本发明及电力电子行业，尤其涉及基于电池充放电的双向buck-boost电路及方法。

背景技术：

在储能电池充放电控制的应用中，基于双管的buck-boost电路是目前市面高压储能系统主流的功率拓扑。这种buck-boost电路具有结构、控制简单的优势。但是基于双管buck-boost电路在实际应用中也存在一些缺陷，造成实际使用存在一定的局限性。

1)从能量流动角度来看，无论是电池充电或放电模式，这种双管的buck-boost电路只能实现升压或降压功能中的其中一种功能，并不是真正意义上的双向buck-boost拓扑。这种缺陷会限制储能电池的输入电压范围，不适用于向更高压储能方案的集成。

2)buck-boost电路后级一般是逆变电路，目前双管buck-boost电路方案的输出直流母线电压一般都高于输入电池高压，故系统在高压电池输入(通常是500v系统)时存在高压母线应力的应用场景。这会造成buck-boost电路的开关器件以及后级逆变电路开关器件的电压应力高和开关损耗大的缺陷，从而降低系统效率和可靠性。

3)目前主流的双管buck-boost电路拓扑，电池放电模式工作在boost模式，故储能电池输入电压无法实现更高电压压集成。这会使得储能电池充放电时具有更大的电流，造成电池内部热管理的难度增加并一定程度上影响到电池的可靠性。

技术实现要素：

针对上述提到的双管buck-boost电路存在的缺陷，本发明提供了基于电池充放电的双向buck-boost电路，还提供了该电路的工作方法，适用于高压储能方案，可靠性好。

其技术方案是这样的：一种基于电池充放电的双向buck-boost电路，包括开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4，所述开关管s1的1端口连接到电池的正极，所述开关管s1的2端口连接霍尔传感器ct1、功率电感l1后连接到开关管s4的2端口，所述开关管s1的2端口还连接到所述开关管s2的1端口，开关管s4的2端口还连接到所述开关管s3的1端口，开关管s4的1端口连接到直流母线电容cbus的一端，直流母线电容cbus的另一端、开关管s3的2端口、开关管s2的2端口分别连接到电池的负极，所述开关管s1的1、2端口之间并联连接有开关k1，所述开关管s4的1、2端口之间并联连接有开关k2，所述开关管s4的1、2端口之间并联连接有电阻r1和开关k3。

进一步的，所述开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4分别为igbt或者mos管中的任意一种，所述开关k1、k2、k3分别为继电器开关。

进一步的，第一电压采样端vsen1的一端连接到电池的正极，第一电压采样端vsen1的另一端连接到电池的负极，第二电压采样端vsen2的一端连接到开关管s2的1端口，第二电压采样端vsen2的另一端连接到开关管s2的2端口，第三电压采样端vsen3的一端连接到直流母线电容cbus的一端，第三电压采样端vsen3的另一端连接到直流母线电容cbus的另一端，第四电压采样端vsen4的一端连接到开关管s3的1端口，第四电压采样端vsen4的另一端连接到开关管s3的2端口。

一种上述的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作方法，其特征在于，电池在放电模式下，初次给直流母线电容cbus充电时，闭合开关k1、k3，电池的电流流经开关k1、霍尔传感器ct1、功率电感l1和电阻r1和开关k3给直流母线电容cbus充电，当直流母线电压vbus达到与输入的电池电压vbat相等时，结束充电。

一种上述的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作方法，其特征在于，电池在放电模式下，当输入的电池电压vbat低于直流母线电压vbus的预设值，闭合开关k1，开关管s3通过pwm控制开通，电路进入boost升压模式，当开关管s3开通时,输入的电池电压vbat通过开关k1和开关管s3给功率电感l1供电，功率电感l1储存能量，直流母线电容cbus给负载供电，

直流母线电压vbus通过控制开关管s3的占空比进行调节，s3开关管的占空d3比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

一种上述的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作方法，其特征在于，电池在放电模式下，当输入电池电压vbat低于直流母线电压vbus的预设值，闭合开关k1，开关管s3关断，电路进入boost升压模式，电感l1的放电电流通过开关管s4的体二极管进行续流，给直流母线电容cbus充电，

直流母线电压vbus通过控制开关管s3的占空比进行调节，s3开关管的占空d3比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

一种上述的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作方法，其特征在于，当输入电池电压满足vbat＝360～410v时，控制开关k1和开关k2都保持闭合状态，开关管s1、s2、s3和s4保持关断状态，电池的输出通过开关k1、霍尔传感器ct1、功率电感l1和开关k2给直流母线电容cbus供电，输入电池电压vbat电压和直流母线电压vbus的关系如以下公式：vbat＝vbus。

一种上述的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作方法，其特征在于：电池在放电模式下，当输入电池电压vbat电压高于直流母线电压vbus的预设值，开关管s1通过pwm控制开通，控制k1保持关断状态，k2保持闭合状态，开关管s2、s3、s4保持关断状态，电路进入buck降压模式，输入电池电压vbat电压通过开关管s1、霍尔传感器ct1、功率电感l1和开关k2、直流母线电容cbus，电池给电感l1和直流母线电容cbus供电，

直流母线电压vbus通过控制开关管s1的占空比进行调节，s1开关管的占空d1比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

一种上述的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作方法，其特征在于，电池在放电模式下，当输入电池电压vbat电压高于直流母线电压vbus的预设值，开关管s1关断，控制开关k2闭合，电路进入buck降压模式，功率电感l1第2端的电压高于直流母线电压vbus，功率电感l1通过开关k2、直流母线电容cbus，然后通过开关管s2的体二极管完成储能电感l1的放电续流回路，

直流母线电压vbus通过控制开关管s1的占空比进行调节，s1开关管的占空d1比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

一种上述的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作方法，其特征在于，电池在充电模式下，当输入电池电压vbat电压低于直流母线电压vbus的预设值，开关管s2通过pwm控制开通，控制开关k2保持闭合状态，开关k1保持关断状态，开关管s1、s3、s4均保持关断状态，电路进入boost升压模式，直流母线电容通过开关k2、功率电感l1、霍尔传感器ct1、开关管s2完成回路，功率电感l1储存能量，

直流母线电压vbus通过控制开关管s2的占空比进行调节，s2开关管的占空d2比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

一种上述的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作方法，其特征在于，电池在充电模式下，当输入电池电压vbat电压低于直流母线电压vbus的预设值，开关管s2关断，控制开关k2保持闭合状态，电路进入boost升压模式，功率电感l1的第1端的电压高于电池电压，开关管s1的体二极管导通，功率电感l1储存的能量通过霍尔传感器ct1、开关管s1体二极管、k2实现对电池的充电回路，

直流母线电压vbus通过控制开关管s2的占空比进行调节，s2开关管的占空d2比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

一种上述的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作方法，其特征在于：电池在充电模式下，输入电池电压vbat满足＝360v～410v范围时，保持k2和k1都保持闭合状态，4个开关管s1、s2、s3和s4保持关断状态，直流母线通过开关k2、功率电感l1、霍尔传感器ctl和开关k1给电池组供电，此时有直流母线电压vbus和输入电池电压vbat的关系如以下公式：vbus＝vbat。

一种上述的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作方法，其特征在于，电池在充电模式下，当输入电池电压vbat电压高于直流母线电压vbus的预设值，开关管s4通过pwm控制开通，开关k1保持闭合状态，开关k2保持关断状态，电路进入buck降压模式，直流母线电容cbus通过开关管s4、功率电感l1、霍尔传感器ct1、开关k1给电池充电，电感l1储存能量，

直流母线电压vbus通过控制开关管s4的占空比进行调节，s4开关管的占空d4比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

一种上述的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作方法，其特征在于，电池在充电模式下，当输入电池电压vbat电压高于直流母线电压vbus的预设值，开关管s4关断，开关k1闭合，电路进入buck降压模式，功率电感l1的第1端的电压高于电池电压，功率电感l1通过霍尔传感器ct1、开关k1、开关管s3的体二极管完成续流回路，给电池充电，

直流母线电压vbus通过控制开关管s4的占空比进行调节，s4开关管的占空d4比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

本发明的基于电池充放电的双向buck-boost电路，针对目前传统的双管buck-boost拓扑电路，具有以下明显的优势：

1、无论电池是充电或放电模式，本发明的基于电池充放电的双向buck-boost电路都可以升压或降压功能，从而真正意义上的双向buck-boost拓扑

2、可以将输出的直流母线电压维持到稳定的电压范围，一般为400v左右，可以有效降低输出侧后级电路的电压应力。

3、目前主流的户用储能电池组电压一般最大到500v，利用本发明的基于电池充放电的双向buck-boost电路，可以将户用储能电池组电压提升到1000v，一方面极大提高了储能电池的使用容量，另一方面因为电池是高压系统，降低了储能电池组的充放电电流，有利于提高电池组热管理性能以及可靠性。

4、通过设计开关k1、k2和电阻r1和k1k3继电器与开关管的组合，本发明专利也另外提供了储能电池组预充直流母线和与直流母线直连的机制，当输入侧直流电压在360～410v范围时，可以通过闭合k1和k2继电器与直流母线直连，实现系统最佳效率。

附图说明

图1为具体实施例1中的一种基于电池充放电的双向buck-boost电路图；

图2为具体实施例2中的一种基于电池充放电的双向buck-boost电路图；

图3为实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路的第1种工作模式的示意图；

图4为实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路的第2种工作模式的示意图；

图5为实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路的第3种工作模式的示意图；

图6为实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路的第4种工作模式的示意图；

图7为实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路的第5种工作模式的示意图；

图8为实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路的第6种工作模式的示意图；

图9为实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路的第7种工作模式的示意图；

图10为实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路的第8种工作模式的示意图；

图11为实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路的第9种工作模式的示意图；

图12为实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路的第10种工作模式的示意图；

图13为实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路的第11种工作模式的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明专利作详细描述。提供的附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明专利的保护范围进行任何限制。

具体实施例1：

如图1所示，本发明的一种基于电池充放电的双向buck-boost电路，包括开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4，开关管s1的1端口连接到电池的正极，开关管s1的2端口连接霍尔传感器ct1、功率电感l1后连接到开关管s4的2端口，开关管s1的2端口还连接到开关管s2的1端口，开关管s4的2端口还连接到开关管s3的1端口，开关管s4的1端口连接到直流母线电容cbus的一端，直流母线电容cbus的另一端、开关管s3的2端口、开关管s2的2端口分别连接到电池的负极，开关管s1的1、2端口之间并联连接有开关k1，开关管s4的1、2端口之间并联连接有开关k2，开关管s4的1、2端口之间并联连接有电阻r1和开关k3。

在本实施例中，开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4分别为mos管，开关k1、k2、k3分别为继电器开关，在本发明的其他实施例中，开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4也可以采用igbt，具体使用应按照具体设计要求进行选型。

在本实施例中，其中开关管s1和开关管s3为电池放电模式的主开关管，电池充电模式时作为二极管进行续流。开关管s4和开关管s2为电池充电模式的主开关管，电池放电模式时作为二极管进行续流。继电器k1和k2主要用来做电池与直流母线直连以及辅助各种工作模式的线路切换的功能，继电器k3和r1用来电池预充直流母线，防止k1因直流母线初始充电过电流导致k1触点粘合的故障。

具体实施例2：

如图2所示，其在具体实施例1的基础上，还设置了第一电压采样端vsen1、第二电压采样端vsen2、第三电压采样端vsen3、第四电压采样端vsen4，具体的：第一电压采样端vsen1的一端连接到电池的正极，第一电压采样端vsen1的另一端连接到电池的负极，第二电压采样端vsen2的一端连接到开关管s2的1端口，第二电压采样端vsen2的另一端连接到开关管s2的2端口，第三电压采样端vsen3的一端连接到直流母线电容cbus的一端，第三电压采样端vsen3的另一端连接到直流母线电容cbus的另一端，第四电压采样端vsen4的一端连接到开关管s3的1端口，第四电压采样端vsen4的另一端连接到开关管s3的2端口。

电压采样vsen1和vsen2用来检测k1继电器触点状态和s1开关管状态，电压采样vsen3和vsen4用来检测k2继电器触点状态和s4开关管状态，防止因为k1/s1和k2/s4故障，造成电池组短路故障和内部硬件故障损坏电池组和产品。

通过上述电压采样端的设计，本实施例额外提供了2种内部硬件故障的检测功能。第一个是k1继电器的触点电压检测功能，通过检测k1两侧的电压vsen1和vsen2的压差，当压差小于系统设计的故障阈值时，系统会判断k1继电器粘合故障或s1开关管短路故障，从而让系统与储能电池脱离，避免电池组进行充放电时因为k1继电器的问题造成电池组出现短路故障的风险。另外一个是直流母线侧开关管故障检测，当系统检测到k2两侧的电压检测vsen3和vsen4的压差小于系统设计的故障阈值时，系统会停止电池的充放电，确保直流母线电压出现短路故障造成产品炸机损坏。

本发明的基于电池充放电的双向buck-boost电路一共有11种工作模态，以下以具体实施例2为例，通过附图二到附图十二分别介绍了11种工作模态。4个开关管s1～s4通过pwm脉宽调制技术进行直流斩波，在不同的工作模式中4个开关管具有不同的功能。

为了更好的阐述本发明专利的涉及的基于电池充放电的双向buck-boost电路的工作原理和实施例，本发明专利通过以下11个工作方式并结合附图用来说明本发明专利在不同工作模式下的工作原理和控制方法。

见图3，其为工作在电池预充直流母线cbus的工作模态，电池在放电模式下，初次给直流母线电容cbus充电时，闭合开关k1、k3，电池的电流流经开关k1、霍尔传感器ct1、功率电感l1和电阻r1和开关k3给直流母线电容cbus充电，当直流母线电压vbus达到与输入的电池电压vbat相等时，结束充电。此工作模态只在电池放电模式下工作，无论电池电压大小与否，都需要先进入此工作模态预充直流母线电容，防止过大的浪涌电流减小对k1继电器触点的冲击。

见图4，以下说明上述实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路工作在电池放电模式以及boost升压模式时的工作模式：

电池在放电模式下，当输入的电池电压vbat低于直流母线电压vbus的预设值400v时进入此模式，在此工作模式下，通过控制k1、开关管s3组成boost升压电路，此模态下的电路拓扑原理为：闭合开关k1，开关管s3通过pwm控制开通，电路进入boost升压模式，当开关管s3开通时,输入的电池电压vbat通过开关k1和开关管s3给功率电感l1供电，功率电感l1储存能量，直流母线电容cbus给负载供电，

直流母线电压vbus通过控制开关管s3的占空比进行调节，s3开关管的占空d3比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

见图5，以下说明上述实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路工作在电池放电模式以及boost升压模式时的另一种工作模式：

电池在放电模式下，当输入电池电压vbat低于直流母线电压vbus的预设值，闭合开关k1，开关管s3关断，电路进入boost升压模式，功率电感l1因为电感特性电流不能突变，会在l1两端感应出反相的电动势，此时l1的第1端极性为负，第2端极性为正，产生的反相电动势电压高于直流母线电压，电感l1的放电电流通过开关管s4的体二极管进行续流，给直流母线电容cbus充电，

直流母线电压vbus通过控制开关管s3的占空比进行调节，s3开关管的占空d3比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

见图6，以下说明上述实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路工作在电池放电模式，电池与直流母线直连下的工作模式：

当输入电池电压满足vbat＝360～410v时，控制开关k1和开关k2都保持闭合状态，开关管s1、s2、s3和s4保持关断状态，电池的输出通过开关k1、霍尔传感器ct1、功率电感l1和开关k2给直流母线电容cbus供电，输入电池电压vbat电压和直流母线电压vbus的关系如以下公式：vbat＝vbus，这种工作模式为最佳效率模式，因开关管s1～s4均不参与工作，buck-boost电路拓扑不产生开关损耗。

见图7，以下说明上述实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路工作在电池放电模式以及buck降压模式时的一种工作模式：

电池在放电模式下，当输入电池电压vbat电压高于直流母线电压vbus的预设值400v，开关管s1通过pwm控制开通，控制k1保持关断状态，k2保持闭合状态，开关管s2、s3、s4保持关断状态，vbat电压通过开关管s1、霍尔传感器ct1、功率电感l1、开关k2、直流母线电容cbus组成典型的buck电路，

电路进入buck降压模式，输入电池电压vbat电压通过开关管s1、霍尔传感器ct1、功率电感l1和开关k2、直流母线电容cbus，电池给电感l1和直流母线电容cbus供电，

直流母线电压vbus通过控制开关管s1的占空比进行调节，s1开关管的占空d1比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

见图8，以下说明上述实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路工作在电池放电模式以及buck降压模式时的另一种工作模式：

电池在放电模式下，当输入电池电压vbat电压高于直流母线电压vbus的预设值400v，开关管s1关断，控制开关k2闭合，电路进入buck降压模式，功率电感l1第2端的电压高于直流母线电压vbus，功率电感l1通过开关k2、直流母线电容cbus，然后通过开关管s2的体二极管完成储能电感l1的放电续流回路，

直流母线电压vbus通过控制开关管s1的占空比进行调节，s1开关管的占空d1比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

见图9，以下说明上述实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路工作在电池充电模式以及boost升压模式时的一种工作模式：

在此工作模式下，电路拓扑功率流向变成从左侧的直流母线向右侧的电池组进行流动，电池在充电模式下，当输入电池电压vbat电压低于直流母线电压vbus的预设值，开关管s2通过pwm控制开通，控制开关k2保持闭合状态，开关k1保持关断状态，开关管s1、s3、s4均保持关断状态，电路进入boost升压模式，直流母线电容通过开关k2、功率电感l1、霍尔传感器ct1、开关管s2完成能量回路，功率电感l1储存能量，

直流母线电压vbus通过控制开关管s2的占空比进行调节，s2开关管的占空d2比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

见图10，以下说明上述实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路工作在电池充电模式以及boost升压模式时的另一种工作模式：

电池在充电模式下，当输入电池电压vbat电压低于直流母线电压vbus的预设值，开关管s2关断，控制开关k2保持闭合状态，电路进入boost升压模式，由于电感l1电流不能突变的特性，会在功率电感l1两端产生反相电动势，功率电感l1的第1端的电压高于电池电压，开关管s1的体二极管导通，功率电感l1储存的能量通过霍尔传感器ct1、开关管s1体二极管、k2实现对电池的充电回路，

直流母线电压vbus通过控制开关管s2的占空比进行调节，s2开关管的占空d2比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

见图11，以下说明上述实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路工作在电池充电模式、电池与直流母线直连下的工作模式：

电池在充电模式下，输入电池电压vbat满足＝360v～410v范围时才进入此工作模式，保持k2和k1都保持闭合状态，4个开关管s1、s2、s3和s4保持关断状态，直流母线通过开关k2、功率电感l1、霍尔传感器ct1和开关k1给电池组供电，此时有直流母线电压vbus和输入电池电压vbat的关系如以下公式：vbus＝vbat，这种工作模式为最佳效率模式，buck-boost拓扑不产生开关损耗。

见图12，以下说明上述实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路工作在电池充电模式以及buck降压模式时的一种工作模式：

电池在充电模式下，当输入电池电压vbat电压高于直流母线电压vbus的预设值400v，开关管s4作为buck主开关管进行pwm开通，开关k1保持闭合状态，开关k2保持关断状态，其他三个开关管均保持关断状态，电路进入buck降压模式，直流母线电容cbus通过开关管s4、功率电感l1、霍尔传感器ct1、开关k1给电池充电，此时电感l1储存能量，

直流母线电压vbus通过控制开关管s4的占空比进行调节，s4开关管的占空d4比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

见图13，以下说明上述实施例中的基于电池充放电的双向buck-boost电路工作在电池充电模式以及buck降压模式时的另一种工作模式：

电池在充电模式下，当输入电池电压vbat电压高于直流母线电压vbus的预设值，开关管s4关断，开关k1闭合，电路进入buck降压模式，由于电感l1电流不能突变的特性，l1两端产生反相电动势，功率电感l1的第1端的电压高于电池电压，功率电感l1通过霍尔传感器ct1、开关k1、开关管s3的体二极管完成续流回路，给电池充电，

直流母线电压vbus通过控制开关管s4的占空比进行调节，s4开关管的占空d4比与输入电池电压和直流母线电压的公式：

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。