201019561 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種電源系統，特別是指一種可同時 分群進行充電與放電，使供電不間斷之電源系統。 【先前技術】 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（Mobile Phone)、個人數位助理等）、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，包括暫時性儲能的電容及電感’還有一種介 於電池與電容間的超級電容（SUper capacitor )也包括在内 電容是以物理反應之電位能形式來儲能，在製作上較 為簡單，且具有充放電速度快、高功帛密度的特性，但是 物理儲能的效果卻不佳（即储能容量較小），故只能被當做 短暫儲能使用。 電池可刀為_人電池及二次電池。一次電池僅能使用 一次，無法透過充電的方式再補充已被轉化掉的化學能。 而二次電池主要是要是利用化學能的方式來進行能量儲存 ’因此其能量儲存密度將會明顯優於-般電容，而可應用 力供應裝置，但在此同時，其所能產生之瞬間電 =輸限於化學反應速率，因此無法快速的充放 進仃南功率輸出，且在多次充放電後容量會下降，甚至長 201019561 時間不使用，也會有容量下降問題。 超級電容是一種介於電池與電容間的元件，又稱雙電 層電各（Electrical Double-Layer Capacitor)，透過部分物理 儲能、部分化學儲能架構，其功率密度及能量密度介於電 池與電容間。但是，超級電容因具有化學材料而具化學特 性，而易有漏電現象，又加上因還有部份是物理特性之放 電速度快的現象，前述兩種因素下很快就會沒電，且受限 於電解質的分解電壓（水系電解f lv、有機電解質約2 5v )’所以其耐電壓低’再加上受到電極材料的成本影響，超 級電容具有比其他電容、電池高的價格能量比。 習知儲能元件的技術，皆無法同時達到壽命長（高充 放電次數）、高能量儲存密度、瞬間高功率的輸出、快速充 放電等優點’ 1目前的二次電池及超級電容皆需要電解液 以化學的方式儲存電能，並無法在-般現今的半導體製程 下製造’因此-旦在封裝完成後，其儲存電能的容量較不 易改變’且周邊相關的電路在規劃上也較不彈性 知 技術仍有改良精進之處。 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-起所組成 μ仏的嚷溽系統雖然可能包含多個儲能 但因為無法在同—時間點使部讀能it件進行充電且其 201019561 儲能元件進行放電，所以在使用的過程中，隨著電壓逐漸 下降而不能有效利用時間補充，導致無法連續使用又浪費 時間。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在解決習知技術不能同時間 充放電的缺失，且提供一種電源系統，該電源系統包含： 複數個儲能單元’可分別進行充電或放電； 一充電單元，電連接於每一儲能單元，可對至少一個 儲能單元進行充電；及 一放電單元，電連接於每一儲能單元，當該充電單元 正對至少一個儲能單元進行充電時，該放電單元可對剩下 儲能單元中的至少一個進行放電。 本發明之功效在於可在同一時間點，使部分儲能單元 進行充電、而其他儲能單元進行放電，所以在使用的過程 中可同時分群進行充電與放電，雖然電壓逐漸下降卻可有 效利用時間補充’使提供電力不間斷，達到可連續使用又 節省時間的目的。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 隹實施彻 如圖1所示，本實施例之電源系統包含：n個儲能單元 一充電單元11、一放電單元12、一控制單元4、一電壓 201019561 量測單元5，且η 2 2。 儲能單元1，可對至少一 η個充電開關2及一輸入 該充電單元11電連接於每一 個儲能單元1進行充電，且包括 轉換器6。 該放電單7L 12電連接於每—儲能單元i，當該充電單 元11正對至少一個儲能單元1進行充電時’該放電單元12 可對剩下儲能單元i中的至少—個進行放電，且包括n個 放電開關3’ 一輸出轉換器了。 在本實施例中，每一儲能單元1為-種磁性電容單元 。因為磁性電容單元是—種新_儲能㈣，且較習知的 電A。電☆ 級電谷具有許多優點，因此以下先對磁性 電容單元作一介紹’之後再詳述如何在同一時間點，使部 分儲能單元進行充電且其他儲能單元進行放電。 磔性電容單元介妲 該磁性電谷單元可以是單一個磁性電容或是由複數磁 性電谷以串聯、並聯或混合串並聯方式組成的一磁性電容 組。本實施例應用之磁性電容是—種㈣半導體為原料， 在一定的磁場作用下透過物理儲能方式實現高密度、大容 量儲存電能的儲能it件。且磁性電容具有輸出電流大、體 積小、重量輕、超長使用壽命、充放電能力佳以及沒有充 電記憶效應等特性，因此拿來做為備用電源系統2〇〇的蓄 電兀件以取代習知鉛酸蓄電池組，除了可以減少備用電源 系統200的體積、重量和製造成本，而且可以實現系統免 維護以及提高系統使用壽命等優點。 201019561 ❹ 參閱圖2,由於習知能量儲存媒介（例如：傳統電池或 超級電容）主要是利用化學能的方式來進行能量儲存，因 “能量儲存密度將會明顯優於一般電容，而可應用於各 ㈣力供應裝置’但在此同時，其所能產生之瞬間電力輸 出亦會受限於化學反應速率，而無法快速的充放電或進行 高功率輸出，且充放電次數有限，過度充放時易滋生各種 問題。相較於此，由於磁性電容中儲存的能量全部是以電 位能的方式進行储存，因此，除了具有可與一般電池或超 級電容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。參閱圖3,磁性電容_是包含有一第一 磁性電極6H)、-第二磁性電極_，以及位於其間之一介 ^層63G°其中第—磁性電極610與第二磁性電極620是由 :磁:的導電材料所構成，並藉由適當的外加電場進行磁 磁偶極610與第二磁性電極㈣内分別形成 内邻槿# g軸°叫。10 615與625，以於磁性電容600 ==磁場，對帶電粒子的移動造成影響，從而抑制 磁性電容000之漏電流。 刊 所需要特別強調的是，圖 箭頭方向僅為-示意圖。餅孰，中的磁偶極615與625的 解到磁偶極615與62厂％該項技藝者而言，應可瞭 , 、 實際上是由多個整齊排列的微小磁 =方Γ/’且在本發明中，磁偏極™最後 無限定，例如可指向同一方向或不同方向。 201019561 介電層630則是用來分隔第一磁性電極61〇與第二磁性電 極620，以於第一磁性電極61〇與第二磁性電極62〇處累積 電荷，儲存電位能。在本發明之一實施例中，第一磁性電 極610與第二磁性電極62〇是包含有磁性導電材質例如 稀土元素，介電層630則是由氧化鈦（Ti〇3)、氧化鋇鈦（ 如们〇3)或一半導體層，例如氧化矽（Silicon 〇xide)所構 成，然而本發明並不限於此，因此第一磁性電極6i〇、第二 磁性電極620與介電層630均可視產品之需求而選用適當 之其他材料。 ◎ 比喻說明本發明磁性電容之操作原理如下。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 率減土的幅度相當大’比通常磁性金屬與合金材料的磁電 阻10倍以上’而能夠產生很龐大的磁阻效應。若是 進一步結合麥斯威爾-華格納（MaxweU-Wagner)電路模型， 磁性顆粒複合介質巾也可能會產錄魔大的磁電容效應。❹ 之介電容中電容值C是由電容之面積A、介電層 %、A及厚度d決定，如下式所示。 d 然而在本發明中，磁性電容600主要利用笫—磁祕费 極610與第二王要利用第磁性電 場來，使㈣…“2〇中整齊排列的磁偶極來形成磁 吏内錢存的電子朝同__自旋方向轉動， 10 201019561 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。類比於習知電容，磁性電容_之運作 原理相當於藉由磁場之作用來改變介電層63〇之介電常數 ，故而造成電容值之大幅提升。 此外，在本實施例中，第一磁性電極61〇與介電層63〇 之間的介面631以及第二磁性電極62〇與介電層63〇之間 的介面632均為一不平坦的表面，使得介面631與介面632
的面積相較於一般平坦的表面其表面積A更大，而能進一 步提升磁性電容600之電容值c。 請參考圖4,本發明之另—實_中第—雜電極61〇 之結構示意圖。如圖4所示’第一磁性電極6ι〇是為一多 層結構’包含有一第一磁性層612、一隔離層614以及一第 -磁性層616。其中隔離層614是由非磁性材料所構成而 第-磁㈣612與第二磁性層616則包含有具磁性的導電 材料，並在磁化時，藉由不同的外加電場，使得第一磁性 層612與第二磁性層616中的磁偶極613肖617分別且有 不同的方向，例如在本發明之—較佳實施财，磁偶極⑴ 與617的方向是為反向’而能進一步抑制磁性電容_之 漏電流。此外’需要強調的是’磁性電極6ig之結構並不 限於前述之三層結構，而可以類似之方式，以複數個磁性 層與非磁性層不斷交錯堆疊，再藉由各磁性層内磁偶極方 向的調整來進-步抑制磁性電容_之漏電流甚至達到 幾乎無漏電流的效果。 此外，由於習知儲能元件多半以化學能的方式進行儲 201019561 存，因此都需要有一定的尺寸，否則往往會造成儲量效率 的大幅下降。相較於此，本發明之磁性電容6〇〇是以電位 忐的方式進行儲存，且因所使用之材料可適用於半導體製 程，故可藉由適當的半導體製程來形成磁性電容6〇〇以及 周邊電路連接，進而縮小磁性電容600之體積與重量，由 於此製作方法可使用一般半導體製程達成的，故在此不予 贅述。 請參考圖5，圖5為本發明另一實施例中一磁性電容組 500之示意圖。承前所述，在本實施例中，是利用半導體製❹ 程於一梦基板上製作複數個小尺寸的磁性電容6〇〇，並藉由 適當的金屬化製程，於該複數個磁性電容6〇〇間形成電連 接’從而構成一個包含有多個磁性電容6〇〇的磁性電容組 500，再以磁性電容組5〇〇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5〇〇内的複數 個磁性電容600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。 ⑬ 同時充放曾拢伟： 在本實施例’以4個儲能單元1、4個充電開關2，及 4個放電開關3為例’但實際應用上並不限於此。 且值得注意的是，上述開關2、3的名稱並未限定這些 開關2、3的種類或限定了這些開關2、3是不同類型的開 關，反之，這些開關2、3可以是同一類型的開關，且當該 儲能單元1以半導髏製程製作時，這些開關2、3亦可隨之 12 201019561 以半導體製程製作。 如圖 I、6 ώί·- , = 不，且為了清楚說明，圖6中省略不畫出 】單704和該電愿量測單元5,該等充電開關2分別可 切換的將該等儲能單元1電連接到輸人轉換器6,而該等放 電開關3分別可切換的將該等儲能單元1電連接到輸出轉 、器7該電虔量測單元5分別彳貞測每—儲能單元1的一電 麼值’並提供給該控制單元4，然後該控制單元4將收到的 •值與參考值比較，並將電壓值低於參考值的儲能單 元=1所對應到的充電開關2導通和放電開關3不導通，以 使該儲能單元1被充電，且該控制單元4使其餘電壓值高 於參考值的错能單元i所對應到的充電開關2不導通和放 電開關3導通，以使其餘儲能單元1開始放電。圖6即是 其中儲&單儿i正進行充電，而剩餘三個储能單元】正 進行放電的例子。 該控制單元4依據所需充電的儲能單元丨數目，控制 .該輸入轉換H 6將一外部電源轉換成適合的充電電源，並 經由導通的充電開關2以轉換後的電源對單一個該儲能單 元1或多個該等儲能單元1充電。 該輸出轉換器7經由放電開關3接收儲能單元丨所釋 放的電能，並基於負載的大小進行適當轉換，以供負載使 用。 第二較佳訾施例 如圖7所示，第二較佳實施例與第一實施例類似，不 同的地方在於第一實施例中所有儲能單元1是共用一個輸 13 201019561 入轉換器6 ’但在第二實施例中，則該充電單元u包括n 個輸入轉換器6 ’以使每一個儲能單元1配置一個輪入轉換 器6,因此在對儲能單元1充電時，能視各自儲能單元丨所 需的電量分別充電，在本實施例，以配置4個輸入轉換器6 為例，但實際應用上並不限於此，且為了清楚說明，圖中 省略不畫出該控制單元4和該電壓量測單元5。 综上所述，本發明電源系統可在同一時間點對部分的 儲能單元1進行充電，而對其餘的儲能單元1進行放電， 所以在使用的過程中，當某些進行放電的儲能單元i隨著◎ 電壓逐漸下降至一參考值以下時，該控制單元4偵測到此 情況便可自動地即時充電，且改用已充好電的儲能單元i 來進行放電，如此即可在不必中斷整個電源系統的供電下 ’達到有效率地利用時間又可連續使用的目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 φ 【圖式簡單說明】 圖1是本發明電源系統之第一較佳實施例的電路圖； 圖2是本實施例之磁性電容與其他習知能量儲存媒介 之比較示意圖； 圖3是本實施例中磁性電容之結構示意圖； 圖4是本實施例之磁性電容另一實施例中第一磁性電 極之結構示意圖； 14 201019561 圖5是本發明另一 圖； 例令一磁性電容單元組之示意 圖6是本發明之兮筮— X弟一較佳實施例的電路圖，說明多 個儲能單元共用-個輸入轉換器；及 圖7疋本發明之第二較佳實施例的電路圖說明每一 個儲能單元配置一個輪入轉換器。
15 201019561 【主要元件符號說明】 1…… •…儲能單元 610 ·· .....第 磁性電極 11 •… •…充電單元 612 ·· .....第 磁性層 12·..·· •…放電單元 613 .· ••…磁偶極 2…… •…充電開關 614 .· ••…隔離層 3…… 放電開關 615 ·· .....磁偶極 4…… •…控制單元 616 ·· .....第二磁性層 5…… •…電壓量測單元 617 ••…磁偶極 6…… …·輸入轉換器 620 ·· .....第二磁性電極 7…… …·輸出轉換器 625 ·· .....磁偶極 500… …·磁性電容組 630 ·· ••…介電層 600… •…磁性電容 631 ' 632介面 16