专利名称：具有充电保护机制的电源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电源系统，特别是涉及一种用以对其储能装置进行充电保护的具
有充电保护机制的电源系统。
背景技术：
现今较普遍使用的电能储存元件不外乎是电池、电容或超级电容(Super capacitor)等。电容虽然在制造工艺(制程)上较为简单，但是因为其储存容量小，只能 当做短暂储能使用。而传统的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，但是其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，而无法快速的充放电或进行高功率输出，且充放电 次数有限，过度充放时容易滋生各种问题；例如目前所使用的蓄电池，虽然标榜着可以重 复使用，但是还是有其寿命的限制。在多次充放电或长时间不使用的情况下，蓄电池的容 量会下降，并且容易损坏，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。 至于超级电容则是一种介于电池与电容间的元件，又称双电层电容(Electrical Double-Layer C即acitor)，因同时通过部分物理储能、部分化学储能架构，故其具有比普 通电容还大的容量，但其缺点是因为有化学材料而具有化学特性，而容易有如电池的漏电 缺点，又加上因为还有部分是物理特性的放电速度快的现象，如此一来就产生很快就会没 电的现象，无法达到有效蓄电的功能。甚至，超级电容的耐压度不高，内阻较大，因此不可以 用于交流电路，且如果使用不当会造成电解质泄漏等现象。而且，上述这些储能元件都无 法同时具备寿命长(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。 此外，随着移动电子产品的普及化与高性能化，使得大容量储能元件的需求日益 高涨，而连带使大容量储能元件的充电器成为无法欠缺的关键性元件。 并且，为了防止储能元件因为遭到不当充电或过度充电而损坏，现有的充电器大 都设有一保护电路，用以在充电过程中检测储能元件的温度及电压，以在充电发生异常时， 能够及时停止对储能元件充电。但是因为保护电路是设置在充电器端，当保护电路发生问 题，无法检测出充电异常而让充电器继续对储能元件充电时，由于储能元件本身并没有自 我保护机制，因而仍会因为遭受充电器异常充电而损坏。 因此，若能提供一种储能装置结合一具备寿命长(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的储能元件和一可在充电发生异常情况下发挥自 我保护的机制，将有助于开发以储能元件做为电力来源的电子产品并拓展储能元件的应用 领域。
发明内容
本发明的目的在于，主要是提供一种新型结构的具有充电保护机制的电源系统， 所要解决的技术问题是使其可以在充电发生异常时，适时停止充电，而可以保护本身不受 损坏，非常适于实用。 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提
出的一种具有充电保护机制的电源系统，可以接受一外部电源充电以储能，该电源系统包
括一储能装置，其是以电位能的形式来储存能量；以及一充电保护单元，与该储能装置电
连接，并根据该储能装置的电压状态，控制该外部电源与该储能装置连接与否。 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。 较佳地，前述的具有充电保护机制的电源系统，其中所述的储能装置是一个磁性
电容或是一个由复数个磁性电容以串联或并联方式组成的磁性电容组。 较佳地，前述的具有充电保护机制的电源系统，其中所述的储能装置是一个磁性 电容或是一个由复数个磁性电容以串并联方式组成的磁性电容组。 较佳地，前述的具有充电保护机制的电源系统，其中所述的磁性电容包含有一第 一磁性电极、一第二磁性电极以及设置于其间的一介电层，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。 较佳地，前述的具有充电保护机制的电源系统，其中所述的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；以及一隔离层，包含有非磁性材料，设置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。 较佳地，前述的具有充电保护机制的电源系统，其中所述的第一磁性电极与第二 磁性电极是包含有稀土元素，该介电层是由氧化钛(Ti03)、氧化钡钛(BaTi03)或一半导体 层所构成。 较佳地，前述的具有充电保护机制的电源系统，其中所述的半导体层为氧化硅。
较佳地，前述的具有充电保护机制的电源系统，其中所述的充电保护单元包括一 开关及一控制电路，该开关决定该外部电路与该储能装置导接与否，该控制开关控制该开 关启闭，且比较该储能装置的电压与一参考电压，以在该储能装置的电压小于该参考电压 时，令该开关导接该外部电源与该储能装置，并在该储能装置的电压大于该参考电压时，令 该开关不导接该外部电源与该储能装置。 较佳地，前述的具有充电保护机制的电源系统，其中所述的开关是一继电器。
较佳地，前述的具有充电保护机制的电源系统，其中所述的控制电路包括一数值 比较器(即数位比较器，以下均称数值比较器)及一连接在该数值比较器的一输入端的模 拟/数字转换器(即类比/数位转换器，本文均称为模拟/数字转换器)，且该参考电压是 一数值，其输入该数值比较器的另一输入端，该模拟/数字转换器将该储能装置的电压数 位化后输入该数值比较器与该参考电压进行比较，使该数值比较器根据比较结果输出 一控 制信号控制该开关启闭。 较佳地，前述的具有充电保护机制的电源系统，其中所述的控制电路是一类比比 较器，其一输入端接受该参考电压，另一输入端接受该储能装置的电压。 借由上述技术方案，本发明具有充电保护机制的电源系统至少具有下列优点及有益效果本发明借由将该储能装置与该充电保护单元整合在一起，令充电保护单元在储能 装置充电的过程中，随时侦测储能装置的电压状态，以在充电器发生异常而对储能装置过 充时，可以及时中断外部电源对储能装置的充电动作，可以保护储能装置在充电器发生充 电异常的情况下不致因过充而损坏，而能够达到自我保护的目的与功效。 综上所述，本发明是有关于一种具有充电保护机制的电源系统，可接受一外部电 源充电以储能，该电源系统包括具有一磁性电容单元的储能装置及一与该磁性电容单元电 连接的充电保护单元，充电保护单元根据该磁性电容单元的电压状态，控制该充电器与该 磁性电容单元连接与否，借此可以防止充电器不致因为发生异常而对磁性电容单元过度充 电，提供储能装置在充电发生异常情况下发挥自我保护的机制。因此，本发明可在充电发生 异常时适时停止充电，而可以保护本身不受损坏，非常适于实用。本发明在技术上有显著的 进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手 段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能 够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图1是本发明具有充电保护机制的电源系统的一较佳实施例的电路方框图。 图2是本实施例的充电保护单元的细部电路图。 图3是本实施例的磁性电容与其他现有的能量储存媒介的比较示意图。 图4是本实施例中磁性电容的结构示意图。 图5是本实施例的磁性电容另一实施例中第一磁性电极的结构示意图。 图6是本发明另一实施例中一磁性电容组的示意图。 图7是本实施例的磁性电容单元的充放电特性曲线图。
具体实施例方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合 附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具有充电保护机制的电源系统其具体实施方式
、 结构、特征及其功效，详细说明如后。 有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一个较 佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。 请参阅图1以及图2所示，是本发明具有充电保护机制的储能装置的一较佳实施 例的电路方框示意图。图l是本发明具有充电保护机制的电源系统的一较佳实施例的电路 方框图，图2是本实施例的充电保护单元的细部电路图。本实施例的具有充电保护机制的 电源系统1，可以应用在需要高能量、高功率的移动电子产品，例如笔记型电脑、个人数位助 理(PDA)、汽车电池及电动车辆，或者定置式电源供应装置中做为电力来源，如图l所示，电 源系统1主要包括一储能装置11以及一充电保护单元12。 上述的储能装置ll，接受一外部电源充电以储能，该外部电源可以是与市电连接 的一充电器、一电池、另一储能装置或一电子装置所提供的电源。储能装置11是以电位能 的形式来储存能量，在本实施例中它是由一种磁性电容元件所构成，其特性容后说明。
上述的充电保护单元12，侦测储能装置11的电压，并根据侦测结果控制外部电源 与储能装置11连接与否，借此及时地防止外部电源对储能装置11过度充电。
如图2所示，在本实施例中，外部电源是以一充电器2为例。充电器2是一现有的 充电电路， 一般充电电路可以概分为定电压充电及定电流充电两种，定电压充电由于是以 固定电压充电，对于容量很大的电容，例如本实施例的储能装置11所使用的磁性电容的充 电效率会较差，浪费能量，所以本实施例的储能装置11的充电器2是采用定电流充电，其充 电方式是令输出电压稍大于储能装置11的电压，以持续输出一固定的电流对储能装置11 充电，直到充电器2的输出电压达到一预设值，即表示储能装置11已被充饱(即达到额定 电压)，则会停止对储能装置11充电。但是因为储能装置11中的磁性电容具有电容的特 性，即有额定电压的限制(即电压耐受性有限)，因此若充电器2发生异常，无法在其输出电 压达到预设值时停止对储能装置11充电，就会因为对储能装置11过充电而容易导致储能 装置11被贯穿损毁甚至产生爆炸。 因此，为防止上述过充现象发生，如图2所示，本实施例的充电保护单元12，包括 一决定充电器2与储能装置11导接与否的开关15，以及控制开关15启闭的控制电路10。 控制电路10将储能装置11的电压Vc与一参考电压Vref相比较，并且在储能装置11的电 压Vc小于参考电压Vref时，令开关15导接充电器2与储能装置11，使充电器2可以继续 对储能装置11充电，并在储能装置11的电压Vc大于参考电压Vref时，令开关15不导接 充电器2与储能装置ll，使充电器2无法再继续对储能装置11进行充电，以保护储能装置 11。以下进一步具体说明控制电路10及开关15的细部电路。 该控制电路IO，在本实施例中包括一数值比较器13及一模拟/数字转换器(即类 比/数位转换器)14。数值比较器13的正输入端输入一参考电压值Vref，数值比较器13 的负输入端连接模拟/数字转换器14。 该开关15，在本实施例中是以一继电器为例，其连接在充电器2与储能装置11之 间，并受数值比较器13控制。在正常的情况下(即储能装置11的电压小于参考电压Vref)， 开关15处于关闭状态，所以充电器2可以对储能装置11充电。当充电器2开始对储能装 置11充电时，充电保护单元12从储能装置11获得电力并开始对储能装置11进行电压侦 测。此时，数值比较器13的正输入端被输入一参考电压值Vref ，该参考电压值Vref通常是 储能装置11的额定电压值(最大耐压值)或是一个比额定电压值稍小的数值。
模拟/数字转换器14连接储能装置11以取得储能装置11的电压VC并进行数位 化后，将储能装置11的电压值VC'输入数值比较器13的负输入端，数值比较器13比较储 能装置11的电压值VC'是否大于参考电压值Vref，在正常的情况下，储能装置11的电压会 小于(或最多等于)参考电压值Vref，此时数值比较器13输出一高准位控制信号控制开关 15维持在关闭状态，使充电器2可以持续对储能装置11充电。而当储能装置11的电压已 经达到额定电压，但充电器2因为发生异常仍然对储能装置11充电，使储能装置11的电压 超过其额定电压时，数值比较器13会因为比较储能装置11的电压值VC'大于参考电压值 Vref，而输出一例如低准位控制信号控制开关15打开，使充电器12与储能装置11之间形 成断路，而立即中断充电器2对储能装置11的充电动作，保护储能装置11不致因持续过充 电而损坏。 值得一提的是，本实施例的控制电路10也可以只使用一类比比较器，如此则可省略模拟/数字转换器14，但需提供一参考电压给类比比较器的正输入端，如此，储能装置11 的电压即可以直接输入类比比较器的负输入端与参考电压进行比较后，由类比比较器输出 控制信号控制开关15打开或关闭。 本实施例的储能装置11可以是单一个磁性电容(magnetic c即acitor)或是由复 数磁性电容以串联、并联或串、并联方式组成的一磁性电容组，其中的磁性电容是一种以硅 半导体为原料，在一定的磁场作用下通过物理储能方式实现高密度、大容量储存电能的储 能元件。并且磁性电容具有输出电流大、体积小、重量轻、超长使用寿命、充放电能力佳以及 没有充电记忆效应等特性，因此做为电能储存元件，除了可以降低储能元件的体积、重量和 制造成本外，而且还可以提高储能元件的使用寿命。 所以，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，磁性电容可借由于上、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。
请参阅图3所示，是本实施例的磁性电容与其他现有的能量储存媒介的比较示意 图。如图3所示，由于现有的能量储存媒介(例如传统电池或超级电容)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将会明显优于一般电容，而可应用于各种 电力供应装置，但在此同时，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 快速的充放电或进行高功率输出，且充放电次数有限，过度充放时容易滋生各种问题。
相较于此，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，因此，除 了具有可与一般电池或超级电容匹配的能量储存密度外，还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。 请参阅图4所示，是本发明一实施例中磁性电容400的结构示意图。如图4所示， 磁性电容400，是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是由具有磁性的导电材料所构成，并借 由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 (mageneticdipole)115与125，以在磁性电容400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400的漏电流。 所需要特别强调的是，图4中的磁偶极115与125的箭头方向只是一示意图。对 熟习该项技艺的技术人员而言，应可了解到磁偶极115与125实际上是由多个整齐排列的 微小磁偶极所叠加而成，并且在本发明中，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，以在第一磁性电极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是包含有磁性导 电材质，例如稀土元素，介电层130是由氧化钛(Ti03)、氧化钡钛(BaTi03)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他材料。 现比喻说明本发明的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 电阻率在磁场中只产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性
7金属与合金材料的磁电阻值高出IO倍以上，而能够产生很庞大的磁阻效应。若是进一步结合Maxwe 11-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。
在现有的电容中，电容值C是由电容的面积A、介电层的介电常数e。、及厚度d决定，如下式一所示。然而在本发明中，磁性电容400主要是利用第一磁性电极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，故可以在同样条件下，容纳更多的电荷，进而增加能量的储存密度。类比于现有的电容，磁性电容400的运作原理相当于借由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 二 此外，在本实施例中，第一磁性电极110与介电层130之间的介面131以及第二磁性电极120与介电层130之间的介面132，均为一不平坦的表面，以借由增加表面积A的方式，进一步提升磁性电容400的电容值C。 请参阅图5所示，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5所示，第一磁性电极IIO是为一多层结构，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则包含有具有磁性的导电材料，并在磁化时，借由不同的外加电场，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的方向是为反向，而能进一步抑制磁性电容400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，以复数个磁性层与非磁性层不断交错堆叠，再借由各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容400的漏电流，甚至达到几乎无漏电流的效果。
此外，由于现有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，否则往往会造成效率的大幅下降。相较于此，本发明的磁性电容400是以电位能的方式进行储存，并且因为所使用的材料可以适用于半导体制造工艺(制程)，故可借由适当的半导体制程来形成磁性电容400以及周边电路连接，进而縮小磁性电容400的体积与重量，由于此制作方法可以使用一般半导体制程，其应为熟习该项技艺的技术人员所熟知，故在此不再赘述。 请参阅图6所示，为本发明另一实施例中的一磁性电容组500的示意图。承前所述，在本实施例中，是利用半导体制程在一硅基板上制作复数个小尺寸的磁性电容400，并借由适当的金属化制程，在该复数个磁性电容400之间形成电连接，从而构成一个包含有多个磁性电容400的磁性电容组500，再以该磁性电容组500来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500内的复数个磁性电容400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。 请再参阅图7所示，为绘示本实施例的磁性电容单元的充放电特性曲线图，是本实施例的储能装置11的一充放电特性示意图，由图中显示的放电曲线可知，储能装置11放电时的电压并非是如同一般蓄电池维持在一定值，而是呈现随着放电时间迅速递减的趋势。因此，在本实施例中，需要再搭配一稳压单元(图未示)对储能装置11的放电电压进行适当的升/降压转换，使稳压单元可以输出维持在一定值的直流电压(定电压)给与其连接的一负载(图未示)。 综上所述，本实施例的电源系统1将储能装置11与充电保护单元12整合在一起，令充电保护单元12在储能装置11充电的过程中，随时侦测储能装置11的电压(电位)状态，以在充电器2发生异常而对储能装置11过充时，可以及时中断充电器2对储能装置11的充电动作，借此可以保护储能装置11在充电器2发生充电异常的情况下不致因过充而损坏，而能够达到自我保护的功效与目的，非常适于实用。 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
一种具有充电保护机制的电源系统，可以接受一外部电源充电以储能，其特征在于该电源系统包括一储能装置，其是以电位能的形式来储存能量；以及一充电保护单元，与该储能装置电连接，并根据该储能装置的电压状态，控制该外部电源与该储能装置连接与否。
2. 如权利要求1所述的具有充电保护机制的电源系统，其特征在于其中所述的储能装 置是一个磁性电容或是一个由复数个磁性电容以串联或并联方式组成的磁性电容组。
3. 如权利要求1所述的具有充电保护机制的电源系统，其特征在于其中所述的储能装 置是一个磁性电容或是一个由复数个磁性电容以串并联方式组成的磁性电容组。
4. 如权利要求2或3所述的具有充电保护机制的电源系统，其特征在于其中所述的磁 性电容包含有一第一磁性电极、一第二磁性电极以及设置于其间的一介电层，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。
5. 如权利要求4所述的具有充电保护机制的电源系统，其特征在于其中所述的第一磁 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；以及一隔离层，包含有非磁性材料，设置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。
6. 如权利要求4所述的具有充电保护机制的电源系统，其特征在于其中所述的第一磁 性电极与第二磁性电极是包含有稀土元素，该介电层是由氧化钛、氧化钡钛或一半导体层 所构成。
7. 如权利要求6所述的具有充电保护机制的电源系统，其特征在于其中所述的半导体 层为氧化硅。
8. 如权利要求1所述的具有充电保护机制的电源系统，其特征在于其中所述的充电保 护单元包括一开关及一控制电路，该开关决定该外部电路与该储能装置导接与否，该控制 开关控制该开关启闭，且比较该储能装置的电压与一参考电压，以在该储能装置的电压小 于该参考电压时，令该开关导接该外部电源与该储能装置，并在该储能装置的电压大于该 参考电压时，令该开关不导接该外部电源与该储能装置。
9. 如权利要求8所述的具有充电保护机制的电源系统，其特征在于其中所述的开关是 一继电器。
10. 如权利要求8所述的具有充电保护机制的电源系统，其特征在于其中所述的控制 电路包括一数值比较器及一连接在该数值比较器的一输入端的模拟/数字转换器，且该参 考电压是一数值，其输入该数值比较器的另一输入端，该模拟/数字转换器将该储能装置 的电压数位化后输入该数值比较器与该参考电压进行比较，使该数值比较器根据比较结果 输出一控制信号控制该开关启闭。
11. 如权利要求8所述的具有充电保护机制的电源系统，其特征在于其中所述的控制 电路是一类比比较器，其一输入端接受该参考电压，另一输入端接受该储能装置的电压。
全文摘要
本发明是有关于一种具有充电保护机制的电源系统，可以接受一外部电源充电以储能，该电源系统包括一储能装置，其是以电位能的形式来储存能量；以及一充电保护单元，与该储能装置电连接，并根据该储能装置的电压状态，控制该外部电源与该储能装置连接与否。本发明藉由该电源系统包括具有一磁性电容单元的储能装置及一与该磁性电容单元电连接的充电保护单元，充电保护单元根据该磁性电容单元的电压状态，控制该充电器与该磁性电容单元连接与否，而可以防止充电器不致因为发生异常而对磁性电容单元过度充电，提供储能装置在充电发生异常情况下发挥自我保护的机制。
文档编号H02J15/00GK101728874SQ200810171230
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月27日 优先权日2008年10月27日
发明者许跃腾 申请人:光宝科技股份有限公司