ISBN Sistem Pengisian Baterai pada Mobil Listrik

Transkripsi

1 Sistem Pengisian Baterai pada Mobil Listrik Aswardi Elfizon Fajri Warman Abstract Mobil listrik adalah kendaraan yang penggerak utamanya adalah motor listrik dimana sumber energinya disimpan di baterai. Agar dapat terus menggunakan baterai perlu dilakukan pengisian. Pengisian daya adalah proses dimana baterai akan dialiri oleh sumber listrik yang nilai tegangannya telah disesuaikan dengan spesifikasi baterai. Salah satu metode pengisian akumulator adalah dengan tegangan pengisi konstan dari pengisian awal sampai baterai terisi penuh. Proses pengisian ditunjukkan oleh tegangan pada baterai naik hingga tegangan maksimum yang ditunjukkan pada lembar data akumulator. Penyearah terkendali adalah perangkat untuk mengubah tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah yang dapat dikendalikan. Komponen utama dari alat ini adalah detektor zero crossing, gate drive, dan trigger signal, dan menggunakan mikrokontroler ATMega 8535 sebagai kendali utama. Tipe rectifier yang digunakan adalah full wave control. Berdasarkan uji rectifier terkontrol, tegangan output yang dihasilkan konstan 15 volt dc. Proses pengisian dimulai dari tegangan awal sebesar 12,01 volt hingga terisi penuh dengan tegangan 12,8 volt membutuhkan waktu selama 1 jam 20 menit. Key word controlled rectifier, charging accumu-lator, ATMega 8535, zero crossing detector, gate drive, SCR, thyristor. I. PENDAHULUAN Mobil listrik adalah kendaraan yang pengerak utamanya motor listrik yang dimana sumber energinya tersimpan dalam baterai. Agar baterai terus bisa digunakan perlu dilakukan pengecasan atau charging. Pengecasan adalah proses dimana baterai akan dialiri oleh sumber listrik yang nilai tegangannya telah disesuaikan dengan spesifikasi baterai itu sendiri. Baterai led acid adalah jenis baterai yang dapat di isi ulang dan digunakan berkali-kali. Baterai jenis ini dibuat dari anoda logam Pb02 dan katoda Pb dengan elektrolit asam sulfat encer. Baterai led acid/gel lebih lama penggunaannya dibandingkan baterai kering untuk menerima beban listrik berubah maupun konstan (A Grummy walim dew,2010. Salah satu metode pengisian baterai yang banyak digunakan adalah constan current (cc pada awal pengisian dengan tegangan batrai meningkat dari tegangan awal sampai tegangan terisi penuh, kemudaian beralih ke constan voltage(cv dengan penurunan arus sampai mencapai nol [1]. Dalam hasil pengujiannya, untuk melakukan pengecasan accumulator dengan capasitas 12 volt 5 Ah membutuhkan waktu 10 jam untuk pengecasan agar terisi penuh. Jadi jika dilakukan pengecesan untuk kapasitas acumulator yang lebih besar tentu membutuhkan waktu yang lama. A. Penyearah (Rectifier Rectifier atau penyearah adalah suatu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah tegangan bolak balik (ac menjadi tegagan searah (dc.. Konverter jenis ini dibangun dengan struktur 2 thyrsitor sebelah atas (T 1 dan T 3 melayani arus positif beban, sementara 2 thyristor sebelah bawah (T 2 dan T 4 melayani arus negatif beban. Konverter fasa tunggal terkendali (phase-conrolled merupakan penyearah yang sederhana dan murah, efesiensi penyearah ini secara umum berada diatas 95% Oleh karena penyearah ini mengkonversikan tegangan AC ke DC banyak digunakan dalam aplikasi industri terutama pada peralatan penggerak listrik dengan kecepatan tetap, ataupun variabel dengan level daya hingga megawatt. Konverter fasa tunggal terkendali dibagi menjadi dua yaitu konverter fasa tunggal semi terkendali dan konverter fasa tunggal terkendali penuh. Dalam banyak hal konverter fasa tunggal terkendali penuh banyak dipakai untuk penghasil sumber tegangan dc tetap ataupun tegagan dc variabel tergatung kebutuhan. Diagram rangkaian dan bentuk gelombang arus dan tegangan penyearah satu fasa terkendali gelombang penuh dapat dilihat pada gambar 1 Gambar 1. Konverter ac dc Faasa Tunggal (a Rangkaian Resycley, (b Gelombang Input/Output Persamaan tegangan keluaran rata-rata (Vdc avg konverter jenis ini dinayatakan dalam bentuk persamaan (2; Vdc $%& = ( Vm Sin ωt d wt (1 2 Vdc ($%& = 56 (1 + cos α (2 Persamaan (1 menunjukkan bahwa tegangan maksimum keluaran konverter jenis ini berada pada waktu sudut perlambatan penyalaan thyristor sebesar 0 0, dan menjadi nol pada nilai sudut perlambatan penyalaan sebesar Besarnya arus rata-rata dinyatakan dalam bentuk; Idc $%& = C (A (3 141

2 Selanjutnya besarnya tegangan efektif dinyatakan dalam bentuk persamaan (3; Vdc D6E = ( Vm G Sin G ωt d wt 2 (4 dan baterai motor yang memiliki tegangan 12 V terdiri dari 6 sel yang dipasang secara seri (12,6 V = 6 x 2,1 V. Persamaan yang digunakan pada rangkaian tersebut adalah (8. Vdc (D6E = Vm ( G G G + Sin(G2 I (/G Besarnya arus efektif pada sisi beban dinyatakan dalam bentuk persamaan; Idc (D6E = 5>? (KLM C (5 (6 Vbat=Vout.Ri.ib (8 Keterangan Vbat = Tegangan Baterai (Volt Vout = Tegangan Internal baterai (Volt Ri = Hambatan dalam (Ohm Ib = Arus Baterai (A Besarnya daya yang diserap beban adalah P >? = V >?. I >? (7 Persamaan (6 menunjukkan bahwa besarnya daya diserap beban tergantung dari besarnya arus beban untuk tegangan beban diasumsikan konstant. A. Metode Zero Crossing Detector Metode zero crossing detector adalah metode paling umum untuk mengetahui frekuensi/periode suatu gelombang. Metode ini berfungsi untuk menentukan frekuensi suatu gelombang dengan cara mendeteksi banyaknya zero point pada suatu rentang waktu tertentu[4]. Zero crossing detector adalah rangkaian yang berfungsi untuk mendeteksi perpotongan gelombang sinus pada tegangan bolak balik ac dengan zero point tersebut, sehingga dapat memberikan sinyal acuan untuk memulai penyalaan (firing thyristor. Penggunaan rangkaian zero crossing detector menungkinkan untuk mendeteksi zero point sekaligus mengubah suatu sinyal sinusoidal (sine wave menjadi sinyal kotak (square wave [5]. Perpotongan titik nol yang dideteksi adalah pada saat peralihan dari siklus positif menuju siklus negatif dan peralihan dari siklus negatif menuju siklus positif. Gambar 3. Rangkaian Ekivalen Pengecasan Accumulator II. METODOLOGI PERANCANGAN Perancangan umum meliputi diagram blok dan perancangan konseptual. Perancangan blok diagram bertujuan untuk mengetahui sistem keseluruhan. Perancangan hardware meliputi perancangan mekanik alat secara keseluruhan mulai dari kerangka alat sampai dengan peralatan control lainnya A. Diagram Blok Diagram blok rangkaian merupakan salah satu bagian terpenting dalam perancangan peralatan elektronik, karena dari diagram blok dapat diketahui prinsip kerja secara keseluruhan dari rangkaian elektronik yang dibuat. Gambar 2. Gelombang Zero Cross Detector Pengaplikasian metode Zero Crossing Detector pada penyerah terkendali berfungsi untuk acuan dalam penswictingan scr yang diatur oleh mikrokontroler [6]. B. Rangkaian Ekuivalen Pengisi Baterai Baterai yang digunakan terdiri dari sel-sel dengan setiap sel memiliki tegangan sebesar 2,1 V, artinya baterai mobil Gambar 4. Blok Diagram Sistem AC-DC Konverter Charging Accumulator Bagian-bagian dari Blok Diagram Sistem AC-DC Konverter Charging Accumulator: Sumber AC 220 volt, Power Suplay, Mikrokontroler Atmega 8535, Zero Crossing 142

3 Detector, Gate Drive, Liquid Crystal Display, Sensor tegangan dan Relay Secara sistematis dapat diurutkan fungsi-fungsi komponennya dimulai dari rangkaian zero crossing detector, gate drive, serta komponen pe ndukung lainnya. Rangkaian zero crossing detector berfungsi sebagai deteksi titik lintasan nol untuk acuan kontroler Atmega 8535 memulai gelombang pulsa. Gelombang pulsa yang di hasilkan kontroler Atmega 8535 akan diberikan delay sesuai dengan output yang di inginkan. Gelombang pulsa yang telah di atur tersebut di kirim ke gate drive. B. Perancangan Perangkat Keras 1. Perancangan Rangkaian Zero Crossing Detector a. Perancangan Sistem Minimum Atmega 8535 Gambar 7. Rangkaian Sistem Minimum Atmega 8535 b. Perancangan catu daya Gambar 5. Skematik Rangkaian Zero Crossing Detector Pembuatan rangkaian zero crossing detector membutuhkan beberapa komponen diantaranya adalah:tranformator CT Dioda bridge. Capasit or. Ic regulator lm 7805 dan Opamp Lm741. Transistor 2n222 dan Resistor 2. Perancangan Gate Drive Gambar 8. Rangkaian Catu Daya DC 5V c. Perancangan Rangkaian Keseluruhan Konverter AC-DC Gambar 6. Rangkaian Gate Drive SCR Gambar 9. Rancangan Keleuruhan Rangkain Penyearah Terkendali 143

4 berarti sistem masih dalam batas ideal. Logika yang kedua yaitu kondisi high (1 dengan tegangan port sebesar Vdc yang berarti sistem masih dalam batas ideal dengan tegangan kerja antara 4.5 VDC hingga 5.5 VDC. C. Zero Crossing Detector Gambar 10. Alat dalam Bentuk 2 Dimensi d. Pembuatan Alat Proses pembuatatan alat dimulai dari pembuatan layout PCB, pemindahan jalur ke papan PCB, proses pelarutan, pembersihan ulang, pengeboran dan pemasangan komponen. III. HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN A. Pengujian Catu Daya Tabel pengujian Gambar 12. Perbandingan Gelombang Zero Crossing Dan Gelombang AC Rangkaian ini bekerja ketika gelombang AC diterima oleh komparator LM741, maka komparator lalu membandingkan kedua gelombang input melalui fungsi inverting dan non inverting. Keluaran dari komparator LM 741 berbentuk gelombang pulsa dengan tegangan +5V dan -5V, gelombang tersebut akan diteruskan ke transistor jenis npn 2n2222. Transistor ini hanya melewatkan tegangan positif +5V. Mikrokontroler mengeluarkan output bernilai high atau 1 ketika gelombang pulsa zero crossing detector dideteksi oleh mikrokontroler dan interupsi diterima dalam bentuk rising edge dan falling edge, maka D. Pengujian Rangkain Gate Drive SCR B. Pengujian Sistim Minimum Mikrokontroler Tabel Pengukuran Parameter Mikrokontroler Atmega8535 Gambar 13. Gelombang Trigger SCR Pada penyearah terkendali full converter rangkain bridge scr akan aktif secara bergantian. Lama satu siklus penundaan aktif scr berdasarkan lebar pulsa yang di atur oleh mikrokontroler berdasarkan dari nilai delay yang diberikan. Mikrokontroler bekerja pada dua kondisi logika yaitu kondisi low (0 dengan tegangan port sebesar Vdc yang 144

5 E. Pengisian accumulator dan mengguji kinerja relay pemutus Gambar 14. Pengukuran Output Penyearah Sudut penyalaan diatur dengan pengaturan delay dari mikrokontroler untuk membuat nilai output 15 volt dc untuk pengecasan acumulator dengan kapasitas 12 volt 65 Ah. Secara teori pengendalian sudut penyalaan SCR maka di asumsikan untuk pendelayan dari 0 sampai dengan 1800 sebesar 10 milisecon. Untuk mendapatkan tegangan 15 Vdc mikrokontroler perlu dilakukan delay selama 1170 atau selama 6.5 mili secon. F. Pengujian pengecasan acumulator 12 volt 65 Ah Melakukan pengecasan acumuluator dengan kapasitas 12 volt 65 Ah, jika di lihat pada spesfikiasi yang tertera pada datasheet. Saat acumulator dalam keadaan kosong maka tegangan aki sebesar 11.8 volt, dan keadan penuh tegangan aki sebesar 12,8 volt... Gambar 15. Tegangan Output dari Charger Gambar 18. Grafik Pengisian Accumulator IV. KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil pengujian, pengukuran, dan analisa rangkaian pada alat ac dc konverter untuk charger akumulator pada mobil listrik dapat disimpulkan kinerja alat sesuai dengan yang diharapkan. Penyearah terkendali full konverter mampu melakukan charger selama 1 jam 20 menit dari tegangan awal acumulator volt sampai dengan tersisi penuh 12.8 volt dengan tegangan ouput charger konstan 15 volt dc. Jika tegangan < 15 volt mikrokontroler akan kembali menyesuaikan pensakelarann agar kembali menjadi 15 Vdc. Beberapa saran adalah sumber input pada rangkaian penyearah scr ini masih menggunakan tranformator step down untuk menurunkan tegangan menjadi 60 volt ac. Untuk mengatasi hal tersebut bisa dengan menambahkan rangkain filter aktif atau pasif pada input penyearah agar pengaturan sudut fasa lebih presisi, rangkaian zero crossing detecor harus akurat dalam mendeteksi titik silang gelombang input, karena inti pada pengaturan sudut fasa terdapat pada rangkaian zero crossing detector. REFFERENSI Gambar 16. Proses Pengecasan Accumulator Pada saat proses pengisiaan, tegangan acumulator mengalami kenaikan berdasarkan lama waktu pengecasan. Pada saat nilai acumulator terbaca oleh sensor bernilai 12.8 Volt atau dalam keadaan penuh, mikrokontroler akan memberikan sinyal agar relay memutus output charger yang terhubung langsung ke accumulator sekaligus pengisian acumulator terhenti secara otomatis.. TABEL 1. PENGECASAN ACCUMULATOR [1] Andri, Helly.( Rancang Bangun Syste m Battery Charging Automatic. Skripsi Jurusan Teknik Elektro. Depok. Universitas. [2] Aswardi Modul Teknik Elektronika Daya. FT-UNP. Padang. [3] Butterworth, Heinemann. (1998. Recharge able Batterie s Applications Hand book. Washington. Gates Energy Product. [4] Buwono, Montario Chandra. (2010. Rancang Bangun Sistem Pengendali Pengisian Arus Sel Surya dengan Rekonfigurasi Seri - Paralel. Skripsi Jurusan Teknik Elektro. Depok. Universitas. [5] Muhammad H.Rashid Power Electronics Handbook. Printed in the United States of American. [6] Purkayastha Phase Digital Locked Loop Berdasarkan Sinyal Dan Simbol Recovery System Untuk Sistem Nirkabel. Surabaya : Springer. [7] P.C.sen Principles of electric machines and power electronics.ontario,canada: Printed in the United States of America. 145