JP4912269B2 - 受電装置、給電装置および電力伝送システム - Google Patents

受電装置、給電装置および電力伝送システム Download PDF

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Description

本発明は、LANケーブルを利用して電力を伝送する電力伝送システムに関する。
従来、LAN(Local Area Network)ケーブルに接続する機器に対して電力を供給するには、ACアダプタが必要であり、機器の設置場所にコンセントを設け、さらにそこまでのAC電源ケーブルの配線が必要であった。こうした状況に対し、データを伝送するツイストペアケーブルを用いて電力を供給するPoE(Power over Ethernet(登録商標))技術が開発され、標準規格IEEE802.3afが策定された。この技術は、オフィスのIP(Internet Protocol)電話システムや、ネットワークカメラシステム等で採用が広がっている。
IEEE802.3afで規定されているPoE制御フローは以下に示すとおりである。まず、給電装置(Power Sourcing Equipment:PSE)の給電ポートに機器が接続されると、PSEは、接続された機器がIEEE802.3afに準拠した受電装置(Powered Device:PD)であるか否かを判断する。具体的には、PSEは、機器に微弱電圧(2.8〜10VDC)を印加する。規格に準拠したPDは検出用の25kΩの特性抵抗を実装することとされているので、PSEは、負荷電流値からPDの特性抵抗を検出することができ、さらにこの結果に基づき、接続された機器が規格準拠のPDであるか否かを判断することができる。
上記の判断処理でPDの接続を認識した場合、PSEは、つぎに、給電ポートへ15.5〜20.5VDCを印加し、そのときの負荷電流値を測定して給電電力の電力クラスを決定する。電力クラスとは1ポートに供給する最大電力をいくつかのレベルにクラス分けしたものである。PDは、この電圧が印加された際に、定電流電源または抵抗等により特定の電力クラスに対応する負荷電流が流れるように設計されている。
このように、IEEE802.3afでは、PSEが、自装置にPDが接続された瞬間に検出処理を実行し、その後、給電ポートに供給する電力を決定する、制御フローが規定されている。したがって、PDの消費電力が変動した場合であっても、電力クラスを動的に変更することはできない。また、PSEに搭載できる電源容量にはコストや実装面の制約から限界がある。
こうした背景から、実際のPSEは、コストに見合った給電能力の上限値を定め、それを超える容量のPDが接続された場合はそれ以上の電力供給を停止する仕様になっている。
一方で、限られた給電能力を有効活用する技術が提案されている。その一例として、下記特許文献1では、PDの運用状況に応じてPSEの電力供給/停止を動的に制御するシステムが記載されている。
また、下記特許文献2では、ポートに優先順位を設定し給電装置の能力を超える電力需要が発生した場合に優先順位の低いポートの電力供給を停止する処理や、複数の給電装置間で電力を融通し合うことで供給電力の不足を賄う処理、が記載されている。
このように、下記特許文献1および2のシステムでは、PSEの給電能力を超える場合に、一部のポートへの給電を停止することにより、限られた電力を最大限に有効活用している。
特開2005−303593号公報 特開2007−088809号公報
しかしながら、上記一部のポートへの給電を停止する方法は、たとえば、ネットワークカメラシステム等、電力を常時供給する必要があるシステムには採用できない、という問題があった。また、上記特許文献2に記載されている処理は、複数の給電装置が存在してはじめて機能する処理であり、単独の給電装置では成立しない。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、給電装置が一部のポートへの給電を停止することなく、限られた電力を有効活用することができる電力伝送システムを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、データ伝送と電力供給とを同一のLANケーブルで行う電力伝送システムにおいて、給電装置から電力供給を受ける受電装置であって、自装置の最大消費電力より低い電力を要求する受電制御手段と、自装置の消費電力を常時計測する電力モニタ手段と、電荷の充放電が可能な蓄電手段と、前記要求に基づき供給された電力量および前記消費電力の計測結果に基づいて、自装置内各部の電力消費および前記蓄電手段による充放電を制御する電源制御手段と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、給電装置が一部のポートへの給電を停止することなく、限られた電力を有効活用することができる、という効果を奏する。
以下に、本発明にかかる電力伝送システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の実施の形態では、一例として、給電装置(PSE)をスイッチングハブとし、受電装置(PD)を旋回型ネットワークカメラとする。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明にかかる電力伝送システムを適用したネットワークカメラシステムの実施の形態1の構成例を示す図である。本実施の形態におけるネットワークカメラシステムは、PoEスイッチ(PSE)1と旋回カメラ(PD)2とLANケーブル3−1〜3−nを備えており、PoEスイッチ1と旋回カメラ2が、たとえば、LANケーブル3−2によって接続されている場合を想定する。なお、図1では、PDとして旋回カメラ2のみが記載されているが、他のPDが接続されていてもよい。
また、上記PoEスイッチ1は、給電制御部10−1〜10−nと給電ポート11−1〜11−nを備えている。また、上記旋回カメラ2は、受電ポート20と受電制御部21と蓄電デバイス22と充放電制御部23と電源制御部24と電力モニタ25とカメラ制御部26とレンズ駆動回路27とレンズ駆動モータ28とを備えている。
PoEスイッチ1の各給電制御部は、それぞれが対応する給電ポートを介して、PDに対し電力を供給する。LANケーブルは、IEEE802.3afに準拠したツイストペアケーブルであって、データ伝送とともに電力伝送も行う。
旋回カメラ2は、パン/チルト/ズーム機能を有し、レンズを駆動させる機能を有するため、固定型のカメラに比べて消費電力が高い。最大消費電力は、固定型のネットワークカメラの場合には5W程度であって、IEEE802.3afで規定されている電力クラスではClass2でまかなえる。これに対し、旋回型のカメラでは、レンズ駆動モータの存在により最大消費電力が10Wを超える。図2は、IEEE802.3afで規定された、各電力クラスに対応するPSEの供給電力とPDの消費電力との組み合わせを示す図である。この図によれば、旋回カメラ2の電力クラスはClass0または3に設定する必要がある。
受電ポート20は、LANケーブルを介してPoEスイッチ1より電力供給を受ける。受電制御部21は、旋回カメラ2を、旋回カメラ2の最大消費電力より低い電力に対応する電力クラスとして認識させるような、負荷電流値を流す機能をもつ。
蓄電デバイス22は、たとえば、バッテリーのような二次電池であって、電荷の蓄積/放出が可能である。充放電制御部23は、上記蓄電デバイス22による充電および放電を制御する。電源制御部24は、旋回カメラ2全体の消費電力を常時モニタする電力モニタ25からの報告に基づいて、電力を適切に旋回カメラ2の各部に供給する。
カメラ制御部26は、旋回カメラ2の制御を行う。レンズ駆動回路27とレンズ駆動モータ28は、カメラ制御部26の制御により、レンズを駆動させる。
つぎに、以上の様に構成されたネットワークカメラシステムの動作を説明する。たとえば、旋回カメラ2が大電力を必要とするのは高速にレンズを駆動する場合である。すなわち、旋回カメラ2で最大電力を必要とする場面(最大消費電力状態)は、非常に短時間であり、ほとんどの時間の消費電力は固定型カメラと同程度(低消費電力状態)である。
そこで、旋回カメラ2がPoEスイッチ1に接続されると、受電制御部21では、旋回カメラ2の最大消費電力10Wよりも小さい供給電力が設定されるような負荷電流(電力クラス識別用負荷電流値)をPoEスイッチ1に流すことにより、最大消費電力10Wに対応する電力クラスよりも低い電力クラスを要求する。最大消費電力10Wの旋回カメラ2の場合、従来はClass3が設定されるが、本実施の形態では、電力クラス識別用負荷電流値を調整することによって、たとえば、PoEスイッチ1にてClass2が設定されるようにする。
また、電力モニタ25では、旋回カメラ2がネットワークカメラシステムに接続されている間、旋回カメラ2の消費電力を常時モニタしている。そこで、電力モニタ25が上記低消費電力状態を検知している間は、電源制御部24では、充放電制御部23に対して充電すべき旨の指令を発行する。そして、電源制御部24は、受電ポート20を介してPoEスイッチ1から供給された電力を、カメラ制御部26等で消費されるように制御する(図1のS1)。また、充放電制御部23では、上記電源制御部24からの指令に基づき充電を指示する信号を蓄電デバイス22に送信し、この指示を受けた充電デバイス22が残った電力を充電する(図1のS2)。
一方、レンズ駆動モータ28の高速駆動により電力モニタ25が一時的な消費電力の上昇を検知し、設定した電力クラスを超える電力需要が発生した場合は、電源制御部24にその旨を通知する。そして、電源制御部24は、充放電制御部23に対して放電すべき旨の指令を発行し、これを受けた充放電制御部23では、この指令に基づき放電を指示する信号を蓄電デバイス22に対して送信する。これにより、電力クラスを超える電力需要が発生した場合であっても、足りない分の電力を蓄電デバイス22から補うことができるので、レンズ駆動モータ28を円滑に動作させることが可能となる(図1のS3)。
その後、電源制御部24では、電力モニタ25からの通知に基づいて、消費電力が設定電力クラスに該当する電力を下回るまで低くなったか否かを判断することにより、レンズ駆動モータ28の高速駆動が終了したかどうかを判断する。たとえば、消費電力が低くなり高速駆動が終了していると判断した場合、電源制御部24は、再度、充放電制御部23に対して充電すべき旨の指令を発行し、蓄電デバイス22への充電に切り換える制御を行う。
以上説明したように、本実施の形態によれば、PDの内部にバッテリーを設け、余剰電力をこのバッテリーに蓄積しておくことにより、PDの消費電力の一時的な上昇による不足分をカバーすることとし、PDをPSEに接続する際にはPDの最大消費電力より低い電力を要求することとした。これにより、PSEが、一部のポートへの給電を停止することなく、また、複数のPSE間で電力を融通し合うことなく、PSEの限られた電力を有効活用することができる。
なお、本実施の形態では、消費電力変動の激しいPDの例として旋回カメラについて説明したが、これに限らず、本実施の形態の電力伝送制御は、他の種類のPDに対しても適用可能である。
実施の形態2.
実施の形態1では、PoEスイッチに接続され一旦電力クラスが設定されたPDについては、システムから切り離されるまでその電力クラスが維持されている。本実施の形態では、PoEスイッチに接続され一旦電力クラスが設定された、旋回カメラを含む複数のPDの接続状況に応じて、動的に各PDの電力クラスを切替える場合について説明する。本実施の形態では、前述した実施の形態1と異なる構成および動作について説明する。
本実施の形態のネットワークカメラシステムでは、前述したPoEスイッチ1の代わりにPoEスイッチ1Bを備える。図3は、PoEスイッチ1Bの構成例を示す図である。PoEスイッチ1Bは、電力制御部12およびコマンド処理部13をさらに備える点が実施の形態1と異なっている。
また、実施の形態2の旋回カメラの構成は、実施の形態1の旋回カメラ2と同様であるが、本実施の形態では、受電制御部21を用いて動的にPDの電力クラスを切替える。図4は、旋回カメラ2の受電制御部21の構成例を示す図である。受電制御部21は、コマンド処理部31および負荷電流制御部32を備えている。なお、以下では、接続されているPDの例として旋回カメラ2を示して説明するが、他のPDについても、カメラ制御部26,レンズ駆動回路27,レンズ駆動モータ28以外の構成要素は共通して備えていることとする。
つぎに、以上の様に構成されたネットワークカメラシステムの動作を説明する。ここでは、実施の形態1の処理でPoEスイッチ1Bに複数のPDが接続され、各PDに一旦電力クラスが設定されている状況を想定する。
この状況で、PoEスイッチ1Bの電力制御部12は、たとえば、各給電ポートに接続されているPDの数が少なく、接続ポート全てに最大電力を供給しても余裕があると判断した場合、PDが接続されている各ポートの給電制御部に対して図2に示す電力クラス0を設定する。すなわち、各給電制御部が、対応するPDに対して最大15.4Wを供給できるように電力を分配する。
また、PoEスイッチ1Bの電力制御部12は、各給電ポートに接続されたPDの数が増加し、全てのポートに最大電力を供給すると電力が不足すると判断した場合、コマンド処理部13に対して供給電力の引き下げを要求する。上記では、電力クラス0が設定されているので、たとえば、電力クラス1や2への切替えを要求する。
以降、コマンド処理部13が供給電力の引き下げ要求を受け取った後の処理については、図5に従って説明する。図5は、実施の形態2の構成における電力クラスの動的な切替えを示すシーケンス図である。
上記供給電力の引き下げ要求を受け取ったコマンド処理部13は、まず、各給電ポートを通じて接続されている全てのPDに対して、供給電力の引き下げを要求する引き下げ要求コマンドを送信する(ステップST1)。
旋回カメラ2を含む各PDの受電制御部は、引き下げ要求コマンドを受信し、コマンド処理部31が、電源制御部24から通知される、電力モニタ25によるモニタ結果に基づいて供給電力の引き下げが可能であるか否かを判断する。そして、たとえば、旋回カメラ2のコマンド処理部31は、現在の消費電力が低く供給電力の引き下げが可能であると判断した場合に、引き下げ可能を示すAckをPoEスイッチ1Bに返信する(ステップST2)。一方、引き下げが不可能であると判断した場合には、NackをPoEスイッチ1Bに返信する。なお、ここでは、一例として旋回カメラ2が供給電力の引き下げに応じる場合について説明するが、これに限らず、他の1つ以上のPDが引き下げに応じる場合についても動作は同じである。
このようにして、旋回カメラ2が引き下げ可能であると判断し、Ackを送信した場合、PoEスイッチ1Bのコマンド処理部13は、旋回カメラ2に対して、バッテリー動作への切替えを要求するバッテリー動作切替え要求コマンドを送信する(ステップST3)。
バッテリー動作切替え要求コマンドを受信した旋回カメラ2のコマンド処理部31は、電源制御部24に対して電源の供給元を蓄電デバイス22に切替えるよう指令し、以降、電源制御部24が、実施の形態1と同様に、電源の供給元を蓄電デバイス22に切替えるための制御(充電から放電への切替え制御)を行う。そして、この切替え処理が完了すると、コマンド処理部31は、切替え処理が完了したことを示すAckをPoEスイッチ1Bに返信する(ステップST4)。
切替え処理が完了したことを示すAckを受信したPoEスイッチ1Bのコマンド処理部13は、電力制御部12に対してその旨を通知する。そして、これを受けた電力制御部12は、該当する給電制御部からの電力供給を停止させる。
また、上記の処理で電源の供給元を切替えた後、旋回カメラ2のコマンド処理部31は、切替え完了Ackの送信と同時に、負荷電流制御部32に対して電力クラス識別負荷電流値の設定変更指示を通知する。負荷電流制御部32では、新しい電力クラス(たとえば、Class2)を識別させるために、適切な電力クラス識別負荷電流を流せるように設定変更を行い、設定変更が完了するとその旨をコマンド処理部31に通知する。その後、コマンド処理部31は、電力クラス識別負荷電流値の設定変更完了のAckをPoEスイッチ1Bに送信する(ステップST5)。
設定変更完了のAckを受信したPoEスイッチ1Bのコマンド処理部13は電力制御部12に対してその旨を通知し、電力制御部12では、IEEE802.3afに基づくPD検出・電力クラス設定シーケンスに従って新しい電力クラス(たとえば、Class2)を再設定する(ステップST6)。そして、電力制御部12は、新しい電力クラスの設定が完了すると、旋回カメラ2が接続されている給電制御部に対してポートへの電力供給の再開を指令する。これにより、給電制御部では電力供給を再開する(ステップST7)。
このとき、受電ポート20を介して電力の供給再開を検出した旋回カメラ2では、電源制御部24が、充放電制御部23に対して放電停止の指令を行い、バッテリー動作を停止させる(放電→充電の切替え制御)。
なお、ここでは、供給電力の引き下げを行う場合について説明したが、たとえば、PoEスイッチ1BへのPDの接続台数が減少して供給電力を引き上げる場合についても、同様の動作で実現できる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、PDの接続状況が変化して供給電力が不足した場合に、PSEが、PDの接続状況に応じて動的に各PDの電力クラスを切替えることとした。この際、PDは、内蔵するバッテリーを利用することで、動作を停止させることなく電力クラスの切替えを行う。これにより、さらに高精度に電力を管理できるので、PSEの限られた電力をより有効に活用することが可能となる。
実施の形態3.
実施の形態1および2では、PSEの供給電力を有効に利用するために、PDにバッテリーを設け、供給電力を静的または動的に低く設定することとした。実施の形態3では、実施の形態2の構成に加えて、蓄電状況を考慮して供給電力を動的に設定する機能をさらに備える場合について説明する。本実施の形態では、前述した実施の形態1および2と異なる構成および動作について説明する。
図6は、旋回カメラ2Cの構成例を示す図である。旋回カメラ2Cは、実施の形態2の旋回カメラ2の構成に対して、さらに、充電モニタ29を備えている。その他の構成については実施の形態1または2と同様であるので、同一の符号を付しその説明を省略する。
充電モニタ29は、充放電制御部23に接続され、蓄電デバイス22の充電状況を常時モニタする。充電モニタ29は、蓄電デバイス22の電力残量が所定の値以下になったことを検出すると、受電制御部21にその旨を通知する。
つづいて、本実施の形態のネットワークカメラシステムの動作について説明する。ここでは、たとえば、旋回カメラ2Cの電力クラスがClass2に設定されていることを前提とする。この状態で、充電モニタ29は、蓄電デバイス22の充電の残量が所定の値以下になったことを検出すると、その旨を受電制御部21に通知する(図6のS4)。
充電の残りが少ない旨の通知を受けた受電制御部21は、電力確保のために、供給電力の引き上げ要求を、受電ポート20を介してPoEスイッチ1Bに通知する。
供給電力の引き上げ要求を受けたPoEスイッチ1B側では、自身の供給可能電力に余裕があれば、図5のシーケンス図のステップST3:「バッテリー動作切替え要求」以降のシーケンスを実行し、旋回カメラ2Cへの供給電力を引き上げる。一方、自身の供給可能電力に余裕がなければ、図5のシーケンス図の動作であるステップST1:「電力クラス引き下げ要求」以降を実行し、要求に応じるPDがあれば、旋回カメラ2Cへの供給電力を引き上げる。シーケンスを実行するときに、電力クラスの再設定にあたっては、旋回カメラ2Cの負荷電流制御部32は、供給電力の多い新しい電力クラス(たとえば、Class0)を識別させるために、適切な電力クラス識別負荷電流を流せるように設定変更を行う。
以上説明したように、本実施の形態によれば、PDの内部に設けた蓄電デバイスの電力残量をモニタし、常に一定値以上に保つように制御することで、蓄電デバイスの残量切れによるPDの動作不全を防止することができる。
以上のように、本発明にかかる電力伝送システムは、給電装置の給電電力を有効利用するのに有用であり、特に、受電装置を常時稼動させなければならないようなネットワークシステムに適している。
本発明にかかる電力伝送システムを適用したネットワークカメラシステムの構成例を示す図である。 IEEE802.3afで規定する、PSEの供給電力とPDの消費電力との組み合わせに対応した電力クラスの表である。 PoEスイッチの構成例を示す図である。 旋回カメラの受電制御部の構成例を示す図である。 実施の形態2の構成における電力クラスの動的な切替えのシーケンス図である。 旋回カメラの構成例を示す図である。
符号の説明
1,1B PoEスイッチ
2,2C 旋回カメラ
3−1〜3−n LANケーブル
10−1〜10−n 給電制御部
11−1〜11−n 給電ポート
12 電力制御部
13 コマンド処理部
20 受電ポート
21 受電制御部
22 蓄電デバイス
23 充放電制御部
24 電源制御部
25 電力モニタ
26 カメラ制御部
27 レンズ駆動回路
28 レンズ駆動モータ
29 充電モニタ
31 コマンド処理部
32 負荷電流制御部

Claims (10)

  1. データ伝送と電力供給とを同一のLANケーブルで行う電力伝送システムにおいて、給電装置から電力供給を受ける受電装置であって、
    自装置の最大消費電力より低い電力を要求する受電制御手段と、
    自装置の消費電力を常時計測する電力モニタ手段と、
    電荷の充放電が可能な蓄電手段と、
    前記要求に基づき供給された電力量および前記消費電力の計測結果に基づいて、自装置内各部の電力消費および前記蓄電手段による充放電を制御する電源制御手段と、
    を備えることを特徴とする受電装置。
  2. 前記電源制御手段は、余剰電力を前記蓄電手段に充電する制御を行い、前記要求に基づき供給された電力量が一時的に不足した場合に、前記蓄電手段を放電に切替える制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の受電装置。
  3. 前記受電制御手段は、標準規格IEEE802.3afで規定される電力クラスの設定過程において、前記自装置の最大消費電力より低い電力として、当該最大消費電力に対応する電力クラスよりも低い電力クラスを要求することを特徴とする請求項1に記載の受電装置。
  4. 前記受電制御手段は、給電装置側からの供給電力変更要求および前記電力モニタ手段による計測結果に基づいて、標準規格IEEE802.3afで規定された電力クラス識別のための負荷電流を、適宜変更可能とすることを特徴とする請求項1、2または3に記載の受電装置。
  5. 前記受電制御手段が、前記給電装置側からの供給電力変更要求および前記電力モニタ手段による計測結果に基づいて、電力クラス識別のための負荷電流を変更可能と判断した場合、
    前記電源制御手段は、
    前記給電装置による電力クラスの変更処理に伴う給電停止期間にわたって、前記蓄電手段に充電された電力を放電する制御を行うことを特徴とする請求項4に記載の受電装置。
  6. 前記蓄電手段の電力残量をモニタする充電モニタ手段、
    をさらに備え、
    前記受電制御手段は、
    前記蓄電手段の電力残量が所定の値以下となったことを検知した場合に、前記給電装置に対して、より高い電力クラスへの切替えを要求する切替え要求を送信し、その後、標準規格IEEE802.3afで規定された電力クラス識別のための負荷電流を、前記より高い電力クラスを認識するための電流値に変更することを特徴とする請求項4または5に記載の受電装置。
  7. 請求項4または5に記載の、単一または複数の受電装置に対して電力を供給する給電装置であって、
    前記各受電装置に供給する電力量を制御する電力制御手段、
    を備え、
    前記電力制御手段は、受電装置の接続状況の変化に応じて供給電力変更要求を送信し、その後、少なくともいずれか一つの受電装置が、前記供給電力変更要求に応じて、標準規格IEEE802.3afで規定された電力クラス識別のための負荷電流を変更した場合、当該変更後の負荷電流値に基づき当該受電装置の電力クラスを切替える制御を行うことを特徴とする給電装置。
  8. 受電装置から電力クラスの切替え要求を受信し、当該受電装置が標準規格IEEE802.3afで規定された電力クラス識別のための負荷電流を変更した場合、当該変更後の負荷電流値に基づき当該受電装置の電力クラスを切替える制御を行うことを特徴とする請求項7に記載の給電装置。
  9. 請求項4または請求項5に記載の受電装置と、
    請求項7に記載の給電装置と、
    を備えることを特徴とする電力伝送システム。
  10. 請求項6に記載の受電装置と、
    請求項8に記載の給電装置と、
    を備えることを特徴とする電力伝送システム。
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