KR20210108403A - 이차 전지의 보호 회로 및 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

이차 전지는 충방전을 반복하면서 열화되어, 전지 전압이나 전지 용량이 저하된다. 이차 전지의 열화로 인하여 과도한 충전 전류값으로 충전되는 것을 방지하여, 이차 전지의 수명을 향상시킨다. 이차 전지의 열화의 정도를 고려하여 충전 제어를 수행함으로써 이차 전지의 수명을 향상시킨다. 이차 전지의 충전 시, 충전 제어 회로가 미리 설정된 전류값을 제어하고, 또한 보호 회로가 갖는 충전 전류 제어 회로(구체적으로는 에러 앰프를 포함하는 회로)가 이차 전지를 흐르는 전류값을 결정한다. 즉, 이차 전지를 흐르는 전류값은 충전 제어 회로와, 보호 회로의 일부인 충전 전류 제어 회로의 양쪽으로 제어된다.

Description

이차 전지의 보호 회로 및 이차 전지 모듈

본 발명의 일 형태는 물건, 방법, 또는 제조 방법에 관한 것이다. 또는 본 발명은 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다. 본 발명의 일 형태는 반도체 장치, 표시 장치, 발광 장치, 축전 장치, 조명 장치, 전자 기기, 또는 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 형태는 차량 또는 차량에 제공되는 차량용 전자 기기에 관한 것이다. 특히, 이차 전지의 보호 회로, 이차 전지의 충전 제어 방법, 이차 전지의 이상 검출 시스템, 및 이차 전지를 갖는 전자 기기에 관한 것이다.

또한 본 명세서 중에서 축전 장치란, 축전 기능을 갖는 소자 및 장치 전반을 가리킨다. 예를 들어 리튬 이온 이차 전지 등의 이차 전지, 리튬 이온 커패시터, 전고체 전지, 및 전기 이중층 커패시터 등을 포함한다.

근년, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 이온 커패시터, 공기 전지 등 다양한 축전 장치의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 고출력이고 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 이차 전지는 휴대 전화기, 스마트폰, 태블릿, 또는 노트북형 컴퓨터 등의 휴대 정보 단말기, 휴대 음악 플레이어, 디지털 카메라, 의료 기기, 또는 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자동차(EV), 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차 등, 반도체 산업의 발전과 함께 그 수요가 급속하게 확대되고 있으며, 충전이 가능한 에너지 공급원으로서 현대의 정보화 사회에 있어 불가결한 것이 되었다.

휴대 정보 단말기나 전기 자동차 등에서는, 복수의 이차 전지를 직렬 또는 병렬로 접속하여 보호 회로(보호 IC라고도 함)를 제공하고, 전지 팩(조전지라고도 함)으로서 사용한다. 보호 IC에는 과충전 전압(Overcharge), 과방전 전압(Over discharge), 충전 과전류(Charging Overcurrent), 방전 과전류(Discharge Overcurrent), 단락(short)을 검출하는 회로 등이 적절히 제공되어 있다.

전지 팩이란, 이차 전지의 취급을 쉽게 하기 위하여 복수의 이차 전지를 소정의 회로와 함께 용기(금속 캔, 필름 외장체) 내부에 수납한 것을 말한다. 전지 팩에는 동작 상태를 관리하기 위하여 ECU(Electronic Control Unit)가 제공된다.

전기 자동차나 하이브리드 자동차에 사용되는 이차 전지는 충전 횟수, 방전 심도, 충전 전류, 충전하는 환경(온도 변화) 등에 따라 열화된다. 사용자의 사용법에도 의존하고, 충전 시의 온도, 급속 충전하는 빈도, 회생 제동에 의한 충전량, 회생 제동에 의한 충전 타이밍 등도 열화와 관련될 가능성이 있다.

이차 전지는 반복하여 사용함으로써 서서히 열화되지만, 충전은 열화 전과 같은 전류량으로 수행된다. 종래에는 이차 전지의 잔량이 적은 경우, 먼저 CC 충전을 수행하고 소정의 전압에 도달한 후에 CV 충전으로 전환하고 있었다.

특허문헌 1에는 이차 전지의 용량을 측정하기 위한, 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터를 포함하는 쿨롱 카운터(coulomb counter)에 대하여 개시(開示)되어 있다.

미국 특허출원공개공보 US2014/0184314호

휴대 정보 단말기 등에 탑재되는 이차 전지는 열화의 방지, 장시간의 전력 공급, 소형화, 저렴한 가격을 충족하는 것 등이 과제이다.

종래에는 이들 과제를 충분히 해결하지 못하고, 간단한 회로 구성으로 보호 IC를 실장하고 있었다. 종래의 보호 IC는 유일하게 결정된 과충전 전압(전류)이나 과방전 전압(전류) 등을 검출하고, 전지의 충전 전류와 방전 전류의 통과 또는 차단의 제어만을 수행하는 경우가 많다. 그러므로 본 명세서에서는 정밀한 전압, 전류의 충전 제어를 가능하게 하는 제어 회로를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.

또한 이차 전지는 충방전을 반복하면서 열화되어, 전지 전압이나 전지 용량이 저하된다는 과제가 있다. 이차 전지의 열화로 인하여 과도한 충전 전류값으로 충전되는 것을 방지하여, 이차 전지의 수명을 향상시키는 것을 과제 중 하나로 한다.

또한 이차 전지의 열화의 정도를 고려하여 충전 제어를 수행함으로써 이차 전지의 수명을 향상시키는 것을 과제 중 하나로 한다.

또한 이차 전지의 이상을 검출, 예를 들어 이차 전지의 안전성을 저하시키는 현상을 조기에 검출하고, 사용자에게 경고하거나 또는 이차 전지의 충전 조건을 변경함으로써 안전성을 확보하는 것을 과제 중 하나로 한다.

이차 전지의 열화의 정도를 검출하는 기능과, 이차 전지를 흐르는 전류를 조절할 수 있는 기능을 적어도 갖는 보호 회로를 실현한다. 이와 같은 보호 회로에 의하여 충전 시의 전류량을 임의로 변경할 수 있기 때문에, 회로 규모를 대폭 크게 하지 않고, 정밀한 조건으로 충전을 할 수 있다.

이차 전지의 충전 시, 충전 제어 회로가 미리 설정된 전류값을 제어하고, 또한 보호 회로가 갖는 충전 전류 제어 회로(구체적으로는 에러 앰프를 포함하는 회로)가 이차 전지를 흐르는 전류값을 결정한다. 즉, 이차 전지를 흐르는 전류값은 충전 제어 회로와, 보호 회로의 일부인 충전 전류 제어 회로의 양쪽으로 제어된다. 또한 에러 앰프는 오차 증폭기라고도 불리고, 2개의 입력 단자의 전압차를 증폭한 전압을 출력하는 연산 증폭기이다.

본 명세서에서 개시하는 발명의 구성 중 하나는 직렬로 접속된 방전 제어용 트랜지스터와 충전 제어용 트랜지스터와, 에러 앰프를 갖는 보호 회로이고, 기준 전압을 받는 에러 앰프의 제 1 입력 단자는 이차 전지에 전기적으로 접속되고, 귀환 신호를 받는 에러 앰프의 제 2 입력 단자는 레지스터와 방전 제어용 트랜지스터를 연결하는 배선에 전기적으로 접속되는 보호 회로이다.

또한 이차 전지에 보호 회로가 제공된 이차 전지 모듈도 본 발명의 하나이고, 그 구성은 이차 전지와, 이차 전지에 전기적으로 접속된 과충전 검출 회로와, 이차 전지에 전기적으로 접속된 과방전 검출 회로와, 이차 전지에 전기적으로 접속된 방전 제어용 트랜지스터와, 상기 트랜지스터에 직렬로 접속된 충전 제어용 트랜지스터를 적어도 포함하고, 충전 제어용 트랜지스터의 게이트는 에러 앰프의 출력 단자에 접속되고, 에러 앰프의 출력 단자는 과충전 검출 회로에 전기적으로 접속되고, 방전 제어용 트랜지스터의 게이트는 과방전 검출 회로에 전기적으로 접속되고, 이차 전지와 방전 제어용 트랜지스터 사이에 레지스터를 갖고, 기준 전압을 받는 에러 앰프의 제 1 입력 단자는 이차 전지에 전기적으로 접속되고, 귀환 신호를 받는 에러 앰프의 제 2 입력 단자는 레지스터와 방전 제어용 트랜지스터를 연결하는 배선에 전기적으로 접속되는 이차 전지 모듈이다.

상기 구성에서, 에러 앰프에 설정되는 충전 전류값은 메인 제어 회로의 DA 컨버터의 전압에 따라 제어된다. 메인 제어 회로는 보호 회로의 일부를 구성하고, 마이크로컴퓨터가 사용될 수 있다. 또한 메인 제어 회로에는 Noff-CPU(노멀리 오프 CPU)를 사용할 수 있다. 또한 노멀리 오프 CPU란, 게이트 전압이 0V이어도 비도통 상태(오프 상태라고도 함)인 노멀리 오프형 트랜지스터를 포함하는 집적 회로이다. 노멀리 오프형 트랜지스터는 산화물 반도체를 반도체층에 사용함으로써 실현될 수 있다.

상기 구성에서, 보호 회로는 콤퍼레이터, 지연 검출 논리 회로, 발진 회로, 잔량계용 회로, 온도 검출 연산 회로를 더 가져도 좋다.

종래에는 이차 전지에 보호 회로가 제공된 이차 전지 모듈에 대하여 충전 제어 회로만이 충전 제어를 수행하였다. 따라서 이차 전지를 전원으로 하는 기기를 사용하는 사용자가 이차 전지의 열화로 이어지는 충전 제어를 수행할 가능성이 있다.

충전 제어 회로는 두 가지 충전 방법, 구체적으로는 정전류 충전과 정전압 충전을 사용하는 CCCV 충전, 즉 처음에 정전류 충전을 수행한 다음, 어떤 전압값에서 전환하여 정전압 충전을 수행하여 충전을 한다. 또한 충전 제어 회로는 이차 전지의 전압을 검출하여 어떤 최대 전압값을 초과하지 않도록 파워 트랜지스터(파워 MOS라고도 함)를 제어하고 충전을 정지하는 기능도 갖는다. 종래에는 파워 MOS는 배터리 컷오프 스위치로서 사용되었다.

본 발명의 하나에서는, 파워 MOS가 배터리 컷오프 스위치의 기능뿐만 아니라, 충전 전류 제어 회로(구체적으로는 에러 앰프를 포함하는 회로)에 의하여 이차 전지를 흐르는 전류값을 결정하는 기능도 갖는다.

또한 파워 MOS 등의 파워 디바이스에는 실리콘이 주로 사용되어 있고, N채널형 MOSFET나 P채널형 MOSFET를 구성하면 좋고, 다른 재료로서는 SiC나 GaN을 사용할 수 있다. 또한 In, Ga, Zn을 포함하는 산화물 반도체 재료를 사용할 수도 있다.

또한 파워 MOS에 산화물 반도체 재료를 사용하는 경우, 이차 전지를 흐르는 전류값을 아날로그 제어할 수도 있다.

산화물 반도체를 사용한 트랜지스터를 포함하는 메모리 회로를 갖는 충전 제어용 회로 또는 전지 제어 시스템을 BTOS(Battery operating system 또는 Battery oxide semiconductor)라고 하는 경우가 있다.

또한 상기 충전 제어 회로에서는, 미리 결정한 문턱 전류를 설정하여 전류값을 검출함으로써 돌발적인 이상, 구체적으로는 마이크로 단락 등을 검출할 수도 있다. 마이크로 단락이 발생되면 내부 저항이 낮아지기 때문에, 정상적인 이차 전지를 흐르는 전류량이 상대적으로 작아져, 이상이 발생한 이차 전지에 많은 전류가 흐르게 되므로 위험하다. 상기 충전 제어 회로에서는, 전류는 제어된 값으로 유지되고, 전류값을 모니터할 수도 있다. 마이크로 단락 등을 검출함으로써, 이차 전지의 이상을 조기에 검출할 수 있다.

마이크로 단락이란 이차 전지 내부에서의 미소한 단락을 의미하고, 이차 전지의 양극과 음극의 단락으로 인하여 충방전을 할 수 없게 될 정도는 아니지만, 미소한 단락 부분에서 단락 전류가 단기간 흐르는 현상을 말한다. 마이크로 단락의 원인은, 충방전이 복수 회 수행됨으로써 열화되고, 리튬이나 코발트 등의 금속 원소가 전지 내부에서 석출되고, 석출물이 성장됨으로써 양극의 일부와 음극의 일부에서 국소적인 전류의 집중이 발생하여, 세퍼레이터에서 기능을 정지하는 부분이 발생하는 것 또는 부반응물이 발생하는 것에 있다고 추정되어 있다.

도 14에는 충전 도중에 마이크로 단락이 시사되는 충전 커브의 일례를 나타내었다. 도 14에서 가로축은 이차 전지의 충전 용량(Cb)을 나타내고, 세로축은 이차 전지의 전압(Vb)을 나타낸다. 파선의 동그라미로 둘러싼 영역 등에서 마이크로 단락이 시사된다.

이차 전지의 열화의 정도를 감시하면서 충전 전류를 조절하는 충전 제어를 수행함으로써, 충전 제어 시스템의 수명을 종합적으로 향상시킬 수 있다.

또한 마이크로 단락 등을 검출함으로써 이차 전지의 이상을 조기에 검출하여, 안전한 충전 조건으로의 변경 또는 충전의 정지를 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 형태를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 형태를 나타낸 회로도의 일례이다.
도 3의 (A), (B), (C)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다.
도 4의 (A), (B), (C)는 이차 전지의 충전 방법을 설명하는 도면이다.
도 5의 (A), (B)는 이차 전지의 충전 커브 및 이차 전지의 방전 커브를 나타낸 것이다.
도 6의 (A), (B), (C)는 코인형 이차 전지를 설명하는 도면이다.
도 7의 (A), (B), (C), (D)는 원통형 이차 전지를 설명하는 도면이다.
도 8의 (A), (B)는 이차 전지의 예를 설명하는 도면이다.
도 9의 (A), (B), (C)는 이차 전지의 예를 설명하는 도면이다.
도 10의 (A), (B), (C)는 래미네이트형 이차 전지를 설명하는 도면이다.
도 11의 (A), (B)는 래미네이트형 이차 전지를 설명하는 도면이다.
도 12의 (A), (B), (C), (D), (E)는 본 발명의 일 형태의 이차 전지 모듈을 갖는 소형 전자 기기 및 차량의 예를 설명하는 도면이다.
도 13의 (A), (B), (C)는 본 발명의 일 형태의 이차 전지 모듈을 갖는 차량 및 주택의 예를 설명하는 도면이다.
도 14는 충전 커브를 설명하는 도면이다.

이하에서는, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 사용하여 자세히 설명한다. 다만 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있다. 또한 본 발명은 이하의 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.

(실시형태 1)

도 1을 참조하여 본 실시형태에 따른 보호 회로(13)에 대하여 설명한다.

본 실시형태에서는, 보호 회로(13)를 하나의 보호 IC로서 이차 전지에 전기적으로 접속시키는 예를 설명한다. 이차 전지에 보호 IC가 실장된 이차 전지 모듈을 휴대 정보 단말기 등에 메인 전원으로서 탑재하는 예를 설명한다.

이차 전지에는 충전 제어 회로가 접속되어 있고, 충전 제어 회로는 이차 전지의 전압을 검출하여 어떤 최대 전압값을 초과하지 않도록 파워 MOS(12)를 제어하고 충전을 정지하는 기능을 갖는다.

파워 MOS(12)는 2개의 트랜지스터로 구성되고, 충전 제어용 트랜지스터와 방전 제어용 트랜지스터가 직렬로 접속되어 있다. 본 실시형태에서는 파워 MOS(12)와 보호 회로(13)는 각각 다른 IC이다. 과충전 검출 회로(15)와 충전 제어용 트랜지스터의 게이트가 전기적으로 접속되어 있고, 과충전을 검출한 경우에는, 충전 제어용 트랜지스터를 오프 상태로 하는 게이트 전압을 인가함으로써 전류를 차단한다. 또한 과방전 검출 회로(17)와 방전 제어용 트랜지스터의 게이트가 전기적으로 접속되어 있고, 과방전을 검출한 경우에는, 방전 제어용 트랜지스터를 오프 상태로 하는 게이트 전압을 인가함으로써 전류를 차단한다.

또한 메인 제어 회로(16)는 CPU(Central Processing Unit), 메모리, AD 컨버터, DA 컨버터 등을 포함하는 마이크로컴퓨터가 실장된 실장 기판의 회로라고도 할 수 있다. 메인 제어 회로(16)는 충전 시에 이차 전지의 열화의 정도를 추정할 수 있다. 또한 메인 제어 회로(16)에 노멀리 오프 CPU를 사용하는 경우, 충전 시 이외에는 오프 상태로 함으로써 전력의 사용을 최소한으로 할 수 있다.

메인 제어 회로(16)는 이차 전지의 전류, 전압, 온도 등을 모니터하고, 전지 모델 등을 사용한 전지의 열화의 정도를 추정할 수 있다. 예를 들어 회귀 모델, 예를 들어 칼만 필터를 사용한 전지의 내부 상태(내부 저항, SOC 등)를 추정하고, 추정된 내부 저항값 등으로부터 전지의 열화의 정도를 추정하고, 열화의 정도와 내부 상태(내부 저항, SOC, 온도 등)에 따른 충전 전류값을 계산하고, 그 값을 충전 전류 제어 회로(18)에 설정한다.

칼만 필터는 무한 임펄스 응답 필터의 1종이다. 또한 중회귀 분석은 다변량 해석의 하나이고, 회귀 분석의 독립 변수를 복수로 한 것이다. 중회귀 분석으로서는 최소 제곱법 등이 있다. 회귀 분석에서는 관측값의 시계열이 많이 필요하지만, 칼만 필터는 어느 정도의 데이터의 축적이 있기만 하면 축차적으로 최적의 보정 계수를 얻을 수 있다는 장점을 갖는다. 또한 칼만 필터는 비정상(非定常) 시계열에도 적용할 수 있다.

이차 전지의 내부 저항 및 충전율(SOC)을 추정하는 방법으로서는, 비선형 칼만 필터(구체적으로는 무향 칼만 필터(UKF라고도 함))를 이용할 수 있다. 또한 확장 칼만 필터(EKF라고도 함)를 이용할 수도 있다.

칼만 필터를 사용하여 이차 전지의 내부 저항 및 SOC를 추정할 수 있다. 이차 전지의 내부 저항 및 SOC를 추정하는 경우에는 사후 상태 추정값을 출력으로서 취급하면 좋다.

충전 전류 제어 회로(18)는 특별히 한정되지 않지만, 에러 앰프 등을 사용할 수 있다. 에러 앰프에는, 비반전 단자에 입력된 기준 전압(Vref)과, 반전 단자에 입력된 귀환 전압(Vfb)이 입력된다. 또한 에러 앰프의 전원 전압(Vdd)은 예를 들어 메인 제어 회로(16)의 CPU 등에 의하여 생성된다.

충전 전류 제어 회로(18)는 파워 MOS(12)의 한쪽 트랜지스터, 즉 충전 제어 회로용 트랜지스터의 게이트에 접속되므로, 그 게이트에 인가하는 게이트 전압을 조절함으로써 이차 전지를 흐르는 전류량을 조절할 수 있다. 이와 같이 파워 MOS(12)를 사용하여 이차 전지를 흐르는 전류량을 조절하는 제어 방법을 파워 MOS(12)의 아날로그 제어라고도 한다.

도 1에 나타낸 구성으로 함으로써, 이차 전지의 열화의 정도에 따라 충전 시의 전류량을 자동 제어하는 이차 전지의 제어 시스템을 실현할 수 있다. 또한 여기서 자동 제어란, 휴대 정보 단말기의 메인 메모리 등에 미리 저장 또는 다운로드된 소프트웨어나, 플래시 메모리를 사용하지 않고 자동 제어하는 것을 가리킨다. 이차 전지를 제어하는 소프트웨어를 사용하여 제어하는 경우에는, 소프트웨어를 기동하기 위한 메모리 용량 등을 확보할 필요가 있기 때문에, 휴대 정보 단말기의 기능을 압박하고, 휴대 정보 단말기의 충전 중에 사용자가 다른 작업을 수행할 때의 처리 속도를 저하시킬 가능성이 있다. 플래시 메모리를 사용하는 경우, 이차 전지의 열화에 따라 플래시 메모리의 데이터를 재기록하고 기록 데이터값을 유지하기 때문에, 소비 전력이 커질 우려가 있다.

또한 충전 제어 회로(14)는 메인 기판에 실장하여도 좋고, 독립적으로 별도의 IC나 마이크로컴퓨터 등으로서 제공하여도 좋다. 충전 제어 회로(14)는 접속되는 이차 전지의 충방전 특성에 따라, 미리 결정된 충전 조건으로 충전하도록 회로 설계되어 있다. 이차 전지의 열화가 일어나도 충전 제어 회로(14)에 변경을 가하지 않고 보호 회로(13)를 포함하는 시스템에 의하여 충전 조건을 제어한다. 보호 회로(13)를 포함하는 시스템을 사용하면, 이차 전지의 열화가 어느 정도 진행된 경우에, 열화에 따라 충전 전류를 제어할 수 있다.

또한 파워 MOS(12)를 보호 회로(13)와 같은 기판에 실장하는 하나의 보호 IC로 할 수 있다. 또한 반도체층에 산화물 반도체를 사용하여 파워 MOS(12)를 제작하고 Si LSI 위에 적층 또는 혼합시킨 하이브리드 디바이스를 보호 IC로 하여도 좋다.

또한 레지스터(11)를 보호 회로(13)와 같은 기판에 실장하는 하나의 보호 IC로 할 수도 있다.

(실시형태 2)

본 실시형태에서는, 보호 회로의 일례를 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타낸 보호 회로는 VC 단자와 VSS 단자를 갖는다.

VC 단자는 이차 전지의 한쪽 단자에 전기적으로 접속되고, 과충전 검출 회로(25), 과방전 검출 회로(27)에 접속되어 있다.

과충전 검출 회로(25)는 히스테리시스 콤퍼레이터와, 히스테리시스 콤퍼레이터의 출력 단자에 게이트가 전기적으로 접속되는 트랜지스터를 적어도 포함하여 구성되어 있다.

과방전 검출 회로(27)는 히스테리시스 콤퍼레이터를 적어도 포함하여 구성되어 있다. 또한 히스테리시스 콤퍼레이터는 전위의 비교를 위하여 2개의 문턱값을 갖는 것을 특징으로 하는 회로이다.

VSS 단자에는 파워 MOS(22)와 레지스터(21)가 직렬로 접속되고, 이차 전지의 다른 한쪽 단자가 전기적으로 접속되어 있다.

본 실시형태에서는 충전 전류 제어 회로를 에러 앰프(28)로 구성하는 예를 설명한다. 에러 앰프(28)에는, 비반전 단자에 입력된 기준 전압(Vref)과, 반전 단자에 입력된 귀환 전압(Vfb)이 입력된다. 또한 에러 앰프(28)의 전원 전압(Vdd)은 예를 들어 메인 제어 회로(26)의 CPU 등에 의하여 생성된다. 또한 에러 앰프(28)의 출력은 파워 MOS(22)의 충전 제어용 트랜지스터의 게이트에 접속되어 있다.

메인 제어 회로(26)는 CPU, 메모리(RAM(Random Access Memory), ROM, 플래시 메모리 등), AD 컨버터, 및 DA 컨버터로 구성되어 있고, AD 컨버터는 전지의 전압, 전류, 및 온도를 계측하고, CPU는 전지의 열화의 정도를 추정(계산)하고, 열화의 정도와 내부 상태(내부 저항, SOC, 온도 등)에 따른 충전 전류값을 계산한다. 메인 제어 회로(26)는 CPU 대신 GPU(Graphics Processing Unit), PMU(Power Management Unit) 등)와 통합된 하나의 IC칩으로 하여도 좋다. 또한 메인 제어 회로(26)는 FPGA(field-programmable gate array) 디바이스로 하여도 좋다.

메인 제어 회로(26)는 에러 앰프(28)를 제어하여 충전 전류가 설정된 전류값을 초과하지 않도록 한다. 또한 에러 앰프(28)는 메인 제어 회로(26)의 DA 컨버터의 출력 전압에 따라 충전 전류를 제어하는 구성을 갖는다.

예를 들어 도 2에 나타낸 보호 회로를 사용하면, 이차 전지의 열화가 어느 정도 진행된 경우에, 열화에 따라 충전 전류를 제어할 수 있다.

충전 시작부터 첫 번째 CC 충전에서, 단자(VC) 또는 단자(VSS)에 접속되는 충전 제어 회로가 이차 전지에 흘리려고 하는 전류가 메인 제어 회로(26)에 의하여 설정된 전류값을 초과할 것 같으면, 충전 전류 제어 회로(에러 앰프(28))의 귀환 제어에 의하여 전류는 설정값으로 수렴되므로, 전압은 급속하게 상승하고 충전 제어 회로는 CV 충전 모드의 상태가 된다. 또한 충전 중, CC 충전이 CV 충전으로 전환되는 전압이 되기 전에 CV 충전이 되는 것을 CV 충전 모드라고 한다. CV 충전 모드 시에는 보호 회로 측에서 충전 조건을 임의로 변경할 수 있기 때문에 간헐 충전도 가능하다.

이하에서는, CC 충전 및 CV 충전에 대하여 설명한다.

[충방전 방법]

이차 전지의 충방전은 예를 들어 다음과 같이 수행할 수 있다.

우선, 충전 방법의 하나로서 CC 충전에 대하여 설명한다. CC 충전은, 충전 기간 전체에서 일정한 전류를 이차 전지에 흘리고, 소정의 전압이 되었을 때에 충전을 정지하는 충전 방법이다. 도 3의 (A)에 나타낸 바와 같이, 이차 전지를 내부 저항 R와 이차 전지 용량 C의 등가 회로로 가정한다. 이 경우, 이차 전지 전압 V_B는 내부 저항 R에 인가되는 전압 V_R와 이차 전지 용량 C에 인가되는 전압 V_C의 합이다.

CC 충전을 수행하는 기간에는, 도 3의 (A)에 나타낸 바와 같이 스위치가 온이 되므로, 일정한 전류 I가 이차 전지에 흐른다. 이 기간, 전류 I는 일정하기 때문에, V_R=R×I의 옴의 법칙에 따라 내부 저항 R에 인가되는 전압 V_R도 일정하다. 한편, 이차 전지 용량 C에 인가되는 전압 V_C는 시간의 경과에 따라 상승한다. 그러므로 이차 전지 전압 V_B는 시간의 경과에 따라 상승한다.

그리고 이차 전지 전압 V_B가 소정의 전압, 예를 들어 4.3V가 되었을 때에 충전을 정지한다. CC 충전을 정지하면, 도 3의 (B)에 나타낸 바와 같이 스위치가 오프가 되므로, 전류 I=0이 된다. 그러므로 내부 저항 R에 인가되는 전압 V_R가 0V가 된다. 따라서 이차 전지 전압 V_B가 하강한다.

CC 충전을 수행하는 기간과 CC 충전을 정지한 후의 이차 전지 전압 V_B와 충전 전류의 예를 도 3의 (C)에 나타내었다. CC 충전을 수행하는 기간에는 상승하고 있던 이차 전지 전압 V_B는, CC 충전을 정지한 후에 약간 저하되었다.

다음으로, 상기와 다른 충전 방법인 CCCV 충전에 대하여 설명한다. CCCV 충전은, 먼저 CC 충전으로 소정의 전압이 될 때까지 충전을 수행하고, 그 후에 CV 충전으로 흐르는 전류가 적어질 때까지, 구체적으로는 종지 전류값이 될 때까지 충전을 수행하는 충전 방법이다.

CC 충전을 수행하는 기간에는, 도 4의 (A)에 나타낸 바와 같이 정전류 전원의 스위치가 온이 되고, 정전압 전원의 스위치가 오프가 되므로, 일정한 전류 I가 이차 전지에 흐른다. 이 기간, 전류 I는 일정하기 때문에, V_R=R×I의 옴의 법칙에 따라 내부 저항 R에 인가되는 전압 V_R도 일정하다. 한편, 이차 전지 용량 C에 인가되는 전압 V_C는 시간의 경과에 따라 상승한다. 그러므로 이차 전지 전압 V_B는 시간의 경과에 따라 상승한다.

그리고 이차 전지 전압 V_B가 소정의 전압, 예를 들어 4.3V가 되었을 때에 CC 충전을 CV 충전으로 전환한다. CV 충전을 수행하는 기간에는, 도 4의 (B)에 나타낸 바와 같이 정전압 전원의 스위치가 온이 되고, 정전류 전원의 스위치가 오프가 되므로, 이차 전지 전압 V_B가 일정하게 된다. 한편, 이차 전지 용량 C에 인가되는 전압 V_C는 시간의 경과에 따라 상승한다. V_B=V_R+V_C이기 때문에, 내부 저항 R에 인가되는 전압 V_R는 시간의 경과에 따라 작아진다. 내부 저항 R에 인가되는 전압 V_R가 작아짐에 따라, V_R=R×I의 옴의 법칙에 따라 이차 전지를 흐르는 전류 I도 작아진다.

그리고 이차 전지를 흐르는 전류 I가 소정의 전류, 예를 들어 0.01C 상당의 전류가 되었을 때에 충전을 정지한다. CCCV 충전을 정지하면, 도 4의 (C)에 나타낸 바와 같이 모든 스위치가 오프가 되므로, 전류 I=0이 된다. 그러므로 내부 저항 R에 인가되는 전압 V_R가 0V가 된다. 그러나 CV 충전에 의하여 내부 저항 R에 인가되는 전압 V_R가 충분히 작아지기 때문에, 내부 저항 R에서의 전압 강하가 일어나지 않아도 이차 전지 전압 V_B는 거의 강하하지 않는다.

CCCV 충전을 수행하는 기간과 CCCV 충전을 정지한 후의 이차 전지 전압 V_B와 충전 전류의 예를 도 5의 (A)에 나타내었다. CCCV 충전을 정지하여도 이차 전지 전압 V_B는 거의 강하하지 않았다.

다음으로, 방전 방법의 하나인 CC 방전에 대하여 설명한다. CC 방전은, 방전 기간 전체에서 일정한 전류를 이차 전지로부터 흘리고, 이차 전지 전압 V_B가 소정의 전압, 예를 들어 2.5V가 되었을 때에 방전을 정지하는 방전 방법이다.

CC 방전을 수행하는 기간의 이차 전지 전압 V_B와 방전 전류의 예를 도 5의 (B)에 나타내었다. 방전이 진행됨에 따라, 이차 전지 전압 V_B는 강하하였다.

다음으로, 방전 레이트 및 충전 레이트에 대하여 설명한다. 방전 레이트란, 전지 용량에 대한 방전 시의 전류의 상대적인 비율이고, 단위 C로 나타내어진다. 정격 용량 X(Ah)의 전지에서 1C 상당의 전류는 X(A)이다. 2X(A)의 전류로 방전시킨 경우에는 2C로 방전시켰다고 하고, X/5(A)의 전류로 방전시킨 경우에는 0.2C로 방전시켰다고 한다. 또한 충전 레이트도 마찬가지이고, 2X(A)의 전류로 충전시킨 경우에는 2C로 충전시켰다고 하고, X/5(A)의 전류로 충전시킨 경우에는 0.2C로 충전시켰다고 한다.

본 실시형태는 실시형태 1과 자유롭게 조합할 수 있다.

(실시형태 3)

코인형 이차 전지의 일례에 대하여 설명한다. 도 6의 (A)는 코인형(단층 편평형) 이차 전지의 외관도이고, 도 6의 (B)는 그 단면도이다.

코인형 이차 전지(300)에서는, 양극 단자를 겸하는 양극 캔(301)과, 음극 단자를 겸하는 음극 캔(302)이, 폴리프로필렌 등으로 형성된 개스킷(303)에 의하여 절연되고 밀봉되어 있다. 양극(304)은 양극 집전체(305)와, 이와 접하도록 제공된 양극 활물질층(306)으로 형성된다. 또한 음극(307)은 음극 집전체(308)와, 이와 접하도록 제공된 음극 활물질층(309)으로 형성된다.

또한 코인형 이차 전지(300)에 사용되는 양극(304) 및 음극(307)의 한쪽 면에만 활물질층을 각각 형성하면 좋다.

양극 캔(301), 음극 캔(302)에는 전해액에 대하여 내식성이 있는 니켈, 알루미늄, 타이타늄 등의 금속, 또는 이들의 합금이나, 이들과 다른 금속의 합금(예를 들어 스테인리스강 등)을 사용할 수 있다. 또한 전해액으로 인한 부식을 방지하기 위하여 니켈이나 알루미늄 등으로 피복하는 것이 바람직하다. 양극 캔(301)은 양극(304)에 전기적으로 접속되고, 음극 캔(302)은 음극(307)에 전기적으로 접속된다.

이들 음극(307), 양극(304), 및 세퍼레이터(310)를 전해질에 함침(含浸)시키고, 도 6의 (B)에 나타낸 바와 같이 양극 캔(301)을 아래로 하여 양극(304), 세퍼레이터(310), 음극(307), 음극 캔(302)을 이 순서대로 적층하고, 양극 캔(301)과 음극 캔(302)을 개스킷(303)을 개재(介在)하여 압착함으로써 코인형 이차 전지(300)를 제작한다.

여기서, 도 6의 (C)를 사용하여 이차 전지의 충전 시의 전류의 흐름에 대하여 설명한다. 리튬을 사용한 이차 전지를 하나의 폐회로로 간주하였을 때, 리튬 이온의 움직임과 전류의 흐름은 같은 방향이 된다. 또한 리튬을 사용한 이차 전지에서는, 충전과 방전에서 애노드(양극)와 캐소드(음극)가 교체되고, 산화 반응과 환원 반응이 교체되기 때문에, 반응 전위가 높은 전극을 양극이라고 하고, 반응 전위가 낮은 전극을 음극이라고 한다. 따라서 본 명세서에서는 충전 중이어도, 방전 중이어도, 역 펄스 전류를 흘리는 경우에도, 충전 전류를 흘리는 경우에도, 양극은 "양극" 또는 "+극(플러스극)"이라고 하고, 음극은 "음극" 또는 "-극(마이너스극)"이라고 한다. 산화 반응이나 환원 반응에 관련된 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어를 사용하면, 충전 시와 방전 시에서 반대가 되어 혼란을 일으킬 가능성이 있다. 따라서 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어는 본 명세서에서는 사용하지 않는 것으로 한다. 만약에 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어를 사용하는 경우에는, 충전 시인지 방전 시인지를 명기하고, 양극(플러스극) 및 음극(마이너스극) 중 어느 쪽에 대응하는 것인지에 대해서도 병기하는 것으로 한다.

도 6의 (C)에 나타낸 2개의 단자에는 충전기가 접속되고, 이차 전지(300)가 충전된다. 이차 전지(300)의 충전이 진행되면, 전극 간의 전위차는 커진다.

[원통형 이차 전지]

다음으로, 원통형 이차 전지의 예에 대하여 도 7을 참조하여 설명한다. 원통형 이차 전지(600)는 도 7의 (A)에 나타낸 바와 같이, 상면에 양극 캡(전지 뚜껑)(601)을 갖고, 측면 및 밑면에 전지 캔(외장 캔)(602)을 갖는다. 이들 양극 캡과 전지 캔(외장 캔)(602)은 개스킷(절연 패킹)(610)에 의하여 절연된다.

도 7의 (B)는 원통형 이차 전지의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 중공 원통형 전지 캔(602)의 안쪽에는, 세퍼레이터(605)를 사이에 두고 띠 형상의 양극(604)과 음극(606)이 권회된 전지 소자가 제공되어 있다. 도시하지 않았지만, 전지 소자는 센터 핀을 중심으로 하여 권회되어 있다. 전지 캔(602)은 한끝이 닫혀 있고, 다른 한끝이 열려 있다. 전지 캔(602)에는 전해액에 대하여 내부식성이 있는 니켈, 알루미늄, 타이타늄 등의 금속, 또는 이들의 합금이나, 이들과 다른 금속의 합금(예를 들어 스테인리스강 등)을 사용할 수 있다. 또한 전해액으로 인한 부식을 방지하기 위하여 니켈이나 알루미늄 등으로 피복하는 것이 바람직하다. 전지 캔(602)의 안쪽에서 양극, 음극, 및 세퍼레이터가 권회된 전지 소자는 대향하는 한 쌍의 절연판(608, 609) 사이에 끼워진다. 또한 전지 소자가 제공된 전지 캔(602)의 내부에는 비수전해액(도시하지 않았음)이 주입되어 있다. 비수전해액으로서는, 코인형 이차 전지와 같은 것을 사용할 수 있다.

원통형 축전지에 사용되는 양극 및 음극은 권회되기 때문에, 집전체의 양면에 활물질을 형성하는 것이 바람직하다. 양극(604)에는 양극 단자(양극 집전 리드)(603)가 접속되고, 음극(606)에는 음극 단자(음극 집전 리드)(607)가 접속된다. 양극 단자(603) 및 음극 단자(607)에는 각각 알루미늄 등의 금속 재료를 사용할 수 있다. 양극 단자(603)는 안전 밸브 기구(612)에, 음극 단자(607)는 전지 캔(602)의 바닥에 각각 저항 용접된다. 안전 밸브 기구(612)는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(611)를 통하여 양극 캡(601)에 전기적으로 접속되어 있다. 안전 밸브 기구(612)는 전지의 내압 상승이 소정의 문턱값을 초과한 경우에, 양극 캡(601)과 양극(604) 사이의 전기적인 접속을 절단하는 것이다. 또한 PTC 소자(611)는 온도가 상승한 경우에 저항이 증대되는 열감 저항 소자이며, 저항의 증대에 따라 전류량을 제한하여 이상 발열을 방지하는 것이다. PTC 소자에는 타이타늄산 바륨(BaTiO₃)계 반도체 세라믹 등을 사용할 수 있다.

또한 도 7의 (C)와 같이, 복수의 이차 전지(600)를 도전판(613)과 도전판(614) 사이에 끼워 모듈(615)을 구성하여도 좋다. 복수의 이차 전지(600)는 병렬로 접속되어도 좋고, 직렬로 접속되어도 좋고, 병렬로 접속된 후 직렬로 접속되어도 좋다. 복수의 이차 전지(600)를 갖는 모듈(615)을 구성함으로써, 큰 전력을 추출할 수 있다.

도 7의 (D)는 모듈(615)의 상면도이다. 도면을 명료화하기 위하여 도전판(613)을 점선으로 나타내었다. 도 7의 (D)에 나타낸 바와 같이 모듈(615)은 복수의 이차 전지(600)를 전기적으로 접속하는 도선(導線)(616)을 가져도 좋다. 도선(616) 위에 도전판을 중첩하여 제공할 수 있다. 또한 복수의 이차 전지(600) 사이에 온도 제어 장치(617)를 가져도 좋다. 이차 전지(600)가 과열되었을 때에는 온도 제어 장치(617)에 의하여 냉각하고, 이차 전지(600)가 지나치게 냉각되었을 때에는 온도 제어 장치(617)에 의하여 가열할 수 있다. 그러므로 모듈(615)의 성능이 외기 온도의 영향을 받기 어려워진다. 온도 제어 장치(617)가 갖는 열 매체는 절연성과 불연성을 갖는 것이 바람직하다.

[이차 전지의 구조예]

이차 전지의 다른 구조예에 대하여 도 8 및 도 9를 사용하여 설명한다.

도 8의 (A) 및 (B)는 이차 전지의 외관도이다. 이차 전지는 회로 기판(900)과 이차 전지(913)를 갖는다. 이차 전지(913)에는 라벨(910)이 붙어 있다. 또한 도 8의 (B)에 나타낸 바와 같이, 이차 전지는 단자(951)와, 단자(952)와, 안테나(914)와, 안테나(915)를 갖는다.

회로 기판(900)은 단자(911)와 회로(912)를 갖는다. 단자(911)는 단자(951), 단자(952), 안테나(914), 안테나(915), 및 회로(912)에 접속된다. 또한 단자(911)를 복수로 제공하고, 복수의 단자(911) 각각을 제어 신호 입력 단자, 전원 단자, 온도 검출 단자(T단자라고도 함) 등으로 하여도 좋다.

회로(912)는 과충전 검출 회로, 과방전 검출 회로, 또는 파워 MOS 등을 포함하는 보호 회로이다. 보호 회로가 실장되는 회로 기판(900)에는 다이오드나, 레지스터나, 서미스터(온도 센서 등) 등을 제공하여도 좋다. 온도에 따라 변화되는 서미스터의 저항값을 검출하고, 그 저항값이 문턱값(충전 온도 범위)을 초과하면 충전을 정지하도록 회로(912)가 설계되어 있다.

회로(912)는 회로 기판(900)의 이면에 제공되어도 좋다. 또한 안테나(914) 및 안테나(915)는 코일형에 한정되지 않고, 예를 들어 선형, 판형이어도 좋다. 또한 평면 안테나, 개구면 안테나, 진행파 안테나, EH 안테나, 자기장 안테나, 유전체 안테나 등의 안테나를 사용하여도 좋다. 또는 안테나(914) 또는 안테나(915)는 평판 형상의 도체이어도 좋다. 이 평판 형상의 도체는 전계 결합용 도체의 하나로서 기능할 수 있다. 즉, 콘덴서가 갖는 2개의 도체 중 하나의 도체로서 안테나(914) 또는 안테나(915)를 기능시켜도 좋다. 이로써, 전자기장, 자기장뿐만 아니라 전계에 의한 전력의 송수신도 가능하다.

안테나(914)의 선폭은 안테나(915)의 선폭보다 큰 것이 바람직하다. 이에 의하여, 안테나(914)에 의하여 수전하는 전력량을 늘릴 수 있다.

이차 전지는 안테나(914) 및 안테나(915)와 이차 전지(913) 사이에 층(916)을 갖는다. 층(916)은 예를 들어 전자기장에 대한 이차 전지(913)의 영향을 방지할 수 있는 기능을 갖는다. 층(916)으로서는, 예를 들어 자성체를 사용할 수 있다.

또한 이차 전지의 구조는 도 8에 한정되지 않는다.

이차 전지(913)의 구조예에 대하여 도 9를 사용하여 설명한다.

도 9를 사용하여 래미네이트형 이차 전지(980)에 대하여 설명한다. 래미네이트형 이차 전지(980)는 도 9의 (A)에 나타낸 권회체(993)를 갖는다. 권회체(993)는 음극(994)과, 양극(995)과, 세퍼레이터(996)를 갖는다. 권회체(993)는 세퍼레이터(996)를 사이에 두고 음극(994)과 양극(995)이 중첩되어 적층되고, 이 적층 시트를 권회시킨 것이다.

도 9의 (B)에 나타낸 바와 같이, 외장체가 되는 필름(981)과, 오목부를 갖는 필름(982)을 열 압착 등에 의하여 접합하여 형성되는 공간에 상술한 권회체(993)를 수납함으로써, 도 9의 (C)에 나타낸 바와 같이 이차 전지(980)를 제작할 수 있다. 권회체(993)는 리드 전극(997) 및 리드 전극(998)을 갖고, 필름(981)과, 오목부를 갖는 필름(982)의 내부에서 전해액에 함침된다.

필름(981)과, 오목부를 갖는 필름(982)에는, 예를 들어 알루미늄 등의 금속 재료나 수지 재료를 사용할 수 있다. 필름(981) 및 오목부를 갖는 필름(982)의 재료로서 수지 재료를 사용하면, 외부로부터 힘이 가해졌을 때에, 필름(981)과, 오목부를 갖는 필름(982)을 변형시킬 수 있으므로, 가요성을 갖는 축전지를 제작할 수 있다.

또한 도 9의 (B) 및 (C)에는 밀봉을 위하여 2장의 필름을 사용하는 예를 나타내었지만, 1장의 필름을 접어서 공간을 형성하고, 이 공간에 상술한 권회체(993)를 수납하여도 좋다.

또한 도 9에는 외장체가 되는 필름에 의하여 형성된 공간에 권회체를 갖는 이차 전지(980)의 예를 나타내었지만, 예를 들어 도 10과 같이, 외장체가 되는 필름에 의하여 형성된 공간에 복수의 양극, 세퍼레이터, 및 음극을 갖는 이차 전지로 하여도 좋다.

도 10의 (A)에 L자상의 양극 집전체(701) 및 양극 활물질층(702)을 갖는 양극을 나타내었다. 또한 양극은 양극 집전체(701)가 일부 노출된 영역(이하, 탭(tab) 영역이라고 함)을 갖는다. 또한 도 10의 (B)에 L자상의 음극 집전체(704) 및 음극 활물질층(705)을 갖는 음극을 나타내었다. 음극은 음극 집전체(704)가 일부 노출된 영역, 즉 탭 영역을 갖는다.

도 10의 (C)는 양극(703)을 4층, 음극(706)을 4층 각각 적층시킨 경우의 사시도이다. 또한 도 10의 (C)에서는, 간략화를 위하여, 양극(703)과 음극(706) 사이에 제공되는 세퍼레이터는 점선으로 나타내었다.

도 11의 (A)에 나타낸 래미네이트형 이차 전지는 L자상의 양극 집전체(701) 및 양극 활물질층(702)을 갖는 양극(703)과, L자상의 음극 집전체(704) 및 음극 활물질층(705)을 갖는 음극(706)과, 세퍼레이터(707)와, 전해액(708)과, 외장체(709)를 갖는다. 외장체(709) 내부에 제공된 양극(703)과 음극(706) 사이에 세퍼레이터(707)가 설치되어 있다. 또한 외장체(709) 내부는 전해액(708)으로 채워져 있다.

도 11의 (A)에 나타낸 래미네이트형 이차 전지에서, 양극 집전체(701) 및 음극 집전체(704)는, 외부와 전기적으로 접촉되는 단자로서의 역할도 겸한다. 그러므로 양극 집전체(701) 및 음극 집전체(704)의 일부는, 외장체(709)로부터 외측으로 노출되도록 배치되어도 좋다. 또한 양극 집전체(701) 및 음극 집전체(704)를 외장체(709)로부터 외측으로 노출시키지 않고, 리드 전극을 사용하여 이 리드 전극과 양극 집전체(701) 또는 음극 집전체(704)를 초음파 접합시켜 리드 전극이 외측으로 노출되도록 하여도 좋다.

래미네이트형 이차 전지에서, 외장체(709)로서는 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 이오노머, 폴리아마이드 등의 재료로 이루어지는 막 위에 알루미늄, 스테인리스, 구리, 니켈 등의 가요성이 뛰어난 금속 박막을 제공하고, 이 금속 박막 위에 외장체의 외면으로서 폴리아마이드계 수지, 폴리에스터계 수지 등의 절연성 합성 수지막을 제공한 3층 구조의 래미네이트 필름을 사용할 수 있다.

또한 래미네이트형 이차 전지의 단면 구조의 일례를 도 11의 (B)에 나타내었다. 도 11의 (A)에서는 간략화를 위하여 생략하였지만, 실제로는 복수의 전극층으로 구성된다.

도 11의 (B)에서는, 일례로서, 전극층의 개수를 16층으로 하였다. 도 11의 (B)에서는 음극 집전체(704) 8층과 양극 집전체(701) 8층의 총 16층의 구조를 나타내었다. 또한 도 11의 (B)는 도 11의 (A)의 쇄선을 따라 절단한 양극의 추출 부분의 단면을 나타낸 것이고, 8층의 음극 집전체(704)가 초음파 접합되어 있다. 물론, 전극층의 개수는 16층에 한정되지 않으며, 많아도 좋고 적어도 좋다. 전극층의 개수가 많은 경우에는, 더 용량이 큰 이차 전지로 할 수 있다. 또한 전극층의 개수가 적은 경우에는, 얇게 할 수 있다.

(실시형태 4)

본 실시형태에서는, 도 12 및 도 13을 사용하여, 앞의 실시형태에서 설명한 이차 전지 모듈을 전자 기기에 실장하는 예에 대하여 설명한다. 또한 이차 전지 모듈은 적어도 이차 전지와 보호 회로를 갖는다.

먼저 도 12의 (A) 내지 (C)를 사용하여, 본 발명의 일 형태인 이차 전지 모듈을 소형 전자 기기에 실장하는 예에 대하여 설명한다.

도 12의 (A)는 휴대 전화기의 일례를 나타낸 것이다. 휴대 전화기(2100)는 하우징(2101)에 제공된 표시부(2102) 외에도, 조작 버튼(2103), 외부 접속 포트(2104), 스피커(2105), 마이크로폰(2106) 등을 갖는다. 또한 휴대 전화기(2100)는 이차 전지 모듈(2107)을 갖는다.

휴대 전화기(2100)는 이동 전화, 전자 메일, 문장 열람 및 작성, 음악 재생, 인터넷 통신, 컴퓨터 게임 등의 다양한 애플리케이션을 실행할 수 있다.

조작 버튼(2103)은 시각 설정 외에, 전원의 온/오프 동작, 무선 통신의 온/오프 동작, 매너 모드의 실행 및 해제, 전력 절약 모드의 실행 및 해제 등, 다양한 기능을 가질 수 있다. 예를 들어 휴대 전화기(2100)에 제공된 운영 체계에 의하여, 조작 버튼(2103)의 기능을 자유로이 설정할 수도 있다.

또한 휴대 전화기(2100)는 통신 규격에 따른 근거리 무선 통신을 실행할 수 있다. 예를 들어 무선 통신이 가능한 헤드세트와 상호 통신함으로써 핸즈프리로 통화할 수도 있다.

또한 휴대 전화기(2100)는 외부 접속 포트(2104)를 갖고, 커넥터를 통하여 다른 정보 단말기와 직접 데이터를 송수신할 수 있다. 또한 외부 접속 포트(2104)를 통하여 충전을 할 수도 있다. 또한 충전 동작은 외부 접속 포트(2104)를 통하지 않고 무선 급전으로 수행하여도 좋다.

휴대 전화기(2100)는 센서를 갖는 것이 바람직하다. 센서로서는, 예를 들어 지문 센서, 맥박 센서, 체온 센서 등의 인체 센서나, 터치 센서, 가압 센서, 가속도 센서 등이 탑재되는 것이 바람직하다.

도 12의 (B)는 담배 흡연 장치(전자 담배)라고도 불리는 장치의 사시도이다. 도 12의 (B)에서 전자 담배(2200)는 가열 소자(2201)와, 가열 소자(2201)에 전력을 공급하는 이차 전지 모듈(2204)을 갖는다. 이에 스틱(2202)을 삽입하면, 스틱(2202)은 가열 소자(2201)에 의하여 가열된다. 안전성을 높이기 위하여, 이차 전지 모듈(2204)의 과충전이나 과방전을 방지하는 보호 회로를 이차 전지 모듈(2204)에 전기적으로 접속하여도 좋다. 도 12의 (B)에 나타낸 이차 전지 모듈(2204)은 충전 기기에 접속될 수 있도록 외부 단자를 갖는다. 들었을 때 이차 전지 모듈(2204)은 선단 부분이 되기 때문에, 총길이가 짧으며 중량이 가벼운 것이 바람직하다. 본 발명의 일 형태의 이차 전지 모듈은 안전성이 높기 때문에, 장기간에 걸쳐 장시간 안전하게 사용할 수 있는 소형이며 경량의 전자 담배(2200)를 제공할 수 있다.

도 12의 (C)는 복수의 로터(2302)를 갖는 무인 항공기(2300)를 나타낸 것이다. 무인 항공기(2300)는 본 발명의 일 형태인 이차 전지 모듈(2301)과, 카메라(2303)와, 안테나(도시하지 않았음)를 갖는다. 무인 항공기(2300)는 안테나를 통하여 원격 조작할 수 있다. 본 발명의 일 형태의 이차 전지 모듈은 안전성이 높기 때문에, 장기간에 걸쳐 장시간 안전하게 사용할 수 있고, 무인 항공기(2300)에 탑재되는 이차 전지 모듈로서 적합하다.

다음으로, 도 12의 (D), (E), 및 도 13을 사용하여, 본 발명의 일 형태인 이차 전지 모듈을 차량에 실장하는 예에 대하여 설명한다.

도 12의 (D)는 본 발명의 일 형태의 이차 전지 모듈을 사용한 전기 이륜차(2400)를 나타낸 것이다. 전기 이륜차(2400)는 본 발명의 일 형태인 이차 전지 모듈(2401), 표시부(2402), 핸들(2403)을 갖는다. 이차 전지 모듈(2401)은 동력이 되는 모터에 전기를 공급할 수 있다. 표시부(2402)는 이차 전지 모듈(2401)의 배터리 잔량, 전기 이륜차(2400)의 속도, 수평 상태 등을 표시할 수 있다.

도 12의 (E)는 본 발명의 일 형태의 이차 전지 모듈을 사용한 전기 자전거의 일례를 나타낸 것이다. 전기 자전거(2500)는 전지 팩(2502)을 갖는다. 전지 팩(2502)은 본 발명의 일 형태의 이차 전지 모듈을 갖는다.

전지 팩(2502)은 운전자를 어시스트하는 모터에 전기를 공급할 수 있다. 또한 전지 팩(2502)은 전기 자전거(2500)에서 분리하고 들고 다닐 수 있다. 또한 전지 팩(2502) 및 전기 자전거(2500)는 배터리 잔량 등을 표시할 수 있는 표시부를 가져도 좋다.

또한 도 13의 (A)에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 형태의 이차 전지(2601)를 복수로 갖는 이차 전지 모듈(2602)을 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자동차(EV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV), 또는 그 외의 전자 기기에 탑재하여도 좋다.

도 13의 (B)에 이차 전지 모듈(2602)이 탑재된 차량의 일례를 나타내었다. 차량(2603)은 주행을 위한 동력원으로서 전기 모터를 사용하는 전기 자동차이다. 또는 주행을 위한 동력원으로서 전기 모터와 엔진을 적절히 선택하여 사용할 수 있는 하이브리드 자동차이다. 전기 모터를 사용하는 차량(2603)은 복수의 ECU(Electronic Control Unit)를 갖고, ECU에 의하여 엔진 제어 등을 수행한다. ECU는 마이크로컴퓨터를 포함한다. ECU는 전기 차량에 제공된 CAN(Controller Area Network)에 접속된다. CAN은 차량 내의 LAN으로서 사용되는 직렬 통신 규격의 하나이다. 본 발명의 일 형태를 사용함으로써, 안전성이 높고, 항속 거리가 긴 차량을 실현할 수 있다.

이차 전지는 전기 모터(도시하지 않았음)를 구동시킬 뿐만 아니라, 전조등이나 실내등 등의 발광 장치에 전력을 공급할 수 있다. 또한 이차 전지는 차량(2603)이 갖는 속도계, 회전 속도계, 내비게이션 시스템 등의 표시 장치 및 반도체 장치에 전력을 공급할 수 있다.

차량(2603)은 이차 전지 모듈(2602)이 갖는 이차 전지에 플러그인 방식이나 비접촉 급전 방식 등으로 외부의 충전 설비로부터 전력을 공급받음으로써 충전될 수 있다.

도 13의 (C)는 지상 설치형 충전 장치(2604)로부터 케이블을 통하여 차량(2603)을 충전하는 상태를 나타낸 것이다. 충전 시에는, 충전 방법이나 커넥터의 규격 등으로서 CHAdeMO(등록 상표)나 콤보 등의 소정의 방식을 적절히 사용하면 좋다. 예를 들어 플러그인 기술을 사용하여, 외부로부터의 전력 공급에 의하여 차량(2603)에 탑재된 이차 전지 모듈(2602)을 충전할 수 있다. 충전은 ACDC 컨버터 등의 변환 장치를 통하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환함으로써 수행할 수 있다. 충전 장치(2604)는 도 13의 (C)와 같이 주택에 구비된 것이어도 좋고, 상용 시설에 제공된 충전 스테이션이어도 좋다.

또한 도시하지 않았지만, 수전 장치를 차량에 탑재하고, 지상의 송전 장치로부터 전력을 비접촉으로 공급하여 충전할 수도 있다. 이 비접촉 급전 방식의 경우에는 도로나 외벽에 송전 장치를 조합함으로써, 정차 시뿐만 아니라 주행 시에도 충전을 할 수 있다. 또한 이 비접촉 급전 방식을 이용하여 차량들 사이에서 전력을 송수신하여도 좋다. 또한 차량의 외장부에 태양 전지를 제공하여, 정차 시나 주행 시에 이차 전지를 충전하여도 좋다. 이와 같은 비접촉 전력 공급에는 전자기 유도 방식이나 자기장 공명 방식을 이용할 수 있다.

또한 도 13의 (C)에 나타낸 주택은 본 발명의 일 형태인 이차 전지 모듈을 갖는 축전 시스템(2612)과 태양 전지판(2610)을 갖는다. 축전 시스템(2612)은 배선(2611) 등을 통하여 태양 전지판(2610)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한 축전 시스템(2612)과 지상 설치형 충전 장치(2604)가 전기적으로 접속되어도 좋다. 태양 전지판(2610)으로 얻은 전력으로 축전 시스템(2612)을 충전할 수 있다. 또한 축전 시스템(2612)에 저장된 전력으로 차량(2603)이 갖는 이차 전지 모듈(2602)을 충전 장치(2604)를 통하여 충전할 수 있다.

축전 시스템(2612)에 저장된 전력은 주택 내의 다른 전자 기기에도 공급될 수 있다. 따라서 정전 등으로 인하여 상용 전원으로부터 전력을 공급받을 수 없을 때에도, 본 발명의 일 형태에 따른 축전 시스템(2612)을 무정전 전원으로서 사용함으로써, 전자 기기를 이용할 수 있다.

본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 사용할 수 있다.

11: 레지스터, 12: 파워 MOS, 13: 보호 회로, 14: 충전 제어 회로, 15: 과충전 검출 회로, 16: 메인 제어 회로, 17: 과방전 검출 회로, 18: 충전 전류 제어 회로, 21: 레지스터, 22: 파워 MOS, 25: 과충전 검출 회로, 26: 메인 제어 회로, 27: 과방전 검출 회로, 28: 에러 앰프, 300: 이차 전지, 301: 양극 캔, 302: 음극 캔, 303: 개스킷, 304: 양극, 305: 양극 집전체, 306: 양극 활물질층, 307: 음극, 308: 음극 집전체, 309: 음극 활물질층, 310: 세퍼레이터, 600: 이차 전지, 601: 양극 캡, 602: 전지 캔, 603: 양극 단자, 604: 양극, 605: 세퍼레이터, 606: 음극, 607: 음극 단자, 608: 절연판, 609: 절연판, 611: PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자, 612: 안전 밸브 기구, 613: 도전판, 614: 도전판, 615: 모듈, 616: 도선(導線), 617: 온도 제어 장치, 701: 양극 집전체, 702: 양극 활물질층, 703: 양극, 704: 음극 집전체, 705: 음극 활물질층, 706: 음극, 707: 세퍼레이터, 708: 전해액, 709: 외장체, 900: 회로 기판, 910: 라벨, 911: 단자, 912: 회로, 913: 이차 전지, 914: 안테나, 915: 안테나, 916: 층, 951: 단자, 952: 단자, 980: 이차 전지, 981: 필름, 982: 필름, 993: 권회체, 994: 음극, 995: 양극, 996: 세퍼레이터, 997: 리드 전극, 998: 리드 전극, 2100: 휴대 전화기, 2101: 하우징, 2102: 표시부, 2103: 조작 버튼, 2104: 외부 접속 포트, 2105: 스피커, 2106: 마이크로폰, 2107: 이차 전지 모듈, 2200: 전자 담배, 2201: 가열 소자, 2202: 스틱, 2204: 이차 전지 모듈, 2300: 무인 항공기, 2301: 이차 전지 모듈, 2302: 로터, 2303: 카메라, 2400: 전기 이륜차, 2401: 이차 전지 모듈, 2402: 표시부, 2403: 핸들, 2500: 전기 자전거, 2502: 전지 팩, 2601: 이차 전지, 2602: 이차 전지 모듈, 2603: 차량, 2604: 충전 장치, 2610: 태양 전지판, 2611: 배선, 2612: 축전 시스템

Claims (7)

1. 이차 전지 모듈로서,
   이차 전지와,
   상기 이차 전지에 전기적으로 접속된 과충전 검출 회로와,
   상기 이차 전지에 전기적으로 접속된 과방전 검출 회로와,
   상기 이차 전지에 전기적으로 접속된 방전 제어용 트랜지스터와,
   상기 트랜지스터에 직렬로 접속된 충전 제어용 트랜지스터를 적어도 포함하고,
   상기 충전 제어용 트랜지스터의 게이트는 에러 앰프의 출력 단자에 접속되고,
   상기 에러 앰프의 출력 단자는 상기 과충전 검출 회로에 전기적으로 접속되고,
   상기 방전 제어용 트랜지스터의 게이트는 상기 과방전 검출 회로에 전기적으로 접속되고,
   상기 이차 전지와 상기 방전 제어용 트랜지스터 사이에 레지스터를 갖고,
   기준 전압을 받는 상기 에러 앰프의 제 1 입력 단자는 상기 이차 전지에 전기적으로 접속되고,
   귀환 신호를 받는 상기 에러 앰프의 제 2 입력 단자는 상기 레지스터와 상기 방전 제어용 트랜지스터를 연결하는 배선에 전기적으로 접속되는, 이차 전지 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,
   에러 앰프에 설정되는 충전 전류값은 메인 제어 회로의 DA 컨버터의 출력 전압에 따라 제어되는, 이차 전지 모듈.
3. 이차 전지의 보호 회로로서,
   방전 제어용 트랜지스터와,
   상기 방전 제어용 트랜지스터에 직렬로 접속된 충전 제어용 트랜지스터와,
   에러 앰프를 갖고,
   기준 전압을 받는 상기 에러 앰프의 제 1 입력 단자는 이차 전지에 전기적으로 접속되고,
   귀환 신호를 받는 상기 에러 앰프의 제 2 입력 단자는 레지스터와 상기 방전 제어용 트랜지스터를 연결하는 배선에 전기적으로 접속되는, 이차 전지의 보호 회로.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 보호 회로는 과방전 검출 회로를 더 갖고,
   상기 과방전 검출 회로는 상기 방전 제어용 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되는, 이차 전지의 보호 회로.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 보호 회로는 과충전 검출 회로를 더 갖고,
   상기 과충전 검출 회로는 상기 충전 제어용 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되는, 이차 전지의 보호 회로.
6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 방전 제어용 트랜지스터의 반도체층 및 상기 충전 제어용 트랜지스터의 반도체층은 실리콘인, 이차 전지의 보호 회로.
7. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 방전 제어용 트랜지스터의 반도체층 및 상기 충전 제어용 트랜지스터의 반도체층은 산화물 반도체인, 이차 전지의 보호 회로.

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