 그 병렬 연결에서 끊어주는 것이 바람직하다.
도 3은 다수의 배터리 블록이 연결된 도면이다.
도 3의 배터리 제어장치(200)에는 n개의 배터리 블록(100a ~100n)이 병렬로 연결되어 있고, 각각의 배터리 블록에는 모듈 스위치(210a ~210n)가 각각 직렬로 연결되어 있다.
또한 각각의 배터리 블록은 도 1 또는 도 2의 스위칭부(셀 분리 스위칭부와 셀 교체 스위칭부)와 기본 배터리 그룹, 교체용 배터리 그룹을 포함한다.
자동 배터리 셀 교체기의 제어부가 고장난 기본 배터리 셀을 감지하면, 고장난 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 고장난 기본 배터리 셀의 연결을 전기 흐름 선로에서 배제하고, 고장난 배터리 셀이 있는 배터리 모듈 중에서 선택된 교체용 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 전기 흐름 선로에 포함되도록 제어한다. 또한 해당 배터리 모듈에서의 교체 동작동안 출력전압이 불연속이 되는 문제점을 방지하기 위해, 해당 배터리 모듈의 모듈 스위치는 교체 동작 동안 개방된다.
따라서 도 3의 배터리 제어장치의 동작은 다음의 단계를 포함한다.
(1) 배터리 제어장치의 제어부가 센싱부의 입력으로부터 기본 배터리 셀중 고장난 배터리 셀을 감지하는 단계
(2) 배터리 제어장치의 제어부가 고장난 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈의 모듈 스위치를 개방시키는 단계
(3) 배터리 제어장치의 제어부가 고장난 배터리에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 고장난 기본 배터리 셀의 연결을 전기 흐름 선로에서 배제하는 단계
(4) 배터리 제어장치의 제어부가 교체용 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 교체용 배터리 셀를 전기 흐름 선로에 포함시키는 단계
(5) 배터리 제어장치의 제어부가 고장난 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈의 모듈 스위치를 단락시키는 단계
도 3의 배터리 제어장치는 고장난 배터리 셀의 교체 동작 동안 배터리의 출력 전압이 일정하게 유지되는 장점이 있다.
상기 배터리 제어장치의 제어부는, 배터리 셀의 상태를 측정하는 측정부로부터 배터리 셀의 상태를 전달받으면 배터리 셀의 고장 여부를 판단할 수 있고, 배터리 제어장치에 연결된 스위치에 제어 신호(스위치를 개방 또는 단락하라는 신호)를 보낼 수 있다.
위에서 설명한 배터리 제어장치의 제어부는 배터리 제어장치의 구성 중에서 그 배터리 제어장치를 제어하는 부분을 의미한다. 이 때 배터리 제어장치는 배터리 제어부와 스위칭부(셀 분리 스위칭부, 셀 교체 스위칭부 등)를 포함하는 장치이다.
배터리 제어장치의 제어부는 기존의 배터리 관리 시스템(BMS) 기술을 이용하여 구현할 수 있다.
제어부는 배터리 모듈 단위의 제어부와 배터리 모듈을 연결한 전체 배터리 팩의 제어부로 구분될 수도 있으나, 본 출원에서는 편의상 제어부로 통칭한다.
또한 도 1과 도 2의 제1형 스위치와 제2형 스위치는 하나의 스위치로 변형될 수 있다.
도 4는 제1형 스위치와 제2형 스위치의 변형 도면이다.
도 4 (a)는 제1형 스위치와 제2형 스위치의 도면이고, 도 4 (b)는 도 4 (a)에 대응하는 하나의 스위치(제4형 스위치)의 도면이다.
도 4 (b)의 제4형 스위치는 최초에는 a단자가 b단자와 단락되고 c단자와 개방된 상태에서 b단자와 개방되고 c단자와 된 단락된 상태로 전이할 수 있다.
도 4 (b)의 제4형 스위치는 '도 4 (a)의 제1형 스위치와 제2형 스위치'와 동일한 기능을 한다.
'제2형 스위치'는 'a 접점 (make contact) 스위치' 또는 '1접점 단락형 스위치'라 불리기도 하고, '제1형 스위치'는 'b 접점 (break contact) 스위치' 또는 '1접점 개방형 스위치'라 불리기도 한다.
1접점 스위치(One-way switch)는 상기 제1형 스위치나 제2형 스위치처럼 전류가 흐르는 선로가 1개인 스위치를 의미한다.
'제1형 스위치'와 '제2형 스위치'가 합쳐진 스위치, 즉 도 4 (a)와 같은 스위치는 전류가 흐르는 선로가 2개가 형성되므로 '2접점 스위치'(Two-way switch)로 부를 수도 있고, 'c 접점 (change-over contact) 스위치'로 불리기도 하는데, 본 발명에서는 c 접점 스위치로 부르기로 한다.
그런데 도 1 내지 도 3의 배터리 제어장치에는 제1형 스위치와 제2형 스위치를 다수 포함하는데, 이 스위치들에는 대용량의 전류가 흐르게 되고, 종래의 기계적 접점 방식의 스위치 기술로는 '대용량의 전류가 흐를 때 높은 내충격성을 지니는 동시에 접촉저항이 작은 소형/경량화 스위치'를 만들 수 없다.
따라서 본 발명의 스위치는, 도통 저항이 작은 소형/경향화된 스위치를 만들기 위해 용융 스위치(fusible switch)로 만든다. 용융 스위치(fusible switch)는 스위치의 동작시 2개의 전극 사이의 전도성 접합 물질(conductive bonding material)이 용융되는 스위치를 의미한다. 전도성 접합 물질(conductive bonding material)은 솔더링 물질(soldering material)로 부를 수도 있다.
즉 2개의 전극을 이루는 2개의 도체 사이에 전도성 접합 물질(예를 들면, 납, 은, 주석, 구리, 인듐 등의 합금)을 위치시킨 후, 2개의 전극를 전기적으로 연결할 때는 전도성 접합 물질을 녹인 후 2개의 전극에 각각 접촉시켜 응고(solidification)시키고, 2개의 전극를 전기적으로 분리할 때는 전도성 접합 물질을 녹여서 떼어낸다.
이 때 전도성 접합 물질이 녹을 때 2개의 도체는 녹지 않아야 하므로, 전도성 접합 물질의 녹는점은 2개의 전극의 녹는점보다 낮은 것이 바람직하다.
따라서 본 발명의 용융스위치는 전극은 용융되지 않고 전도성 접합물질만 용융되므로 녹는점 온도에 따라 구분되는 솔더링(연납땜)과 브레이징(경납땜)모두를 포함하므로 본 발명에서 언급하는 솔더링(soldering) 의미는 브레이징(brazing) 의미도 포함한다.
도 5 는 본발명에 의한 1접점 용융 스위치(One-way fusible switch)의 개념도이다. 1접점 용융 스위치(One-way fusible switch)는 a 접점 용융스위치(make contact-fusible switch)와 b 접점 용융스위치(break contact-fusible switch)를 포함한다.
a 접점 용융스위치(make contact-fusible switch)는 a 접점 스위치(make contact switch)의 기능을 구현하는 용융스위치(fusible switch)를 의미하고, b 접점 용융스위치(break contact-fusible switch)는 b 접점 스위치(break contact switch)의 기능을 구현하는 용융스위치(fusible switch)를 의미한다.
a 접점 용융스위치(make contact-fusible switch)와 b 접점 용융스위치(break contact-fusible switch)를 포함하는 개념으로 1접점 용융 스위치(One-way fusible switch)라는 용어를 사용할 수도 있다.
도 5에서 보는 바와 같이 1접점 용융 스위치(One-way fusible switch)는, 분리되어 있는 2개의 고정전극(stationary electrode)과, 상기 고정전극에 밀착(또는 접촉) 또는 분리되는 방향으로 이동할 수 있는 이동전극(moving electrode), 상기 이동전극이 단방향 또는 양방향으로 이동할 수 있도록 이동전극에 이송력을 제공하는 이송부, 상기 고정전극과 이동전극간에 솔더링(soldering) 상태의 용융결합(fusion bonding) 또는 디솔더링(desoldering) 상태의 용융분리(fusible disconnect) 수행을 위한 전도성 접합물질(솔더링 물질)과, 발열부를 포함한다.
상기 이송부는 이송력을 발생하는 수단(예를 들면, 스프링, 모터, 전자석 등)을 포함할 수 있다. 상기 이송부는 이동전극을 이동시키는 힘, 즉 이송력 F를 이동전극으로 전달한다.
상기 발열부는 상기 고정전극과 이동전극의 접점부위에 위치하는 전도성 접합물질을 용융시키기 위해 열을 공급하는 부분으로서, 열을 발생하는 발열체를 포함한다. 발열부는 이동전극과 2개의 고정전극 모두에 열을 공급할 수도 있고, 그 중 일부에만 열을 공급할 수도 있다. 도 5에서 발열체가 공급하는 열은 T로 표시된다.
발열체가 전기에 의해 열을 발생하는 장치일 경우, 발열체는 전기공급을 위한 전력 공급부가 필요하다. 전력 공급부는 발열체에 전력을 공급하거나 차단할 수 있다.
a 접점 용융 스위치의 구체적인 실시예는 다음과 같다.
도 6은 a 접점 용융 스위치의 제1 실시예의 동작 전후의 모습이다.
도 6 (a)는 a 접점 용융 스위치의 동작 전 모습이다.
도 6의 용융 스위치는, 최초에 이동전극(320)이 홀드부(330)에 용융결합 상태로 고정되어 있고, 고정전극(311)과 고정전극(312)는 전기가 통하지 않는 개방상태이다.
도 6 (a)의 2개의 고정전극은 이격되어 있어서 전기적으로 분리되어 있다. 따라서 2개의 고정전극은 절연 분리되어 있다고 할 수 있다. 즉 공기 또는 진공에 의해 절연되거나 절연체에 의해 절연된 경우도 절연된 것이라 할 수 있으므로, 도 6 (a)의 2개의 고정전극은 절연 분리된 것이라 할 수 있다.
상기 홀드부(330)는, 외부로부터 충격에 대한 내구성을 갖게 하기 위하여 이동전극(320)을 고정시켜 주는 것을 목적으로 한다. 상기 이동전극(320)과 상기 홀드부(330) 사이에는 저온 용융 물질(331)이 존재하여 이동전극(320)과 상기 홀드부(330)를 용융 결합시킨다. 저온 용융 물질(331)은 녹는점이 상기 이동전극(320)과 상기 홀드부(330)보다 낮기 때문에 붙여진 이름이며, 전도성 물질일 수도 있고 비전도성 물질일 수도 있다.
이동전극(320)의 하부와 2개의 고정전극(311, 312)의 상부에는 전도성 접합 물질(320a)이 도금(plating) 또는 코팅(coating)되어 있다. 전도성 접합 물질(320a)의 녹는점은 상기 고정전극(311, 312)의 녹는점과 상기 이동전극(320)의 녹는점 보다 낮다. 전도성 접합 물질(320a)의 대표적 예로는 땜납(solder)이 있다.
이동전극(320)의 내부에는 절연된 열선으로 구성되는 발열체(321)가 존재하고, 발열체 전력공급선(322)은 발열체의 전력 공급부에 연결된다.
스프링(338)과 스프링 하우징(339)은 이송력 발생수단을 구성한다.
도 6의 이송력 발생수단은 스프링(338)의 탄성력에 의해 이송력을 발생시킨다.
전달링크(335)는 스프링에 의한 이송력을 이동전극(320)에 전달하는 역할을 한다. 전달링크(335)는 이동전극(320)에 부착되어 있는 것이 바람직하다.
도 6의 이송력 발생수단은 이송력을 발생시키지만, 이동전극(320)이 저온 용융 물질(331)에 의해 홀드부(330)에 고정되어 있으므로, 이동전극(320)은 움직일 수 없다.
도 6 (b)는 a 접점 용융 스위치의 동작 후 모습이다.
도 6 (a)에서 발열체(321)에 전력이 공급되어 열이 발생하면, 저온 용융 물질(331)이 녹게 되므로 이송력 발생수단의 이송력에 의해 이동전극(320)에 의해 아래로 이동한다. 또한 전도성 접합 물질(320a)도 발열체의 열에 의해 녹게 된다.
그 후 발열체(321)에 전력 공급이 중단되면, 전도성 접합 물질(320a)은 이동전극(320)과 2개의 고정전극(311, 312)와 접촉한 상태에서 응고되게 되는데, 이것을 용용결합된 상태라고 할 수 있다. 그 결과, 2개의 고정전극(311, 312)은 전기적으로 연결된 상태가 된다.
2개의 고정전극(311, 312)간에는 충분한 이격거리가 존재하므로 우수한 내전압 특성을 갖는다. 만일 2개의 고정전극(311, 312) 사이에 절연체가 존재한다면, 더욱 우수한 내전압 특성을 갖는다.
우수한 내전압 특성을 가지면서도, 도 6 (b)에서 2개의 고정전극(311,312)은 이동전극(320)에 최대한 밀착되는 구조를 가지므로, 2개의 고정전극(311, 312) 사이의 도통저항은 매우 작다.
또한 도 6의 스위치에서는 2개의 고정전극(311,312)이 굽힘성이 없는 두꺼운 도체인 경우에도 동작할 수 있는 구조를 제공하므로, 스위치의 도통저항을 최소화할 수 있어 대전류 용량 대비 스위치의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.
이송력 발생수단이 없더라도 중력에 의해 이동전극(320)은 아래로(중력 방향으로) 이동할 수 있다. 하지만 이송력 발생수단이 없다면, 용융결합을 위한 접촉압력이 약하고, 이동전극을 이동시키기 위한 설치방향이 제한되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 이동전극의 이동을 이동전극의 하중에만 의존하지 않고 이동전극의 이동을 위한 이송력 발생수단을 별도로 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 이송력 발생수단은 모터(리니어 모터 포함), 전자석 등에 의해 힘을 발생하는 것일 수도 있고, 영구자석 사이의 반발력이나 탄성력에 의한 것(예를 들면, 판스프링, 압축 스프링 등을 이용한 것)일 수도 있다. 적용분야의 요구조건에 따라 그 외 다양한 방법으로 단방향 또는 양방향의 이송력을 발생시킬 수 있다.
이때 모터, 전자석 등에 의해 힘을 발생하는 양방향 이송력 발생수단의 경우, 양방향으로 스위치 동작이 가능하나, 장치가 다소 복잡해지는 단점이 있다. 또 영구자석 사이의 반발력이나 탄성력에 의한 이송력 발생수단의 경우, 한 방향으로만 이송력을 발생시키는 장치는 간단하게 구현할 수 있으나 양방향으로 이송력을 발생시키는 장치는 구현하기 어려운 문제점이 있다.
도 6에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 이해를 돕기 위하여 대표적인 이송력 발생수단으로 간단하게 구현이 용이한 압축 스프링을 적용하였다.
물론 양방향의 이송력 발생 수단인 모터, 전자석을 상기 압축 스프링을 대체하여 사용할 수 있음은 물론이다. 양방향의 이송력 발생수단을 갖출 경우, 용용 스위치의 작동 후 복귀 동작까지 할 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, a 접점 용융 스위치의 경우, 개방 상태에서 단락 상태로 변경되는 동작을 하였다가 다시 개방 상태로 되는 복귀 동작까지 할 수 있다.
즉 온-오프 접점간의 상태 전이가 양방향으로 동작되는 가역적 구조를 가질 수 있다.
상기 발열체(321)는 상기 전도성 접합 물질(320a)를 용융시키는 기능을 제공한다. 상기 발열체(321)는 전도성 접합 물질(320a)을 녹일 수 있다면 어디에 설치되어도 되지만, 발열체의 부품을 줄이고 열 전달 효율을 극대화하기 위해 상기 이동전극(320) 내부에 탑재되는 것이 바람직하다. 발열체는 가스, 액체연료, 화약 등에 의해 열을 발생하는 것일 수도 있지만, 안전성과 제어의 용이성을 위해 전기열선(전기를 통과시킬 때 열을 발생시키는 저항선)을 이용하는 것이 바람직하다.
고정전극과 이동전극은 전류가 도통할 수 있는 전도체로 도전율이 양호한 소재로 하는 것이 바람직하다.
이동전극은 도전율이 높은 것이 바람직하고, 내부에 발열체가 있는 경우 열전도가 잘 되어야 하므로 열전도율이 양호한 전도체(예: 구리)로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 용융 스위치에서, 전도성 접합 물질은 용융결합이 이루어질 고정전극, 이동전극 도체의 접합부위에 솔더링 물성특성이 손상되지 않는 다양한 형태로 위치하는 것이 가능하다.(예: 도금, 코팅, 접착, 물리적 고정 등)
특히, 고정전극, 이동전극 도체는 외부환경으로부터 보호(부식방지, 산화방지 등)와 용융결합을 용이하기 위해 전도성 접합 물질은 도금(예: 납, 주석, 은, 구리, 인듐 등의 합금) 또는 코팅(coating) 형태로 접합부위에 부착되어 있는 것이 더 바람직하다.
또한 전도성 접합 물질은 전극과 용융결합을 용이하기 위해 솔더링 촉매제(예: 납땜용 플럭스)를 함유하는 것이 바람직하다.
사용목적과 용도에 따라 상기 전도성 접합 물질의 구성 성분의 물성치를 달리하여 고정전극과 이동전극간의 접촉저항, 융점온도, 접촉부위의 기계적/물리적 강도를 조절할 수 있다.
이때 이동전극의 용융결합 및 용융분리 시간을 단축하기 위해 이동전극뿐만 아니라 고정전극에 발열체를 더 설치할 수도 있다.
종래의 용융 스위치에서는 전도성 접합 물질을 녹이는 발열체가 전극의 외부에 있어서 전도성 접합 물질에 전달되는 열전달 효율이 낮다. 만일 도 6에서와 같이 발열체를 전극의 내부에 설치하면 전극과 발열체의 접촉면적이 증가되어 전극으로 전달되는 열이 많아지고, 전극의 발열량이 높아진다. 따라서 전도성 접합 물질에 전달되는 열전달 효율이 높아 용융시간을 단축시킬 수 있다.
또한 도 6 (a)의 실시예에서 발열체의 열이 2개의 고정전극(311, 312)를 통해 빠져나기지 않는 장점도 있다.
도 7 은 발열체를 이동전극에 탑재시키기 위한 이동전극 형상의 예이다.
도 7 (a)와 같이, 이동전극의 내부에 사각형 단면의 관통 구멍이 천공 형성되어 사각통 형상을 가지며, 상기 관통 구멍에 면상 발열체가 삽입될 수도 있다.
도 7 (a)와 같은 구조는, 종래의 외부 발열체 구조보다 발열체의 열전달 효율이 높다.
도 7 (b)에서 보는바와 같이, 이동전극의 내부에 다수의 구멍으로 형성되고, 상기 관통 구멍에 절연된 열선으로 구성되는 발열체가 삽입될 수 있다.
다수의 구멍에 다수의 열선을 삽입하면 이동전극과의 접촉면적이 더욱 증가하므로, 열전달 효율이 더 높아 진다.
다수의 구멍에 다수의 열선을 삽입할 수도 있지만, 하나의 구멍에 하나의 열선만 삽입하더라도 발열체로서의 기능을 할 수 있다.
도 7의 예에서와 같이 발열체를 이동전극의 내부에 삽입할 경우에는, 발열체와 이동전극의 접촉면적을 극대화할 수 있으므로, 발열체를 이동전극의 측면에 부착하는 경우보다 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8은 a 접점 용융 스위치의 제2 실시예의 동작 전후의 모습이다.
도 8 (a)는 a 접점 용융 스위치의 동작 전 모습이다.
이동전극(320)의 하부와 2개의 고정전극(311, 312)의 상부에는 절연 지지 부재(340)이 형성되어 있고, 이동전극(320)의 하부와 2개의 고정전극(311, 312)의 상부에는 전도성 접합 물질(320a)이 도금(plating) 또는 코팅(coating)되어 있다.
절연 지지 부재(340)(예: 스티로폼, 납땜용 플럭스 등)는 열에 약하면서도 지속적인 지지력을 갖는 재질로 이루어져야 한다. 즉 절연 지지 부재는 절연 지지 부재에 접하는 전극보다 녹는점이 낮아야 한다.
도 8 (a)는 a 접점 용융 스위치의 동작 전모습이고, 도 8 (b)는 a 접점 용융 스위치의 동작 후 모습이다.
만일 이동전극(320)의 발열체(321)가 열을 발생시키면, 발열체(321)의 열이 이동전극(320)의 온도를 상승시키고 그 열에 의해 절연 지지 부재(340)는 녹게 되어서 지지력을 상실하게 된다. 그렇게 되면, 이송력 발생수단의 이송력에 의해 이동전극(320)은 아래로 이동한 후 전도성 접합 물질(320a)에 닿게 되고 전도성 접합물질(320a)을 녹이게 된다. 그 후 발열체(321)의 발열이 중단되면 전도성 접합 물질(320a)이 응고되어 이동전극(320)과 고정전극(311,312)은 용융결합되게 된다.
절연 지지 부재(340)는 용융 스위치가 동작하기 전에는 이동전극의 이동을 제한하다가 용융 스위치의 동작시에는 열에 의해 녹아서 이동전극의 이동을 제한하지 않도록 한다.
도 8에서는 고정전극(311, 312)의 상부에 전도성 접합 물질(320a)을 도금(plating) 또는 코팅(coating)했지만, 이동전극(320)의 하부에 전도성 접합 물질을 도금(plating) 또는 코팅(coating)할 수도 있고, 고정전극(311, 312)의 상부와 이동전극(320)의 하부 모두에 전도성 접합 물질을 도금(plating) 또는 코팅(coating)할 수도 있다.
또한 도 8에서와 같이 절연 지지 부재(340)의 면적을 이동전극(320)의 하부면의 면적과 동일하게 할 수도 있지만, 절연 지지 부재(340)의 면적을 이동전극(320)의 하부면보다 매우 작은 면적이 되도록 할 수도 있다.
도 9는 a 접점 용융 스위치의 제3 실시예의 동작 전후의 모습이다.
도 9 (a)는 a 접점 용융 스위치의 동작 전의 모습이고, 도 9 (b)는 a 접점 용융 스위치의 동작 후의 모습이다.
도 9 (a)의 2개의 고정전극(311, 312)은 이격되어 있어서 전기적으로 분리되어 있다.
스프링(338)과 스프링 하우징(339)은 이송력 발생수단을 구성하지만, 전달링크(335)의 내부에는 전달링크 구멍(홀)(335a)이 형성되어 있고 그 전달링크 구멍(335a)의 내부로 퓨즈와이어(fuse wire)(350)가 통과하면서 전달링크(335)의 위치를 고정시켜준다.
스위치 동작시에는 발열체(321)와 퓨즈와이어(350)에 전류가 공급되고, 퓨즈와이어(fuse wire)는 녹아 끓어지게 되어 상기 구속된 압축된 스프링(338)의 탄성력이 전달링크(335)을 통해 상기 이동전극(320)에 전달된다.
여기서 a 접점 용융 스위치를 구현하는 상기 실시예와 용융결합을 포함하는 본 발명의 모든 용융스위치는 동작시간을 단축시키고 고정전극 단자의 온도상승을 최소화하기 위해 도 9의 압축 스프링(338)과 퓨즈와이어(350)를 이용하여 용융결합이 일어나기 전에 이동전극을 미리 충분히 예열(preheating)시킬 수 있다.
즉 상기 퓨즈와이어(350)를 끓기전에 이동전극(320)의 발열체(321)에 먼저 소정의 시간동안 전력을 공급하면 이동전극은 고정전극에 접촉하기 전에 높은 온도로 가열되고, 이로 인하여 용융결합 동작시간의 단축과 고정전극 단자의 온도상승을 최소화할 수 있다.
도 10은 a 접점 용융 스위치의 변형실시예의 동작 전후의 모습이다. 도 10 (a)는 a 접점 용융 스위치의 동작 전의 모습이고, 도 10 (b)는 a 접점 용융 스위치의 동작 후의 모습이다.
도 10 (a)에서는, 제3전극(420)의 내부에 발열체(421)가 삽입되어 있고, 발열체(421)에는 발열체 전력공급선(322)를 통해 전력을 공급할 수 있다.
제3전극(420)의 양쪽에는 전도성 접합 물질(420a)이 도금(plating) 또는 코팅(coating)되어 있다. 제1전극(411)과 제3전극(420)의 사이와 제2전극(412)과 제3전극(420)의 사이에는 절연 지지 부재(440)가 위치한다. 절연 지지 부재(440)는 열에 약하면서도 절연성이 있는 물질로서, 전극{제1전극(411), 제2전극(412), 제3전극(420)}보다 녹는점이 낮다.
꺾쇠 스프링(450)은 제1전극(411)과 제2전극(412)을 둘러싸는 '꺾쇠 형태의 탄성 스프링'으로서, 압축력을 제공한다. 제1전극(411)과 제2전극(412) 바깥쪽의 절연체(450)는 '꺾쇠 형태의 탄성 스프링'이 전도성이 있는 금속일 경우 그것에 의해 제1전극(411)과 제2전극(412)가 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위한 것이므로, 꺾쇠 스프링(450)이 전도성이 없는 재질(예를 들면, 전도성이 없는 플라스틱)로 이루어진 경우, 절연체(450)는 필요가 없다.
만일 도 10 (a)의 상태에서 제3전극(420)의 발열체(421)가 발열을 하면 그 열에 의해 전도성 접합 물질(420a)과 절연 지지 부재(440)가 녹게 된다. 즉 절연 지지 부재(440)는 녹아서 없어지고 전도성 접합 물질은 용융상태(420a)가 된다. 이때 꺾쇠 스프링(450)에 의해 누르는 힘이 존재하는 상태에서 발열체의 발열이 중단되면 전도성 접합 물질(420a)이 응고되면서 제3전극(420)은 제1전극(411) 및 제2전극(412)과 용융결합(용융 후 응고되어 결합)하게 되고, 도 10 (b)처럼 제1전극(411)과 제2전극(412)이 전기적으로 연결된 상태가 된다.
도 10의 실시예에서는 제3전극(420)에만 전도성 접합 물질(420a)이 도금(plating) 또는 코팅(coating)되어 있으나, 제1전극(411) 및 제2전극(412)에 전도성 접합물질(420a)을 도금(plating) 또는 코팅(coating)할 수도 있고, 제3전극(420), 제1전극(411) 및 제2전극(412) 모두에 전도성 접합 물질(420a)을 도금(plating) 또는 코팅(coating)할 수도 있다.
도 10의 실시예와 반대로 제3전극(420)은 용융스위치 하우징에 고정되고, 제1전극(411)과 제2전극(412)이 제3전극(420)에서 분리되도록 이송력 발생수단을 구성하면 b 접점의 용융 스위치가 될 수 있음은 물론이다.
b 접점 용융 스위치의 구체적인 실시예는 다음과 같다.
b 접점 스위치는 제1형 스위치처럼 '2개의 전극이 최초 단락 상태에서 개방 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치'를 의미하고, b 접점 용융 스위치는 b 접점 스위치인 용융 스위치를 의미한다.
도 11은 b 접점 용융 스위치의 제1 실시예의 동작 전후의 모습이다.
도 11 (a)는 b 접점 용융 스위치의 동작 전 모습이고, 도 11 (b)는 b 접점 용융 스위치의 동작 후 모습이다.
도 11 (a)에서, 이동전극(520)과 2개의 고정전극(511, 512) 사이에 전도성 접합 물질(520a)이 솔더링 상태로 용융결합되어 있어서 2개의 고정전극(511, 512)은 전기적으로 연결되어 있다.
스프링(538)과 스프링 하우징(539)은 이송력 발생수단을 구성한다.
도 11의 이송력 발생수단은 스프링(538)의 탄성력에 의해 이송력을 발생시킨다.
전달링크(535)는 스프링에 의한 이송력을 이동전극(520)에 전달하는 역할을 한다. 전달링크(535)는 이동전극(520)에 부착되어 있는 것이 바람직하다.
도 11의 이송력 발생수단은 이송력을 발생시키지만, 이동전극(520)이 전도성 접합 물질(520a)에 의해 2개의 고정전극(511, 512)에 고정되어 있으므로, 이동전극(520)은 움직일 수 없다.
이동전극(520)의 내부에는 발열체(351)가 존재한다. 도 11의 발열체(521)는 절연된 열선이다. 발열체 전력공급선(522)은 발열체로 전력을 공급하는 역할을 한다.
도 11 (a)에서 이동전극(520)에 설치되어 있는 발열체(521)에 전력이 공급되면 발열체(521)의 발열로 인하여 이동전극(520)의 온도가 상승하게 되고, 이로 인하여 이동전극(520)과 고정전극(511, 512)의 접합부위에 있는 전도성 접합 물질(520a)이 융점(녹는점)에 이르게 되어 전도성 접합 물질이 용융되고, 동시에 이동전극(520)은 이송력 발생수단의 이송력에 의해 고정전극에서 분리되어(511, 512) 이동하게 된다.
따라서 최초 단락상태에서 개방상태로 전이되는 스위칭 기능을 제공한다.
도 11 (b)에서, 홀드부(530)는, 외부로부터 충격에 대한 내구성을 갖게 하기 위하여 이동전극(520)을 고정시켜 주는 것을 목적으로 한다. 상기 이동전극(520)과 상기 홀드부(530) 사이에는 저온 용융 물질(531)이 존재하여 이동전극(520)과 상기 홀드부(530)를 용융 결합시킨다. 저온 용융 물질(531)은 녹는점이 상기 이동전극(520)과 상기 홀드부(530)보다 낮기 때문에 붙여진 이름이며, 전도성 물질일 수도 있고 비전도성 물질일 수도 있다.
스위치 동작시에 상기 저온 용융 물질(531)도 발열체의 열에 의해 녹았다가 스위치 동작 완료 후에 응고되어서 이동전극(520)을 상기 홀드부(530)에 고정하게 된다.
이송력 발생수단이 없더라도 중력에 의해 이동전극(520)에 의해 아래로 이동할 수 있다. 상기 홀드부(530)의 역할은 이송력 발생수단이 없는 경우에 중요하며, 도 11과 같이 이송력 발생수단이 있는 경우 상기 홀드부(530)는 생략될 수 있다.
도 12는 b 접점 용융 스위치의 제2 실시예의 동작 전후의 모습이다.
도 12에서 퓨즈와이어(550)는 압축 스프링(538)의 탄성력을 구속시켜 용융스위치가 동작전에 이동전극(520)에 가해지는 힘을 차단시키는 역할을 한다.
도 12 (a)는 b 접점 용융 스위치의 동작 전 모습이고, 도 12 (b)는 b 접점 용융 스위치의 동작 후 모습이다.
도 12 (a)에서, 전도성 접합 물질(520a)이 2개의 고정전극(511, 512)과 이동전극(520) 사이에 용융결합되어 있어서, 2개의 고정전극(511, 512)은 전기적으로 연결되어 있다.
스프링(538)과 스프링 하우징(539)은 이송력 발생수단을 구성하지만, 전달링크(535)의 내부에는 전달링크 구멍(홀)(535a)이 형성되어 있고 그 전달링크 구멍(535a)의 내부로 퓨즈와이어(fuse wire)(550)가 통과하면서 전달링크(535)의 위치를 고정시켜준다.
스위치 동작시에는 발열체(521)와 퓨즈와이어(550)에 전류가 공급되고, 퓨즈와이어(fuse wire)는 녹아 끓어지게 되어 상기 구속된 압축된 스프링(538)의 탄성력이 전달링크(535)을 통해 상기 이동전극(520)에 전달된다.
또한 발열체(521)의 열에 의해 전도성 접합 물질(520a)도 녹게 되므로, 이동전극(520)은 고정전극(511, 512)으로부터 이격되게 되고, 2개의 고정전극(511, 512)간의 전기적 연결은 끊어지게 된다.
여기서 압축 스프링(538)의 탄성력을 구속하는 상기 퓨즈와이어(550)를 사용하지 않아도 상기 b 접점 용융 스위치의 동작에는 아무런 상관이 없다.
도 13은 본 발명에 의한 c 접점 용융스위치(change over contact-fusible switch)의 개념도이다.
c 접점 용융 스위치는 c 접점 스위치인 용융 스위치를 의미한다. 'c 접점 용융 스위치'는 b 접점 용융 스위치와 a 접점 용융 스위치를 (기능적으로) 하나로 결합한 형태의 용융 스위치라 할 수 있다.
도 13에서 보는 바와 같이 c 접점 용융 스위치는 상부에 존재하는 2개의 고정전극과, 하부에 존재하는 2개의 고정전극, 상하 방향으로 이동하는 이동전극, 상기 이동전극이 단방향 또는 양방향으로 이동할 수 있도록 이동전극에 이송력을 제공하는 이송부, 상기 고정전극과 이동전극간에 솔더링(soldering) 상태의 용융결합(fusion bonding) 또는 디솔더링(desoldering) 상태의 용융분리(fusible disconnect) 수행을 위한 전도성 접합물질(솔더링 물질)과, 발열부를 포함한다.
상기 이송부는 이송력을 발생하는 수단(예를 들면, 스프링, 모터 등)을 포함할 수 있다.
상기 발열부는 상기 고정전극과 이동전극의 접점부위에 위치하는 전도성 접합 물질을 용융시키기 위해 열을 공급하는 부분으로서, 열을 발생하는 발열체를 포함한다. 발열부는 이동전극과 4개의 고정전극 모두에 열을 공급할 수도 있고, 그 중 일부에만 열을 공급할 수도 있다.
발열체가 전기에 의해 열을 발생하는 장치일 경우, 발열체는 전기공급을 위한 전력 공급부가 필요하다. 전력 공급부는 발열체에 전력을 공급하거나 차단할 수 있다.
이동전극이 위로 이동하여 상부의 2개의 고정전극을 연결하면, 상부의 2개의 고정전극이 전기적으로 연결된다. 이동전극이 아래로 이동하여 하부의 2개의 고정전극을 연결하면, 하부의 2개의 고정전극이 전기적으로 연결된다. 이동전극이 고정전극을 연결할 때 전도성 접합물질에 의해 용융결합되므로 연결되는 고정전극간의 저항은 매우 작아진다.
c 접점 용융 스위치의 구체적인 실시예는 다음과 같다.
도 14는 c 접점 용융 스위치의 제1실시예의 동작전후의 모습이다.
도 14 (a)는 c 접점 용융 스위치의 동작 전 모습이고, 도 14 (b)는 c 접점 용융 스위치의 동작 후 모습이다.
도 14는 도 6의 홀드부(330) 또는 도 11의 홀드부(530)를 한 쌍의 독립된 고정전극 단자로 대체한 것이다. 이 때 대체된 고정전극 단자와 이동전극 사이에도 전도성 접합물질이 필요하다.
도 14의 용융 스위치는, 이동전극(620)의 이동에 따라 위쪽에 있는 제1 고정전극(611) 및 제 2 고정전극(612)을 개방시키는 동시에 아래쪽에 있는 제3 고정전극(613) 및 제4 고정전극(614)을 단락시키므로, 도 4 (a)의 스위치와 같은 기능을 할 수 있다
도14의 이동전극(620)은 도 6, 도 11과 마찬가지로 이동전극에 가해지는 중력 또는 이송력(이송력 발생 수단이 구비된 경우) 방향과 수직으로 위치하는 고정전극 접촉부위에 이동되어 접촉하게 된다.
이동전극(620)의 내부에는 발열체(621)가 존재한다. 도 14의 발열체(621)는 절연된 열선이다. 발열체 전력공급선(622)은 발열체로 전력을 공급하는 역할을 한다.
스프링(638)과 스프링 하우징(639)는 이송력 발생수단을 구성한다.
도 14의 이송력 발생수단은 스프링(638)의 탄성력에 의해 이송력을 발생시킨다.
전달링크(635)는 스프링에 의한 이송력을 이동전극(620)에 전달하는 역할을 한다. 전달링크(635)는 이동전극(620)에 부착되어 있는 것이 바람직하다.
도 14의 이송력 발생수단은 이송력을 발생시키지만, 이동전극(620)이 전도성 접합 물질(620a)에 의해 제1 고정전극(611) 및 제2 고정전극(612)에 고정되어 있으므로, 이동전극(620)은 움직일 수 없다.
도 14의 스위치의 동작시에는, 발열체 전력공급선(622)을 통하여 발열체(621)로 전력을 공급하면 이동전극(620)에 접촉하고 있는 전도성 접합 물질(620a)을 녹이게 된다. 그 결과, 이송력 발생수단의 이송력에 의해 이동전극(620)은 아래로 이동하게 되고, 이동전극(620)은 제3 고정전극(611) 및 제4 고정전극(612)과 전도성 접합 물질(620a)을 통해 용용결합하게 된다.
만약 고정전극과 이동전극간의 용융결합이 단지 이동전극의 하중에 의한 압력에 의해서만 이루어지면, 용융결합을 위한 접촉압력이 약해지고, 중력에 의한 방향성으로 인하여 설치방향이 제한되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 이동전극의 이동을 이동전극의 하중에만 의존하지 않고 이송을 위한 이송력 발생수단을 별도로 구비할 수 있다.
도 14는 c 접점 용융 스위치의 이송력 발생수단을 압축 스프링으로 한 모습이다.
물론 양방향의 이송력 발생 수단인 모터, 전자석을 상기 압축 스프링을 대체하여 사용할 수 있음은 물론이다.
상기 실시예들의 도면에서 발열체는 이동전극에만 매립하였지만, 전도성 접합 물질을 보다 빨리 용융시키고, 용융스위치의 동작시간을 단축시키기 위해, 이동전극과 고정전극 모두에 발열체를 매립할 수도 있다.
도 15는 c 접점 용융 스위치의 제1실시예에서 이동전극과 고정전극 모두에 발열체가 매립되는 경우의 이동전극과 고정전극의 사시도이다. 도 15 (a)는 c 접점 용융 스위치의 동작 전 모습이고, 도 15 (b)는 c 접점 용융 스위치의 동작 후 모습이다.
도 15의 이동전극(620)에도 발열체 삽입을 위한 다수의 구멍이 형성되어 있고, 4개의 고정전극(611, 612, 613, 614)에도 발열체 삽입을 위한 다수의 구멍이 형성되어 있다.
상기 이동전극이 용융분리 및 용융결합시 가해지는 분리력과 접촉력(접촉 압력)은 상기 이송력 발생부에서 발생한 힘에 의해 결정된다. 여기서, 접촉력(접촉 압력)이 높은 상태에서 이동전극이 고정전극에 용융결합되면 상대적으로 도통저항을 줄일 수 있는 효과가 있다.
상기 이송력 발생수단은 전달링크를 더 포함하여 이송력 발생수단에서 발생한 힘을 전달링크를 통해 이동전극에 전달할 수 있다.
상기 전달링크는 이동전극의 이동방향으로 두 고정전극 사이를 가로질려 이동하는 구조로 구성되어, 유동성이 있는 용융된 전도성 접합 물질로 인하여 두 고정전극이 단락되는 것을 막아주는 칸막이(partition) 기능을 제공할 수 있다. 여기서 칸막이는 평판 형상으로 된 것이 바람직하다.
또한 상기 용융된 전도성 접합물질의 양을 적절히 조절하기 위해 용융스위치의 하우징 벽면에 배출 유로를 더 둘 수 있다.
본 발명의 전달링크는 상기 실시예에 한정하지 않고 이송력 발생수단, 고정전극, 이동전극 및 용융스위치의 형상과 구조에 따라 다양한 형상으로 이루어지는 것은 물론이다.
또한, 이동전극이 이동할 때 정확하게 이동할 수 있도록 가이드 홈을 설치할 수도 있다.
도 16은 c 접점 용융 스위치에 가이드 홈이 설치된 모습이다.
도 16에서 용융 스위치 하우징(670)에 가이드 홈(671)이 형성되어 있고, 그 가이드 홈(671)을 따라 칸막이(636)가 위 아래로 이동할 수 있다. 칸막이(636)에 결합된 이동전극(620)은 칸막이(636)와 함께 위 아래로 이동하면서, 위쪽의 제1 고정전극(611) 및 제 2 고정전극(612)에 결합하거나 아래쪽의 제3 고정전극(613) 및 제 4 고정전극(614)에 결합한다.
용융 스위치가 실제 제품으로 만들어 진 경우에, 반드시 외부로 노출되는 고정전극, 전력공급선 외에는 용융 스위치 하우징에 의해 밀폐되는 것이 바람직하다.
도 17은 c 접점 용융 스위치가 용용 스위치 하우징에 의해 밀폐된 모습이다.
도 17에서, c 접점 용융 스위치가 용용 스위치 하우징(670)에 의해 밀폐되고, 4개의 고정전극(611, 612, 613, 614), 전력 공급선(표시 생략)만이 외부로 노출된다.
도 6, 도 8, 도 9, 도 11 내지 도 14의 사각형(점선으로 표시된 사각형)은 하우징(680)을 개념적으로 표시한 것이다. 즉 도 6, 도 8, 도 9, 도 11 내지 도 14의 사각형은 하우징(680)에 해당하는 것으로서, 2개의 고정전극의 일부만 하우징(680)의 외부로 노출된다.
도 18은 c 접점 용융 스위치의 변형실시예이다.
도 18의 실시예는 절연 지지 부재(740)를 이용하여 도 4 (b)의 c 접점 용융 스위치를 구현한다.
제1 고정전극(711)과 제2 고정전극(712)이 고정된 위치에 존재하고 이동전극(720)이 그 사이에 존재한다. 이동전극(720)이 제1고정전극(711)과 결합하면, 이동전극(720)과 제1고정전극(711)이 전기적으로 연결된다. 이동전극(720)이 제2고정전극(712)과 결합하면, 이동전극(720)과 제2고정전극(712)이 전기적으로 연결된다.
이동전극(720)은 위 또는 아래로 움직일 수 있으면서도 전기선로와 연결될 수 있어야 하므로, 연선(stranded cable)과 연결되거나 약간의 탄성력이 있는 전극이어야 한다.
절연 지지 부재(740)는 납땜용 플럭스나 스티로폼과 같이 열에 약하면서도 지속적인 지지력을 갖는 재질로 이루어져야 한다. 즉 절연 지지 부재는 절연 지지 부재에 접하는 전극보다 녹는점이 낮아야 한다.
압축 스프링(738)은 이동전극(720)을 위로 이동시키는 이송력을 발생시키지만, 절연 지지 부재(740)가 이동전극(720)의 이동을 막고 있고, 이동전극(720)은 전도성 접합 물질(720a)을 통해 제2고정전극(712)과 결합되어 있으므로, 이동전극(720)은 제2고정전극(712)과의 전기적 결합을 유지한다.
그런데 발열체(721)가 열을 발생시키면 절연 지지 부재(740)와 전도성 접합 물질(720a)를 녹이게 되므로, 이동전극(720)은 위로 이동하여 제1 고정전극(711)과 결합하게 된다. 발열체의 발열이 중단되어 이동전극(720)이 냉각되면, 이동전극(720)과 제1 고정전극(711)은 전도성 접합 물질(720a)을 통해 용융결합하게 되므로, 이동전극(720)은 고정전극(711)과의 전기적 결합을 유지하게 된다.
만일 도 18의 용융 스위치에서, '절연 지지 부재와 제1고정전극의 사이' 또는 '절연 지지 부재와 이동전극의 사이'에 전기 절연재(부도체)를 위치시킨다면, '절연 지지 부재'를 전기가 통하는 '지지 부재'로 변경할 수도 있다.
상기 지지 부재는 퓨즈 와이어 등의 다른 지지 수단으로 대체될 수 있다.
상기 압축 스프링(738)은 다른 이송력 발생수단으로 대체될 수 있다.
도 8의 절연 지지 부재(340), 도 9의 퓨즈와이어(fuse wire)(350), 도 12의 퓨즈와이어(fuse wire)(550), 도 18의 절연 지지 부재(740) 등은 이동전극의 이송력을 억제하는 이송 억제 수단의 일종이며, 이송 억제 수단은 그 외에 다양한 방법은 구현될 수 있다. 예를 들어 이동전극 이동방향의 수직방향으로만 이동가능한 어떤 돌출부가 이동전극의 측면에 끼워져 있어서 이동을 금지하고 있다가 그 돌출부를 이동전극의 측면에서 빼내는 방향으로 이동하면 이동전극의 이동이 허용되는 것이다. 이러한 이송 억제 수단은 a 접점 스위치, b 접점 스위치, c 접점 스위치 모두에 사용될 수 있다.
2개의 전극이 전도성 접합 물질을 통해 용융결합될 때 전도성 접합 물질이 흘러내릴 수 있다.
도 19는 전도성 접합물질이 흘러내리는 모습이다.
도 19 (a)는 위쪽 전극(10)과 아래쪽 전극(20)이 용융결합하기 전 모습이고, 도 19 (b)는 위쪽 전극(10)과 아래쪽 전극(20)이 용융결합한 후의 모습이다.
여기서 위쪽과 아래쪽은 중력의 방향에 의해 결정된다. 즉 중력이 작용하는 방향이 아래쪽이다.
위쪽 전극(10)과 아래쪽 전극(20) 사이의 간격이 좁아지면 용융된 전도성 접합 물질(20a)은 압력에 의해 옆으로 밀려나오게 되고 밀려 나온 전도성 접합 물질(20a)은 중력에 의해 아래로 흘러내리게 된다.
또한 도 19 (a)의 위쪽 전극(10)과 아래쪽 전극(20)이 기울어진 상태에서 전도성 접합 물질(20a)이 녹게 되면, 전도성 접합 물질(20a)이 옆으로 흘러내릴 수도 있다. 이것은 전도성 접합 물질(20a)이 전극에 도금(plating) 또는 코팅(coating)되어 있는 경우에도 마찬가지이다.
만일 아래쪽(중력이 작용하는 방향)에 위치하는 전극에 홈을 설치하면 용융된 전도성 접합 물질이 옆으로 흘러내리는 것을 최소화할 수 있다
홈의 위치는 아래쪽 전극의 용융결합 부분의 테두리를 따라 형성되는 것이 바람직하다.
도 20은 아래쪽 전극에 홈을 형성한 실시예이다.
도 20 (a)는 위쪽 전극(10)과 아래쪽 전극(20)이 용융결합하기 전 모습이고, 도 20 (b)는 위쪽 전극(10)과 아래쪽 전극(20)이 용융결합한 후의 모습이다.
도 20의 아래쪽 전극(20)에는 용융결합 부분의 테두리를 따라 홈(21)이 형성되어 있다.
도 20 (b)에서 전도성 접합 물질(20a)은 홈(21)에 모이게 되므로, 외부로 흘러 넘치지 않거나 흘러넘치는 양을 최소화할 수 있다.
도 21은 홈이 형성된 아래쪽 전극의 사시도의 예이다.
용융된 전도성 접합 물질이 옆으로 흘러내리는 것을 막기 위해 아래쪽(중력이 작용하는 방향)에 위치하는 전극에 오목부를 설치할 수도 있다.
도 22는 오목부가 형성된 실시예 1의 모습이다.
도 22 (a)는 2개의 전극이 접촉하기 전의 모습이고, 도 22 (b)는 2개의 전극이 접촉한 후의 모습이다.
아래쪽 전극(20)에는 오목부(25)가 형성되어 있어서 전도성 접합 물질(20a)를 수용한다.
위쪽 전극(10)에는 볼록부(15)가 형성되어 있고 그 형상은 아래쪽 전극(20)의 오목부(25)와 대응하는 형상으로 이루어져 있어서, 위쪽 전극(10)의 볼록부(15)는 아래쪽 전극(20)의 오목부(25)와 밀착할 수 있다.
도 23는 오목부 형성된 실시예 2의 모습이다.
도 23 (a)는 2개의 전극이 접촉하기 전의 모습이고, 도 23 (b)는 2개의 전극이 접촉한 후의 모습이다.
아래쪽 전극(20)에는 오목부(25)가 형성되어 있어서 전도성 접합 물질(20a)를 수용한다.
위쪽 전극(10)에는 볼록부(15)가 형성되어 있고 그 형상은 아래쪽 전극(20)의 오목부(25)와 대응하는 형상으로 이루어져 있어서, 위쪽 전극(10)의 볼록부(15)는 아래쪽 전극(20)의 오목부(25)와 밀착할 수 있다.
도 22에서는 아래쪽 전극의 오목부와 위쪽 전극의 볼록부가 다면체 형태로 되어 있으나, 도 23에서는 아래쪽 전극의 오목부와 위쪽 전극의 볼록부가 곡면으로 된 점에서 차이가 있다.
도 22와 도 23의 실시에서는 오목부와 볼록부의 형상 및 크기가 거의 일치하도록 하였으나, 만일 볼록부의 크기를 오목부보다 조금 작게하거나 볼록부의 형상을 일부 깎아낸 형상으로 만들어서, 내부에 빈 공간이 생기도록 하면, 용융된 전도성 접합 물질이 그 빈 공간에 위치할 수 있게 되므로, 옆으로 밀려 나오는 것을 막는데 더 유리하다.
또한 오목부의 깊이를 깊게 하면 용융 스위치가 기울어져 있어도 용융된 전도성 접합 물질(20a)이 옆으로 흘러내리지 않는 장점이 있다.
도 24는 오목부가 형성된 실시예 3의 모습이다.
도 24 (a)는 2개의 전극이 접촉하기 전의 모습이고, 도 24 (b)는 2개의 전극이 접촉한 후의 모습이고, 도 24 (c)는 2개의 전극이 접촉하기 전 기울어져 있는 모습이다.
아래쪽 전극에 오목부가 형성되어 있으면, 용융 스위치가 여러번 반복해서 작동하더라도 전도성 접합 물질이 의부로 유출되지 않으므로 전도성 접합 물질의 손실이 최소화 되어, 반복적인 용융 스위치를 만드는데 유리하다.
오목부의 모양, 크기 깊이는 필요에 따라 다양하게 변형할 수 있다.
그런데, 단1회의 스위치 동작이 아니라 용융 스위치가 반복적으로 스위치 동작을 할 수 있으려면, 반복적으로 용융결합과 용융분리 수행에 요구되는 전도성 접합물질이 지속적으로 제공되어야 하고, 또한 이송력 발생수단은 당연히 한 쪽 방향이 아니라 양쪽 방향으로 이송력을 발생시킬 수 있는 것이어야 한다. 양쪽방향으로 이송력을 발송시킬 수 있는 대표적인 수단의 예로는 모터가 있다. 이동전극은모터 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 이송나사(feed screw)에 결합되어 양쪽방향으로 이송력을 전달 받는다.
도 25는 반복형 용융 스위치의 실시예이다.
도 25 (a)는 반복형 용융 스위치의 개방시의 모습이고, 도 25 (b)는 반복형 용융 스위치의 단락시의 모습이다.
이격된 2개의 고정전극(811, 812)의 아래쪽에는 이동전극(820)이 존재한다. 이동전극(820)은 모터(850)의 회전토크에 의해 위아래로 이동할 수 있다.
모터에는 이송나사(851)가 연결되어 있고, 전달링크(852)에는 이송나사(851)에 대응하는 형상의 나사산이 형성되어 있어서, 모터가 회전함에 따라 전달링크(852)를 위 아래로 이동시킨다.
전달링크(852)는 이동전극(820)과 결합되어 있다.
여기서 상기 이동전극(820)의 이송위치는 모터(850)에 의해 제어를 할 수 있으므로 이동전극을 충분히 예열한 후 고정전극에 접촉하여 용융결합을 할 수 있다.
도 25 (a)와 같이, 이동전극(820)이 2개의 고정전극(811, 812)과 이격되어 있으면 2개의 고정전극(811, 812)은 전기적으로 분리된다. 도 25 (b)와 같이, 이동전극(820)이 2개의 고정전극(811, 812)과 결합되어 있으면 2개의 고정전극(811, 812)은 전기적으로 연결된다.
도 26은 도 25의 반복형 용융 스위치의 사시도이다.
도 27은 도 25의 반복형 용융 스위치의 이동전극의 사시도이다.
이동전극(820)의 상부에는 2개의 오목부(825)가 형성되어 있어서, 전도성 접합 물질이 위치할 수 있다. 이동전극(820)의 하부에는 발열체를 삽입하기 위한 다수의 구멍이 형성되어 있다.
그리고 본 발명의 용융스위치는 용융분리 및 용융결합시에 도통전류에 의한 아크 발생을 억제하기 위한 아크방지 수단을 구비하는 것이 더 바람직하다.
도 28은 용융스위치의 아크방지 장치의 구성도이다.
용융 스위치 구동부는 용용 스위치를 구동하는 장치이다. 용융 스위치 구동부는 기본적으로 발열체에 전력공급과 전력차단 기능을 제공하는 발열체 전력공급부와 모터를 구동하여 이동전극을 이동시키기 위한 이송제어부로 구성될 수 있다.
반도체 스위치(예를 들면, Transistor, Mosfet, IGBT ,SCR, Triac 등)는 용융 스위치에 병렬로 연결된다.
반도체 스위치 구동부는 반도체 스위치를 구동하는 장치이다.
용융 스위치가 용융분리하기 직전에 반도체 스위치를 먼저 온(on)시키고, 용융분리가 끝난 후에는 반도체 스위치를 오프(off)시켜 아크발생을 억제시킬 수 있다.
즉, 용융분리 동안에는 반도체 스위치가 도통전류의 경로를 제공하고, 용융분리가 끝난 후에 는 반도체 스위치에 의한 도통전류의 흐름을 차단하는 것이다.
또한 반도체 스위치의 도통 시간을 최소화하기 위해 용융 스위치의 전류가 끊어지기 직전에 반도체 스위치를 온 시키는 것이 더 바람직하다.
여기서 반도체 스위치의 도통 시간을 최소화하기 위해 반도체 스위치 구동부는 용융스위치에 흐르는 전류검출 수단을 포함하여, 용융스위치에 흐르는 전류값이 목표값에 도달했는지를 전류가 목표값이 도달했으면 용융분리 또는 용융결합이 완료된 것으로 인식하여 반도체 스위치를 오프시킬 수 있다.(전류의 목표값은 용융스위치를 개방시킬 때는 0 이고, 스위치를 단락시킬 때는 스위치 단락시의 전류값이 전류의 목표값이 된다.)
또한 상기 전류검출 수단 대신에 상기 이동전극의 위치 검출 수단에 의해 용융분리 완료 상태를 판단할 수 있다.
여기서, 상기 이동전극 위치 검출 수단은 다양한 방법으로 구현이 가능하다.
그 예로는, 이동전극의 이송 완료 위치에서 이동전극에 접촉되어 동작되는 마이크로 스위치를 이용하는 방법이다.
또한 반도체 스위치의 도통 시간을 최소화하기 위해 용융스위치의 용융분리 및 용융결합의 실제 소요되는 시간을 기초로 반도체 스위치의 온/오프 시점을 정할 수도 있다.
반도체 스위치의 도통 시간을 최소화하기 위해 용융 스위치의 전류가 끊어지기 직전에 반도체 스위치를 온 시키는 것이 바람직한데, 이것은 용융스위치의 발열체에 전기를 공급한 시간으로부터 추정하여 할 수 있다. 예를 들어 상온에서 발열체에 전기를 공급한 후 약 10초 후에 전도성 접합 물질이 녹기 시작한다면, 약 10초 경에 용융이 시작되었다고 추정하여 9초 경에 반도체 스위치를 온 시킬 수 있다. 만일 온도 센서를 이용하여 용융 스위치의 온도를 알면 전도성 접합 물질이 녹는 온도를 더 정확히 추정할 수 있다.
도 29는 용융스위치의 아크방지 방법의 순서도의 예이다.
먼저 용융스위치 작동이 시작되면, S10단계에서, 반도체 스위치 온 명령이 내려진다.
S20단계에서, 용융스위치 작동 개시 명령이 내려진다. 용융스위치 작동개시 명령은, 발열체에 내려지는 전력공급 명령과 이동전극의 이송력 발생 명령을 포함한다.
S30단계에서는 용융분리 또는 용융결합 완료 여부를 확인하는 단계로 용융스위치에 흐르는 전류값이 목표값에 도달했는지를 전류가 목표값이 도달했으면 다음 단계로 넘어간다.{전류의 목표값은, 용융스위치를 개방시킬(용융분리) 때는 0 이고, 스위치를 단락시킬(용융결합) 때는 스위치 단락시의 전류값이다.}
S40단계에서는 반도체 스위치의 오프명령을 내린다.
S50단계에서는 이동전극 이송이 완료되었는지를 판단하고, 이동전극 이송이 완료되면 다음 단계로 넘어간다.
이동전극 이송이 완료되었는지를 판단하는 방법의 예로는, 전류가 목표값이 도달한 후 소정의 시간(예를 들면, 3초)이 경과 되거나 또는 이동전극 위치검출과 모터 구동전류로 이동전극 이송이 완료되었다고 판단하는 것이다.
S60단계에서는 발열체에 전력공급을 차단시키는 명령을 내린다.
위의 단계를 모두 완료하면 용융 스위치의 동작이 완료된다.
도 29에서는 반도체 스위치 온 명령을 내린 후 용융 스위치의 작동 개시 명령을 내렸으나, 반도체 스위치의 도통 시간을 최소화하기 위해 용융스위치의 작동 개시 명령을 내린 후 소정 시간 후에 반도체 스위치 온 명령을 내릴 수도 있다.
또한 용융 스위치에 흐르는 전류값에 도달하면, 용융분리가 완료된 것으로 판단하여, 반도체 스위치의 오프 명령, 발열체 동작 종료 명령(발열체 전력공급 차단 명령)을 동시에 내릴 수도 있다.
위에서 설명한 용융 스위치들은 '스위치에 필연적으로 존재하는 2개의 고정전극과 이동전극 사이를 전도성 접합 물질로 용융결합하여 도통저항을 줄여주는 것'을 특징으로 갖고 있으며, 그 용융 스위치는 다양하게 변형되어 실시될 수 있다.
앞에서의 실시예들에서는, 전도성 접합 물질은 고정전극과 이동전극에 미리 도금(plating) 또는 코팅(coating)하는 방식으로 제공하였다. 그러나 충분한 양의 전도성 접합 물질을 제공하기 위해, 비용융 상태의 전도성 접합 물질을 고정전극과 이동전극 사이에 추가로 더 둘 수도 있다. 예를 들어, 열에 약한 절연 지지 부재와 결합한 형태로 고정전극 또는 이동전극에 부착하거나 솔더링 촉매체(예: 플럭스-금속 산화피막 방지제)에 절연 코팅되어 고정전극 또는 이동전극에 부작하는 것이다.
본 발명의 용융 스위치는 발열체가 필수적으로 필요하지만, 2개의 고정전극 사이에 흐르게 되는 전류량이 충분한 경우, a 접점 용융스위치는 발열체를 생략할 수도 있다.
도 30은 도 9의 실시예에서 발열체(321)를 제거한 용융 스위치이다.
도 30 (a)는 용융 스위치의 동작 전 모습이고, 도 30 (b)는 용융 스위치의 동작 후 모습이다.
스위치 동작시에는 퓨즈와이어(350)에 전류가 공급되고, 퓨즈와이어(fuse wire)는 녹아 끓어지게 되어 상기 구속된 압축된 스프링(338)의 탄성력이 전달링크(335)을 통해 상기 이동전극(320)에 전달된다.
이동전극(320)이 2개의 고정전극(311, 312)에 닿게 되고, 2개의 고정전극 사이에 흐르게 되는 전류량이 충분하다면, 주울열에 의해 전도성 접합 물질(320a)을 녹이게 되고, 전도성 접합 물질(320a)이 녹은 후에는 저항이 줄어들어 전도성 접합 물질(320a)이 응고 되면서 이동전극(320)이 2개의 고정전극(311, 312)과 용융결합되게 된다. 그 결과 2개의 고정전극(311, 312)은 전기적으로 연결된다.
이것을 다시 설명하면, 2개의 고정전극(311, 312) 양단에 도통전류를 흐르게 하는 개방전압이 걸린 상태에서 이동전극(320)이 2개의 고정전극(311, 312)에 접촉하는 방향으로 이동하여 2개의 고정전극에 접촉하게 되면, 이동전극(320)과 전도성 접합물질(320a)을 경유하여 2개의 고정전극(311, 312) 사이에 도통전류가 흐르게 되고 그 도통전류의 주울열에 의해 전도성 접합물질이 용융된 후 2개의 고정전극 사이에 도통저항이 작아지면 전도성 접합물질이 응고된다. 그 결과 2개의 고정전극(311, 312)은 전기적으로 연결된다.
이것을 간단하게 설명하면, 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 접촉할 때 상기 전도성 접합 물질은 이동전극과 2개의 고정전극 사이에 흐르는 전류의 주울열에 의해 용융결합된다.
상기 실시예들에서 고정전극(stationary electrode)들은 모두 균일한 두께를 갖는 것으로 도면에 표시되어 있으나, 고정전극 단자(stationary electrode side terminals)의 온도상승을 최소화와 동작시간을 단축하기 위해 필요에 따라 고정전극의 접점부위(contacts)와 전극단자(electrode terminals)의 두께를 달리하여 열용량을 다르게 할 수 있다.
도 31은 고정전극의 두께가 변경된 모습이다. 도 31 (a)는 고정전극의 두께가 변경된 실시예 1이고, 도 31 (b)는 고정전극의 두께가 변경된 실시예 2이고, 도 31 (c)는 고정전극의 두께가 변경된 실시예 3이다.
도 31 (a)에서는, 2개의 고정전극(911, 912)가 전도성 접합 물질(920a)에 의해 이동전극(920)과 결합되는데, 2개의 고정전극 중 이동전극(920)과 접촉하는 부분의 두께가 얇게 형성되어 있다.
2개의 고정전극 중 이동전극(920)과 접촉하는 부분의 두께가 얇게 형성되어 있으면, 열용량이 고정전극의 두꺼운 전극단자(electrode terminals) 보다 상대적으로 작아 이동전극(920)의 접점부위(contact)는 빨리 가열될 수 있어 용융결합, 용융분리 동작시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
도 31 (a)와 같이, 두께가 얇아지는 부분 중 A부분이 각지게 되어 있으면, A부분에 전류의 흐름이 집중되어 A부분이 국부적으로 과열될 수 있다.
따라서 도 31 (b) 또는 도 31 (c)와 같이, 두께가 얇아지는 부분에 전류의 흐름이 집중되지 않는 형상으로 각진 모서리가 없도록 처리하는 것이 바람직하다.
상기 실시예들에서 이동전극의 이송은 고정전극에 평행하게 직선이동을 하지만, 다른 방식으로 이동할 수도 있다.
예를 들면 회전이동을 할 수도 있다.
도 32는 회전이동하는 이동전극을 갖는 c 접점 용융 스위치의 예이다.
용융 스위치 하우징(1070)의 내부에는 이동전극 축(1025)을 중심으로 회전할 수 있는 이동전극(1020)이 존재한다.
이동전극(1020)은 제1 고정전극(1011) 및 제2 고정전극(1012)과 접촉할 수도 있고, 회전이동한 후 제3 고정전극(1013) 및 제4 고정전극(1014)과 접촉할 수도 있다. 이동전극(1020)이 고정전극과 접촉할 경우에는 전도성 접합 물질과 용융결합한다.
이동전극(1020)을 회전시키는 이송력 발생 수단은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들면 비틀림 스프링, 모터 등을 이용하여 회전하는 이송력을 발생시킬 수 있다.
만일 도 32의 실시예에서 제3 고정전극(1013) 및 제4 고정전극(1014)을 제거하면 a접점 용융 스위치 또는 b접점 용융 스위치로서 사용될 수 있다.
본 발명의 용융스위치는 발열체가 자체 구비되어 도통전류와 무관하게 스위치 온/오프 제어가 가능하나, 스위치의 도통 전류가 흐르는 상태에서 용융결합 및 용융분리시에는 접점부위의 접촉저항에 의한 주울열이 발생된다
따라서 발열체에서 발생되는 열과 이동전극이 고정전극에 접촉/분리 과정에서 발생되는 주울열이 더해지면 접점부위의 온도가 빨리 올라가 용융결합 및 용융분리 시간이 단축된다.
본 발명의 용융 스위치를 도 1 내지 도 3의 배터리 제어장치의 스위치로 사용할 때, 높은 주울열을 발생시키기 위해선 상기 접촉/분리 과정에서 접점부위의 접촉저항이 커야 한다. 왜냐 하면, 1개의 용융 스위치의 저항값은 매우 작아서 전류의 양은 거의 일정하다고 가정할 수 있고, 정전류의 경우 저항값이 클수록 주울열이 커지기 때문이다.
상기 접촉저항은 접촉하는 전극의 접촉압력이 클수록 작아지므로, 이송력발생 수단에 의해 발생되는 이송력을 조절하여 접촉압력을 제어함으로써 접촉저항의 크기를 제어할 수 있다.
또한 접촉저항은 접촉면적이 클수록 작아지므로, 접촉되는 전도성 접합물질의 표면의 일부 또는 전부에 요철을 형성하여 접촉면적을 줄임으로써 접촉저항을 높일수 있다.
도 33은 접촉하는 전도성 접합 물질의 일부에 요철을 형성한 모습의 예이다.
도 34는 도 33에서 요철이 형성된 전도성 접합 물질의 평면도이다.
도 34에서 전도성 접합물질의 표면에는 다수의 오목부가 규칙적인 간격으로 형성되어 있다.
또한 요구되는 용융결합 온도까지 접점부위가 충분히 가열되도록 소정의 시간동안 이동전극의 접촉압력(밀착력)을 작게 하여 높은 주울열을 발생시키는 단계와 접촉압력을 크게 하여 이동전극을 고정전극에 밀착시키는 단계로 나누어 제어할 수 있다.
또한 용융결합시 고정전극 단자의 온도상승을 최소화하고 동작시간을 단축시키기위해 이동전극은 고정전극에 접촉하기 전에 소정의 시간동안 미리 충분히 높은 온도로 발열체에 의해 예열(preheating)된 상태가 되어야한다.
따라서 상기 이동전극의 접촉압력 제어와 이동전극 예열을 위해 이송력발생 수단에 의한 이동전극의 이송제어가 요구된다.
여기서 이송력 발생수단은 도 25의 실시예와 같이 이송나사(851,모터의 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 변환장치)로 구성되는 모터의 샤프트에 이동전극을 결합하여 모터의 회전운동을 직선운동으로 변화시키고, 모터 회전토크을 제어하므로써 (양쪽방향의) 이송력에 의한 접촉압력과 이동전극의 이송위치를 제어할 수 있다.
여기서 이동전극을 양방향으로 이송하고, 이동전극의 이송위치 검출을 위해 상기 모터는 스텝 모터로 대체될 수 있다
즉 스텝 모터는 1 펄스당 1 스텝각으로 회전하므로 이송위치 검출 수단을 부가적으로 구비하지 않고 스텝 모터의 구동 펄스 수로 이동전극의 위치를 검출할 수 있다.
발열체가 이동전극에만 설치한 경우, 용융분리시 용융결합된 접점부위(contacts)의 열저항이 높아야 이동전극에서 전달되는 열이 접점부위(contacts)에 집중되어 가열시간이 단축되고, 고정전극 단자(stationary electrode side terminals)에 전달되는 열이 감소하여 고정전극 단자의 온도상승을 최소화할 수 있다.
전도성 접합물질은 고정전극(예: 구리)보다 열저항이 높으므로, 접점부위의 열저항을 높이기 위해서는 전도성 접합 물질의 두께가 두꺼운 것이 바람직하다. 그러나 용융결합 수행시 이동전극의 밀착압력으로 인하여 전도성 접합물질의 양은 조절되기가 어렵다. 이를 해결하기 위해 접점부위의 전극 표면에 요철을 형성하면 밀착압력에도 상기 요철의 공간만큼 전도성 접합물질 양은 유지될 수 있어 열저항은 높아진다.
도 35는 전극 표면에 요철을 형성한 예이다.
도 35는 이동전극(1220)과 2개의 고정전극(1211, 1212)을 전도성 접합물질(1220a)를 통해 용융결합하는 용융 스위치에 있어서, 이동전극(1220)의 표면 중전도성 접합물질을 통해 결합하는 표면에 요철을 형성한 모습이다.
상기 실시예들에서 용융스위치의 발열체는 이동전극 내부에 매립되는 것이었지만, 이동전극의 접점면(contact surface)을 제외한 이동전극의 외부 표면 및 내부에 발열체를 부착할 수 있다.
도 36은 c 접점 용융스위치에서 이동전극의 외부 표면에 발열체를 부착한 실시예이다.
도 36 (a)는 이동전극(1320)이 위쪽의 2개의 고정전극(1311, 1312)와 접촉된 모습이고, 도 36 (b)는 이동전극(1320)이 아래쪽의 2개의 고정전극(1313, 1314)와 접촉된 모습이고, 도 36 (c)는 도 36(a)에서 발열체(1321)가 삭제된 사시도이다.
도 36 (a)에서 보는 바와 같이 이동전극(1320)은 2개의 고정전극(1311,1312)이 이격되는 경계부위에서 분기선로(branch line)를 가지고, 상기 분기선로(1320b)에 발열체(1321)가 설치된다. 상기 분기선로는 열전달 분기부라고 부를 수도 있다.
즉 2개의 고정전극과 접촉되는 이동전극(1320)의 접점(접촉)면(contact surface)을 제외한 분기선로(1320b)에 절연된 열선으로 구성되는 발열체(1321)가 도 36에서 보는 바와 같이 부착된다.
상기 이동전극의 분기선로에 발열체가 설치되면 접점면에 대한 열전달 경로가 좌우 대칭인 구조를 가져 고정전극에 균등한 열전달과 고정전극 단자의 온도상승을 최소화 시킨다.
상기 이동전극의 분기선로는 요구되는 발열체의 크기와 용융스위치의 하우징 형상에 따라 다양한 모양으로 구현이 가능하다.
도 37은 분기선로의 표면적을 증가시키기 위해 도 36의 분기선로 형상을 변형한 실시예이다.
도 37(a)는 분기선로(1320b)를 가지는 이동전극(1320) 실시예의 사시도이다.
도 37(b)는 상기 이동전극(1320)의 분기선로(1320b)에 발열체(1321)의 절연된 열선이 이동전극의 이송방향으로 부착되어 있는 것을 보여주는 평면도이다.
도 37(c)는 분기선로를 가지는 이동전극의 다른 실시예의 사시도이다.
도 37(d)는 상기 이동전극의 분기선로에 발열체의 절연된 열선이 이동전극의 이송방향과 수직으로 부착되어 있는 것을 보여주는 평면도이다.
상기 분기선로를 포함하는 이동전극은 균일한 두께를 가지는 구리판재(copper sheet/plate)를 사용하여 쉽게 만들 수 있다.
도 38는 발열체의 열선이 부착되는 이동전극의 비접점 표면(non-contact surface)을 증가시키기 위한 이동전극의 분기선로 형상의 또 다른 실시예이다.
발열량에 따른 요구되는 열선의 길이가 길거나 또는 발열체의 부피가 큰 경우에는 이에 대응하는 이동전극의 비접점 표면도 충분히 커야한다.
도 38에서 보는 바와 같이 2개의 고정전극(1411,1412)이 분리되는 경계부위에서 이동전극(1420)은 이격공간을 직선으로 연결하는 직선경로와 우회연결하는 우회경로를 가지는(삼각형의) 닫힌 루프(1420d, closed loop)형상을 가진다.
도 38(a)는 이동전극이(1420) 삼각형의 닫힌 루프(1420d)를 갖는 b 접점 용융스위치의 실시예이다.
도 38(b)는 이동전극이(1420) 삼각형의 닫힌 루프(1420d)를 갖는 a 접점 용융스위치이고, 이동전극(1420)은 고정전극(1411,1412)과 절연 지지 부재(1420c)에 의해 절연된다. 여기서 상기 절연 지지 부재(1420c)대신에 도 9의 실시예와 같이퓨즈와이어(350)를 사용하여 a 접점 용융스위치를 구성할 수 있음은 물론이다.
상기 닫힌 루프 형상은 상기 비접점 표면을 충분히 제공하면서 동시에 이동전극의 전기저항을 최소화하는 기능을 제공할 수 있다.
상기 닫힌 루프는 삼각형, 원형, 사각형 등의 다양한 형상을 가질수 있다.
상기 닫힌 루프에 발열체가 설치되면 접점부위에 대한 열전달 경로가 좌우 대칭인 구조를 가져 고정전극의 접점부위에 균등한 열전달과 고정전극 단자의 온도상승을 최소화 시킨다.
상기 닫힌 루프 형상을 갖는 이동전극은, 균일한 두께를 가지는 구리막대(copper bar)로 쉽게 가공할 수 있다는 장점을 가진다.
또한 닫힌 루프의 직선경로는 상기 구리 막대의 접합면을 용접(아크, 플라즈마, 레이저, 전기저항 등) 또는 볼트 너트 체결에 의하여 이루어질 수 있다
상기 실시예에서는 고정전극이 서로 마주보는 위치였지만, 서로 평행하게 위치할 수도 있다.
도 39는 발열체의 절연된 열선이 다수의 구멍(1521a)이 형성되어 있는 이동전극(1520) 내부에 매립되고, 고정전극(1511,1512,1513,1514)이 평행하게 위치하는 c 접점 용융 스위치의 실시예이다.
도 40은 이동전극(1620)이 분기선로(1620b)를 가지는 형상이고, 발열체의 절연된 열선(1621)이 분기선로(1620b)에 위치하는 경우의 실시예이다.
도 40 (a)는 실시예의 사시도이고, 도 40 (b)는 이동전극(1620)이 고정전극(1611)에 접촉할 때의 단면도이고, 도 40 (c)는 이동전극(1620)이 고정전극(1613)에 접촉할 때의 단면도이다.
상기 이송력 발생수단(1640)은 용융스위치의 하우징 형상에 따라 다양한 위치에 있을 수 있음은 물론이다.
따라서 본 발명의 용융스위치는 고정전극 및 이동전극의 형상 및 위치에 관계없이 이동전극과 2개의 고정전극의 접점부위가 서로 접촉 및 분리할 수 있도록 이송력 발생수단으로 구성되면 동작되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분기선로(닫힌 루프 포함)의 실시예에서 발열체는 상기 이동전극의 분기선로(닫힌루프 포함)의 표면에만 부착하였지만 동시에 내부에도 매립하여 발열효율을 극대화 시킬수 있다.
도 41은 도체의 표면과 내부에 열선을 동시에 장착하는 실시예이다.
도 41 (a)에서 분기선로(1720b, 1720d)의 도체에 발열체의 열선(1721)이 매립할 수 있는 다수의 구멍(1721a)이 형성되고, 상기 구멍(1721a)에 도 41 (b)와 같이 번호 순서 대로 열선을 번갈아 넣으면(흑색과 백색은 방향이 반대임을 표시함. 예를 들어, 흑색이 들어가는 방향이면 백색은 나오는 방향임), 분기선로의 도체 표면과 내부에 열선(1721)을 균일하게 장착할 수 있다.
따라서 단위 면적당 열선이 도체에 접촉되는 표면적의 증가로 발열효율을 극대화시킬수 있다.
본 발명의 용융스위치는 이동전극 내부, 이동전극의 분기선로 및 닫힌 루프에 발열체가 위치하면 열전달 경로가 2개의 고정전극 접점부위 각각에 대칭이 되어 각각의 접점부위에 균등한 열전달이 가능하다.
또한, 발열체에서 이동전극, 고정전극의 접점부위, 고정전극의 전극단자의 순서로 열이 전달되는 경로가 형성되어 접점부위에 대비한 고정전극의 전극단자의 온도상승을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에서 용융결합시 고정전극 단자의 온도상승을 최소화기 위해 이동전극은 고정전극에 접촉하기 전에 발열체에 의해 미리 충분히 높은 온도로 예열할 수 있다.
본 발명의 용융 스위치는 전기 자동차의 배터리 제어장치나 에너지저장장치(ESS) 등에도 사용될 수 있지만, 그 외에도 대전력 스위치를 포함한 다양한 분야에 응용될 수 있다. 즉 대용량의 전류를 제어하는 스위치를 포함하는 장치가 필요하다면 어떠한 분야에도 응용될 수 있다.

Claims (36)

  1. 다수의 기본 배터리 셀과 1개 이상의 교체용 배터리 셀을 직렬로 연결한 배터리의 제어장치에 있어서,
    상기 각각의 기본 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제1형 스위치;
    상기 제1형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제2형 스위치;
    상기 각각의 교체용 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제2형 스위치;
    상기 제2형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제1형 스위치;
    각각의 배터리 셀의 상태를 측정하는 센싱부;
    상기 스위치들의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제1형 스위치는 최초 단락 상태에서 개방 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고,
    상기 제2형 스위치는 최초 개방 상태에서 단락 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고,
    상기 제어부는, 센싱부의 입력으로부터 기본 배터리 중 고장난 배터리 셀을 감지하면, 고장난 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 고장난 배터리 셀의 연결을 전기 흐름 선로에서 배제하고, 교체용 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 전기 흐름 선로에 포함되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 제어장치.
  2. 다수의 기본 배터리 셀과 1개 이상의 교체용 배터리 셀을 직렬로 연결한 배터리 모듈이 병렬로 연결된 배터리의 배터리 제어장치에 있어서,
    상기 각각의 기본 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제1형 스위치;
    상기 제1형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제2형 스위치;
    상기 각각의 교체용 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제2형 스위치;
    상기 제2형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제1형 스위치;
    상기 각각의 배터리 모듈에 직렬로 연결된 모듈 스위치;
    각각의 배터리 셀의 상태를 측정하는 센싱부;
    상기 스위치들의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제1형 스위치는 최초 단락 상태에서 개방 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고,
    상기 제2형 스위치는 최초 개방 상태에서 단락 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고,
    상기 제어부는, 센싱부의 입력으로부터 기본 배터리 중 고장난 배터리 셀을 감지하면, 고장난 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 고장난 기본 배터리 셀의 연결을 전기 흐름 선로에서 배제하고, 고장난 배터리 셀이 있는 배터리 모듈 중에서 선택된 교체용 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 전기 흐름 선로에 포함되도록 제어하고, 해당 배터리 모듈에서 상기 교체를 위한 스위치 제어가 시작되기 전에는 해당 배터리 모듈의 모듈 스위치를 개방하였다가 상기 교체를 위한 스위치 제어가 종료된 후에 해당 배터리 모듈의 모듈 스위치를 단락시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 제어장치.
  3. 다수의 기본 배터리 셀과 1개 이상의 교체용 배터리 셀을 직렬로 연결한 배터 모듈의 배터리 제어장치의 제어방법에 있어서,
    배터리 제어장치의 제어부가 센싱부의 입력으로부터 기본배터리 중 고장난 배터리 셀을 감지하는 단계;
    배터리 제어장치의 제어부가 고장난 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 고장난 기본 배터리 셀의 연결을 전기 흐름 선로에서 배제하는 단계;
    배터리 제어장치의 제어부가 교체용 배터리 셀에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 교체용 배터리를 전기 흐름 선로에 포함시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 배터리 제어장치는,
    상기 각각의 기본 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제1형 스위치;
    상기 제1형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제2형 스위치;
    상기 각각의 교체용 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제2형 스위치;
    상기 제2형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제1형 스위치;
    각각의 배터리 셀의 상태를 측정하는 센싱부;
    상기 스위치들의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제1형 스위치는 최초 단락 상태에서 개방 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고,
    상기 제2형 스위치는 최초 개방 상태에서 단락 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치인 것을 특징으로 하는 제어방법.
  4. 다수의 기본 배터리 셀과 1개 이상의 교체용 배터리 셀을 직렬로 연결한 배터리 모듈이 병렬로 연결된 배터리의 배터리 제어장치의 제어방법에 있어서,
    배터리 제어장치의 제어부가 센싱부의 입력으로부터 기본 배터리 중 고장난 배터리 셀을 감지하는 단계;
    배터리 제어장치의 제어부가 고장난 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈의 모듈 스위치를 개방시키는 단계;
    배터리 제어장치의 제어부가 고장난 배터리에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 고장난 기본 배터리의 연결을 전기 흐름 선로에서 배제하는 단계;
    배터리 제어장치의 제어부가 교체용 배터리에 연결된 제1형 스위치와 제2형 스위치를 작동시켜 교체용 배터리를 전기 흐름 선로에 포함시키는 단계;
    배터리 제어장치의 제어부가 고장난 배터리 셀이 포함된 배터리 모듈의 모듈 스위치를 단락시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 배터리 제어장치는,
    상기 각각의 기본 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제1형 스위치;
    상기 제1형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제2형 스위치;
    상기 각각의 교체용 배터리 셀에 직렬로 연결되는 제2형 스위치;
    상기 제2형 스위치가 직렬 연결된 경로에 병렬로 연결되는 제1형 스위치;
    상기 각각의 배터리 모듈에 직렬로 연결된 모듈 스위치;
    각각의 배터리 셀의 상태를 측정하는 센싱부;
    상기 스위치들의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제1형 스위치는 최초 단락 상태에서 개방 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치이고,
    상기 제2형 스위치는 최초 개방 상태에서 단락 상태로 전이되는 동작을 할 수 있는 스위치인 것을 특징으로 하는 제어방법.
  5. 분리되어 있는 2개의 고정전극;
    상기 고정전극에 접촉 또는 분리되는 방향으로 이동할 수 있는 이동전극;
    상기 2개의 고정전극과 이동전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질;
    발열체;를 포함하고,
    상기 전도성 접합 물질의 녹는점은 상기 고정전극의 녹는점과 상기 이동전극의 녹는점보다 낮고,
    상기 이동전극이 2개의 고정전극과 접촉되면 2개의 고정전극이 전기적으로 연결되고, 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 분리되면 2개의 고정전극이 전기적으로 분리되고,
    상기 이동전극이 2개의 고정전극과 접촉할 때 상기 이동전극은 2개의 고정전극과 전도성 접합 물질에 의해 용융결합하게 되고,
    상기 발열체를 통해 가열하면 상기 전도성 접합 물질이 용융되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  6. 분리되어 있는 2개의 고정전극;
    2개의 고정전극에 접촉하는 방향으로 이동할 수 있는 이동전극;
    상기 2개의 고정전극과 이동전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질;
    발열체;를 포함하고,
    상기 전도성 접합 물질의 녹는점은 상기 고정전극의 녹는점과 상기 이동전극의 녹는점보다 낮고,
    상기 발열체의 가열에 의해 상기 전도성 접합 물질이 녹을 수 있고,
    상기 이동전극과 상기 2개의 고정전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질이 발열체의 열에 의해 용융된 후 응고 되면, 상기 이동전극은 2개의 고정전극과 용융결합하게 됨으로써, 상기 2개의 고정전극이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  7. 분리되어 있는 2개의 고정전극;
    2개의 고정전극에서 분리하는 방향으로 이동할 수 있는 이동전극;
    상기 2개의 고정전극과 이동전극 사이에 위치하면서, 상기 2개의 고정전극과 이동전극을 용용결합시키고 있는 전도성 접합물질;
    발열체;를 포함하고,
    상기 전도성 접합 물질의 녹는점은 상기 고정전극의 녹는점과 상기 이동전극의 녹는점보다 낮고,
    상기 발열체의 가열에 의해 상기 전도성 접합 물질이 녹을 수 있고,
    상기 이동전극과 상기 2개의 고정전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질이 발열체의 열에 의해 용융된 후 상기 이동전극이 2개의 고정전극에서 분리되는 방향으로 이동하면, 상기 2개의 고정전극이 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  8. 분리되어 있는 제1 고정전극과 제2 고정전극;
    분리되어 있는 제3 고정전극과 제4 고정전극;
    1개의 이동전극;
    상기 고정전극과 이동전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질;
    발열체;를 포함하고,
    상기 전도성 접합 물질의 녹는점은 상기 고정전극의 녹는점과 상기 이동전극의 녹는점보다 낮고,
    상기 이동전극이 제1 고정전극 및 제2 고정전극과 접촉되면 제1 고정전극과 제2 고정전극이 전기적으로 연결됨과 동시에 제3 고정전극과 제4 고정전극은 전기적으로 분리되고,
    상기 이동전극이 제3고정전극및 제4 고정전극과 접촉되면 제1 고정전극과 제2 고정전극이 전기적으로 분리됨과 동시에 제3 고정전극과 제4 고정전극은 전기적으로 연결되고,
    상기 이동전극이 2개의 고정전극과 접촉될 때 상기 이동전극은 2개의 고정전극과 전도성 접합 물질에 의해 용융결합하게 되고,
    상기 이동전극이 2개의 고정전극과 분리될 때 상기 이동전극은 2개의 고정전극과 전도성 접합 물질에 의해 용융분리하게 되고,
    상기 발열체를 통해 가열하면 상기 전도성 접합 물질이 용융되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  9. 분리되어 있는 2개의 고정전극;
    2개의 고정전극에 접촉하는 방향으로 이동할 수 있는 이동전극;
    상기 2개의 고정전극과 이동전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질;
    를 포함하고,
    상기 전도성 접합 물질의 녹는점은 상기 고정전극의 녹는점과 상기 이동전극의 녹는점보다 낮고,
    상기 이동전극이 2개의 고정전극과 접촉되면 2개의 고정전극이 전기적으로 연결되고, 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 분리되면 2개의 고정전극이 전기적으로 분리되고,
    2개의 고정전극 양단에 도통전류를 흐르게 하는 개방전압이 걸린 상태에서 상기 이동전극이 2개의 고정전극에 접촉하는 방향으로 이동하여 2개의 고정전극에 접촉하게 되면, 이동전극과 전도성 접합물질을 경유하여 2개의 고정전극 사이에 도통전류가 흐르게 되고 그 도통전류의 주울열에 의해 전도성 접합물질이 용융된 후 2개의 고정전극 사이에 도통저항이 작아지면 전도성 접합물질이 응고되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  10. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 발열체는 발열효율 극대화를 위해 상기 이동전극 내부에 형성되고,
    상기 이동전극에는 최소 1개 이상의 구멍이 형성되고, 상기 구멍에 절연된 발열체가 삽입되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  11. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 발열체는 이동전극의 표면 중 상기 2개의 고정전극과 접촉되는 접촉면을 제외한 이동전극 표면에 부착되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  12. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 이동전극은 1개 이상의 분기선로를 가지고, 상기 분기선로에 발열체가 설치되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 분기선로는, 이동전극과 2개의 고정전극과의 접촉부위에서의 열전달이 대칭이 되도록 하는 위치에서, 이동전극으로부터 분기되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 분기선로는 2개 이상이고, 상기 분기선로의 끝이 연결되어 닫힌 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 분기선로의 표면과 내부에 발열체가 설치된 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  16. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 발열체의 설치위치는, 열전달 경로가 발열체, 이동전극, 고정전극의 접점부위, 고정전극의 전극단자의 순서가 되도록 하는 위치인 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  17. 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 이동전극의 위치를 움직일 수 있는 힘을 발생시키는 이송력 발생수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 이송력 발생수단은 상기 이동전극이 2개의 고정전극과 접촉시 발생되는 접촉압력을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  19. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 이동전극과 고정전극의 표면 중 전도성 접합물질을 통해 용용결합하는 표면에는 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  20. 청구항 5 내지 청구항 6, 청구항 8 내지 청구항 9 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 전도성 접합 물질의 표면 중 일부 또는 전부에는 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  21. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 발열체는 발열체 외부에 위치하는 전력 공급부에 의해 전력공급 및 전력차단 기능이 제공되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  22. 청구항 17에 있어서,
    상기 이송력 발생수단은 전달링크를 통해 이동전극과 연결되고, 상기 전달링크는 두 고정전극 사이를 가로질려 이동하는 평판 형상의 칸막이 절연체로 형성되어 두 고정전극간의 단락을 방지하는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  23. 청구항 17에 있어서,
    상기 이동전극이 특정 방향으로 이동하지 못하도록 지지하는 이송 억제 수단을 포함하는 특징으로 하는 용융 스위치.
  24. 청구항 17에 있어서,
    상기 이동전극이 특정 방향으로 이동하지 못하도록 지지하는 지지 부재를 더 포함하고,
    상기 지지 부재는 2개의 고정전극과 이동전극의 녹는점보다 낮은 온도에서 녹는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  25. 청구항 17에 있어서,
    상기 이송력 발생수단은 이동전극에 가해지는 이송력을 차단하기 위해 퓨즈와이어(fuse wire)로 구속되고,
    상기 퓨즈와이어(fuse wire)는 전류공급에 의해 녹아 끓어지게 되면,
    이송력 발생수단의 이송력이 이동전극에 가해지는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  26. 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    전도성 접합 물질을 통해 결합하는 고정전극 또는 이동전극은 접촉부위의 테두리를 따라 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  27. 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    전도성 접합 물질을 통해 결합하는 고정전극과 이동전극 중에서 아래쪽에 위치하는 전극(중력의 작용방향 쪽에 위치하는 전극)에는 오목부가 형성되고, 상기 오목부에 상기 전도성 접합 물질이 위치하는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  28. 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 2개의 고정전극 양단에 병렬로 반도체 스위치를 연결하여 용융분리 또는 용융결합시 도통전류의 경로를 제공하여 상기 고정전극 양단의 아크발생을 억제해 주는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 반도체 스위치의 도통 시간을 최소화하기 위해 용융 스위치에 흐르는 전류를 측정하는 전류검출 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  30. 제1고정전극;
    제2고정전극;
    이동전극;
    상기 제1고정전극 및 상기 제2고정전극과 상기 이동전극 사이에 위치하는 전도성 접합 물질;
    발열체;
    이동전극을 제1고정전극으로 이동시키는 힘을 발생시키는 이송력 발생수단;
    이동전극이 제1고정전극으로 이동하지 못하도록 하는 이송 억제 수단;
    을 포함하고,
    상기 발열체의 발열 전에는 이동전극이 제2고정전극과 전기적으로 연결되어 있다가, 상기 발열체의 발열 후에는 상기 전도성 접합 물질이 녹고 상기 이송 억제 수단이 이동전극의 이동을 허용하여, 상기 이동전극이 제1고정전극과 전도성 접합 물질을 통해 용융결합되어 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  31. 청구항 5 내지 청구항 9, 청구항 30 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    고정전극 중 이동전극과 접촉하는 부분의 두께가 이동전극과 접촉하지 않는 부분보다 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
  32. 청구항 5 내지 청구항 9, 청구항 30 중 어느 하나의 청구항의 용융 스위치를 포함하는 배터리 제어장치.
  33. 용융 스위치와 용융 스위치에 병렬로 연결된 반도체 스위치를 이용하여,
    용융스위치의 작동시 용융스위치의 아크를 방지하는 방법에 있어서,
    반도체 스위치의 온 명령을 내리는 제1단계;
    용융스위치의 작동 명령을 내리는 제2단계;
    반도체 스위치의 오프 명령을 내리는 제3단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융스위치의 아크를 방지하는 방법.
  34. 발열체와 이송력 발생수단을 포함하는 용융 스위치, 용융 스위치에 병렬로 연결된 반도체 스위치를 이용하여, 용융스위치의 작동시 용융스위치의 아크를 방지하는 방법에 있어서,
    반도체 스위치 온 명령, 발열체 작동 개시 명령, 이동전극의 이송력 발생 명령을 내리는 제1단계;
    용융분리 완료를 확인하는 제2단계;
    반도체 스위치의 오프 명령, 발열체 동작 종료 명령을 내리는 제3단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 스위치의 아크를 방지하는 방법.
  35. 청구항 34에 있어서,
    제2단계의 용융분리 완료는 용융 스위치의 전류를 측정하는 전류검출 수단에 의해 용융 스위치에 흐르는 전류값을 측정하여 확인하는 것을 특징으로 하는 용융 스위치의 아크를 방지하는 방법.
  36. 청구항 5, 청구항 6, 청구항 8 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 용융스위치가 용융결합 수행을 하기 전에 상기 이동전극을 예열하기 위해, 상기 발열체에 소정의 시간동안 전력을 공급한 후 상기 이동전극을 이동시키는 것을 특징으로 하는 용융 스위치.
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