JP6059102B2 - 給電システム - Google Patents

Description

本発明は、給電線から端末への給電を非接触で行う給電システムに関する。

従来、給電線に交流信号を重畳し、給電線側に設けた一次コイルと端末側に設けた二次コイルを用いて、非接触で端末への給電を行う給電システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

国際公開ＷＯ２００７／０２９４３８号

ところで、給電線に重畳する交流信号の周波数を低くすると、コイルの体格を大きくする必要があるため、装置を小型化するには周波数を高くする必要がある。しかし、交流信号の周波数を高くすることによって、交流信号の波長が、給電線の線路長の数倍程度より小さくなると、給電線上での電流分布が不均一となり、給電線上に給電効率が大きく低下する箇所が発生するという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するために、給電線の位置によらず効率のよい給電を実現する小型の給電システムを提供することを目的とする。

本発明の給電システムは、給電線と、給電部と、一つ以上の電気長切替部と、制御部とを備える。
給電線は、バス状に形成され、電力を消費する機器に対して電磁誘導を利用して給電する給電点を有する。給電部は、予め設定された給電周波数を有する交流信号を給電線に供給する。電気長切替部は、給電線に接続されたインダクタ、該インダクタを迂回する迂回線路、該迂回線路を断続するスイッチを有する。制御部は、給電線の電気長が周期的に切り替わるように電気長切替部を構成するスイッチの状態を制御する。

このような構成によれば、制御部がスイッチをオンオフ制御することによって、給電線にインダクタを接続した状態と、給電線からインダクタを切り離した状態とに設定することができ、これにより、スイッチの状態に応じて給電線の電気長が変化する。

その結果、スイッチの状態に応じて、給電線上の電流分布、ひいては、給電効率が大きく低下する電流分布の節にあたる箇所が変化する。従って、制御部によってスイッチの状態を適宜切り替えることによって、給電線上の全ての箇所にて効率のよい給電を実現することができる。また、給電周波数を高い周波数（波長が線路長の数倍程度以下となるような周波数）に設定することができるため、給電点に形成するコイルや給電対象の機器に設けるコイル、ひいてはシステムを小型化することができる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態の車載電力線通信システムの全体構成図である。 （ａ）がマスタノードからスレーブノードへの電力伝達特性の測定に使用したシステム構成を示す説明図、（ｂ）が測定結果を示すグラフである。 （ａ）が給電線上の電流分布の測定に使用したシステム構成を示す説明図、（ｂ）が測定結果を示すグラフである。 第２実施形態の車載電力線通信システムの全体構成図である。 第３実施形態の車載電力線通信システムの全体構成図である。 第４実施形態の車載電力線通信システムの全体構成図である。 第５実施形態の車載電力線通信システムの全体構成図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
＜全体構成＞
本発明が適用された車載電力線通信システム１は、図１に示すように、ツイストペア線で構成されたバス状の給電線（電力線）２と、給電線２に直接接続され、給電線に電力を供給する機能を有するマスタノード３と、結合部４を介して給電線２に非接触で結合され、給電線２を介した非接触給電によって動作する複数のスレーブノード５と、給電線２に接続された電気長切替部６とを備える。そして、マスタノード３およびスレーブノード５は、給電線２を伝送媒体とするマスタスレーブ通信を実行する。

なお、給電線２を介した給電には、予め設定された周波数（以下「給電周波数」という）を有する交流信号である給電信号ＰＳを使用し、通信には、予め設定された周波数（以下「通信周波数」という）を有する交流信号である通信信号ＣＭを使用する。

但し、通信信号ＣＭは、給電信号ＰＳを搬送波として変調した信号（即ち、給電信号ＰＳと通信信号ＣＭが同じ）であってもよいし、給電信号ＰＳとは異なる周波数（「給電周波数」≠「通信周波数」）の搬送波を変調したものであってもよい。

＜結合部＞
結合部４は、給電線側結合部（給電点）４１とノード側結合部４２とで構成され、電磁誘導を利用して給電周波数および通信周波数の信号を相互に伝達するように構成された周知のものである。

例えば、給電線側結合部４１は、給電線２を構成するツイストペア線の撚りの一部をほどくことで形成されインダクタとして作用するリング状の部位からなる。一方、ノード側結合部４２は、スレーブノード５と一体に構成され、給電線側結合部４１の上記リング状の部位に対向して配置される渦巻き状に形成されたインダクタからなる。

＜電気長切替部＞
電気長切替部６は、給電線２の終端に設けられており、インダクタ６１，スイッチ６２，コンデンサ６３を備える。

インダクタ６１は、給電線２を構成する一対の信号線（往路／復路）の間に挿入されている。スイッチ６２は、インダクタ６１の両端を接続する迂回線路を導通遮断するように接続されている。コンデンサ６３は、給電線２の一方の信号線に挿入され、給電線２に重畳される直流信号（即ち、後述する第２制御信号Ｃ２）をカットし、交流信号（即ち、給電信号ＰＳ／通信信号ＣＳ）のみをインダクタ６１やスイッチ６２が設けられた迂回線路に供給する。そして、スイッチ６２は、コンデンサ６３の給電線２側端で抽出される直流信号の信号レベルに従って、オンオフ状態が制御されるように接続されている。

つまり、スイッチ６２がオフ状態の時に、給電線２にインダクタ６１が挿入された状態となり、スイッチ６２がオン状態の時に、給電線２にインダクタ６１が挿入されていない状態となる。

＜スレーブノード＞
スレーブノード５は、受電回路５１と、通信回路５２とを備える。
受電回路５１は、結合部４を介して取り込んだ給電信号ＰＳを整流，平滑化することで、自スレーブノード５各部を駆動するための定電圧の電源出力を生成する。

通信回路５２は、受電回路５１からの電源出力がある場合に動作し、結合部４を介してマスタノード３との間で通信信号ＣＭを送受信することによりマスタスレーブ通信を実行する。

＜マスタノード＞
マスタノード３は、給電回路３１と、通信回路３２と、電気長切替回路３３と、制御回路３４とを備える。

給電回路３１は、給電信号ＰＳを生成して給電線２に供給する。通信回路３２は、搬送波を変調した通信信号ＣＭをスレーブノード５との間で送受信することによりマスタスレーブ通信を実行する。

電気長切替回路３３は、給電回路３１から給電線２に至る経路中に直列に挿入されたインダクタ３３１と、インダクタ３３１の両端を接続する迂回線路に設けられ、迂回線路を導通，遮断するスイッチ３３２からなる。

制御回路３４は、スイッチ３３２をオンオフする第１制御信号Ｃ１、および電気長切替部６を制御するために給電線２に印加される直流信号である第２制御信号Ｃ２を生成する。ここでは、第１制御信号Ｃ１によってスイッチ３３２をオフ状態（入力端側インダクタ挿入）とし、且つ第２制御信号Ｃ２によってスイッチ６２をオン状態（終端側ショート）とする第１状態と、第１制御信号Ｃ１によってスイッチ３３２をオン状態（入力端側インダクタ非挿入）とし、且つ第２制御信号Ｃ２によってスイッチ６２をオフ状態（終端側インダクタ挿入）とする第２状態とが、周期的に切り替わるように、第１制御信号Ｃ１および第２制御信号Ｃ２を生成する。

第１状態と第２状態の切替周期は、例えば、スレーブノード５の受電回路５１が１フレーム分の信号の送受信に必要な電力を蓄えるのに必要な時間毎に切り替えることが考えられる。なお、第１状態と第２状態の切替タイミングは、給電周波数と通信周波数が異なっている場合は任意のタイミングでよく、両周波数が同じである場合は、フレームの送受信に同期して切り替える必要がある。

このように、切替周期や切替タイミングは、スレーブでの消費電力の大きさや、給電周波数、通信周波数の設定等、システムの仕様に応じて適宜設定すればよい。
＜効果＞
このように構成された車載電力線通信システム１では、給電線２を介してマスタノード３からスレーブノード５への給電を行うと共に、給電線２を介して、マスタノード３とスレーブノード５との間のマスタスレーブ通信を実行する。

但し、給電や通信に使用する交流信号の波長λと給電線２を構成するツイストペア線の往復長Ｌとの関係が、λ≦１０Ｌである場合、線路上での交流信号の電流分布が不均一となり、電流強度が最大強度の箇所と比較して３ｄＢ以上低下する箇所、即ち、給電効率が低下する箇所が存在する。

これに対して、車載電力線通信システム１では、制御回路３４が第１状態と第２状態とを切り替えて給電線２の電気長を変化させることによって、給電線２での電流分布を変化させている。これにより、給電効率が最大となる箇所や給電効率が低下する箇所も変化するため、給電線２のどの箇所でも、第１状態および第２状態の少なくとも一方では、効率のよい給電を実現することができる。

また、車載電力線通信システム１では、給電や通信に使用する交流信号の周波数を高く（即ち、波長λを小さく）設定しても、上記効果を得ることができるため、結合部４を構成するコイルとして体格の小さいものを用いることができ、システムを小型化、軽量化することができる。

＜実験＞
図２（ｂ）は、給電線２上で結合部４の位置を変化させてスレーブノード５での受信電力を測定した結果を示したものであり、給電線２の全ての箇所にて、目標値を上回っていることが確認できる。

但し、図２（ａ）に示すように、給電線２の長さを５ｍ（往復長Ｌ＝１０ｍ）、インダクタ３３１，６１のインダクタンスを２．７μＨ、給電または通信に使用する交流信号の周波数を１３．５６ＭＨｚとして測定した。

比較のため、図３（ａ）に示すように、インダクタ３３１，６１を除去する以外は同じ条件で、給電線２上の電流分布を測定した結果を、図３（ｂ）に示す。
電気長を切り替えるための構成を備えていない比較例では、給電効率が大きく低下し、実質的にスレーブノード５を接続することができない箇所が存在することがわかる。

［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明する。
本実施形態の車載電力線通信システム１ａは、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

第１実施形態では、給電線２の終端に電気長切替部６を設けている。これに対して本実施形態では、図４に示すように、給電線２を、その両端がマスタノード３ａに接続されるようにループ状に配線し、電気長切替部６を省略する代わりに、電気長切替部６に相当する構成をマスタノード３ａに追加している点で、第１実施形態とは相違する。

＜マスタノード＞
マスタノード３ａは、給電回路３１と、通信回路３２と、第１電気長切替回路３３（第１実施形態の電気長切替回路３３と同じもの）と、制御回路３４と、第２電気長切替回路３５とを備える。

第２電気長切替回路３５は、第１実施形態における電気長切替部６からコンデンサ６３を省略したものであり、第２制御信号Ｃ２を、給電線２を介することなく制御回路３４ａから直接受けるように構成されている。

＜効果＞
本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができるだけでなく、第２制御信号Ｃ２を、給電線２を介して送信する必要がないため、その分、装置構成を簡略化することができる。

［第３実施形態］
次に第３実施形態について説明する。
本実施形態の車載電力線通信システム１ｂは、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

第１実施形態では、給電線２の終端に電気長切替部６を設けている。これに対して本実施形態では、図５に示すように、電気長切替部６および第２制御信号Ｃ２の生成、送信に関する構成を省略している点で、第１実施形態とは相違する。

具体的には、給電線２の終端では、給電線２を構成する一対の信号線が短絡（終端側ショート）されている。
また、マスタノード３ｂにおいて、制御回路３４ｂは、第１制御信号Ｃ１のみを生成し、第１制御信号Ｃ１によってスイッチ３３２をオフ状態（入力端側インダクタ挿入）とする第１状態と、第１制御信号Ｃ１によってスイッチ３３２をオン状態（入力端側インダクタ非挿入）とする第２状態とを、周期的に切り替えるように構成されている。

このように構成された本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を、より簡易な構成で得ることができる。
［第４実施形態］
次に第４実施形態について説明する。

本実施形態の車載電力線通信システム１ｃは、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
第１実施形態では、マスタノード３に電気長切替回路３３を設けている。これに対して本実施形態では、図６に示すように、電気長切替回路３３、および第１制御信号Ｃ１の生成に関する構成を省略している点で、第１実施形態とは相違する。

具体的には、マスタノード３ｃにおいて、制御回路３４ｃは、第２制御信号Ｃ２のみを生成し、第２制御信号Ｃ２によってスイッチ６２をオン状態（終端側ショート）とする第１状態と、第２制御信号Ｃ２によってスイッチ６２をオフ状態（終端側インダクタ挿入）とする第２状態とを、周期的に切り替えるように構成されている。

このように構成された本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を、より簡易な構成で得ることができる。
［第５実施形態］
次に第５実施形態について説明する。

本実施形態の車載電力線通信システム１ｄは、基本的な構成は第２実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
第２実施形態では、マスタノード３ａに電気長切替回路３３を設けている。これに対して本実施形態では、図７に示すように、電気長切替回路３３、および第１制御信号Ｃ１の生成に関する構成を省略している点で、第２実施形態とは相違する。

具体的には、マスタノード３ｄにおいて、制御回路３４ｄは、第４実施形態の場合と同様に、第２制御信号Ｃ２のみを生成し、第２制御信号Ｃ２によってスイッチをオン状態（終端側ショート）とする第１状態と、第２制御信号Ｃ２によってスイッチをオフ状態（終端側インダクタ挿入）とする第２状態とを、周期的に切り替えるように構成されている。

このように構成された本実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果を、より簡易な構成で得ることができる。
［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（１）上記第１および第２実施形態では、制御回路３４は、第１状態と第２状態とを切り替えているが、第１制御信号Ｃ１および第２制御信号Ｃ２によってスイッチ３３２およびスイッチ６２をいずれもオン状態とする第３状態、いずれもオフ状態とする第４状態を加えた四つの状態のうち、任意の二つ以上の状態を使用するように構成してもよい。

（２）上記実施形態では、給電線２の入力端または終端に、給電線２の電気長を変化させるための構成を設けているが、これらの構成は給電線２のどこに設けてもよく、特に、給電線上の電流分布の腹にあたる箇所に設けることによって、電気長を効率良く変化させることができる。

（３）上記実施形態では、交流信号による給電および通信をいずれも実施する電力線通信システムに適用した例を示したが、交流信号による非接触給電のみを行う給電システムに適用してもよい。

（４）上記実施形態では、車載電力線通信システムに本発明を適用しているが、これに限るものではなく、給電や通信に用いる交流信号の波長λと、給電線の往復線路長Ｌとの関係がλ≦１０Ｌを満たすように設定されたシステムであれば効果を得ることができる。

（５）本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を他の実施形態の構成に対して負荷、置換等してもよい。

１，１ａ〜１ｄ…車載電力線通信システム ２…給電線 ３，３ａ〜３ｄ…マスタノード ４…結合部 ５…スレーブノード ６…電気長切替部 ３１…給電回路 ３２…通信回路 ３３…電気長切替回路（第１電気長切替回路） ３３…電気長切替回路 ３４，３４ａ〜３４ｄ…制御回路 ３５…第２電気長切替回路 ４１…給電線側結合部 ４２…ノード側結合部 ５１…受電回路 ５２…通信回路 ６１，３３１…インダクタ ６２，３３２…スイッチ ６３…コンデンサ

Claims (10)

1. バス状に形成され、電力を消費する機器（５）に対して電磁誘導を利用して給電する給電点（４１）を有する給電線（２）と、
   予め設定された給電周波数を有する交流信号を前記給電線に供給する給電部（３１）と、
   前記給電線に接続されたインダクタ（６１，３３１）、該インダクタを迂回する迂回線路、該迂回線路を断続するスイッチ（６２，３３２）を有する一つ以上の電気長切替部（６，３３，３５）と、
   前記給電線の電気長が周期的に切り替わるように前記電気長切替部を構成するスイッチの状態を制御する制御部（３４，３４ａ〜３４ｄ）と、
   を備えることを特徴とする給電システム。
2. 前記制御部と前記電気長切替部とは、前記給電線上の異なる箇所に設けられ、
   前記制御部は、前記スイッチの状態を制御する信号として、直流信号を前記給電線に重畳し、
   前記電気長切替部は、前記迂回線路によって迂回の対象となる線路に、前記インダクタと直列接続されたコンデンサ（６３）を備え、前記スイッチを、前記給電線に重畳された直流信号の信号レベルによってオンオフ制御することを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
3. 前記電気長切替部を複数備え、
   前記制御部は、前記電気長切替部毎に、前記スイッチの状態を個別に制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給電システム。
4. 前記電気長切替部（３３）を、前記給電部が接続された前記給電線の入力端に設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の給電システム。
5. 前記電気長切替部（６，３５）を、前記給電線の終端に設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の給電システム。
6. 前記電気長切替部を、前記スイッチがオン状態の時に前記給電線に生じる電流分布の腹にあたる箇所に設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の給電システム。
7. 前記給電線の線路長は、前記交流信号の波長の１／１０以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の給電システム。
8. 前記給電線は、ツイストペア線からなることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の給電システム。
9. 前記給電線を介して前記機器との通信を行う通信回路（３２）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の給電システム。
10. 車両に搭載されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の給電システム。