技术领域
[0001] 本发明属于有源桥变换器技术领域，具体涉及一种四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法。
相关背景技术
[0002] 四端口有源桥变换器QAB(quad active bridge)具有全隔离、双向功率流、高效率和低重量等优点，被广泛用于电动汽车、航空航天、船舶及电力系统领域，由于四端口有源桥变换器四个端口电感中流过的电流是无规律的交流量，并且四个端口存在交叉耦合的情况，这使得四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算变得十分复杂，而四端口有源桥变换器的电感电流有效值与四端口有源变换器的功率损耗直接相关，所以确定四端口有源桥变换器的电感电流有效值的通用表达式对于评估四端口有源桥变换器的功率损耗具有重要的现实意义。
[0003] 以往对于四端口有源桥变换器的电感电流通用表达式都是在频域状态下近似获得，由于频域状态下只考虑了基波或者低次谐波，得到的四端口有源桥变换器的电感电流通用表达式准确度不高，这使得如何获得时域状态下的四端口有源桥变换器电感电流有效值的通用表达式成为亟需解决的问题。
具体实施方式
[0071] 为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0072] 本发明的目的是提供一种四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法，能够很准确的计算四端口有源桥变换器的电感电流有效值，并且可以推广至更多端口的多有源桥变换器，为四端口有源桥变换器及多有源桥变换器损耗评估提供数据支撑。
[0073] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0074] 图1是本发明实施例一种四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法的流程图；图2为本发明实施例一种四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法的电路模型图；图3为本发明实施例一种四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法的四端口有源桥变换器Y型等效电路模型图；图4为本发明实施例一种四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法的方波波形图；图5为本发明实施例一种四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法的三角波波形图；结合图1‑5，本发明包括以下步骤：
[0075] S1:：根据四端口有源桥变换器的Y型等效电路，获得归算至同一端口时变压器四端口的电压、电流和等效串联电感计算模型；
[0076] S2：基于电压、电流和等效串联电感计算模型，根据叠加定理获得Y型等效电路的中点电压计算模型；
[0077] S3：基于中点电压计算模型，通过微积分获得归算至同一端口时变压器四端口的电感电流计算模型；
[0078] S4：利用方波函数替代四端口有源桥变换器的端口电压，得到端口电压计算模型；
[0079] S5：基于电感电流计算模型和端口电压计算模型，通过微积分计算获得四端口有源桥变换器的电感电流瞬时值计算模型；
[0080] S6：对电感电流瞬时值计算模型的平方在一个开关周期内进行积分得到四端口有源桥变换器的电感电流有效值通用计算模型，基于通用计算模型实现电感电流有效值计算。
[0081] 本实施例提供一种四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法，在时域状态下提出四端口有源桥变换器的电感电流有效值通用表达式，本发明所提出的四端口有源桥变换器的电感电流有效值通用表达式只忽略了等效串联电阻、励磁电阻和励磁电感，所以本发明所提出的四端口有源桥变换器的电感电流有效值通用表达式准确度相比频域状态下获得的表达式准确度更高，本发明所提出的四端口有源桥变换器的电感电流有效值通用表达式更能准确指导四端口有源桥变换器的功率损耗评估。
[0082] 在本发明一个较佳的实施例中，步骤S1具体包括：
[0083] S10：根据变压器的Y型等效电路获得四端口有源桥变换器的Y型等效电路，变压器端口电压归算至端口1侧，具体公式为：
[0084]
[0085] 式中，vh2、vh3、vh4为归算前变压器端口2、端口3、端口4的电压，vh2′、vh3′、vh4′为归算至端口1侧的变压器端口2、端口3、端口4的电压，N12为变压器端口1绕组与端口2绕组匝数比，N13为变压器端口1绕组与端口3绕组匝数比，N14为变压器端口1绕组与端口4绕组匝数比。
[0086] S11：变压器端口电流归算至端口1侧，具体公式为：
[0087]
[0088] iL2、iL3、iL4为归算前变压器端口2、端口3、端口4的电流，iL2′、iL3′、iL4′为归算至端口1侧的变压器端口2、端口3、端口4的电流。
[0089] S12：变压器端口等效串联电感归算至端口1侧，具体公式为：
[0090]
[0091] L2、L3、L4为归算前变压器端口2、端口3、端口4的等效串联电感，L2′、L3′、L4′归算至端口1侧变压器端口2、端口3、端口4的等效串联电感，四端口有源桥变换器的Y型等效电路忽略了励磁电阻与励磁电感，忽略了导线与开关管的等效串联电阻。
[0092] 在本发明一个较佳的实施例中，步骤S2具体包括：
[0093] S20：根据叠加定理，当端口1单独作用时列写基尔霍夫电压方程，具体表达式为：
[0094]
[0095] 式中，L1为端口1的等效串联电感，vh1为变压器端口1的电压，iL1为变压器端口1的电流。L2′//L3′//L4′为归算至端口1侧变压器端口2、端口3、端口4的等效串联电感的并联。
[0096] S21：根据端口1单独作用时求出中点电压，具体表达式为：
[0097]
[0098] 式中，vx1为端口1单独作用时的中点电压。
[0099] S22：根据叠加定理，当端口2单独作用时列写基尔霍夫电压方程，具体表达式为：
[0100]
[0101] 式中，L1//L3′//L4′为归算至端口1侧变压器端口2、端口3与端口1的等效串联电感的并联。
[0102] S23：根据端口2单独作用时求出中点电压，具体表达式为：
[0103]
[0104] 式中，vx2为端口2单独作用时的中点电压。
[0105] S24：根据叠加定理，当端口3单独作用时列写基尔霍夫电压方程，具体表达式为：
[0106]
[0107] 式中，L1//L2′//L4′为归算至端口1侧变压器端口2、端口4与端口1的等效串联电感的并联。
[0108] S25：根据端口3单独作用时求出中点电压，具体表达式为：
[0109]
[0110] 式中，vx3为端口3单独作用时的中点电压。
[0111] S26：根据叠加定理，当端口4单独作用时列写基尔霍夫电压方程，具体表达式为：
[0112]
[0113] 式中，L1//L2′//L3′为归算至端口1侧变压器端口2、端口3与端口1的等效串联电感的并联。
[0114] S27：根据端口4单独作用时求出中点电压，具体表达式为：
[0115]
[0116] 式中，vx4为端口4单独作用时的中点电压。
[0117] S28：将每个端口单独作用时各自端口电压前面的系数简化为等效电感，具体表达式为：
[0118]
[0119] 式中， 为端口1的等效电感， 为端口2的等效电感， 为端口3的等效电感，为端口4的等效电感。
[0120] S29：通过叠加定理获得四端口有源桥变换器Y型等效电路的中点电压，具体表达式为：
[0121]
[0122] 式中，vx为四端口有源桥变换器Y型等效电路的中点电压。
[0123] 在本发明一个较佳的实施例中，步骤S3具体包括：
[0124] S30：通过微积分获得端口1电感电流的微分表达式，具体表达式为：
[0125]
[0126] S31：通过微积分获得端口2归算至端口1的电感电流的微分表达式，具
[0127]
[0128] S32：通过微积分获得端口3归算至端口1的电感电流的微分表达式，具体表达式为：
[0129]
[0130] S33：通过微积分获得端口4归算至端口1的电感电流的微分表达式，具体表达式为：
[0131]
[0132] 在本发明一个较佳的实施例中，步骤S4具体包括：
[0133] S40：通过用幅值为0.5，周期为2T的方波与四端口有源桥变换器的端口1电压的乘积替代变压器端口1侧的电压，具体表达式为：
[0134] vh1＝2V1S(t)
[0135] 式中，V1为四端口有源桥变换器的端口1电压，S(t)为方波函数。
[0136] S41：通过用幅值为0.5，周期为2T的方波与四端口有源桥变换器的端口2电压的乘积替代变压器端口2侧归算至端口1的电压，具体表达式为：
[0137] vh2′＝2N12V2S(t‑D12T)
[0138] 式中，V2为四端口有源桥变换器的端口2电压，D12四端口有源桥变换器端口2与端口1的移相角，其值大于‑1小于1，T为四端口有源桥变换器开关周期的一半。
[0139] S42：通过用幅值为0.5，周期为2T的方波与四端口有源桥变换器的端口3电压的乘积替代变压器端口3侧归算至端口1的电压，具体表达式为：
[0140] vh3′＝2N13V3S(t‑D13T)
[0141] 式中，V3为四端口有源桥变换器的端口3电压，D13四端口有源桥变换器端口3与端口1的移相角，其值大于‑1小于1。
[0142] S43：通过用幅值为0.5，周期为2T的方波与四端口有源桥变换器的端口4电压的乘积替代变压器端口4侧归算至端口1的电压，具体表达式为：
[0143] vh4′＝2N14V4S(t‑D14T)
[0144] 式中，V4为四端口有源桥变换器的端口4电压，D14四端口有源桥变换器端口4与端口1的移相角，其值大于‑1小于1。
[0145] 在本发明一个较佳的实施例中，步骤S5具体包括：
[0146] S50：根据伏秒平衡定理，通过对四端口有源桥变换器端口1电感电流的微分表达式进行积分得到四端口有源桥变换器端口1的电感电流表达式，具体表达式为：
[0147]
[0148] 式中，Tr(t)为幅值为0.25T，周期为2T的三角波。
[0149] S51：根据伏秒平衡定理，通过对四端口有源桥变换器端口2电感电流的微分表达式进行积分得到四端口有源桥变换器端口2的电感电流表达式，具体表达式为：
[0150]
[0151] S52：根据伏秒平衡定理，通过对四端口有源桥变换器端口3电感电流的微分表达式进行积分得到四端口有源桥变换器端口3的电感电流表达式，具体表达式为：
[0152]
[0153] S53：根据伏秒平衡定理，通过对四端口有源桥变换器端口4电感电流的微分表达式进行积分得到四端口有源桥变换器端口4的电感电流表达式，具体表达式为：
[0154]
[0155] 在本发明一个较佳的实施例中，步骤S6具体包括：
[0156] S60：利用三角波积分公式简化积分，具体公式为：
[0157]
[0158] S61：根据四端口有源桥变换器电感电流的半周期对称性，对四端口有源桥变换器端口1的电感电流表达式的平方在半个周期内进行积分得到四端口有源桥变换器端口1的电感电流有效值表达式，具体表达式为：
[0159]
[0160] S62：根据四端口有源桥变换器电感电流的半周期对称性，对四端口有源桥变换器端口2的电感电流表达式的平方在半个周期内进行积分得到四端口有源桥变换器端口2的电感电流有效值表达式，具体表达式为：
[0161]
[0162] S63：根据四端口有源桥变换器电感电流的半周期对称性，对四端口有源桥变换器端口3的电感电流表达式的平方在半个周期内进行积分得到四端口有源桥变换器端口3的电感电流有效值表达式，具体表达式为：
[0163]
[0164] S64：根据四端口有源桥变换器电感电流的半周期对称性，对四端口有源桥变换器端口4的电感电流表达式的平方在半个周期内进行积分得到四端口有源桥变换器端口4的电感电流有效值表达式，具体表达式为：
[0165]
[0166] S65：通过规律总结得到四端口有源桥变换器的电感电流有效值的通用表达式，具体表达式为：
[0167]
[0168] 式中i为端口号，Ik为固有电流，与移相角无关，Ijk为转移电流，与移相角有关。
[0169] 在本发明进一步的实施例中，固有电流和转移电流的具体表达式为：
[0170]
[0171] 式中Vk′为四端口有源桥变换器端口k电压归算至端口1的电压，Vk′＝N1kVk，Djk为端口j和端口k的移相角，Djk＝D1k‑D1j， 是端口k的等效电感，具体表达式为：
[0172]
[0173] 式中，Lj′为端口j归算至端口1的等效串联电感，Lj′＝N1j2Lj，式中n为端口数量。
[0174] 在本发明进一步的实施例中，通过推广可以得到多有源桥变换器电感电流有效值的通用表达式，具体表达式为：
[0175]
[0176] 式中n为多有源桥变换器的端口数量。
[0177] 基于上述实施例，本发明在时域状态下提出四端口有源桥变换器的电感电流有效值通用表达式可以直接推广至多有源桥变换器的电感电流有效值通用表达式，基本形式均相同，不同的是随着多有源桥变换器端口数目的增大表达式的项会增多，所以本发明所提出的电感电流有效值通用表达式为多有源桥变换器的功率损耗评估提供了数据支撑。
[0178] 基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法的四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算装置。该系统所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法的限定，在此不再赘述。
[0179] 本实施例提供一种四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算装置，包括：
[0180] 第一计算模块，用于根据四端口有源桥变换器的Y型等效电路，获得归算至同一端口时变压器四端口的电压、电流和等效串联电感计算模型；
[0181] 第二计算模块，用于基于电压、电流和等效串联电感计算模型，根据叠加定理获得Y型等效电路的中点电压计算模型；
[0182] 第三计算模块，用于基于中点电压计算模型，通过微积分获得归算至同一端口时变压器四端口的电感电流计算模型；
[0183] 第四计算模块，用于利用方波函数替代四端口有源桥变换器的端口电压，得到端口电压计算模型；
[0184] 第五计算模块，用于基于电感电流计算模型和端口电压计算模型，通过微积分计算获得四端口有源桥变换器的电感电流瞬时值计算模型；
[0185] 第六计算模块，用于对电感电流瞬时值计算模型的平方在一个开关周期内进行积分得到四端口有源桥变换器的电感电流有效值通用计算模型，基于通用计算模型实现电感电流有效值计算。
[0186] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述系统的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0187] 本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括：存储器和处理器及存储在存储器上的计算机程序，当所述计算机程序在处理器上被执行时，实现如上述方法中任一项所述的一种四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法。
[0188] 所述计算机设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。该计算机设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
[0189] 所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0190] 所述存储器在一些实施例中可以是所述计算机设备的内部存储单元，例如计算机设备的硬盘或内存。所述存储器在另一些实施例中也可以是所述计算机设备的外部存储设备，例如所述计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述计算机设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(BootLoader)、数据以及其他程序等，例如所述计算机程序的程序代码等。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0191] 本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时，实现如上述方法中任一项所述的一种四端口有源桥变换器的电感电流有效值计算方法。
[0192] 该实施例中，所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read‑Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不可以是电载波信号和电信信号。
[0193] 在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0194] 本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
[0195] 在本申请所公开的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0196] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
