用以启动引擎的启动系统.pdf

本发明提供一种用以启动一引擎的启动系统，包含一启动装置与一电力供给装置。该启动装置利用一驱动电源来启动该引擎。该电力供给装置用以提供该驱动电源予该启动装置，且包含有多个电源模块以及一控制模块。该多个电源模块分别提供多个电源，且该多个电源模块中至少一电源模块为一磁性电容模块，该磁性电容模块包含至少一磁性电容。该控制模块用以自该多个电源模块中择一来提供该驱动电源予该启动装置。本系统加入磁性电容模块，可确保当其它电源模块发生异常时，启动装置仍能被供给驱动电源。

权利要求书
1.  一种用以启动一引擎的启动系统，包含：
一启动装置，耦接于该引擎，用以依据一驱动电源来启动该引擎；以及
一电力供给装置，耦接于该启动装置，用以提供该驱动电源予该启动装置，该电力供给装置包含有：
多个电源模块，用以分别提供多个电源，该多个电源模块中至少一电源模块为一磁性电容模块，该磁性电容模块包含至少一磁性电容，其是以电位能的形式来储存能量；以及
一控制模块，耦接于该多个电源模块及该启动装置，用以自该多个电源模块中择一来提供该驱动电源予该启动装置。

2.  如权利要求1所述的启动系统，其中该磁性电容模块包含有多个磁性电容。

3.  如权利要求1所述的启动系统，其中该磁性电容包含有：
一第一磁性电极，其由具有磁性的导电材料构成，用以形成一第一磁偶极；
一第二磁性电极，其由具有磁性的导电材料构成，用以形成具有一第二磁偶极；以及
一介电层，设置于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间。

4.  如权利要求3所述的启动系统，其中该第一磁偶极的方向相异于该第二磁偶极的方向。

5.  如权利要求3所述的启动系统，其中该第一磁性电极包含有：
一第一磁性层，其由具磁性的导电材料构成，用以形成具有一第三磁偶极；
一第二磁性层，其由具磁性的导电材料构成，用以形成一第四磁偶极；以及
一隔离层，其由非磁性物质所构成并设置于该第一磁性层与该第二磁性层之间，其中该第一磁偶极由该第三磁偶极与该第四磁偶极所构成。

6.  如权利要求5所述的启动系统，其中该第三磁偶极的方向相异于该第四磁偶极的方向。

7.  如权利要求1所述的启动系统，其中该控制模块包含有至少一切换开关，并藉由该切换开关的切换以控制该电力供给装置输出至该启动单元的该驱动电源由哪一电源模块来提供。

8.  如权利要求7所述的启动系统，其中该多个电源模块包含有该磁性电容模块与一特定电源模块，以及该控制模块还包含有：
一电压检测器，耦接于该特定电源模块，用以检测该特定电源模块的电压以产生一检测结果，其中当该检测结果指示该特定电源模块的电压低于一电压电平时，该切换开关会选择该磁性电容模块来提供该驱动电源，以及当该检测结果指示该特定电源模块的电压不低于该电压电平时，该切换开关会选择该特定电源模块来提供该驱动电源。

9.  如权利要求7所述的启动系统，其中该多个电源模块包含有该磁性电容模块与一特定电源模块，以及该控制模块还包含有：
一环境温度检测器，用以检测环境温度是否处于一特定温度区间以产生一检测结果，其中当该检测结果指示环境温度未处于该特定温度区间时，该切换开关会选择该磁性电容模块来提供该驱动电源，以及当该检测结果指示环境温度处于该特定温度区间时，该切换开关会选择该特定电源模块来提供该驱动电源。

10.  如权利要求7所述的启动系统，其中该多个电源模块包含有该磁性电容模块与一特定电源模块，以及该控制模块还包含有：
一启动状态检测器，耦接于该启动装置，用以检测该启动装置使用是否成功启动该引擎以产生一检测结果，其中当该检测结果指示该引擎并未成功启动时，该切换开关会由该特定电源模块切换至该磁性电容模块来提供该驱动电源。

说明书用以启动引擎的启动系统
技术领域
本发明涉及一种用于启动引擎的启动系统，特别是涉及利用磁性电容(magnetic capacitor)来作为启动系统中的一电源供应来源的启动系统。
背景技术
引擎为相当常见的一种利用热能转换成机械能的机械设备，而引擎在使用上通常需具备一种启动装置来引发其热能转机械能机制的发生，常见的启动装置即为俗称的火星塞。火星塞主要是通过一电源供应以启动其转换机制，而后顺利启动引擎，常见的电源供应则是一铅蓄电池。铅蓄电池在引擎顺利启动后，会通过充电装置将引擎所产生的机械能转换成电能对铅蓄电池进行充电，使得其得以被反复地使用。然而，铅蓄电池本身有其使用寿命以及漏电流的问题。这是因为铅蓄电池是利用电能转换成化学能来储存能量，充电时，有些反应相对于化学能转换成电能为不可逆，故导致铅蓄电池的使用期限耗损，另外，持续存在的漏电流会使铅蓄电池的电能持续流失，若引擎一段时间未对其充电，会导致铅蓄电池因电位能不足而无法作为启动引擎的电源来源，造成引擎无法顺利被启动。
请参考图1，图1为已知启动系统的示意图。已知启动系统501包含有：一启动装置502以及耦接于启动装置502的一电源模块504，而启动装置502又耦接于一引擎500，用以藉由一特定的操作机制启动引擎500。电源模块504提供一驱动电源给启动装置502，作为启动引擎500的操作机制的电力来源，当电源模块504因电力不足时或者因其他因素，使得电源模块504无法正常运作，以至于无法顺利提供一驱动电源至启动装置502，此时引擎500便无法被顺利启动。请注意，启动装置502如何启动引擎500的操作机制为本领域的技术人员所熟悉，在此为求说明的简洁，故不再详述此操作机希制的细节。
因此，如何解决已知铅蓄电池因电位能不足而无法启动引擎的问题便成为设计引擎启动系统上一个重要的课题。
发明内容
本发明利用了由磁性电容(magnetic capacitor)所组成的电源模块来作为供应启动系统电力的次来源，防止启动系统中已知的电源模块(例如铅蓄电池)因失效而导致引擎无法顺利被启动。由于磁性电容的特性和已知的电源模块相异甚多，因此可排除已知的电源模块因先天特性所引发的功能异常。
依据本发明的一实施例，揭示了一种用以启动一引擎的启动系统。该启动系统包含：一启动装置，耦接于该引擎，用以依据一驱动电源来启动该引擎；以及一电力供给装置，耦接于该启动装置，用以提供该驱动电源予该启动装置。该电力供给装置包含有：多个电源模块，用以分别提供多个电源，该多个电源模块中至少一电源模块为一磁性电容模块，该磁性电容模块包含至少一磁性电容，其是以电位能的形式来储存能量；以及一控制模块，耦接于该多个电源模块及该启动装置，用以自该多个电源模块中择一来提供该驱动电源予该启动装置。
由于磁性电容所构成的电源模块几乎不存在漏电流，且能够快速进行充放电，另外还具有相当高的能量储存密度，因此相当适合用来作为一种新颖的电力供应来源以取代铅蓄电池等传统电力供应来源。
附图说明
图1为已知启动系统的示意图。
图2为本发明磁性电容与其他已知能量储存媒介的比较示意图。
图3为本发明磁性电容的一实施例的结构示意图。
图4为图3所示的第一磁性电极的一实施例的结构示意图。
图5为本发明磁性电容模块的一实施例的示意图。
图6为本发明启动系统的一实施例的示意图。
图7为本发明启动系统的另一实施例的示意图。
图8为图7所示的控制模块的一实施例的示意图。
附图符号说明
  100  磁性电容
  110、120  磁性电极  130  介电层  115、125、113、117  磁偶极  112、116  磁性层  114  隔离层  200、603、707、804  磁性电容模块  500、600、701  引擎  501、601、700  启动系统  502、602、702、801  启动装置  504、604、802  电源模块  605、705、800  控制模块  606、704、805  电力供给装置  607、860  切换开关  709  铅蓄电池  720、820  电压检测器  730、830  环境检测器  740、840  启动状态检测器  850  或门
具体实施方式
本发明的主要精神在于提供一个由一个或多个磁性电容所构成的电源模块，该电源模块可于当启动系统中其它电源模块无法顺利作为电源供应来源时，作为一个备用的电源供应来源。相较于一般的电容，磁性电容可藉由于上、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源供应来源。
以下将详细介绍本发明磁性电容的原理及操作的细节。请参考图2，图2为本发明磁性电容与其他已知能量储存媒介的比较示意图。如图2所示，由于已知储能能量储存媒介(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，磁性电容除了具有可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。
请参考图3，图3为本发明磁性电容的一实施例的结构示意图。如图3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。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，并藉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(magnetic 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3中磁偶极115与125的箭头方向仅为范例说明。本领域的技术人员应可了解到磁偶极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处累积电荷而储存电位能。
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他材料。
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，称为「巨磁阻效应」(GMR)。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所谓的庞磁电容(Colossal magnetocapacitance，CMC)效应或巨磁电容(Giant magneto capacitance，GMC)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ε0εr及厚度d决定，如C=ϵ0ϵrAd.]]>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。类比于已知电容，磁性电容100的运作原理相当于藉由磁场的作用来改变介电层130的介电常数，故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，以藉由增加表面积A的方式，进一步提升磁性电容100的电容值C。
请参考图4，图4为图3所示的第一磁性电极110的一实施例的结构示意图。如图4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则包含有具有磁性的导电材料，并在磁化时，藉由不同的外加电场，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，第一磁性电极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迭，再藉由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，第二磁性电极120的结构亦可采用上述第一磁性电极110的结构，此一设计变化亦属本发明的范畴。
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工艺，故可藉由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，如此一来可以提供更有效率的储能方式，因而磁性电容可作为一个较佳的电力供应来源。
请参考图5，图5为本发明磁性电容模块200的一实施例的示意图。如前所述，在本实施例中，是利用半导体工艺于一硅基板上制作多个小尺寸的磁性电容100，并藉由适当的金属化工艺，于多个磁性电容100间形成电连接，从而构成一个包含有多个磁性电容100的磁性电容模块200，再以磁性电容模块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，磁性电容模块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，而可根据不同启动装置的电力供应需求，来调整磁性电容串联或并联的方式，以满足各种不同装置的电力供应需求。
接着，让我们进入到本发明的启动系统的解说。
图6为依据本发明启动系统601的一实施例的示意图。相较图1所示的已知启动系统501，启动系统601加入了一磁性电容模块603，做为启动系统601的备用电源供给来源，如图所示，启动系统601包含有启动装置602、控制装置605以及电力供给装置606，而电力供给装置606包含有多个电源模块，其中该多个电源模块中具有至少一电源模块为一磁性电容模块，于本实施例中，电力供给装置606包含有(但不限于)两个电源模块，分别标示为电源模块604与磁性电容模块603，其中磁性电容模块603是由多个磁性电容经串联或并联组成，而电源模块604可以是一般的铅蓄电池。启动装置602耦接于引擎600，用于启动引擎600，其中电源模块604与磁性电容模块603耦接于控制装置605，作为控制装置603提供给启动装置602，以启动引擎600所需的电力来源。电源模块604可提供一第一驱动电源，而磁性电容模块603则可提供一第二驱动电源，所以，控制装置605将会自第一驱动电源以及第二驱动电源间选择一驱动电源，并将此驱动电源输入至启动装置602，供其作为启动装置602启动引擎600所需的电力来源。控制装置605包含有一切换开关607，切换开关607可用以选择第一驱动电源或第二驱动电源作为控制装置605的电力供应来源。应注意，切换开关607有一预设状态，于该预设状态下，会先选择一驱动电源作为电力供应来源(例如电源模块604)，当切换开关进行切换时，则会选择另一驱动电源作为电力供应来源(例如磁性电容模块603)，此设置切换开关607的用意，在于当预设状态下的电源供给来源无法顺利供给驱动电源以使启动装置602成功启动引擎600时，藉由控制切换开关607，便可利用另一电源供给来源提供的驱动电源，使启动装置602得以成功启动引擎600。
然而，本发明的控制装置的实施并不限定于利用一切换开关，亦可利用一自动控制方式。请参考图7，图7是本发明启动系统的另一实施例的示意图。本实施例是利用一铅蓄电池来作为电源模块的实施范例，铅蓄电池为常见的启动装置的电力来源。图7的启动系统700耦接于一引擎701，其中启动系统700包含有：一启动装置702，耦接于引擎700，用以藉由一驱动电源的提供以启动引擎700；以及一电力供给装置704，耦接于启动装置702，用以提供该驱动电源予启动装置702，电力供给装置704包含有：一磁性电容模块707(由多个磁性电容经串联或并联组成)与一铅蓄电池709；以及一控制模块705，耦接于磁性电容模块707与铅蓄电池709及启动装置702，用以自该二电源模块(磁性电容模块707与铅蓄电池709)中择一来提供该驱动电源予启动装置702。控制模块705还包含有：一电压检测器720，耦接于铅蓄电池709，用以检测铅蓄电池709的电压以产生一检测结果，其中当该检测结果指示铅蓄电池709的电压低于一电压电平时，控制模块705会选择磁性电容模块707来提供驱动电源，若当检测结果指示铅蓄电池709的电压未低于一电压电平时，控制模块705会选择铅蓄电池709来提供驱动电源。
一般的铅蓄电池709均有漏电流的问题，而通常铅蓄电池于引擎顺利启动后，便藉由一定的能量转换机制(引擎的动能转换为电能)将铅蓄电池充电，以补充不论是因为漏电流或是提供驱动电源所消耗的电能，但若引擎于长时间未启动时，则会因为漏电流的持续发生，最后使得铅蓄电池的电压电平不足以作为一驱动电源以供启动装置使用，故电压检测器720的目的在于当上述的情形发生时，使整个启动系统701仍有应变的能力(亦即藉由磁性电容模块707来提供所需的驱动电源)。
控制模块705中的环境温度检测器730是用以检测环境温度是否处于一特定温度区间以产生一检测结果，其中当该检测结果指示环境温度未处于该特定温度区间时，控制模块705会选择磁性电容模块707来提供驱动电源，以及当该检测结果指示环境温度处于该特定温度区间时，控制模块705会选择铅蓄电池709来提供该驱动电源，如此设计的目的是在于，铅蓄电池709是以化学能方式来储存电能，当欲将化学能转换成电能释放出来时，必须处于一特定的环境温度，如此铅蓄电池709才能依此产生化学反应来提供驱动电源，故环境温度检测器730可检视当环境温度过高或过低时，不利于铅蓄电池709发生反应的状况，以及此状况发生时，使控制模块705切换驱动电源供应来源为磁性电容模块707。控制模块705中的启动状态检测器740耦接于启动装置702，用以检测启动装置702是否成功启动引擎700以产生一检测结果，其中当该检测结果指示引擎700并未成功启动时，控制模块705会由铅蓄电池709切换至磁性电容模块707来提供该驱动电源，此举的目的在于电压检测器720与环境温度检测器730的检测结果皆指示由铅蓄电池709作为驱动电源供应的来源，但引擎700仍无法被顺利启动，若纯粹仅考虑是铅蓄电池709所发生的其他无法预期的功能性失常时，藉由启动状态检测器740便可利用磁性电容模块707来供给驱动电源，排除由铅蓄电池709失常所造成的启动失败。
上述的实施例揭示了当常用的电源模块失效时，磁性电容模块可做为确保引擎可顺利启动的最终手段，也同时由于磁性电容模块所具有的特性，例如几近于零的漏电流以及较长的使用寿命，此外，磁性电容模块是利用电位能方式，而非如常见的电源供应装置(如电池)的化学能方式储能，因此可排除因环境因素而导致的电源供应装置失效等，皆与常见的电源供应装置有诸多不同，故可排除使常见的电源供应装置失效的特殊情形，作为启动系统的一个绝佳电源供应来源。
另外，关于控制模块705如何依据电压检测器720，环境温度检测器730，以及启动状态检测器740，来切换驱动电源供应的来源，于实作上有很多选择，本发明并未对此有所限制，以下提供的一实施例仅供说明之用，其他可实施的方法，本领域的技术人员于阅读完本案相关技术揭示之后便能轻易推导出来，因此在此不多做其他额外说明。
参考图8，图8所示的控制模块800包含有一电压检测器820、一环境温度检测器830以及一启动状态检测器840，其中电压检测器820耦接于一电力供给装置805中的电源模块802，而启动状态检测器840则耦接于启动装置801。电压检测器820、环境温度检测器830以及启动状态检测器840皆耦接于一或门(OR gate)850；以及或门850还耦接于一切换开关860。在电压检测器820检测到电源模块802模块的电压电平低于一预设的电压电平时，产生一逻辑讯号为1至或门850；环境温度检测器830检测到环境温度未处于该一特定温度区间时，产生一逻辑讯号为1至或门850；启动状态检测器840于启动装置801并未成功启动一引擎(未示出)时，产生一逻辑讯号为1至或门850，上述的三个检测器于其他情形则会产生出逻辑讯号为0至或门850。或门850的运算结果则传递至切换开关860，而切换开关860便会依据或门850所传入的逻辑讯号为0或1来作为切换电源模块802与磁性电容模块804的依据。由于本领域的技术人员于阅读完以上技术揭示之后可轻易得知切换开关860的运作，在此为求说明书的简洁，故不详述切换过程的细节。
请注意，以上实施例中同时于控制模块中设置有多个检测器(亦即电压检测器、环境温度检测器以及启动状态检测器)，然而，此仅作为范例说明之用，并非为本发明的限制条件，举例来说，本发明的控制模块可设置一个或多个检测器，亦即可于控制模块中设置一电压检测器、一环境温度检测器、一启动状态检测器或其组合，这些设计变化均可达到自动控制电源模块切换的目的，均属本发明的范畴。
因此，藉由本发明的启动系统引入了磁性电容做为电源模块，并利用磁性电容优于已知的电源模块的特性，因此可确保当已知电源模块发生功能异常时，磁性电容仍可能正常运作以顺利提供驱动电流以启动引擎。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。