具控制機制的供電系統的製作方法

2023-05-23 04:01:46

專利名稱：具控制機制的供電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具控制機制的供電系統，尤其涉及一種用以控制儲能裝置充電與
放電的供電系統。
背景技術：
現今儲能元件廣泛運用於家電設備、手持式裝置(例如行動電話 (MobilePhone) 、 PDA等)、或不斷電系統(UPS)以及交通工具等產品，以滿足人們對獨立能 源系統的需求。狹義的儲能元件主要指電池，包含一次電池及二次備用電池產品；而廣義的 儲能元件則泛指所有具備儲能功能的元件。 其中以傳統車用或不斷電系統(UPS)是需要大電能給負載使用，因此所用的儲能 元件組，為了提供大電流給負載以及延長供電時間，通常由多個儲能元件並聯一起所組成。
請參考圖1，為傳統並聯蓄電元件充/放電系統示意圖。並聯蓄電元件供電系統1 由多個蓄電元件10並聯組成，當多個蓄電元件10並聯連接於一充電器12時，充電器12將 會對每一蓄電元件10進行充電。另外，當多個蓄電元件10並聯連接於一負載14時，多個 蓄電元件10將會對負載14進行放電。 然而，在蓄電元件10的充電過程中，若是某一蓄電元件10發生損耗，而導致所儲 存的電壓過低，其餘的蓄電元件10將會因為自身所儲存的電壓較高，而對該損耗的蓄電元 件IO進行充電，同時，充電器12也會持續對損耗的蓄電元件IO進行充電。如此，該損耗的 蓄電元件10若是沒有與系統進行隔離，將會發生過充電的情況，進而發生毀損或線路發生 過熱現象。 另外，若是某一蓄電元件10因為損耗而導致所儲存的電壓過低，此電壓過低的蓄 電元件10若是沒有與系統進行隔離，則在放電過程中將會發生過放電的情況，進而造成蓄 電元件10中電極板的損壞。 因此，發明一個可以檢測出已經發生損耗的蓄電元件，以及將損耗的蓄電元件與 系統進行隔離的控制設計，實為目前業界所殷殷期盼。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於提供一種具控制機制的供電系統，其利用一電流 路徑單元串聯於每一併聯的儲能裝置，再經由網絡控制電流路徑單元的路徑方向，進而控 制每一併聯的儲能裝置電流流通的路徑。使得每一併聯的儲能裝置在充/放電的時候，不 會發生自行過充或過放的現象。前述電流路徑單元系由兩組單向導通元件組成。
本發明較佳實施例的具控制機制的供電系統包括有多個儲能裝置；多個電流路徑 單元分別對應串接於每一儲能裝置，以及並聯於一外部裝置；一控制裝置耦接於該些電流 路徑單元與該些儲能裝置，其中，該控制裝置用以判斷每一儲能裝置是否損耗，並根據判斷 結果，輸出一控制指令至每一電流路徑單元，以控制每一電流路徑單元提供一第一電流路 徑或一第二電流路徑給對應的該儲能裝置。
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如此，當儲能裝置在充電過程中，控制裝置若是檢測出某一儲能裝置發生損耗，將 會控制串聯在該損耗儲能裝置的電流路徑單元，進而讓該損耗儲能裝置能夠與系統隔離， 而達到過充電的保護，以防止儲能裝置毀損或線路發生過熱現象。 同時，當儲能裝置在放電過程中，控制裝置若是檢測出某一儲能裝置發生損耗，將
會控制串聯於該損耗儲能裝置的電流路徑單元，以讓該損耗的儲能裝置能夠與系統隔離，
而達到過放電的保護，同時防止儲能裝置中電極板的損壞，進而達到供電的穩定。 以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請
專利範圍。而有關本發明的其它目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。


圖l為傳統並聯蓄電元件充/放電系統示意圖；圖2為本發明較佳實施例的電路示意圖3A為本發明第一較佳實施例的電流路徑單元的電路示意圖3B為本發明第二較佳實施例的電流路徑單元的電路示意圖4為本發明的磁性電容與其它習知能量儲存媒介的比較示意圖
圖5為本發明一實施例中磁性電容的結構示意圖6為本發明的另一實施例中第一磁性電極的結構示意圖；及
圖7為本發明另一實施例中一磁性電容組的示意圖。其中，附圖標記現有技術1 :蓄電元件供電系統10 :蓄電元件12 :充電器14 :負載本發明2:具控制機制的供電系統20 :儲能裝置22 :充電器24 :負載26 、26':電流路徑單元262 :雙向電流路徑單元264 :網絡控制單元28 :控制裝置SC1 :控制指令SW1 :第一開關SW2 :第二開關SCR1 :第一矽控二極體SCR2 :第二矽控二極體100 :磁性電容110 :第一磁性電極120 :第二磁性電極130:介電層115、 125 :磁偶極131U32 :界面110 :第一磁性電極112:第一磁性層114:隔離層116:第二磁性層113、 117 :磁偶極200 :磁性電容組
具體實施例方式
請參考圖2，為本發明較佳實施例的電路示意圖。本發明的具控制機制的供電系統2包括有多個儲能裝置20，且每一儲能裝置20都對應串聯有一電流路徑單元26。同時，每 一個儲能裝置20與電流路徑單元26的串聯組都並聯一起，同時並聯於一外部裝置。前述 的外部裝置可以是一充電器22或是一負載24。本發明的具控制機制的供電系統2還包含 一控制裝置28，控制裝置28耦接於每一個電流路徑單元26與每一個儲能裝置20，其中，控 制裝置28用以判斷每一儲能裝置20是否發生損耗，並且根據判斷的結果，輸出一控制指令 SC1給每一個電流路徑單元26，用以控制每一個電流路徑單元26提供一第一電流路徑或是 一第二電流路徑給串聯其上的儲能裝置20。 復參考圖2，當具控制機制的供電系統2並聯充電器22時，充電器22將對每一儲 能裝置20進行充電。而在充電過程中，控制裝置28會對每一儲能裝置20進行電壓檢測， 以判斷出該些儲能裝置20是否發生損耗。其中，當儲能裝置20正常，而未發生損耗時，控 制裝置28會控制串聯於正常的儲能裝置20的電流路徑單元26提供第一電流路徑給對應 的正常儲能裝置20。如此，充電器22將通過電流路徑單元26所提供的第一電流路徑對正 常的儲能裝置20充電。 另外，在充電過程中，若是某一儲能裝置20不正常，而發生損耗時，控制裝置28會 控制串聯於不正常的儲能裝置20的電流路徑單元26提供第二電流路徑給對應的不正常儲 能裝置20。如此，充電器22將通過電流路徑單元26所提供的第二電流路徑停止對不正常 的儲能裝置20充電。同時，電流路徑單元26所提供的第二電流路徑也會讓其它正常的儲 能裝置20與該不正常儲能裝置20產生隔離效果，進而達到過充電的保護，以防止不正常儲 能裝置發生毀損或線路發生過熱現象。 復參考圖2，當具控制機制的供電系統2並聯負載24時，具控制機制的供電系統 2會對負載24進行放電。而在放電過程中，控制裝置28會對每一儲能裝置20進行電壓檢 測，以判斷出該些儲能裝置20是否發生損耗。其中，當儲能裝置20正常，而未發生損耗時， 控制裝置28會控制串聯於正常的儲能裝置20的電流路徑單元26提供第二電流路徑給對 應的正常儲能裝置20。如此，正常的儲能裝置20將通過對應的電流路徑單元26所提供的 第二電流路徑對負載24進行放電。 另外，在放電過程中，若是某一儲能裝置20不正常，而發生損耗時，控制裝置28會 控制串聯於不正常的儲能裝置20的電流路徑單元26提供第一電流路徑給對應的不正常儲 能裝置20。如此，不正常的儲能裝置20將通過對應的電流路徑單元26所提供的第一電流 路徑，以停止對負載24放電，進而達到過放電的保護，以及防止不正常儲能裝置20的極板 發生毀損。同時，電流路徑單元26所提供的第一電流路徑也會讓其它正常的儲能裝置20 與該不正常儲能裝置20產生隔離效果，進而達到供電的穩定。 復參考圖2，本發明的具控制機制的供電系統2中，該控制裝置28還可以控制每一 電流路徑單元26提供一旁通路徑給對應的該儲能裝置20。如此，該些儲能裝置20將無須 經由電流路徑單元26，而得以直接並聯於充電器22或是負載24，此時，充電器22將會直接 對每一儲能裝置20進行充電。而每一儲能裝置20也將對負載24進行放電。在此控制模 式中，將可以減少電流路徑單元26的消耗，讓系統達到省電的效果。 配合圖2，請參考圖3A。圖3A為本發明第一較佳實施例的電流路徑單元的電路示 意圖。本發明的電流路徑單元26包括一雙向電流路徑單元262、一第一開關SW1及一網絡 控制單元264。其中，第一開關SW1串聯於該雙向電流路徑單元262與對應的儲能裝置20。網絡控制單元264耦接於控制裝置28、雙向電流路徑單元262及第一開關SW1，根據該控制 指令SC1，用以控制該雙向電流路徑單元262提供該第一電流路徑與該第二電流路徑給對 應的儲能裝置20，以及控制第一開關SW1的切換。前述中，雙向電流路徑單元262是由一第 一矽控二極體SCR1與一第二矽控二極體SCR2反向並聯組成。 配合圖3A，請參考圖3B，圖3B為本發明第二較佳實施例的電流路徑單元的電路示 意圖。在本發明第二較佳實施例中的元件與第一較佳實施例相同者，是以相同符號標示。 第二較佳實施例與第一較佳實施例的電路動作原理與達成的功效相同，其主要的差異處在 於第二較佳實施例的電流路徑單元26'進一步包含有一第二開關SW2，該第二開關SW2並 聯於雙向電流路徑單元262與該第一開關SW1之串聯組合，以及耦接於網絡控制單元264， 第二開關SW2受控於該網絡控制單元264，用以提供該旁通路徑給對應的該儲能裝置20。
參考圖2與圖3B，當本發明的具控制機制的供電系統2需要控制該些電流路徑單 元26'的路徑時，網絡控制單元264將根據控制裝置28送出的控制指令SC1，用以導通第 一開關SW1與截止第二開關SW2，並且，控制第一矽控二極體SCR1導通以提供第一電流路 徑，或是控制第二矽控二極體SCR2導通以提供第二電流路徑。另外，當本發明的具控制機 制的供電系統2需要重置(RESET)時，網絡控制單元264將根據控制裝置28送出的控制指 令SC1 ，以截止第一開關SW1 ，進而將處於導通狀態的第一矽控二極體SCR1或第二矽控二極 管SCR2恢復開路。 參考圖2與圖3B，當本發明的具控制機制的供電系統2不需要控制該些電流路徑 單元26'的路徑時，網絡控制單元264將根據控制裝置28送出的控制指令SC1，以截止第一 開關SW1與導通第二開關SW2，以令電流路徑單元26'形成短路，進而提供旁通路徑給對應 的該儲能裝置20。 根據前述，本發明使用的儲能裝置20可以為一般的蓄電池、磁性電容(Magnetic Capacitor)或其它具有儲存電能的元件。 本發明的一特徵在於使用磁性電容作為能量儲存裝置以及電力來源。值得注意的 是，相較於一般電容，磁性電容可通過於上、下電極處形成的磁場，來抑制漏電流，並大幅提 升能量儲存密度，故可作為一極佳的能量儲存裝置或電力供應來源。 請參考圖4，圖4為本發明的磁性電容與其它現有技術的能量儲存媒介的比較示 意圖。由於磁性電容中儲存的能量全部是以電位能的方式進行儲存，相較於主要以化學能 儲存的其它能量儲存媒介(例如傳統電池或超級電容)，磁性電容除了具有可匹配的能量 儲存密度外，更因充分保有電容的特性，而具有壽命長(高充放電次數)、無記憶效應、可進 行高功率輸出、快速充放電等特點，故可有效解決當前電池所遇到的各種問題。
請參考圖5，圖5為本發明一實施例中磁性電容100的結構示意圖。如圖5所示， 磁性電容IOO包含有一第一磁性電極110、一第二磁性電極120，以及位於其間的一介電 層130。其中第一磁性電極110與第二磁性電極120是由具磁性的導電材料所構成，並通 過適當的外加電場進行磁化，使第一磁性電極110與第二磁性電極120內分別形成磁偶極 (magenetic dipole) 115與125，以於磁性電容100內部構成一磁場，對帶電粒子的移動造 成影響，從而抑制磁性電容100的漏電流。 所需要特別強調的是，圖5中磁偶極115與125的箭頭方向僅為一示意圖。對本 領域技術人員而言，應可了解到磁偶極115與125實際上是由多個整齊排列的微小磁偶極所迭加而成，且在本發明中，磁偶極115與125最後形成的方向並無限定，可依磁性電容100 的形狀進行調整，例如可指向同一方向或不同方向。介電層130則是用來分隔第一磁性電 極110與第二磁性電極120，以於第一磁性電極110與第二磁性電極120處累積電荷，儲存 電位能。 在本發明的一實施例中，第一磁性電極110與第二磁性電極120包含有磁性導電 材質，例如稀土元素，介電層130是由氧化鈦(Ti03)、氧化鋇鈦(BaTi03)或一半導體層，例 如氧化矽(silicon oxide)所構成，然而本發明並不限於此，第一磁性電極110、第二磁性 電極120與介電層130均可視產品的需求而選用適當的其它材料。 本發明磁性電容的操作原理說明如下。物質在一定磁場下電阻改變的現象，稱 為"磁阻效應"，磁性金屬和合金材料一般都有這種磁電阻現象，通常情況下，物質的電阻 率在磁場中僅產生輕微的減小；在某種條件下，電阻率減小的幅度相當大，比通常磁性金 屬與合金材料的磁電阻值高出IO倍以上，而能夠產生很龐大的磁阻效應。若進一步結合 Maxwell-Wagner電路模型，磁性顆粒複合介質中也可能產生很龐大的磁電容效應。
在現有技術的電容中，電容值C是由電容的面積A、介電層的介電常數及厚度d決 定，如下式(一)。 然而在本發明中，磁性電容100主要利用第一磁性電極110與第二磁性電極120 中整齊排列的磁偶極來形成磁場來，使內部儲存的電子朝同一自旋方向轉動，進行整齊的 排列，故可在同樣條件下，容納更多的電荷，進而增加能量的儲存密度。模擬於現有技術中 的電容，磁性電容100的運作原理相當於通過磁場的作用來改變介電層130的介電常數，故 而造成電容值的大幅提升。 此外，在本實施例中，第一磁性電極110與介電層130之間的接口 131以及第二磁 性電極120與介電層130之間的接口 132均為一不平坦的表面，以通過增加表面積A的方 式，進一步提升磁性電容100的電容值C。 請參考圖6，圖6為本發明的另一實施例中第一磁性電極110的結構示意圖。如圖 6所示，第一磁性電極110為一多層結構，包含有一第一磁性層112、一隔離層114以及一第 二磁性層116。其中隔離層114是由非磁性材料所構成，而第一磁性層112與第二磁性層 116則包含有具磁性的導電材料，並在磁化時，通過不同的外加電場，使得第一磁性層112 與第二磁性層114中的磁偶極113與117分別具有不同的方向，例如在本發明的一較佳實 施例中，磁偶極113與117的方向為反向，而能進一步抑制磁性電容100的漏電流。此夕卜， 需要強調的是，磁性電極110的結構並不限於前述的三層結構，而可以類似的方式，以多數 個磁性層與非磁性層不斷交錯堆棧，再通過各磁性層內磁偶極方向的調整來進一步抑制磁 性電容100的漏電流，甚至達到幾乎無漏電流的效果。 此外，由於現有技術的儲能元件多半以化學能的方式進行儲存，因此都需要有一 定的尺寸，否則電力很快漏掉而不敷使用，往往會造成效率的大幅下降。相較於此，本發明
的磁性電容ioo是以電位能的方式進行儲存，且因所使用的材料可適用於半導體工藝，故
可通過適當的半導體工藝來形成磁性電容100以及周邊電路連接，進而縮小磁性電容100 的體積與重量，由於此製作方法可使用一般半導體工藝，其應為本領域技術人員所熟知，故在此不予贅述。 請參考圖7，圖7為本發明另一實施例中一磁性電容組200的示意圖。承前所述， 在本實施例中，利用半導體工藝於一矽基板上製作多數個小尺寸的磁性電容ioo，並通過適 當的金屬化工藝，於該多數個磁性電容100間形成電連接，從而構成一個包含有多個磁性 電容100的磁性電容組200，再以磁性電容組200作為能量儲存裝置或外部裝置的電力供應 來源。在本實施例中，磁性電容組200內的多數個磁性電容IOO是以類似陣列的方式電連 接，然而本發明並不限於此，而可根據不同的電壓或電容值需求，進行適當的串聯或並聯， 以滿足各種不同裝置的電力供應需求。 綜上所述，當本發明的具控制機制的供電系統2在充電過程中，控制裝置28若是 檢測出某一儲能裝置20發生損耗，將會控制串聯在該損耗儲能裝置20的電流路徑單元26， 進而讓該損耗儲能裝置20能夠與系統隔離，而達到過充電的保護，以防止儲能裝置20毀損 或線路發生過熱現象。另外，當本發明的具控制機制的供電系統2在放電過程中，控制裝置 28若是檢測出某一儲能裝置20發生損耗，將會控制串聯於該損耗儲能裝置20的電流路徑 單元26，以讓該損耗的儲能裝置20能夠與系統隔離，而達到過放電的保護，同時防止儲能 裝置20中電極板的損壞，進而達到供電的穩定。 當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟 悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變 形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
權利要求
一種具控制機制的供電系統，其特徵在於，包括多個儲能裝置；多個電流路徑單元，分別對應串聯於每一儲能裝置，其中，串聯的該電流路徑單元與該儲能裝置並聯於一外部裝置；及一控制裝置，耦接於該些電流路徑單元與該些儲能裝置，該控制裝置判斷每一儲能裝置是否發生損耗，並根據判斷結果，輸出一控制指令至每一電流路徑單元，以控制每一電流路徑單元提供一第一電流路徑或一第二電流路徑給對應的該儲能裝置。
2. 根據權利要求1所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該外部裝置為一充電器。
3. 根據權利要求2所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該控制裝置判斷出該 儲能裝置未發生損耗時，為控制該電流路徑單元提供該第一電流路徑給對應的該儲能裝 置，以及該控制裝置判斷出該儲能裝置發生損耗時，為控制該電流路徑單元提供該第二電 流路徑給對應的該儲能裝置。
4. 根據權利要求1所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該外部裝置為一負載 裝置。
5. 根據權利要求4所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該控制裝置判斷出該 儲能裝置未發生損耗時，為控制該電流路徑單元提供該第二電流路徑給對應的該儲能裝 置，以及該控制裝置判斷出該儲能裝置發生損耗時，為控制該電流路徑單元提供該第一電 流路徑給對應的該儲能裝置。
6. 根據權利要求1所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該控制裝置還控制每 一電流路徑單元，以提供一旁通路徑給對應的該儲能裝置。
7. 根據權利要求1所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該電流路徑單元包括 一雙向電流路徑單元，提供該第一電流路徑與該第二電流路徑；一第一開關，串聯於該雙向電流路徑單元與該儲能裝置；及一網絡控制單元，耦接於該控制裝置、該雙向電流路徑單元及該第一開關，該網絡控制 單元根據該控制指令，用以控制該雙向電流路徑單元及該第一開關。
8. 根據權利要求7所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該電流路徑單元還包 括一第二開關，該第二開關並聯於該雙向電流路徑單元與該第一開關，以及耦接於該網絡 控制單元，受控於該網絡控制單元，以提供一旁通路徑給該儲能裝置。
9. 根據權利要求8所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該雙向電流路徑單元 為由一第一矽控二極體與一第二矽控二極體反向並聯組成。
10. 根據權利要求1所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該儲能裝置為一蓄電池。
11. 根據權利要求1所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該儲能裝置是單一個 磁性電容或是由多數磁性電容以串聯、並聯或混合串並聯方式組成的一磁性電容組。
12. 根據權利要求11所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該磁性電容包含有 一第一磁性電極、一第二磁性電極以及設於其間的一介電層，其中該第一磁性電極與第二 磁性電極內具有磁偶極以抑制該磁性電容的漏電流。
13. 根據權利要求12所述的具控制機制的供電系統，其特徵在於，該第一磁性電極包含有一第一磁性層，具有排列成第一方向的磁偶極； 一第二磁性層，具有排列成第二方向的磁偶極；及一隔離層，包含有非磁性材料，設於該第一磁性層與該第二磁性層之間； 其中該第一方向與該第二方向互為反向，以抑制該磁性電容的漏電流。
全文摘要
本發明公開了一種具控制機制的供電系統，包括有多個儲能裝置、多個電流路徑單元及一控制裝置，其中，每一電流路徑單元分別對應串聯於每一儲能裝置，且每一串聯的電流路徑單元與儲存裝置並聯於一外部裝置。控制裝置耦接於該些電流路徑單元與該些儲能裝置，判斷每一儲能裝置是否發生損耗，並根據判斷結果，輸出一控制指令至每一電流路徑單元，以控制每一電流路徑單元提供一第一電流路徑或一第二電流路徑給對應的儲能裝置。
文檔編號H02J7/00GK101728845SQ20081017111
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月15日 優先權日2008年10月15日
發明者鄭青峰 申請人:光寶科技股份有限公司