JP5313941B2 - 電力線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の通信ノード間が電力線を用いて通信を行う電力線通信システムに関する。

車両においては、各部に配置されているＥＣＵ（Electronic Control Unit）等のノード間で通信を行うため、車載バッテリに接続されている電力線に高周波信号を重畳させて通信を行う電力線通信（ＰＬＣ：Power Line Communication）システムが検討されている。斯様な電力線通信システムの一例である特許文献１には、電力線に繋がる信号線の平衡状態を維持した上でバッテリ側に高周波信号が伝達されることを阻止するため、平衡型フィルタを挿入した構成が開示されている。

特開２００８−２４４７０１号公報

しかしながら、特許文献１の構成において電力線通信が行われる区間に大きな電流を供給しようとすると、それに応じて平衡型フィルタを構成する素子のサイズを大きくせざるを得ず、スペースやコスト，重量の増大が問題となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力線通信を行わない区間に対する高周波信号の影響を、より簡単な構成で排除できる電力線通信システムを提供することにある。

請求項１記載の電力線通信システムによれば、電源の正側端子と通信線との間，又は通信線と負荷の電源端子との間を接続する直流電力線の途中部位において、直流電力線が通信線に接続されている点から線路長が高周波信号の波長λについて（ｎ×λ／２＋λ／４）となる位置で、グランドとの間にコンデンサを接続する。斯様に構成すれば、給電点からみたコンデンサの接続点は、ショートスタブと等価な構造となって高周波インピーダンスが極大となるので、フィルタと同様に作用する。したがって、コンデンサを追加するだけで電源や負荷に対して高周波信号の影響が及ぶことを防止できる。

請求項２記載の電力線通信システムによれば、電源の正側端子と通信線との間，又は通信線と負荷の電源端子との間を接続する直流電力線の線路長を（ｎ×λ／２＋λ／４）に設定する。すなわち、電源の正負端子間は一般に、高周波的に低インピーダンスとなっているので、斯様に構成した場合も請求項１と同様にショートスタブと等価な構造をなすことができる。また、負荷についても高周波的に低インピーダンスとなるものであれば同様に作用する。したがって、フィルタを構成するための素子を全く追加することなく、より簡単な構成で電源や負荷に対して高周波信号の影響が及ぶことを防止できる。

請求項３記載の電力線通信システムによれば、通信線が平衡線である場合、電源の正側端子と通信線との間を接続する直流電力線の途中部位において、直流電力線が通信線に接続されている点から線路長が（ｎ×λ／２＋λ／４）となる位置で、一対の直流電力線とグランドとの間にそれぞれコンデンサを接続する。したがって、一対の平衡通信線のそれぞれに対して直流電力線が接続されている場合にも、請求項１と同様の効果が得られる。

請求項４記載の電力線通信システムによれば、通信線が平衡線である場合、電源の正側端子と通信線との間を接続する直流電力線の途中部位において、直流電力線が通信線に接続されている点から線路長が（ｎ×λ／２＋λ／４）（ｎは０を含む自然数）となる位置で、一対の直流電力線間にコンデンサを接続する。すなわち、一対の平衡通信線にそれぞれ接続される直流電力線間にコンデンサを接続した場合でも、当該接続点における高周波インピーダンスが低下するので、やはりショートスタブと等価な構造をなすことができ、請求項１と同様の効果が得られる。

請求項５ないし７記載の電力線通信システムによれば、（ｎ×λ／２＋λ／４）となる線路長区間を、それぞれツイストペア線（請求項５），同軸線（請求項６），平行２線（請求項７）で構成する。斯様に構成すれば、何れの場合も（ｎ×λ／２＋λ／４）の線路長区間における一対の配線間距離が一定となるように維持されるので、ショートスタブと等価な構造をなすための高周波特性を安定させることができる。したがって、フィルタ効果を安定して得ることが可能となる。

第１実施例であり、車両に搭載される電力線通信システムの構成を示す図 高周波信号の通過帯域特性を実測するために用いた実験系を示す図 （ａ）は、図２の実験系を用いて通信機器間で高周波信号を送信して実験を行った状態、（ｂ）は電力線をコイルを介して接続点に接続して（ａ）と同様の実験を行った状態を示す図 （ａ）はコンデンサの容量を２２０００ｐＦとした場合，（ｂ）は容量をその他の値に変化させた場合の測定結果を示す図 第２実施例を示す図１相当図 図２相当図 測定結果を第１実施例と比較して示す図 第３実施例を示す図１相当図 第４実施例を示す図１相当図 第５実施例を示す図２相当図 図７相当図 第６実施例を示す図１相当図

（第１実施例）
以下、第１実施例について図１ないし図４を参照して説明する。図１は、例えば車両に搭載される電力線通信システムの構成を示すものである。２つのＥＣＵ（通信ノード）１，２の間は通信線３を介して接続されており、通信線３には、バッテリ（電源）４の正側端子（＋）が電力線（直流電力線）５を介して接続されている。尚、通信線３に電力線５が接続されている点を接続点６とする。また、ＥＣＵ１，２が通信線３を介して接続されているブロックを電力線通信ブロック７とし、バッテリ４を含むブロックを非電力線通信ブロック８とする。

電力線通信ブロック７においては、ＥＣＵ１，２の間で通信線３を介して双方向通信が行われる。また、これらのＥＣＵ１，２には、通信線３を介してバッテリ４の電源（＋Ｂ；例えば１２Ｖ）が給電されて動作する。ＥＣＵ１，２は、内部回路に応じて適切な電圧となるように、電源＋Ｂの電圧を必要に応じ適宜降圧して使用する。また通信信号は、通信線３に給電されているバッテリ４の電源に、ＥＣＵ１，２に内蔵されている通信用のドライバ（図示せず）により、例えば３０ＭＨｚ帯の高周波信号が重畳されることで伝送される。

この場合、電力線通信ブロック７で高周波信号を用いて行われる通信の影響が、非電力線通信ブロック８側に及ばないように対策する必要がある。そこで本実施例では、以下の構成を採用する。高周波信号の波長をλとすると、接続点６から、線路長が
（ｎλ／２＋λ／４，ｎは０を含む自然数）となる位置で、グランド（ボディアース）との間に整合回路としてコンデンサ９を接続する。尚、上記のグランドは、グランド線１０を介して電力線通信ブロック７側のグランドに接続されている。コンデンサ９の容量は、３０ＭＨｚ帯の周波数についてインピーダンスが十分に低くなるように設定する。また、接続点６から線路長が（ｎλ／２＋λ／４）となる位置までの区間を、整合区間１１と称する。

斯様に構成することで、以下のような作用により高周波信号のフィルタ効果を得ることができる。コンデンサ９を接続したことにより負荷インピーダンスがゼロとみなせる場合、無損失伝送線路の公式より、接続点６から見たバッテリ４側の入力インピーダンスＺinは、以下の式で表わされる。
Ｚin＝ｊ＊Ｚ0＊tanβＬ …（１）
尚、Ｚ0は特性インピーダンス，β＝２π／λ，Ｌは接続点６からコンデンサ９の接続点までの距離である。

そして、（１）式にＬ＝（ｎλ／２＋λ／４）を代入すれば、ｎの値にかかわらず入力インピーダンスＺinは無限大（極大）となる。これはいわゆるショートスタブ構造と同様の作用である。したがって、通信線３に重畳されている波長λの高周波信号は、上記ショートスタブ構造の作用によりフィルタリングされ、非電力線通信ブロック８側に伝送されることなく阻止される。尚、ＥＣＵ１，２の内部においても、電源系統には高周波信号の影響が及ばないように適宜フィルタ等を用いている。

図２は、図１の構成について高周波信号のフィルタリング効果（通過帯域特性）を実測するために用いた実験系を示す。アルミ板１２をボディアースとして、バッテリ４を図中左方に載置し、右方に整合回路（コンデンサ９），整合区間１１及び電源重畳部（接続点）６が配置されている。これらは、発泡スチロール１３に載置されている。整合区間１１にはツイストペア線を使用しているが、使用されている配線被覆の比誘電率εｒ＝２．７である。この場合、周波数３０ＭＨｚの信号の波長λを１０ｍに近似すると、比誘電率εｒで補正したλ／４は、以下のようになる。
１０ｍ／４／√（２．７）≒１．５ｍ …（２）
尚、√（）は括弧内の数値の平方根である。上記に基づき、整合区間１１の線路長を１．５ｍ（ｎ＝０）に設定している。また、図１では原理を明確に説明する都合上、整合区間１１をツイストペア線ではなく、平行２線を用いたイメージで示している。

図３（ａ）は、図２の実験系を用いて、図１のＥＣＵ１，２に対応する通信機器（１，２）において、通信機器（１）から通信機器（２）に対して高周波信号（通信帯域３０ＭＨｚ±６ＭＨｚ）を送信して実験を行ったことを示している（コイルレス）。また、図３（ｂ）は、比較のため電力線５を、コイルを介して接続点６に接続することでフィルタを構成した実験系を示す。

図４（ａ）は、コンデンサ９の容量を２２０００ｐＦとした場合の通信機器（１），（２）間の通過特性（Ｓ２１）を示している。何れの場合も、通信帯域における通過特性は−０．２ｄＢ程度であり、本実施例の構成を用いても通信特性に全く影響が無いことを示している。また、図４（ｂ）はコンデンサ９の容量を、１００ｐＦから１００μＦまで変化させた場合（但し（ａ）に示す２２０００ｐＦは除く）の通過特性を示している。通信帯域の通過特性に限って言えば、容量が最小の１００ｐＦを除いて概ね良好と言えるが、それ以外の減衰特性も併せて見ると、（ａ）に示す容量が２２０００ｐＦの場合が最も良好である。

以上のように本実施例によれば、バッテリ４の正側端子（＋）と通信線３との間を接続する電力線３の途中部位において、接続点６から線路長が高周波信号の波長λについて（ｎ×λ／２＋λ／４）となる位置でグランドとの間にコンデンサ９を接続することで、ショートスタブと等価な構造を採用した。したがって、コンデンサ９を追加するだけでバッテリ４に対して高周波信号の影響が及ぶことを防止できる。そして、整合区間１１をツイストペア線にすることで一対の配線間距離が一定となるように維持され、高周波特性を安定させて、フィルタ効果を安定して得ることが可能となる。
尚、整合区間１１については、図２に示す実験系のようにツイストペア線を採用せず、図１に示すように平行２線を用いた場合でも電力線５とグランド線１０との間隔が一定に維持されるので、フィルタ効果を安定して得ることは可能である。

（第２実施例）
図５乃至図７は第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施例の電力線通信システムは、第１実施例の構成よりコンデンサ９を削除しており、バッテリ４の正側端子と接続点６との間の線路長が（ｎ×λ／２＋λ／４）となるように、電力線５’の長さを設定している。また、グランド線１０は、電力線通信ブロック７のグランドと、バッテリ４の負側端子（非電力線通信ブロック８のグランド）とを直結している。これらが整合区間１４を構成している。
すなわち、上記のように整合区間１４を介してバッテリ４を直結すると、接続点６から見たバッテリ４側の高周波インピーダンスは十分に低いため、斯様な構成による場合もショートスタブ構造と同様の作用が生じる。

図６は、図５の構成についての実験系を示す。この場合、電源重畳部とバッテリ４の正側，負側端子とを直接接続する整合区間１４を、第１実施例と同様にツイストペア線で構成し、その線路長をλ／４≒１．５ｍに設定している。図７は第１実施例の構成と通過特性Ｓ２１を比較して示している。第２実施例の場合（整合回路；コンデンサ９なし）、通過帯域内に信号レベルが−１．０ｄＢまで落ち込む点があるが、通信に支障を来たすことはない。

以上のように第２実施例によれば、バッテリ４の正側端子と通信線３との間を接続する電力線５’の線路長を（ｎ×λ／２＋λ／４）に設定にすることで、第１実施例とほぼ同様にショートスタブと等価な構造をなすことができ、フィルタを構成するための素子を全く追加することなく、より簡単な構成で非電力線通信ブロック８に対して高周波信号の影響が及ぶことを防止できる。

（第３実施例）
図８は第３実施例であり、第１実施例と異なる部分について説明する。第３実施例は、通信線３が平衡線である場合を示す。すなわち、図８に示す通信線３（＋），３（−）に対して、バッテリ４の正側端子に接続される電力線５は、２つの線５ａ，５ｂに分岐して接続点６（＋），６（−）にそれぞれ接続されている。そして、接続点６（＋），６（−）から線路長が（ｎ×λ／２＋λ／４）となる位置で、電力線５ａ，５ｂ間にコンデンサ９が接続されて、整合区間１５が構成されている。

以上のように構成される第３実施例によれば、通信線３が平衡線である場合に、バッテリ４の正側端子と通信線３（＋），３（−）との間を接続する電力線５ａ，５ｂの途中部位に、電力線５ａ，５ｂが通信線３（＋），３（−）に接続されている接続点６（＋），６（−）から線路長が（ｎ×λ／２＋λ／４）となる位置で、電力線５ａ，５ｂ間にコンデンサ９を接続する。斯様に構成した場合も、コンデンサ９の接続点において電力線５ａ，５ｂ間の高周波インピーダンスが低下するので、第１実施例と同様の効果が得られる。

（第４実施例）
図９は第４実施例であり、第１，第３実施例と異なる部分について説明する。第４実施例は、第３実施例と同様に通信線３が平衡線である場合に、接続点６（＋），６（−）から線路長が（ｎ×λ／２＋λ／４）となる位置で、電力線５ａ，５ｂとグランド線１０との間にそれぞれコンデンサ９ａ，９ｂを接続して整合区間１６を構成する。斯様に構成した場合も、通信線３が平衡線である場合に第１実施例と同様の効果が得られる。

（第５実施例）
図１０及び図１１は第５実施例を示す。第５実施例は、第２実施例と同様の構成を低インピーダンス負荷であるライト１７に適用した場合であり、図１０はその実験系を示す。電源重畳部（接続点）からライト１７に繋がる電力供給線１８（電力線），１９（グランド線）をツイストペア線とし、線路長がλ／４≒１．５ｍとなる位置でライト１７（のフィラメント）を接続している。これにより、整合区間２０が構成されている。図１１は、図１０の実験系について通信特性Ｓ２１の測定結果を示している。通信帯域の下限２４ＭＨｚでの信号レベルは−０．２ｄＢ程度であり、そこからなだらかに低下して上限３６ＭＨｚでの信号レベルは−０．７ｄＢ程度となっているが、通信に特段の障害はない。
以上のように構成される第５実施例によれば、通信線３とライト１７との間を接続する電力供給線１８，１９の線路長を（ｎ×λ／２＋λ／４）に設定にすることで、第１実施例とほぼ同様にショートスタブと等価な構造をなすことができ、フィルタを構成するための素子を全く追加することなく、簡単な構成でライト１７側に対して高周波信号の影響が及ぶことを防止できる。

（第６実施例）
図１２は本発明の第６実施例であり、第１実施例と異なる部分について説明する。第６実施例では、整合区間２１の線路を、同軸ケーブル２２を用いて構成した場合を示す。すなわち、同軸ケーブル２２の心線２２ａを電力線として、接続点６とバッテリ４の正側端子との間を配線長（ｎ×λ／２＋λ／４）で接続し、被覆線２２ｂの一端を電力線通信ブロック７側のグランドに、他端を非電力線通信ブロック８近傍のグランドに接続している。斯様に構成した場合も、第１実施例のツイストペア線，若しくは平行２線による接続と同様に、心線２２ａ（電力線）と被覆線２２ｂ（グランド線）との間隔が一定に維持されるので、フィルタ効果を安定して得ることができる。

本発明は上記し、又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
通信ノードが３つ以上あるシステムに適用しても良い。
第１実施例を、負荷に給電するための電力線に適用しても良い。
整合区間の長さを決定するｎの値は、適宜変更すれば良い。
低インピーダンスの負荷についてはライト１７に限ることなく、その他の負荷を対象としても良い。
第５実施例の整合区間２０に、平行２線や同軸ケーブルを用いても良い。
車載通信に限ることなく、電力線通信システムに広く適用できる。

図面中、１，２はＥＣＵ（通信ノード）、３は通信線、４はバッテリ（電源）、５は電力線（直流電力線）、６は接続点、９はコンデンサ、１０はグランド線、１１，１４〜１６は整合区間、１７はライト（負荷）、１８，１９は電力供給線（電力線，グランド線）、２０，２１は整合区間、２２は同軸ケーブルを示す。

Claims (7)

1. 複数の通信ノードが、それらの間を接続している直流電力線を通信線として使用し、前記通信線に波長λの高周波信号を重畳して通信を行う電力線通信システムであって、
   電源の正側端子と前記通信線との間，又は前記通信線と負荷の電源端子との間を接続する直流電力線の途中部位において、前記直流電力線が前記通信線に接続されている点から線路長が（ｎ×λ／２＋λ／４；ｎは０を含む自然数）となる位置で、グランドとの間にコンデンサを接続したことを特徴とする電力線通信システム。
2. 複数の通信ノードが、それらの間を接続している直流電力線を通信線として使用し、前記通信線に波長λの高周波信号を重畳して通信を行う電力線通信システムであって、
   電源の正側端子と前記通信線との間，又は前記通信線と負荷の電源端子との間を接続する直流電力線の線路長を、（ｎ×λ／２＋λ／４；ｎは０を含む自然数）に設定したことを特徴とする電力線通信システム。
3. 複数の通信ノードが、それらの間を接続している直流電力線を通信線として使用し、前記通信線に波長λの高周波信号を重畳して通信を行う電力線通信システムであって、
   前記通信線が平衡線である場合、電源の正側端子と前記通信線との間を接続する直流電力線の途中部位において、前記直流電力線が前記通信線に接続されている点から線路長が（ｎ×λ／２＋λ／４；ｎは０を含む自然数）となる位置で、一対の直流電力線とグランドとの間にそれぞれコンデンサを接続したことを特徴とする電力線通信システム。
4. 複数の通信ノードが、それらの間を接続している直流電力線を通信線として使用し、前記通信線に波長λの高周波信号を重畳して通信を行う電力線通信システムであって、
   前記通信線が平衡線である場合、電源の正側端子と前記通信線との間を接続する直流電力線の途中部位において、前記直流電力線が前記通信線に接続されている点から線路長が（ｎ×λ／２＋λ／４；ｎは０を含む自然数）となる位置で、一対の直流電力線間にコンデンサを接続したことを特徴とする電力線通信システム。
5. 前記（ｎ×λ／２＋λ／４）となる線路長区間を、ツイストペア線で構成したことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の電力線通信システム。
6. 前記（ｎ×λ／２＋λ／４）となる線路長区間を、同軸線で構成したことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の電力線通信システム。
7. 前記（ｎ×λ／２＋λ／４）となる線路長区間を、平行２線で構成したことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の電力線通信システム。

Images