特開 2024-149458 安全なＨＶ－ＤＣ配電システムのための障害検出及び管理方式

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024149458

(43)【公開日】2024-10-18

(54)【発明の名称】安全なＨＶ－ＤＣ配電システムのための障害検出及び管理方式

(51)【国際特許分類】

   H02J 1/00 20060101AFI20241010BHJP

   H02J 13/00 20060101ALI20241010BHJP

【ＦＩ】

H02J1/00 301B

H02J13/00 311R

H02J13/00 311B

H02J1/00 309Q

H02J1/00 301E

H02J1/00 301D

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024061472

(22)【出願日】2024-04-05

(31)【優先権主張番号】63/457,191

(32)【優先日】2023-04-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】18/605,100

(32)【優先日】2024-03-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】507202736

【氏名又は名称】パンドウィット・コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ワリード・バリード

(72)【発明者】

【氏名】マスド・ボロウリ－サランサー

【テーマコード（参考）】

5G064

5G165

【Ｆターム（参考）】

5G064AA01

5G064AA04

5G064AA08

5G064AB01

5G064AB05

5G064AC05

5G064AC08

5G064BA07

5G064CB06

5G064CB16

5G064DA03

5G064DA05

5G165CA01

5G165EA01

5G165HA01

5G165HA07

5G165LA01

5G165LA02

5G165PA01

5G165PA02

(57)【要約】      （修正有）

【課題】安全な高電圧ＤＣ電力の供給及び配電を提供するための信頼性の高い障害検出及び管理システムを提供する。
【解決手段】ＤＣ電力供給システムにおいて、ＤＣ電力送信機（ＤＣ－ＰＴＸ）１は、高電圧電源６と、高電圧電源に結合されたバスの電流を監視する電流感知回路９と、高電圧電源の電力出力を調整するためのスイッチを制御するために電流感知回路の出力を監視する計算処理要素（ＣＰＥ）８と、ＣＰＥから通信信号を受信するための通信インターフェースと、通信インターフェースから通信信号を受信し、伝送路を介して通信信号を送信するバンドパスフィルタ１２と、高電圧電源から電力出力を受信し、電力伝送路（ＰＴＬ）３を介して電力出力を送信する帯域阻止フィルタ１０と、を備える。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

クラス４電力システムで使用するためのＤＣ電力送信機であって、
高電圧電源と、
前記高電圧電源に結合されたバスの電流を監視するように構成された電流感知回路と、
前記高電圧電源の電力出力を調整するためのスイッチを制御するために前記電流感知回路の出力を監視するように構成されている、安全コントローラと、
前記安全コントローラから通信信号を受信するための通信インターフェースと、
前記通信インターフェースから前記通信信号を受信し、伝送路を介して前記通信信号を送信するように構成されている、バンドパスフィルタと、
前記高電圧電源から前記電力出力を受信し、前記伝送路を介して前記電力出力を送信するように構成された帯域阻止フィルタと、を備える、前記ＤＣ電力送信機。

【請求項2】

前記高電圧電源は、前記ＤＣ電力送信機の最大電流に調整された電流制限器をさらに含む、請求項１に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項3】

前記通信インターフェースは、前記安全コントローラから受信したＲＦフォーマットの前記通信信号を変調及び復調するように構成された無線周波数（ＲＦ）変調器／復調器である、請求項１に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項4】

前記高電圧電源からの前記出力電力が最大２２５ＶのＤＣになるように構成される、請求項１に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項5】

前記伝送路に安全超低電圧（ＳＥＬＶ）信号を送り、前記伝送路に結合された受信機にある受信機側回路構成要素と通信して、前記伝送路の安全状態を確認してから、前記高電圧電源が前記伝送路を介して前記受信機に前記出力電力を供給できるようにするように構成される、送信機側回路構成要素をさらに含む、請求項１に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項6】

前記ＳＥＬＶ信号は、システム初期化状態中に前記伝送路に送られる、請求項５に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項7】

前記ＳＥＬＶ信号は、障害回復状態中に前記伝送路に送られる、請求項５に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項8】

前記送信機側回路構成要素は、
前記受信機側回路構成要素にピング信号を送信して、前記受信機に校正済み基準電流をシンクする校正済み基準負荷を導入し、
前記受信機側回路構成要素から、前記校正済み基準負荷の前記校正済み基準電流を確認する監視信号を受信し、また
前記校正済み基準電流と、前記電流感知回路によって前記伝送路で感知された前記電流との比較に基づいて、前記安全状態を確認するように構成されている、請求項５に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項9】

前記送信機側回路構成要素は、
前記伝送路を介して前記受信機側回路構成要素から応答信号を受信し、前記応答信号は、前記受信機の基準負荷の測定値を提供することによって前記受信機の存在を確認するように構成されている、請求項５に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項10】

前記送信機側回路構成要素は、
前記ＤＣ電力送信機の基準負荷の両端の電圧と前記受信機の基準負荷の両端の電圧を比較して、前記伝送路を介したデータ通信の質を検証するように構成されている、請求項５に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項11】

前記送信機側回路構成要素は、
ＲＦ信号を前記伝送路に重畳し、
前記伝送路に結合された前記受信機に情報を通信するためのＲＦ通信リンクを確立し、
前記ＤＣ電力送信機の基準負荷の両端で測定された電圧を識別する第１の電圧検出信号を、前記ＲＦ通信リンクを介して前記受信機に送信し、
前記ＲＦ通信リンクを介して前記ＤＣ電力送信機で、前記受信機の基準負荷の両端で測定された電圧を識別する第２の電圧検出信号を前記受信機から受信し、
前記ＤＣ電力送信機において、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電圧と、前記受信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電圧とを比較し、
前記ＲＦ通信リンクを介して前記ＤＣ電力送信機で、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電圧と、一致した前記受信機の基準負荷の両端で測定された前記電圧との比較を示す前記受信機からの検証信号を受信し、
前記ＤＣ電力送信機での前記比較と前記検証信号により、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電圧と、前記受信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電圧が一致することが確認されたときに、前記伝送路の前記安全状態を確認し、また
前記安全状態が確認されたときに、前記高電圧電源が前記伝送線を介して前記出力電力を供給できるようにするように構成されている、請求項５に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項12】

前記送信機側回路構成要素は、
ＲＦ信号を前記伝送路に重畳し、
前記伝送路に結合された前記受信機に情報を通信するためのＲＦ通信リンクを確立し、
前記ＤＣ電力送信機の基準負荷の両端で測定された電流を識別する第１の電流検出信号を、前記ＲＦ通信リンクを介して前記受信機に送信し、
前記ＲＦ通信リンクを介して前記ＤＣ電力送信機で、前記受信機の基準負荷の両端で測定された電流を識別する電流電圧検出信号を前記受信機から受信し、
前記ＤＣ電力送信機において、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流と、前記受信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流とを比較し、
前記ＲＦ通信リンクを介して前記ＤＣ電力送信機で、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流と、一致した前記受信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流との比較を示す前記受信機からの検証信号を受信し、
前記ＤＣ電力送信機での前記比較と前記検証信号により、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流と前記受信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流が一致することが確認されたときに、前記伝送路の安全状態を確認し、また
前記安全状態が確認されたときに、前記高電圧電源が前記伝送線を介して前記出力電力を供給できるようにするように構成されている、請求項５に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項13】

前記送信機側回路構成要素は、
ＲＦ信号を前記伝送路に重畳し、
前記伝送路に結合された前記受信機に情報を通信するためのＲＦ通信リンクを確立し、
前記ＤＣ電力送信機の基準負荷の両端で測定された電流を識別する第１の電流検出信号を、前記ＲＦ通信リンクを介して前記受信機に送信し、
前記ＤＣ電力送信機の基準負荷の両端で測定された電圧を識別する第１の電圧検出信号を、前記ＲＦ通信リンクを介して前記受信機に送信し、
前記ＲＦ通信リンクを介して前記ＤＣ電力送信機で、前記受信機の基準負荷の両端で測定された電流を識別する電流電圧検出信号を前記受信機から受信し、
前記ＲＦ通信リンクを介して前記ＤＣ電力送信機で、前記受信機の基準負荷の両端で測定された電圧を識別する第２の電圧検出信号を前記受信機から受信し、
前記ＤＣ電力送信機において、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流と、前記受信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流とを比較し、
前記ＤＣ電力送信機において、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電圧と、前記受信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電圧とを比較し、
前記ＲＦ通信リンクを介して前記ＤＣ電力送信機で、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流と、一致した前記受信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流との比較を示す前記受信機からの検証信号を受信し、
前記ＲＦ通信リンクを介して前記ＤＣ電力送信機で、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電圧と、一致した前記受信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電圧との比較を示す前記受信機からの検証信号を受信し、
前記ＤＣ電力送信機での前記比較と前記検証信号により、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流と前記受信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電流が一致することが確認されたか、または前記ＤＣ電力送信機での前記比較と前記確認信号により、前記ＤＣ電力送信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電圧と前記受信機の前記基準負荷の両端で測定された前記電圧が一致することが確認されたかの少なくとも１つのとき、前記伝送路の前記安全状態を確認し、また、
前記安全状態が確認されたときに、前記高電圧電源が前記伝送線を介して前記出力電力を供給できるようにするように構成されている、請求項５に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項14】

前記クラス４電力システム内の障害状態を識別するための障害検出回路をさらに含む、請求項１に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項15】

前記障害状態は、前記伝送線への接触、前記伝送線の短絡、伝送線または負荷の切断、不足電圧の場合、過電圧の場合、または望ましくないアーク事象のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項16】

前記障害検出回路は、
受信機側の障害検出回路と通信して、前記伝送路の電流の変化に基づいて前記障害状態を識別し、また
前記障害状態が識別された場合は、前記高電圧電源を切断するように構成されている、請求項１４に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項17】

前記伝送路は、少なくとも１８ＡＷＧ以上の太さを有する複数の導線を含むケーブルである、請求項１に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項18】

前記通信インターフェースが、
ＲＦ信号を前記伝送路に重畳し、
前記伝送路に結合された受信機に情報を通信するためのＲＦ通信リンクを確立し、
前記ＲＦ通信リンクを介して、負荷が前記受信機によって安全に検出されたという確認信号を含む確認メッセージを前記受信機から受信するように構成される、請求項１に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項19】

前記ＲＦ通信リンクは、単一の搬送周波数及び２つの異なるデジタル変調方式を使用し、２つの異なるベースバンド信号の変調に依存し、それぞれが異なる計算処理要素（ＣＰＥ）からのデータを符号化し、単一の搬送周波数を使用することによって冗長性を提供する、請求項１８に記載のＤＣ電力送信機。

【請求項20】

前記ＲＦ通信リンクは、２つの異なる搬送周波数及び２つの異なるデジタル変調方式を使用し、２つの異なるベースバンド信号の変調に依存し、それぞれが異なる計算処理要素（ＣＰＥ）からのデータを符号化することによって冗長性を提供する、請求項１８に記載のＤＣ電力送信機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２３年４月５日に出願された米国仮特許出願第６３／４５７，１９１号に対する利益を主張する。なおこの文献の全体は本明細書において参照により本明細書に組み込まれている。

【背景技術】

【0002】

信頼性が高く安全な配電システムは、人々が日常生活に依存するインフラストラクチャの解決法を提供するためのバックボーンである。最新の適用では、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｄｅ（ＮＥＣ）によって定義されたクラス４の電力システムに準拠した高電圧電力を利用することで、長距離にわたって信頼性が高く安全な電力を供給することを可能にし得る。クラス４の電力システムは、安全要件を遵守しながら、長距離にわたって大量の電力を提供する電力システムとして定義される。

【0003】

ただし、クラス４の電源システムカテゴリ内でも、様々な解決法が利用可能である。したがって、本開示では、他の既知の解決法と比較して、より安全で信頼性の高い電力を提供するクラス４の電力システムについて説明する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

このセクションは本開示の一般的な概要を提供するものであり、その全範囲またはすべての特徴を包括的に開示するものではない。

【0005】

実施形態によれば、クラス４電力システムで使用するためのＤＣ電力送信機が提供され、ＤＣ電力送信機は、高電圧電源、高電圧電源に結合されたバスの電流を監視するように構成された電流感知回路、高電圧電源の電力出力を調整するためのスイッチを制御するために電流感知回路の出力を監視するように構成されている、安全コントローラ、安全コントローラから通信信号を受信するための通信インターフェース、通信インターフェースから通信信号を受信し、伝送路を介して通信信号を送信するように構成されている、バンドパスフィルタ、及び高電圧電源から電力出力を受信し、伝送路を介して電力出力を送信するように構成された帯域阻止フィルタを備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態による、例示的な安全なＤＣ電力供給システムの構成要素を示す。

【図2】実施形態による、図１に示す安全なＤＣ電力供給システムの構成要素が、どのようにポイントツーポイントトポロジで構成され、結合された電力を供給し得るかを示す例示的な図を示す。

【図3】実施形態による、図１に示す安全なＤＣ電力供給システムの構成要素が、どのようにデイジーチェーントポロジで構成され得るかを示す例示的な図を示す。

【図4】実施形態による、単一チャネルの安全なＤＣ電力供給システムの例示的なシステムアーキテクチャを示す。

【図5】実施形態による、安全なＤＣ電力供給システムに含まれる例示的な障害検出安全システムを示す。

【図6】実施形態による、安全なＤＣ電力供給システムに含まれる代替の例示的な障害検出安全システムを示す。

【図7】実施形態による、安全なＤＣ電力供給システムに含まれる代替の例示的な障害検出安全システムを示す。

【図8】実施形態による、安全なＤＣ電力供給システムに含まれる代替の例示的な障害検出安全システムを示す。

【図9】実施形態による、安全なＤＣ電力供給システムの代替の例示的なマルチドロップ実装を示す。

【図10】実施形態による、図９に示される安全なＤＣ電力供給システムのマルチドロップ実装において非同期スロット通信を提供するように構成された通信信号の例示的な描写を示す。

【図11】実施形態による、図９に示される安全なＤＣ電力供給システムのマルチドロップ実装において同期スロット通信を提供するように構成された通信信号の例示的な描写を示す。

【図12】実施形態による、安全なＤＣ電力供給システムに含まれるＲＦ通信サブシステムの例示的なシステムアーキテクチャを示す。

【図13】実施形態による、安全なＤＣ電力供給システムにおける障害電流制限を検出するための電流の量に対する電流継続時間をプロットした例示的なグラフを示す。

【図14】実施形態による、図１３に示される障害電流制限検出を実装するように構成された安全なＤＣ電力供給システムの例示的なシステムアーキテクチャを示す。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に説明する方法、装置、システム、及び他の特徴は、多くの異なる形式で具体化され得る。しかし、図示された構成要素のすべてが必要となり得るわけではなく、いくつかの実施態様には、本開示で明示的に説明されているものの追加の、異なる、またはより少ない構成要素が含まれる場合がある。構成要素の配置及び種類の変更は、本明細書に記載の特許請求の範囲の精神または範囲から逸脱することなく行われ得る。さらに、論理演算の追加、削除、または再配置及び順序を含む、説明したプロセスの変更は、本明細書に記載の特許請求の範囲の精神または範囲から逸脱することなく行われ得る。

【0008】

クラス４電源システムは、クライアントがデバイスにリモートで電力を供給する方法を変更して、より優れた安全レベルと電力効率を利用することができる。クラス４電源システムには、低電力クラスのような電力制限がなく、最大電圧は４５０Ｖだが、安全性を最優先に考慮して設計されてもいる。電源／送信機及び／または受信機に実装された安全回路（複数可）は、クラス４電力システムの電力供給を制御し、障害を監視し、障害事象の間に利用可能なエネルギーと電力を制限する。

【0009】

Ｕｎｄｅｒｗｒｉｔｅｒｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（ＵＬ）が最近、ＵＬ１４００－１及びＵＬ１４００－２を発行し、これらの文書がどちらもＡＮＳＩプロセスを通じて提出され、規格となっている。ＵＬ１４００－１は障害管理電源システム（ＦＭＰＳ）の要件を定義し、ＵＬ１４００－２はクラス４回路ケーブルの評価に関する安全上の考慮事項と基準を説明する。

【0010】

ＦＭＰＳは、ＮＦＰＡ／ＮＥＣのクラス４指定に関連付けられている。これは、かなり異なる方法で感電や火災の危険から保護する、障害エネルギーが制限された電源である。配線の障害を継続的に監視し、障害が検出された場合（例えば、誰かが動作中に露出した配線に誤って触れた場合）、障害エネルギーを安全なレベルに制限することにより、直ちに自動的に電力を遮断する。

【0011】

ＦＭＰＳには電力制限がなく、数百ワットの電力を安全に供給できるため、業界は以前は１００Ｗの電力レベル（クラス２など）または１００メートルの距離に制限されていた（例えば、Ｐｏｗｅｒ ｏｖｅｒ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（ＰｏＥ）の距離制限） ケーブルを使用して、より高いレベルで長距離、電力をサポートできるようになる。例えば、１８ＡＷＧワイヤのペアを使用すると、ＦＭＰＳシステムは２ｋＷで４００ｍ、または４００Ｗで２０００ｍを伝送し得、どちらも７０％を超える効率で伝送し得る。ＦＭＰＳは、接触しても安全であるように設計されている。ＦＭＰＳは接続配線を継続的にスキャンして、障害の存在を検出する。障害が安全ガイドラインの範囲内で存在する場合、回路が開き、心室細動現象を防止する。

【0012】

ＦＭＰＳを使用すると、ケーブル導管を必要とせずに、集中リモート電源管理と配電、電力測定、及び電源バックアップが可能になる。クラス２ＤＣ電源（ＥＳＬＶ電源、ＰｏＥなど）と比較して、クラス４のＤＣ電源（最大４５０ＶのＤＣ）は、より細い銅導体を使用して、より長い距離にわたってより多くの電力を供給できる。

【0013】

本開示は、信頼性の高い、安全な高電圧ＤＣ電力供給及び配電を提供するために、本明細書に記載される基準を満たすように構成された、強化されたＦＭＰＳの実施形態を採用し得る、新規な障害検出及び管理解決法について説明する。説明した解決法は、高電圧単一ペア導体ケーブル上で機能安全定格のＲＦ通信リンクを統合するために使用される様々な技術と方法を示している。本明細書で実証するこれらの技術の実装は、ＮＥＣが定義するクラス４電源システムの要件を満たすことを意図しており、さらに、長距離にわたって大量の電力を供給しながら、時間とコストの大幅な節約をもたらす、より安全でより信頼性の高い、設置が簡単な電力供給システムのため、ＵＬ規格１４００－１及び／または１４００－２に準拠するように設計されている。

【0014】

直流をオン／オフ間隔にチョッピング（つまり、パルス化）することに依存し、別のパルスを送信し得る前に各間隔で障害状態をテストするクラス４の電力を供給するためのパルス電力またはパルス電流システムとは異なり、高電圧をチョッピングすることなく、電源（送信機）から標準の多導体銅ケーブルを介する負荷（受信機）までの直流電流の供給を、本解決法が制御する。受信機は、高電圧直流をクライアントに適用可能な電圧（例えば、＋／－５７ＶＤＣ）に変換し、複数のエンドデバイスに電力を供給するために使用できる。本開示の目的のために、この解決法は安全ＤＣ電源（ＳＤＣＰ）及びＳＤＣＰ供給システムと呼ばれる。

【0015】

ＳＤＣＰ供給システムは、例えば、１）人のケーブルとの接触、２）ケーブルの短絡、３）ケーブルの切断、４）不足電圧の場合、５）過電圧の場合、または６）負荷の切断を含む、様々な障害インシデントについて伝送路をチェックする障害検出回路の冗長性を実装する。障害が発生した場合、送信機は受信機（複数可）と連携して線電流の変化を検出し、非常に短時間のうちに送信機の高電圧電源を切断する。安全超低電圧（ＳＥＬＶ）の値（またはＵＬ１４００－１で定義されている「放出」制限に達していない値）は、伝送路が安全であることを確認するために参照され、その後高電圧電力を再度有効にし、安全切断行為が続くようにし得る。これにより、銅導体に触れても安全になり、設置が簡素化され（ケーブル導管が不要、認定電気技術者が不要など）、配備する時間とコストが削減される。ＳＤＣＰ供給システムは、本明細書で説明する解決法を採用して、高電圧電流のチョップアップに依存するパルス解決法と比較して、より高い電力効率を提供し、スイッチングのストレスとノイズを低減する。

【0016】

ＳＤＣＰ供給システムでは、単一または複数の周波数のＲＦ通信信号を同じ伝送路に重畳して、スケーラブルで管理性の高い配電システムでのシステムの安全性、管理、制御、及びデータ報告を可能にする機能を提供し得る。
システムアーキテクチャ

【0017】

図１は、例示的なＳＤＣＰシステム１００を示しており、それは、３つの主要な要素、すなわち、ＤＣ電力送信機（ＤＣ－ＰＴＸ）１（すなわち、送信機側１）、ＤＣ電力受信機（ＤＣ－ＰＲＸ）２（すなわち、受信機側２）、及び電力伝送路（ＰＴＬ）３からなる。図１に示すＳＤＣＰシステム１００は、単一の密閉されたポイントツーポイントＳＤＣＰシステムの例である。しかしながら、ＳＤＣＰシステム１００は、集中管理ポイントの下でより密閉されたシステムと接続するように拡張され得る。例えば、１つのＳＤＣＰシステムには、単一ペアのＰＴＬを介してポイントツーポイント方式でＤＣ－ＰＲＸチャネルに接続する最大４８個のＤＣ－ＰＲＸチャネルが含まれる場合がある。

【0018】

ＳＤＣＰシステム１００はまた、図２に示すように、より高い出力電力をサポートするために、いくつかのＤＣ－ＰＲＸチャネルを組み合わせることもサポートし得る。集積電力結合回路４は、ｎ個の制御出力スイッチ、ｎ個の逆電流／極性阻止／保護コントローラ、ｎ個の負荷共有コントローラ、及びエンプロイの高度な負荷起動アルゴリズムを含み得、この場合ｎは整数である。図２に示すように、負荷５は、統合された電力結合回路４の出力に接続され、結合された電力を受信し得る。

【0019】

ＤＣ－ＰＴＸ１とＤＣ－ＰＲＸ２との間の相互接続は、ポイントツーポイント回路結合トポロジに限定されない場合があり、図３に示すような「バスまたはマルチドロップ」トポロジに従って結合してもよい。ＤＣ－ＰＴＸ１とＤＣ－ＰＲＸ２を、このような図３に示すようなデイジーチェーン回路接続トポロジで接続する場合、単一のＤＣ－ＰＴＸ１はｎ個のＤＣ－ＰＲＸ２チャネルを駆動し得る。各ＤＣ－ＰＲＸ２チャネルは、ＲＦ通信リンクを介してＳＤＣＰシステム１００の起動時に割り当てられる固有のアドレスでアドレス指定され得る。

【0020】

図４は、ＳＤＣＰシステム１００における単一チャネルのより詳細な例示的なシステムアーキテクチャを示す。このシステムアーキテクチャには、ＰＴＬ３を介して高電圧電力とＲＦ通信データを重畳するサブシステムが含まれている。

【0021】

図４に示す詳細なシステムアーキテクチャでは、ＤＣ－ＰＴＸ１の一部である構成要素が対応する点線の中に示されており、ＤＣ－ＰＲＸ２の一部である構成要素が対応する点線の中に示されている。ＰＴＬ３は、依然として、ＤＣ－ＰＴＸ１とＤＣ－ＰＲＸ２の間で信号を送信するための接続として示されている。

【0022】

ＤＣ－ＰＴＸ１には、プログラム可能な電流制限器を備えた高電圧電源（ＰＳＵ）６が含まれている。ＰＳＵ６への入力電源はＡＣ電源またはＤＣ電源であり得る。ＰＳＵ６の出力は最大±２２５ＶのＤＣで、電流が制限されており、ＰＳＵ６の出力は１つ以上の高電力スイッチ（複数可）７を介して冗長ＣＰＥ８によって直接制御される。

【0023】

スイッチ７からの出力は、ＤＣ－ＰＴＸ１の線電流を継続的に監視する高精度の電流感知回路９に供給される。電流感知回路９は、バスのハイサイド、ローサイド、または両側の電流を監視するために利用できる。電流感知回路９から出力されたデータは、ＣＰＥ８によって、リアルタイムで分析される。

【0024】

電流感知回路９の電力出力は、高電圧、高電力、非常に狭帯域の共振帯域阻止フィルタ１０に供給される。帯域阻止フィルタ１０は、高電力及び高電圧の共振インダクタ及びコンデンサから構成され、ＲＦ通信搬送周波数では非常に高い特性インピーダンス（ノッチ）を設け、それ以外の場合は非常に低いインピーダンスを設けてもよい。この帯域阻止フィルタ１０がなければ、ＲＦ信号はシステムのバルク静電容量によって分路されることになる。

【0025】

帯域阻止フィルタ１０の出力は、ＰＴＬ３に直接接続される。ＲＦ通信信号は、差動、高電圧、狭帯域、共振バンドパスフィルタ１２を介して同じＰＴＬ３に重畳される差動信号である。バンドパスフィルタ１２は、一次回路（ＨＶ）及び二次（ＬＶ）回路の間に３ＫＶ強化絶縁障壁を設け、ＤＣ成分を遮断するために使用される高電圧共振インダクタ及びＸ１Ｙ１コンデンサから構成され、フィルタ帯域の低電圧、高周波成分のみが、ＲＦフロントエンドで確認できるようにする。

【0026】

通信信号は、ＣＰＥ８によって符号化または復号化され、ＲＦ変調器／復調器１１を使用して単一搬送波または複数搬送波周波数を介して変調または復調される。通信信号は、スケーラブルで管理可能な配電システムのシステムの安全性、管理、制御、及びデータ報告の手段を提供する。ＲＦ変調器／復調器１１のより詳細なシステムアーキテクチャについては、本開示で後述する。

【0027】

ＤＣ－ＰＲＸ２は、帯域阻止フィルタ１０、ＲＦ変調器／復調器１１、及びバンドパスフィルタ１２を含む、ＤＣ－ＰＴＸ１に含まれるのと同じ要素の多くを含む。ＤＣ－ＰＲＸ２の電流感知回路１３は、ＤＣ－ＰＴＸ１の電流感知回路９と同様であるが、電流感知回路１３は、電源の最大電流ではなく負荷の最大電流に対して調整される。電流感知回路１３は、バスのハイサイド、ローサイド、または両側の電流を監視するために利用され得る。

【0028】

計算処理要素（ＣＰＥ）１４は、電流感知回路１３から受信したリアルタイムデータを分析し、ＲＦ変調器／復調器１１の通信信号の符号化及び復号化を実行し、ＤＣ－ＰＲＸ２の電力変換を制御する。ＣＰＥ１４は、本明細書でより詳細に説明するように、安全感知及び制御用に構成されている。

【0029】

回路構成要素１５（例えば、ダイオード）は、ＤＣバスバルクコンデンサ１６から放出される逆電流を阻止するために使用される。回路構成要素１７（例えば、ＳＥＬＶを含む）は、高電圧電力を再び有効にする前に線路が安全であることを確認するためにＰＴＬ３に安全超低電圧（ＳＥＬＶ）を加えるために使用される。回路構成要素１８は、回路構成要素１７（例えば、ＳＥＬＶを含む）がアクティブである場合にのみアクティブであり、システム障害検出回路を確認するための基準負荷として使用される。回路構成要素１７（例えば、ＳＥＬＶを含む）は、回路構成要素１８と共に、ＳＤＣＰシステム１００のテスターのテスト機能、システム検証機能、及び負荷存在機能を設ける。回路構成要素１８は、基準負荷構成要素を含む。

【0030】

スイッチ１９は、初期化中のシステムの校正／確認のため、また通常動作中のシステムの検証／テスターのテスト機能のために負荷を切断するために使用される。回路構成要素１８は、スイッチ１９とともに、ＳＤＣＰシステム１００の初期化中及び通常動作中に、システムの校正／確認機能を提供する。
障害検出

【0031】

図５は、送信機側１－１及び受信機側２－１を含む例示的なＳＤＣＰシステム５００のハイレベルアーキテクチャの図を示し、ＳＤＣＰシステム５００の安全障害検出機能に関与する構成要素を示す。送信機側１－１には、主要な安全関連機能を実装するための構成要素が含まれている。これらの機能は、例えば、１）人のケーブルとの接触、２）ケーブルの短絡、３）ケーブル／負荷の切断、４）不足電圧の場合、５）過電圧の場合、６）過負荷の場合、または７）アーク事象を含む様々な障害インシデントについてＰＴＬ３をチェックする障害検出回路を採用している。ケーブルとの接触などの障害の状態では、送信機側１－１は受信機側２－１と連携してＰＴＬ３の電流変化を検出し、高圧電源６を瞬時に遮断する。

【0032】

送信機側１－１は、安全超低電圧（ＳＥＬＶ）電源１７を採用しており、ＳＥＬＶ電源１７は、システムの初期化中及びＳＤＣＰシステム５００の障害回復プロセス中に有効にされて、受信機側２－１の存在を確認し、ＲＦ通信リンクを確立し、ＰＴＬ３の安全状態を確認してから、高電圧電源６を有効にする。冗長電源スイッチ７を介して高電圧電源６を有効／無効にするために使用される安全レベル制御。電流感知回路９とＳＥＬＶ電源１７の両方を制御する安全信号は、計算処理要素（ＣＰＥ）８によって処理される。ＣＰＥ８は、個別のハードウェア、機能安全認定プロセッサ、またはプログラマブル論理回路に基づき得る。ＣＰＥ１４は、本明細書でより詳細に説明するように、安全感知及び制御用に構成されている。

【0033】

通信リンクが確立され、受信機側２－１がその存在と完全性を確認すると、送信機側１－１は受信機側２－１にＰＴＬ３の状態確認プロセスを開始するように命令する。このプロセスには、校正済み基準回路構成要素１８（例えば、基準負荷）は、システムの最小電流検出分解能に等しい電流をシンクする。電流感知回路９は、ＰＴＬ３を通る給電電流を監視し、電流感知回路１３は、回路構成要素１８（例えば、基準負荷）によるシンク電流を監視する。電流感知回路９及び電流感知回路１３のデータ出力は、それぞれの送信機側１－１及び受信機側２－１のＣＰＥ８及びＣＰＥ１４によってリアルタイムで分析される。スイッチ１９は確認段階で切断される。

【0034】

システム検証プロセスは、事前に定義された期間にわたって継続される。この間、リアルタイムで分析されたデータは、ＣＰＥ８及びＣＰＥ１４によって符号化／復号化され、また、それぞれの送信機側１－１と受信機側２－１の両方でＲＦ変調器／復調器１１によって変調／復調される。ＣＰＥ８は、他のシステムメトリクスに加えて電流感知データを両側（つまり、送信機側１－１と受信機側２－１）から分析することで、さらなるステップを実装し、システムの完全性、妥当性、安全性の基準がすべて満たされていることを確認する。

【0035】

確認が完了すると、ＣＰＥ８は、ＣＰＥ１４に、回路構成要素１８（例えば、基準負荷）を無効にし、通信リンクを介した受領通知及び電流感知回路９を介して受信される給電電流の監視によって無効になるまで待機するように命令する。その後、ＳＥＬＶ１７は無効にされ、高電圧電源６は有効にされる。ここで、ＳＤＣＰシステム５００は、受信機側２－１がスイッチ１９を閉じることによって負荷５に電力を供給できる通常動作モードに切り替えられる。

【0036】

通常動作モードでは、両端のＳＤＣＰシステム５００は、電流感知回路９がＰＬＴ３を介して給電電流を監視し、電流感知回路１３が負荷５によるシンク電流を監視するいずれかの障害状態についてリアルタイムで監視される。電流感知回路９及び電流感知回路１３のデータ出力は、それぞれＣＰＥ８及びＣＰＥ１４によってリアルタイムで分析される。ＣＰＥ１４は、分析されたデータを符号化し、ＲＦ変調器／復調器１１は、次いで動的に割り当て／割り当てられた通信スロットで送信機側１－１に通信されるデータを変調する。送信機側１－１側のＲＦ変調器／復調器１１は、受信機側２－１に送信するデータを変調し、受信機側２－１から受信したデータを復調する。ＣＰＥ８は、受信した監視データを処理し、それをローカル監視データと比較する。高電圧電源６によって供給されるリアルタイム電流が負荷５によるシンク電流と等しい場合、通常の動作が継続する。そうでない場合、ＣＰＥ８は高電圧電源６を遮断し、システム検証モードに戻る。上掲の７つの障害インシデントのいずれかがまた、システムの電源をバックオフし、システム検証モードに切り替え得る。

【0037】

通常動作モードでは、送信機側１－１と受信機側２－１は、確認モードに戻ることなく、共同してテスターのテスト（ＴｔＴ）手順を実行する。ＴｔＴ手順は、オンザフライシステム診断手順を実行することにより、安全性確認の別の層を追加する。この手順は、各通信サイクルにおいて動的に割り当てられた通信スロットを利用して、非常に短い時間の間、回路構成要素１８において校正済み基準負荷（例えば、基準負荷）を導入する。回路構成要素１８（例えば、基準負荷）は、スイッチ１９を切断しながら、及び／またはスイッチ１９を切断せずに導入される。３つの例示的なシナリオがある。

【0038】

１）回路構成要素１８（例えば基準負荷）は導入されず、スイッチ１９が接続される。電流感知回路９及び電流感知回路１３は両方とも負荷５の電流のみを感知するべきである。

【0039】

２）回路構成要素１８（例えば、基準負荷）が導入され、スイッチ１９が接続される。電流感知回路９及び電流感知回路１３は両方とも、負荷５と回路構成要素１８（例えば、基準荷重）の電流の合計を感知すべきである。または、

【0040】

３）回路構成要素１８（例えば、基準負荷）が導入され、かつスイッチ１９が切断される。電流感知回路９及び電流感知回路１３は、回路構成要素１８（例えば、基準負荷）のみを感知すべきである。

【0041】

受信機側２－１は、検証のためにそのスロットでデータを送信機側１－１に通信する。通信スロット及びサイクルのさらなる詳細については、以下の通信リンクセッションで挙げる。
冗長電流感知による拡張障害検出

【0042】

図６は、線路の両側（例えば、送信機側と受信機側）に継続的な電流監視を追加することにより、図５に示す安全システムを拡張したＳＤＣＰシステム６００の例示的なシステムアーキテクチャを示す。ＳＤＣＰシステム６００は、送信機側１－２及び受信機側２－２を備える。

【0043】

この解決法は、図５の解決法と同様の方法で機能する。ただし、電流はシステムの両側のバスのハイサイドとローサイドで、送信機側１－２（冗長電流監視回路９）と受信機側２－２（冗長電流監視回路１３）で監視される。

【0044】

ＳＤＣＰシステム６００のこの拡張された概念の利点は、ハイサイド及びローサイドのリアルタイム電流データが分析されて、送信機側１－２及び／または受信機側２－２のいずれかの漏れ電流を検出することである。さらに、この概念は、ＣＰＥ８が受信機側２－２から受信したハイサイド及びローサイドの電流データを送信機側１－２のデータと比較するように、電流監視回路９及び１３に自然な冗長性を追加する。ＳＤＣＰシステム６００が安全であると判断するためには、両側が一致していなければならない。

【0045】

システムの冗長性による拡張された障害検出
図５及び図６に示されている概念は、１ＯＯ１（１－ｏｕｔ－ｏｆ－１）アーキテクチャを実装する。より良好な時間内障害率（ＦＩＴ）及び／またはより高い安全度水準（ＳＩＬ）率を達成するために、図７に示すようにＳＤＣＰシステム７００に冗長性を導入することができる。例えば、ＳＩＬ３は、１ＯＯ２（１－ｏｕｔ－ｏｆ－２）アーキテクチャの２つのＳＩＬ定格ＣＰＥで実現できる。

【0046】

Ｈ１を達成するには、システムアーキテクチャを個別方式または協調方式で実装できる。図７は、ＳＤＣＰシステム７００における冗長性のための１ＯＯ２協調方式を示す。図８は、ＳＤＣＰシステム８００における冗長性のための１ＯＯ２個別方式を示す。

【0047】

図７の１ＯＯ２協調方式は、送信機側１－３に２つのＣＰＥ８を使用し、受信機側２－３に２つのＣＰＥ１４を使用する。ＣＰＥ８、１４のそれぞれは、ＤＣバスのハイサイドとローサイドで高精度電流感知回路９、１３にそれぞれインターフェースされている。

【0048】

受信機側２－３では、バスのハイサイドとローサイドのリアルタイム電流感知データストリームが、最初にＣＰＥ１ １４の両方、次にＣＰＥ２ １４によって分析される。次に、共同的なデータ検証のために、結果が２つのＣＰＥ１４間で共有される。両方からの結果がＣＰＥ２ １４に割り当てられ、符号化されて送信機側１－３に通信される。

【0049】

一方、送信機側１－３が同じ手順を実行するが、受信機側２－３のＣＰＥ１ １４及びＣＰＥ２ １４が解析したデータをＣＰＥ１ ８及びＣＰＥ２ ８の両方が受信し、両方のＣＰＥ８が比較を実行して協力して決定を下す点が異なる。決定した結果は、実行するために、その後ＣＰＥ２ ８に割り当てられる。

【0050】

図８の１ＯＯ２個別方式は、２つの独立したチャネルを採用している。各チャネルは個別の分析と決定を行う。それぞれの結果は、次いでハードウェア意思決定ロジックにマッピングされ、ＳＤＣＰシステム８００が確実に動作し、安全な状態にあると両方の個別のサブシステムが同意した場合に、及び同意した場合にのみ、高電圧電源６を有効にしておく。そうでない場合、高電圧電源６は即座に無効になり、ＳＤＣＰシステム８００は確認モードに戻る。

【0051】

ＳＤＣＰシステム８００で使用される１ＯＯ２個別方式はまた、同じワイヤ対の２つの独立した通信チャネルを利用する。両方の通信回線チャネルが同じ伝送路を利用することを考えると、各チャネルのデータは独立して別々に保たれるべきである。これを行うために、２つのチャネルで次の実施態様のいずれかを使用してもよい。

【0052】

単一搬送周波数及び２つの異なるデジタル変調方式。

【0053】

２つの異なる搬送周波数（ｆ_１／ｆ_２）、及び１つのデジタル変調方式。または、

【0054】

２つの異なる搬送周波数（ｆ_１／ｆ_２）、及び２つの異なるデジタル変調方式。

【0055】

上記の実施態様のさらなる詳細については、以下の通信リンクのセクションで説明する。
マルチドロップバス及びスロット通信リンクを備えた拡張設計

【0056】

図９は、前述の実施形態で実証された概念に基づいて構築されるＳＤＣＰシステム９００のマルチドロップシステムの実施態様を示す。マルチドロップＳＤＣＰシステム９００は、シングルマスター、マルチスレーブ構成トポロジを実装する。通信リンクはスロット通信プロトコルを採用しており、受信機側２－５の各スレーブは、動的通信ウィンドウ内部で事前定義または割り当てられた通信スロットを利用してデータを通信する。

【0057】

図１０及び図１１は、それぞれ、非同期のスロット通信機能及び同期のスロット通信機能を利用する通信信号３５、４０の例示的な表現を示す。通信信号３５、４０の通信スロット３６は、非同期通信モードではマスターによって割り当てられるか、同期通信モードでは事前に定義される。しかしながら、通信ウィンドウ３７は、バスに接続されたノードの数に依存する通信リンク帯域幅を最大限に活用するために、両方のモードで動的に調整される。

【0058】

図１０に示す通信信号３５は、実施形態によれば、非同期通信モードで利用されている。非同期通信モードは、送信機側１－５のマスターが、受信機側２－５の特定のスレーブノードに通信スロット３６を割り当てるものとして定義される。各ノードには固有のＩＤがある。スレーブノードは、マスターからノード宛の問い合わせを受信すると、データを通信する。

【0059】

図１０は、マルチドロップシステムアーキテクチャにおいて非同期スロット通信を利用する通信信号３５の例示的な表現を示す。「アイドル時間」（ｔ_ｉｄｌ）は、伝播遅延、許容係数を考慮し、いずれかの通信衝突の可能性を減らすために、ウィンドウの最初と最後に使用される。「問い合わせスレーブ」（ｔ_ｑｒｙ）は、特定のノードをアドレス指定してデータを要求するためにマスターによって送信されるコマンドである。「スレーブの処理」（ｔ_ｐｃｓ）は、マスターによって要求されたデータをスレーブノードが処理するのに必要な時間である。「スレーブの処理」（ｔ_ｒｓｐ）は、マスターがアドレス指定されたノードから受信したデータを受信して処理するのに必要な時間である。「スロット時間」（ｔ_ｓｌｏｔ）は、スロットの処理を実行する時間の合計である。

【0060】

スロットの数はノードの数次第である。各スロットの時間はノードの数に基づいて動的に調整される。すべてのスロットに必要な合計時間（ｔ_{ｃｙｃｌｅ}）は、電流継続時間にわたって電流の値を安全に供給するために定義された「障害電流制限曲線」の「電流継続時間」を超えるべきではない通信リンクウィンドウ時間３７である。

【0061】

最後のスロット３８は、各サイクルの終わりに実行されるＴｔＴ手順に割り当てられる。これは、ＳＤＣＰシステム９００が「障害電流制限曲線」によって定められる時間内に各サイクルで自己検証されることを意味する。このサイクルは連続的であり、ループ３９で繰り返される。

【0062】

サイクルが完了すると、マスター送信機側１－５は受信データを蓄積し、それを基準ソースデータ（電流）と比較する。シンク電流がソース電流と一致しない場合、マスターは高電圧電源６を切断し、システム検証モードに切り替わる。

【0063】

同期通信モードは、マスターが各サイクルの最初のスロットでブロードキャスト信号を送信し、それに対して同期するすべてのノードをアドレス指定するものとして定義される。すべてのノードは、事前定義されたスロットでデータを通信する。

【0064】

図１１は、マルチドロップシステムアーキテクチャにおいて非同期スロット通信を利用する通信信号４０の例示的な表現を示す。すべてのノードは、通信リンクを介してマスターによって生成される同期信号に同期される。同期信号は通信ウィンドウ３７の最初のスロット４１（ｔ_ｓｙｎｃ）に割り当てられる。これは、すべてのノードが各サイクルで同じクロック信号に厳密に同期していることを意味する。「アイドル時間」（ｔ_ｉｄｌ）は、伝播遅延、許容係数を考慮して、いずれかの通信衝突の可能性を減らすために、ウィンドウの最初と最後に使用される。「スレーブがデータを通信」（ｔ_ｓｃｄ）は、通信リンクを利用してデータを送信するノードである。すべてのノードが同期されており、通信スロットが事前に割り当てられているため、マスターからの問い合わせは必要ない。最後のスロット３８（ｔ_{ｔｅｓｔｅｒ}）はＴｔＴプロシージャに割り当てられる。このサイクルは連続的であり、ループ３９で繰り返される。

【0065】

同期通信モードは、問い合わせコマンドを追加せずに各ノードが独立してデータをマスターに送信するため、帯域幅という点で、より効率的である。すべてのノードはまた、システムの初期化段階で同期される。ＳＬＥＶソースが有効になっているとき、通信リンク上のすべてのシステムコンフィギュレーションコマンドは初期化段階で実行しなければならない。ユーザーデータ、メンテナンスデータ、システム情報なども通常動作モードで実行されるが、最優先事項が安全データの通信に割り当てられる。
通信リンク

【0066】

図１２は、本明細書で説明されるＳＤＣＰシステムのうちの任意の１つまたは複数に含まれ得るＲＦ通信サブシステム１２００の例示的なシステムアーキテクチャを示す。通信信号は、スケーラブルで管理可能な配電システムのシステムの安全性、管理、制御、及びデータ報告をもたらす手段を提供する。ＲＦ通信信号は、差動高電圧狭帯域共振バンドパスフィルタ１２を介して、同じＰＴＬに重畳される差動信号である。バンドパスフィルタ１２は、一次及び二次回路の間に３ＫＶ強化絶縁障壁を設け、ＤＣ成分を遮断するために使用される高電圧共振インダクタ及びＸ１Ｙ１コンデンサから構成され、フィルタ帯域の低電圧、高周波成分のみが、ＲＦフロントエンド１１で確認できるようにする。

【0067】

図１２は、ＲＦ通信フロントエンド１１のサブシステムを示す。差動ＲＦ信号は、ＲＦ通信帯域にわたって１０ＫΩ～１５ＫΩのＣＭインピーダンスとゼロに近い差動インピーダンスを設けることによっていずれのＣＭ干渉をもブロックする電流補償型コモンモード（ＣＭ）除去フィルタ２２で、ＲＦフロントエンド１１に接続される。

【0068】

ＲＦフロントエンド１１はまた、ケーブルの特性インピーダンス及びデイジーチェーンの使用事例においてバスに接続されたマルチドロップポイントの数に応じて、伝送路インピーダンスに整合するように調整できる、整合及び同調ネットワーク２３を含む。

【0069】

ＲＦフロントエンド１１はまた、高次の選択的アクティブ通過帯域フィルタ２４、多段、完全差動入力、低雑音増幅器２５、及び多段ＲＦ復調器２６を含む。復調された信号は、動的基準を提供するために時間変化する遅延を有する自己バイアス弁別器２７に供給される。デジタル化された信号は、ビットバンギングアルゴリズムを使用してデータを復号化する同期デコーダ２８に供給される。復号化されたデータは分析され、その後データ記憶装置２９（例えばメモリ）に記憶される。

【0070】

データ送信の場合、バイナリデータはデータ記憶ユニット３０（例えば、データ記憶ユニット２９と同じであり得る）からＣＰＥに供給され、それはバイナリデータ３１を符号化し、対応するベースバンド周波数及び搬送周波数を生成する。ＲＦフロントエンド１１はまた、符号化データを変調する多段ＲＦ変調器３２を含む。

【0071】

多段ＲＦ変調器３２からの変調データは、単方向差動デジタル線路ドライバ３３に供給され、次に差動高Ｑ共振バンドパスフィルタ３４に供給される。バンドパスフィルタ３４からの出力は、平衡変調されたＲＦ信号である。

【0072】

ＲＦ通信信号の符号化／復号化と変調／復調は、「システム冗長性による検出」のセクションで説明されている冗長性と信頼性の理由から、多段階で実行される。単一搬送周波数またはマルチ搬送周波数は、ＲＦ復調器２６及び／またはＲＦ変調器３２によって使用される。２つの異なる実施態様が考慮される。

【0073】

１．単一搬送周波数及び２つの異なるデジタル変調方式。

【0074】

２．異なる２つの搬送周波数（ｆ_１／ｆ_２）及び異なる２つのデジタル変調方式。
単一搬送周波数及びマルチ変調方式

【0075】

この実施態様は、２つの異なるベースバンド信号を変調することに依存しており、それぞれが単一の搬送周波数を使用して、異なるＣＰＥからのデータをエンコードする。これは、ＦＳＫ（周波数偏移変調）またはＰＳＫ（位相偏移変調）の変調方式によって１段目の搬送波を変調することによって行われる。２段目では、１段目の搬送波信号の変調バージョンに対してＡＳＫ（振幅偏移変調）の変調方式が実行される。結果として、最初のメッセージデータは周波数または位相変調され、２番目のメッセージデータは振幅変調される。受信機側で２つのメッセージを抽出するには、ＡＳＫ復調器とＦＳＫ復調器を使用して、メッセージを同時に抽出する。

【0076】

この実施態様では、単一の搬送周波数上で２つの独立したデータチャネルが提供され、１ＯＯ２協働方式に最適である。

【0077】

マルチ搬送波及びマルチ変調方式
この実施態様は、２つの異なるベースバンド信号の変調に依存しており、それぞれが２つの異なる搬送周波数と異なる変調方式を使用して、異なるＣＰＥからのデータをエンコードする。ＦＳＫ（周波数偏移変調）、ＰＳＫ（位相偏移変調）、またはＡＳＫ（振幅偏移変調）の変調のいずれかが、第１の搬送波及びベースバンド信号に適用される。第２の搬送波とベースバンド信号は、３つのうち第１の搬送波に使用されていない１つで変調される。受信機側で２つのメッセージを抽出するには、２つの別個のバンドパスフィルタと復調器を使用して、メッセージを同時に抽出する。

【0078】

この実施態様では、２つの異なる搬送波上に２つの独立したデータチャネルが設けられ、１ＯＯ２の個別方式に最適である。この実施態様はまた、最初の実施態様に比べて冗長性の点で利点がある。

【0079】

概念の実装
図１３は、本明細書で説明される解決法のいくつかの実施形態による、クラス４電力供給システムのＵＬ１４００－１「障害電流制限曲線（ｍＡ）」の実装を示すグラフ１３００を示す。図１４は、この概念の高レベルの実装を示している。システムの電源電圧リファレンス（６）±２１０ＶのＤＣ（４２０ＶのＤＣ）の設定の場合、障害電流制限期間は次のように計算できる。

【数1】

式中、ＨＢＭ_ＲｅｓはＵＬ １４００－１で定義されている人体の抵抗である。ＨＦは心臓の要因である。

【0080】

Ｄ＝２２ミリ秒は、指定されたパラメーターの許容期間である。つまり、ｔ_サイクル３７は≦２２ｍｓに制限されるべきである。つまり、システムは２２ミリ秒以内に障害に応答するべきである。

【0081】

ＵＬ１４００－１では２ＫΩＨＢＭ_Ｒｅｓが必要である。十分なマージンを備えた堅牢なシステムを設計するために、ＨＢＭ_Ｒｅｓが少なくとも２１倍→２１ＫΩであると仮定する。接触の結果としての障害電流は次のように計算できる。

【数2】

【0082】

システムが最大８８２Ｗを供給するように設計されていると仮定すると、これは４２０Ｖでの負荷電流が２１００ｍＡであることを意味し、システム全体の最大許容電流感知誤差は次のように計算できる。

【0083】

【数3】

【0084】

１０ｍΩ／０．１％許容差／２５ｐｐｍの精度の感知抵抗が使用された場合、ノードごとの電流感知誤差は次のように計算できる。

【数4】

【0085】

測定誤差がＩ_接触＝２１ｍＡ×０．０５＝±１．０５ｍＡの±５であると仮定する。これは±１０μＶに変換される。±１０μＶまでの測定精度を得るには、ＡＤＣの有効分解能を次のように計算するべきである。

【数5】

【0086】

実際の例として、２４ビットのデルタシグマ（ΔΣ）ＡＤＣであるＡＤＳ１３１Ｍ０４は、６４ｋｂｐｓのサンプリングレート及び３２の利得で、１３．７ビットに相当するフルスケールレンジ（ＦＳＲ）±１．２Ｖ／利得及びＥＲを有する。

【0087】

本明細書で説明するＳＤＣＰシステムは、安全な高電圧ＤＣ電力の供給及び配電のための信頼性の高い障害検出及び管理方式を提供する。これらの解決法の実装は、より安全でより信頼性が高く、設置が簡単な電力供給システムのためのＵＬ規格１４００に準拠するように設計されたクラス４の電力システムの要件を満たしている。

【0088】

本明細書で説明されるＳＤＣＰシステムはまた、高電圧単一対導体ケーブル上でＳＩＬ（安全性完全性レベル）定格のＲＦ通信リンクを統合するために使用される様々な技術及び方法を採用する。

【0089】

システム完全性自己チェック（テスターのテスト）方式を、ＳＤＣＰシステムに組み込み、初期化段階及び通常の動作中にシステムの信頼性と完全性を検証してもよい。

【0090】

負荷存在機能をＳＤＣＰシステムに組み込んで、負荷／ノードの存在と、初期化段階及び通常動作中にシステムに接続されているノードの数を検証してもよい。

【0091】

初期化中に、伝送路安全チェック方式をＳＤＣＰシステムに組み込んでもよい。動的及びスロット通信リンクもＳＤＣＰシステムに組み込んでもよい。単一ペアの電力導体を介した冗長データ通信のために、２つの異なるＲＦ通信方式をＳＤＣＰシステムに組み込んでもよい。また、システムの校正及び検証機能をＳＤＣＰシステムに組み込んでもよい。

【0092】

システムレベルでは、本明細書で説明するＳＤＣＰシステムは、安全な高電圧のＤＣ電力供給及び配電システムを設けるための障害検出及び管理方式を提供する。これらのＳＤＣＰシステムは、クラス４電源システムの要件を満たし、より安全でより信頼性が高く、設置が簡単な電力供給システムのためのＵＬ規格１４００－１に準拠している。電力（電圧及び／または電流）をパルス／チョッピングすることなく、電源（送信機）から標準の多導体銅ケーブルを介して負荷（受信機）までの高電圧直流（ＤＣ）供給を制御する。複数のシステムのネットワーキングインターフェースをデイジーチェーン接続して、システムの電力供給能力を拡張し、インフラストラクチャの統合管理と制御を行うことができる。ＤＣ電力送信機（ＤＣ－ＰＴＸ）、ＤＣ電力受信機（ＤＣ－ＰＲＸ）、及び電力伝送路（ＰＴＬ）という３つの主要な要素で構成される。各トランスミッタは、ポイントツーポイント方式で１つの受信機に接続することも、「バスまたはマルチドロップ」トポロジで複数の受信機に接続することもできる。受信機は、高電圧直流をクライアントに適用可能な電圧（例えば、＋／－５７ＶＤＣ）に変換し、複数のエンドデバイスに電力を供給するために使用できる。受信機は、制御された出力スイッチ、逆電流保護コントローラ、負荷共有コントローラ、及び高度な負荷起動アルゴリズムを統合する電力結合回路を通じて、より高い出力電力をサポートするために結合される複数のチャネルをサポートする。システムは２つの異なるモード、つまり１）システム初期化及び確認モード、２）通常動作モードで動作する。伝送路の安全性チェック、ＤＣ－ＲＴＸの存在チェック、及びシステム完全性自己チェックが、初期化中及び通常動作中に実行される。安全超低電圧（ＳＥＬＶ）電源と校正済み基準負荷が、システムの初期化及び／または障害回復中に有効になり、基準（２）の存在を確認し、ＲＦ通信リンクを確立し、基準（３）の安全状態を確認してから、高電圧源を有効にする。また、システムには冗長障害検出回路が実装されており、より優れた時間内障害率（ＦＩＴ）及び／またはより高い安全度水準（ＳＩＬ）率を実現する。

【0093】

本明細書で説明するＳＤＣＰシステムは、初期化中に、ＤＣ－ＰＴＸ側の安全超低電圧（ＳＥＬＶ）電源１７（ＵＬ１４００－１で定義されているように、「放出」制限に達していない値）、及び高電圧電力を有効にする前に、ＰＴＬが安全であることを確認するために、ＤＣ－ＲＴＸ側の校正済み回路構成要素１８（例えば、基準負荷）が使用されることを含む、伝送路の安全チェックをさらに提供する。校正済み回路構成要素１８（例えば、基準負荷）は、固定またはプログラム可能な負荷とすることができる。高電圧電源を有効にする前に、ＳＥＬＶ１７はＰＴＬ電圧を、受信機側２の制御及び通信回路に電力を供給するＳＥＬＶ値に設定する。送信機側１は、受信機側２にピングして、校正済み基準電流をシンクする校正済み回路構成要素１８（例えば、基準負荷）を導入する。受信機側２は、電流感知回路１３を介して電流をシンクする校正済み回路構成要素１８（例えば、基準負荷）を監視し、そのデータを送信機側１に通信する。送信機側１は、電流感知回路９を介してＰＴＬ給電電流を監視する。また、送信機側１はすべての測定値を比較してＰＴＬステータスを確認する。

【0094】

本明細書で説明するＳＤＣＰシステムはさらに、負荷存在機能が設計に組み込まれ、初期化段階及び通常動作中にシステムに接続されているＤＣ－ＲＴＸノードの存在と数を検証し、ＳＥＬＶ１７が、校正済み回路構成要素１８（例えば、基準負荷）と共に、ＤＣ－ＲＴＸチェックの存在も提供し、初期化中に、送信機側１が、校正済み回路構成要素１８（例えば、基準負荷）の所定の負荷の値を測定することによってＰＴＬ３ステータスを検証した後、ＤＣ－ＲＴＸの存在を検出し、また送信機側１も通信リンク応答を介してＤＣ－ＲＴＸの存在を検出することを含むＤＣ－ＲＴＸチェックの存在を提供する。

【0095】

本明細書で説明されるＳＤＣＰシステムはさらに、ＰＴＬステータスの安全性チェック及び／またはＤＣ－ＲＴＸの存在のチェックの前後に実施され、定義された帯域幅でのデータ通信に関するいずれかの問題について、通信リンクのサービスの質を検証し、ＳＥＬＶ１７を介してＳＥＬＶ校正済み電圧レベル（複数可）を使用し、校正済み回路構成要素１８を介して校正済み負荷（複数可）（例えば、基準負荷）を導入することによって、システムの精度を検証し、また両端の測定データが一緒に比較され、及び／または事前定義された基準値と比較されることを含む、初期化中のシステム完全性自己チェック（テスターのテスト）を提供する。

【0096】

本明細書で説明されるＳＤＣＰシステムはさらに、送信機側１と受信機側２が、確認モードに戻さずにオンザフライシステム診断を行うことによりテスターのテスト（ＴｔＴ）を集合的に実行し、各通信サイクルにおいて動的に割り当てられた通信スロットが、スイッチ１９を介して負荷を切断して、及び／または負荷を切断せずに、非常に短時間、校正済み回路構成要素１８（例えば、基準負荷）を導入するために利用され、校正済み回路構成要素１８（例えば、基準負荷）が導入されず、スイッチ１９が接続されている場合、電流感知回路９及び電流感知回路１３は両方とも負荷電流のみを感知すべきで、校正済み回路構成要素１８（例えば、基準負荷）が導入され、スイッチが接続されるとき、電流感知回路９及び電流感知回路１３は両方とも、負荷と校正済み回路構成要素１８（例えば、基準負荷）との電流の合計を感知すべきであり、校正済み回路構成要素１８（例えば、基準負荷）が導入され、スイッチ１９が切断されるとき、電流感知回路９及び電流感知回路１３が、校正済み基準負荷１８の電流のみを感知すべきであり、また受信機側２は、検証のために動的に割り当てられた通信スロットでデータを送信機側１に通信することを含む、通常動作中のシステム完全性自己チェック（テスターのテスト）を提供する。

【0097】

本明細書で説明するＳＤＣＰシステムはさらに、システムが、１）人のケーブルとの接触、２）ケーブルの短絡、３）ケーブル／負荷の切断、４）不足電圧の場合、５）過電圧の場合、６）過負荷の場合、または７）アーク事象を含むがこれらに限定されない障害インシデントを検出し、ケーブルとの接触、ケーブルの短絡、またはケーブルの切断の場合、送信機側１は受信機側２と連携して、ＰＴＬ３の負荷電流の変化を検出し、システム検証に切り替える前に高電圧電源６を即座に切断し、障害状態はリアルタイムで監視され、電流感知回路９はＰＴＬ３を通る給電電流を監視し、電流感知回路１３は負荷５によるシンク電流を監視し、ＰＴＬ３の電圧は、送信機側１と受信機側２の両方の回路によって過電圧／不足電圧の状態が監視され、電流感知回路９及び１３が、１）障害検出回路に冗長性を追加するため、及び２）送信機側１及び／または受信機側２のいずれかの漏れ電流を検出するために、送信機側１及び受信機側２のバスの両側に拡張され、受信機側２からの電流監視データが、送信機側１のデータとリアルタイムで比較されることを含む通常動作中の障害検出を提供する。

【0098】

本明細書で説明するＳＤＣＰシステムはさらに、単一または複数の周波数のＲＦ通信信号が同じ伝送路に重畳され、システムの安全性、管理、制御、及びスケーラブルな管理可能な配電システムのデータ報告の手段を提供し、高電圧安全コンデンサ及び共振インダクタから構成される差動高電圧広帯域共振バンドパスフィルタ１２が、強化された絶縁をもたらし、ＤＣ成分をブロックし、チャネル選択性を提供するために使用され、高電圧コンデンサと共振インダクタで構成された差動高電圧狭帯域共振ノッチフィルタが、ＲＦ周波数で高インピーダンスをもたらし、電源バスのＲＦ信号をブロックするために採用され、多段デジタル信号符号化／復号化、ＲＦ変調器３２及びＲＦ復調器２６が冗長ＲＦ通信リンクに使用され、冗長方式Ａが、単一の搬送周波数と２つの異なるデジタル変調方式を使用して実装され、２つの異なるベースバンド信号の変調に依存し、それぞれが単一の搬送周波数を使用して異なるＣＰＥからのデータを符号化することを含むＲＦ通信方式を提供する。それにおいて、
・ １段目では、ＦＳＫまたはＰＳＫ変調方式を使用して搬送波を変調する。
・ ２段目では、１段目の搬送波信号の変調バージョンに対してＡＳＫ変調方式が実行される。
・ 最初のメッセージデータは周波数または位相変調され、２番目のメッセージデータは振幅変調される。
・ ＡＳＫ及びＦＳＫ復調器は、受信機側でメッセージを同時に抽出するために使用される。
冗長方式Ｂは、２つの異なる搬送周波数ｆ_１／ｆ_２と２つの異なるデジタル変調方式を使用して実装される。２つの異なるベースバンド信号の変調に依存し、それぞれが２つの異なる搬送周波数と異なる変調方式を使用して、異なるＣＰＥからのデータを符号化する。それにおいて、
・ ＦＳＫ、ＰＳＫ、またはＡＳＫ変調が第１の搬送波及びベースバンド信号に適用される。
・ 第２の搬送波とベースバンド信号は、第１の搬送波とベースバンドに適用された異なる変調で変調される。
・ ２つの別個の選択フィルタ及び復調器を使用して、受信機側でメッセージを同時に抽出する。

【0099】

本明細書で説明されるＳＤＣＰシステムはさらに、マルチドロップシステムが、シングルマスター、マルチスレーブ構成トポロジを実装する、通信リンクがスロット通信プロトコルを採用しており、受信機側２の各スレーブ／ノードは、動的通信ウィンドウ内部の事前定義または割り当てられた通信スロットを利用してデータを通信し、通信スロット３６が、非同期通信モードではマスター受信機側２によって割り当てられるか、同期通信モードでは事前に定義され、各スロットの時間がノードの数に基づいて動的に調整され、通信ウィンドウ３７が、バスに接続されたノードの数に応じて、通信リンク帯域幅を最大限に活用するように動的に調整され、非同期通信モードでは、各ノードは固有のＩＤを有し、マスターによって通信スロットが割り当てられることを含むマルチドロップバス及びスロット通信リンクを提供する。ノードはマスターからの問い合わせを受けてデータを通信する。同期通信モードでは、マスターはすべてのノードが同期するように各サイクルの最初のスロット４１でブロードキャスト信号を送信する。すべてのノードは、事前定義されたスロットで独自にデータを通信する。「アイドル時間」（ｔ_ｉｄｌ）は、伝播の遅延、許容要因を考慮し、いずれかの通信衝突の可能性を減らすために、ウィンドウの最初と最後に使用される。また、スロット３８は、「障害電流制限曲線」で定義された時間内に、自己検証のために全サイクルの終わりに実行されるＴｔＴ手順に割り当てられる。

【0100】

したがって、開示された解決法（複数可）は、ＤＣ－ＦＭＰＳ（例えば、ＳＤＣＰシステム１００）における障害検出方法であって、人的接触、アーク障害、地絡、短絡、接続障害、及びＰＴＬの不足電圧、過電圧、過電流、及び意図しない高電圧などの電圧異常を含むが必ずしもこれらに限定されない、ある範囲の障害状態を識別することができる方法を含む。この方法は、ＤＣ電力送信機（例えば、高電圧ＤＣ配電システム内でチョッピングやパルスを発生させずに連続したＤＣの流れを維持することを特徴とする）の高電圧スイッチを切断する必要なく、両端（つまり、ＤＣ電力送信機と受信機）の冗長センサーを介して、線路の電圧と電流をリアルタイムで監視することを含み得る。

【0101】

したがって、開示された解決法（複数可）は、受信機の存在を確認し、ＲＦ通信リンクを確立し、バルクコンデンサを充電し、ＰＴＬの安全状態を確認してから、高電圧源を有効にするためにシステムの初期化及び／または障害回復動作期間中に有効になる安全超低電圧（ＳＥＬＶ）電源及び校正済み基準負荷を含むＤＣ－ＦＭＰＳを含む。負荷の存在は通信リンクを介して確認される。ＰＴＬのステータスは、ＰＴＬの両端の差動及びコモンモードの電流と電圧を測定し、ＰＴＬを介してＤＣ－ＰＲＸからＤＣ－ＰＴＸにデータを通信し、測定値を比較して、両端の測定値が一致する場合に、またはその場合に限り、ＨＶ ＤＣ電源を有効にするという協働的な決定をすることによって確認される。電流測定値のいずれかの差異は、ＰＴＬに漏れ電流を加える接触障害や、ＰＴＬと直列のインピーダンスを引き起こすアーク障害など、ＰＴＬの異常を示しているが、これらに限定されない。ケーブル接触、ケーブルの短絡、アーク障害、またはケーブル切断などの障害状態では、ＤＣ－ＰＴＸはＤＣ－ＰＲＸと連携してＰＴＬの負荷電流の変化を検出し、電流感知回路９を即座に切断し、ＤＣ－ＰＴＸ１上の１つまたは複数のスイッチ７を介して、システム検証動作モードに切り替える。

【0102】

したがって、開示された解決法（複数可）は、ＤＣ－ＦＭＰＳの初期化及び通常動作モード中のシステム完全性自己チェック（テスターのテスト、以下「ＴｔＴ」と呼ぶ場合がある）のための方法を含む。システム完全性自己チェックは、回路構成要素１７を介してＳＥＬＶ校正済み電圧レベル（複数可）を使用し、回路構成要素１８を介して校正済み負荷（複数可）を導入することによって、システムの精度を検証するように構成されている。両端の測定データが一緒に、及び／または事前定義された基準値と比較される。ＤＣ－ＦＭＰＳ内のＤＣ－ＰＴＸ及びＤＣ－ＰＲＸは、確認モードに戻さずにオンザフライシステム診断を実行することにより、協働してＴｔＴ手順を実行する。各通信サイクルにおいて動的に割り当てられた通信スロットは、ＤＣ－ＰＲＸ２のスイッチ１９を介して負荷を切断しながら、及び／または負荷を切断せずに、回路構成要素１８において校正済み基準負荷を非常に短い時間導入するために利用される。

【0103】

したがって、開示された解決法（複数可）には、ＤＣ－ＦＭＰＳ内のシステムの安全、管理、及び制御手段を設けるために同じ伝送路に重畳される単一または複数の周波数のＲＦ通信信号で構成されるＰＴＬに機能安全レベルの通信リンクを確立するための方法が含まれる。リンクの冗長性は、方式１、単一の搬送周波数及び２つの異なるデジタル変調方式が、２つの異なるベースバンド信号の変調に依存し、それぞれが単一の搬送周波数を使用して、異なるＣＰＥからのデータを符号化する、または方式２、２つの異なる搬送周波数及び２つの異なるデジタル変調方式、２つの異なるベースバンド信号の変調に依存して、それぞれが異なるＣＰＥからのデータをエンコードする、によって実現される。通信リンクはスロット通信プロトコルを採用しており、各スレーブ／ノードは、動的通信ウィンドウ内部で事前定義または割り当てられた通信スロットを利用してデータを通信する。スロット３８は、「障害電流制限曲線」で定義された時間内の自己検証のために各サイクルの終わりに実行されるＴｔＴ手順に割り当てられる。

【0104】

上記の方法、デバイス、処理、回路、及びロジックは、様々な方法で、またハードウェアとソフトウェアの様々な組み合わせで実装され得る。例えば、デバイスの実装のすべてまたは一部は、命令プロセッサ、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロコントローラ、またはマイクロプロセッサ、または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、または、アナログ回路構成要素、デジタル回路構成要素、またはその両方を含む、ディスクリートロジックまたは他の回路構成要素を含む回路、またはそれらのいずれかの組み合わせを含む回路であってもよい。回路には、個別に相互接続されたハードウェア構成要素が含まれる場合、または例として、単一の集積回路ダイで結合される場合、複数の集積回路ダイ間で分散される場合、または共通パッケージ内の複数の集積回路ダイのマルチチップモジュール（ＭＣＭ）に実装される場合がある。

【0105】

したがって、回路は、実行のための命令を記憶またはアクセスし得るか、またはハードウェアのみでその機能を実装し得る。命令は、フラッシュメモリ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、またはコンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤＲＯＭ）、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、その他の磁気ディスクまたは光ディスクなどの磁気ディスクまたは光ディスク上、または別の機械可読媒体内または上など、一時的な信号以外の有形の記憶媒体に記憶され得る。コンピュータプログラム製品などの製品には、記憶媒体と、その媒体内または媒体上に記憶された命令が含まれ得、デバイスの回路によって実行されるときの命令により、デバイスは上記または図面に示されている処理のいずれかを実行する場合がある。

【符号の説明】

【0106】

１ 送信機側
２ クラス
３ 電力伝送路
４ 電力結合回路
５ 負荷

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【外国語明細書】