JP6293174B2 - パイロットワイヤでの通信 - Google Patents

Description

本願は、全般的に電気自動車に関し、更に具体的には、電気自動車に結合されるパイロットワイヤで搬送される通信に関連する。

電気自動車、即ち、１つ又は複数の電気的モーターにより推進される自動車、は大型で再充電可能なバッテリーにより電力供給される。電気自動車は、利用可能なバッテリー技術により制限され、バッテリー技術は、殆どの電気自動車に対し充電毎の範囲を制限する。電気自動車の広範な展開及び利用が実用可能となるには、家庭及び公共の場所などに、幅広く利用可能な充電ステーションがある必要がある。

電気自動車充電装置（ＥＶＳＥ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｕｐｐｌｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）は、電気自動車のための充電器及び充電ステーションを含む。ＥＶＳＥは、電気自動車が充電ステーションから引き出す電力の量を調整する。電気自動車は、ＳＡＥ Ｊ１７７２準拠コネクタなど、特殊なコネクタを用いてＥＶＳＥからのケーブルに接続される。コネクタは、電気自動車とＥＶＳＥとの間の、例えば、１２０Ｖ ＡＣライン、２４０Ｖ ＡＣライン、接地ライン、パイロットワイヤ、及び他の接続など、異なる接続に対応する多数のピンを含み得る。電気自動車がＥＶＳＥに接続されるとき、パイロットワイヤは、その電気自動車に利用可能な、及び／又はその電気自動車により引き出される、電気を調整するために用いられる。ＥＶＳＥと電気自動車との間のパイロットワイヤ上でパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号が搬送される。ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルは、電気自動車に、それが、例えば、１２０Ｖ ＡＣライン又は２４０Ｖ ＡＣラインから電力を引き出すことによって再充電すべきかどうかを示す。

ＥＶＳＥは、家庭用の配電ネットワークなどの電力線ネットワークに結合され、電力線ネットワークから電気自動車により引き出される電気を調整する。電力線通信は、データ及び通信信号を送信するために幾つかの電力線ネットワークで用いられる。電気自動車がＥＶＳＥケーブルを介して電力線ネットワークに結合されるため、電力線通信は、電気自動車と電力線ネットワーク上のモデムとの間に配路され得る。

パイロットワイヤシステムが、電気自動車充電装置（ＥＶＳＥ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）と電気自動車（ＥＶ）を結合し、ＥＶＳＥとＥＶとの間でパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を搬送するパイロットワイヤを有する。第１及び第２のモデムもパイロットワイヤに結合され、パイロットワイヤを介して通信信号を交換する。インタフェース回路が、第１のモデムをパイロットワイヤに結合する。一実施例において、インタフェース回路は、パイロットワイヤシステムの有効インピーダンスより大きいインピーダンスを有するように構成される。

別の実施例において、インタフェース回路内のラインドライバ回路が、パイロットワイヤへの注入前に通信信号を増幅する。ラインドライバ回路は、パイロットワイヤシステムの有効インピーダンスの変動に比例する量で通信信号を増幅し、この有効インピーダンス変動は、オン状態からオフ状態に変わるＰＷＭ信号により生じる。パイロットワイヤシステムの有効インピーダンスは、電気自動車充電装置インピーダンス、電気自動車インピーダンス、及びパイロットワイヤケーブルインピーダンスの組み合わせに対応し得る。

通信信号は、ＰＲＩＭＥ（電力線通信によるインテリジェント・メーターの進化：Ｐｏｗｅｒｌｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｅｔｅｒｉｎｇ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）又はＧ３規格に準拠する、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号であり得る。通信信号は、送信方法に応じて周波数偏移変調（ＦＳＫ）又は位相偏移変調（ＰＳＫ）信号であり得る。

別の実施例において、第１のモデムが、パイロットワイヤシステムに結合される。パイロットワイヤシステムは、ＰＷＭ信号を搬送するパイロットワイヤを用いてＥＶＳＥ及びＥＶを結合する。第１のモデムは、パイロットワイヤを介して通信信号を第２のモデムに転送する。インタフェース回路が、第１のモデムをパイロットワイヤに結合する。インタフェース回路は、ＰＷＭパルスがパイロットワイヤ上にあるとき、第１のモデム通信信号がパイロットワイヤに到達しないようにブロックするダイオードを含む。ダイオードは、第１のモデムに結合されるアノード、及びパイロットワイヤに結合されるカソードを含む。ダイオードは、ＰＷＭ信号がオフであるとき第１のモデム通信信号をパイロットワイヤに導通させる。

更なる実施例において、第１のモデムは、ＰＷＭ信号がオンであるかオフであるかを識別するためパイロットワイヤ上のＰＷＭ信号を監視する。第１のモデムは、ＰＷＭ信号がオフであるとき、通信信号をパイロットワイヤを介して第２のモデムに送信する。第１のモデムは、ＰＷＭ信号がオンであるとき、通信信号の送信を停止する。通信信号は、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルに一致するゼロプレフィックス（ｐｒｅｆｉｘ）を有するＯＦＤＭ信号であり得る。

例示の実施例を添付の図面を参照して説明する。

図１は、電気自動車充電装置セクション、電気自動車セクション、及びパイロットワイヤセクションを有する、パイロットワイヤ通信モデルを図示する。

図２は、電気自動車充電装置により及び送信モデムにより送信される信号を図示する。

図３は、カップリング回路を含む送信モデムを図示する。

図４は、受信モデムで受信した周波数ドメイン信号を図示する。

図５は、ＰＷＭシステムで送信モデムにより送信されるＯＦＤＭ信号のためのシミュレーション結果を図示する。

図６は、一方向カップリング回路を備えた送信モデムを有するパイロットワイヤ通信モデルを図示する。

図７は、本発明の一実施例に従ったＰＷＭ認識（ａｗａｒｅ）送信を図示する。

本発明は、多くの異なる形式に組み込まれ得、本発明に記載する例示の実施例に限定されると解釈すべきではない。

図１は、電気自動車充電装置（ＥＶＳＥ）セクション１０１、電気自動車（ＥＶ）セクション１０２、及びＥＶＳＥ１０１をＥＶ１０２に接続するパイロットワイヤセクション１０３を有する、パイロットワイヤ通信モデル１００を図示する。パイロットワイヤ１０３上でパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を用いてＥＶＳＥ１０１及びＥＶ１０２間で情報が通信される。ＥＶＳＥ１０１からＥＶ１０２に送られる情報は、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクル及び信号レベル内に含まれる。

また、送信モデム１０４が、パイロットワイヤ１０３を介して受信モデム１０５と通信する。デューティ・サイクル情報を保持するため、送信モデム１０４及び受信モデム１０５は、ＰＷＭ信号パルスが拡散し、そのため、デューティ・サイクルを変更することがないように、充分に大きなインピーダンスを有する必要がある。送信モデムからの信号は、ＰＷＭパルスに付加され得、従って、ＥＶ１０２で見られる見かけのＰＷＭ信号レベルに影響を与え得る。従って、送信モデムは、ＥＶＳＥ１０１により送信されるＰＷＭレベルを保持するため、ＰＷＭパルスの間、比較的小さな信号を注入する必要がある。

図２は、ＥＶＳＥ１０１により送信される信号及び送信モデム１０４により送信される信号を図示する。ＰＷＭ信号２０１が、ＥＶＳＥ１０１により生成され、パイロットワイヤ１０３でＥＶ１０２に送られる。ＰＷＭ信号２０１は、パルス幅２０４を有する複数のパルス２０３を含む反復期間２０２を有する。パルス２０３のための信号レベルだけでなくＰＷＭ信号２０１のデューティ・サイクルが、ＥＶ１０２に情報を搬送する。ＰＷＭ信号２０１は、ＥＶＳＥ１０１及びＥＶ１０２両方により用いられる規格に従って生成される。パルス幅２０４、パルス２０３の信号レベル、及びＰＷＭ信号２０１のデューティ・サイクルは、この規格に準拠する必要がある。送信モデム１０４によってパイロットワイヤ１０３に付加される信号は、ＰＷＭ信号の特性に影響を与えるべきではなく、或いは、ＰＷＭ信号は関連する規格に準拠していない可能性がある。

信号２０５は、送信モデム１０４により生成されるデータ信号である。一実施例において、信号２０５は、ＰＲＩＭＥ（電力線通信によるインテリジェント・メーターの進化）又はＧ３規格に対応する、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号である。他の実施例において、送信モデム１０４及び受信モデム１０５は、国際電気標準会議（ＩＥＣ）６１３３４−５−１規格に対応する拡散周波数偏移変調（Ｓ−ＦＳＫ）又は位相偏移変調（ＰＳＫ）など、異なる規格又はプロトコルを用いて通信し得る。

モデム１０４、１０５間の正常な通信のため、送信モデム１０４は、ＰＷＭ信号２０１からの干渉及びパイロットワイヤ１０３上のノイズを克服するため、充分に大きな信号レベルで信号２０５を注入すべきである。一実施例において、パイロットワイヤノイズは、１０ＭＨｚチャネルで約５００ｍＶ_ｐ−ｐノイズであり、最大送信モデム信号２０５は約６００ｍＶ_ｐ−ｐである。

送信モデム１０４は、継続的に又は選択される期間の間のいずれかで、信号２０５を送信し得る。一実施例において、送信モデム１０４は、ＰＷＭ信号２０１の状態に関係なく信号２０５を送信する。別の実施例において、送信モデム１０４は、ＰＷＭ信号２０１のオフ状態の間にのみ信号２０５を送信する。信号２０６は、パイロットワイヤ１０３上の、ＥＶ１０１により検出され得る、合わされた信号レベル２０６を図示する。信号２０６は、送信モデム１０４が、ＰＷＭ信号２０１がオンであるときを含め、常に送信された場合、生じ得る。

ＰＷＭパルス２０３の間送信モデム１０４がオンである場合、何らかの制約が必要とされ得る。特に、送信モデム１０４及び受信モデム１０５のためのカップリング回路は、モデムのパイロットワイヤ特性に対する影響を最小化する又は避けるように適合される必要があり得る。

図３は、カップリング回路３０２を含む送信モデム３０１を図示する。送信モデム３０１内で生成される信号は、ラインドライバ３０３及びカップリング回路３０２を介してパイロットワイヤ３０４に供給される。接地に対するＰＷＭ回路１００（図１）の有効インピーダンスは
である。Ｚ_ｅｆｆは、ＥＶＳＥ１０１の等価静電容量（Ｃ１＋Ｃ_Ｃ）に応じて著しく変化し得る。幾つかの実施例において、ＥＶＳＥ静電容量（Ｃ１＋Ｃ_Ｃ）値は、３００ｐＦから３１００ｐＦまで変化し得る。送信の間、送信モデム３０１は、カップリング回路３０２の静電容量Ｃ_ｔｘによって決まるインピーダンスＺ_ｔｘを有する。送信モデム１０４に対する何らかの制約が、一定のモデム信号送信の間のシステム性能を改善するように考慮され得る。

送信モデム１０４の一定のオペレーションの間ＰＷＭ回路１００の挙動が変わらないことを確実にするため、カップリング回路インピーダンスＺ_ｔｘは、インピーダンスＺ_ｅｆｆよりずっと大きい必要がある。図３に図示した例において、Ｃ_ｔｘが約１ｎＦより大きい場合、ＰＷＭパルス２０３立ち上がり時間が増大し、これはＰＷＭパルス２０３のパルス幅２０４を増加させ、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルを低減させる。この結果は許容可能ではない。というのは、それが、少なくとも部分的にデューティ・サイクルにより表わされる、ＰＷＭ信号で搬送される情報を変える恐れがあるためである。第１の制約は、カップリング回路３０２がＰＷＭインピーダンスＺ_ｅｆｆの最大値より大きいインピーダンスＺ_ｔｘを有することを必要とすることである。

モデム及びＰＷＭシステムインピーダンスを考慮すると、受信した信号レベル（Ｓ_ｒｘ）は、送信された信号レベル（Ｓ_ｔｘ）のＺ_ｅｆｆ／（Ｚ_ｅｆｆ＋Ｚ_ｔｘ）≒Ｓ_ｔｘ×（Ｚ_ｅｆｆ／Ｚ_ｔｘ）倍に等しい。受信したＳ_ｒｘ信号は、Ｚ_ｅｆｆにほぼ線形に変化し、これは、理論的に、１０の除数だけ変化し得る。通信のため必要とされる最小信号レベルがＶ_ｍｉｎと定義されると仮定すると、第２の制約は、最悪の場合の信号変動を補償するため、入力信号Ｓ_ｔｘが１０×Ｖ_ｍｉｎまで上げられる必要があり得ることである。

図４は、受信モデム１０５（図１）で受信した周波数ドメイン信号Ｓ_ｒｘを図示する。全受信信号Ｓ_ｒｘは、送信モデム１０４により送信された信号Ｓ_ｔｘ４０１に、ＥＶＳＥ１０１により送信されたＰＷＭ信号４０２を付加し、ノイズ４０３を付加したものに等しい。図４に図示するように、ＰＷＭ信号４０２内のパルスは、有意な帯域内周波数構成要素を生成する。送信された信号Ｓ_ｔｘ４０１は７００ｍＶ_ｐ−ｐであり、ノイズ信号４０３は、１０ＭＨｚで５００ｍＶ_ｐ−ｐである。また、ＰＷＭ４０２の帯域内構成要素は、ＰＷＭパルス２０３の各遷移の間大きな帯域内インパルス性ノイズを生じさせる。一実施例において、帯域内信号対ＡＷＧＮノイズ比は約１３ｄＢである。図４に図示するように、ＰＷＭ信号４０２は、送信モデム信号４０１の一部に重なり、これは、送信モデム信号の一部の消去につながり得る。

図５は、ＰＷＭシステムで送信モデムにより送信されるＯＦＤＭ信号のためのシミュレーション結果を図示する。図示するように、フレームエラーレートは、送信電圧の増加と共に低減する。また、フレームエラーレートは、構成５０２（サンプルの１５％がＰＷＭにより消去される）に比べ、構成５０１（サンプルの１０％がＰＷＭにより消去される）のほうが良好である。エラーの主要なソースは、送信モデム信号を有するＰＷＭ帯域内構成要素である。これらのエラーは、一実施例において、ＰＷＭスパイクが生じ得、それらを消去するときを検出することにより抑制され得る。一実施例において、１５％消去が予測され、そのため、図５の例において約１ｂ／ｓ／Ｈｚ又は約２５０ｋｂｐｓを達成するには、４００ｍＶ_ｐ−ｐ信号が必要とされ得る。

上述のように、送信モデムが、ＰＷＭ状態に関係なく又はＰＷＭ状態とは独立して動作するとき、システム性能は、各遷移の間下がる帯域内ＰＷＭハーモニクスにより制限される。ＰＷＭハーモニクスは、一実施例において、それらを検出し、遷移領域で受信した信号を消去することにより処理され得る。ＰＷＭスパイクに起因して信号の１５％が消去される場合、送信モデムは、約４００ｍＶ_ｐ−ｐ信号注入を必要とし得る。

ＰＷＭシステムに関する１つの問題は、ＰＷＭ信号が歪まないことを確実にするため、モデムトランスミッタカップリング回路インピーダンスを一層大きくする必要があることである。大きなカップリング回路インピーダンスがある場合、注入される実際の信号レベルは、パイロットワイヤ又は充電ケーブル静電容量に依存する。従って、４００ｍＶ信号注入を達成するには、送信モデムは、一層大きな信号レベルを提供する必要があり得る。この状況に対する候補となる解決策の一つは、そのモデムのための送信レベルを設定するためにレシーバフィードバックを用いることである。別の候補となる解決策は、大きな静電容量と直列の大きな抵抗（Ｒ_{ｃｏｕｐｌｅ}）を有する異なるカップリング回路を用いることである。受信レベルはＲ２／Ｒ_{ｃｏｕｐｌｅ}に依存し得る。抵抗又は送信レベルのいずれかは、レシーバ状態に従って適合され得る。

ＰＷＭシステムに関する別の問題は、他のノイズソースが、特に、ＥＶ充電器がオンであり、そのことが一層高い信号注入レベルを必要とし得るとき、性能に影響を与え得ることである。この問題に対する候補となる解決策は、ＰＷＭオン状態の間送信しないこと、一層大きな信号レベルを注入すること、又は小さなカップリング回路インピーダンスを用いることを含む。

上述の問題を考慮すると、このモデムが送信することは必ずしも実現可能ではない可能性がある。別の実施例において、送信モデムは、ＰＷＭオフ状態の間のみ送信する。第１の変形において、モデムトランスミッタは、ＰＷＭ状態を認識（ａｗａｒｅ）しないが、その代わりに、信号がブロックされるためのカップリング回路設計に依存する。第２の変形において、モデムトランスミッタは、ＰＷＭ状態を認識しており、ＰＷＭオン状態の間送信しない。これらの変形のいずれの場合も、送信モデムは、通信を可能にするためにＰＷＭオフ状態の間充分な信号を注入し得る。従って、パイロットワイヤでの通信は、適切なモデム設計で実現可能である。

図６は、一方向カップリング回路を備えた送信モデム６０４を有するパイロットワイヤ通信モデル６００を図示する。電気自動車充電装置（ＥＶＳＥ）６０１は、パイロットワイヤ６０３で電気自動車（ＥＶ）６０２と通信する。パイロットワイヤ６０３上のＰＷＭ信号を用いてＥＶＳＥ６０１及びＥＶ６０２間で情報が通信される。送信モデム６０４及び受信モデム６０５も、例えば、ＯＦＤＭ又はＳ−ＦＳＫ信号を用いて、パイロットワイヤ６０３で通信する。

送信モデム６０４は、送信ダイオードＤ_ｔｘを介してパイロットワイヤ６０３に結合される。ＰＷＭ信号がオンであるとき、ダイオードＤ_ｔｘの上側は、下側より高い電圧にあり、従って、ダイオードＤｔｘは導通しない。ダイオードＤ_ｔｘが逆バイアスされるときＰＷＭ信号は高インピーダンスとなる。従って、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルは、送信モデム６０４により影響を受けないレベルである。しかし、ダイオードＤ_ｔｘが非導通状態にある場合、モデム６０４からの送信信号はブロックされる。ＰＷＭ信号がオフであるとき、ダイオードＤ_ｔｘは、送信モデム６０４からの信号を導通させる。モデム送信信号はＰＷＭ信号がオフであるときのみ注入されるため、モデム送信信号は、ＰＷＭ信号を歪ませることなく１〜２Ｖ_ｐ−ｐであり得る。従って、この構成で高データレートが可能となる。

図７は、本発明の一実施例に従ったＰＷＭ認識（ａｗａｒｅ）送信７０１を図示する。送信モデム及び受信モデムは、ＰＷＭ信号７０２に同期する。送信モデムは、ＰＷＭパルス７０３の終わりを検出し、ＰＷＭがオフである間送信する。受信モデムもＰＷＭパルス７０３の終わりを検出し、受信した信号を処理し始める。同期された受信モデムは、ＰＷＭオン状態の間、受信した信号を無視し得る。

一実施例において、１ｍｓのＯＦＤＭシンボル期間が用いられる。サイクリック・プレフィックスの代わりにゼロプレフィックスを用いることができ、これは、ＰＷＭデューティ・サイクルに一致し得る。図７に示す送信図は、ＰＷＭ信号からの干渉を避ける。ＰＷＭ信号がオフ状態にある間、白色雑音がエラーの唯一のソースである。また、送信モデムは、ＰＷＭオン状態の間、小さなインピーダンスを有するカップリング回路を用い得る。

上述のように、パイロットワイヤ上の通信を形成する２つの一般的な方法がある。第１の方法において、モデムは、ＰＷＭ状態とは関係なく継続的に送信する。一実施例において、ＰＷＭオン状態の間、送信モデムは、大きな送信カップリング回路インピーダンスを用い、これは、結果として生じる、受信モデムでの信号レベルの変動となる。信頼性の高い通信を達成するため、送信モデムは、大きな信号注入レベル又は適合のためのレシーバフィードバックを必要とし得る。電流ノイズを仮定した場合、送信モデムは、約４００ｍＶ_ｐ−ｐの送信信号を必要とすると推定される。

第２の方法において、モデムは、ＰＷＭオフ状態の間にのみ送信する。これは、カップリング回路ブロッキングとトランスミッタ同期を含む、少なくとも２つの方式で達成され得る。一実施例において、同期された送信は、カップリング回路ブロッキングより良好に作動するが、ＰＷＭオン状態を識別するために一層多くのモデム処理を必要とし得る。

当業者であれば、他の実施例及び変形が本発明の特許請求の範囲内で可能であること、また、簡潔さ或いは平易さのため、特徴又は工程は、例示の実施例の文脈で説明したような特徴又は工程のすべて又はその幾つかを有する例示の実施例の文脈で説明したが、説明した一つ又は複数の特徴又は工程の異なる組み合わせを有する実施例も本明細書に包含されることが理解されるであろう。

Claims (8)

1. パイロットワイヤシステムに結合され、パイロットワイヤを介して通信信号を第２のモデムに転送する第１のモデムであって、前記パイロットワイヤシステムが、電気自動車充電装置と電気自動車を結合し、かつパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を搬送するパイロットワイヤを有する、前記第１のモデムと、
   前記第１のモデムを前記パイロットワイヤに結合するインタフェース回路であって、前記パイロットワイヤシステムの有効インピーダンスより大きいインピーダンスを有し、前記有効インピーダンスが、電気自動車充電装置インピーダンスと電気自動車インピーダンスとパイロットワイヤケーブルインピーダンスとの合成インピーダンスに対応する、前記インタフェース回路と、
   を含む、回路。
2. 請求項１に記載の回路であって、
   前記通信信号が直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号である、回路。
3. 請求項２に記載の回路であって、
   前記ＯＦＤＭ信号が、ＰＲＩＭＥ（Ｐｏｗｅｒｌｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｅｔｅｒｉｎｇ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）又はＧ３規格に準拠する、回路。
4. パイロットワイヤシステムに結合され、パイロットワイヤを介して通信信号を第２のモデムに転送する第１のモデムであって、前記パイロットワイヤシステムが、電気自動車充電装置と電気自動車を結合し、かつパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を搬送するパイロットワイヤを有する、前記第１のモデムと、
   前記第１のモデムを前記パイロットワイヤに結合するインタフェース回路であって、前記パイロットワイヤシステムの有効インピーダンスより大きいインピーダンスを有する、前記インタフェース回路と、
   前記インタフェース回路内のラインドライバ回路であって、前記通信信号の前記パイロットワイヤへの注入前に前記第１のモデムからの前記通信信号を増幅する前記ラインドライバ回路と、
   を含む、回路。
5. 請求項４に記載の回路であって、
   前記インターフェース回路のインピーダンスが前記パイロットワイヤシステムの前記有効インピーダンスの最大値よりも大きく、
   前記第２のモデムでの受信信号が前記パイロットワイヤシステムの前記有効インピーダンスに線形に変化するように、前記ラインドライバ回路が前記通信信号を増幅する、回路。
6. 請求項５に記載の回路であって、
   前記パイロットワイヤシステムの前記有効インピーダンスの変動が、オン状態からオフ状態に変わる前記ＰＷＭ信号により生じる、回路。
7. 請求項４に記載の回路であって、
   前記通信信号が直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）信号である、回路。
8. 請求項７に記載の回路であって、
   前記ＯＦＤＭ信号が、ＰＲＩＭＥ（Ｐｏｗｅｒｌｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｅｔｅｒｉｎｇ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）又はＧ３規格に準拠する、回路。