JP6965286B2 - 無線電気エネルギー計測装置及び電気エネルギー計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電気伝導体（導電体）を流れる電流に関する測定データを生成するため、その導電体と関連し、前記データを無線通信ネットワークを通して遠隔中央局に送信することを目的とした、電気エネルギー計測装置に関するものである。本発明の装置は、導電体を流れる電流による誘導によって給電されることで、電気エネルギーが自律的であるという利点を有する。

基盤のエネルギー効率を改善させる目的で電気エネルギーを管理するための解決策は、ますます普及しており、基盤の各機器によって消費される電気エネルギーを決定する必要がある。この目的のために、様々なタイプの装置が特に使用される。これらは電流を測定するため、また必要に応じて他のパラメータを決定するために、基盤の異なる地点に慎重に配置される。測定データの様々な項目は、無線通信ネットワークを介して遠隔中央局に送信される。いくつかの既知の装置は、正確な情報を収集して決定することを可能にする。しかし、ほとんどの用途において、情報の精度は決定的なものではなく、消費される電気エネルギーの単純な推定値はそれ自体が明確な関心事である。それ故に簡単で安価な装置の発展の道が開けた。したがって、これらの装置は単純な電気エネルギー計測装置である。

特許文献１は、以下を備える電気エネルギー計測装置を開示している。
−導電体を流れる一次電流から二次電流を供給するように設計された電流センサ、
−前記電流センサに接続され、前記二次電流からある量の電気エネルギーを蓄えるように設計された電気エネルギー蓄積ユニット、
−前記電気エネルギー蓄積ユニットに接続され、前記電気エネルギー蓄積ユニットの端子において電圧閾値の超過を検出するように設計された電圧閾値検出ユニット、
−前記電気エネルギー蓄積ユニットに接続された処理ユニット、
−前記処理ユニットに接続され、前記導電体を流れる電流を表すデータを含むメッセージの送信を可能にする無線データ送信機、
−前記導電体を流れる電流を表すデータを含むメッセージを送信するために、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの端子において前記電圧閾値を超えたときに前記処理ユニット及び前記送信機への電力の供給をトリガするように、前記電圧閾値検出ユニットによって制御される切り替え手段。

この後者の装置は、オペレーションが単純で負担が少なく、動作に電気エネルギーを少量しか必要としないという利点を有する。

他の無線電気エネルギー自律型エネルギー計測装置は、特許文献２又は特許文献３から、同様に知られている。

これらの文献に開示されている装置は、局所的に存在し、より多くの遠隔局にメッセージを送信することを許可しない中央局向けのメッセージを送信するように適応されている。これは、例えばＬＰＷＡＮ（低電力広域ネットワーク）タイプの長距離低ビットレート通信ネットワークを介し、ＬｏＲａＷＡＮ（長距離広域ネットワーク）のようなプロトコル、あるいはＳｉｇＦｏｘやＱｏｗｉｓｉｏによって開発されたプロトコルに基づく。

欧州特許出願公開第２３５４７９９号明細書 国際公開第２００８／１４２４２５号 国際公開第２０１０／１１９３３２号

本発明の目的は、簡単な電気エネルギー計測の解決を維持することを可能にしながら、上記のような低ビットレートの長距離セルラネットワーク上でメッセージを送信することができる電気エネルギー計測装置を提案することである。

この目的は、以下を備える無線電気エネルギー計測装置によって達成される。
−導電体を流れる一次電流から二次電流を供給するように設計された電流センサ、
−前記電流センサに接続され、前記二次電流からある量の電気エネルギーを蓄えるように設計された一次電気エネルギー蓄積ユニット、
−前記一次電気エネルギー蓄積ユニットに接続され、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの端子において電圧閾値の超過を検出するように設計された電圧閾値検出ユニット、
−前記一次電気エネルギー蓄積ユニットに接続された処理ユニット、
−前記電圧閾値検出ユニットによって制御され、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの端子において前記電圧閾値を超えたときに前記処理ユニットへの電力の供給をトリガするように構成された第一切り換え手段、
−前記処理ユニットに接続され、前記導電体に流れる電流を表すデータを含むメッセージを送信するように構成された第一無線データ送信機、
−前記一次電気エネルギー蓄積ユニットに接続された二次電気エネルギー蓄積ユニット、
−前記二次電気エネルギー蓄積ユニットの端子において電圧を測定する測定ユニット、
−前記処理ユニットによって制御され、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットから前記二次電気エネルギー蓄積ユニットへのエネルギーの転送をトリガし、前記導電体を流れる電流を表すデータを含むメッセージを送信することを目的として、前記測定ユニットによって前記二次電気エネルギー蓄積ユニットの端子において測定された電圧が閾値を超えたときに前記第一無線データ送信機への電力の供給をトリガするように構成された、第二切り換え手段。

１つの特徴として、前記処理ユニットは、マイクロプロセッサと、不揮発性メモリを備え、そのマイクロプロセッサは、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの各充電サイクルの完了時にエネルギーメータ（エネルギーメータ値）を増加させるように設計されている。

特定の実施形態によれば、前記装置は前記処理ユニットに接続された第二無線データ送信機を備え、前記マイクロプロセッサは、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの充電サイクルの完了時に前記第二無線データ送信機を使用してメッセージ送信の指示をするように設計されている。

有利には、この第二無線データ送信機は、Ｚｉｇｂｅｅ、ＺｉｇＢｅｅ Ｇｒｅｅｎ Ｐｏｗｅｒ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標。以下同様。）、「Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ」、Ｗｉ−Ｆｉのいずれかから選択された近距離ネットワーク上で動作するように設計されている。

有利には、前記第一無線データ送信機は、ＬＰＷＡＮタイプの長距離ネットワーク上で動作するように設計されている。

本発明によると、長距離ネットワーク上でのメッセージの送信はかなりの量のエネルギーを必要とし、消費された電気エネルギーを計測するために簡単で信頼できる解決策を維持する必要がある。前記一次電気エネルギー蓄積ユニットは、長距離ネットワーク上でメッセージを送信するのに必要なエネルギーを供給するのに十分ではない。しかし、消費された電気エネルギーの簡単な計測を行うことが依然として求められている。本発明の装置は、電気エネルギーを自律的に維持しなければならない、すなわちこのタイプの電池もしくは別のエネルギー源を使用してはならないので、長距離ネットワークでメッセージを送信するために、十分な量のエネルギーを蓄えることを可能にする解決策が見出される必要がある。したがって、本発明の解決策は、各サイクル中の前記一次電気エネルギー蓄積ユニットに蓄積されたエネルギーから二次蓄積ユニットの中でメッセージを送信するために必要なエネルギーを徐々に蓄えることを含む。

したがって、本発明は、長距離ネットワーク上でのメッセージの送信を可能にし、完全自律型の装置を維持しつつ、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットを使用して電気エネルギーを計測するための簡単な解決策を維持することを可能にする。

望ましくは、本発明の装置は、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットに接続され、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットを放電するために前記処理ユニットによって制御される放電ユニットを備える。

有利には、前記処理ユニットは、持続期間を表すデータ項目を決定するように設計されている。

有利には、持続期間を表すデータ項目は、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの充電サイクルの数のメータ（メータ値）に対応する。

異なる実施形態によれば、前記装置は持続期間を表す前記データ項目を決定させるクロックを備える。

好ましくは、前記二次電気エネルギー蓄積ユニットは、少なくとも１つのスーパーキャパシタを備える。

別の特徴によれば、前記装置は、前記電流センサに接続され、前記電流センサによって発生した二次電流を整流することを目的とする整流回路を備える。

有利には、前記装置は、前記処理ユニットのメモリに接続された近距離通信回路を備える。

本発明はまた、上記のような装置を使用して実施される電気エネルギー計測方法にも関連し、その方法は以下のステップを含む。
−二次電流からある量の電気エネルギーを蓄えるため前記一次電気エネルギー蓄積ユニットを充電し、
−前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの端子における電圧が所定の閾値に達すると、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットから前記二次電気エネルギー蓄積ユニットに電気エネルギーを転送し、
−持続期間を表すデータ項目が閾値に達したとき、及び前記二次電気エネルギー蓄積ユニットの端子における電圧が所定の閾値を超えたとき、前記第一無線データ送信機を使用してメッセージを送信する。

１つの特徴として、持続期間を表すデータ項目は、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの充電サイクルの数のメータ値に対応する。

特定の異なる実施形態によれば、持続期間を表すデータ項目はクロックを使用して決定された経過期間に対応する。

好ましくは、本方法は、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットから前記二次電気エネルギー蓄積ユニットへエネルギーを転送するステップあるいはメッセージを送信するステッ
プの後に実施される、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットを放電するステップを含む。

さらなる特徴及び利点は、添付の図面を参照して提供される以下の詳細な説明から明らかになるだろう。

本発明の電気エネルギー計測装置の第一の実施形態を概略的に示す図である。 図１の電気エネルギー計測装置の動作概要を示す図である。 図１の電気エネルギー計測装置の動作原理を表す２つのタイミングのうち１つのタイミング図である。 図１の電気エネルギー計測装置の動作原理を表す２つのタイミングのうちもう１つのタイミング図である。 本発明の電気エネルギー計測装置の第二の実施形態を概略的に示す図である。 図４の電気エネルギー計測装置の動作概要を示す図である。 図４で示された電気エネルギー計測装置に対する改良を概略的に示す図である。 図６の電気エネルギー計測装置の動作概要を示す図である。 図６で示された電気エネルギー計測装置の異なる実施形態を示す図である。

少なくとも１つの実施形態の詳細な説明
説明の残りの部分を通して以下のことが言える。
−短距離は、数十メートルから３００メートルと理解されている。例：ＺｉｇＢｅｅ、ＺｉｇＢｅｅ Ｇｒｅｅｎ Ｐｏｗｅｒ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＢＬＥ（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ）、Ｗｉ−Ｆｉなど。
−長距離は、数キロメートルと理解されている。特に、これは、例えばＬｏＲａやＳｉｇＦｏｘタイプのネットワークを含むＬＰＷＡＮ技術に関係があるだろう。

本発明は、例えば電力系統（「スマートグリッド」又は「スマートシティ」タイプ）の電気エネルギーを管理するための中央局を対象とした、メッセージの送信を可能にすることを目的とし、無線通信ネットワークを介して動作する電気エネルギー計測装置に関連している。好ましくは、通信ネットワークは、ＬＰＷＡＮ（低電力広域ネットワーク）タイプの長距離低ビットレートの通信ネットワークであり、ＬｏＲａＷＡＮ（長距離広域ネットワーク）のようなプロトコルや、ＳｉｇＦｏｘあるいはＱｏｗｉｓｉｏによって開発されたプロトコルに基づく。

本発明の電気エネルギー計測装置は、例えば、導電体２０上に配置または固定され、その導電体を流れる交流電流に関する測定データの決定を可能にするケーシングの形態である。好ましくは、本発明の装置は、導電体２０を流れる電流によって給電される機器が消費する電気エネルギーの計測を可能にする。それにより、電気エネルギーメータ値（エネルギー指標）及びＣＯ、ＣＯ２、温度、加速度、圧力などのような他のデータの送信が可能になる。

ＲＴＣのタイプのクロックが存在するとき、以下に説明する実施形態の一つにおいて提案されているように、その装置は測定された電流を表す他のデータを送信することができる。上記他のデータは、特に次のようなデータである。
−導電体２０を流れる平均電流の実効値、
−所定の測定期間にわたって導電体２０を流れる最小電流の実効値、
−所定の測定期間にわたってその導電体を流れる最大電流の実効値、
−電流障害（過電流に続いて電流のゼロ交差）の存在。

説明の残りの部分を通して、監視されている導電体を流れる電流に対応する電気エネルギーを計測するための装置について説明する。

一般に、本発明の装置は以下の幅広い原理に従って動作する。
−本発明の装置は、例えば電流Ｉｐが流れる電気機器のアイテムに電力を供給するため、導電体２０上に配置される。
−本発明の装置は、導電体２０を流れる電流Ｉｐから生じる誘導電流Ｉｓによって自己給電される。
−上記装置は、上記誘導電流によって給電され、それが十分な電気エネルギーを含むとき、処理ユニットＵＣへの電力の供給を可能にする、一次電気エネルギー蓄積ユニット３０を備える。
−上記装置は、処理ユニットＵＣの指示による送信を介して、一次蓄積ユニット３０によって給電される二次電気エネルギー蓄積ユニット３１を備える。
−上記装置は、二次蓄積ユニット３１に十分な電気エネルギーがある場合、前述の通信ネットワーク上でメッセージを送信するために、二次蓄積ユニット３１によって給電される送信機４０を備える。

図１を参照すると、第一の実施形態によれば、本発明の電気エネルギー計測装置は、導電体２０を流れる電流Ｉｐを表す二次電流Ｉｓを供給する電流センサ２１を備える。この電流センサ２１は、それ故、より具体的には、電流測定が望まれる導電体２０が横切ることを意図したトーラス２００の形態のコアを備える。上記トーラス２００の周りに巻線２１０が作られる。上記トーラスはオープンであることが好ましく、それにより導電体２０の周囲に配置されることが可能になる。電流センサ２１が導電体２０上にあるとき、導電体２０は、変流器の一次側を形成し、巻線２１０は上記変流器の二次側を形成する。このアーキテクチャにより、変流器の二次側を流れる電流Ｉｓは、変流器の一次側を流れる電流Ｉｐの形をしている。

本発明の装置はまた、そのケーシング内にある、上述の二次巻線２１０の２本のワイヤに直接接続されている電子回路を備える。

その電子回路は、好ましくは、二次電流Ｉｓを整流するように意図された整流器２２を備える。整流器２２は、例えば、変流器の二次巻線２１０の第一端子に接続されたダイオード又はダイオードのブリッジによって形成される。また、それは、変流器の二次巻線２１０の２つの端子間に接続されたダイオードのブリッジによって形成されることもできる。

上記電子回路は、整流器２２と変流器の二次巻線の第二端子とに接続された一次電気エネルギー蓄積ユニット３０を備える。このユニットは、少なくとも１つの、決定された電気容量を有するコンデンサＭＣを備える。

その電子回路はまた、上記コンデンサと並列に接続され、ＭＣ＿Ｖ＿ＴＨで表される決定された閾値のコンデンサＭＣの端子においてＭＣ＿Ｖで示される電圧の超過を検出することを意図する電圧閾値検出ユニット３２を備える。

その電子回路は、上記コンデンサＭＣの端子において電圧閾値ＭＣ＿Ｖ＿ＴＨを超えたとき、検出ユニット３２によって制御される第一切り替え手段Ｔｙを備える。これらの第一切り替え手段Ｔｙには、例えばサイリスタがあり、そのゲートは検出ユニット３２の出力に接続されている。

その電子回路は、一次蓄積ユニット３０、より具体的に言うと整流器２２と一次蓄積ユニット３０の間の接続点Ｘと、例えばグランドなどの電圧基準と、に接続された二次電気エネルギー蓄積ユニット３１を備える。二次蓄積ユニット３１は、有利には、例えば二重層タイプ（ＥＤＬＣ／電気二重層コンデンサ）などのスーパーキャパシタＳＣを備える。しかし、変形例もしくは追加として、電池（バッテリ）を組み込むことができる。

その電子回路は、二次蓄積ユニット３１の端子における、ＳＣ＿Ｖで示される電圧を測定するユニット３４を備える。

電子回路は、少なくとも１つのマイクロプロセッサと１つの非揮発性メモリを含み、上記一次蓄積ユニットから電力を受けとるために、第一切り替え手段Ｔｙが閉じられたとき一次蓄積ユニット３０と並列に接続される処理ユニットＵＣを備える。処理ユニットＵＣは入力を含み、これにより、上記ユニット３４によって二次蓄積ユニット３１の端子で測定された電圧が印加される。一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣが充電されるたびに、マイクロプロセッサは、所定の量（以下、「エネルギー増量」と称する）だけエネルギーメータ値を増分し、それにより、消費された電気エネルギーの総量に対応するエネルギー指標（「ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｄｅｘ」と称する）を蓄える。処理ユニットＵＣの不揮発性メモリは、有利にはＦＲＡＭ（登録商標）タイプである。

その電子回路は、一次蓄積ユニット３０から二次蓄積ユニット３１へエネルギーを転送するために、処理ユニットＵＣにより制御される第二切り替え手段Ｓ２を備える。これらの第二切り替え手段Ｓ２は、例えば、一方は整流器２２との接続点Ｘで一次蓄積ユニット３０に、他方は二次蓄積ユニット３１に、というように接続されている。これは、例えばＭＯＳトランジスタ型スイッチを含み、そのゲートは上記処理ユニットの出力に接続されている。

その電子回路は、第一切り替え手段Ｔｙが上記一次蓄積ユニットによる電力供給を目的として閉じているとき、一次蓄積ユニット３０と並列に接続される無線データ送信機４０を備える。送信機４０は、上述のような無線通信ネットワーク上でメッセージを送信するために、処理ユニットＵＣによって制御される。メッセージの送信は、二次蓄積ユニット３１内の十分な量のエネルギーが利用可能なときに発生する。

その電子回路はまた、一次蓄積ユニットに並列に接続され、一次蓄積ユニットを放電するユニット３６を備える。この放電ユニットは、直列に接続された、少なくとも１つずつのスイッチＳ１と散逸抵抗Ｒ１によって形成されるアセンブリを備える。そのスイッチは、例えばトランジスタであり、そのベースは処理ユニットＵＣのマイクロプロセッサの出力に接続されている。

有利には、その電子回路はまた、例えばＮＦＣ（近距離通信）や似たタイプの近距離通信回路を備える。これは、メモリとマイクロプロセッサを備えたＮＦＣチップ５０と、例えば、ＮＦＣ技術と適切な制御アプリケーションを備えた携帯端末によって、外部からのこれに対する電力供給を可能にするＮＦＣアンテナ５１を備える。したがって、近距離リンクによって、携帯端末は、データ、特に処理ユニットのメモリに格納されている最新のエネルギーメータ値をＮＦＣチップのメモリにコピーするため、ＮＦＣチップと処理ユニットＵＣ、その内部の不揮発性メモリにも直接電力を供給することができる。ＮＦＣリンクによって、例えば以下に示される様々な閾値を設定するために、本発明の装置を構成することも可能になるだろう。

図２は、図１に示される装置のオペレーションを示す。このオペレーションは以下の通りである。
−初期電源投入時（ＩＮＩＴ）に、処理ユニットＵＣのマイクロプロセッサは次の２つのメータ（メータ値）を０に設定する。
−導電体を介して給電される機器が消費するエネルギーの総量に対応する、ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｄｅｘと示されたエネルギーメータ値。
−一次蓄積ユニットのコンデンサの充電サイクルのメータ値に対応する、Ｍｎと示されたメータ値。
−一次蓄積ユニット３０は、電流センサ２１の二次巻線に誘導され、整流器２２によって整流された二次電流によって充電される（ステップＥ０）。
−一次蓄積ユニット３０の端子における電圧が、電圧閾値検出ユニット３２で規定された電圧閾値ＭＣ＿Ｖ＿ＴＨに達すると、上記電圧閾値検出ユニットは切り替え手段Ｔｙに閉じるよう指令を出し、結果として処理ユニットＵＣに電力の供給がなされる(ステップＥ１）。
−マイクロプロセッサは、ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｄｅｘ＝ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｄｅｘ＋ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｃｒｅｍｅｎｔとなるように、所定の増分（ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｃｒｅｍｅｎｔと表記）だけエネルギーメータ値を増分させる（ステップＥ２）。
−処理ユニットＵＣのマイクロプロセッサは、Ｍｎ＝Ｍｎ＋１となるように、メータ値Ｍｎを１単位だけ増分させる（ステップＥ３）。
−マイクロプロセッサはまた、一次蓄積ユニット３０から二次蓄積ユニット３１へのエネルギーの転送を可能にするため、第二切り替え手段Ｓ２を閉じるよう指示する（ステップＥ４）。第二切り替え手段Ｓ２の導通期間は、一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣの充電時間に対して短い。導通期間が終了すると、マイクロプロセッサは第二切り替え手段Ｓ２を開くよう指示する。
−マイクロプロセッサは、ＭｎＭａｘで示される記憶された閾値と比較して、メータ値Ｍｎをテストする（ステップＥ５）。
−メータ値ＭｎがＭｎＭａｘの値に達していない場合、放電ユニット３６のスイッチＳ１を閉じることで、一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣに放電を指示し、それによってマイクロプロセッサはサイクルを終了する（ステップＥ１０）。次いで、一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣを充電することによって、マイクロプロセッサは新しいサイクルを開始することができる（ステップＥ０）。
−メータ値Ｍｎ＝ＭｎＭａｘの場合、一定の時間が経過したことと、メッセージを送信するときが到来したことを意味する。次いで、マイクロプロセッサは、二次蓄積ユニット３１で利用可能な電気エネルギーがメッセージを送信するのに十分であるかどうかを知るためにテストを実行する（ステップＥ６）。
−二次蓄積ユニット３１の端子における電圧ＳＣ＿Ｖが、ＳＣ＿Ｖ＿ＴＨで示される記憶された閾値より低い場合、マイクロプロセッサはメッセージを送信する指示を行うことができない。それはＭｎ＝Ｍｎ−１となるようにメータ値Ｍｎを１単位減少させる（ステップＥ７）。マイクロプロセッサは、放電ユニット３６のスイッチＳ１を閉じることにより、一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣに放電を指示し、それによってサイクルを終了する（ステップＥ１０）。次いで、一次蓄積ユニットのコンデンサを充電することにより、マイクロプロセッサは新しいサイクルを開始することができる（ステップＥ０）。
−二次蓄積ユニット３１の端子における電圧ＳＣ＿Ｖが、記憶された閾値ＳＣ＿Ｖ＿ＴＨより大きい場合、マイクロプロセッサはメータ値Ｍｎを０にリセットし（ステップＥ８）、メッセージを送信する指示を行う（ステップＥ９）。この目的のために、マイクロプロセッサは、
−二次蓄積ユニット３１内の利用可能な電気エネルギーを使用して送信器４０に電力を供給するために、第二切り替え手段Ｓ２を閉じるよう指示し、
−格納されたｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｄｅｘエネルギー値を表すデータを含む、送信されるべきメッセージを生成する。
このメッセージは、例えば、プリアンブル、同期データの項目、送信器デバイス又は送信元の識別子、上記エネルギーメータ値を表すデータ、及び送信終了又は制御データの項目を含む。特許文献１は、生成及び送信され得るエネルギーメッセージ構造の例を提供する。
−この構造は、生成されたメッセージを送信するように送信機４０に指示する。
−メッセージが送信されると、マイクロプロセッサは、放電ユニット３６のスイッチＳ１を閉じることによって、一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣに放電を指示することによってサイクルを終了する（ステップＥ１０）。次いで、マイクロプロセッサは、一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣを充電することによって新しいサイクルを開始することができる（ステップＥ０）。
−いつでも、携帯端末が装置の近くにあり、ＮＦＣチップ５０に電力を供給すると、不揮発性メモリ内で利用可能な最新のエネルギーメータ値をＮＦＣチップのメモリにコピーして読み出すことができる（ステップＥ３）。

例えば、以下の動作データは、利用できるようになる。
Ｉｐ＝１０Ａ、
二次巻線の巻数：３０００、
コンデンサＭＣの容量＝９４０μＦ（タンタルコンデンサ）、
スーパーキャパシタＳＣの容量＝１００ｍＦ（ＥＤＬＣタイプのコンデンサ）、
コンデンサＭＣの充電サイクルの持続期間＝１ｓ、
Ｔ（Ｓ２の導通期間）＝２ｍｓ、
ＭｎＭａｘ＝７２００（〜２時間）、
ＭＣ＿Ｖ＿ＴＨ＝２．９Ｖ、
ＳＣ＿Ｖ＿ＴＨ＝２．８Ｖ。

本発明によれば、各長いサイクルは、送信機４０がメッセージの送信を完了すると、それによってＭｎＭａｘの短いサイクルで構成される。この数ＭｎＭａｘは、例えば、上述したＮＦＣリンクを用いて装置内に設定されている。これは、機器に電力を供給する電流Ｉｐの関数として設定する必要がある。

図１及び図２に関連して上述したように図３Ａ及び３Ｂは、本発明の装置のオペレーションを示す。

図３Ａにおいて、一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣは、変流器の二次側から生じる整流電流によって充電され、電子装置、特に処理ユニットＵＣに電力が供給されることが明らかに理解される。一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣの各充放電サイクルが終了すると、蓄積されたエネルギーの一部が二次蓄積ユニット３１に転送され、二次蓄積ユニット３１の端子における電圧が徐々に上昇する。二次蓄積ユニットの端子におけるこの電圧が十分なレベル、すなわち記憶された値ＳＣ＿Ｖ＿ＴＨよりも高いレベルに達すると、その瞬間Ｔ＿ＭＳＧ１にメッセージが送られる。次に、二次蓄積ユニット３１に蓄積されたエネルギーは、（Ｔ＿ＭＳＧ１からＴ＿ＭＳＧ２へまで）メッセージを送信するために使用される。

図３Ｂにおいて、一次蓄積ユニット３０が充電されると（Ｔ１からＴ３まで及びＴ５からＴ７まで）、第一切り替え手段Ｔｙは状態１にあり、電力が電子装置に、特に処理ユニットＵＣに供給される。したがって、処理ユニットＵＣのマイクロプロセッサは、一次蓄積ユニットから二次蓄積ユニットへ（Ｔ２からＴ３まで及びＴ６からＴ７まで）エネルギーが転送されることを許容するように、第二切り替え手段Ｓ２に指示することができる。
したがって、二次蓄積ユニット３１の端子における電圧は、第二切り替え手段が閉じられると増加する。エネルギー転送が完了すると、マイクロプロセッサは、スイッチＳ１に（Ｔ３からＴ４まで）一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣを放電するように指示する。
二次蓄積ユニット３１の端子における電圧が十分なレベルに達すると（Ｔ７から）、マイクロプロセッサは、送信すべきメッセージを生成し（Ｔ７からＴ８まで）、第二切り替え手段Ｓ２に閉状態に移行させて二次蓄積ユニット３１を放電させる指示を行い（Ｔ８からＴ９まで）、これにより検出閾値より高い電圧を一次蓄積ユニット３０の端子において維持させることができ、それによって、送信機及び処理ユニットＵＣにメッセージを送信させる（Ｔ８からＴ９まで）目的で電力を供給するために、第一切り替え手段Ｔｙを閉状態に維持させることができる。続いて、マイクロプロセッサは、スイッチＳ２を開くように指示し、次にスイッチＳ１を閉じて、一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣを放電させる（Ｔ９からＴ１０まで）。

図４は、本発明の電気エネルギー計測装置の第二の実施形態を示す。この第二の実施形態では、長距離ネットワーク上の通信専用の第一送信機４０に加えて、装置は、短距離無線通信ネットワーク上でデータを送信できる第二送信機６０を備える。それは、例えば、「Ｚｉｇｂｅｅ Ｇｒｅｅｎ Ｐｏｗｅｒ」タイプの低消費プロトコルに基づいて動作する無線周波数タイプの通信ネットワークを含む。
その他の構成は変更されない。

この第二の実施形態では、図１に関連して前述したトポロジに基づいて、第二送信機６０が第一送信機４０に並列に接続される。このトポロジは、長距離ネットワーク及び／又は短距離ネットワークで情報を送信するために、２つの蓄積ユニット３０，３１の２つの充電サイクルから利益を得る。短いサイクルは、一次蓄積ユニット３０に蓄積された電気エネルギーによって管理され、一方、第一の実施形態について説明したような長いサイクルは、二次蓄積ユニット３１に蓄積された電気エネルギーによって管理される。この二重送信の解決策は、本発明の装置の使用を増やすことを可能にする。装置は、その位置と要件に応じて、短距離モード、長距離モード、又は短距離と長距離を組み合わせたモードで、動作することができる。組み合わせたモードでは、例えば、短距離ネットワーク上のエネルギーデータをリアルタイムで戻し、長距離ネットワーク上でエネルギーデータ及びアラームを戻すことを関与させる。これらのアラームは、例えば異常な平均電流レベルとすることができる。

図５は、上述のように、２つの送信機のトポロジを有する装置のオペレーションのより良い理解を提供する。既に説明した動作概要に関して、第二送信機６０によって「ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｄｅｘ」エネルギーメータ値を送信するステップは、電子機器が一次蓄積ユニット３０によって電力供給されるときにマイクロプロセッサによって指示される（ステップＥ１５）。残りのオペレーションは変更されない。

図６は、図４に示し上述した装置に対する改良を示す。この新しいトポロジでは、デバイスはメッセージの送信をより良く調整するためにクロック（ＲＴＣ／Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）を備える。このクロックは、マイクロプロセッサに接続され、マイクロプロセッサが電力を供給されているときにマイクロプロセッサによってアクセスされて読み書きされる。この実施形態では、クロックは、電気バッテリなどのエネルギー源によって電力供給される。上述の解決策では、メッセージの送信は、メータ値Ｍｎによってコンデンサの充電サイクルの数の基準に従って指示された。クロックを使用して、メッセージの送信は、タイミング基準に従って評価される。クロックの使用は、２つの送信機４０，６０が存在する場合に特に重要であり、第一の長距離タイプの送信機のみが存在する場合に使用することができる。クロックの使用については、図４に関連して上述したような２つの送信機のトポロジについて以下に説明する。

図７に関し、クロックを伴う本実施形態における動作原理を以下に説明する。
−初期電源投入時（ＩＮＩＴ２）、マイクロプロセッサは、ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｄｅｘ＝０になるように、エネルギーメータ値をゼロに設定する。
−初期電源投入時に、マイクロプロセッサは「ｓｅｎｄ＿ＬＲ」で示される変数を値「Ｆａｌｓｅ」に設定する。
−電流センサの二次巻線に誘起された二次電流によって一次蓄積ユニット３０が充電される（ステップＥ２０）。
−一次蓄積ユニット３０の端子における電圧ＭＣ＿Ｖが電圧閾値検出ユニット３２で規定された電圧閾値ＭＣ＿Ｖ＿ＴＨに達すると、前記電圧閾値検出ユニットが、第一切り替え手段Ｔｙを閉じるように指示し、結果として処理ユニットＵＣ及び第二送信機に電力を供給する（ステップＥ２１）。
−マイクロプロセッサは、ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｄｅｘ＝ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｄｅｘ＋ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｃｒｅｍｅｎｔとなるように、所定の増分（ｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｃｒｅｍｅｎｔと表記）だけエネルギーメータ値を増分する（ステップＥ２２）。
−マイクロプロセッサは、格納されたｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｄｅｘエネルギーメータ値を表すデータを含む送信メッセージを生成する。前述したように、メッセージは、例えば、プリアンブル、同期データの項目、送信器デバイス又は送信元の識別子、上記エネルギーメータ値を表すデータ、及び送信終了又は制御データの項目を含む。
−マイクロプロセッサは、生成されたメッセージを第二短距離送信機６０に送信するように指示する（ステップＥ２４）。
−その後、マイクロプロセッサはＲＴＣクロックを調べる。ＲＴＣクロックがＴ１（例えば、２時間に等しい）で示される記憶された制限期間よりも低い持続期間を示す場合、マイクロプロセッサは何も行わない。
−ＲＴＣクロックが記憶された制限期間Ｔ１より高い又は等しい持続期間を示す場合、マイクロプロセッサは、ＴＲＵＥ値を変数ｓｅｎｄ＿ＬＲに割り当てる（ステップＥ２５）。
−マイクロプロセッサは、続いて、エネルギーが一次蓄積ユニット３０から二次蓄積ユニット３１へ転送されることを可能にするために、第二切り替え手段Ｓ２に閉じるように指示する（ステップＥ２６）。第二切り替え手段Ｓ２の導通期間は、一次蓄積ユニットのコンデンサの充電時間に対して低い。導通期間が完了すると、マイクロプロセッサは、第二切り替え手段Ｓ２に開放を指示する。
−マイクロプロセッサは、変数ｓｅｎｄ＿ＬＲの値を検査する（ステップＥ２７）。
−変数ｓｅｎｄ＿ＬＲが値ＴＲＵＥと等しくない場合、マイクロプロセッサは、放電ユニット３６のスイッチＳ１を閉じることによって放電するように一次蓄積ユニットのコンデンサを指示することによってサイクルを終了する（ステップＥ３１）。次いで、マイクロプロセッサは、一次蓄積ユニット３１のコンデンサＭＣを充電することによって新しいサイクルを開始することができる。
−変数ｓｅｎｄ＿ＬＲが値ＴＲＵＥと等しい場合、これは一定の期間が経過し、メッセージを送信する時間であることを意味する。次いで、マイクロプロセッサは、二次蓄積ユニット３１で利用可能な電気エネルギーがメッセージを送信するのに十分であるか否かを知るためにテストを実行する（ステップＥ２８）。
−二次蓄積ユニット３１の端子における電圧がＳＣ＿Ｖ＿ＴＨと示される記憶された閾値よりも低い場合、マイクロプロセッサはメッセージを送信する指示を行うことができない。マイクロプロセッサは、放電ユニットのスイッチを閉じることにより、一次蓄積ユニット３０のコンデンサに放電を指示することによってサイクルを終了する（ステップＥ３１）。次に、マイクロプロセッサは、一次蓄積ユニット３０のコンデンサＭＣを充電することによって新しいサイクルを開始することができる。この状況では、変数ｓｅｎｄ＿ＬＲは、したがって、次のサイクルの開始時に値ＴＲＵＥのままである。
−二次蓄積ユニット３１の端子における電圧ＳＣ＿Ｖが記憶された閾値ＳＣ＿Ｖ＿ＴＨより大きい場合、マイクロプロセッサは、変数ｓｅｎｄ＿ＬＲに値ＦＡＬＳＥを割り当て（ステップＥ２９）、メッセージを送信するように指示する（ステップＥ３０）。この目的のために、マイクロプロセッサは、
−二次蓄積ユニット３１で利用可能な電気エネルギーを使用して送信器４０に電力を供給するために、第二切り替え手段Ｓ２に閉じるよう指示し、
−記憶されたｅｎｅｒｇｙ＿ｉｎｄｅｘエネルギーメータ値を表すデータを含む、送信すべきメッセージを生成する。メッセージは、例えば、プリアンブル、同期データの項目、送信機デバイス又は送信元の識別子、上記エネルギーメータ値を表すデータ、及び送信終了又は制御データの項目を含む。また、マイクロプロセッサは、
−生成されたメッセージを送信するように送信機４０に指示する。
−いつでも、携帯端末が装置の近くにあり、ＮＦＣチップ５０に電力を供給すると、処理ユニットＵＣの不揮発性メモリ内にある最新のエネルギーメータ値をＮＦＣチップのメモリにコピーすることができる（ステップＥ２３）。

例えば、以下の動作データは、利用できるようになる。
Ｉｐ＝１０Ａ、
二次巻線の巻数：３０００、
ＭＣ＝９４０μＦ（タンタルコンデンサ）、
ＳＣ＝１００ｍＦ（ＥＤＬＣタイプのコンデンサ）、
コンデンサＭＣの充電サイクルの持続期間＝１ｓ。
Ｔ（Ｓ２の導通期間）＝２ｍｓ、
ＲＴＣクロックの持続期間Ｔ１＝７２００ｓ（〜２時間）、
ＭＣ＿Ｖ＿ＴＨ＝２．９Ｖ、
ＳＣ＿Ｖ＿ＴＨ＝２．８Ｖ。

図８は、ＲＴＣクロックがもはや、電池ではなく、二次蓄積ユニット３１によって供給され、完全エネルギー自律装置を作る、図６の装置の変形実施形態を示している。

この解決策において、ＲＴＣクロックは二次蓄積ユニット３１に並列に接続される。前述のように、マイクロプロセッサによってアクセスされて、それが読み書きされる。二次蓄積ユニット３１は、ゆっくりと放電するので、クロックの端子に電圧を供給してそれに動力を供給することができる。

第二蓄積ユニット３１が完全に空にされていない限り、この特定の実施形態における装置のオペレーションは、電池によって電力供給されたクロックとともに上述したものと同じである。しかしながら、装置が一定時間アクティブでなく、二次蓄積ユニット３１が空である場合、電源投入中、マイクロプロセッサはクロックを初期化する。クロックによって示された瞬間は、記憶された持続期間Ｔ１が計算されて長距離ネットワーク上で新しいメッセージを送信する瞬間を決定する最初の瞬間とみなされる。

本発明の解決策は、このように、次のような多くの利点を含む。
−この解決策は実装が簡単で信頼性が高い。したがって、長距離ネットワーク上で管理されるエネルギーメッセージの送信を可能にする。
−この解決策は、電池などのエネルギー源の使用を必要としないという点で自律的である。
−長距離ネットワーク上でのエネルギーメッセージの送信は、メッセージを集中化するためのローカル局の使用を必要としない。
−これは、短距離ネットワーク及び／又は長距離ネットワーク上のメッセージの送信の両方を管理することを可能にする。
−必ずしもＲＴＣタイプのクロックを使用する必要はない。
−最後に計算されたエネルギー指標を含むエネルギー総量メッセージを直接送信することができる。したがって、通信が中断した場合でも、受信機は依然として最新の指標を受信する。
−ＮＦＣリンクのおかげで、いつでも最新のエネルギー指標に直接アクセスでき、装置の設定が可能である。
−温度、湿度、ＣＯ、ＣＯ２、圧力、加速度など、処理ユニットＵＣに接続されたセンサにより潜在的に利用可能な他の物理量にもアクセスすることができる。

Claims (16)

1. 無線電気エネルギー計測装置であって、
   導電体を流れる一次電流から二次電流を供給するように設計された電流センサと、
   前記電流センサに接続され、前記二次電流からある量の電気エネルギーを蓄えるように設計された一次電気エネルギー蓄積ユニットと、
   前記一次電気エネルギー蓄積ユニットに接続され、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの端子において電圧閾値の超過を検出するように設計された電圧閾値検出ユニットと、
   前記一次電気エネルギー蓄積ユニットに接続された処理ユニットと、
   前記電圧閾値検出ユニットによって制御され、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの端子において前記電圧閾値を超えたときに前記一次電気エネルギー蓄積ユニットから前記処理ユニットへの電力の供給をトリガするように構成された第一切り換え手段と、
   前記処理ユニットに接続され、前記導電体に流れる電流を表すデータを含むメッセージを送信するように構成された第一無線データ送信機と、
   を備え、さらに、
   前記一次電気エネルギー蓄積ユニットに接続された二次電気エネルギー蓄積ユニットと、
   前記二次電気エネルギー蓄積ユニットの端子において電圧を測定する測定ユニットと、
   前記処理ユニットによって制御されるように設計され、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットから前記二次電気エネルギー蓄積ユニットへのエネルギーの転送をトリガするように構成され、前記測定ユニットによって前記二次電気エネルギー蓄積ユニットの端子において測定された電圧が閾値を超えたときに、前記処理ユニットの制御下で前記第一無線データ送信機が前記導電体を流れる電流を表すデータを含むメッセージを送信するために前記第一無線データ送信機への電力の供給をトリガするように構成された、第二切り換え手段と、
   を備えたことを特徴とする無線電気エネルギー計測装置。
2. 前記処理ユニットは、マイクロプロセッサと、不揮発性メモリを備え、前記マイクロプロセッサは、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの各充電サイクルの完了時にエネルギーメータ値を増加させるように設計されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線電気エネルギー計測装置。
3. 前記処理ユニットに接続された第二無線データ送信機を備え、前記マイクロプロセッサは、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの充電サイクルの完了時に前記第二無線データ送信機を使用してメッセージを送信する指示を行うように設計されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の無線電気エネルギー計測装置。
4. 前記第二無線データ送信機は、Ｚｉｇｂｅｅ、ＺｉｇＢｅｅ Ｇｒｅｅｎ Ｐｏｗｅｒ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、「Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ」、Ｗｉ−Ｆｉのいずれかから選択された近距離ネットワーク上で動作するように設計されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線電気エネルギー計測装置。
5. 前記第一無線データ送信機は、ＬＰＷＡＮタイプの長距離ネットワーク上で動作するように設計されている、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線電気エネルギー計測装置。
6. 前記一次電気エネルギー蓄積ユニットに接続され、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットを放電するために前記処理ユニットによって制御される放電ユニットを備える、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の無線電気エネルギー計測装置。
7. 前記処理ユニットは、持続期間を表すデータ項目を決定するように設計されている、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の無線電気エネルギー計測装置。
8. 持続期間を表す前記データ項目は、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの充電サイクルの数のメータ値に対応する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の無線電気エネルギー計測装置。
9. 持続期間を表す前記データ項目を決定させるクロックを備える、
   ことを特徴とする請求項７に記載の無線電気エネルギー計測装置。
10. 前記二次電気エネルギー蓄積ユニットは、少なくとも１つのスーパーキャパシタを備える、
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の無線電気エネルギー計測装置。
11. 前記電流センサに接続され、前記電流センサによって発生した二次電流を整流することを目的とする整流回路を備える、
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の無線電気エネルギー計測装置。
12. 前記処理ユニットのメモリに接続された近距離通信回路を備える、
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の無線電気エネルギー計測装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の無線電気エネルギー計測装置を使用して実施される電気エネルギー計測方法であって、
    前記二次電流からある量の電気エネルギーを蓄えるため前記一次電気エネルギー蓄積ユニットを充電するステップと、
    前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの端子における電圧が所定の閾値に達すると、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットから前記二次電気エネルギー蓄積ユニットに電気エネルギーを転送するステップと、
    持続期間を表すデータ項目が閾値に達したとき、及び前記二次電気エネルギー蓄積ユニットの端子における電圧が所定の閾値を超えたとき、前記第一無線データ送信機を使用してメッセージを送信するステップと、
    を含むことを特徴とする電気エネルギー計測方法。
14. 持続期間を表す前記データ項目は、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットの充電サイクルの数のメータ値に対応する、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の電気エネルギー計測方法。
15. 持続期間を表す前記データ項目はクロックを使用して決定された経過期間に対応する、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の電気エネルギー計測方法。
16. 前記一次電気エネルギー蓄積ユニットから前記二次電気エネルギー蓄積ユニットへエネルギーを転送するステップあるいはメッセージを送信するステップの後に実施される、前記一次電気エネルギー蓄積ユニットを放電するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の電気エネルギー計測方法。

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