無停電電源装置（UPS）は、医療および産業用途において極めて重要です。しかし、多くの充電式バッテリー駆動機器は、バッテリー交換時に電源が遮断され、データの損失や故障につながる可能性があります。 短絡ホットスワップ技術は、デバイスの動作を継続したままバッテリーを直接交換できるソリューションを提供します。高出力モジュールシステムにおいて、負荷がかかった状態で迅速かつ安全な電源モジュール交換のニーズに応えるため、この記事ではまず、ホットスワップバッテリー技術の基本概念、動作原理、利点、および用途について考察します。
モジュラーバッテリーシステムにおいてホットスワップテクノロジーが重要な理由
高出力モジュール型電源システム（図1参照）では、通常、バッテリーパックモジュールを並列に接続することで、総出力容量を拡張します。システムの信頼性を最大限に高め、迅速なメンテナンスを可能にするには、通常動作を中断することなく、交換可能なモジュールを稼働中に挿抜できる必要があります。そのためには、各モジュールにホットスワップ機能を統合し、メンテナンスや再構成時のシームレスな電力供給を確保する必要があります。
ホットスワップ機能がないため、システム動作中にバッテリーパックモジュールを安全に挿入または取り外すことができません。この制限は、モジュールのBMSに搭載されている大きなインダクタとコンデンサに起因しており、ライブスワップ時に以下の現象が発生する可能性があります。
- 部品の仕様を超える危険な突入電流
- 破壊的な電圧過渡現象
- 潜在的に有害な静電放電（ESD）事象
これらの現象は、モジュールの損傷やシステム全体の動作障害の重大なリスクをもたらします。
ホットスワップ機能がないため、システム稼働中に電源モジュールを安全に交換することはできません。この制限は、電力経路と信号整合性のリスクという、電力と通信の両方の課題から生じています。
これらの複合的な影響により、モジュールの損傷、システムの不安定化、または完全な動作障害が発生する可能性があります。
ホットスワップ技術とは モジュール式バッテリー?
ホットスワップ対応バッテリーシステムの最大の目的は、デバイスのシャットダウンやシステム動作の中断なしに、モジュールや回路基板の挿抜を可能にすることです。この機能により、システムの信頼性、保守性、冗長性、そして災害復旧能力が向上します。
パックモジュラー電源システムでは、ホットスワップ技術により、安定したシステム電圧を維持しながら障害のあるモジュールを交換できるため、影響を受けていないモジュールは正常に動作し続けることができます。
図2は、パックモジュラーシステムの簡略モデルを示しています。左側はシステムの電源と負荷を表し、右側は複数のホットスワップ可能な電源モジュールで構成されています。ここで、C0は負荷の入力コンデンサ、C1～Cnは各モジュール内のDC-DCコンバータの入力コンデンサです。
モジュールNを除くすべてのモジュールがバックプレーンに接続され、システムが安定して動作していると仮定します。この時点では、Cnを除くすべてのコンデンサは完全に充電されています。モジュールNがバックプレーンに挿入されると、システムがCnを充電する際に大きな突入電流が流れ、エッジコネクタ、PCBトレース、およびコンデンサが損傷する可能性があります。
さらに、この高い突入電流は電源バスの電圧降下を引き起こし、一時的な出力電圧の低下とシステムの不安定化を引き起こします。電流がシステムの許容範囲を超えると、電圧が急激に低下し、システム全体の障害につながる可能性があります。
同様に、突然の電流サージにより、電源モジュールの信号ラインに電圧変動が発生し、通信エラーや信号損失が発生する可能性があります。
バッテリー モジュラー システムでホットスワップはどのように機能しますか?
ホットスワップには、電源ホットスワップと信号ホットスワップの両方が含まれており、それぞれがモジュールの挿入と取り外し時の重要な課題に対処します。
電源ホットスワップ：突入電流の軽減
電源ホットスワップの主な目的は、モジュールを通電中の電源バスに挿入した際に発生する過渡的な突入電流を制限することです。適切な制御を行わないと、この突入電流によって電圧が不安定になったり、ハードウェアが損傷したりする可能性があります。適切に設計されたホットスワップ回路は、電流を安全な範囲内に維持し、システムの整合性を維持します。一般的な電流制限方法には、以下の2つがあります。
- PTCサーミスタ（正温度係数抵抗器）:
発熱に応じて抵抗を増加させることで自己制御します。反応が遅く、時間の経過とともに徐々に劣化します。
- MOSFETスイッチング:
頻繁な操作でも高速応答と高い信頼性を実現します。耐久性に優れているため、高性能システムに好まれています。
信号ホットスワップ：通信エラーの防止
信号ホットスワップは、電源を切断する前に通信回線を安全に切断することを保証します。これがないと、信号回線上の過渡電圧によってデータが破損したり、システム通信が中断されたりする可能性があります。適切な実装には以下の点が含まれます。
- アクティブな通信タスクを事前に終了します。
- 電圧過渡を防止するための信号ラインの分離。
- バッファリング回路は、挿入および取り外し時に信号の整合性を安定させます。
安全な電源モジュールのためのホットスワップ回路設計
ホットスワップ回路は、電流検知、制御、スイッチング、ショートピン信号検出の 4 つの主要ユニットで構成されています。
- 電流検出には高精度シャント抵抗器を使用します。
- スイッチングはNチャネルMOSFETを使用して実装されます。
- 制御はコンパレータ回路によって管理されます。
- ショートピン検出では、ショートピンとオプトカプラが使用されます。
図3に簡略化した回路図を示します。
MOSFETとシャント抵抗は、電源と負荷の間に直列に接続されます。制御ユニットは、検出抵抗を介した電流と遅延コンデンサの電荷を監視し、MOSFETのターンオンタイミングを調整します。これにより突入電流が抑制され、システムの安全性と安定性が確保され、電源のホットスワップが可能になります。
さらに、ショートピン信号はモジュールの挿入または取り外しを検出し、電源を切る前にCPUに通信を終了するように通知するために使用され、信号ホットスワップを実現します。
ホットスワップアプリケーション回路
図4に示すように、ショートピンは他のピンよりも約3mm短くなっています。主な回路部品は以下のとおりです。
- R1: 電流検出抵抗
- C1: 遅延コンデンサ
- D1～D3: ツェナーダイオード
- R2～R5とU1A: 差動増幅器
- R6、R8、U1B: 電圧コンパレータ
- R7とQ2: 基準電圧回路
- R9: 高周波ノイズ抑制
- R11とC2: MOSFET Q1ゲート遅延
- R12、R13、U3、ショートピン：信号検出回路
交換可能なモジュールをバックプレーンに挿入すると、次のようになります。
- プライマリピンが最初に接続され、電圧が供給されます。電流がR1を流れ、検出電圧U0が生成され、C1が充電されます。
- C1 が充電されると、差動増幅器 (U1A) が U0 を増幅して U1 を生成します。
- コンパレータ（U1B）はU1を基準電圧U2（Q2とR7によって設定）と比較します。
- U1 > U2 の場合、突入電流が大きいことを示します → コンパレータの出力は低くなり → MOSFET Q1 はオフのままになります。
- U1 < U2 の場合、安全な電流を示します → コンパレータの出力はハイになります → C2 が充電されます → Q1 が徐々にオンになり、電圧がスムーズに上昇して通常動作に移行します。
信号ホットスワップ操作
信号ホットスワップは、ショートピン、信号ステータス、およびソフトウェア ロジックに依存します。
- 挿入時:
- プライマリピンを最初に接続 → ショートピンは接続されない → ホットスワップ信号 = HIGH
- ショートピンが接続されると → ホットスワップ信号 = LOW → CPUが通信を初期化します
2. 動作中に：
- ホットスワップ信号が低いまま
3. 削除時:
- 最初にショートピンが切断されます → ホットスワップ信号 = HIGH → CPU は通信を停止し、ドライバーをアンロードします。
ホットスワップ回路部品
電源システムの要件に基づき、各電源モジュールの定格出力電圧は24V、定格出力電流は1.1A、最大許容電流（IIM）は5Aです。Q431にはTL3電圧リファレンスを使用し、安定した2.5Vのリファレンス電圧（U2）を供給します。差動増幅器の増幅比はR4/R2 = 50に設定されています。
主要コンポーネントの選択
| 成分 | モデル/仕様 | 詳細説明 |
| MOSFET | IRF540N（IR – インターナショナル・レクティファイアー） | NチャネルMOSFET：100V / 22A / 94W。要件を満たす：V > 24V、I > 5A、P > 28.8W |
| オプトカプラー | TLP291（東芝） | スイッチング時間10msの高速フォトカプラ。高速信号伝送に使用されます。 |
| 電流検出抵抗 | カスタム | 突入電流または負荷電流を検出し、制御ロジックを支援するために使用されます。 |
| 遅延コンデンサ | 10nF（C2） | MOSFET ゲート ドライブのタイミング遅延を制御し、突入電流を低減するために使用されます。 |
サポートコンポーネント
| 成分 | 価値 / モデル | Functionality |
| オペアンプ（U1） | OP07（高精度、低オフセット） | 高精度な信号増幅に使用されます。 |
| 電圧コンパレータ（U2） | 高利得、広帯域幅 | 感知した電圧を基準電圧（2.5V）と比較するために使用されます。 |
| ツェナーダイオード（D1、D4） | 24V | 過電圧保護および電圧クランプに使用されます。 |
その他のコンポーネントの推奨事項
- U1: OP07高精度オペアンプ（低オフセット電圧）
- U2: 高ゲイン、広帯域電圧コンパレータ
- 抵抗器：
– R2、R3 = 1kΩ
- R4、R5 = 50kΩ
- R7 = 100Ω（基準電圧分圧器）
- R6、R8 = 4.7kΩ（電流制限抵抗）
- R9 = 10Ω（ノイズ抑制）
- R11 = 10kΩ（MOSFETゲート抵抗）
- コンデンサC2: 10nF（MOSFETゲート遅延制御）
- ツェナーダイオード D1、D4: 電圧クランプ用の 24V
図 5 に完全なホットスワップ回路設計を示します。
ホットスワップバッテリーアプリケーション
デジタルインフラとミッションクリティカルなアプリケーションの急速な成長に伴い、ホットスワップ可能なバッテリー技術は、複数の業界における継続的な運用維持に不可欠なものとなっています。この技術は、主要なアプリケーション分野における高まる電力信頼性の要求に対応します。
- データセンターとクラウドコンピューティングプラットフォーム
- 電気通信
- 金融取引システム
- 軍事および防衛電子機器
- 医療緊急機器
- 産業オートメーションシステム
運用上の利点
- ゼロダウンタイムのメンテナンス
- 故障したバッテリーモジュールのリアルタイム交換が可能
- システムシャットダウンなしで容量拡張をサポート
- 24時間7日の運用でコストのかかるサービス中断を排除
- システムの信頼性の向上
- 内蔵電源冗長性を提供
- モジュール移行中にクリーンな電力供給を維持
- 敏感な電子機器に悪影響を与える可能性のある電圧変動を防止します
インテリジェントなホットスワップコントローラは
- リアルタイム電力監視
- 予測故障解析
- 自動負荷分散
- 集積回路保護機能により外部ブレーカーが不要
技術的実装のメリット
- さまざまなバッテリー化学組成（Li-ion、LiFePO4 など）に対応するモジュール設計の柔軟性
- 電源アーキテクチャ全体でのプラグアンドプレイの互換性
- 総所有コストの削減
性能特性
- 100μs未満の電源中断によるシームレスな移行
- 突入電流は定格容量の5%未満に制限されます
- 自動電流共有による並列運転のサポート
- 標準化された通信インターフェース（CAN、PMBus、I2C）
ホットスワップ可能なバッテリーソリューションを導入することで、組織はかつてないレベルのシステム可用性を実現すると同時に、電源の保守やアップグレードに伴う運用リスクを大幅に削減できます。このテクノロジーの診断機能により、予測保守戦略も可能になり、最新の電源アーキテクチャにおけるパフォーマンスとコスト効率の両方を最適化できます。
結論として、リチウムイオン電池パックの専門メーカーとして、 CM Batteries お客様に信頼性の高い電源ソリューションを提供することに尽力しています。ホットスワップ可能なバッテリー技術の最適化に注力するだけでなく、お客様の特定の用途に合わせて安全で効率的なバッテリーシステムをカスタマイズすることも可能です。 モジュラーリチウムイオン電池パックソリューション ホットスワップテクノロジーをサポートする場合は、お気軽に 私達に連絡してください。
