CN106712318A - 冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统 - Google Patents

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CN106712318A CN201710072585.1A CN201710072585A CN106712318A CN 106712318 A CN106712318 A CN 106712318A CN 201710072585 A CN201710072585 A CN 201710072585A CN 106712318 A CN106712318 A CN 106712318A
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Abstract

一种冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，包括发射板（301）、电源适配器和射频功放源（307）、中继耦合板（302、303、304）、磁场均衡分布反射板（305、306）和接收模块。通过系统发射模块发射能量,经过多级中继耦合模块传递能量，磁场均衡分布模块反射和分布能量，在冰箱内部形成一个均衡分布的能量场，对放置于冰箱内部的用电设备提供效率高于70%的无线电能传输。本发明可解决传统家电中照明、换气、传感等小功耗设备的布线及持续供电问题，彻底消除漏电、电弧导致的用电安全隐患。本发明的接收模块提供3.3V‑12V多种电压输出接口，满足不同用电设备的输入电压要求，系统所提供的无线供电总功率可达100w,多种传感、监测和控制设备均可被应用到冰箱。

Description

冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及一种冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，属无线电能传输技术领域。
背景技术
近年来，随着无线技术的高速发展，新的无线能量传输机理的提出和人们对真正可以“无线使用”的便携式设备和绿色能源系统的需求的增长，对于无线能量传输技术的研究和应用已成为国内外学术界和工业界的焦点。业界已经开始尝试将该技术应用于人们日常生活中的低功耗电子产品中，来替代原有的电源线实现对设备的无线充电，给人们的生活带来额外的便利，例如基于磁感应耦合技术的无线充电牙刷和无线充电毯。
然而无线能量传输技术的应用价值和市场潜力远远不止于此。例如无线电能传输技术可被应用于智能家居领域，以住宅为平台，利用中距离无线电能传输技术、隐藏布线技术以及自动控制技术来彻底移除家居生活区域内所有的电源线，对传统家电及新兴3C设备(Computer电脑、Communication通信设备和Consumer electronics消费电子产品)进行无线充电或者持续电能供给，提升家居安全性、便利性、舒适性和艺术性，构建高效、环保、节能的智能居住环境。
若将无线电能传输技术应用在家电领域，对家电内部的用电设备和传感模块进行无线供电，可以解决传统家电中照明、换气、传感等小功耗设备的布线及持续供电问题，有效降低产品的生产、组装和后期维保成本，延长产品的使用寿命，彻底消除漏电、电弧导致的用电安全隐患和火灾隐患。无线电能传输技术还可以被应用于新兴电子产业，解决包括机器人、无人机、VR、可穿戴设备等产品的无线充电问题。
另外，对于生物医学领域中的可用于诊疗的可植入医疗设备来说，考虑到对其进行有线持续供电或充电的不方便性、不可行性甚至高危险性，无线电能传输技术的应用也显得极为重要和关键；除此之外，无线电能传输技术在物联网领域的应用也势在必行。一方面，无线能量采集和传输技术在物联网四大核心技术之一的无线传感器网络系统(Wireless Sensor Networks)中的应用，可以捕获空间中的无线电磁能量并通过磁耦合的方式实现对传感器节点的无线供电，大大降低WSN的运营和维护成本，提高传感测量和数据传输的有效性和可靠性；另一方面，无线电能传输技术还可被用于物联网中的射频识别(RFID)系统，以提高无源RFID标签的读取范围和读取效率，并实现对有源标签和RFID读取器的无线充电或供电。
无线能量传输模式和机理大体可分为磁感应耦合、电磁辐射和磁谐振耦合三种方式。和电磁辐射方式相比，磁谐振耦合方式在安全性、传输效率和成本上都具有优势；与磁感应耦合方式相比，它在传输距离和稳定性上具有优势。
发明内容
本发明的目的是，为了给电冰箱内部的用电设备提供一个均衡、稳定和高效的无线供电和充电系统，以解决传统家电中照明、换气、传感等小功耗设备的布线及持续供电问题，本发明提供一种冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统。
实现本发明的技术方案如下：一种冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统包括发射模块、中继耦合模块、磁场均衡分布模块和接收模块。
所述发射模块包括电源适配器、射频功放源和发射板。所述发射模块用于无线电能的发射。
所述中继耦合模块包含三块相同的中继耦合板，即一号中继耦合板、二号中继耦合板和三号中继耦合板；所述中继耦合模块用于无线电能的多层传递，增加无线电能的传输距离。
所述磁场均衡分布模块包含二块相同的磁场均衡分布反射板，即一号磁场均衡分布反射板和二号磁场均衡分布反射板。所述磁场均衡分布模块，用于无线电能的反射，并均衡分布于冰箱内部空间。
所述接收模块，用于无线电能的接收和输出。
所述发射模块安装在冰箱冷鲜室与冷藏室之间的夹层内；所述中继耦合模块的一号中继耦合板和二号中继耦合板分别安装在冷藏室的第一层隔板和第二层隔板内；一号磁场均衡分布反射板安装在冷藏室的顶部位置；三号中继耦合板和二号磁场均衡分布反射板分别安装在冷鲜室的第一层抽屉内和第二层抽屉底部；由所述发射模块、中继耦合模块、磁场均衡分布模块和接收模块组成多级中继磁谐振耦合无线电能传输系统；通过对安装或放置于冰箱内部不同位置的用电设备加载接收模块，接收磁场能量并转换成电能，从而实现对冰箱内部用电设备的高效、稳定的无线供电和充电。
所述发射模块的发射板包含三层介质基板和三层印刷电路，可通过印刷电路工艺加工；在第一层介质基板的顶面印刷有发射谐振线圈，在第二层介质基板的顶面印刷有寄生谐振线圈，在第三层介质基板的底面印刷有激励线圈；
所述第一层介质基板顶面的发射谐振线圈和第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈同为矩形螺旋环形，金属通孔将寄生谐振线圈结构与谐振线圈相连接；第三层介质基板底面的激励线圈为缺损的矩形环形，激励线圈的中心正对谐振线圈的中心。
所述中继耦合模块包含三块中继耦合板，均为平板型结构且设计相同，每块中继耦合板包含三层介质基板和三层印刷电路，通过印刷电路工艺加工；其中在第一层介质基板的顶面印刷有中继耦合谐振线圈，在第二层介质基板的顶面印刷有寄生谐振线圈，在第三层介质基板的底面印刷有匹配线圈；
所述一号中继耦合板、二号中继耦合板和三号中继耦合板的第一层介质基板顶面的谐振线圈和第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈同为矩形螺旋环形，金属通孔将寄生谐振线圈与谐振线圈相连接，第三层介质基板底面的匹配线圈为缺损的矩形环形。
所述磁场均衡分布模块包含两块磁场均衡分布反射板，均为平板型结构且设计相同，每块磁场均衡分布反射板包含三层介质基板和三层印刷电路，通过印刷电路工艺加工；其中在第一层介质基板的顶面印刷有谐振线圈阵列，在第二层介质基板的顶面印刷有寄生谐振线圈阵列，在第三层介质基板的底面印刷有匹配线圈和用于并联谐振线圈阵列中各谐振线圈的微带线；
所述一号磁场均衡分布反射及二号磁场均衡分布反射板的第一层介质基板顶面的谐振线圈和第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈都由多个谐振线圈单元呈二维阵列式排列，单个谐振线圈单元为四方螺旋环形，金属通孔将寄生谐振线圈与谐振线圈相连接，第三层介质基板底面的匹配线圈为缺损的四方环形。
所述接收模块为平板型结构，共包含三层介质基板和四层印刷电路，通过印刷电路工艺加工；其中在第一层介质基板的顶面上印刷有接收谐振线圈和集成电路接地面，在第二层介质基板的顶面上印刷有集成电路微带线，在第三层介质基板的顶面上印刷有寄生谐振线圈，在第三层介质基板的底面上印刷有整流稳压集成电路，集成电路上焊接电路元器件及芯片；
所述接收模块的第一层介质基板顶面的接收谐振线圈为矩形螺旋环形，第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈同样为矩形螺旋环形，第三层介质基板底面为整流稳压集成电路，集成电路位于接收谐振线圈内部的空白区域处；金属通孔将寄生线圈与接收谐振线圈相连接。
所述发射板、中继耦合板和磁场均衡分布反射板的几何设计参数和电气设计参数在一定范围内调整，以符合不同尺寸、规格和型号的冰箱的内部空间分布和隔板布局，无线电能传输系统的整体能量传输效率均保持在70％以上；
所述发射板的几何设计参数和电气设计参数如下：
发射板印刷电路板长度LRes_Tx为350-450mm；
发射板印刷电路板宽度HRes_Tx为280-340mm；
发射板谐振线圈中的微带线的宽度WRes_Tx为6-10mm；
发射板谐振线圈中的相邻微带线之间的间距SRes_Tx为1-3mm；
发射板激励线圈的长度Lloop_Tx为280-320mm；
发射板激励线圈的宽度Hloop_Tx为180-220mm；
发射板激励线圈中的微带线的宽度Wloop_Tx为6-10mm；
发射板谐振电容值为5-40(pF)；
所述中继耦合板的几何设计参数和电气设计参数如下：
中继耦合板印刷电路板长度LRes_Rc为300-500mm；
中继耦合板印刷电路板宽度HRes_Rc为200-400mm；
中继耦合板谐振线圈801中微带线的宽度WRes_Rc为8mm；
中继耦合板谐振线圈801中相邻微带线之间的间距SRes_Rc为1-3mm；
中继耦合板匹配线圈1001的长度Lloop_Rc为220-380mm；
中继耦合板匹配线圈的宽度Hloop_Rc为150-260mm；
中继耦合板匹配线圈中微带线的宽度Wloop_Rc为8mm；
中继耦合板谐振电容值为1-60pF；
所述磁场均衡分布反射板的几何设计参数和电气设计参数如下：
磁场均衡分布反射板印刷电路板边长LArray为290-310mm；
磁场均衡分布反射板的谐振线圈单元的长度LRes_Array为140-160mm；
磁场均衡分布反射板的谐振线圈单元的微带线宽度WArray为10mm；
磁场均衡分布反射板的谐振线圈单元中相邻微带线之间的间距WGap_Array为1mm；
磁场均衡分布反射板中两相邻谐振线圈单元之间的间距SGap_Array为2mm；
磁场均衡分布反射板的匹配线圈的内径Lloop_Array为185-200mm；
磁场均衡分布反射板的匹配线圈的宽度Wloop_Array为8mm；
磁场均衡分布反射板的谐振电容值为550-750pF；
所述发射板与中继耦合板之间的间距、相邻两块中继耦合板之间的间距以及中继耦合板与磁场均衡分布反射板之间的间距在10-20cm范围内调整，以符合不同尺寸、规格和型号的冰箱的内部空间分布和隔板布局；无线电能传输系统的整体能量传输效率均保持在70％以上；放置于冷藏室的顶部和冷鲜室底部的接收模块横向移动时，系统的整体能量传输效率稳定；接收模块纵向移动时，系统的整体能量传输效率随距离的增大缓慢下降，下降幅度较采用单对单谐振线圈设计的平板型磁谐振耦合无线电能传输系统低十倍以上。
所述磁场均衡分布模块中的磁场均衡分布反射板采用了阵列型谐振线圈设计，使得系统在有效传输距离范围内能产生均衡分布的磁场；当接收模块沿传输方向移动时，由传输距离过近引起的过耦合或传输距离过远引起的欠耦合均可以得到有效缓解，使得系统的传输效率随传输距离的增加下降幅度不大，下降幅度较采用单对单谐振线圈设计的平板型磁谐振耦合无线电能传输系统低十倍以上，系统仍可以保持较为高效的无线电能传输；当接收模块在与传输方向垂直的平面上横向移动时，系统的整体能量传输效率保持稳定。
所述接收模块添加了整流稳压集成电路，集成电路采用低压差线性稳压电路设计，频率在5-20MHz的电磁能量从冰箱冷藏室和冷鲜室夹层的发射板发射后，经过中继耦合板层层传递、然后由磁场均衡分布反射板反射，再由接收模块整流稳压输出；接收模块提供3.3V-12V多种电压输出接口，以符合不同用电设备的输入电压要求，系统提供的无线供电总功率可达100w，可同步为冰箱内部各类不同电子、电气设备提供稳定、高效的无线电能供给；系统接收端的集成度高、尺寸小，可用于LED灯、换气风扇、传感器、监控等小型电子、电气设备的无线充电或持续电能供给。
所述发射模块中的反射板采用了由单个激励线圈驱动单个谐振线圈的设计，给发射板的背面留出大量空间，用于添加匹配集成电路和可调电子元器件来优化系统的传输性能和实现系统的智能化控制。
所述接收模块可根据应用需求，采用不同尺寸、设计的接收谐振线圈和不同型号、规格的整流稳压芯片，当应用于LED灯、换气风扇、传感器、监控等小型电子、电气设备时，所述接收模块的几何设计参数和电气设计参数如下：
接收模块所处的矩形印刷电路板长度LRes_Rx为70mm；
接收模块所处的矩形印刷电路板宽度HRes_Rx为50mm；
接收模块谐振线圈中的微带宽度WRes_Rx为2mm；
接收模块谐振线圈中的相邻微带线之间的间距SRes_Rx为0.5mm；
接收模块谐振电容值为100pF。
本发明的有益效果是，本发明采用了多级中继耦合、磁场反射和磁场均衡分布设计方案，通过系统发射板发射电磁能量,并通过多级中继耦合板分别向上和向下逐层传递能量，能量到达顶层和底层的磁场均衡分布反射板处被反射并均衡分布于冰箱内部空间，从而在冰箱内部空间构建起一个均衡的磁场能量场；通过对安装或放置于冰箱内部不同位置的用电设备如LED灯、换气风扇、温度湿度传感器等加载接收模块，接收磁场能量并转换成电能，从而实现对冰箱内部各用电设备的高效、稳定的无线供电和充电，另外因为采用了多级中继耦合和磁场均衡分布设计，冰箱内部不同位置处的无线电能传输效率均匀，用电设备的安装位置可自由移动。此设计使得冰箱侧板和内壁之间不再需要布置电源线，只需对冰箱内部各用电设备安装接收模块，即可实现家用冰箱内部多个电子、电气设备的同步无线供电和充电，有效降低了产品的生产、组装和后期维保成本，延长产品的使用寿命，彻底消除漏电、电弧导致的用电安全隐患和火灾隐患。另外，本设计所提供的无线供电总功率可达100w,多种传感、监测和控制设备均可被应用到冰箱内，可真正实现冰箱设计的智能化和人性化。
附图说明
图1为冰箱冷藏室和冷鲜室整体结构图；
图2为冰箱内部无线供电系统的安装示意图；
图3为安装于冷藏室和冷鲜室内的冰箱内部无线供电系统的剖视图；
图4为冰箱内部无线供电系统发射板第一层顶面即正面结构图；
图5为冰箱内部无线供电系统发射板第二层顶面结构图；
图6为冰箱内部无线供电系统发射板第三层底面即背面结构图；
图7为冰箱内部无线供电系统发射板侧视图；
图8为冰箱内部无线供电系统一号、二号、三号中继耦合板第一层顶面结构图(正面图)；
图9为冰箱内部无线供电系统一号、二号、三号中继耦合板第二层顶面结构图；
图10为冰箱内部无线供电系统一号、二号、三号中继耦合板第四层底面结构图(背面图)；
图11为冰箱内部无线供电系统一号、二号、三号中继耦合板侧视图；
图12为冰箱内部无线供电系统一号、二号磁场均衡分布反射板第一层顶面结构图(正面图)；
图13为冰箱内部无线供电系统一号、二号磁场均衡分布反射板第二层顶面结构图；
图14为冰箱内部无线供电系统一号、二号磁场均衡分布反射板第三层底面结构图(背面图)；
图15为冰箱内部无线供电系统一号、二号磁场均衡分布反射板侧视图；
图16为冰箱内部无线供电系统接收模块第一层结构图(正面图)；
图17为冰箱内部无线供电系统接收模块的第二层结构图；
图18为冰箱内部无线供电系统接收模块的第三层顶面结构图；
图19为冰箱内部无线供电系统接收模块第三层底面结构图(背面图)；
图20为冰箱内部无线供电系统接收模块侧视图；
图21为冰箱内部无线供电系统整流稳压电路原理图；
图22为接收模块离冰箱冷藏室顶层不同距离时的无线电能传输效率曲线。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如附图所示。
图1所示为冰箱冷藏室和冷鲜室整体结构图。其中101为冷藏室的底板，102为冷藏室的第一层玻璃隔板，103为冷藏室的第二层玻璃隔板，106为冷藏室的顶层，104为冷鲜室的第一层抽屉，105为冷鲜室的第二层抽屉。
图2所示为冰箱内部无线供电系统的安装示意图。冰箱内部无线供电系统的发射板安装于冰箱冷藏室的底层201；一号中继耦合板安装于冰箱冷藏室第一层玻璃隔板202内；二号中继耦合板安装于冰箱冷藏室第二层玻璃隔板203内；三号中继耦合板安装于冰箱冷鲜室的第一层抽屉204内；一号磁场均衡分布反射板安装于冰箱冷藏室的顶层206；二号磁场均衡分布反射板安装于冰箱冷鲜室的第二层抽屉205的底部；射频功放源和电源适配器安装于冰箱冷藏室和冷鲜室的夹层207内。
图3所示为安装于冷藏室和冷鲜室内的冰箱内部无线供电系统的剖视图。发射板301安装于冰箱冷藏室底层内；一号中继耦合板302安装于冰箱冷藏室第一层玻璃隔板内；二号中继耦合板303安装于冰箱冷藏室第二层玻璃隔板内；三号中继耦合板304安装于冰箱冷鲜室第一层抽屉内；二号磁场均衡分布反射板305安装于冰箱冷鲜室第二层抽屉底部；一号磁场均衡分布反射板306安装于冰箱冷藏室的顶层；射频功放源和电源适配器307安装于冰箱冷藏室和冷鲜室夹层内。
图4所示为冰箱内部无线供电系统发射板第一层顶面即正面图。其中，401为印刷于发射板第一层介质基板顶面的谐振线圈；402为连接谐振线圈401和寄生谐振线圈501的通孔；同样的结构在发射板的左上、左下、右下均有；403为连接谐振线圈401和603的通孔；LRes_Tx为谐振线圈401的外部长度，HRes_Tx为谐振线圈401的外部宽度，WRes_Tx为谐振线圈401中微带线的宽度，SRes_Tx为谐振线圈401中相邻微带线之间的间距。
图5所示为冰箱内部无线供电系统发射板第二层顶面结构图。其中501为印刷于发射板第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈；502为将寄生谐振线圈501和谐振线圈401相连接的通孔，同样的结构在发射板的左上、左下、右下均有；503为连接寄生谐振线圈501和微带线603的通孔；LRes_Tx2为寄生谐振线圈501的外部长度，HRes_Tx2为寄生谐振线圈501的外部宽度，WRes_Tx2为寄生谐振线圈501中微带线的宽度，SRes_Tx2为寄生谐振线圈501中相邻微带线之间的间距。
图6所示为冰箱内部无线供电系统发射板第三层底面即背面结构图。其中，601为印刷于发射板第三层介质基板底面的激励线圈，其结构为带缺口的矩形微带环；602为连接谐振线圈401和寄生谐振线圈501的通孔，同样的结构在发射板的左上、左下、右下均有；603为印刷于发射板第三层介质基板底面、用以连接谐振电容的微带线；604为连接谐振线圈401、寄生谐振线圈501和微带线603的通孔；605为微带线603上连接谐振电容的端口；606为激励线圈601上的电磁能量输入端口；Lloop_Tx为激励线圈601的外部长度，Hloop_Tx为激励线圈601的外部宽度，Wloop_Tx为激励线圈601中微带线的宽度。
图7所示为冰箱内部无线供电系统发射板侧视图。其中，701为发射板第一层介质基板；702为发射板的第二层介质基板；703为发射板的第三层介质基板；LRes_Tx为发射板的长度，D为发射板的厚度。
图8所示为冰箱内部无线供电系统一号、二号、三号中继耦合板第一层顶面结构图(正面图)。其中，801为印刷于一号、二号、三号中继耦合板第一层介质基板顶面的谐振线圈；802为连接谐振线圈801和寄生谐振线圈901的通孔，同样的结构在一号，二号，三号中继耦合板的左上、左下、右下均有；803为连接谐振线圈801和微带线1003的通孔；LRes_Rc为谐振线圈801的外部长度，HRes_Rc为谐振线圈801的外部宽度，WRes_Rc为谐振线圈801中微带线的宽度，SRes_Rc为谐振线圈801中相邻微带线之间的间距。
图9所示为冰箱内部无线供电系统一号、二号、三号中继耦合板第二层顶面结构图。其中，901为印刷于一号，二号，三号中继耦合板第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈；902为连接寄生谐振线圈901和谐振线圈801的通孔，同样的结构在一号，二号，三号中继耦合板的左上、左下、右下均有；903为连接寄生谐振线圈901和微带线1003的通孔；LRes_Rc2为寄生谐振线圈901的外部长度，HRes_Rc2为寄生谐振线圈901的外部宽度，WRes_Rc2为寄生谐振线圈901中微带线的宽度，SRes_Rc2为寄生谐振线圈901中相邻微带线之间的间距。
图10所示为冰箱内部无线供电系统一号、二号、三号中继耦合板第四层底面结构图(背面图)。其中，1001为印刷于一号，二号，三号中继耦合板第三层介质基板底面的匹配线圈，其结构为带缺口的矩形微带环；1002为连接谐振线圈801和寄生谐振线圈901的通孔，同样的结构在一号，二号，三号中继耦合板的左上、左下、右下均有；1003为印刷于一号，二号，三号中继耦合板第三层介质基板底面、用以连接谐振电容的微带线；1004为连接谐振线圈801、寄生谐振线圈901和微带线1003的通孔；1005为微带线1003上连接谐振电容的端口；1006为匹配线圈1001上连接匹配电容的端口；Lloop_Rc为匹配线圈1001的外部长度，Hloop_Rc为匹配线圈1001的外部宽度，Wloop_Rc为匹配线圈1001中微带线的宽度。
图11所示为冰箱内部无线供电系统一号、二号、三号中继耦合板侧视图。其中，1101为一号，二号，三号中继耦合板的第一层介质基板；1102为一号，二号，三号中继耦合板的第二层介质基板；1103为一号，二号，三号中继耦合板的第三层介质基板；LRes_Rc为一号，二号，三号中继耦合板的长度，D为一号，二号，三号中继耦合板的厚度。
图12所示为冰箱内部无线供电系统一号、二号磁场均衡分布反射板第一层顶面结构图(正面图)。其中，1201为印刷于一号、二号磁场均衡分布反射板第一层介质基板顶面左上角的谐振线圈；其结构为四方螺旋环形；1202为印刷于一号、二号磁场均衡分布反射板第一层介质基板顶面右上角的谐振线圈，其结构为四方螺旋环形；1203为印刷于一号、二号磁场均衡分布反射板第一层介质基板顶面左下角的谐振线圈，其结构为四方螺旋环形；1204为印刷于一号，二号磁场均衡分布反射板第一层介质基板顶面右下角的谐振线圈，其结构为四方螺旋环形；1205为连接谐振线圈1204和寄生谐振线圈1304的通孔，同样的结构在谐振线圈1204的左上、左下、右上均有，另外在谐振线圈1201、谐振线圈1202和谐振线圈1203上均有相同的通孔，将其分别连接到寄生谐振线圈1301、寄生谐振线圈1302和寄生谐振线圈1303；1206为将谐振线圈1201、谐振线圈1202、谐振线圈1203、谐振线圈1204谐振线圈的始端连接到1404的通孔；1207为将谐振线圈1201、谐振线圈1202、谐振线圈1203、谐振线圈1204谐振线圈的末端连接到1403的通孔。LArray为一号、二号磁场均衡分布反射板谐振线圈阵列的总长度，LRes_Array为单个谐振线圈的长度，WArray为单个谐振线圈微带线的宽度，WGap_Array为单个谐振线圈微带线之间的间隔宽度，SGap_Array为单个谐振线圈之间的间隔宽度。
图13为冰箱内部无线供电系统一号、二号磁场均衡分布反射板第二层顶面结构图。其中，1301为印刷于一号、二号磁场均衡分布反射板第二层介质基板顶面左上的寄生谐振线圈，其结构为四方螺旋环形；1302为印刷于一号、二号磁场均衡分布反射板第二层介质基板顶面右上角的寄生谐振线圈，其结构为四方螺旋环形；1303为印刷于一号、二号磁场均衡分布反射板第二层介质基板顶面左下角的寄生谐振线圈，其结构为四方螺旋环形；1304为印刷于一号、二号磁场均衡分布反射板第二层介质基板顶面右下角的寄生谐振线圈，其结构为四方螺旋环形；1305为连接寄生谐振线圈1304和谐振线圈1204的通孔，同样的结构在1304的左上、左下、右上均有，另外在寄生谐振线圈1301、寄生谐振线圈1302和寄生谐振线圈1303上均有相同的通孔，将其分别连接到谐振线圈1201、谐振线圈1202和谐振线圈1203；1306为将寄生谐振线圈1301、寄生谐振线圈1302、寄生谐振线圈1303、寄生谐振线圈1304的始端连接到1404的通孔；1307为将寄生谐振线圈1301、寄生谐振线圈1302、寄生谐振线圈1303、寄生谐振线圈1304的末端连接到1403的通孔。LArray为一号，二号磁场均衡分布反射板的寄生谐振线圈阵列的总长度，LRes_Array为单个寄生谐振线圈的长度，WArray为单个寄生谐振线圈微带线的宽度，WGap_Array为单个寄生谐振线圈微带线之间的间隔宽度，SGap_Array为单个寄生谐振线圈之间的间隔宽度。
图14为冰箱内部无线供电系统一号、二号磁场均衡分布反射板第三层底面结构图(背面图)。其中，1401为印刷于一号、二号磁场均衡分布反射板第三层介质基板底面的匹配线圈，其结构为带缺口的四方环形；1402为匹配线圈1401上连接匹配电容的端口；1403为将谐振线圈1201、谐振线圈1202、谐振线圈1203、谐振线圈1204与寄生谐振线圈1301、寄生谐振线圈1302、寄生谐振线圈1303、寄生谐振线圈1304的末端相连的微带线；1404为将谐振线圈1201、谐振线圈1202、谐振线圈1203、谐振线圈1204与寄生谐振线圈1301、寄生谐振线圈1302、寄生谐振线圈1303、寄生谐振线圈1304的始端相连的微带线；1405为连接谐振线圈1201、谐振线圈1202、谐振线圈1203、谐振线圈1204、寄生谐振线圈1301、寄生谐振线圈1302、寄生谐振线圈1303、寄生谐振线圈1304始端的通孔；1406为连接谐振线圈的谐振电容；1407为连接谐振线圈1201、谐振线圈1202、谐振线圈1203、谐振线圈1204、寄生谐振线圈1301、寄生谐振线圈1302、寄生谐振线圈1303、寄生谐振线圈1304末端的通孔；1408为连接第一层介质基板顶面的谐振线圈和第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈的通孔。
图15为冰箱内部无线供电系统一号、二号磁场均衡分布反射板侧视图。图中，1501为一号，二号磁场均衡分布反射板的第一层介质基板；1502为一号、二号磁场均衡分布反射板的第二层介质基板；1503为一号、二号磁场均衡分布反射板的第三层介质基板；LArray为一号、二号磁场均衡分布反射板的长度，D为一号、二号磁场均衡分布反射板的厚度。
图16为冰箱内部无线供电系统接收模块第一层结构图(正面图)。1601为连接寄生谐振线圈1704和谐振线圈1904的通孔；1602和1604为印刷于接收板第一层介质基板顶面上的集成电路的贴片电容；1603为印刷于接收板第一层介质基板顶面上的集成电路的贴片电感；1605为集成电路的贴片电阻；1606为集成电路的二极管；1607为印刷于接收板第一层介质基板顶面用以连接谐振电容的微带线；1608为连接微带线1607、寄生谐振线圈1704和谐振线圈1904的通孔。
图17为冰箱内部无线供电系统接收模块的第二层结构图。图中，1701为连接寄生谐振线圈1704和谐振线圈1904的通孔；1702为连接寄生谐振线圈1704和微带线1607的通孔；1703为接收模块印刷集成电路的接地孔；1704为印刷于接收板第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈，其结构为矩形螺旋环形。
图18为冰箱内部无线供电系统接收模块的第三层顶面结构图。其中，1801为连接寄生谐振线圈1704和谐振线圈1904的通孔；1802为连接微带线1607、寄生谐振线圈1704和谐振线圈1904的通孔；1803为连接集成电路元器件的通孔。
图19为冰箱内部无线供电系统接收模块第三层底面结构图(背面图)，其中，1901为连接谐振线圈1904和寄生谐振线圈1704的通孔；1902为接收模块印刷集成电路的接地孔；1903为连接谐振线圈1904和微带线1607的通孔；谐振线圈1904为印刷于接收第三层介质基板底面的谐振线圈；LRes_Rx为1904的长度，HRes_Rx为谐振线圈1904的宽度，WRes_Rx为谐振线圈1904中微带线的宽度，SRes_Rx为谐振线圈1904中相邻微带线之间的间距，LRs为整流稳压集成电路所占区域的长度，HRs为整流稳压集成电路所占区域的宽度。
图20为接收板的侧面剖视图，其中，2001为接收板的第一层介质基板；2002为接收板的第二层介质基板；2003为接收板的第三层介质基板；LRes_Rx为接收板的长度，D1为接收板的厚度。
本实施例一种冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统包括发射模块、中继耦合模块、磁场均衡分布模块和接收模块。所述发射模块包括电源适配器、射频功放源和发射板。所述发射模块用于无线电能的发射。
中继耦合模块包含三块相同的中继耦合板，即一号中继耦合板、二号中继耦合板和三号中继耦合板；所述中继耦合模块用于无线电能的多层传递，增加无线电能的传输距离。
磁场均衡分布模块包含二块相同的磁场均衡分布反射板，即一号磁场均衡分布反射板和二号磁场均衡分布反射板。所述磁场均衡分布模块，用于无线电能的反射，并均衡分布于冰箱内部空间。
接收模块，用于无线电能的接收和输出。
本发明实施例中所有结构均为平面化结构，均采用印刷电路板工艺加工而成，在设定发射板谐振线圈和激励线圈、中继耦合板谐振线圈和匹配线圈、磁场均衡分布反射板谐振线圈阵列和匹配线圈，以及接收板谐振线圈的设计方案以后，通过在激励线圈和相关匹配线圈中添加匹配电路，在接收板中添加整流稳压集成电路和相关元器件以构成完整的无线电能传输系统。
本发明实施例中应用于冰箱内部用电设备的无线电能传输系统是由发射模块、中继耦合模块、磁场反射模块和接收模块四部分组成，发射模块包含电源适配器、射频功放源和用于发射无线电能的发射板，中继耦合模块包含用于磁场能量传递的多级中继耦合板，磁场反射模块包含用于反射磁场能量的磁场均衡分布反射板，接收模块包含用于接收无线电能的接收板和整流稳压集成电路。系统的发射模块和接收模块分别连接了激励电路和负载，发射模块采用厚度为1.6mm的四层印刷电路板加工，接收模块采用厚度为1mm的四层印刷电路板加工，图4-图7为发射板结构图，图8-图11为中继耦合模块结构图，图12-图15为磁场均衡分布反射模块结构图，图16-图19为尺寸为接收模块结构图。
本发明实施例中的应用于冰箱内部无线传输系统的接收模块采用如图21所示的整流稳压集成电路，该集成电路采用低压差线性稳压电路设计(LDO)；频率在5-20MHz的电磁能量从冰箱冷藏室和冷鲜室夹层的发射板发射后，经过中继耦合板层层传递、然后由磁场均衡分布反射板反射，再由接收模块整流稳压输出；接收模块提供3.3V-12V多种电压输出接口，以符合不同用电设备的输入电压要求，系统提供的无线供电总功率可达100w，可同步为电冰箱内部的各类不同电子、电气设备提供稳定、高效的无线电能供给。
本实施例根据图1所示的整体结构，采用冰箱冷藏室和冷鲜室夹层的发射板输出能量，向上经过冷藏室的第一层隔板和第二层隔板的一号和二号中继耦合板，顶层的一号磁场均衡分布板，再由接收模块输出，供电给电冰箱内部的LED照明设备、排气设备、传感器等设备，向下经过冷鲜室第一层抽屉的第三号中继耦合板和第二层抽屉的二号磁场均衡分布反射板，再由接收模块输出，同样供电给电冰箱内部的LED照明设备、排气设备、传感器等设备。图4-图7为发射板单独的结构设计，图8-图11为中继耦合板的单独结构，图12-图15为磁场均衡分布反射板的单独结构，图16-图20为接收模块的单独结构，其接收模块可用于冰箱内部LED照明设备和排气设备及其他传感器设备的供电。由以上所述，构成了应用于冰箱内部多设备无线供电、充电的无线电能传输系统。
根据图4-图19所示的结构图中的符号标识，结合实际应用需求，对此实施例中的设计采用如下几何参数和电器参数：
下表为实施例中发射板、中继耦合板，磁场均衡分布反射板以及接收模块的几何设计参数和电气设计参数：
符号标识 取值(范围)
LRes_Tx 350-450(mm)
HRes_Tx 280-340(mm)
WRes_Tx 6-10(mm)
Wloop_Tx 6-10(mm)
Hloop_Tx 180-220(mm)
Lloop_Tx 280-320(mm)
SRes_Tx 1-3(mm)
发射板谐振电容值 5-40(pF)
LRes_Rc 300-500(mm)
HRes_Rc 200-400(mm)
WRes_Rc 8(mm)
Wloop_Rc 8(mm)
Hloop_Rx 150-260(mm)
Lloop_Rc 220-380(mm)
SRes_Rc 1-3(mm)
一号、二号以及三号中继耦合板谐振电容值 1-60(pF)
LArray 290-310(mm)
SGap_Array 1mm(mm)
LRes_Array 140-160(mm)
SGap_Array 2(mm)
Warray 10(mm)
Wloop_Array 8(mm)
Lloop_Array 185-200(mm)
一号、二号磁场均衡分布反射板谐振电容值 550-750(pF)
WRes_Rx 2(mm)
SRes_Rx 0.5(mm)
HRes_Rx 70(mm)
LRes_Rx 50(mm)
接收模块谐振电容值 100(pF)
对发射板添加5-20MHz范围内射频激励，激励信号在激励线圈601上产生电磁振荡。电磁能量先通过磁感应耦合传输到发射板的谐振线圈401，然后通过磁谐振耦合方式将传输到一级中继耦合线圈的谐振线圈801和寄生谐振线圈901上，再以同样的方式向上和向下传递到二号中继耦合板和三号中继耦合板上，通过第三次磁谐振耦合，传递到一号和二号磁场均衡分布反射板，经过反射后，再以谐振耦合的方式将能量传输到接收模块的谐振线圈1704和寄生线圈1904上，电磁能量由谐振线圈1704和1904输出，经过整流稳压后传输给冰箱内部的照明模块、传感器模块以及其他设备，实现了冰箱内部空间用电设备的无线电能供给和无线充电。
下表为接收模块紧贴冰箱冷藏室顶层(磁场均衡分布反射板)时的传输效率：
接收模块位于冷藏室顶层不同位置(如图12所示) 传输效率(％)
A点位置 85.30％
B点位置 83.93％
C点位置 85.31％
D点位置 83.97％
E点位置 84.95％
F点位置 84.32％
G点位置 84.65％
H点位置 83.27％
I点位置 85.07％
图21为接收模块整流稳压集成电路原理图。
图22为接收模块离冰箱冷藏室顶层不同距离时的无线电能传输效率(％)。

Claims (10)

1.一种冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，包括发射模块、中继耦合模块、磁场均衡分布模块和接收模块，其特征在于，所述发射模块包括电源适配器、射频功放源和发射板；所述中继耦合模块包含三块相同的中继耦合板，即一号中继耦合板、二号中继耦合板和三号中继耦合板；所述磁场均衡分布模块包含二块相同的磁场均衡分布反射板，即一号磁场均衡分布反射板和二号磁场均衡分布反射板；所述发射模块安装在冰箱冷鲜室与冷藏室之间的夹层内；所述中继耦合模块的一号中继耦合板和二号中继耦合板分别安装在冷藏室的第一层隔板和第二层隔板内；一号磁场均衡分布反射板安装在冷藏室的顶部位置；三号中继耦合板和二号磁场均衡分布反射板分别安装在冷鲜室的第一层抽屉内和第二层抽屉底部；由所述发射模块、中继耦合模块、磁场均衡分布模块和接收模块组成多级中继磁谐振耦合无线电能传输系统；通过对安装或放置于冰箱内部不同位置的用电设备加载接收模块，接收磁场能量并转换成电能，从而实现对冰箱内部用电设备的高效、稳定的无线供电和充电。
2.根据权利要求1所述的冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述发射模块的发射板包含三层介质基板和三层印刷电路，可通过印刷电路工艺加工；在第一层介质基板的顶面印刷有发射谐振线圈，在第二层介质基板的顶面印刷有寄生谐振线圈，在第三层介质基板的底面印刷有激励线圈；
所述第一层介质基板顶面的发射谐振线圈和第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈同为矩形螺旋环形，金属通孔将寄生谐振线圈结构与谐振线圈相连接；第三层介质基板底面的激励线圈为缺损的矩形环形，激励线圈的中心正对谐振线圈的中心。
3.根据权利要求1所述的冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述中继耦合模块包含三块中继耦合板，均为平板型结构且设计相同，每块中继耦合板包含三层介质基板和三层印刷电路，通过印刷电路工艺加工；其中在第一层介质基板的顶面印刷有中继耦合谐振线圈，在第二层介质基板的顶面印刷有寄生谐振线圈，在第三层介质基板的底面印刷有匹配线圈；
所述一号中继耦合板、二号中继耦合板和三号中继耦合板的第一层介质基板顶面的谐振线圈和第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈同为矩形螺旋环形，金属通孔将寄生谐振线圈与谐振线圈相连接，第三层介质基板底面的匹配线圈为缺损的矩形环形。
4.根据权利要求1所述的冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述磁场均衡分布模块包含两块磁场均衡分布反射板，均为平板型结构且设计相同，每块磁场均衡分布反射板包含三层介质基板和三层印刷电路，通过印刷电路工艺加工；其中在第一层介质基板的顶面印刷有谐振线圈阵列，在第二层介质基板的顶面印刷有寄生谐振线圈阵列，在第三层介质基板的底面印刷有匹配线圈和用于并联谐振线圈阵列中各谐振线圈的微带线；
所述一号磁场均衡分布反射及二号磁场均衡分布反射板的第一层介质基板顶面的谐振线圈和第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈都由多个谐振线圈单元呈二维阵列式排列，单个谐振线圈单元为四方螺旋环形，金属通孔将寄生谐振线圈与谐振线圈相连接，第三层介质基板底面的匹配线圈为缺损的四方环形。
5.根据权利要求1所述的冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述接收模块为平板型结构，共包含三层介质基板和四层印刷电路，通过印刷电路工艺加工；其中在第一层介质基板的顶面上印刷有接收谐振线圈和集成电路接地面，在第二层介质基板的顶面上印刷有集成电路微带线，在第三层介质基板的顶面上印刷有寄生谐振线圈，在第三层介质基板的底面上印刷有整流稳压集成电路，集成电路上焊接电路元器件及芯片；
所述接收模块的第一层介质基板顶面的接收谐振线圈为矩形螺旋环形，第二层介质基板顶面的寄生谐振线圈同样为矩形螺旋环形，第三层介质基板底面为整流稳压集成电路，集成电路位于接收谐振线圈内部的空白区域处；金属通孔将寄生线圈与接收谐振线圈相连接。
6.根据权利要求1所述的冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述发射板、中继耦合板和磁场均衡分布反射板的几何设计参数和电气设计参数在一定范围内调整，以符合不同尺寸、规格和型号的冰箱的内部空间分布和隔板布局，无线电能传输系统的整体能量传输效率均保持在70%以上；
所述发射板的几何设计参数和电气设计参数如下：
发射板印刷电路板长度LRes_Tx为350-450 mm；
发射板印刷电路板宽度HRes_Tx为280-340mm；
发射板谐振线圈中的微带线的宽度WRes_Tx为6-10mm；
发射板谐振线圈中的相邻微带线之间的间距SRes_Tx为1-3 mm；
发射板激励线圈的长度Lloop_Tx为280-320mm；
发射板激励线圈的宽度Hloop_Tx为180-220mm；
发射板激励线圈中的微带线的宽度Wloop_Tx为6-10mm；
发射板谐振电容值为5-40（pF）；
所述中继耦合板的几何设计参数和电气设计参数如下：
中继耦合板印刷电路板长度LRes_Rc为300-500mm；
中继耦合板印刷电路板宽度HRes_Rc为200-400mm；
中继耦合板谐振线圈801中微带线的宽度WRes_Rc为8mm；
中继耦合板谐振线圈801中相邻微带线之间的间距SRes_Rc为1-3mm；
中继耦合板匹配线圈1001的长度Lloop_Rc为220-380mm；
中继耦合板匹配线圈的宽度Hloop_Rc为150-260mm；
中继耦合板匹配线圈中微带线的宽度Wloop_Rc为8mm；
中继耦合板谐振电容值为1-60pF；
所述磁场均衡分布反射板的几何设计参数和电气设计参数如下：
磁场均衡分布反射板印刷电路板边长LArray为290-310mm；
磁场均衡分布反射板的谐振线圈单元的长度LRes_Array为140-160mm；
磁场均衡分布反射板的谐振线圈单元的微带线宽度WArray为10mm；
磁场均衡分布反射板的谐振线圈单元中相邻微带线之间的间距WGap_Array为1mm；
磁场均衡分布反射板中两相邻谐振线圈单元之间的间距SGap_Array为2mm；
磁场均衡分布反射板的匹配线圈的内径Lloop_Array为185-200mm；
磁场均衡分布反射板的匹配线圈的宽度Wloop_Array为8mm；
磁场均衡分布反射板的谐振电容值为550-750pF；
所述发射板与中继耦合板之间的间距、相邻两块中继耦合板之间的间距以及中继耦合板与磁场均衡分布反射板之间的间距在10-20cm范围内调整，以符合不同尺寸、规格和型号的冰箱的内部空间分布和隔板布局；无线电能传输系统的整体能量传输效率均保持在70%以上；放置于冷藏室的顶部和冷鲜室底部的接收模块横向移动时，系统的整体能量传输效率稳定；接收模块纵向移动时，系统的整体能量传输效率随距离的增大缓慢下降，下降幅度较采用单对单谐振线圈设计的平板型磁谐振耦合无线电能传输系统低十倍以上。
7.根据权利要求1所述的冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述磁场均衡分布模块中的磁场均衡分布反射板采用了阵列型谐振线圈设计，使得系统在有效传输距离范围内能产生均衡分布的磁场；当接收模块沿传输方向移动时，由传输距离过近引起的过耦合或传输距离过远引起的欠耦合均可以得到有效缓解，使得系统的传输效率随传输距离的增加下降幅度不大，下降幅度较采用单对单谐振线圈设计的平板型磁谐振耦合无线电能传输系统低十倍以上，系统仍可以保持较为高效的无线电能传输；当接收模块在与传输方向垂直的平面上横向移动时，系统的整体能量传输效率保持稳定。
8.根据权利要求1所述的冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述接收模块添加了整流稳压集成电路，集成电路采用低压差线性稳压电路设计，频率在5-20MHz的电磁能量从冰箱冷藏室和冷鲜室夹层的发射板发射后，经过中继耦合板层层传递、然后由磁场均衡分布反射板反射，再由接收模块整流稳压输出；接收模块提供3.3V-12V多种电压输出接口，以符合不同用电设备的输入电压要求，系统提供的无线供电总功率可达100w，可同步为冰箱内部各类不同电子、电气设备提供稳定、高效的无线电能供给；系统接收端的集成度高、尺寸小，可用于LED灯、换气风扇、传感器、监控小型电子、电气设备的无线充电或持续电能供给。
9.根据权利要求1所述的冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述发射模块中的反射板采用了由单个激励线圈驱动单个谐振线圈的设计，给发射板的背面留出大量空间，用于添加匹配集成电路和可调电子元器件来优化系统的传输性能和实现系统的智能化控制。
10.根据权利要求1所述的冰箱内部多级中继耦合磁谐振无线电能传输系统，其特征在于，所述接收模块可根据应用需求，采用不同尺寸、设计的接收谐振线圈和不同型号、规格的整流稳压芯片，当应用于LED灯、换气风扇、传感器、监控小型电子、电气设备时，所述接收模块的几何设计参数和电气设计参数如下：
接收模块所处的矩形印刷电路板长度LRes_Rx为70mm；
接收模块所处的矩形印刷电路板宽度HRes_Rx为50mm；
接收模块谐振线圈中的微带宽度WRes_Rx为2mm；
接收模块谐振线圈中的相邻微带线之间的间距SRes_Rx为0.5mm；
接收模块谐振电容值为100pF。
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