WO2020136508A1 - 二次電池の保護回路及び二次電池モジュール - Google Patents

二次電池の保護回路及び二次電池モジュール Download PDF

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charging
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control transistor
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高橋圭
池田隆之
上妻宗広
松嵜隆徳
石津貴彦
青木健
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株式会社半導体エネルギー研究所
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Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, the present invention relates to a process, machine, manufacture or composition (composition of matter).
  • One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a lighting device, an electronic device, or a manufacturing method thereof.
  • One embodiment of the present invention relates to a vehicle or a vehicle electronic device provided in the vehicle.
  • the present invention relates to a secondary battery protection circuit, a secondary battery charge control method, a secondary battery abnormality detection system, and an electronic device having a secondary battery.
  • a power storage device refers to all elements and devices having a power storage function.
  • a secondary battery such as a lithium ion secondary battery, a lithium ion capacitor, an all-solid-state battery, and an electric double layer capacitor are included.
  • Lithium-ion secondary batteries which have particularly high output and high energy density, are mobile information terminals such as mobile phones, smartphones, tablets, or notebook computers, mobile music players, digital cameras, medical devices, or hybrid vehicles (HEV).
  • HEV hybrid vehicles
  • Next-generation clean energy vehicles such as electric vehicles (EVs) or plug-in hybrid vehicles (PHEVs), the demand for which is rapidly expanding with the development of the semiconductor industry. Has become indispensable to a socialized society.
  • a protection circuit also referred to as a protection IC
  • the protection IC is provided with a circuit for detecting overcharge voltage (Overcharge), overdischarge voltage (Overdischarging), charging overcurrent (Charging Overcurrent), discharge overcurrent (Discharging Overcurrent), short circuit (short), etc. There is.
  • the battery pack refers to a plurality of secondary batteries housed in a container (metal can, film exterior body) together with a predetermined circuit in order to facilitate handling of the secondary battery.
  • the battery pack is provided with an ECU (Electronic Control Unit) for managing the operating state.
  • ECU Electronic Control Unit
  • the secondary battery used in an electric vehicle or a hybrid vehicle is deteriorated depending on the number of times of charging, the depth of discharge, the charging current, the charging environment (temperature change), and the like.
  • the temperature at the time of charging, the frequency of rapid charging, the amount of charge by the regenerative brake, the timing of charging by the regenerative brake, etc. may also be related to the deterioration.
  • the secondary battery gradually deteriorates due to repeated use of the secondary battery, it is charged with the same amount of current as before the deterioration.
  • CC charging is first performed, and after reaching a predetermined voltage, switching to CV charging is performed.
  • Patent Document 1 discloses a Coulomb counter including a transistor including an oxide semiconductor in order to measure the capacity of a secondary battery.
  • Secondary batteries mounted on portable information terminals and the like have problems such as deterioration prevention, long-time power supply, miniaturization, and low cost.
  • the protection IC is mounted with a simple circuit configuration without sufficiently solving these problems.
  • the conventional protection IC only detects the overcharge voltage (current) or overdischarge voltage (current) that is uniquely determined, and only controls the passage or interruption of the charging current and discharging current of the battery. Therefore, it is an object of the present specification to provide a control circuit that enables fine voltage and current charge control.
  • Another object is to extend the life of the secondary battery by performing charge control in consideration of the degree of deterioration of the secondary battery.
  • safety is ensured by detecting abnormalities in the secondary battery, for example, by early detecting a phenomenon that reduces the safety of the secondary battery, warning the user, or changing the charging condition of the secondary battery. Doing is one of the challenges.
  • a protection circuit that has at least the function of detecting the degree of deterioration of the secondary battery and the function of adjusting the current flowing through the secondary battery. Since the amount of current during charging can be arbitrarily changed by such a protection circuit, charging can be performed under detailed conditions without significantly increasing the circuit scale.
  • the charging control circuit controls a preset current value, and the charging current control circuit (specifically, a circuit including an error amplifier) that the protection circuit has flows to the secondary battery. To decide. That is, the value of the current flowing through the secondary battery is controlled by both the charge control circuit and the charge current control circuit which is a part of the protection circuit.
  • the error amplifier is also called an error amplifier and is an operational amplifier that outputs a voltage obtained by amplifying a voltage difference between two input terminals.
  • One of the configurations of the invention disclosed in this specification is a protection circuit including a charge control transistor connected in series with a discharge control transistor and an error amplifier, which receives a reference voltage of the error amplifier.
  • the input terminal of is a protection circuit electrically connected to the secondary battery, and the second input terminal receiving the feedback signal of the error amplifier is a protection circuit electrically connected to the wiring connecting the resistor and the transistor for discharge control. is there.
  • a secondary battery module in which a protection circuit is provided in the secondary battery is also one of the present invention, and its configuration is a secondary battery, an overcharge detection circuit electrically connected to the secondary battery, At least a discharge control circuit electrically connected to the secondary battery, a discharge control transistor electrically connected to the secondary battery, and a charge control transistor connected in series with the transistor.
  • the gate of the charge control transistor is connected to the output terminal of the error amplifier, the output terminal of the error amplifier is electrically connected to the overcharge detection circuit, and the gate of the discharge control transistor is overdischarged.
  • the first input terminal electrically connected to the detection circuit, having a resistance between the secondary battery and the transistor for discharge control, and receiving the reference voltage of the error amplifier is electrically connected to the secondary battery
  • the second input terminal that receives the feedback signal of the error amplifier is a secondary battery module that is electrically connected to the wiring that connects the resistor and the discharge control transistor.
  • the charging current value set in the error amplifier is controlled according to the voltage of the DA converter of the main control circuit.
  • the main control circuit constitutes a part of the protection circuit, and a microcomputer can be used.
  • a Noff-CPU normally off CPU
  • a normally-off CPU is an integrated circuit including a normally-off transistor which is in a non-conducting state (also referred to as an off state) even when the gate voltage is 0V.
  • a normally-off transistor can be realized by using an oxide semiconductor for a semiconductor layer.
  • the protection circuit may further include a comparator, a delay detection logic circuit, an oscillator circuit, a fuel gauge circuit, and a temperature detection calculation circuit.
  • the charging control circuit performs CCCV charging using two charging methods, specifically, constant current charging and constant voltage charging, that is, first performs constant current charging, switches at a certain voltage value, and charges by constant voltage charging. To do.
  • the charge control circuit also has a function of detecting a voltage of the secondary battery and controlling a power transistor (also referred to as a power MOS) so as not to exceed a certain maximum voltage value to stop charging.
  • a power transistor also referred to as a power MOS
  • the power MOS is used as a battery disconnection switch.
  • the power MOS has not only a battery disconnection switch but also a function of determining a current value flowing in the secondary battery by a charging current control circuit (specifically, a circuit including an error amplifier). Is.
  • silicon is mainly used as a power device such as a power MOS, and an N-channel MOSFET or a P-channel MOSFET may be formed, and SiC or GaN can be used as another material.
  • an oxide semiconductor material containing In, Ga, or Zn can be used.
  • the current value flowing in the secondary battery can be analog-controlled.
  • a circuit for charge control having a memory circuit including a transistor including an oxide semiconductor or a battery control system may be referred to as a BTOS (Battery operating system or Battery oxide semiconductor).
  • BTOS Battery operating system or Battery oxide semiconductor
  • the charge control circuit it is possible to set a predetermined threshold current and detect a sudden abnormality, specifically, a micro short circuit or the like based on the detected current value.
  • a micro short circuit occurs, the internal resistance becomes low, so that the amount of current flowing through a healthy secondary battery becomes relatively small, and a large amount of current flows through the abnormal secondary battery, which is dangerous.
  • the current is kept at a controlled value, and the current value can be monitored.
  • the abnormality of the secondary battery can be detected early by detecting a micro short circuit or the like.
  • Micro short-circuit refers to a minute short circuit inside the secondary battery, and it is not such that the positive and negative electrodes of the secondary battery short-circuit and cannot be charged and discharged. This is a phenomenon in which short-circuit current flows for a short period of time.
  • the cause of the micro short circuit is that deterioration occurs due to multiple charging/discharging, metal elements such as lithium and cobalt are deposited inside the battery, and the deposit grows, causing a part of the positive electrode and one of the negative electrodes. It is presumed that local concentration of electric current occurs at a part, a part of the separator does not function, or a side reaction product is generated.
  • FIG. 14 shows an example of a charging curve in which a micro short circuit is suggested during charging.
  • the horizontal axis of FIG. 14 represents the charging capacity Cb of the secondary battery, and the vertical axis represents the voltage Vb of the secondary battery.
  • a micro short circuit is suggested in a region surrounded by a broken line in a circle.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an example of a circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A, FIG. 3B, and FIG. 3C are diagrams illustrating a method of charging a secondary battery.
  • FIG. 4A, FIG. 4B, and FIG. 4C are diagrams illustrating a method of charging a secondary battery.
  • 5A and 5B are a charge curve of the secondary battery and a discharge curve of the secondary battery.
  • 6A, 6B, and 6C are diagrams illustrating a coin-type secondary battery.
  • 7A, 7B, 7C, and 7D are views for explaining a cylindrical secondary battery.
  • 8A and 8B are diagrams illustrating an example of a secondary battery.
  • 9A, 9B, and 9C are diagrams illustrating an example of a secondary battery.
  • 10A, 10B, and 10C are diagrams illustrating a laminate-type secondary battery.
  • 11A and 11B are diagrams illustrating a laminate type secondary battery.
  • 12A, 12B, 12C, 12D, and 12E are diagrams illustrating an example of a small electronic device and a vehicle including the secondary battery module of one embodiment of the present invention.
  • 13A, 13B, and 13C are diagrams illustrating an example of a vehicle and a house including the secondary battery module of one embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a charging curve.
  • protection circuit 13 is electrically connected to a secondary battery as one protection IC.
  • An example in which a secondary battery module in which a protection IC is mounted on a secondary battery is installed as a main power source in a mobile information terminal or the like will be shown.
  • a charging control circuit is connected to the secondary battery, and the charging control circuit has a function of detecting the voltage of the secondary battery and controlling the power MOS 12 so as not to exceed a certain maximum voltage value to stop charging. There is.
  • the power MOS 12 is composed of two transistors, and a charge control transistor and a discharge control transistor are connected in series.
  • the power MOS 12 and the protection circuit 13 are separate ICs.
  • the overcharge detection circuit 15 and the gate of the charge control transistor are electrically connected, and when overcharge is detected, the current is cut off by applying a gate voltage that turns off the charge control transistor. To do.
  • the overdischarge detection circuit 17 and the gate of the discharge control transistor are electrically connected, and when overdischarge is detected, a current is applied by applying a gate voltage for turning off the discharge control transistor. Shut off.
  • the main control circuit 16 can be said to be a circuit of a mounting board on which a microcomputer including a CPU (Central Processing Unit), a memory, an AD converter, a DA converter and the like is mounted.
  • the main control circuit 16 can estimate the degree of deterioration of the secondary battery during charging.
  • a normally-off CPU is used as the main control circuit 16, the use of electric power can be minimized by turning it off while not charging.
  • the main control circuit 16 can monitor the current, voltage, temperature, and the like of the secondary battery, and can estimate the degree of deterioration of the battery using a battery model and the like.
  • a regression model for example, a Kalman filter is used to estimate the internal state of the battery (internal resistance, SOC, etc.), the degree of deterioration of the battery is estimated from the estimated internal resistance value, and the degradation degree and the internal state (internal resistance, A charging current value according to SOC, temperature, etc.) is calculated, and the value is set in the charging current control circuit 18.
  • the Kalman filter is a kind of infinite impulse response filter. Further, the multiple regression analysis is one of the multivariate analysis, and the independent variable of the regression analysis is plural. As the multiple regression analysis, there is a least squares method. While many time series of observed values are required for regression analysis, the Kalman filter has an advantage that an optimum correction coefficient can be sequentially obtained if only a certain amount of data is accumulated. The Kalman filter can also be applied to non-stationary time series.
  • a nonlinear Kalman filter (specifically, an unscented Kalman filter (also referred to as UKF)) can be used as a method for estimating the internal resistance and the state of charge (SOC) of the secondary battery.
  • an extended Kalman filter also called EKF
  • EKF extended Kalman filter
  • the Kalman filter can be used to estimate the internal resistance and SOC of the secondary battery.
  • the post-state estimation value may be treated as an output.
  • the charging current control circuit 18 is not particularly limited, but an error amplifier or the like can be used.
  • the reference voltage Vref input to the non-inverting terminal and the feedback voltage Vfb input to the inverting terminal are input to the error amplifier.
  • the power supply voltage Vdd of the error amplifier is generated by, for example, the CPU of the main control circuit 16.
  • the charging current control circuit 18 is connected to one of the transistors of the power MOS 12, that is, the gate of the charging control circuit transistor, and adjusts the gate voltage applied to the gate to adjust the amount of current flowing in the secondary battery. can do.
  • the control method for adjusting the amount of current flowing through the secondary battery using the power MOS 12 in this way is also called analog control of the power MOS 12.
  • the automatic control referred to here means automatic control without using software prestored or downloaded in the main memory of the portable information terminal or a flash memory.
  • the automatic control it is necessary to secure the memory capacity etc. for starting the software, so the function of the mobile information terminal is pressed and used while charging the mobile information terminal. There is a possibility that the processing speed when a person performs other work is reduced.
  • a flash memory there is a risk that power consumption will increase in order to maintain the write data value by rewriting the data in the flash memory according to the deterioration of the secondary battery.
  • the charging control circuit 14 may be mounted on the main board or may be separately provided as an IC or a microcomputer.
  • the charge control circuit 14 is designed to charge under a predetermined charging condition according to the charge/discharge characteristics of the secondary battery to be connected. Even if the secondary battery deteriorates, the charging condition is controlled by the system including the protection circuit 13 without changing the charging control circuit 14.
  • the charging current can be controlled according to the deterioration.
  • the power MOS 12 can be one protection IC mounted on the same substrate as the protection circuit 13. Further, a hybrid IC manufactured by using an oxide semiconductor as a semiconductor layer of the power MOS 12 on the Si LSI and laminated or mixed may be used as the protection IC.
  • the resistor 11 can also be mounted on one protection IC mounted on the same substrate as the protection circuit 13.
  • the protection circuit shown in FIG. 2 has a VC terminal and a VSS terminal.
  • the VC terminal is electrically connected to one terminal of the secondary battery, and is connected to the overcharge detection circuit 25 and the overdischarge detection circuit 27.
  • the overcharge detection circuit 25 includes at least a hysteresis comparator and a transistor whose output terminal is electrically connected to the gate.
  • the over-discharge detection circuit 27 is configured to include at least a hysteresis comparator.
  • the hysteresis comparator is a circuit characterized by having two threshold values for potential comparison.
  • a power MOS 22 and a resistor 21 are connected in series to the VSS terminal and electrically connected to the other terminal of the secondary battery.
  • the charging current control circuit is composed of the error amplifier 28.
  • the error amplifier 28 receives the reference voltage Vref input to the non-inverting terminal and the feedback voltage Vfb input to the inverting terminal.
  • the power supply voltage Vdd of the error amplifier 28 is generated by, for example, the CPU of the main control circuit 26. Further, the output of the error amplifier 28 is connected to the gate of the charge control transistor of the power MOS 22.
  • the main control circuit 26 is composed of a CPU, a memory (RAM (Random Access Memory), ROM, flash memory, etc.), an AD converter and a DA converter.
  • the AD converter measures the voltage, current and temperature of the battery, and the CPU At, the degree of deterioration of the battery is estimated (calculated), and the charging current value according to the degree of deterioration and the internal state (internal resistance, SOC, temperature, etc.) is calculated.
  • the main control circuit 26 may be a single IC chip integrated with a GPU (Graphics Processing Unit), a PMU (Power Management Unit) or the like instead of the CPU. Further, the main control circuit 26 may be an FPGA (field-programmable gate array) device.
  • the main control circuit 26 controls the error amplifier 28 so that the charging current does not exceed the set current value.
  • the error amplifier 28 controls the charging current according to the output voltage of the DA converter of the main control circuit 26.
  • the charging current can be controlled according to the deterioration.
  • the charge control circuit connected to the terminal VC or the terminal VSS charges the secondary battery when the current is about to exceed the current value set by the main control circuit 26.
  • the current control circuit error amplifier 28
  • the current converges on the set value, the voltage rises sharply, and the charging control circuit enters the CV charging mode.
  • the CV charging is performed before the voltage is switched from CC charging to CV charging, which is referred to as a CV charging mode.
  • the protection circuit side can be arbitrarily changed, so that intermittent charging is also possible.
  • Charging/discharging of the secondary battery can be performed as follows, for example.
  • CC charging is a charging method in which a constant current is supplied to the secondary battery during the entire charging period and charging is stopped when a predetermined voltage is reached.
  • the secondary battery is assumed to be an equivalent circuit of the internal resistance R and the secondary battery capacity C as shown in FIG. 3A.
  • the secondary battery voltage V B is the sum of the voltage V C applied to the voltage V R and the secondary battery capacity C according to the internal resistance R.
  • the switch is turned on and a constant current I flows through the secondary battery.
  • the voltage V C applied to the secondary battery capacity C increases with the passage of time. Therefore, the secondary battery voltage V B increases with the passage of time.
  • FIG. 3C An example of the secondary battery voltage V B and the charging current during the CC charging and after the CC charging is stopped is shown in FIG. 3C. It is shown that the secondary battery voltage V B , which has been increased during CC charging, is slightly decreased after the CC charging is stopped.
  • the CCCV charging is a charging method in which the CC charging is first performed to a predetermined voltage, and then the CV charging is performed until the current flowing decreases, specifically, until the final current value is reached.
  • the switch of the constant current power supply is turned on and the switch of the constant voltage power supply is turned off, and a constant current I flows through the secondary battery.
  • the voltage V C applied to the secondary battery capacity C increases with the passage of time. Therefore, the secondary battery voltage V B increases with the passage of time.
  • the CC charging is switched to the CV charging.
  • a predetermined voltage for example, 4.3 V
  • the switch of the constant voltage power supply is turned on and the switch of the constant current power supply is turned off, and the secondary battery voltage V B becomes constant.
  • the charging is stopped.
  • a predetermined current for example, a current equivalent to 0.01 C
  • the charging is stopped.
  • the voltage V R applied to the internal resistance R by CV charging is sufficiently small, even run out of the voltage drop at the internal resistance R, the secondary battery voltage V B is hardly lowered.
  • FIG. 5A An example of the secondary battery voltage V B and the charging current during the CCCV charging and after the CCCV charging is stopped is shown in FIG. 5A. It is shown that the secondary battery voltage V B hardly drops even when the CCCV charging is stopped.
  • CC discharge which is one of the discharging methods, will be described.
  • CC discharge is a discharge method in which a constant current is supplied from the secondary battery during the entire discharge period and the discharge is stopped when the secondary battery voltage V B reaches a predetermined voltage, for example, 2.5V.
  • FIG. 5B An example of the secondary battery voltage V B and the discharge current during CC discharge is shown in FIG. 5B. It is shown that the secondary battery voltage V B drops as the discharge progresses.
  • the discharge rate is the relative ratio of the current at the time of discharge to the battery capacity, and is expressed in the unit C.
  • the current corresponding to 1C is X(A).
  • the current corresponding to 1C is X(A).
  • 2X(A) When it is discharged with a current of 2X(A), it is said to be discharged at 2C, and when it is discharged with a current of X/5(A), it is said to be discharged at 0.2C.
  • the charging rate is also the same. When charging with a current of 2X(A), it is said to be charged with 2C, and when charging with a current of X/5(A), it is charged with 0.2C. It was said.
  • This embodiment mode can be freely combined with Embodiment Mode 1.
  • FIG. 6A is an external view of a coin-type (single-layer flat type) secondary battery
  • FIG. 6B is a cross-sectional view thereof.
  • a positive electrode can 301 also serving as a positive electrode terminal and a negative electrode can 302 also serving as a negative electrode terminal are insulated and sealed with a gasket 303 made of polypropylene or the like.
  • the positive electrode 304 is formed of a positive electrode current collector 305 and a positive electrode active material layer 306 provided so as to be in contact with the positive electrode current collector 305.
  • the negative electrode 307 is formed of the negative electrode current collector 308 and the negative electrode active material layer 309 provided so as to be in contact with the negative electrode current collector 308.
  • the positive electrode 304 and the negative electrode 307 used in the coin-type secondary battery 300 may have active material layers formed on only one surface.
  • the positive electrode can 301 and the negative electrode can 302 it is possible to use a metal such as nickel, aluminum, or titanium having corrosion resistance to an electrolytic solution, or an alloy thereof or an alloy of these and another metal (for example, stainless steel). it can. Further, in order to prevent corrosion by the electrolytic solution, it is preferable to coat with nickel, aluminum or the like.
  • the positive electrode can 301 and the negative electrode can 302 are electrically connected to the positive electrode 304 and the negative electrode 307, respectively.
  • An electrolyte is impregnated with the negative electrode 307, the positive electrode 304, and the separator 310, and as shown in FIG. 6B, the positive electrode can 301 is placed downward, and the positive electrode 304, the separator 310, the negative electrode 307, and the negative electrode can 302 are laminated in this order.
  • the coin-shaped secondary battery 300 is manufactured by pressure-bonding 301 and the negative electrode can 302 via the gasket 303.
  • the flow of current when the secondary battery is charged will be described with reference to FIG. 6C.
  • the secondary battery using lithium is regarded as one closed circuit, the movement of lithium ions and the current flow are in the same direction.
  • an anode (anode) and a cathode (cathode) are exchanged by charging and discharging, and an oxidation reaction and a reduction reaction are exchanged. Therefore, an electrode having a high reaction potential is called a positive electrode, An electrode having a low reaction potential is called a negative electrode. Therefore, in the present specification, the positive electrode is a “positive electrode” or a “positive electrode”, whether it is charging, discharging, flowing a reverse pulse current, or flowing a charging current.
  • the positive electrode will be referred to as a "positive electrode” and the negative electrode will be referred to as a "negative electrode” or a “negative electrode”.
  • anode (anode) and cathode (cathode) related to the oxidation reaction and the reduction reaction are used, the charging time and the discharging time are reversed, which may cause confusion. Therefore, the terms anode (anode) and cathode (cathode) will not be used herein. If the terms anode (anode) and cathode (cathode) are used, indicate whether they are charging or discharging and also indicate whether they correspond to the positive electrode (positive electrode) or the negative electrode (negative electrode). To do.
  • a charger is connected to the two terminals shown in FIG. 6C to charge the secondary battery 300. As the charging of the secondary battery 300 progresses, the potential difference between the electrodes increases.
  • the cylindrical secondary battery 600 has a positive electrode cap (battery lid) 601 on the upper surface and battery cans (exterior cans) 602 on the side and bottom surfaces.
  • the positive electrode cap and the battery can (outer can) 602 are insulated by a gasket (insulating packing) 610.
  • FIG. 7B is a diagram schematically showing a cross section of a cylindrical secondary battery.
  • a battery element in which a strip-shaped positive electrode 604 and a negative electrode 606 are wound with a separator 605 sandwiched therebetween is provided.
  • the battery element is wound around the center pin.
  • the battery can 602 has one end closed and the other end open.
  • a metal such as nickel, aluminum, or titanium having corrosion resistance to an electrolytic solution, an alloy thereof, or an alloy of these and another metal (for example, stainless steel) can be used. .. Further, in order to prevent corrosion by the electrolytic solution, it is preferable to coat with nickel, aluminum or the like.
  • the battery element in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are wound is sandwiched by a pair of opposing insulating plates 608 and 609.
  • a non-aqueous electrolytic solution (not shown) is injected into the battery can 602 provided with the battery element.
  • the non-aqueous electrolyte the same one as the coin type secondary battery can be used.
  • a positive electrode terminal (positive electrode current collecting lead) 603 is connected to the positive electrode 604, and a negative electrode terminal (negative electrode current collecting lead) 607 is connected to the negative electrode 606. Both the positive electrode terminal 603 and the negative electrode terminal 607 can use a metal material such as aluminum.
  • the positive electrode terminal 603 is resistance-welded to the safety valve mechanism 612, and the negative electrode terminal 607 is resistance-welded to the bottom of the battery can 602.
  • the safety valve mechanism 612 is electrically connected to the positive electrode cap 601 via a PTC element (Positive Temperature Coefficient) 611.
  • the safety valve mechanism 612 disconnects the electrical connection between the positive electrode cap 601 and the positive electrode 604 when the increase in the internal pressure of the battery exceeds a predetermined threshold value.
  • the PTC element 611 is a PTC element whose resistance increases when the temperature rises, and limits the amount of current by increasing the resistance to prevent abnormal heat generation. Barium titanate (BaTiO 3 ) based semiconductor ceramics or the like can be used for the PTC element.
  • a plurality of secondary batteries 600 may be sandwiched between conductive plates 613 and 614 to form a module 615.
  • the plurality of secondary batteries 600 may be connected in parallel, may be connected in series, or may be connected in parallel and then further connected in series.
  • FIG. 7D is a top view of module 615.
  • the conductive plate 613 is shown by a dotted line for the sake of clarity.
  • the module 615 may include a conductive wire 616 that electrically connects the plurality of secondary batteries 600.
  • a conductive plate may be provided so as to overlap with the conductive wire 616.
  • the temperature control device 617 may be provided between the plurality of secondary batteries 600. When the secondary battery 600 is overheated, it can be cooled by the temperature control device 617, and when the secondary battery 600 is too cold, it can be heated by the temperature control device 617. Therefore, the performance of the module 615 is less likely to be affected by the outside temperature.
  • the heat medium included in the temperature control device 617 preferably has an insulating property and a nonflammable property.
  • the secondary battery includes a circuit board 900 and a secondary battery 913.
  • a label 910 is attached to the secondary battery 913.
  • the secondary battery has a terminal 951, a terminal 952, an antenna 914, and an antenna 915.
  • the circuit board 900 has a terminal 911 and a circuit 912.
  • the terminal 911 is connected to the terminal 951, the terminal 952, the antenna 914, the antenna 915, and the circuit 912.
  • a plurality of terminals 911 may be provided and each of the plurality of terminals 911 may serve as a control signal input terminal, a power supply terminal, a temperature detection terminal (also referred to as a T terminal), or the like.
  • the circuit 912 is a protection circuit including an overcharge detection circuit, an overdischarge detection circuit, a power MOS, or the like.
  • the circuit board 900 on which the protection circuit is mounted may be provided with a diode, a resistor, a thermistor (such as a temperature sensor), or the like.
  • the circuit 912 is designed to detect the resistance value of the thermistor which changes with temperature and stop charging when the resistance value exceeds a threshold value (charging temperature range).
  • the circuit 912 may be provided on the back surface of the circuit board 900.
  • the antennas 914 and 915 are not limited to the coil shape, and may have a linear shape or a plate shape, for example. Further, an antenna such as a planar antenna, an aperture antenna, a traveling wave antenna, an EH antenna, a magnetic field antenna, or a dielectric antenna may be used.
  • the antenna 914 or the antenna 915 may be a flat conductor. This plate-shaped conductor can function as one of the electric field coupling conductors. That is, the antenna 914 or the antenna 915 may function as one of the two conductors included in the capacitor. As a result, not only the electromagnetic field and the magnetic field but also the electric field can be used to exchange electric power.
  • the line width of the antenna 914 is preferably larger than the line width of the antenna 915. Accordingly, the amount of power received by the antenna 914 can be increased.
  • the secondary battery has a layer 916 between the antenna 914 and the antenna 915 and the secondary battery 913.
  • the layer 916 has a function of preventing the influence of the secondary battery 913 on the electromagnetic field, for example.
  • a magnetic substance can be used as the layer 916.
  • the structure of the secondary battery is not limited to that shown in FIG.
  • the laminated secondary battery 980 will be described with reference to FIG. 9.
  • the laminate type secondary battery 980 has a wound body 993 shown in FIG. 9A.
  • the wound body 993 includes a negative electrode 994, a positive electrode 995, and a separator 996.
  • the wound body 993 is obtained by stacking a negative electrode 994 and a positive electrode 995 so as to overlap each other with a separator 996 interposed therebetween, and winding the laminated sheet.
  • the wound body 993 described above is housed in a space formed by bonding a film 981 serving as an outer package and a film 982 having a recess by thermocompression bonding or the like.
  • the secondary battery 980 can be manufactured.
  • the wound body 993 has a lead electrode 997 and a lead electrode 998, and is impregnated with the electrolytic solution inside the film 981 and the film 982 having a recess.
  • a metal material such as aluminum or a resin material can be used, for example.
  • a resin material is used as a material for the film 981 and the film 982 having a depression, the film 981 and the film 982 having a depression can be deformed when external force is applied, so that a flexible storage battery is manufactured. be able to.
  • FIGS. 9B and 9C show an example in which two films are used for sealing, but a space is formed by bending one film, and the above-described wound body 993 is formed in the space. May be stored.
  • FIG. 9 illustrates the example of the secondary battery 980 having the wound body in the space formed by the film serving as the outer package, for example, in the space formed by the film serving as the outer package, as illustrated in FIG.
  • a secondary battery having a plurality of positive electrodes, separators and negative electrodes may be used.
  • FIG. 10A shows a positive electrode having a positive electrode current collector 701 and a positive electrode active material layer 702 which are L-shaped.
  • the positive electrode has a region where the positive electrode current collector 701 is partially exposed (hereinafter referred to as a tab region).
  • FIG. 10B illustrates a negative electrode including the negative electrode current collector 704 and the negative electrode active material layer 705 which are L-shaped. The negative electrode has a region where the negative electrode current collector 704 is partially exposed, that is, a tab region.
  • FIG. 10C shows a perspective view in which four layers of the positive electrode 703 and four layers of the negative electrode 706 are laminated. Note that in FIG. 10C, a separator provided between the positive electrode 703 and the negative electrode 706 is illustrated by a dotted line for simplicity.
  • the laminated secondary battery illustrated in FIG. 11A includes a positive electrode 703 having an L-shaped positive electrode current collector 701 and a positive electrode active material layer 702, and an L-shaped negative electrode current collector 704 and a negative electrode active material layer 705. It has a negative electrode 706, a separator 707, an electrolytic solution 708, and an outer package 709. A separator 707 is provided between a positive electrode 703 and a negative electrode 706 provided inside the outer package 709. Further, the inside of the exterior body 709 is filled with the electrolytic solution 708.
  • the positive electrode current collector 701 and the negative electrode current collector 704 also serve as terminals for making electrical contact with the outside. Therefore, a part of the positive electrode current collector 701 and the negative electrode current collector 704 may be arranged so as to be exposed to the outside from the outer package 709. Further, the positive electrode current collector 701 and the negative electrode current collector 704 are not exposed to the outside from the outer package 709, and a lead electrode is used to ultrasonically bond the lead electrode to the positive electrode current collector 701 or the negative electrode current collector 704. Alternatively, the lead electrode may be exposed to the outside.
  • the outer package 709 is made of, for example, a film made of a material such as polyethylene, polypropylene, polycarbonate, ionomer, and polyamide, and a metal thin film having excellent flexibility such as aluminum, stainless steel, copper, nickel. It is possible to use a laminate film having a three-layer structure in which an insulating synthetic resin film such as a polyamide resin or a polyester resin is further provided on the metal thin film as the outer surface of the exterior body.
  • FIG. 11B shows an example of a cross-sectional structure of the laminated secondary battery. Although omitted in FIG. 11A for simplification, it is actually composed of a plurality of electrode layers.
  • the number of electrode layers is 16 as an example.
  • FIG. 11B shows a structure in which the negative electrode current collector 704 has eight layers and the positive electrode current collector 701 has eight layers, for a total of 16 layers. Note that FIG. 11B shows a cross section of the positive electrode takeout portion taken along the chain line in FIG. 11A, in which eight layers of negative electrode current collector 704 are ultrasonically bonded.
  • the number of electrode layers is not limited to 16, and may be large or small. When the number of electrode layers is large, the secondary battery can have a larger capacity. Further, when the number of electrode layers is small, the thickness can be reduced.
  • the secondary battery module has at least a secondary battery and a protection circuit.
  • FIG. 12A shows an example of a mobile phone.
  • the mobile phone 2100 includes a display portion 2102 incorporated in a housing 2101, an operation button 2103, an external connection port 2104, a speaker 2105, a microphone 2106, and the like.
  • the mobile phone 2100 has a secondary battery module 2107.
  • the mobile phone 2100 can execute various applications such as a mobile phone, electronic mail, text browsing and creation, music playback, Internet communication, and computer games.
  • the operation button 2103 can have various functions such as power on/off operation, wireless communication on/off operation, manner mode execution/cancellation, and power saving mode execution/cancellation in addition to time setting. ..
  • the function of the operation button 2103 can be freely set by the operating system incorporated in the mobile phone 2100.
  • the mobile phone 2100 is capable of executing near field communication that is a communication standard. For example, by communicating with a headset capable of wireless communication, it is possible to talk hands-free.
  • the mobile phone 2100 has an external connection port 2104, and can directly exchange data with another information terminal through a connector. It is also possible to charge via the external connection port 2104. Note that the charging operation may be performed by wireless power feeding without using the external connection port 2104.
  • the mobile phone 2100 preferably has a sensor.
  • a human body sensor such as a fingerprint sensor, a pulse sensor, a body temperature sensor, a touch sensor, a pressure sensor, an acceleration sensor, or the like is preferably mounted as the sensor.
  • FIG. 12B is a perspective view of a device also called a cigarette-containing smoking device (electronic cigarette).
  • the electronic cigarette 2200 includes a heating element 2201 and a secondary battery module 2204 that supplies power to the heating element 2201.
  • a protection circuit for preventing overcharge or overdischarge of the secondary battery module 2204 may be electrically connected to the secondary battery module 2204.
  • the secondary battery module 2204 shown in FIG. 12B has an external terminal so that it can be connected to a charging device. Since the secondary battery module 2204 becomes the tip portion when held, it is desirable that the total length is short and the weight is light. Since the secondary battery module of one embodiment of the present invention has high safety, a small and lightweight electronic cigarette 2200 that can be safely used for a long period of time can be provided.
  • FIG. 12C is an unmanned aerial vehicle 2300 having a plurality of rotors 2302.
  • the unmanned aerial vehicle 2300 includes a secondary battery module 2301 which is one embodiment of the present invention, a camera 2303, and an antenna (not illustrated).
  • the unmanned aerial vehicle 2300 can be remotely controlled via an antenna. Since the secondary battery module of one embodiment of the present invention has high safety, it can be safely used for a long time for a long time and is suitable as a secondary battery module to be mounted on the unmanned aerial vehicle 2300.
  • FIG. 12D shows an electric motorcycle 2400 using the secondary battery module of one embodiment of the present invention.
  • the electric motorcycle 2400 includes a secondary battery module 2401, which is one embodiment of the present invention, a display portion 2402, and a handle 2403.
  • the secondary battery module 2401 can supply electricity to a motor that serves as a power source.
  • the display unit 2402 can display the remaining amount of the secondary battery module 2401, the speed of the electric motorcycle 2400, the horizontal state, and the like.
  • FIG. 12E is an example of an electric bicycle using the secondary battery module of one embodiment of the present invention.
  • the electric bicycle 2500 includes a battery pack 2502.
  • the battery pack 2502 includes the secondary battery module of one embodiment of the present invention.
  • Electricity can be supplied to the battery pack 2502 and the motor that assists the driver. Further, the battery pack 2502 can be removed from the electric bicycle 2500 and carried. Further, the battery pack 2502 and the electric bicycle 2500 may have a display portion capable of displaying the remaining battery level and the like.
  • a secondary battery module 2602 having a plurality of secondary batteries 2601 of one embodiment of the present invention is used as a hybrid vehicle (HEV), an electric vehicle (EV), a plug-in hybrid vehicle (PHEV), or the like. It may be mounted on an electronic device.
  • HEV hybrid vehicle
  • EV electric vehicle
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • FIG. 13B shows an example of a vehicle equipped with the secondary battery module 2602.
  • Vehicle 2603 is an electric vehicle that uses an electric motor as a power source for traveling. Alternatively, it is a hybrid vehicle in which an electric motor and an engine can be appropriately selected and used as a power source for traveling.
  • a vehicle 2603 that uses an electric motor has a plurality of ECUs (Electronic Control Units) and performs engine control and the like by the ECUs.
  • the ECU includes a microcomputer.
  • the ECU is connected to a CAN (Controller Area Network) provided in the electric vehicle.
  • CAN is one of serial communication standards used as an in-vehicle LAN.
  • the secondary battery can not only drive an electric motor (not shown), but can also supply power to a light emitting device such as a headlight or a room light. Further, the secondary battery can supply power to a display device such as a speedometer, a tachometer, or a navigation system and a semiconductor device included in the vehicle 2603.
  • a display device such as a speedometer, a tachometer, or a navigation system and a semiconductor device included in the vehicle 2603.
  • the vehicle 2603 can be charged by receiving power from an external charging facility in a secondary battery included in the secondary battery module 2602 by a plug-in method, a contactless power feeding method, or the like.
  • FIG. 13C shows a state in which the vehicle 2603 is being charged via the cable from the ground-installed charging device 2604.
  • the charging method, the standard of the connector, etc. may be appropriately performed by a predetermined method such as CHAdeMO (registered trademark) or a combo.
  • the secondary battery module 2602 mounted on the vehicle 2603 can be charged by external power supply.
  • Charging can be performed by converting AC power into DC power via a converter such as an ACDC converter.
  • the charging device 2604 may be provided in the house as shown in FIG. 13C, or may be a charging station provided in a commercial facility.
  • the power receiving device may be mounted on a vehicle, and electric power may be supplied from the power transmitting device on the ground in a contactless manner for charging.
  • this non-contact power feeding method by incorporating a power transmission device on a road or an outer wall, charging can be performed not only when the vehicle is stopped but also when the vehicle is running. Moreover, you may transmit and receive electric power between vehicles using this non-contact electric power feeding system.
  • a solar cell may be provided on the exterior of the vehicle to charge the secondary battery when the vehicle is stopped or running.
  • an electromagnetic induction method or a magnetic field resonance method can be used.
  • the house illustrated in FIG. 13C includes a power storage system 2612 including a secondary battery module which is one embodiment of the present invention and a solar panel 2610.
  • the power storage system 2612 is electrically connected to the solar panel 2610 via a wiring 2611 and the like. Further, the power storage system 2612 and the ground-installed charging device 2604 may be electrically connected. The electric power obtained from the solar panel 2610 can be charged into the power storage system 2612. Further, the electric power stored in the power storage system 2612 can be charged into the secondary battery module 2602 included in the vehicle 2603 through the charging device 2604.
  • the electric power stored in the power storage system 2612 can also supply electric power to other electronic devices in the house. Therefore, even when power cannot be supplied from a commercial power source due to a power failure or the like, by using the power storage system 2612 of one embodiment of the present invention as an uninterruptible power source, electronic devices can be used.

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Abstract

二次電池は充放電を繰り返しているうちに劣化が起こり、電池電圧や電池容量が低下する。二次電 池の劣化により、過度の充電電流値で充電されるのを防止し、二次電池を長寿命化する。二次電池 の劣化度合いを考慮して充電制御を行うことで二次電池の長寿命化を図る。 二次電池の充電の際、予め設定された電流値を充電制御回路が制御し、さらに保護回路が有する充 電電流制御回路（具体的にはエラーアンプを含む回路）が二次電池に流れる電流値を決定する。即 ち、二次電池に流れる電流値は、充電制御回路と、保護回路の一部である充電電流制御回路の両方 によって制御される。

Description

二次電池の保護回路及び二次電池モジュール
本発明の一様態は、物、方法、又は、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、照明装置、電子機器、またはそれらの製造方法に関する。本発明の一態様は、車両、または車両に設けられる車両用電子機器に関する。特に、二次電池の保護回路、二次電池の充電制御方法、二次電池の異常検知システム、及び二次電池を有する電子機器に関する。
なお、本明細書中において、蓄電装置とは、蓄電機能を有する素子及び装置全般を指すものである。例えば、リチウムイオン二次電池などの二次電池、リチウムイオンキャパシタ、全固体電池、及び電気二重層キャパシタなどを含む。
近年、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、空気電池等、種々の蓄電装置の開発が盛んに行われている。特に高出力、高エネルギー密度であるリチウムイオン二次電池は、携帯電話、スマートフォン、タブレット、もしくはノート型コンピュータ等の携帯情報端末、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ、医療機器、又は、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、もしくはプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）等の次世代クリーンエネルギー自動車など、半導体産業の発展と併せて急速にその需要が拡大し、充電可能なエネルギーの供給源として現代の情報化社会に不可欠なものとなっている。
携帯情報端末や電気自動車などにおいては、複数の二次電池を直列接続または並列接続して保護回路（保護ＩＣとも呼ぶ）を設け、電池パック（組電池ともよぶ）として使用される。保護ＩＣには、過充電電圧（Ｏｖｅｒｃｈａｒｇｅ）、過放電電圧（Ｏｖｅｒ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）、充電過電流（Ｃｈａｒｇｉｎｇ　Ｏｖｅｒｃｕｒｒｅｎｔ）、放電過電流（Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　Ｏｖｅｒｃｕｒｒｅｎｔ）、短絡（ｓｈｏｒｔ）を検出する回路などが適宜設けられている。
電池パックとは、二次電池の取り扱いを容易にするため、複数個の二次電池を、所定の回路と共に容器（金属缶、フィルム外装体）内部に収納したものを指す。電池パックは、動作状態を管理するために、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）が設けられる。
電気自動車やハイブリッド自動車に用いる二次電池は、充電回数、放電深度、充電電流、充電する環境（温度変化）などによって劣化が生じる。使用者の使い方にも依存し、充電時の温度や、急速充電する頻度や、回生ブレーキによる充電量や、回生ブレーキによる充電タイミングなども劣化に関係する可能性がある。
二次電池を繰り返し使用することによって二次電池が徐々に劣化していくが、劣化前と同じ電流量で充電が行われている。従来では、二次電池の残量が少ない場合、最初にＣＣ充電を行い、所定の電圧に達した後、ＣＶ充電に切り替えている。
特許文献１では二次電池の容量を測定するため、酸化物半導体を用いたトランジスタを含むクーロンカウンタが開示されている。
米国特許公開第２０１４／０１８４３１４号公報
携帯情報端末などに搭載される二次電池は、劣化の防止、長時間の電力供給、小型化、安価を満たすことなどが課題となっている。
従来では、これらの課題を十分に解決せず、簡易な回路構成にて保護ＩＣを実装している。従来の保護ＩＣは一意に決めた過充電電圧（電流）や過放電電圧（電流）などを検出し、電池の充電電流と放電電流の通過または遮断の制御のみを行っている場合が多い。そこで、本明細書では、細やかな電圧、電流の充電制御を可能とする制御回路を提供することを課題の一つとする。
また、二次電池は充放電を繰り返しているうちに劣化が起こり、電池電圧や電池容量が低下するといった課題がある。二次電池の劣化により、過度の充電電流値で充電されるのを防止し、二次電池を長寿命化することを課題の一つとする。
また、二次電池の劣化度合いを考慮して充電制御を行うことで二次電池の長寿命化を図ることを課題の一つとする。
また、二次電池の異常を検知し、例えば二次電池の安全性を低下させる現象を早期に検知し、使用者に警告、または二次電池の充電条件を変更することにより、安全性を確保することを課題の一つとしている。
　二次電池の劣化度合いを検出する機能と、二次電池に流れる電流を調節できる機能とを少なくとも有する保護回路を実現する。このような保護回路により充電時の電流量を任意に可変にできるため、回路規模を大幅に大きくすることなく、細かな条件で充電を行うことができる。
　二次電池の充電の際、予め設定された電流値を充電制御回路が制御し、さらに保護回路が有する充電電流制御回路（具体的にはエラーアンプを含む回路）が二次電池に流れる電流値を決定する。即ち、二次電池に流れる電流値は、充電制御回路と、保護回路の一部である充電電流制御回路の両方によって制御される。なお、エラーアンプは誤差増幅器とも呼ばれ、２つの入力端子の電圧差を増幅した電圧を出力するオペアンプである。
本明細書で開示する発明の構成の一つは、放電制御用のトランジスタと直列に接続された充電制御用のトランジスタと、エラーアンプを有する保護回路であり、エラーアンプの基準電圧を受ける第１の入力端子は、二次電池と電気的に接続され、エラーアンプの帰還信号を受ける第２の入力端子は、抵抗と放電制御用のトランジスタとを結ぶ配線と電気的に接続される保護回路である。
また、二次電池に保護回路が設けられた二次電池モジュールも本発明の一つであり、その構成は、二次電池と、二次電池と電気的に接続された過充電検知回路と、二次電池と電気的に接続された過放電検知回路と、二次電池と電気的に接続された放電制御用のトランジスタと、該トランジスタと直列に接続された充電制御用のトランジスタと、を少なくとも有し、充電制御用のトランジスタのゲートは、エラーアンプの出力端子と接続され、エラーアンプの出力端子は、過充電検知回路と電気的に接続され、放電制御用のトランジスタのゲートは、過放電検知回路と電気的に接続され、二次電池と放電制御用のトランジスタの間に抵抗を有し、エラーアンプの基準電圧を受ける第１の入力端子は、二次電池と電気的に接続され、エラーアンプの帰還信号を受ける第２の入力端子は、抵抗と放電制御用のトランジスタとを結ぶ配線と電気的に接続される二次電池モジュールである。
上記構成において、エラーアンプに設定される充電電流値は、主制御回路のＤＡコンバータの電圧に応じて制御される。主制御回路は、保護回路の一部を構成し、マイクロコンピュータを用いることができる。また、主制御回路は、Ｎｏｆｆ−ＣＰＵ（ノーマリーオフＣＰＵ）を用いることができる。なお、ノーマリーオフＣＰＵとは、ゲート電圧が０Ｖであっても非導通状態（オフ状態ともいう）であるノーマリーオフ型のトランジスタを含む集積回路である。ノーマリーオフ型のトランジスタは、酸化物半導体を半導体層に用いることで実現できる。
上記構成において、保護回路は、さらにコンパレータ、遅延検出ロジック回路、オシレータ回路、残量計用回路、温度検出演算回路を有してもよい。
従来では、二次電池に保護回路が設けられた二次電池モジュールに対して充電制御を充電制御回路のみが行っている。従って、二次電池を電源とする機器を使用しているユーザー側が、二次電池の劣化に繋がる充電の制御を行ってしまう可能がある。
充電制御回路は、２つの充電方法、具体的には定電流充電と、定電圧充電とを用いるＣＣＣＶ充電、即ち、最初は定電流充電を行い、ある電圧値で切り替え、定電圧充電で充電を行う。また、充電制御回路は二次電池の電圧を検出してある最大電圧値を超えないようにパワートランジスタ（パワーＭＯＳとも呼ぶ）を制御して充電停止する機能も有している。従来ではパワーＭＯＳはバッテリ切断スイッチとして用いられている。
　パワーＭＯＳをバッテリ切断スイッチだけでなく、充電電流制御回路（具体的にはエラーアンプを含む回路）により二次電池に流れる電流値を決定する機能を持たせていることが、本発明の一つである。
なお、パワーＭＯＳなどのパワーデバイスとしては、シリコンが主に用いられており、Ｎチャネル形ＭＯＳＦＥＴや、Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴを構成すればよく、他の材料としてはＳｉＣやＧａＮを用いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む酸化物半導体材料も用いることができる。
また、パワーＭＯＳに酸化物半導体材料を用いる場合、二次電池に流れる電流値をアナログ制御することもできる。
酸化物半導体を用いたトランジスタを含むメモリ回路を有する充電制御のための回路、又は電池制御システムを、ＢＴＯＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ、又はＢａｔｔｅｒｙ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼称する場合がある。
また、上記充電制御回路において、あらかじめ定めたしきい値電流を設定して、検出された電流値により突発的な異常、具体的にはマイクロショートなどを検知することもできる。マイクロショートが発生すると内部抵抗が低くなるため、健常である二次電池に流れる電流量は相対的に小さくなり、異常が発生した二次電池に多くの電流が流れることになり危険である。上記充電制御回路において電流は制御された値が保たれ、電流値をモニターすることもできる。マイクロショートなどを検知することによって二次電池の異常を早期に検知することができる。
　マイクロショートとは、二次電池の内部の微小な短絡のことを指しており、二次電池の正極と負極が短絡して充放電不可能の状態になるというほどではなく、微小な短絡部で短絡電流が短期間流れてしまう現象を指している。マイクロショートの原因は、充放電が複数回行われることによって、劣化が生じ、リチウムやコバルトなどの金属元素が電池内部で析出し、析出物が成長することにより、正極の一部と負極の一部で局所的な電流の集中が生じ、セパレータの一部が機能しなくなる箇所が発生すること、または副反応物が発生することにあると推定されている。
図１４には、充電途中にマイクロショートが示唆される充電カーブの一例を示す。図１４の横軸は二次電池の充電容量Ｃｂ、縦軸は二次電池の電圧Ｖｂである。破線で丸く囲んで領域等において、マイクロショートが示唆される。
二次電池の劣化度合いを監視しながら、充電電流を調節する充電制御を行うことで充電制御システムを総合的に長寿命化することができる。
また、マイクロショートなどを検知することによって二次電池の異常を早期に検知し、安全な充電条件への変更、または充電の停止を行うことができる。
図１は本発明の一態様を示すブロック図である。
図２は本発明の一態様を示す回路図の一例である。
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは二次電池の充電方法を説明する図である。
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは二次電池の充電方法を説明する図である。
図５Ａ、図５Ｂは二次電池の充電カーブおよび二次電池の放電カーブである。
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃはコイン型二次電池を説明する図である。
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄは円筒型二次電池を説明する図である。
図８Ａ、図８Ｂは二次電池の例を説明する図である。
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは二次電池の例を説明する図である。
図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃはラミネート型の二次電池を説明する図である。
図１１Ａ、図１１Ｂはラミネート型の二次電池を説明する図である。
図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄ、図１２Ｅは本発明の一態様の二次電池モジュールを有する小型電子機器および車両の例を説明する図である。
図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃは本発明の一態様の二次電池モジュールを有する車両および住宅の例を説明する図である。
図１４は充電カーブを説明する図である。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
（実施の形態１）
図１を参照して本実施の形態にかかる保護回路１３について説明する。
本実施の形態では、保護回路１３を１つの保護ＩＣとして二次電池と電気的に接続させる例を示す。二次電池に保護ＩＣが実装された二次電池モジュールを携帯情報端末などに主電源として搭載する例を示す。
二次電池には充電制御回路が接続されており、充電制御回路は二次電池の電圧を検出してある最大電圧値を超えないようにパワーＭＯＳ１２を制御して充電停止する機能を有している。
パワーＭＯＳ１２は、２つのトランジスタで構成し、充電制御用トランジスタと、放電制御用トランジスタとが直列接続している。本実施の形態では、パワーＭＯＳ１２と保護回路１３とは別々のＩＣとしている。過充電検知回路１５と充電制御用トランジスタのゲートとが電気的に接続されており、過充電を検知した場合には、充電制御用トランジスタをオフ状態とするゲート電圧を印加することで電流を遮断する。また、過放電検知回路１７と放電制御用トランジスタのゲートとが電気的に接続されており、過放電を検知した場合には、放電制御用トランジスタをオフ状態とするゲート電圧を印加することで電流を遮断する。
また、主制御回路１６は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、メモリ、ＡＤコンバータ、ＤＡコンバータなどを含むマイクロコンピュータが実装された実装基板の回路とも言える。主制御回路１６は、充電時において、二次電池の劣化度の推定を行える。また、主制御回路１６としてノーマリーオフＣＰＵを用いる場合、充電時以外はオフ状態として電力の使用を最小限にすることができる。
主制御回路１６は、二次電池の電流と電圧、温度等をモニターし、電池モデル等を使った電池の劣化度を推定することができる。例えば回帰モデル、例えばカルマンフィルタを使った電池の内部状態（内部抵抗、ＳＯＣなど）の推定を行い、推定された内部抵抗値などから電池の劣化度を推定し、劣化度と内部状態（内部抵抗、ＳＯＣ、温度など）に応じた充電電流値を計算し、その値を充電電流制御回路１８に設定する。
カルマンフィルタは、無限インパルス応答フィルタの一種である。また、重回帰分析は多変量解析の一つであり、回帰分析の独立変数を複数にしたものである。重回帰分析としては、最小二乗法などがある。回帰分析では観測値の時系列が多く必要とされる一方、カルマンフィルタは、ある程度のデータの蓄積さえあれば、逐次的に最適な補正係数が得られるメリットを有する。また、カルマンフィルタは、非定常時系列に対しても適用できる。
二次電池の内部抵抗及び充電率（ＳＯＣ）を推定する方法として、非線形カルマンフィルタ（具体的には無香料カルマンフィルタ（ＵＫＦとも呼ぶ））を利用することができる。また、拡張カルマンフィルタ（ＥＫＦともよぶ）を用いることもできる。
カルマンフィルタを用いて二次電池の内部抵抗及びＳＯＣを推定することができる。二次電池の内部抵抗及びＳＯＣを推定する場合には事後状態推定値を出力として扱えばよい。
充電電流制御回路１８は特に限定されないが、エラーアンプなどを用いることができる。エラーアンプは非反転端子に入力された基準電圧Ｖｒｅｆと、反転端子に入力された帰還電圧Ｖｆｂが入力される。なお、エラーアンプの電源電圧Ｖｄｄは、例えば主制御回路１６のＣＰＵ等により生成される。
充電電流制御回路１８は、パワーＭＯＳ１２の一方のトランジスタ、即ち、充電制御回路用トランジスタのゲートと接続されており、そのゲートに印加するゲート電圧を調節することで二次電池に流れる電流量を調節することができる。このようにパワーＭＯＳ１２を用いて二次電池に流れる電流量を調節する制御方法をパワーＭＯＳ１２のアナログ制御とも呼ぶ。
図１に示す構成とすることにより、二次電池の劣化度に応じて充電時の電流量を自動制御する二次電池の制御システムを実現することができる。なお、ここでいう自動制御とは携帯情報端末のメインメモリなどに予め格納またはダウンロードされたソフトウェアや、フラッシュメモリを使用することなく自動制御することを指している。二次電池を制御するソフトウェアを用いて制御する場合は、ソフトウェアを起動するためのメモリ容量などを確保する必要がでてくるため携帯情報端末の機能を圧迫し、携帯情報端末の充電中に使用者が他の作業を行う際の処理速度が低下してしまう可能性がある。フラッシュメモリを使用する場合、二次電池の劣化に応じてフラッシュメモリのデータ書き替えを行い、書き込みデータ値を維持するために電力消費が大きくなってしまう恐れがある。
なお、充電制御回路１４は、メイン基板に実装してもよいし、独立して別途ＩＣやマイクロコンピュータなどとして設けてもよい。充電制御回路１４は接続する二次電池の充放電特性に従って、予め決定された充電条件で充電するように回路設計されている。二次電池の劣化が生じても充電制御回路１４に変更を加えることなく、保護回路１３を含むシステムによって充電条件を制御する。保護回路１３を含むシステムを用いれば、二次電池の劣化がある程度進んだ際に、劣化に応じた充電電流の制御ができる。
また、パワーＭＯＳ１２を保護回路１３と同じ基板に実装する一つの保護ＩＣにすることができる。また、Ｓｉ　ＬＳＩ上に、パワーＭＯＳ１２の半導体層として酸化物半導体を用いて作製して積層または混在させたハイブリッドデバイスを保護ＩＣとしてもよい。
また、抵抗１１を保護回路１３と同じ基板に実装する一つの保護ＩＣに実装することもできる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、保護回路の一例を図２に示す。
図２に示す保護回路は、ＶＣ端子とＶＳＳ端子を有する。
ＶＣ端子は二次電池の一方の端子と電気的に接続されており、過充電検知回路２５、過放電検知回路２７と接続されている。
過充電検知回路２５は、ヒステリシスコンパレータと、ヒステリシスコンパレータの出力端子がゲートと電気的に接続するトランジスタを少なくとも含んで構成されている。
過放電検知回路２７は、ヒステリシスコンパレータを少なくとも含んで構成されている。なお、ヒステリシスコンパレータは電位の比較に２つの閾値を持つことを特徴とする回路である。
ＶＳＳ端子は、パワーＭＯＳ２２と、抵抗２１とが直列接続され、二次電池のもう一方の端子と電気的に接続されている。
本実施の形態では充電電流制御回路はエラーアンプ２８で構成する例を示している。エラーアンプ２８は非反転端子に入力された基準電圧Ｖｒｅｆと、反転端子に入力された帰還電圧Ｖｆｂが入力される。なお、エラーアンプ２８の電源電圧Ｖｄｄは、例えば主制御回路２６のＣＰＵ等により生成される。また、エラーアンプ２８の出力は、パワーＭＯＳ２２の充電制御用のトランジスタのゲートと接続されている。
主制御回路２６は、ＣＰＵ、メモリ（ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等）、ＡＤコンバータ及びＤＡコンバータで構成されており、ＡＤコンバータは電池の電圧、電流及び温度を計測し、ＣＰＵにて電池の劣化度を推定（計算）し、劣化度と内部状態（内部抵抗、ＳＯＣ、温度など）に応じた充電電流値を計算する。主制御回路２６は、ＣＰＵに代えてＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＰＭＵ（Ｐｏｗｅｒ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｕｎｉｔ）など）と統合した一つのＩＣチップとしてもよい。また、主制御回路２６は、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｇａｔｅ　ａｒｒａｙ）デバイスとしてもよい。
主制御回路２６はエラーアンプ２８を制御して充電電流が設定された電流値を超えないようにしている。なお、エラーアンプ２８は主制御回路２６のＤＡコンバータの出力電圧に応じて充電電流を制御する仕組みとなっている。
例えば、図２に示す保護回路を用いれば、二次電池の劣化がある程度進んだ際に、劣化に応じた充電電流の制御ができる。
　充電開始から最初のＣＣ充電において、端子ＶＣまたは端子ＶＳＳに接続されている充電制御回路が二次電池に対して流そうとする電流が主制御回路２６の設定した電流値を超えそうになると充電電流制御回路（エラーアンプ２８）のフィードバック制御により電流は設定値に収束し、電圧は急峻に上昇して充電制御回路はＣＶ充電モードの状態になる。なお、充電中、ＣＣ充電からＣＶ充電に切り替わる電圧となる前に、ＣＶ充電となることをＣＶ充電モードと呼ぶこととする。ＣＶ充電モード時は保護回路側で任意に可変にできるため、間欠充電も可能になる。
　以下に、ＣＣ充電およびＣＶ充電について説明する。
［充放電方法］
　二次電池の充放電は、例えば下記のように行うことができる。
　まず、充電方法の１つとしてＣＣ充電について説明する。ＣＣ充電は、充電期間のすべてで一定の電流を二次電池に流し、所定の電圧になったときに充電を停止する充電方法である。二次電池を、図３Ａに示すように内部抵抗Ｒと二次電池容量Ｃの等価回路と仮定する。この場合、二次電池電圧ＶＢは、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲと二次電池容量Ｃにかかる電圧ＶＣの和である。
　ＣＣ充電を行っている間は、図３Ａに示すように、スイッチがオンになり、一定の電流Ｉが二次電池に流れる。この間、電流Ｉが一定であるため、ＶＲ＝Ｒ×Ｉのオームの法則により、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲも一定である。一方、二次電池容量Ｃにかかる電圧ＶＣは、時間の経過とともに上昇する。そのため、二次電池電圧ＶＢは、時間の経過とともに上昇する。
　そして二次電池電圧ＶＢが所定の電圧、例えば４．３Ｖになったときに、充電を停止する。ＣＣ充電を停止すると、図３Ｂに示すように、スイッチがオフになり、電流Ｉ＝０となる。そのため、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲが０Ｖとなる。そのため、二次電池電圧ＶＢが下降する。
　ＣＣ充電を行っている間と、ＣＣ充電を停止してからの、二次電池電圧ＶＢと充電電流の例を図３Ｃに示す。ＣＣ充電を行っている間は上昇していた二次電池電圧ＶＢが、ＣＣ充電を停止してから若干低下する様子が示されている。
　次に、上記と異なる充電方法であるＣＣＣＶ充電について説明する。ＣＣＣＶ充電は、まずＣＣ充電にて所定の電圧まで充電を行い、その後、ＣＶ充電にて流れる電流が少なくなるまで、具体的には終止電流値になるまで充電を行う充電方法である。
　ＣＣ充電を行っている間は、図４Ａに示すように、定電流電源のスイッチがオン、定電圧電源のスイッチがオフになり、一定の電流Ｉが二次電池に流れる。この間、電流Ｉが一定であるため、ＶＲ＝Ｒ×Ｉのオームの法則により、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲも一定である。一方、二次電池容量Ｃにかかる電圧ＶＣは、時間の経過とともに上昇する。そのため、二次電池電圧ＶＢは、時間の経過とともに上昇する。
　そして二次電池電圧ＶＢが所定の電圧、例えば４．３Ｖになったときに、ＣＣ充電からＣＶ充電に切り替える。ＣＶ充電を行っている間は、図４Ｂに示すように、定電圧電源のスイッチがオン、定電流電源のスイッチがオフになり、二次電池電圧ＶＢが一定となる。一方、二次電池容量Ｃにかかる電圧ＶＣは、時間の経過とともに上昇する。ＶＢ＝ＶＲ＋ＶＣであるため、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲは、時間の経過とともに小さくなる。内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲが小さくなるに従い、ＶＲ＝Ｒ×Ｉのオームの法則により、二次電池に流れる電流Ｉも小さくなる。
　そして二次電池に流れる電流Ｉが所定の電流、例えば０．０１Ｃ相当の電流となったとき、充電を停止する。ＣＣＣＶ充電を停止すると、図４Ｃに示すように、全てのスイッチがオフになり、電流Ｉ＝０となる。そのため、内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲが０Ｖとなる。しかし、ＣＶ充電により内部抵抗Ｒにかかる電圧ＶＲが十分に小さくなっているため、内部抵抗Ｒでの電圧降下がなくなっても、二次電池電圧ＶＢはほとんど降下しない。
　ＣＣＣＶ充電を行っている間と、ＣＣＣＶ充電を停止してからの、二次電池電圧ＶＢと充電電流の例を図５Ａに示す。ＣＣＣＶ充電を停止しても、二次電池電圧ＶＢがほとんど降下しない様子が示されている。
　次に、放電方法の１つであるＣＣ放電について説明する。ＣＣ放電は、放電期間のすべてで一定の電流を二次電池から流し、二次電池電圧ＶＢが所定の電圧、例えば２．５Ｖになったときに放電を停止する放電方法である。
　ＣＣ放電を行っている間の二次電池電圧ＶＢと放電電流の例を図５Ｂに示す。放電が進むに従い、二次電池電圧ＶＢが降下していく様子が示されている。
　次に、放電レート及び充電レートについて説明する。放電レートとは、電池容量に対する放電時の電流の相対的な比率であり、単位Ｃで表される。定格容量Ｘ（Ａｈ）の電池において、１Ｃ相当の電流は、Ｘ（Ａ）である。２Ｘ（Ａ）の電流で放電させた場合は、２Ｃで放電させたといい、Ｘ／５（Ａ）の電流で放電させた場合は、０．２Ｃで放電させたという。また、充電レートも同様であり、２Ｘ（Ａ）の電流で充電させた場合は、２Ｃで充電させたといい、Ｘ／５（Ａ）の電流で充電させた場合は、０．２Ｃで充電させたという。
本実施の形態は、実施の形態１と自由に組み合わせることができる。
（実施の形態３）
コイン型の二次電池の一例について説明する。図６Ａはコイン型（単層偏平型）の二次電池の外観図であり、図６Ｂは、その断面図である。
コイン型の二次電池３００は、正極端子を兼ねた正極缶３０１と負極端子を兼ねた負極缶３０２とが、ポリプロピレン等で形成されたガスケット３０３で絶縁シールされている。正極３０４は、正極集電体３０５と、これと接するように設けられた正極活物質層３０６により形成される。また、負極３０７は、負極集電体３０８と、これに接するように設けられた負極活物質層３０９により形成される。
なお、コイン型の二次電池３００に用いる正極３０４および負極３０７は、それぞれ活物質層は片面のみに形成すればよい。
正極缶３０１、負極缶３０２には、電解液に対して耐食性のあるニッケル、アルミニウム、チタン等の金属、又はこれらの合金やこれらと他の金属との合金（例えばステンレス鋼等）を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケルやアルミニウム等を被覆することが好ましい。正極缶３０１は正極３０４と、負極缶３０２は負極３０７とそれぞれ電気的に接続する。
これら負極３０７、正極３０４およびセパレータ３１０を電解質に含浸させ、図６Ｂに示すように、正極缶３０１を下にして正極３０４、セパレータ３１０、負極３０７、負極缶３０２をこの順で積層し、正極缶３０１と負極缶３０２とをガスケット３０３を介して圧着してコイン形の二次電池３００を製造する。
ここで図６Ｃを用いて二次電池の充電時の電流の流れを説明する。リチウムを用いた二次電池を一つの閉回路とみなした時、リチウムイオンの動きと電流の流れは同じ向きになる。なお、リチウムを用いた二次電池では、充電と放電でアノード（陽極）とカソード（陰極）が入れ替わり、酸化反応と還元反応とが入れ替わることになるため、反応電位が高い電極を正極と呼び、反応電位が低い電極を負極と呼ぶ。したがって、本明細書においては、充電中であっても、放電中であっても、逆パルス電流を流す場合であっても、充電電流を流す場合であっても、正極は「正極」または「＋極（プラス極）」と呼び、負極は「負極」または「−極（マイナス極）」と呼ぶこととする。酸化反応や還元反応に関連したアノード（陽極）やカソード（陰極）という用語を用いると、充電時と放電時とでは、逆になってしまい、混乱を招く可能性がある。したがって、アノード（陽極）やカソード（陰極）という用語は、本明細書においては用いないこととする。仮にアノード（陽極）やカソード（陰極）という用語を用いる場合には、充電時か放電時かを明記し、正極（プラス極）と負極（マイナス極）のどちらに対応するものかも併記することとする。
図６Ｃに示す２つの端子には充電器が接続され、二次電池３００が充電される。二次電池３００の充電が進めば、電極間の電位差は大きくなる。
［円筒型二次電池］
次に円筒型の二次電池の例について図７を参照して説明する。円筒型の二次電池６００は、図７Ａに示すように、上面に正極キャップ（電池蓋）６０１を有し、側面および底面に電池缶（外装缶）６０２を有している。これら正極キャップと電池缶（外装缶）６０２とは、ガスケット（絶縁パッキン）６１０によって絶縁されている。
図７Ｂは、円筒型の二次電池の断面を模式的に示した図である。中空円柱状の電池缶６０２の内側には、帯状の正極６０４と負極６０６とがセパレータ６０５を間に挟んで捲回された電池素子が設けられている。図示しないが、電池素子はセンターピンを中心に捲回されている。電池缶６０２は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶６０２には、電解液に対して耐腐食性のあるニッケル、アルミニウム、チタン等の金属、又はこれらの合金やこれらと他の金属との合金（例えば、ステンレス鋼等）を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケルやアルミニウム等を被覆することが好ましい。電池缶６０２の内側において、正極、負極およびセパレータが捲回された電池素子は、対向する一対の絶縁板６０８、６０９により挟まれている。また、電池素子が設けられた電池缶６０２の内部は、非水電解液（図示せず）が注入されている。非水電解液は、コイン型の二次電池と同様のものを用いることができる。
円筒型の蓄電池に用いる正極および負極は捲回するため、集電体の両面に活物質を形成することが好ましい。正極６０４には正極端子（正極集電リード）６０３が接続され、負極６０６には負極端子（負極集電リード）６０７が接続される。正極端子６０３および負極端子６０７は、ともにアルミニウムなどの金属材料を用いることができる。正極端子６０３は安全弁機構６１２に、負極端子６０７は電池缶６０２の底にそれぞれ抵抗溶接される。安全弁機構６１２は、ＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）６１１を介して正極キャップ６０１と電気的に接続されている。安全弁機構６１２は電池の内圧の上昇が所定の閾値を超えた場合に、正極キャップ６０１と正極６０４との電気的な接続を切断するものである。また、ＰＴＣ素子６１１は温度が上昇した場合に抵抗が増大する熱感抵抗素子であり、抵抗の増大により電流量を制限して異常発熱を防止するものである。ＰＴＣ素子には、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）系半導体セラミックス等を用いることができる。
また、図７Ｃのように複数の二次電池６００を、導電板６１３および導電板６１４の間に挟んでモジュール６１５を構成してもよい。複数の二次電池６００は、並列接続されていてもよいし、直列接続されていてもよいし、並列に接続された後さらに直列に接続されていてもよい。複数の二次電池６００を有するモジュール６１５を構成することで、大きな電力を取り出すことができる。
図７Ｄはモジュール６１５の上面図である。図を明瞭にするために導電板６１３を点線で示した。図７Ｄに示すようにモジュール６１５は、複数の二次電池６００を電気的に接続する導線６１６を有していてもよい。導線６１６上に導電板を重畳して設けることができる。また複数の二次電池６００の間に温度制御装置６１７を有していてもよい。二次電池６００が過熱されたときは、温度制御装置６１７により冷却し、二次電池６００が冷えすぎているときは温度制御装置６１７により加熱することができる。そのためモジュール６１５の性能が外気温に影響されにくくなる。温度制御装置６１７が有する熱媒体は絶縁性と不燃性を有することが好ましい。
［二次電池の構造例］
二次電池の別の構造例について、図８、及び図９を用いて説明する。
図８Ａ及び図８Ｂは、二次電池の外観図を示す図である。二次電池は、回路基板９００と、二次電池９１３と、を有する。二次電池９１３には、ラベル９１０が貼られている。さらに、図８Ｂに示すように、二次電池は、端子９５１と、端子９５２と、アンテナ９１４と、アンテナ９１５と、を有する。
回路基板９００は、端子９１１と、回路９１２と、を有する。端子９１１は、端子９５１、端子９５２、アンテナ９１４、アンテナ９１５、及び回路９１２に接続される。なお、端子９１１を複数設けて、複数の端子９１１のそれぞれを、制御信号入力端子、電源端子、温度検出端子（Ｔ端子とも呼ばれる）などとしてもよい。
回路９１２は、過充電検知回路、過放電検知回路またはパワーＭＯＳなどを含む保護回路である。保護回路を実装する回路基板９００には、ダイオードや、抵抗や、サーミスタ（温度センサなど）などを設けてもよい。温度によって変化するサーミスタの抵抗値を検出して、その抵抗値がしきい値（充電温度範囲）を超えると充電を停止するように回路９１２が設計されている。
回路９１２は、回路基板９００の裏面に設けられていてもよい。なお、アンテナ９１４及びアンテナ９１５は、コイル状に限定されず、例えば線状、板状であってもよい。また、平面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、ＥＨアンテナ、磁界アンテナ、誘電体アンテナ等のアンテナを用いてもよい。又は、アンテナ９１４若しくはアンテナ９１５は、平板状の導体でもよい。この平板状の導体は、電界結合用の導体の一つとして機能することができる。つまり、コンデンサの有する２つの導体のうちの一つの導体として、アンテナ９１４若しくはアンテナ９１５を機能させてもよい。これにより、電磁界、磁界だけでなく、電界で電力のやり取りを行うこともできる。
アンテナ９１４の線幅は、アンテナ９１５の線幅よりも大きいことが好ましい。これにより、アンテナ９１４により受電する電力量を大きくできる。
二次電池は、アンテナ９１４及びアンテナ９１５と、二次電池９１３との間に層９１６を有する。層９１６は、例えば二次電池９１３による電磁界への影響を防止することができる機能を有する。層９１６としては、例えば磁性体を用いることができる。
なお、二次電池の構造は、図８に限定されない。
二次電池９１３の構造例について図９を用いて説明する。
図９を用いて、ラミネート型の二次電池９８０について説明する。ラミネート型の二次電池９８０は、図９Ａに示す捲回体９９３を有する。捲回体９９３は、負極９９４と、正極９９５と、セパレータ９９６と、を有する。捲回体９９３は、セパレータ９９６を挟んで負極９９４と、正極９９５とが重なり合って積層され、該積層シートを捲回したものである。
図９Ｂに示すように、外装体となるフィルム９８１と、凹部を有するフィルム９８２とを熱圧着などにより貼り合わせて形成される空間に上述した捲回体９９３を収納することで、図９Ｃに示すように二次電池９８０を作製することができる。捲回体９９３は、リード電極９９７およびリード電極９９８を有し、フィルム９８１と、凹部を有するフィルム９８２との内部で電解液に含浸される。
フィルム９８１と、凹部を有するフィルム９８２は、例えばアルミニウムなどの金属材料や樹脂材料を用いることができる。フィルム９８１および凹部を有するフィルム９８２の材料として樹脂材料を用いれば、外部から力が加わったときにフィルム９８１と、凹部を有するフィルム９８２を変形させることができ、可撓性を有する蓄電池を作製することができる。
また、図９Ｂおよび図９Ｃでは封止のために、２枚のフィルムを用いる例を示しているが、１枚のフィルムを折り曲げることによって空間を形成し、その空間に上述した捲回体９９３を収納してもよい。
また図９では外装体となるフィルムにより形成された空間に捲回体を有する二次電池９８０の例について説明したが、たとえば図１０のように、外装体となるフィルムにより形成された空間に、複数の正極、セパレータおよび負極を有する二次電池としてもよい。
図１０Ａに形状がＬ字状の正極集電体７０１および正極活物質層７０２を有する正極を示す。また、正極は正極集電体７０１が一部露出する領域（以下、タブ領域という）を有する。また、図１０Ｂに形状がＬ字状の負極集電体７０４および負極活物質層７０５を有する負極を示す。負極は負極集電体７０４が一部露出する領域、すなわちタブ領域を有する。
図１０Ｃに正極７０３を４層、負極７０６を４層、それぞれ積層させた斜視図を示す。なお、図１０Ｃにおいて、簡略のため、正極７０３と負極７０６の間に設けるセパレータは点線で図示している。
図１１Ａに示すラミネート型の二次電池は、Ｌ字状の正極集電体７０１および正極活物質層７０２を有する正極７０３と、Ｌ字状の負極集電体７０４および負極活物質層７０５を有する負極７０６と、セパレータ７０７と、電解液７０８と、外装体７０９と、を有する。外装体７０９内に設けられた正極７０３と負極７０６との間にセパレータ７０７が設置されている。また、外装体７０９内は、電解液７０８で満たされている。
図１１Ａに示すラミネート型の二次電池において、正極集電体７０１および負極集電体７０４は、外部との電気的接触を得る端子の役割も兼ねている。そのため、正極集電体７０１および負極集電体７０４の一部は、外装体７０９から外側に露出するように配置してもよい。また、正極集電体７０１および負極集電体７０４を、外装体７０９から外側に露出させず、リード電極を用いてそのリード電極と正極集電体７０１、或いは負極集電体７０４と超音波接合させてリード電極を外側に露出するようにしてもよい。
ラミネート型の二次電池において、外装体７０９には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等の材料からなる膜上に、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さらに該金属薄膜上に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹脂膜を設けた三層構造のラミネートフィルムを用いることができる。
また、ラミネート型の二次電池の断面構造の一例を図１１Ｂに示す。図１１Ａでは簡略のため、省略しているが、実際は、複数の電極層で構成する。
図１１Ｂでは、一例として、電極層数を１６としている。図１１Ｂでは負極集電体７０４が８層と、正極集電体７０１が８層の合計１６層の構造を示している。なお、図１１Ｂは、図１１Ａの鎖線で切断した正極の取り出し部の断面を示しており、８層の負極集電体７０４を超音波接合させている。勿論、電極層数は１６に限定されず、多くてもよいし、少なくてもよい。電極層数が多い場合には、より多くの容量を有する二次電池とすることができる。また、電極層数が少ない場合には、薄型化できる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、図１２および図１３を用いて、先の実施の形態で説明した二次電池モジュールを電子機器に実装する例について説明する。なお、二次電池モジュールは、少なくとも二次電池と保護回路を有している。
まず図１２Ａ乃至図１２Ｃを用いて、本発明の一態様である二次電池モジュールを小型電子機器に実装する例について説明する。
図１２Ａは、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機２１００は、筐体２１０１に組み込まれた表示部２１０２の他、操作ボタン２１０３、外部接続ポート２１０４、スピーカ２１０５、マイク２１０６などを備えている。なお、携帯電話機２１００は、二次電池モジュール２１０７を有している。
携帯電話機２１００は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。
操作ボタン２１０３は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、携帯電話機２１００に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作ボタン２１０３の機能を自由に設定することもできる。
また、携帯電話機２１００は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。
また、携帯電話機２１００は外部接続ポート２１０４を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また外部接続ポート２１０４を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は外部接続ポート２１０４を介さずに無線給電により行ってもよい。
携帯電話機２１００はセンサを有することが好ましい。センサとして例えば、指紋センサ、脈拍センサ、体温センサ等の人体センサや、タッチセンサ、加圧センサ、加速度センサ、等が搭載されることが好ましい。
図１２Ｂはタバコ収容喫煙装置（電子タバコ）とも呼ばれる装置の斜視図である。図１２Ｂにおいて電子タバコ２２００は、加熱素子２２０１と、加熱素子２２０１に電力を供給する二次電池モジュール２２０４を有する。これにスティック２２０２を挿入すると、スティック２２０２は加熱素子２２０１により加熱される。安全性を高めるため、二次電池モジュール２２０４の過充電や過放電を防ぐ保護回路を二次電池モジュール２２０４に電気的に接続してもよい。図１２Ｂに示した二次電池モジュール２２０４は、充電機器と接続できるように外部端子を有している。二次電池モジュール２２０４は持った場合に先端部分となるため、トータルの長さが短く、且つ、重量が軽いことが望ましい。本発明の一態様の二次電池モジュールは安全性が高いため、長期間に渡って長時間の安全な使用ができる小型であり、且つ、軽量の電子タバコ２２００を提供できる。
図１２Ｃは複数のローター２３０２を有する無人航空機２３００である。無人航空機２３００は、本発明の一態様である二次電池モジュール２３０１と、カメラ２３０３と、アンテナ（図示しない）を有する。無人航空機２３００はアンテナを介して遠隔操作することができる。本発明の一態様の二次電池モジュールは安全性が高いため、長期間に渡って長時間の安全な使用ができ、無人航空機２３００に搭載する二次電池モジュールとして好適である。
次に図１２Ｄ、図１２Ｅおよび図１３を用いて、本発明の一態様である二次電池モジュールを車両に実装する例について説明する。
図１２Ｄは本発明の一態様の二次電池モジュールを用いた電動二輪車２４００である。電動二輪車２４００は、本発明の一態様である二次電池モジュール２４０１、表示部２４０２、ハンドル２４０３を備える。二次電池モジュール２４０１は、動力となるモーターに電気を供給することができる。表示部２４０２は、二次電池モジュール２４０１の残量、電動二輪車２４００の速度、水平状態等を表示することができる。
図１２Ｅは本発明の一態様の二次電池モジュールを用いた電動自転車の一例である。電動自転車２５００は、電池パック２５０２を備える。電池パック２５０２は、本発明の一態様の二次電池モジュールを有する。
電池パック２５０２、運転者をアシストするモーターに電気を供給することができる。また、電池パック２５０２は、電動自転車２５００から取り外して持ち運びができる。また電池パック２５０２および電動自転車２５００は、電池残量などを表示できる表示部を有していてもよい。
また図１３Ａに示すように、本発明の一態様の二次電池２６０１を複数有する二次電池モジュール２６０２を、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、又はプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、その他電子機器に搭載してもよい。
図１３Ｂに、二次電池モジュール２６０２が搭載された車両の一例を示す。車両２６０３は、走行のための動力源として電気モーターを用いる電気自動車である。または、走行のための動力源として電気モーターとエンジンを適宜選択して用いることが可能なハイブリッド自動車である。電動モータを用いる車両２６０３は、複数のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）を有し、ＥＣＵによってエンジン制御などを行う。ＥＣＵは、マイクロコンピュータを含む。ＥＣＵは、電動車両に設けられたＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）に接続される。ＣＡＮは、車内ＬＡＮとして用いられるシリアル通信規格の一つである。本発明の一態様を用いることで、安全性が高く、航続距離の長い車両を実現することができる。
二次電池は電気モーター（図示せず）を駆動するだけでなく、ヘッドライトやルームライトなどの発光装置に電力を供給することができる。また、二次電池は、車両２６０３が有するスピードメーター、タコメーター、ナビゲーションシステムなどの表示装置および半導体装置に電力を供給することができる。
車両２６０３は、二次電池モジュール２６０２が有する二次電池にプラグイン方式や非接触給電方式等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。
図１３Ｃは地上設置型の充電装置２６０４から、ケーブルを介して車両２６０３に充電している状態を示している。充電に際しては、充電方法やコネクターの規格等はＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標）やコンボ等の所定の方式で適宜行えばよい。例えば、プラグイン技術によって、外部からの電力供給により車両２６０３に搭載された二次電池モジュール２６０２を充電することができる。充電は、ＡＣＤＣコンバータ等の変換装置を介して、交流電力を直流電力に変換して行うことができる。充電装置２６０４は、図１３Ｃのように住宅に備えられたものであってもよいし、商用施設に設けられた充電ステーションでもよい。
また、図示しないが、受電装置を車両に搭載し、地上の送電装置から電力を非接触で供給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路や外壁に送電装置を組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給電の方式を利用して、車両どうしで電力の送受信を行ってもよい。さらに、車両の外装部に太陽電池を設け、停車時や走行時に二次電池の充電を行ってもよい。このような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式や磁界共鳴方式を用いることができる。
また図１３Ｃに示す住宅は、本発明の一態様である二次電池モジュールを有する蓄電システム２６１２と、ソーラーパネル２６１０を有する。蓄電システム２６１２は、ソーラーパネル２６１０と配線２６１１等を介して電気的に接続されている。また蓄電システム２６１２と地上設置型の充電装置２６０４が電気的に接続されていてもよい。ソーラーパネル２６１０で得た電力は、蓄電システム２６１２に充電することができる。また蓄電システム２６１２に蓄えられた電力は、充電装置２６０４を介して車両２６０３が有する二次電池モジュール２６０２に充電することができる。
蓄電システム２６１２に蓄えられた電力は、住宅内の他の電子機器にも電力を供給することができる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電システム２６１２を無停電電源として用いることで、電子機器の利用が可能となる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
１１：抵抗、１２：パワーＭＯＳ、１３：保護回路、１４：充電制御回路、１５：過充電検知回路、１６：主制御回路、１７：過放電検知回路、１８：充電電流制御回路、２１：抵抗、２２：パワーＭＯＳ、２５：過充電検知回路、２６：主制御回路、２７：過放電検知回路、２８：エラーアンプ、３００：二次電池、３０１：正極缶、３０２：負極缶、３０３：ガスケット、３０４：正極、３０５：正極集電体、３０６：正極活物質層、３０７：負極、３０８：負極集電体、３０９：負極活物質層、３１０：セパレータ、６００：二次電池、６０１：正極キャップ、６０２：電池缶、６０３：正極端子、６０４：正極、６０５：セパレータ、６０６：負極、６０７：負極端子、６０８：絶縁板、６０９：絶縁板、６１１：ＰＴＣ素子、６１２：安全弁機構、６１３：導電板、６１４：導電板、６１５：モジュール、６１６：導線、６１７：温度制御装置、７０１：正極集電体、７０２：正極活物質層、７０３：正極、７０４：負極集電体、７０５：負極活物質層、７０６：負極、７０７：セパレータ、７０８：電解液、７０９：外装体、９００：回路基板、９１０：ラベル、９１１：端子、９１２：回路、９１３：二次電池、９１４：アンテナ、９１５：アンテナ、９１６：層、９５１：端子、９５２：端子、９８０：二次電池、９８１：フィルム、９８２：フィルム、９９３：捲回体、９９４：負極、９９５：正極、９９６：セパレータ、９９７：リード電極、９９８：リード電極、２１００：携帯電話機、２１０１：筐体、２１０２：表示部、２１０３：操作ボタン、２１０４：外部接続ポート、２１０５：スピーカ、２１０６：マイク、２１０７：二次電池モジュール、２２００：電子タバコ、２２０１：加熱素子、２２０２：スティック、２２０４：二次電池モジュール、２３００：無人航空機、２３０１：二次電池モジュール、２３０２：ローター、２３０３：カメラ、２４００：電動二輪車、２４０１：二次電池モジュール、２４０２：表示部、２４０３：ハンドル、２５００：電動自転車、２５０２：電池パック、２６０１：二次電池、２６０２：二次電池モジュール、２６０３：車両、２６０４：充電装置、２６１０：ソーラーパネル、２６１１：配線、２６１２：蓄電システム

Claims (7)

  1. 二次電池と、
    前記二次電池と電気的に接続された過充電検知回路と、
    前記二次電池と電気的に接続された過放電検知回路と、
    前記二次電池と電気的に接続された放電制御用のトランジスタと、
    該トランジスタと直列に接続された充電制御用のトランジスタと、を少なくとも有し、
    前記充電制御用のトランジスタのゲートは、エラーアンプの出力端子と接続され、
    前記エラーアンプの出力端子は、前記過充電検知回路と電気的に接続され、
    前記放電制御用のトランジスタのゲートは、前記過放電検知回路と電気的に接続され、
    前記二次電池と前記放電制御用のトランジスタの間に抵抗を有し、
    前記エラーアンプの基準電圧を受ける第１の入力端子は、前記二次電池と電気的に接続され、
    前記エラーアンプの帰還信号を受ける第２の入力端子は、前記抵抗と前記放電制御用のトランジスタとを結ぶ配線と電気的に接続される二次電池モジュール。
  2. 請求項１において、エラーアンプに設定される充電電流値は、主制御回路のＤＡコンバータの出力電圧に応じて制御される二次電池モジュール。
  3. 放電制御用のトランジスタと、
    前記放電制御用のトランジスタと直列に接続された充電制御用のトランジスタと、
    エラーアンプを有する保護回路であり、
    前記エラーアンプの基準電圧を受ける第１の入力端子は、二次電池と電気的に接続され、
    前記エラーアンプの帰還信号を受ける第２の入力端子は、抵抗と前記放電制御用のトランジスタとを結ぶ配線と電気的に接続される二次電池の保護回路。
  4. 請求項３において、前記保護回路は、さらに過放電検知回路を有し、
    前記過放電検知回路は、前記放電制御用のトランジスタのゲートと電気的に接続する二次電池の保護回路。
  5. 請求項３または請求項４において、前記保護回路は、さらに過充電検知回路を有し、
    前記過充電検知回路は、前記充電制御用のトランジスタのゲートと電気的に接続する二次電池の保護回路。
  6. 請求項３乃至５のいずれか一において、前記放電制御用のトランジスタの半導体層及び前記充電制御用のトランジスタの半導体層はシリコンである二次電池の保護回路。
  7. 請求項３乃至５のいずれか一において、前記放電制御用のトランジスタの半導体層及び前記充電制御用のトランジスタの半導体層は酸化物半導体である二次電池の保護回路。
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