TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 4996 ~ 50 0 2   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.537 7          4996     Re cei v ed  De cem ber 1 6 , 2013; Re vi sed  Jan uar y 11, 2 014; Accepte d  February 1 0 , 2014   A Design of Rapid Pulsed Intelligent Charging Circuit       Zhang Le fa ng*, Li Xiaohong, Ren  Zh ihong  Schoo l of  Information En gi ne erin g,Xi' an Eur a sia U n ivers i t y ,    Xi' a n  710 06 5   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l :  zlf _ x a @16 3 . com       A b st r a ct   As know n that the traditio nal   DC constant  voltag e char gi ng eq ui p m ent  not only c an c ause th e   battery ov erch arge  or  ins u fficient c har gin g ,  but a l so  the  ch argi ng ti me  is t oo  lon g . In  the  pa per,  base d   o n   the the o ry  of p u lse  char gi ng  meth od  a nd th e d e sig n   of  th e p u lse d  fast  i n telli ge nt ch ar gin g  e q u i p m e n t is   prese n ted, th e  imple m entati o n  of har dw are  a nd s o ftw are pr ocess  of t he s ystem  is g i ven  out, the  an aly s is   of the resu lts show  that it can  e ffectively pr e v ent overc harg e  an d low  char ge p hen o m e n o n  in th e char gi n g   process of batt e ry.     Ke y w ords :  intelli ge nt charg i n g , rapid p u ls ed , circuit, Desig n           Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  With the dev elopme n t of the storage b a tte ry, chargi ng tech nolo g y is keepi ng  update s .  The upd ate chargi ng tech nology not o n ly can meet  the requirem ents of new  battery cha r g i ng,  more im porta nt is that it ca n improve th e quality  of the cha r gi ng, a nd prol on g the se rvice life  of  the battery. The tra d ition a l ch argi ng t e ch nolo g y does  not ado pt the dyna mic tra c in g b a ttery  cha r gin g  current, thus  cau s e the  ch argi ng time  is to o  long, and  ca nnot meet the  need  of mod e rn   prod uctio n  an d living, influ ence the b a ttery state  of tech nolo g y an d se rvice life. Quick  cha r g e  is  to  make  th e actual dynam ic  battery cha r ging cu rrent  track the a cceptabl e  ch arg i ng current a nd  the cha r gin g  curre n t is ne ar to acce pta b le  value fro m  beginni ng  to end. And it can ma ke the  battery cha r g e   almo st und er  th e con d ition  of no ga s evolution, th us it  ca n  sav e  ele c tri c ity a nd  kee p  the battery out of damage. At  pre s ent, the quick ch arg e  appl ication is u s e d  more an d more   widely, espe cially the pulse  type fast cha r ge meth od h a s be en wi del y used [1-3].       2. Pulse Cha r ging Theor y   Pulse  cha r gin g  method n o t only can foll ow t he in here n t acceptan ce rate of the  battery,  and but also it can increa se the rate of chargi ng,  thus  brea k the limi t ation of the battery cha r gin g   curve. It i s  al so th e n e w d e velopme n t o f  the batte ry  cha r gin g  the o r y. In the p u lse charging  way,  first  step i s  to  use p u lse  cu rre nt in th e  chargi ng  fo r th e battery,  an d then  sto p  t he  cha r gin g  f o r a  sho r t time, th en  contin ue t o  charge. Pu lse  ch argi ng  can  ma ke  ba ttery is full  of  po wer, i n  th e  brea k, the chemical co m b ined rea c tio n  of  oxygen and hydroge n can b e  ab sorbed, then  the   con c e n tration  pola r ization  and  ohm  p o lari zation  n a turally a r e   eliminated, t hus the  battery  internal  pre ssure i s  redu ce d, the pro c e s s can  ma ke t he next ro un d of co nsta nt-curre nt ch arg i ng  can m o re sm oothly. The b a ttery can  ab sorb mu ch m o re p o wer  an d intermittent  pulse ma ke s  the  respon se  time of the b a ttery is lo ng, red u ce th e  o u tpu t  of the ga s, a nd finally imp r ove the  batte ry  cha r gin g  cu rrent accepta n c e rate [4 -6].  The p r in ciple  of pulse ch argin g  meth o d  is to u s e  b r ea k time to  make  the ele c trolyte  balan ce thu s  increa se the  integrity of the re actio n . In the pulse  cha r gin g  met hod, when th e  cha r gin g  is stopped  duri n g the cha r gi ng pe riod, th e ele c trolyte  insid e  the b a ttery can  obt ain   homog ene ou s diffusi on; th e ene rgy of t he batte ry  ca n be fully  con v erted into  chemical e nergy,  so th e cha r gi ng efficie n cy  is hi ghe r  co mpared  wi th  the traditio n a l  method s. T he di scha rgi ng  pulse  cha r gin g  meth od i s  f o llowed  by a   pulse di sc ha rge  afte r cha r ging pul se  to  stop ch arging   for  a pe riod  of ti me for chargi ng  cycle  in th e batte ry  ch a r ging,  and  th e di scharge  pulse aim s  i s  to   eliminate the  bubbl e plate,  and redu ce t he internal  re sista n ce, imp r ove the tra n sform  efficien c y   of elect r ical  energy into  chemic al e nergy. Since in side the  se ale d  lead -a cid  b a ttery only ju st  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Desig n  of Rapi d Pulse d  Intelligent Ch argin g  Ci rcuit (Zhan g Lefa ng)  4997 adde d ele c tro l yte, so any f o rm of  elect r o l yte loss  will  cause the lo ss of battery  ca pacity, so  in t h e   pro c e ss, the  high voltage  of the battery can't not  be used, in order to avoid the gas of the  electrolyte is faster th an the  spee d of gas abs o r ption  which i s  due to  excessive vo ltage [7-11].       Figure 1. The  Pulsed Cha r ging Curve       3. Design of  the Pulse Ch arging Circu i t  Cha r gin g  sy stem is mainl y  con s ist s  of two  pa rts, the main  circuit and control circuit,   inclu d ing: in put rectifier  module, I G BT, high -fre q u ency t r an sfo r mer,  re ctifie r filter  ci rcuit,  TMS320L F24 07DSP, p u lse wi dth  chi p , cu rrent  sensor,  volta ge sen s o r , the  compa r a t or  swit che s , temperatu r e  swit che s , DC aux iliary power  supply, AC co ntactor a nd o t her pa rts of the  system. The  diagram is a s  sho w n in Fig u re 2         Figure 2. The  Diagram of the System         Figure 3. Fee dba ck  Circuit of the Current       This  device a dopts the p u l s e  ch argi ng  circuit, it  i s  the  bu ck  ch opp e r  ci rcuit in  essential,  comp ared wit h  the ba sic ty pe of Buck  DC -  DC  circuit ,  accordi ng to  the actu al re quire ment, th e   circuits of  pra c tical  is worked in  the  co n t inuou s  mo de , in the  de sig n  the i ndu cta n ce  of the  Bu ck  circuit is get rid of, and we increa se the  power  switch on the output  side, and form the convert e r  of charge pu mp type [12-1 5 ].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  4996 – 50 02   4998 Con s id er the  equivalent  se ries resi stan ce an d  th e p a rallel  re sistan ce effect  of  eq uivalent  circuits,  the  con s tant volt age  so urce  and th e b a ttery inte rnal   resi stan ce  in  se rie s   can   be  equivalent, th e actual  stru cture and  swit chin g se que n c e control  circuit is a s  sh o w n in Figu re  4.        (a)     (b)     Figure 4. Structure a nd Tim e  Sequen ce  of Charge Ci rcuit                As mentio ne d above, in  o r de r to elimi n at e the p o lari zation  phe no menon  of the  VRLA  battery cha r g ed, and improve the  acce ptance rate  of the battery  charg e , in the device fa st  cha r gin g  met hod  com b ine d  with t he  refl ection  type chargi ng m e th od a r e  ado pted, in the  p r o c e s s  of pul se  cha r ging a  certai n  disch a rg e p u l se i s   a dde d,  and th en u s e   the fast  ch arg i ng devi c e  and   the reflectio n  type charging  method, the discha rge p u l s e en ergy is  con s um ed in  the end of the   parall e l re sist ance, thus ca use the  wa ste of energy.    In this device, disch arge  resi stan ce s  is removed ,  and use many energy storag e  cap a cito rs  in stead, sp ecifi c  se rie s  can  be set  a c co rd ing to  actu al  need, th e fa st ch arging  dev ice  adopt s two le vels of  ene rg y storage  ca pacito r . T w o  l e vels  of en ergy sto r ag e  capa citor thro ugh   electroni c p a rallel on  both   end s of b a ttery in the   begi nning, it s ci rcuit stru ctu r e  are  as sho w n  in  Figure 5, R3  and R4 are th e equivalent resi stan ce of the disch a rg e cap a cita nce circuit.                                                                        Figure 5. Discha rge En erg y  Feedba ck  Circuit       Whe n  the  ba ttery need  to  disch a rg e, the trig ge r ele c troni c i s   swi t ched  an d ch arge  to  cap a cita nce, the si ze of  the battery  discha r ge  current de pen ds o n  t he  capa city of shunt  cap a cita nce and pa rallel  serie s . The di scha rge  cu rre n t depen ds  o n  the co ndu ct ion time of sh unt  cap a cita nce l oop el ect r oni c  swit ch, whi c h i s   controll ed by M CU.  Wh en the  voltage o n  th e   external sh u n t  ca pa citan c e re ach e s a  certain   val ue,  the sin g l e -chip micro c omp u ter  co ntrol  electroni c switch sh unt ca pacit a n ce co nne cted with  string mo del , and con s titute a bootstrap   circuit and in crea se capa cit ance voltage,  and then po we r i s  inje cte d  to the formal level of energy  stora ge ca pa citor,  the ene rgy  re cove ry of  discha rge   curre n t is  rea lized, a nd the  goal of  ene rgy  saving i s  achi eved.       4. Charging  Po w e r Suppl y   Energ y  Sa v i ng Validation   In the d e vice of the  ch a r ging  ci rcuit, it simplifie s the  cha r ge r switch  po wer  sup p ly  stru cture, an d new type  of ch a r gin g   power  stru ct ure s  to re mo ve the high  freque ncy p u l se   transfo rme r  a nd  el ectroni c swit che s , rep l ace   it  wi th   o p tically controlled  P W M el ectro n ic swit ch,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Desig n  of Rapi d Pulse d  Intelligent Ch argin g  Ci rcuit (Zhan g Lefa ng)  4999 thus  red u ce the nu mbe r  of  the en ergy d i ssi pat ion  ele m ent, lead th e improveme n t of the po wer  efficien cy, it is a ne w type  of powe r . In orde r  to veri fy the battery DC p o wer t o  get rid of t he  traditional  switch po we r e nergy  con s u m ption su ch  as the  high  freque ncy t r an sform e r, t h e   experim ent  ci rcuit  diag ram  IS as sho w n in  Figu re   6 ,  con s id erin g  the  se cu rity of expe rimen t al  requi rem ent etc, this expe riment ad opts  DC 24V inp u t  as voltage regulatio n of PWM.       Figure 6. The  Schemati c  Diagra m  of Energy Transfo rmation       As sh own in  Figure 6, in  a ce rtain te st  time, the DC 24V p o wer con s um ption  and the   con s um ption  of electri c ity LOAD  can b e  meas ured,  through  rela ted comp ari s ons, the en e r gy  conve r si on  efficien cy of the cha r gi ng po wer  supply ca n b e  obtaine d, in the act ually  impleme n tation m e thod,  o n  the  pa rts  of UT 1 a nd  UT 2, we  test  vol t age valu e, o n  the  pa rts  of IT1  and IT2, the  curre n t value s  a r e d e tecte d , take the  time t=1 0 ms  a s  the  sam p lin g interval, aft e r  the time  of 1 00  con s e c uti v e sa mpling,  so  the  po wer  ene rgy  co nversi on  efficiency  cal c ul a t ion   formula i s  as  (1).     10 0 1 10 0 1 22 11 ii i ii i UT I T UT I T                                                  (1)    Adjust frequ e n cy of PWM pulse is 200  Hz, the  duty-ratio is 8%, th e cha r gin g  voltage is 5  V on  both  e nds of th e e nergy  sto r ag e capa ci to r  C3, hi gh volt age i s   24.8   V, the contin uou s  sampli ng poi nts are  100 p o ints, the voltage an d cu rrent can b e  ca lculate d  re sp ectively:   The su m of low-e nd sampli ng the voltag e and current  value of the prod uct:     100 1 2 2 230000 ii i UT I T                                 (2)    100 1 1 1 235600 ii i UT I T                                  (3)    Acco rdi ng to the form ula (2 ), power e n e r gy  conve r si o n  efficien cy can be  cal c ula t ed, and  it  is  97.62%.  Whil e the  ordinary  switch  reg u late d  po wer supply, e nergy  co nversion  efficie n cy i s   only abo ut 85 %, even now  the soft switch tech nolo g y  of DC/ DC  co nv erter, it s en ergy  conve r si on   efficien cy onl y can  rea c h  90%. In thi s   system,  th e requireme nt  o f   the  po we r supply cha r ge  and  discha rge  ci rcuit, combin e d  with  the th ought  of en e r gy saving,  make s th e p o we r of  ene rgy  conve r si on ef ficien cy is improved by mo re than  7.62 %, so the device can re alize the desi gn  goal   of saving en e r gy in the ne w ch argi ng p o we r su pply.   As sho w n in  Figure 7, the measured wa veform  in CH1 is the feed back voltage  point of  waveform m easure d   wav e form i n  CH2 is th e  d r iving  signal  wa veform for Q 6 , the fro n t-e nd  cha r ge volta ge is 1 3 .0 V, on the ene rgy sto r age  cap a cito r C2, when  Q6 i s  conn ecte d, the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  4996 – 50 02   5000 voltage feed back poi nt voltage is 1 4 .2V, the  voltage ca n re ch arge d to the energy sto r age  cap a cito r C2.  in the cond u c tion cy cle of Q6 , the abso r ption ele c tri c  energy of C2  is:    22 2 11 (2 ) 22 21 (1 ) () () () () () 11 () ( ) ( ) ( ) 22 1 10 00 1 3 . 2 5 6 . 6 3 ( ) 2 ll C ll ul ul du Wu i d C u d i Ci d u C u t C u t Fm W                          (4)          Figure 7. The  Waveform of  Feedba ck Voltage an d Drive Signal      5 Pulse Char ging Voltage  Contr o l Stra teg y     The  circuit a dopts the vol t age feed ba ck  control of t he pul se  fast  ch argi ng te chnolo g y,  the  charging  para m eters such   a s  pu lse fr e q u e n c y , du ty c y c l e ca n  be  set flexib le, in o r de r t o   achi eve the   effect of  different  stag es o f  cha r gi ng,  so a s  to  a c hie v e the  optim al mo del  of q u ick  cha r gin g . Through  chan gin g  electroni c switch d r iv en b y  main contro ller MCU, the cha r gin g  pul se   freque ncy an d duty ratio effect can b e  chang ed.           Figure 8. Electroni c Swit ch Drive Sign a l  Timing Wav e form s      In the Figure  8, when the d r ive sign al is i n  lo w ele c tri c i t y, electronic  swit ch is  con necte d.  In ord e r to ve rify throug h  setting the d r iving si gnal  of  duty ratio  can  cha nge  of th e VRLA  batte ry  cha r gin g  voltage an d ch arging current, the circuit is d e sig ned a s  in  Figure 9.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Desig n  of Rapi d Pulse d  Intelligent Ch argin g  Ci rcuit (Zhan g Lefa ng)  5001   Figure 9.The  Circuit of Cha r ging Poli cy Verificatio n       Whe n  the co ndu ction cy cl e of Q2 an d d u ty  cycle a r e  the co nsta nt, throug h adj usting the   duty ratio of the Q1, and o b se rve the voltage cha nge s on ch arging  capa citor  C3 , and the charge   of voltage an d cha r gi ng cu rre nt cha nge s of Q2, so a s   to verify the feasi b ility of the fast ch argin g   strategi es of  pulsed contro l.    As sho w n   in  Figure 7, the  CHA RGE + a nd CHA RGE -  are con n e c te d to the positive and   negative  at b o th en ds of t he b a ttery, resp ective ly. The  filter cap a citor C1  i s  1000µF,   voltage   450V, the p o w er input te rminal i s  a c ce ss to  AC4 8 V  and th roug h rectificatio n m odule KBP C5 010   full bridge rectifier, the DC output is obta i ned, in  the energy sto r ag e capa cito r chargi ng C3, we     cho o se 1 000 µF and  the  4 50V ele c trolytic  cap a ci to r v o ltage. Th e  condu ction  dut y ratio  of Q2   is   0.8, and we a d just  cond ucti on duty cycl e  of Q1  ch ang es fro m  0.1 to 0.8, the me an pea k volta ge  at the en ds  of the chargi ng en ergy st orag e  cap a cit o r  C3 a nd vo ltage, and  th e ch ang e of  the   averag e ch arging current flows throu gh the battery  ca n be ob serve d  just as  sho w n in Tabl e 1 .       Table 1. Ch arging Policy V e rify Experim ental Data Ta ble   a    U c1m (V)  U c1a (V)       I A (A )        0.1       19.2         15.2         0.1        0.2       21.6         15.5         0.4        0.3       26.4         16.7          0.5        0.4       28.4          17.2          1.0        0.5       30.6          17.3          1.2        0.6       31.6          18.5          1.2        0.7       32.8          19.1          1.2        0.8       37.6          22.8           1.2       6. Conclusio n    From th e  stu d y, we  can  find that th e p u ls e d   cha r gin g  devi c e p e rf orma nce batt e ry is  excelle nt; it can g r eatly re duci ng the  ba ttery ch a r gin g  time and i m p r ove the  real -time appli c ati on  perfo rman ce  of the battery. Becau s e th e depol ari z ati on pul se can  eliminate the  overcha r ging  of  the battery, a nd effe ctively en sure the  service  lif e of  the battery, a t  the same ti me we u s e  th e   front-e nd rect ifier part  swit ch power  su pp ly to repla c e tradition al re ct ifier dev ice, it greatly redu ce   the volume  a nd weight  of the devi c e. Pu lsed fa st   cha r ging d e vice  thus gr eatly re duce its vol u me  and  weight  of the device, pulse fast  cha r gi n g  de vice devel op ed ha s a  broad a pplication   pro s pe ct.      Referen ces   [1]  Chaki b  Al ao ui,  Z i y a d M. Sal a meh.  Exper i m e n ts in F a st C h argi ng L e a d  A c id El ectric Ve hicle B atteries .  Vehic u lar T e chnol og y .  IEEE 58th. 200 3: 5 : 3326- 333 1.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  4996 – 50 02   5002 [2]  J Marcos, J  D i os, AM C ao,  J Dov a l, CM   Pena lver, A  N ogu eiras, A  L a go, F  Poz a .  F a stLea d-Aci d   Battery Charg e  Strategy.  Applie d Po w e r El ectronics C onf erenc e and E x positi on. APEC '06.  T w ent y - F i rst Annual IE EE .  2006; 4.   [3]  Z hang  Ya nqi n. T he dev elo p m ent of  le ad-a c id  batter y  tec hno log y .   Auto Electrical   Ap pli ances . 2 004;  10.   [4]  Sun Yush en g. Improving the  performanc e of valve  c ontr o l t y p e  s eal ed  le ad-ac id  b a tter y  res earch .   Master degr ee  theses of master  of zhengz ho u univ e rsit y .  2 0 01.   [5] RH  Sparks.  Ra pid C harg i n g  Batteries F o r Ele c tric Proplus io n Systems.  SA E papar. 1 972;  (1).  [6]  Z hou Lo ngru i . Electric vehic l e  batter y  char g ed life pro b l e m   w i th a daptiv e control tech nol og y.  Jian gs u   bicycle.  20 01 ; 1 4 .   [7]  Chih- C hi an g H ua, Meng-Y u  L i n.  A study of charg i ng co ntrol of lea d -a ci d battery for elec tric vehicles .   Industria l  Elect r onics. Proce e d in gs of the 20 00 IEEE In tern ation a lS y m p o si um. 2000; 1: 1 35-1 40.   [8] Daj  Ra nd.  V a l ue -  Re gul ated  Le ad -  Aci d  B a tteries v a lve   control  type  Le ad Ac id  batter y . Guo Yo n g   Lan g.  Machi n e r y  in dustr y   pre ss.  2 006.   [9]  Lu H a n hui. B a tter y  c harg i n g   mana geme n t s y stem  k e y tech nol og y r e searc h . Master d egr ee thes es o f   master of Shan gha i jia oton g u n iversit y . 20 07.   [10]  A Kirchev,  D P a vlov, B M ona hov. Gas-diffus i on A ppr oach   T o   T he Kinetic s Of Oxyge n  R e comb inati o n   In Lead- aci d  Batteries.  Journ a l of Pow e r Sources.  200 3; 1 13(2): 24 5-2 5 4 .   [11]  Bernar di  Da w n  M. Stud y  O f  Char ge  Ki n e t ics In Va lve-r egu lates  Le ad -acid  Ce lls.  J ourn a l of  th e   Electroch e m ic al Soci ety.  200 4; 151(1): 8 5 -1 00.   [12]  W u  Z hu, Qi D i ng, W e i y a  M a , Yua n  Gui,  H uafu  Z han g. Rese arch  on  Hig h F r eq ue nc y Ampl itu d e   Attenuatio n of  Electric F a st  T r ansient Ge nerator.  T E LK OMNIKA Indo nesi an J ourn a l  of Electrica l   Engi neer in g.  2013; 11( 1).   [13]  W u  T i ezhou, Cao Qu an, L i u Lu na n, Xiao  Qing, W ang  Xi e y a ng. Re s e arch o n  the fa st chargi ng  o f   VRLA.  T E LKOMNIKA Indone sian Jo urna l of Electrical E ngi neer ing .  2 012; 10(7).   [14]  T i an Ming  Xin g ,  Yan h o n g , Yu an D o n g  Sh en g. Re se arch  o n  Co ord i nate  T r ansformati on  of the T h ree- phas e Circu it.  T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri ng.  2013; 1 1 (8).   [15]  Cui Qin g ’a n, Z han g Yu xu e,  C u i Na n, Liu  Hu ihu a . SVR-bas ed RPD  appr o a ch for comp le x pr ocesse s   and  its ap plic ation  in circ uit o p timizati on.  T E LKOMNIKA Indon esia n Jo ur nal  of Electric a l  Eng i ne eri n g .   201 3; 11(3).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.