CN101685985A - 电源供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电源供应系统，适用于当多个储能装置发生储能不均时，可适当放电储能较多的储能装置，以保护系统，其包含有：多个具磁性电容的储能装置；多个电量调整模块，分别耦接于该些储能装置，每一电量调整模块用以调整相对应的储能装置的电量；稳压单元，耦接于该些储能装置，用于稳定该些储能装置所提供的电压值；以及处理单元，耦接于该稳压单元、该些储能装置与该些电量调整模块，用于依据该些储能装置的电量来控制该些电量调整模块，以使该储能装置具有相同电量。

Description

电源供应系统

技术领域

本发明是有关于一种电源供应系统，尤指一种当储能装置发生储能不均时，可适当放电磁性电容(magnetic capacitor)，以保护系统的电源供应系统。

背景技术

现今储能元件广泛运用于家电设备、手持式装置(例如：移动电话(MobilePhone)、PDA等)以及交通工具等产品，以满足人们对独立能源系统的需求。狭义的储能元件主要指电池，包含一次电池及二次电池产品；而广义的储能元件则泛指所有具备储能功能的元件，包括暂时性储能的电容及电感，还有一种介于电池与电容间的超级电容(Super capacitor)也包括在内。

电容是以物理反应的电位能形式来储能，在制作上较为简单，且具有充放电速度快、高功率密度的特性，但是物理储能的效果却不佳(即储能容量较小)，故只能被当作短暂储能使用。

电池可分为一次电池及二次电池。一次电池仅能使用一次，无法通过充电的方式再补充已被转化掉的化学能。而二次电池主要是利用化学能的方式来进行能量储存，因此其能量储存密度明显优于一般电容，而可应用于各种电力供应装置，但是，缺点是：其所能产生的瞬间电力输出会受限于化学反应速率，而无法快速地充放电或进行高功率输出，且充放电次数有限，过度充放时易滋生各种问题；例如：目前所使用的蓄电池，虽然标榜着可重复使用，但还是有其寿命的限制。且蓄电池在多次充放电后容量会下降，甚至长时间不使用，也会有容量下降问题，且容易损坏，原因在于蓄电池是利用化学能转换为电能，化学物质要常保其活性，才不至于失效变质，当原来的化合物活性都作用完或将近用完时，便无法再进行新的化学反应，进而导致蓄电池老化而宣告寿终。

超级电容是一种介于电池与电容间的元件，又称双电层电容(ElectricalDouble-Layer Capacitor)，因同时通过部分物理储能、部分化学储能架构，其功率密度及能量密度介于电池与电容之间。但其缺点是：因有化学材料而具化学特性，而易有如电池的漏电现象，又加上因还有部分是物理特性的放电速度快的现象，前述两种因素下很快就会没电，无法达到有效蓄电功能。甚至，超级电容受限于电解质的分解电压(水系电解质1V、有机电解质约2.5V)，所以其耐电压低，内阻较大，因而不适用于交流电路，且如果使用不当会造成电解质泄漏等现象。

是以，上述已知储能元件的技术，皆无法同时达到电源供应系统所要求的寿命长(高充放电次数)、高能量储存密度、瞬间高功率输出、及快速充放电等优点。且目前的二次电池及超级电容皆需要电解液以化学的方式储存电能，并无法在一般现今的半导体制程下制造，因此一旦在封装完成后，其储存电能的容量较不易改变，且外围相关的电路在规划上也较不弹性，故已知技术仍有改良精进之处。

此外，当传统的电源供应系统设有多个能量储存装置时，若该等能量储存装置不管是为上述的那一种已知储能元件，因各个储能元件在放电时会有放电速度不一致现象，这现象将导致其里面储能状况，有的储电较多，有的储电较少，就会使得储电较多的能量储存装置对于耐压的可承受性会降低，容易成为短路故障的源头，势必危害到整个电源供应系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的一目的，在于提供一种电源供应系统，应用具有低成本、寿命长(高充放电次数)、能量储存密度高、体积小、重量轻、容量大、无需维护、环保低污染等优点的能量储存装置。

本发明的另一目的，是提供一种通过磁性电容的能量储存密度高于绝大多数的电容及电池，因此利用多个磁性电容来作为电源供应系统中的能量储存装置，并且可以使得所有储能装置均具有相同的电量。

本发明的目的之一在于提供一种当多个储能装置发生储能不均时，通过磁性电容(magnetic capacitor)高充放电次数特性而使具最高电压者先行放电，直到所有储能装置的电压值均等时才一起放电，以保护整个系统的电源供应系统。

依据本发明的一个方面，其是揭露一种包含有具磁性电容(magneticcapacitor)的储能装置的电源供应系统，包含有：多个储能装置；多个电量调整模块，分别耦接于该些储能装置，每一电量调整模块用以调整相对应的储能装置的电量；稳压单元，耦接于该些储能装置，用于稳定该些储能装置所提供的电压值；以及处理单元，耦接于该稳压单元、该些储能装置与该些电量调整模块，用于依据该些储能装置的电量来控制该些电量调整模块，以使该些储能装置具有相同电量。

在一较佳实施例中，该储能装置包含至少一个磁性电容或包含由多个磁性电容(magnetic capacitor)以串联、并联或串并联方式组成的磁性电容组。

在一较佳实施例中，该磁性电容包含有第一磁性电极、第二磁性电极以及设于其间的介电层，其中该第一磁性电极与第二磁性电极内具有磁偶极以抑制该磁性电容的漏电流。

在一较佳实施例中，该第一磁性电极包含有：第一磁性层，具有排列成第一方向的磁偶极；第二磁性层，具有排列成第二方向的磁偶极；以及隔离层，包含有非磁性材料，设于该第一磁性层与该第二磁性层之间；其中该第一方向与该第二方向互为反向，以抑制该磁性电容的漏电流。

如上所述，由于本发明所提供的磁性电容电源供应系统可以使得所有储能装置均具有相同的电量，因此可以避免当各个储能装置具有不同电量时所造成整体电路容易短路故障的问题。此外，本发明的磁性电容电源供应系统的架构并不适用于传统具化学能的电池或超级电容，因为传统具化学能的电池或超级电容并不像磁性电容具有极佳的能量储存能力及高充放电次数，所以在放电调整电量的过程中会很快就损失极高比例的电量，而无法提供充足的电量。

附图说明

图1为本发明的磁性电容与其它已知能量储存媒介的比较示意图。

图2为本发明一实施例中磁性电容的结构示意图。

图3为本发明的另一实施例中第一磁性电极的结构示意图。

图4为本发明另一实施例中一磁性电容组的示意图。

图5所绘示的为本发明的一实施例的包含有具磁性电容的储能装置的电源供应系统的简化方块图。

[主要元件标号说明]

100：磁性电容

110、120：磁性电极

115、125、113、117：磁偶极

130：介电层

112、116：磁性层

114：隔离层

200：磁性电容组

300：电源供应系统

310、320、330：储能装置

312、322、332：电量调整模块

316、326、336：控制单元

340：稳压单元

350：处理单元

360：负载

具体实施方式

在本说明书以及上述的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件，而本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件，本说明书及上述的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则，在通篇说明书及上述的请求项当中所提及的「包含有」为开放式的用语，故应解释成「包含有但不限定于」，此外，「耦接」一词在此是包含有任何直接及间接的电气连接手段，因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表该第一装置可以直接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

本发明所揭示的储能装置包含有至少一磁性电容，其一特征在于使用磁性电容作为能量储存装置以及电力来源。值得注意的是，相较于一般电容，磁性电容可通过于上、下电极处形成的磁场，来抑制漏电流，并大幅提升能量储存密度，故可作为一极佳的能量储存装置或电力供应来源。

请参考图1，图1为本发明的磁性电容与其它已知能量储存媒介的比较示意图。相较于主要以化学能方式进行能量储存的其它已知能量储存媒介(例如传统电池或超级电容)，其所能产生的瞬间电力输出亦会受限于化学反应速率，而无法快速地充放电或进行高功率输出，且充放电次数有限，过度充放时易滋生各种问题。反观，由于磁性电容中储存的能量全部是以电位能的方式进行储存，磁性电容除了具有可匹配的高能量储存密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点，故可有效解决当前电池所遇到的各种问题。

请参考图2，图2为本发明一实施例中磁性电容100的结构示意图。如图2所示，磁性电容100包含有第一磁性电极110、第二磁性电极120以及位于其间的介电层130。其中第一磁性电极110与第二磁性电极120是由具磁性的导电材料所构成，并通过适当的外加电场进行磁化，使第一磁性电极110与第二磁性电极120内分别形成磁偶极(magenetic dipole)115与125，以于磁性电容100内部构成磁场，对带电粒子的移动造成影响，从而抑制磁性电容100的漏电流。

所需要特别强调的是，图2中磁偶极115与125的箭头方向仅为一示意图。对本领域技术人员而言，应可了解到磁偶极115与125实际上是由多个整齐排列的微小磁偶极所迭加而成，且在本发明中，磁偶极115与125最后形成的方向并无限定，例如可指向同一方向或不同方向。介电层130则是用来分隔第一磁性电极110与第二磁性电极120，以于第一磁性电极110与第二磁性电极120处累积电荷，储存电位能。

在本发明的一实施例中，第一磁性电极110与第二磁性电极120包含有磁性导电材质，例如稀土元素，介电层130是由氧化钛(TiO₃)、氧化钡钛(BaTiO₃)或一半导体层，例如氧化硅(silicon oxide)所构成，然而本发明并不限于此，第一磁性电极110、第二磁性电极120与介电层130均可视产品的需求而选用适当的其它材料。

进一步说明磁性电容的操作原理如下。物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为「磁阻效应」，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值高出10倍以上，而能够产生很庞大的磁阻效应。若进一步结合Maxwell-Wagner电路模型，磁性颗粒复合介质中也可能会产生很庞大的磁电容效应。

在已知电容中，电容值C是由电容的面积A、介电层的介电常数ε₀ε_r及厚度d决定，如下式。然而在本发明中，磁性电容100主要利用第一磁性电极110与第二磁性电极120中整齐排列的磁偶极来形成磁场，使内部储存的电子朝同一自旋方向转动，进行整齐的排列，故可在同样条件下，容纳更多的电荷，进而增加能量的储存密度。模拟于已知电容，磁性电容100的运作原理相当于通过磁场的作用来改变介电层130的介电常数，故而造成电容值的大幅提升。

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}{d}$

此外，在本实施例中，第一磁性电极110与介电层130之间的接口131以及第二磁性电极120与介电层130之间的接口132均为不平坦的表面，以通过增加表面积A的方式，进一步提升磁性电容100的电容值C。

请参考图3，图3为本发明的另一实施例中第一磁性电极110的结构示意图。如图3所示，第一磁性电极110为多层结构，包含有第一磁性层112、隔离层114以及第二磁性层116。其中隔离层114是由非磁性材料所构成，而第一磁性层112与第二磁性层116则包含有具磁性的导电材料，并在磁化时，通过不同的外加电场，使得第一磁性层112与第二磁性层114中的磁偶极113与117分别具有不同的方向，例如在本发明的一较佳实施例中，磁偶极113与117的方向为反向，而能进一步抑制磁性电容100的漏电流。此外，需要强调的是，磁性电极110的结构并不限于前述的三层结构，而可以类似的方式，以多个磁性层与非磁性层不断交错堆栈，再通过各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容100的漏电流，甚至达到几乎无漏电流的效果。

此外，由于已知储能元件多半以化学能的方式进行储存，因此都需要有一定的尺寸，否则往往会造成效率的大幅下降。相较于此，本发明的磁性电容100是以电位能的方式进行储存，且因所使用的材料可适用于半导体制程，故可通过适当的半导体制程来形成磁性电容100以及周边电路连接，进而缩小磁性电容100的体积与重量，由于此制作方法可使用一般半导体制程，其应为本领域技术人员所熟知，故在此不予赘述。

请参考图4，图4为本发明另一实施例中磁性电容组200的示意图。承前所述，在本实施例中，是利用半导体制程于硅基板上制作多个小尺寸的磁性电容100，并通过适当的金属化制程，于该些磁性电容100间形成电连接，从而构成一个包含有多个磁性电容100的磁性电容组200，再以磁性电容组200作为能量储存装置或外部装置的电力供应来源。在本实施例中，磁性电容组200内的多个磁性电容100是以类似阵列的方式电连接，然而本发明并不限于此，而可根据不同的电压或电容值需求，进行适当的串联或并联，以满足各种不同装置的电力供应需求。

相较于传统具化学能的电池或超级电容，本发明中的储能装置具有低成本、寿命长(高充放电次数)、能量储存密度高、体积小、重量轻、容量大、无需维护、环保低污染等优点。因此，本发明在此提供一种包含有多个具磁性电容(magnetic capacitor)的储能装置的电源供应系统。

请参考图5，图5所绘示的为本发明的一实施例的一磁性电容电源供应系统300的简化方块图。如图5所示，磁性电容电源供应系统300包含有：三个储能装置310、320、330、三个电量调整模块312、322、332、一稳压单元340以及一处理单元350，并且磁性电容电源供应系统300耦接于负载360。储能装置310、320、330分别耦接于电量调整模块312、322、332，储能装置310、320、330分别用以调整电量调整模块312、322、332的电量。稳压单元340是耦接于储能装置310、320、330，用于稳定储能装置310、320、330所提供的电压值。处理单元350是耦接于该稳压单元340、储能装置310、320、330、以及电量调整模块312、322、332，用于依据储能装置310、320、330的电量来控制电量调整模块312、322、332，以使储能装置310、320、330具有相同电量。

在本实施例中，电量调整模块312、322、332皆为放电模块，以及处理单元350是从储能装置310、320、330中检测出具有最低电量的储能装置，并控制电量调整模块312、322、332以使其它储能装置的电量等于该最低电量，其中电量调整模块312包含有：开关314，耦接于储能装置310；以及控制单元316，耦接于开关314与处理单元350，用于接收处理单元350的控制信号以控制开关314来决定是否将相对应的储能装置310经由控制单元316放电，以使储能装置310的电量等于该最低电量。电量调整模块322包含有：开关324，耦接于储能装置320；以及控制单元326，耦接于开关324与处理单元350，用于接收处理单元350的控制信号以控制开关324来决定是否将相对应的储能装置320经由控制单元326放电，以使储能装置320的电量等于该最低电量。电量调整模块332包含有：开关334，耦接于储能装置330；以及控制单元336，耦接于开关334与处理单元350，用于接收处理单元350的控制信号以控制开关334来决定是否将相对应的储能装置330经由控制单元336放电，以使储能装置330的电量等于该最低电量。举例来说，假设储能装置310、320、330充电完成后的电量分别是Q1、Q2、Q3，且Q1＜Q2＜Q3，当处理单元350从储能装置310、320、330中检测出储能装置310具有最低的电量Q1，处理单元350就会关闭开关314，并开启开关324、334，来将储能装置320、330分别经由控制单元326、336放电，以使储能装置320、330的电量等于电量Q1。然而，上述的实施例仅作为本发明的举例说明，而不是本发明的限制条件，举例来说，储能装置的数量并不限制为三个。

综上所述，由于本发明所提供的磁性电容电源供应系统可以使得所有储能装置均具有相同的电量，因此可以避免当各个储能装置具有不同电量时所造成整体电路容易短路故障的问题。此外，本发明的含磁性电容的储能装置的电源供应系统的架构并不适用于传统具化学能的电池或超级电容，因为传统的化学能的电池或超级电容并不像磁性电容具有极佳的能量储存能力及高充放电次数，所以在放电调整电量的过程中会很快就损失极高比例的电量，而无法提供充足的电量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种电源供应系统，包含有：

多个储能装置；

多个电量调整模块，分别耦接于该些储能装置，每一电量调整模块用以调整相对应的储能装置的电量；

稳压单元，耦接于该些储能装置，用于稳定该些储能装置所提供的电压值；以及

处理单元，耦接于该稳压单元、该些储能装置与该些电量调整模块，用于依据该些储能装置的电量来控制该些电量调整模块，以使该些储能装置具有相同电量。

2.根据权利要求1所述的电源供应系统，其中该些电量调整模块为多个放电模块，以及该处理单元从该些储能装置中检测出具有最低电量的储能装置，并控制该些放电模块以使其它储能装置的电量等于该最低电量。

3.根据权利要求2所述的电源供应系统，其中各该放电模块包含有：

开关，耦接于相对应的储能装置；以及

控制单元，耦接于该开关与该处理单元，用于接收该处理单元的控制信号以控制该开关来决定是否将相对应的该储能装置经由该控制单元放电，以使相对应的该储能装置的电量等于该最低电量控制单元。

4.根据权利要求1所述的电源供应系统，其还耦接于负载。

5.根据权利要求1所述的电源供应系统，其中各该储能装置包含有多个磁性电容，且各该磁性电容是以串联或并联的方式互相电连接。

6.根据权利要求5所述的电源供应系统，其中各该磁性电容包含有：

第一磁性电极；

第二磁性电极；以及

介电层设于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间；

其中该第一磁性电极与该第二磁性电极内具有磁偶极以抑制该磁性电容的漏电流。

7.根据权利要求6所述的电源供应系统，其中该第一磁性电极包含有：

第一磁性层，具有排列成第一方向的磁偶极；

第二磁性层，具有排列成第二方向的磁偶极；以及

隔离层，包含有非磁性材料，设于该第一磁性层与该第二磁性层之间；

其中该第一方向与该第二方向互为反向，以抑制该磁性电容的漏电流。

8.根据权利要求1所述的电源供应系统，其是集成于集成电路中。

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