CN101728845A - 具控制机制的供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具控制机制的供电系统，包括有多个储能装置、多个电流路径单元及一控制装置，其中，每一电流路径单元分别对应串联于每一储能装置，且每一串联的电流路径单元与储存装置并联于一外部装置。控制装置耦接于该些电流路径单元与该些储能装置，判断每一储能装置是否发生损耗，并根据判断结果，输出一控制指令至每一电流路径单元，以控制每一电流路径单元提供一第一电流路径或一第二电流路径给对应的储能装置。

Description

具控制机制的供电系统

技术领域

本发明涉及一种具控制机制的供电系统，尤其涉及一种用以控制储能装置充电与放电的供电系统。

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：行动电话(MobilePhone)、PDA等)、或不断电系统(UPS)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备用电池产品；而广义的储能元件则泛指所有具备储能功能的元件。

其中以传统车用或不断电系统(UPS)是需要大电能给负载使用，因此所用的储能元件组，为了提供大电流给负载以及延长供电时间，通常由多个储能元件并联一起所组成。

请参考图1，为传统并联蓄电元件充/放电系统示意图。并联蓄电元件供电系统1由多个蓄电元件10并联组成，当多个蓄电元件10并联连接于一充电器12时，充电器12将会对每一蓄电元件10进行充电。另外，当多个蓄电元件10并联连接于一负载14时，多个蓄电元件10将会对负载14进行放电。

然而，在蓄电元件10的充电过程中，若是某一蓄电元件10发生损耗，而导致所储存的电压过低，其余的蓄电元件10将会因为自身所储存的电压较高，而对该损耗的蓄电元件10进行充电，同时，充电器12也会持续对损耗的蓄电元件10进行充电。如此，该损耗的蓄电元件10若是没有与系统进行隔离，将会发生过充电的情况，进而发生毁损或线路发生过热现象。

另外，若是某一蓄电元件10因为损耗而导致所储存的电压过低，此电压过低的蓄电元件10若是没有与系统进行隔离，则在放电过程中将会发生过放电的情况，进而造成蓄电元件10中电极板的损坏。

因此，发明一个可以检测出已经发生损耗的蓄电元件，以及将损耗的蓄电元件与系统进行隔离的控制设计，实为目前业界所殷殷期盼。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具控制机制的供电系统，其利用一电流路径单元串联于每一并联的储能装置，再经由网络控制电流路径单元的路径方向，进而控制每一并联的储能装置电流流通的路径。使得每一并联的储能装置在充/放电的时候，不会发生自行过充或过放的现象。前述电流路径单元系由两组单向导通元件组成。

本发明较佳实施例的具控制机制的供电系统包括有多个储能装置；多个电流路径单元分别对应串接于每一储能装置，以及并联于一外部装置；一控制装置耦接于该些电流路径单元与该些储能装置，其中，该控制装置用以判断每一储能装置是否损耗，并根据判断结果，输出一控制指令至每一电流路径单元，以控制每一电流路径单元提供一第一电流路径或一第二电流路径给对应的该储能装置。

如此，当储能装置在充电过程中，控制装置若是检测出某一储能装置发生损耗，将会控制串联在该损耗储能装置的电流路径单元，进而让该损耗储能装置能够与系统隔离，而达到过充电的保护，以防止储能装置毁损或线路发生过热现象。

同时，当储能装置在放电过程中，控制装置若是检测出某一储能装置发生损耗，将会控制串联于该损耗储能装置的电流路径单元，以让该损耗的储能装置能够与系统隔离，而达到过放电的保护，同时防止储能装置中电极板的损坏，进而达到供电的稳定。

以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的申请专利范围。而有关本发明的其它目的与优点，将在后续的说明与图示加以阐述。

附图说明

图1为传统并联蓄电元件充/放电系统示意图；

图2为本发明较佳实施例的电路示意图；

图3A为本发明第一较佳实施例的电流路径单元的电路示意图；

图3B为本发明第二较佳实施例的电流路径单元的电路示意图；

图4为本发明的磁性电容与其它习知能量储存媒介的比较示意图；

图5为本发明一实施例中磁性电容的结构示意图；

图6为本发明的另一实施例中第一磁性电极的结构示意图；及

图7为本发明另一实施例中一磁性电容组的示意图。

其中，附图标记：

现有技术：

1：蓄电元件供电系统        10：蓄电元件

12：充电器                 14：负载

本发明：

2：具控制机制的供电系统    20：储能装置

22：充电器                 24：负载

26、26’：电流路径单元     262：双向电流路径单元

264：网络控制单元          28：控制装置

SC1：控制指令              SW1：第一开关

SW2：第二开关              SCR1：第一硅控二极管

SCR2：第二硅控二极管       100：磁性电容

110：第一磁性电极          120：第二磁性电极

130：介电层                115、125：磁偶极

131、132：界面             110：第一磁性电极

112：第一磁性层            114：隔离层

116：第二磁性层            113、117：磁偶极

200：磁性电容组

具体实施方式

请参考图2，为本发明较佳实施例的电路示意图。本发明的具控制机制的供电系统2包括有多个储能装置20，且每一储能装置20都对应串联有一电流路径单元26。同时，每一个储能装置20与电流路径单元26的串联组都并联一起，同时并联于一外部装置。前述的外部装置可以是一充电器22或是一负载24。本发明的具控制机制的供电系统2还包含一控制装置28，控制装置28耦接于每一个电流路径单元26与每一个储能装置20，其中，控制装置28用以判断每一储能装置20是否发生损耗，并且根据判断的结果，输出一控制指令SC1给每一个电流路径单元26，用以控制每一个电流路径单元26提供一第一电流路径或是一第二电流路径给串联其上的储能装置20。

复参考图2，当具控制机制的供电系统2并联充电器22时，充电器22将对每一储能装置20进行充电。而在充电过程中，控制装置28会对每一储能装置20进行电压检测，以判断出该些储能装置20是否发生损耗。其中，当储能装置20正常，而未发生损耗时，控制装置28会控制串联于正常的储能装置20的电流路径单元26提供第一电流路径给对应的正常储能装置20。如此，充电器22将通过电流路径单元26所提供的第一电流路径对正常的储能装置20充电。

另外，在充电过程中，若是某一储能装置20不正常，而发生损耗时，控制装置28会控制串联于不正常的储能装置20的电流路径单元26提供第二电流路径给对应的不正常储能装置20。如此，充电器22将通过电流路径单元26所提供的第二电流路径停止对不正常的储能装置20充电。同时，电流路径单元26所提供的第二电流路径也会让其它正常的储能装置20与该不正常储能装置20产生隔离效果，进而达到过充电的保护，以防止不正常储能装置发生毁损或线路发生过热现象。

复参考图2，当具控制机制的供电系统2并联负载24时，具控制机制的供电系统2会对负载24进行放电。而在放电过程中，控制装置28会对每一储能装置20进行电压检测，以判断出该些储能装置20是否发生损耗。其中，当储能装置20正常，而未发生损耗时，控制装置28会控制串联于正常的储能装置20的电流路径单元26提供第二电流路径给对应的正常储能装置20。如此，正常的储能装置20将通过对应的电流路径单元26所提供的第二电流路径对负载24进行放电。

另外，在放电过程中，若是某一储能装置20不正常，而发生损耗时，控制装置28会控制串联于不正常的储能装置20的电流路径单元26提供第一电流路径给对应的不正常储能装置20。如此，不正常的储能装置20将通过对应的电流路径单元26所提供的第一电流路径，以停止对负载24放电，进而达到过放电的保护，以及防止不正常储能装置20的极板发生毁损。同时，电流路径单元26所提供的第一电流路径也会让其它正常的储能装置20与该不正常储能装置20产生隔离效果，进而达到供电的稳定。

复参考图2，本发明的具控制机制的供电系统2中，该控制装置28还可以控制每一电流路径单元26提供一旁通路径给对应的该储能装置20。如此，该些储能装置20将无须经由电流路径单元26，而得以直接并联于充电器22或是负载24，此时，充电器22将会直接对每一储能装置20进行充电。而每一储能装置20也将对负载24进行放电。在此控制模式中，将可以减少电流路径单元26的消耗，让系统达到省电的效果。

配合图2，请参考图3A。图3A为本发明第一较佳实施例的电流路径单元的电路示意图。本发明的电流路径单元26包括一双向电流路径单元262、一第一开关SW1及一网络控制单元264。其中，第一开关SW1串联于该双向电流路径单元262与对应的储能装置20。网络控制单元264耦接于控制装置28、双向电流路径单元262及第一开关SW1，根据该控制指令SC1，用以控制该双向电流路径单元262提供该第一电流路径与该第二电流路径给对应的储能装置20，以及控制第一开关SW1的切换。前述中，双向电流路径单元262是由一第一硅控二极管SCR1与一第二硅控二极管SCR2反向并联组成。

配合图3A，请参考图3B，图3B为本发明第二较佳实施例的电流路径单元的电路示意图。在本发明第二较佳实施例中的元件与第一较佳实施例相同者，是以相同符号标示。第二较佳实施例与第一较佳实施例的电路动作原理与达成的功效相同，其主要的差异处在于：第二较佳实施例的电流路径单元26’进一步包含有一第二开关SW2，该第二开关SW2并联于双向电流路径单元262与该第一开关SW1之串联组合，以及耦接于网络控制单元264，第二开关SW2受控于该网络控制单元264，用以提供该旁通路径给对应的该储能装置20。

参考图2与图3B，当本发明的具控制机制的供电系统2需要控制该些电流路径单元26’的路径时，网络控制单元264将根据控制装置28送出的控制指令SC1，用以导通第一开关SW1与截止第二开关SW2，并且，控制第一硅控二极管SCR1导通以提供第一电流路径，或是控制第二硅控二极管SCR2导通以提供第二电流路径。另外，当本发明的具控制机制的供电系统2需要重置(RESET)时，网络控制单元264将根据控制装置28送出的控制指令SC1，以截止第一开关SW1，进而将处于导通状态的第一硅控二极管SCR1或第二硅控二极管SCR2恢复开路。

参考图2与图3B，当本发明的具控制机制的供电系统2不需要控制该些电流路径单元26’的路径时，网络控制单元264将根据控制装置28送出的控制指令SC1，以截止第一开关SW1与导通第二开关SW2，以令电流路径单元26’形成短路，进而提供旁通路径给对应的该储能装置20。

根据前述，本发明使用的储能装置20可以为一般的蓄电池、磁性电容(Magnetic Capacitor)或其它具有储存电能的元件。

本发明的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4，图4为本发明的磁性电容与其它现有技术的能量储存媒介的比较示意图。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，相较于主要以化学能储存的其它能量储存媒介(例如传统电池或超级电容)，磁性电容除了具有可匹配的能量储存密度外，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5，图5为本发明一实施例中磁性电容100的结构示意图。如图5所示，磁性电容100包含有一第一磁性电极110、一第二磁性电极120，以及位于其间的一介电层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内部构成一磁场，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5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，可依磁性电容100的形状进行调整，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。

本发明磁性电容的操作原理说明如下。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产生很庞大的磁电容效应。

在现有技术的电容中，电容值C是由电容的面积A、介电层的介电常数及厚度d决定，如下式(一)。

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}{d}$ …(一)

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来，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。模拟于现有技术中的电容，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。

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均为一不平坦的表面，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6，图6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6所示，第一磁性电极110为一多层结构，包含有一第一磁性层112、一隔离层114以及一第二磁性层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，以多数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，由于现有技术的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，否则电力很快漏掉而不敷使用，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工艺，故可通过适当的半导体工艺来形成磁性电容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工艺，其应为本领域技术人员所熟知，故在此不予赘述。

请参考图7，图7为本发明另一实施例中一磁性电容组200的示意图。承前所述，在本实施例中，利用半导体工艺于一硅基板上制作多数个小尺寸的磁性电容100，并通过适当的金属化工艺，于该多数个磁性电容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内的多数个磁性电容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。

综上所述，当本发明的具控制机制的供电系统2在充电过程中，控制装置28若是检测出某一储能装置20发生损耗，将会控制串联在该损耗储能装置20的电流路径单元26，进而让该损耗储能装置20能够与系统隔离，而达到过充电的保护，以防止储能装置20毁损或线路发生过热现象。另外，当本发明的具控制机制的供电系统2在放电过程中，控制装置28若是检测出某一储能装置20发生损耗，将会控制串联于该损耗储能装置20的电流路径单元26，以让该损耗的储能装置20能够与系统隔离，而达到过放电的保护，同时防止储能装置20中电极板的损坏，进而达到供电的稳定。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种具控制机制的供电系统，其特征在于，包括：

多个储能装置；

多个电流路径单元，分别对应串联于每一储能装置，其中，串联的该电流路径单元与该储能装置并联于一外部装置；及

一控制装置，耦接于该些电流路径单元与该些储能装置，该控制装置判断每一储能装置是否发生损耗，并根据判断结果，输出一控制指令至每一电流路径单元，以控制每一电流路径单元提供一第一电流路径或一第二电流路径给对应的该储能装置。

2.根据权利要求1所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该外部装置为一充电器。

3.根据权利要求2所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该控制装置判断出该储能装置未发生损耗时，为控制该电流路径单元提供该第一电流路径给对应的该储能装置，以及该控制装置判断出该储能装置发生损耗时，为控制该电流路径单元提供该第二电流路径给对应的该储能装置。

4.根据权利要求1所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该外部装置为一负载装置。

5.根据权利要求4所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该控制装置判断出该储能装置未发生损耗时，为控制该电流路径单元提供该第二电流路径给对应的该储能装置，以及该控制装置判断出该储能装置发生损耗时，为控制该电流路径单元提供该第一电流路径给对应的该储能装置。

6.根据权利要求1所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该控制装置还控制每一电流路径单元，以提供一旁通路径给对应的该储能装置。

7.根据权利要求1所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该电流路径单元包括：

一双向电流路径单元，提供该第一电流路径与该第二电流路径；

一第一开关，串联于该双向电流路径单元与该储能装置；及

一网络控制单元，耦接于该控制装置、该双向电流路径单元及该第一开关，该网络控制单元根据该控制指令，用以控制该双向电流路径单元及该第一开关。

8.根据权利要求7所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该电流路径单元还包括一第二开关，该第二开关并联于该双向电流路径单元与该第一开关，以及耦接于该网络控制单元，受控于该网络控制单元，以提供一旁通路径给该储能装置。

9.根据权利要求8所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该双向电流路径单元为由一第一硅控二极管与一第二硅控二极管反向并联组成。

10.根据权利要求1所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该储能装置为一蓄电池。

11.根据权利要求1所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该储能装置是单一个磁性电容或是由多数磁性电容以串联、并联或混合串并联方式组成的一磁性电容组。

12.根据权利要求11所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该磁性电容包含有一第一磁性电极、一第二磁性电极以及设于其间的一介电层，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。

13.根据权利要求12所述的具控制机制的供电系统，其特征在于，该第一磁性电极包含有：

一第一磁性层，具有排列成第一方向的磁偶极；

一第二磁性层，具有排列成第二方向的磁偶极；及

一隔离层，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。

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