JP5652854B2 - 電力線通信システム - Google Patents

Description

本発明は電力線通信システムに関し、特にエアギャップを介して非接触で所定の通信とエネルギーの授受を行う場合に適用して有用なものである。

電力線通信（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：ＰＬＣ）を電力線に適用すると、２本の導体で通信とエネルギー伝送を同時に行えることから、スマートグリッドを実現するインターフェイスの一つとして注目されている。また、これは交流送配電網に用いる有線通信として古くから知られている技術でもある。

ＲＪ−４５コネクタを用いた有線ＬＡＮは、代表的な通信手段であるが、一般家庭の視点に立つと、現状では電力線ほど必要とはされない屋内配線の一つであると考えられている。このため、一般家庭では配線工事の要らない無線ＬＡＮが最も普及している通信手段である。ただし、無線ＬＡＮではエネルギー伝送ができないため、結局のところ電力線が必要となり、ＰＬＣは交流配電網が存在する限り本質的な通信手段であると言える。

しかしながら、近年は直流給電やプラグインハイブリッド自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＰＨＶ）や電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃｌｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＥＶ ）に関連して非接触給電技術の開発が盛んに行われており、前述の如きＰＬＣの本質性が失われる系統事例が認められるようになってきた。

これまで、一般家庭の屋内配線には負荷のみが接続され、交流をそのまま利用したり、必要に応じて順変換（整流）したりされてきた。しかしながら、近年は太陽電池、燃料電池、ＥＶ等、負荷以外のパワーエレクトロニクス機器が接続される事例が増加し、交流配電網そのものを根本的に見直す試みがなされている。

太陽電池、燃料電池、ＥＶは、いずれも本質的な直流電源であることや、白熱電球や誘導電動機など交流をそのまま利用する家電が減少していることから、順変換回路（整流回路）を省いた直流給電が主流となると、ＰＬＣの本質性が失われる可能性がある。

さらに、安全・簡便に屋外ＥＶへエネルギー伝送できる非接触給電は、そもそも導体を介さないため、元来、有線通信であるＰＬＣとは相容れない系統となる可能性がある。

特開２００８−２３６３５５号公報

有線であればエネルギー伝送も通信も可能であるが、非接触給電の場合のように導体が接触しない場合には電力線通信ができなかった。

そこで、電力線通信の概念を拡張し、エアギャップを介して非接触で所定の通信とエネルギーの授受を行い得る新たな電力線通信システムの出現が待望されている。

本発明は、上記従来技術に鑑み、所定の電力線通信をエアギャップを介して非接触で行いつつ非接触で電力エネルギーの授受も簡易且つ適切に行い得る新たな電力線通信システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の態様は、一方側と他方側とで非接触で双方向の電気エネルギーの授受を行うよう相互に離隔して配設されている前記一方側及び他方側のコイルを有する非接触給電部と、前記各コイルにそれぞれ接続されるとともにインバータ又はコンバータとしてそれぞれ動作する一方側及び他方側の電力変換装置と、前記各電力変換装置にそれぞれ接続されて電源又は負荷となる電源／負荷と、前記一方側と前記他方側とで電場を介して非接触の電力線通信を行うようエアギャップを介し相対向させてある平板電極と、前記平板電極に、電力線を介して接続されている電力線通信用のアダプタと、前記アダプタ及び前記平板電極を介して相手側との通信を行うことにより前記相手側の機器の制御を行うよう前記少なくとも一方に配設された制御手段とを有するとともに、前記各平板電極は、前記各コイルの内周側又は外周側に配設された平行平板で構成したことを特徴とする電力線通信システムにある。

本態様によれば、一方側のコイルと他方側のコイルとの間の磁場結合により一方側と他方側との間で電力エネルギーの伝送を行わせることができる。同時に、アダプタ及び平板電極を介して比較的限定された近距離空間であるエアギャップを介した相手側との電力線通信を行うことにより相手側の機器の制御を行うことで、一方の電力変換装置をインバータとして機能させるとともに、他方の電力機器をコンバータとして機能させることができる。

この結果、電波を用いることなく、所定の通信を行うことができ、電力線通信を空間的に離隔された状態での非接触通信に適用して非接触給電との組み合わせにより実質的な非接触の電力線通信システムを構築することができる。さらに、平板電極とコイルとをほぼ同一面内に配設することができるので、スペースファクタを良好にすることができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する電力線通信システムにおいて、前記制御手段を、他方側にも配設し、他方側からも相手側の機器の制御を行うよう構成したことを特徴とする電力線通信システムにある。

本態様によれば、一方側にも他方側にも制御手段があるため、一方側から他方側の機器の制御も、他方側から一方側の機器の制御も容易且つ適正に行うことができる。

この結果、一方側も他方側も互いに対等な構成となり、冗長性を備えたシステムが実現し得る。

本発明の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様の何れか一つに記載する電力線通信システムにおいて、前記各電力変換装置は、同様のスイッチング素子と、前記スイッチング素子の電流方向に対する逆方向が順方向となるように前記スイッチング素子に並列に接続された同様のダイオードとを有する同様のスイッチングユニットを４個組み合わせ、さらに電解コンデンサにより直流電圧を安定にした前記電源／負荷の一方が供給する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路か、前記電源／負荷の他方に直流電力を供給する全波整流回路として機能するように構成したことを特徴とする電力線通信システムにある。

本態様によれば、良好な交流電圧と良好な直流電圧とを適切に得ることができる。

本発明の第４の態様は、第１乃至第３の態様の何れか一つに記載する電力線通信システムにおいて、前記各平板電極には前記電力線からの交流電力の供給を遮断するコンデンサを直列にそれぞれ接続したことを特徴とする電力線通信システムにある。

本態様によれば、電力線の商用周波数の交流を良好に遮断することができる。

本発明の第５の態様は、第１乃至第４の態様の何れか一つに記載する電力線通信システムにおいて、前記各コイルと前記各電力変換装置との間に直列にコンデンサを接続し、各コンデンサによる静電容量と前記各コイルの漏れインダクタンスとがそれぞれ等しくなるように構成したことを特徴とする電力線通信システムにある。

本態様によれば、静電容量と漏れインダクタンスとの組み合わせにより共振条件を満足させることができるので、電力エネルギーの伝送効率が最も良好なものとなる。

本発明の第６の態様は、第１乃至第５の態様の何れか一つに記載する電力線通信システムにおいて、前記平板電極は、前記電力線通信における往路の一部を形成する一対の平板電極と、復路の一部を形成する他の一対の平板電極で構成したことを特徴とする電力線通信システムにある。

本態様によれば、電力線通信における往路の非接触部分と復路の非接触部分とを何れも相対向する平板電極で構成することができるので、閉じた伝送路を容易且つ適確に構成することができる。また、非接触部分の情報の漏洩も可及的に低減し得るので、システム間の干渉等による誤制御も未然に防止することができる。

本発明によれば、元来有線通信である電力線通信の非接触化ができ、エアギャップが存在してもエネルギーと通信の授受が可能となる。さらに、通信の授受を行う範囲がエアギャップという比較的限定された近距離空間であるため、電波を用いることなく所定の通信が可能となる。

このように、本発明によれば、電波を用いることなく、所定の通信を行うことができるので、１）漏洩電波の被曝を最少にできる、２）セキュリティーが強固なものとなる、３）隣接する同様のシステムとの干渉を生起する可能性を可及的に低減し得るという効果を奏する。ちなみに、２）及び３）に関しては無線ＬＡＮの問題点として指摘されている。

この結果、本発明によれば、多方面への応用が期待されている電力線通信を空間的に離隔された状態での非接触通信に適用でき、非接触給電との組み合わせにより実質的な非接触の電力線通信システムを構築することができる。すなわち、電力の伝送及び通信を二本の導体を介して行う電力線通信の概念を非接触の態様にまで拡張することができる。

本発明の実施の形態に係る電力線通信システムの全体を示すブロック線図である。 電力変換装置の具体的な構成例を、非接触給電部とともに抽出して示すブロック線図である。 図１のＡ部（非接触給電部及び非接触通信部）を抽出してその概略をさらに具体的に示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る電力線通信システムの全体を示すブロック線図である。同図に示すように、非接触給電部１は一方側と他方側とで磁場により非接触で双方向の電気エネルギーの授受を行うよう相互に離隔して配設されている一方側及び他方側のコイル１Ａ，１Ｂを有する。

一方側及び他方側の電力変換装置２，３は各コイル１Ａ，１Ｂにそれぞれ接続されるとともに一方側がインバータとして動作される場合には他方側がコンバータとして動作される。

ここで、各コイル１Ａ，１Ｂと各電力変換装置２，３との間には直列にコンデンサＣ１，Ｃ２が接続されており、各コンデンサＣ１，Ｃ２による静電容量と各コイル１Ａ，１Ｂの漏れインダクタンスとがそれぞれ等しくなるように調整してある。このように、コンデンサＣ１，Ｃ２を設けることは本発明において必須ではないが、適切な静電容量のコンデンサＣ１，Ｃ２を設けることにより、静電容量と漏れインダクタンスとの組み合わせにより共振条件を満足させることができるので、この場合の非接触給電における電力エネルギーの伝送効率を可及的に良好なものとすることができる。

ＤＣ電源４、６は本形態においては、例えば蓄電池等の直流電源で構成してある。負荷５，７は本形態においては、例えば抵抗等の直流負荷で構成してある。ここで、ＤＣ電源４及び負荷５は何れか一方が動作されるようになっている。すなわち、リレー開閉器１９でＯＮ／ＯＦＦ制御されるリレー８，９により何れか一方が選択的に動作されるように制御される。同様に、ＤＣ電源６及び負荷７は何れか一方が動作されるようにリレー開閉器２１でＯＮ／ＯＦＦ制御されるリレー１０，１１により何れか一方が選択的に動作されるように制御される。

パルス発生器２０，２２は電力変換装置２，３にインバータ動作をさせる場合のスイッチングパルスを供給するものである。かかるパルス発生器２０，２２は何れか一方がＯＮ状態とされて電力変換装置２，３にスイッチングパルスを供給してインバータ動作を行わせる。残りのパルス発生器２２，２０はＯＦＦ状態とされる。この結果、電力変換装置３，２には何の信号も供給されないのでコンバータとして動作される。すなわち、何れか一方がスイッチングパルスによりインバータ動作される場合には他方はコンバータとして動作される。

本実施形態における平板電極（１１Ａ，１１Ｂ）、（１１Ｃ，１１Ｄ）は、一方側と他方側とで各２枚ずつがエアギャップを介して配設されており、電力線（１２Ａ，１２Ｂ）、（１３Ａ，１３Ｂ）を介してＰＬＣアダプタ１４，１５にそれぞれ接続されている。この結果、平板電極（１１Ａ，１１Ｂ）、（１１Ｃ，１１Ｄ）間にエアギャップが存在していても、電力線通信に使用される高周波帯では、これらが平行平板コンデンサとして機能し、電場を介して非接触の電力線通信を行い得る。すなわち、平板電極（１１Ａ，１１Ｂ）で電力線通信における往路の伝送路の一部がエアギャップを介して形成されるとともに、平板電極（１１Ｃ，１１Ｄ）が復路の伝送路の一部がエアギャップを介して形成されている。

本形態においては、片側２枚ずつの平板電極（１１Ａ，１１Ｃ）、（１１Ｂ，１１Ｄ）を有するので、閉じた伝送路を容易且つ適確に構成することができる。ただ、本形態のように片側２枚ずつの平板電極（１１Ａ，１１Ｃ）、（１１Ｂ，１１Ｄ）で伝送路の非接触部分を構成することは，必須ではない。一方側と他方側とにそれぞれ配設される平板電極１１Ａ，１１Ｂを相対向させるだけでもエアギャップを介しての所定の電力線通信は可能である。この場合には、電力線１２Ｂ，１３Ｂが大地に対して浮かしてあるので、電力線１２Ｂ，１３Ｂと大地との間で形成される浮遊容量が復路のコンデンサとなるからである。ただ、この場合には、形成される電場の領域が広がるので、若干の情報の漏洩は発生する。

すなわち、片側２枚ずつの平板電極（１１Ａ，１１Ｃ）、（１１Ｂ，１１Ｄ）を有する本形態によれば、閉じた伝送路を容易且つ適確に構成することができるばかりでなく、非接触部分の情報の漏洩も可及的に低減し得るので、システム間の干渉等による誤制御も未然に防止することができる。

また、本形態において、電力線１２Ａ，１３ＡにはコンデンサＣ３，Ｃ４が、また電力線１２Ｂ，１３ＢにはコンデンサＣ５，Ｃ６が、それぞれ直列に接続してあり、電力線１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂの商用周波数の交流を平板電極１１Ａ乃至１１Ｄから良好に遮断するようになっている。すなわち、万一平板電極（１１Ａ，１１Ｂ）、（１１Ｃ，１１Ｄ）同士が接触しても、平板電極（１１Ａ，１１Ｂ）、（１１Ｃ，１１Ｄ）間の電力線短絡が発生しないように構成してある。なお、コンデンサＣ３乃至Ｃ６を接続する代わりに平板電極（１１Ａ，１１Ｂ）、（１１Ｃ，１１Ｄ）の表面に絶縁性の塗料を塗布するか、または平板電極（１１Ａ，１１Ｂ）、（１１Ｃ，１１Ｄ）の各表面を絶縁部材で覆う等の対策により同様の効果を得ることができる。

ＰＬＣアダプタ１４，１５の一つの端子には制御装置としてのパソコン１７，１８が接続してある。この結果、パソコン１７，１８は、ＰＬＣアダプタ１４，１５を介して電力線通信により相手側の機器に所定の制御信号を送出することができ、かかる制御信号で相手側の機器を適宜制御することができるようになっている。ＰＬＣアダプタ１４，１５の残りの二つの端子にはＬＡＮケーブル２３，２４，２５，２６が接続されており、各ＬＡＮケーブル２３乃至２６がリレー開閉器１９，パルス発生器２０，リレー開閉器２１，パルス発生器２２にそれぞれ接続されている。かくして、パソコン１７，１８はリレー開閉器１９，２１及びパルス発生器２０，２２の動作を制御する制御装置としても機能する。

かかる制御装置として機能するパソコン１７，１８による各機器の制御は種々の態様が考えられる。具体例を挙げれば次の通りである。

例えばパソコン１７のみを用いて電力変換装置２をインバータとして動作させるとともに、電力変換装置３をコンバータとして動作させるように制御する場合には、パソコン１７でリレー開閉器１９を制御してリレー開閉器１９でリレー８を動作させることによりＤＣ電源４を電力変換装置２に接続するとともに、パルス発生器２０をＯＮする。このことによりパルス発生器２０は所定のスイッチングパルスを発生して電力変換装置２の各素子（後で詳述する）を所定のタイミングでＯＮ／ＯＦＦさせる。この結果、電力変換装置２がインバータとして動作される。

同時にパソコン１７は、ＰＬＣアダプタ１４、電力線１２Ａ、平板電極１１Ａ，１１Ｂ、電力線１３Ａ、ＰＬＣアダプタ１５、電力線１３Ｂ、平板電極１１Ｄ，１１Ｃ、電力線１２Ｂを介した非接触の電力線通信によりリレー開閉器２１の制御信号を送出する。すなわち、パソコン１７から送出された制御信号は電力線１２Ａ、平板電極１１Ａ，１１Ｂ、電力線１３Ａ，ＰＬＣアダプタ１５及びＬＡＮケーブル２５を介してリレー開閉器２１に送出される。この結果リレー開閉器２１を介してリレー１１を動作させることにより負荷７、または充電のためのＤＣ電源６が電力変換装置３に接続される。

かかる態様の制御はパソコン１８を使用すれば全く逆の態様で同様に行うことができる。

一方、上述の場合と同様に、電力変換装置２をインバータとして動作させるとともに、電力変換装置３をコンバータとして動作させる場合、パソコン１７で、上述の如き非接触の電力線通信によりパソコン１８を遠隔操作し、当該パソコン１８が自己の側のリレー開閉器２１を所定通り制御するようにしても良い。

何れにしても、パソコン１７，１８をＰＬＣアダプタ１４，１５に接続する制御装置として利用することにより非接触の電力線通信により電力変換装置２，３を制御し、コイル１Ａ，１Ｂを介した双方向の電力エネルギーの伝送を良好に行うことができる。

図２は電力変換装置の具体的な構成例を、非接触給電部とともに抽出して示すブロック線図である。本実施例に係る電力変換装置２，３は、同様のスイッチング素子と、該スイッチング素子の電流方向に対する逆方向が順方向となるように前記スイッチング素子に並列に接続された同様のダイオードとを有するスイッチングユニットＧＵ１，ＧＶ１，ＧＸ１，ＧＹ１，ＧＵ２，ＧＶ２，ＧＸ２，ＧＹ２をそれぞれ４個組み合わせてＤＣ電源４又はＤＣ電源６の一方が供給する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路か、負荷７又は負荷５、さらには、充電のためのＤＣ電源４又はＤＣ電源６に直流電力を供給する全波整流回路として機能するように構成したものである。なお、電解コンデンサＣ７，Ｃ８は平滑用のコンデンサであり、これらにより直流電圧の安定化を図っている。

かかる本実施例において電力変換装置２がインバータとして動作される際には、スイッチングユニット（ＧＵ１，ＧＹ１），および（ＧＶ１，ＧＸ１）が順次この順序で導通されて交流電流に変換され、このときコンバータとして動作される電力変換装置３がスイッチングユニット（ＧＵ２，ＧＹ２），および（ＧＶ２，ＧＸ２）のダイオードを介して順次この順序で電流を流すことにより交流電流が全波整流されて直流電流に変換される。電力変換装置２，３のインバータ、コンバータの機能を逆転させた場合には、逆の動作により同態様の電力変換が行われる。したがって、本実施例によれば、良好な交流電流と良好な直流電流を適切に得ることができる。

上記実施の形態におけるコイル１Ａ，１Ｂ及び平板電極１１Ａ，１１Ｂの構造は種々考えられるが、代表的な３種類に関し、図３に基づき、実施例１乃至実施例３として説明しておく。

図３（ａ）に示す実施例１は、磁場結合されるように相対向させたコイル１Ａ、１Ｂと電場結合されるように相対向させた平板電極（１１Ａ，１１Ｃ）、（１１Ｂ，１１Ｄ）とを独立させて別々に配設したものである。本実施例１は最も原理的な構成ではあるが、確実に非接触給電及び非接触の電力線通信を行うことができる。

図３（ｂ）に示す実施例２は、各平板電極（１１Ａ，１１Ｃ）、（１１Ｂ，１１Ｄ）を、各コイル１Ａ，１Ｂの内周側および外周側にそれぞれ配設された一対の平行平板コンデンサで構成したものである。本実施例２によれば平板電極（１１Ａ，１１Ｃ）、（１１Ｂ，１１Ｄ）とコイル１Ａ，１Ｂとをほぼ同一面内に配設することができるので、スペースファクタを良好にすることができる。

図３（ｃ）に示す実施例３は、各平板電極１１Ａ，１１Ｂを、各コイル１Ａ，１Ｂの導体を兼用させて構成したものである。本実施例３では各コイル１Ａ，１Ｂを導体の塊として等価的な平行平板が形成されていると見做すことができる。本実施例３によれば、コイル１Ａ，１Ｂを平板電極１１Ａ，１１Ｂとしても機能させることができるので、非接触部分の構造を最も簡潔にすることができる。

なお、実施例１および実施例２においては各平板電極１１Ｃ、１１Ｄを省略し、２枚の相対向する平板電極として構成することもできる。実施例３は、はじめからこの構成となる。

また、上記実施の形態においては、一方側から他方側、他方側から一方側を相互に制御し得るように、制御装置であるパソコン１７，１８を一方側及び他方側の両側にそれぞれ設けたが、これは何れか一方側のみでも成立する。本発明によれば制御装置がたとえ一方のみでも非接触の電力線通信により相手側の機器を適切に制御するように構成することが可能であるからである。

さらに、上記実施の形態において電気エネルギーの非接触での授受は電磁誘導を利用して行うように構成したが、これに限るものではない。例えば磁気共鳴等を利用した構成とすることもできる。

本発明は電力線通信システムを適用する、例えばスマートグリッド等を構築する配電線系統を有する電気事業において適用し得る。

１ 非接触給電部
１Ａ，１Ｂ コイル
２，３ 電力変換装置
４，６ 電源
５、７ 負荷
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ 平板電極
１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ 電力線
１４，１５ ＰＬＣアダプタ
１７，１８ パソコン

Claims (6)

1. 一方側と他方側とで非接触で双方向の電気エネルギーの授受を行うよう相互に離隔して配設されている前記一方側及び他方側のコイルを有する非接触給電部と、
   前記各コイルにそれぞれ接続されるとともにインバータ又はコンバータとしてそれぞれ動作する一方側及び他方側の電力変換装置と、
   前記各電力変換装置にそれぞれ接続されて電源又は負荷となる電源／負荷と、
   前記一方側と前記他方側とで電場を介して非接触の電力線通信を行うようエアギャップを介し相対向させてある平板電極と、
   前記平板電極に、電力線を介して接続されている電力線通信用のアダプタと、
   前記アダプタ及び前記平板電極を介して相手側との通信を行うことにより前記相手側の機器の制御を行うよう前記少なくとも一方に配設された制御手段とを有するとともに、
   前記各平板電極は、前記各コイルの内周側又は外周側に配設された平行平板で構成したことを特徴とする電力線通信システム。
2. 請求項１に記載する電力線通信システムにおいて、
   前記制御手段を、他方側にも配設し、他方側からも相手側の機器の制御を行うよう構成したことを特徴とする電力線通信システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載する電力線通信システムにおいて、
   前記各電力変換装置は、同様のスイッチング素子と、前記スイッチング素子の電流方向に対する逆方向が順方向となるように前記スイッチング素子に並列に接続された同様のダイオードとを有する同様のスイッチングユニットを４個組み合わせ、さらに電解コンデンサにより直流電圧を安定にした前記電源／負荷の一方が供給する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路か、前記電源／負荷の他方に直流電力を供給する全波整流回路として機能するように構成したことを特徴とする電力線通信システム。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載する電力線通信システムにおいて、
   前記各平板電極には前記電力線からの交流電力の供給を遮断するコンデンサを直列にそれぞれ接続したことを特徴とする電力線通信システム。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載する電力線通信システムにおいて、
   前記各コイルと前記各電力変換装置との間に直列にコンデンサを接続し、各コンデンサによる静電容量と前記各コイルの漏れインダクタンスとがそれぞれ等しくなるように構成したことを特徴とする電力線通信システム。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載する電力線通信システムにおいて、
   前記平板電極は、前記電力線通信における往路の一部を形成する一対の平板電極と、復路の一部を形成する他の一対の平板電極で構成したことを特徴とする電力線通信システム。

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