(57)【要約】【課題】  駆動装置と着脱可能な電源モジュールにおいてリチウムイオンキャパシタからの漏れ電流を抑制する。【解決手段】  本発明の一実施形態による電源モジュールは、駆動装置に着脱される電源モジュールである。当該電源モジュールは、少なくとも１つのリチウムイオンキャパシタセルを含むリチウムイオンキャパシタユニットと、前記駆動装置へ電力を供給するための電源ラインと、前記電源ラインに設けられた第１のスイッチユニットと、前記リチウムイオンキャパシタの電圧に基づいて前記第１のスイッチをオフするように構成された保護回路と、前記リチウムイオンキャパシタユニットと前記保護回路との間に設けられた少なくとも１つのスイッチング素子を有する第２のスイッチユニットと、を備える。当該第２のスイッチユニットは、前記電源モジュールが前記駆動装置に装着されたときに前記駆動装置から入力される制御信号に基づいてオンされ、前記制御信号が入力されていないときはオフされるように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動装置に着脱される電源モジュールであって、
少なくとも１つのリチウムイオンキャパシタセルを含むリチウムイオンキャパシタユニットと、
前記駆動装置へ電力を供給するための電源ラインと、
前記電源ラインに設けられた第１のスイッチユニットと、
前記少なくとも１つのリチウムイオンキャパシタセルの過充電及び／又は過放電を防止する保護回路と、
前記リチウムイオンキャパシタユニットと前記保護回路との間に設けられた少なくとも１つのスイッチング素子を有する第２のスイッチユニットと、
を備え、
前記第２のスイッチユニットは、前記電源モジュールが前記駆動装置に装着されたときに前記駆動装置から入力される制御信号に基づいてオンされ、前記制御信号が入力されていないときはオフされるように構成される、電源モジュール。
【請求項２】
前記リチウムイオンキャパシタユニットが、直列に接続された複数のリチウムイオンキャパシタセルを備えている、請求項１に記載の電源モジュール。
【請求項３】
前記第２のスイッチユニットは、前記複数のリチウムイオンキャパシタセルの各々と前記保護回路との間に設けられた複数の第２のスイッチング素子を備え、
前記複数の第２のスイッチング素子の各々は、前記制御信号に基づいてオンされ、前記制御信号が入力されていないときはオフされるように構成される、請求項２に記載の電源モジュール。
【請求項４】
前記リチウムイオンキャパシタユニットと並列に設けられた均等化回路を備え、
前記第２のスイッチユニットは、前記均等化回路と前記リチウムイオンキャパシタユニットとの間に設けられている、請求項２に記載の電源モジュール。
【請求項５】
前記均等化回路は、
前記複数のリチウムイオンキャパシタセルの各々と並列に設けられた複数の抵抗と、
前記複数の抵抗の各々と直列に設けられた複数の第３のスイッチと、
を備え、
前記複数の第３のスイッチの各々は、前記複数のリチウムイオンキャパシタのうちの対応するリチウムイオンキャパシタセルの電圧に応じてオンオフされる、請求項３又は請求項４に記載の電源モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷に対して着脱自在に構成された電源モジュールに関し、特に、リチウムイオンキャパシタを備えた電源モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、リチウムイオンキャパシタを用いた電源装置が知られている。例えば、特開２０１６−５３５７号公報には、リチウムイオンキャパシタを用いた車両用の電源装置が開示されている。
【０００３】
一般に、リチウムイオンキャパシタ等の蓄電デバイスを用いた電源装置においては、当該蓄電デバイスの過充電及び過放電を防止するための保護回路が設けられる。この種の保護回路は、蓄電デバイスの過充電又は過放電を検出すると、電源ラインに設けられたスイッチをオフし、当該蓄電デバイスからの放電や当該蓄電デバイスへの充電を遮断するように構成される。例えば、特開２０１１−１３４５７８号公報には、リチウムイオン電池の過充電及び過放電を防止するための保護回路の例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−００５３５７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３４５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
保護回路が設けられた電源装置においては、リチウムイオンキャパシタから当該保護回路に対して漏れ電流が流れ込むため、当該リチウムイオンキャパシタの電圧が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
電源モジュールは、サーバ等の駆動装置のバックアップ電源として用いられることがある。このようにバックアップ電源として用いられる電源モジュールは、駆動装置から取り外したまま長期間保管されることが予定されている。リチウムイオンキャパシタから保護回路への漏れ電流は、駆動装置から取り外されていても発生するので、従来の電源モジュールは、その保管中にもリチウムイオンキャパシタの電圧降下が起こってしまい、半年〜１年程度の期間で、適正な動作電圧範囲の下限である２．２Ｖを下回ってしまうことが多い。このため、従来の電源モジュールにおいては、その保管中に、半年〜１年程度の間隔で定期的に充電を行う必要がある。
【０００７】
サーバ用の電源モジュールに限らず、駆動装置と着脱可能なあらゆる電源モジュールは、未使用のまま長期間保管されることが想定されている。よって、駆動装置と着脱可能な電源モジュールにおいて、リチウムイオンキャパシタからの漏れ電流の抑制が必要とされる。
【０００８】
本発明は、駆動装置と着脱可能な電源モジュールにおいてリチウムイオンキャパシタからの漏れ電流を抑制することを目的の一つとする。本発明のこれ以外の目的は、明細書全体の記載を通じて明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態に係る電源モジュールは、駆動装置に着脱される電源モジュールである。当該電源モジュールは、少なくとも１つのリチウムイオンキャパシタセルを含むリチウムイオンキャパシタユニットと、前記駆動装置へ電力を供給するための電源ラインと、前記電源ラインに設けられた第１のスイッチユニットと、前記少なくとも１つのリチウムイオンキャパシタセルの過充電及び／又は過放電を防止する保護回路と、前記リチウムイオンキャパシタユニットと前記保護回路との間に設けられた少なくとも１つのスイッチング素子を有する第２のスイッチユニットと、を備える。当該リチウムイオンキャパシタユニットが、直列に接続された複数のリチウムイオンキャパシタを備えていてもよい。
【００１０】
当該第２のスイッチユニットは、前記電源モジュールが前記駆動装置に装着されたときに前記駆動装置から入力される制御信号に基づいてオンされ、前記制御信号が入力されていないときはオフされるように構成される。本発明の一実施形態において、当該第２のスイッチユニットは、前記複数のリチウムイオンキャパシタセルの各々と前記保護回路との間に設けられた複数の第２のスイッチング素子を備え、当該複数の第２のスイッチング素子の各々は、前記制御信号に基づいてオンされ、前記制御信号が入力されていないときはオフされるように構成される。
【００１１】
上記実施形態によれば、当該電源モジュールを駆動装置に装着した場合にのみ、保護回路とリチウムイオンキャパシタとが接続される。したがって、当該電源モジュールを駆動装置に装着せずに保管しておく場合に、リチウムイオンキャパシタから保護回路へ漏れ電流が流れない。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る電源モジュールは、前記リチウムイオンキャパシタユニットと並列に設けられた均等化回路を備える。この場合、前記第２のスイッチユニットは、前記均等化回路と前記リチウムイオンキャパシタユニットとの間に設けられる。当該均等化回路は、前記複数のリチウムイオンキャパシタの各々と並列に設けられた複数の抵抗と、前記複数の抵抗の各々と直列に設けられた複数の第３のスイッチと、を備えてもよい。この場合、当該複数の第３のスイッチの各々は、前記複数のリチウムイオンキャパシタセルのうちの対応するリチウムイオンキャパシタセルの電圧に応じてオンオフされる。
【００１３】
上記実施形態によれば、当該電源モジュールを駆動装置に装着せずに保管しておく場合に、リチウムイオンキャパシタから均等化回路への漏れ電流の発生も防止することができる。
【発明の効果】
【００１４】
上記の本発明の各実施形態によれば、駆動装置と着脱可能な電源モジュールにおいてリチウムイオンキャパシタからの漏れ電流を抑制することができる。特に、当該電源モジュールを駆動装置に装着せずに保管しておく場合に、リチウムイオンキャパシタユニットから保護回路への漏れ電流の発生を防止することができる。これにより、当該電源モジュールは、充電を行わなくとも長期間の保管が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る電源モジュールの主要部を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、適宜図面を参照し、本発明の様々な実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電源モジュールの主要部を示すブロック図である。図示のとおり、本発明の一実施形態に係る電源モジュール１０は、駆動装置１と電源端子１６，１７及び接続端子１８を介して接続されている。
【００１７】
駆動装置１は、電源モジュール１０から電力の供給を受けて動作することが可能な装置である。駆動装置１は、例えば、電源モジュール１０から電力の供給を受けて動作するサーバである。本発明においては、電源モジュール１０とともに用いられる駆動装置１は、サーバには限られない。駆動装置１には、電源モジュール１０が着脱され、電源モジュール１０が装着されたときに電源モジュール１０からの電力の供給を受けて動作できる任意の装置が含まれる。
【００１８】
電源モジュール１０は、例えば、駆動装置１のバックアップ電源として利用される。電源モジュール１０は、駆動装置１と着脱可能に構成される。電源モジュール１０を使用しないときには、電源モジュール１０は、駆動装置１から取り外されている。
【００１９】
電源モジュール１０から駆動装置１に電力を供給する際には、電源モジュール１０が駆動装置１に取り付けられる。電源モジュール１０が駆動装置１に取り付けられると、上述のように、電源モジュール１０は、駆動装置１と、電源端子１６，１７及び接続端子１８を介して接続される。
【００２０】
電源モジュール１０は、リチウムイオンキャパシタユニット１１と、リチウムイオンキャパシタユニット１１の過充電及び過放電を防止するための保護回路１２と、リチウムイオンキャパシタユニット１１と保護回路１２との間に設けられたスイッチユニット１３と、電源ラインＬ１に設けられたスイッチユニット１５と、を備える。これらの電源モジュール１０の各構成要素について、以下で詳述する。
【００２１】
リチウムイオンキャパシタユニット１１は、少なくとも１つのリチウムイオンキャパシタセル（以下、リチウムイオンキャパシタセルを単に「セル」と呼ぶ。）を備える。図示の実施形態では、リチウムイオンキャパシタユニット１１は、直列に接続された３つのリチウムイオンキャパシタセル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ（以下、単に「セル１１ａ」などと呼ぶ。）を備えている。リチウムイオンキャパシタユニット１１は、セルを１つのみ又は２つのみ備えてもよいし、４つ以上のセルを備えてもよい。セル１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、各々のセル電圧が常に所定の運用電圧範囲内にあるように充電及び放電される。この運用電圧範囲は、通常、２．２〜３．８Ｖである。
【００２２】
セル１１ａ，１１ｂ，１１ｃとして、任意の公知のリチウムイオンキャパシタセルを用いることができる。公知のリチウムイオンキャパシタセルは、例えば、特開２０１２−２５６６９４及び特開２０１３−１０５８３９に開示されている。
【００２３】
リチウムイオンキャパシタユニット１１は、＋側の端子１６と電源ラインＬ１を介して接続されており、また、−側の端子１７と電源ラインＬ２を介して接続されている。リチウムイオンキャパシタユニット１１の電力は、これらの電源ラインＬ１及び電源ラインＬ２を介して駆動装置１に供給される。
【００２４】
この電源ラインＬ１上のリチウムイオンキャパシタユニット１１と端子１６との間には、保護回路１２の制御によりオンオフされるスイッチユニット１５が設けられている。スイッチユニット１５は、保護回路１２の制御によりオンオフされる一又は複数のスイッチング素子から成る。このスイッチング素子として、例えば、アナログスイッチ、ＭＯＳＦＥＴ、ＰＨＯＴＯＭＯＳリレー及びこれら以外の公知の任意のスイッチング素子を利用することができる。スイッチユニット１５は、電源ラインＬ２上に設けられてもよい。
【００２５】
保護回路１２は、例えば、ＣＰＵコア、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び各種入出力ポートが１つの半導体チップに集積されたマイクロコントローラである。保護回路１２は、リチウムイオンキャパシタユニット１１の電圧を検出し、その検出された電圧に基づいて、リチウムイオンキャパシタユニット１１の過充電及び過放電を防ぐために、スイッチユニット１５に備えられたスイッチング素子をオフする。この保護回路１２における過充電及び過放電を防ぐための制御は、以下で説明するように、セル１１ａ，１１ｂ，１１ｃの各々のセル電圧に基づいて行われてもよいし、リチウムイオンキャパシタユニット１１の総電圧に基づいて行われてもよい。
【００２６】
本発明の一実施形態において、保護回路１２は、リチウムイオンキャパシタユニット１１のセル１１ａ，１１ｂ，１１ｃの各々のセル電圧を検出し、その検出されたセル電圧に基づいてスイッチユニット１５を制御する。保護回路１２は、例えば、セル１１ａ，１１ｂ，１１ｃの各々のセル電圧を検出し、検出された各セル電圧のいずれか１つが所定の上限値を超えると、スイッチユニット１５に備えられたスイッチング素子をオフして、リチウムイオンキャパシタユニット１１への充電を禁止する。かかる制御により、リチウムイオンキャパシタユニット１１の過充電が防止される。他の動作例において、保護回路１２は、セル１１ａ，１１ｂ，１１ｃのセル電圧が所定の下限値を超えると、スイッチユニット１５に備えられたスイッチング素子をオフして、リチウムイオンキャパシタユニット１１からの放電を禁止するように構成される。かかる制御により、リチウムイオンキャパシタユニット１１の過放電が防止される。
【００２７】
本発明の他の実施形態において、保護回路１２は、リチウムイオンキャパシタユニット１１の両端（セル１１ａの正極とセル１１ｃの負極との間）にかかるリチウムイオンキャパシタユニット１１の総電圧を検出し、その検出された総電圧に基づいてスイッチユニット１５を制御する。具体的には、保護回路１２は、リチウムイオンキャパシタユニット１１の総電圧を検出し、この検出した総電圧が所定の上限値を超えると、スイッチユニット１５に備えられたスイッチング素子をオフして、リチウムイオンキャパシタユニット１１への充電を禁止する。他方、保護回路１２は、リチウムイオンキャパシタユニット１１の総電圧が所定の下限値を超えると、スイッチユニット１５に備えられたスイッチング素子をオフして、リチウムイオンキャパシタユニット１１からの放電を禁止する。
【００２８】
保護回路１２は、過充電及び過放電の防止以外の機能を有していてもよい。例えば、保護回路１２は、セル１１ａ，１１ｂ，１１ｃの短絡、容量低下、抵抗上昇、又はこれら以外の異常を検出することができるように構成されてもよい。
【００２９】
本発明の一実施形態において、スイッチユニット１５は、複数のスイッチング素子、例えば複数のＭＯＳＦＥＴを備える。この複数のＭＯＳＦＥＴのうち１つのＭＯＳＦＥＴは、オフされることによりリチウムイオンキャパシタユニット１１の充電方向の電流のみを遮断するように構成されてもよい。この複数のＭＯＳＦＥＴのうち他のＭＯＳＦＥＴは、オフされることによりリチウムイオンキャパシタユニット１１の放電方向の電流のみを遮断するように構成されてもよい。このようなＭＯＳＦＥＴを備えることにより、保護回路１２は、スイッチユニット１５のオンオフ制御により、リチウムイオンキャパシタユニット１１の充電及び放電の一方を選択的に禁止することができる。したがって、保護回路１２は、スイッチユニット１５へのオンオフ制御を通じて、リチウムイオンキャパシタユニット１１の過充電及び過放電を防止することができる。
【００３０】
本発明の一実施形態において、スイッチユニット１３は、一又は複数のスイッチング素子を備える。このスイッチング素子として、例えば、アナログスイッチ、ＭＯＳＦＥＴ、ＰＨＯＴＯＭＯＳリレー及びこれら以外の公知の任意のスイッチング素子を利用することができる。図示の実施形態において、スイッチユニット１３は、３つのスイッチング素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃを備える。スイッチユニット１３が有するスイッチング素子の数は、リチウムイオンキャパシタユニット１１が有するセルの数と同じにすることができる。図示の実施形態では、リチウムイオンキャパシタユニット１１が３つのセルを有しているため、スイッチユニット１３が３つのスイッチング素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃを有している。
【００３１】
上述したように、スイッチユニット１３は、リチウムイオンキャパシタユニット１１と保護回路１２との間に設けられる。具体的には、スイッチング素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃはそれぞれ、対応するセル１１ａ，１１ｂ，１１ｃの正極と保護回路１２との間に設けられている。
【００３２】
本発明の一実施形態において、スイッチユニット１３は、接続端子１８からウェイクアップ信号が入力されている間にオンされ、接続端子１８からウェイクアップ信号が入力されていない間はオフされるように構成される。
【００３３】
本発明の一実施形態においては、電源モジュール１０が駆動装置１に装着されたときに、駆動装置１で生成されたウェイクアップ信号が接続端子１８を介してスイッチユニット１３に入力される。本発明の一実施形態においては、このウェイクアップ信号は、電源モジュール１０が駆動装置１に装着されかつ各々のセル電圧が運用電圧範囲内である２．２〜３．８Ｖの間は接続端子からスイッチユニット１３に入力され、電源モジュール１０が駆動装置１から取り外されるか各々のセル電圧が運用電圧範囲外である２．２Ｖ未満または３．８Ｖより大きくなると、スイッチユニット１３へのウェイクアップ信号の入力がなくなる。
【００３４】
接続端子１８からのウェイクアップ信号は、スイッチング素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃにそれぞれ入力され、各スイッチング素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、このウェイクアップ信号によりいずれもオンされる。スイッチング素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃがオンされると、リチウムイオンキャパシタユニット１１と保護回路１２とが導通される。よって、保護回路１２は、電源モジュール１０が駆動装置１に装着されてウェイクアップ信号がスイッチング素子１３に入力されているときに、リチウムイオンキャパシタユニット１１の電圧を検出し、その検出値に基づいてリチウムイオンキャパシタユニット１１の過充電及び過放電を防止するための制御を行うことができる。
【００３５】
他方、電源モジュール１０が駆動装置１から取り外されているときには、保護回路１２がリチウムイオンキャパシタユニット１１から切り離されているため、リチウムイオンキャパシタユニット１１から保護回路１２への漏れ電流の発生を防止することができる。
【００３６】
リチウムイオンキャパシタユニット１１が複数のセルを備えている場合には、電源モジュール１０は、均等化回路１４をさらに備えることができる。均等化回路１４は、リチウムイオンキャパシタユニット１１の各セルのセル電圧を均等化するための回路である。リチウムイオンキャパシタユニット１１が複数のセルを備える場合には、均等化回路１４を設けないと、各セルの自己放電特性のばらつきやセル容量のばらつきによって、各セルのセル電圧のばらつきが発生する。セル電圧にばらつきがあると、一部のセルのセル電圧が運用電圧範囲から外れやすくなる。均等化回路１４は、このようなセル電圧のばらつきを抑制するための回路である。リチウムイオンキャパシタユニット１１がセルを１つのみ有する場合には、均等化回路１４は不要となる。
【００３７】
本発明の一実施形態において、均等化回路１４は、リチウムイオンキャパシタユニット１１と並列に設けられる。図示の実施形態においては、均等化回路１４は、セル１１ａと並列に設けられたバランス抵抗１４ｒａと、このバランス抵抗１４ｒａと直列に設けられたスイッチング素子１４ｓａと、セル１１ｂと並列に設けられたバランス抵抗１４ｒｂと、このバランス抵抗１４ｒｂと直列に設けられたスイッチング素子１４ｓｂと、セル１１ｃと並列に設けられたバランス抵抗１４ｒｃと、このバランス抵抗１４ｒｃと直列に設けられたスイッチング素子１４ｓｃと、を備えることができる。均等化回路１４が有するバランス抵抗の数は、リチウムイオンキャパシタユニット１１が有するセルの数と同じにすることができる。
【００３８】
スイッチング素子１４ｓａ，１４ｓｂ，１４ｓｃは、保護回路１２の制御によりオンオフされるように構成される。例えば、保護回路１２は、セル１１ａのセル電圧の検出値に基づいて、スイッチング素子１４ｓａをオンする時間を決定し、その決定された時間だけスイッチング素子１４ｓａをオンさせる。スイッチング素子１４ｓａがオンされている間は、バランス抵抗１４ｒａにセル１１ａから放電電流が流れ、これによりセル１１ａのセル電圧が低下する。スイッチング素子１４ｓａ，１４ｓｂ，１４ｓｃがオンされる時間は、対応するセル１１ａ，１１ｂ，１１ｃのセル電圧に基づいて定められる。セル電圧が高いセルに対応するスイッチング素子のオン時間を他のセルに対応するスイッチング素子のオン時間よりも長くすることにより、各セルのセル電圧が均等化される。
【００３９】
電源モジュール１０が均等化回路１４を有する場合には、スイッチユニット１３は、この均等化回路１４とリチウムイオンキャパシタユニット１１との間に設けられる。この場合でも、リチウムイオンキャパシタユニット１１及び保護回路１２の配置は変更の必要がない。よって、電源モジュール１０が均等化回路１４を有する場合には、スイッチユニット１３は、均等化回路１４とリチウムイオンキャパシタユニット１１との間であり、且つ、保護回路１２とリチウムイオンキャパシタユニット１１との間に設けられる。
【００４０】
電源モジュール１０が駆動装置１に装着され、ウェイクアップ信号がスイッチング素子１３に入力されているときには、均等化回路１４がリチウムイオンキャパシタユニット１１と接続されるので、均等化回路１４は、セル１１ａ，１１ｂ，１１ｃのセル電圧を均等化するように動作する。他方、電源モジュール１０が駆動装置１から取り外されているときには、均等化回路１４がリチウムイオンキャパシタユニット１１から切り離されているため、リチウムイオンキャパシタユニット１１から均等化回路１４への漏れ電流の発生を防止することができる。
【００４１】
以上のとおり、電源モジュール１０は、駆動装置１と着脱可能に構成されており、駆動装置１に装着していないときに、リチウムイオンキャパシタユニット１１から保護回路１２への漏れ電流の発生を防止することができる。したがって、当該電源モジュール１０は、充電を行わなくとも長期間の保管が可能となる。
【００４２】
本明細書で説明された各構成要素の寸法、材料、及び配置は、実施形態中で明示的に説明されたものに限定されず、この各構成要素は、本発明の範囲に含まれうる任意の寸法、材料、及び配置を有するように変形することができる。また、本明細書において明示的に説明していない構成要素を、説明した実施形態に付加することもできるし、各実施形態において説明した構成要素の一部を省略することもできる。
【符号の説明】
【００４３】
１  駆動装置
１０  電源モジュール
１１  リチウムイオンキャパシタユニット
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ  リチウムイオンキャパシタセル
１２  保護回路
１３  スイッチユニット
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ  スイッチング素子
１４  均等化回路
１５  スイッチユニット
１６，１７  電源端子
１８  接続端子
Ｌ１，Ｌ２  電源ライン
【図１】
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