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公開番号2020171193
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201015
出願番号2020114094
出願日20200701
発明の名称蓄電装置の制御システム
出願人株式会社半導体エネルギー研究所
代理人
主分類H02J 7/00 20060101AFI20200918BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】蓄電装置の劣化を抑制する。
【解決手段】複数の蓄電装置(10_1、10_2、20_1、20_2の接続を個別に制御するスイッチ(11a、11b、12a、12b、21a、21b、22a、22b、51、61)を設け、スイッチを複数の制御信号で制御することにより、各蓄電装置を充電するか放電するかの切り換え又は複数の蓄電装置を直列接続にするか並列接続にするかの切り換えを行う。さらに、蓄電装置に演算することができる機能を有する半導体回路を設けることにより蓄電装置の制御システム又は蓄電システムを構成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
第1の組電池と、第2の組電池と、第1のスイッチ乃至第6のスイッチと、を有し、
前記第1のスイッチ乃至前記第6のスイッチは、前記第1の組電池及び前記第2の組電池を、並列接続とするか、直列接続にするか選択する機能を有し、
前記第1の組電池及び前記第2の組電池の充電は、前記並列接続で行われ、
前記第1の組電池及び前記第2の組電池の放電は、前記直列接続で行われる蓄電装置の制御システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、物(プロダクト。機械(マシン)、製品(マニュファクチャ)、組成物(コン
ポジション・オブ・マター)を含む。)、及び方法(プロセス。単純方法及び生産方法を
含む。)に関する。特に本発明は、蓄電装置、蓄電装置の制御システム、蓄電システム、
電子回路、半導体装置、表示装置、発光装置、若しくはその他の電気機器、それらの駆動
方法、又はそれらの製造方法に関する。特に本発明は、酸化物半導体を有する蓄電装置、
蓄電装置の制御システム、蓄電システム、電子回路、半導体装置、表示装置、発光装置、
若しくはその他の電気機器、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法に関する。
続きを表示(約 8,700 文字)【背景技術】
【0002】
近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池、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(例えば特許文献1)。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、携帯電話やスマートフォン、ノート型パー
ソナルコンピュータ等の携帯情報端末、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ等の電気機器
、あるいは医療機器、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)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
展に伴い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。
【0003】
従来の蓄電装置の他の例としては、例えば複数のバッテリーセルを直列に接続した蓄電シ
ステムなども挙げられる(例えば特許文献2)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
国際公開第10/113268号
特開2012−135154号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来の蓄電装置では、充放電を繰り返すと徐々に劣化していき、容量の減少や抵抗の上昇
などが起こるといった問題があった。
【0006】
例えば、リチウムイオン二次電池の場合、充電期間において、負極の抵抗が上昇する場合
がある。理由の一つとしては、例えば正極から負極にキャリアイオンが移動し、負極の電
位の値が許容値未満になるとキャリアイオンが負極に析出することが挙げられる。
【0007】
又は、従来の複数のバッテリーセルを直列に接続した蓄電装置では、充電するときにそれ
ぞれのバッテリーセルの抵抗値が異なると抵抗値が一番高いバッテリーセルの電圧が基準
となって各バッテリーセルが充電されるため、複数のバッテリーセルの全てを十分に充電
できない可能性がある。
【0008】
本発明の一態様では、蓄電装置などの劣化を抑制することを課題の一つとする。
【0009】
又は、本発明の一態様では、充電又は放電による蓄電装置などの容量の低減を抑制するこ
とを課題の一つとする。
【0010】
又は、本発明の一態様では、複数のバッテリーセルにおいて充電効率を高めることを課題
の一つとする。
【0011】
又は、本発明の一態様では、蓄電装置などの制御を低消費電力で行うことを課題の一つと
する。
【0012】
又は、本発明の一態様では、蓄電装置などの信頼性を向上させることを課題の一つとする

【0013】
又は、本発明の一態様では、蓄電装置などの安全性を向上させることを課題の一つとする

【0014】
又は、本発明の一態様では、新規な蓄電装置の制御システム又は蓄電装置などを提供する
ことを課題の一つとする。又は、本発明の一態様では、効率の良い蓄電装置の制御システ
ム又は蓄電装置などを提供することを課題の一つとする。
【0015】
又は、本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置などを提供することを課題とする。
【0016】
特に、本発明の一態様は、上記に掲げる課題のうち少なくとも一つを解決することができ
る場合がある。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないもの
とする。なお、上記に掲げる課題に含まれていない課題であっても、明細書、図面又は特
許請求の範囲等の記載から自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面又は特許請求の
範囲等などの記載から、課題として抽出することができる。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本願発明者は、複数の蓄電装置の接続を個別に制御するスイッチを設けることにより、各
蓄電装置の充電放電の切り換え、又は複数の蓄電装置の直列接続、並列接続の切り換えを
行うことを見いだした。
【0018】
さらに、本願発明者は、蓄電装置に制御回路を実装して蓄電装置の制御システム又は蓄電
システムを構成することを見いだした。
【0019】
本発明の一態様は、少なくとも第1の蓄電素子乃至第4の蓄電素子の充電及び放電を制御
する蓄電装置の制御システムであって、一対の第1のスイッチと、一対の第2のスイッチ
と、一対の第3のスイッチと、一対の第4のスイッチと、第5のスイッチと、エンコーダ
と、半導体回路と、電源と電気的に接続することができる一対の第1の接続端子と、負荷
と電気的に接続することができる一対の第2の接続端子と、を有し、一対の第1のスイッ
チは、第1の制御信号に従って第1の蓄電素子を、一対の第1の接続端子と電気的に接続
するか、一対の第2の接続端子の一方と電気的に接続するか選択する機能を有し、一対の
第2のスイッチは、第2の制御信号に従って第2の蓄電素子を、一対の第1の接続端子と
電気的に接続するか、一対の第2の接続端子の一方と電気的に接続するか選択する機能を
有し、一対の第3のスイッチは、第3の制御信号に従って第3の蓄電素子を、一対の第1
の接続端子と電気的に接続するか、一対の第2の接続端子と電気的に接続するか選択する
機能を有し、一対の第4のスイッチは、第4の制御信号に従って第4の蓄電素子を、一対
の第1の接続端子と電気的に接続するか、一対の第2の接続端子と電気的に接続するか選
択する機能を有し、第5のスイッチは、第1の制御信号乃至第4の制御信号の一つに従っ
て第1の蓄電素子及び第2の蓄電素子の少なくとも一つと、第3の蓄電素子及び第4の蓄
電素子の少なくとも一つと、を直列接続で電気的に接続するか否かを選択する機能を有し
、エンコーダは、入力される複数のデータ信号を符号化することにより第1の制御信号乃
至第4の制御信号を少なくとも生成して出力する機能を有し、半導体回路は、第1の蓄電
素子乃至第4の蓄電素子のそれぞれの充電又は放電を指示する命令を複数のデータ信号と
して出力する機能を有することを特徴とする蓄電装置の制御システムである。
【0020】
上記蓄電装置の制御システムにおいて、半導体回路は、プロセッサと、プロセッサに電気
的に接続されるメモリと、プロセッサ及びメモリに電気的に接続されるコントローラと、
を有し、プロセッサは、レジスタを有し、レジスタは、プロセッサに電力が供給される期
間にデータを保持する機能を有する第1の記憶回路と、プロセッサに対する電力の供給が
停止する期間にデータを保持する機能を有する第2の記憶回路と、を有し、第2の記憶回
路は、データの書き込み及び保持を制御する機能を有するトランジスタを有し、トランジ
スタは、チャネル幅1μmあたりのオフ電流が100zA以下であってもよい。
【0021】
本発明の一態様は、上記制御システムと、第1の蓄電素子乃至第4の蓄電素子と、を有す
る蓄電システムである。
【0022】
本発明の一態様は、上記蓄電システムを有する電気機器である。
【発明の効果】
【0023】
充電による蓄電装置の容量の低減を抑制することができる。又は、蓄電装置の制御を低消
費電力で行うことができる。又は、蓄電装置の信頼性を向上させることができる。又は、
蓄電装置の安全性を向上させることができる。又は、新規な蓄電装置を提供することがで
きる。又は、良い蓄電装置を提供することができる。又は、複数の蓄電装置に対する充電
効率を高めることができる。
【0024】
又は、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
蓄電システムを説明するための図。
蓄電システムを説明するための図。
蓄電システムを説明するための図。
蓄電システムを説明するための図。
蓄電システムを説明するための図。
蓄電システムを説明するための図。
制御システムを説明するための図。
スイッチを説明するための図。
半導体回路を説明するための図。
レジスタを説明するための図。
メモリを説明するための図。
メモリを説明するための図。
メモリを説明するための図。
メモリを説明するための図。
トランジスタの構造例を説明するための図。
トランジスタの構造例を説明するための図。
正極を説明するための図。
負極を説明するための図。
蓄電装置を説明するための図。
蓄電装置を説明するための図。
蓄電システムを説明するための図。
蓄電システムを説明するための図。
電気機器を説明するための図。
電気機器を説明するための図。
電気機器を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【0026】
本発明の実施形態について、図面を用いて以下、詳細に説明する。
【0027】
ただし、本発明はこれらの説明に限定されず、その形態及び態様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。従って、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。
【0028】
なお、本明細書で説明する各図において、膜や層、基板などの厚さや領域の大きさ等の各
構成要素の大きさは、個々に説明の明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、
必ずしも各構成要素はその大きさに限定されず、また各構成要素間での相対的な大きさに
限定されない。
【0029】
また、本明細書等において、第1、第2などとして付される序数詞は、便宜上用いるもの
であって工程の順番や積層の順番などを示すものではない。また、本明細書等において発
明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
【0030】
また、本明細書等で説明する本発明の構成において、同一部分又は同様の機能を有する部
分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また
、同様の機能を有する部分を指す場合には、ハッチパターンを同じにし、特に符号を付さ
ない場合がある。
【0031】
また、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図
せずに目減りすることがあるが、理解を容易にするため、図面においては省略して示すこ
とがある。
【0032】
また、本明細書等において、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が「直上」又
は「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極
」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外し
ない。
【0033】
また、電圧は、ある電位と、基準の電位(例えば接地電位GND又はソース電位)との電
位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。
【0034】
また、本明細書等において、「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に
限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり
、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「
配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【0035】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や
、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため
、本明細書等においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることが
できるものとする。
【0036】
また、本明細書等において接続とは、電気的に接続される場合、機能的に接続される場合
、及び直接接続される場合を含む。さらに、実施の形態に示す各構成要素の接続関係は、
図又は文章に示す接続関係のみに限定されない。
【0037】
また、本明細書等においては、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(
容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなく
ても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続
先を特定しなくても、発明の一態様が明確であり、本明細書等に記載されていると判断す
ることが可能な場合がある。特に、端子の接続先が複数考えられる場合には、その端子の
接続先を特定の箇所に限定する必要はない。従って、能動素子(トランジスタ、ダイオー
ドなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有する一部の端子についてのみ、
その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
【0038】
また、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業
者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。又は、ある回路について、少なく
とも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つま
り、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であり、本明細書等に記載されていると判断
することが可能な場合がある。従って、ある回路について、機能を特定しなくても、接続
先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成す
ることが可能である。又は、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定す
れば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可
能である。
【0039】
また、本明細書等において、二次電池用の正極及び負極の双方を併せて電極とよぶことが
あるが、この場合、電極は正極及び負極のうち少なくともいずれか一方を示すものとする

【0040】
また、本明細書等において充電レートCとは、二次電池を充電する際の速さを表す。例え
ば、容量1Ahの電池を1Aで充電する場合の充電レートは1Cである。また、放電レー
トCとは、二次電池を放電する際の速さを表す。例えば、容量1Ahの電池を1Aで放電
する場合の放電レートは1Cである。
【0041】
また、この発明を実施するための形態に記載の内容は、適宜組み合わせて用いることがで
きる。
【0042】
[実施の形態1.蓄電システム]
蓄電装置及び蓄電システムの例について説明する。
【0043】
[1.1.構成]
蓄電システムの回路構成例について、図1を参照して説明する。
【0044】
図1に示す蓄電システムは、蓄電素子10_1と、蓄電素子10_2と、蓄電素子20_
1と、蓄電素子20_2と、一対のスイッチ11(スイッチ11a及びスイッチ11b)
と、一対のスイッチ12(スイッチ12a及びスイッチ12b)と、一対のスイッチ21
(スイッチ21a及びスイッチ21b)と、一対のスイッチ22(スイッチ22a及びス
イッチ22b)と、スイッチ51と、スイッチ61と、を有する。
【0045】
スイッチ11a及びスイッチ11bは、例えば蓄電素子10_1を、一対の接続端子71
(接続端子71a及び接続端子71b)と接続するか、接続端子72aと接続するか選択
することができる機能を有する。または、スイッチ11aは、例えば蓄電素子10_1を
、一対の接続端子71(接続端子71a)と接続するか、接続しないかを選択する機能を
有する。または、スイッチ11aは、例えば蓄電素子10_1を、接続端子72aと接続
するか、接続しないかを選択する機能を有する。同様に、スイッチ11bは、例えば蓄電
素子10_1を、一対の接続端子71(接続端子71b)と接続するか、接続しないかを
選択する機能を有する。または、スイッチ11bは、例えば蓄電素子10_1を、接続端
子72aと接続するか、接続しないかを選択する機能を有する。または、スイッチ11a
は、例えば蓄電素子10_1を、どの端子とも接続しないようにする機能を有する。同様
に、スイッチ11bは、例えば蓄電素子10_1を、どの端子とも接続しないようにする
機能を有する。
【0046】
接続端子71a及び接続端子71bは、例えば電源に接続することができる端子である。
【0047】
接続端子72a及び接続端子72bは、例えば負荷に接続することができる端子である。
【0048】
スイッチ12a及びスイッチ12bは、例えば蓄電素子10_2を、接続端子71a及び
接続端子71bと接続するか、接続端子72aと接続するか選択することができる機能を
有する。
【0049】
スイッチ21a及びスイッチ21bは、例えば蓄電素子20_1を、接続端子71a及び
接続端子71bと接続するか、接続端子72a及び接続端子72bと接続するか選択する
ことができる機能を有する。または、スイッチ21aは、例えば蓄電素子20_1を、接
続端子71aと接続するか、接続しないかを選択する機能を有する。または、スイッチ2
1aは、例えば蓄電素子20_1を、接続端子72aと接続するか、接続しないかを選択
する機能を有する。同様に、スイッチ21bは、例えば蓄電素子20_1を、接続端子7
1bと接続するか、接続しないかを選択する機能を有する。または、スイッチ21bは、
例えば蓄電素子20_1を、接続端子72bと接続するか、接続しないかを選択する機能
を有する。または、スイッチ21aは、例えば蓄電素子20_1を、どの端子とも接続し
ないようにする機能を有する。同様に、スイッチ21bは、例えば蓄電素子20_1を、
どの端子とも接続しないようにする機能を有する。
【0050】
スイッチ22a及びスイッチ22bは、例えば蓄電素子20_2を、接続端子71a及び
接続端子71bと接続するか、接続端子72a及び接続端子72bと接続するか選択する
ことができる機能を有する。または、スイッチ22aは、例えば蓄電素子20_2を、接
続端子71aと接続するか、接続しないかを選択する機能を有する。または、スイッチ2
2aは、例えば蓄電素子20_2を、接続端子72aと接続するか、接続しないかを選択
する機能を有する。同様に、スイッチ22bは、例えば蓄電素子20_2を、接続端子7
1bと接続するか、接続しないかを選択する機能を有する。または、スイッチ22bは、
例えば蓄電素子20_2を、接続端子72aと接続するか、接続しないかを選択する機能
を有する。または、スイッチ22aは、例えば蓄電素子20_2を、どの端子とも接続し
ないようにする機能を有する。同様に、スイッチ22bは、例えば蓄電素子20_2を、
どの端子とも接続しないようにする機能を有する。
(【0051】以降は省略されています)

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