JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6 1

Transkripsi

1 AMPERE VOLT/ELL [V] JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (213) Desain dan Implementasi Sistem Manajemen Pengisian Baterai dan Beban Pada Pembangkit Listrik Mandiri Menggunakan Synchronous Non-Inverting Buck-Boost D-D onverter Maula Nurul Khakam, Mochamad Ashari, M.Eng dan Heri Suryoatmojo Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya maulanurulkhakam@gmail.com Abstrak Manajemen baterai dan beban pada pembangkit listrik mandiri dari energi terbarukan mengatur charging dan discharging baterai. Tugas akhir ini membahas desain, simulasi, dan implementasi synchronous non-inverting buck-boost (SNIBB) menggunakan empat switch H-bridge untuk mengatur arus dan tegangan multi-stagecharging baterai lead-acid. Saat tegangan charging baterai dibawah 2.4V/cell, arus charging baterai dijaga konstan menggunakan mode constant-current (). Setelah itu, tegangan dijaga konstan pada mode constant-voltage (V) sampai arus charging baterai 5% dan berganti mode float-charge dengan tegangan set-point 2.25V/cell. Pengaturan charging dan discharging baterai dan beban menggunakan dua saklar dengan parameter sumber daya listrik, kapasitas baterai dan beban. Pengujian menggunakan simulasi dan implementasi SNIBB menggunakan mikrokontroler ATMega16 dengan PI sebagai kontroler. Saat mode V dan rangkaian SNIBB mampu menjaga tegangan dan arus charging sesuai set-point dengan perubahan tegangan input. Pada mode ketika set-point arus charging baterai dinaikkan, maka waktu charging semakin cepat. Pengujian manajemen baterai dengan beban mampu mengatur proses charging dan discharging baterai ke beban. Kata Kunci Synchronous Non-Inverting Buck-Boost, Multi- Stage harging Baterai Lead-acid, PI-controller, Manajemen baterai dan beban. E I. PENDAHULUAN nergi listrik dari energi terbarukan pada pembangkit listrik mandiri disimpan pada baterai. Sehingga, diperlukan manajemen chargingdan discharging baterai ke beban. Digunakan rangkaian Synchronous Non-Inverting Buck-Boost (SNIBB) untuk mengatur tegangan dan arus output charging baterai[1]. Baterai lead-acid menggunakan multi-stage mode charging[2]. Manajemen baterai dan beban mengatur konfigurasi switch proses charging dan discharging baterai untuk menghindari baterai over-charged dan over-discharged, yang berpengaruh pada lifetime baterai. Tugas akhir ini merancang simulasi dan implementasi rangkaian SNIBB untuk manajemen pengisian baterai dan beban. Pengujian dilakukan pada simulasi dan implementasi menggunakan mikrokontroler ATMega16 sebagai pembangkit sinyal pwm dan pengolah error tegangan dan arus output dengan set-point tegangan dan arus. Digunakan PI-controller dengan konstanta proporsional dan integral yang berbeda untuk mode charging baterai dan V. II. MANAJEMEN PENGISIAN BATERAI DAN BEBAN A. Sistem Keseluruhan Gambar. 1. Manajemen pengisian baterai dan beban Rangkaian SNIBB mengatur tegangan dan arus output sesuai mode charging baterai lead-acid yang menggunakan multistage charging. Kontroler mengolah sinyal error feedback tegangan dan arus charging baterai dengan set-point tegangan dan arus sesuai mode charging baterai untuk mengatur sinyal pwm rangkaian SNIBB. Manajemen pengisian baterai dan beban mengatur switch SA dan SB dengan parameter tegangan charging baterai, beban, dan sumber.sistem bekerja mandiri, menggunakan inverter uncontrolled satu fasa yang terhubung ke beban. Tegangan input inverter dijaga konstan oleh rangkaian SNIBB. B. Multi-Stage harging Baterai Lead-acid Multi-stage charging baterai lead-acid menggunakan tiga mode yaitu, bulk-charge, absorption charge, dan float charge A B Icharging Vcharging TIME [hours] Gambar. 2. Multi-stage charging baterai lead-acid [2] Mode bulk charge(a) menggunakan mode constant-current. Arus charging baterai dijaga konstan 1A atau 1% dari kapasitas 1Ah sampai SO baterai 7% atau 2.4 V/cell.Mode 2.5

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (213) absorption charge (B) dengan tegangan charging dijaga konstan 2.4 V/cell, sedangkan arus charging perlahan turun. Ketika arus charging baterai 5% dari kapasitas baterai, mode charging berganti ke float-charge (). Tegangan charging dijaga konstan 2.25 V/cell sampai arus charging 1%. Float charge mengkompensasi self-discharge baterai dan menjaga life-time baterai, sehingga baterai tetap maksimum 1% sampai digunakan lagi.. Synchronous Non-Inverting Buck-Boost (SNIBB) Rangkaian SNIBB menurunkan dan menaikkan tegangan dan arus input sesuai set-point pada multi-stage charging baterai. SNIBB merupakan gabungan rangkaian buck dan boost menggunakan empat switch dengan konfigurasi H- bridge. S1 dan S2 adalah switch buck yang bekerja bergantian dengan sinyal penyalaan diatur oleh pwm buck.s3 dan S4 adalah switch boost dengan sinyal penyalaan diatur oleh pwm boost. S2 dan S4 menggantikan dioda buck dan boost. [3] III. DESAIN SIMULASI DAN IMPLEMENTASI A. Desain Rangkaian SNIBB Desain rangkaian SNIBB seperti gambar 3 menggunakan parameter sebagai berikut. Tabel 1. Parameter rangkaian SNIBB Parameter Tegangan output Tegangan input (MIN) Tegangan input (MAX) Arus beban Delta tegangan output Delta arus output Frekuensi switching Nilai.5 V 3 V 4.5 A (max) 1% (45 ma).4% (.6V) 1 khz Pertama dihitung duty-cycle maka digunakan persamaan 3 dengan dua parameter tegangan input terbesar dan terkecil. [4] (4) PWM BUK NOT S1 S2 L S4 S3 NOT PWM BOOST R (5) (7) (8) Gambar 3. Rangkaian SNIBB S1 S2 L S4 S3 (a). Analisa switch tertutup Gambar 4. Analisa rangkaian SNIBB R Pada gambar 4.(a). menunjukkan analisa switch tertutup SNIBB dimana S1 dan S3 ON. Sedangkan switch singkronnya S2 dan S4 OFF, sehingga arus mengisi induktor. V in = L (1) Analisa switch terbuka seperti pada Gambar 4.(b) dimanas1 dan S3 OFF. Dan kedua switch singkronnya S2 dan S4 ON. Sehingga arus yang tesimpan pada induktor menyuplai beban. L di = V out. T off (2) Subtitusi persamaan pada analisa switch tertutup dan terbuka. D adalah duty-cycle dan T merupakan periode sinyal penyalaan. Diperoleh persamaan tegangan output rangkaian SNIBB sebagai berikut: [3] Vo ut = (3) S1 S2 L S4 S3 (b). Analisa switch terbuka R Perhitungan nilai induktor dipilih saat tegangan input maksimum yakni 3mH. Nilai kapasitor memperhatikan nilai komponen yang ada di pasaran, dipillih kapasitor 77 µf. [5] B. Desain PI-controller Digunakan dua parameter PI-controller yang berbeda untuk mengatur tegangan (V) dan arus (). Pencarian konstanta dilakukan dengan tunning secara trial-error, sehingga diperoleh konstanta sebagai berikut: Tabel 2. Konstanta PI-controller SNIBB. Desain Konfigurasi Manajemen Baterai dan Beban Konfigurasi dua switch SA dan SB seperti gambar 1, yang mengatur charging dan discharging baterai dengan kondisi seperti berikut. Tabel 3. Konfigurasi manajemen pengisian baterai dan beban Mode D. Desain Simulasi Mode Kp Ki V Kondisi SA SB Sumber Batt Load A OFF OFF OFF OFF OFF - Aksi B OFF ON OFF ON ON Dicharging ON OFF ON ON OFF harging D ON ON ON ON ON Parallel Desain simulasi dengan parameter sesuai desain rangkaian SNIBB seperti gambar 5. Pada charging controller mengatur mode charging baterai lead-acid mode atau V.

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (213) Gambar 5. Desain simulasi Ketika tegangan charging baterai dibawah 12.1V, menggunakan mode V. Set-point diatur pada nilai 1A, sedangkan sinyal feedback PI-controllerdari Icharging baterai dengan nilai Kp adalah.6 dan Ki adalah 9. Set-point V sebesar 13.1V dengan tegangan maksimum baterai adalah 13.6V. Sinyal feedback PI-controller dari dengan nilai Kp adalah.6 dan Ki adalah 3. Sinyal duty-cycle yang terkontrol dari mode charging controller, selanjutnya diubah ke sinyal pwm dengan frekuensi sinyal carrier saw-tooth 1kHz. Mosfet driver mengatur singkronisasi empat mosfet SNIBB, dimana S1 dan S3 mendapat sinyal pwm, sedangkan S2 dan S4 mendapat sinyal invers sinyal pwm. Rangkaian SNIBB mengatur tegangan dan arus output sesuai mode charging. Digunakan empat mosfet dengan konfigurasi H-bridge. Manajemen baterai dan beban mengatur charging dan discharging baterai dan beban dengan konfigurasi seperti tabel 3. E. Desain Implementasi Desain implementasi rangkaian SNIBB menggunakan empat MOSFET IRFP46 dengan konfigurasi H-bridge, yang dikontrol oleh dua mosfet driver IR211 buck dan boost. Kedua mosfet mendapat sinyal input pwm dari mikrokontroler ATMega16. Mikrokontroler membaca tegangan dan arus output SNIBB dengan fungsi 1-bit Analog to Digital onverter (AD). Sensor tegangan menggunakan rangkaian pembagi tegangan dengan resistor 33kΩ dan 6kΩ. Sensor arus menggunakan drop tegangan pada resistor yang dipasang seri pada beban sebesar 1Ω dengan kapasitas daya 2W, sehingga arus maksimum yang dilalui adalah 4.47A. Tegangan dan arus yang terbaca sebagai referensi mode charging baterai /V. PI-controller untuk mengolah sinyal error arus charging dengan set-point arus dengan Kp.6 dan Ki 9. Sedangkan V mengolah sinyal error tegangan charging dengan set-point tegangan charging dengan Kp.6 dan Ki 3. Sinyal duty-cycle yang terkontrol diubah ke dalam satuan biner 1-bit pada timer1. Menggunakan dua fungsi timer1 yakni OR1A dengan PORTD.5 sebagai output dari sinyal pwm buck. Sinyal pwm boost menggunakan fungsi OR1B dengan PORTD.4 sebagai output. Mikrokontroler mengatur dua switch SA dan SB dengan membaca tegangan dan arus charging baterai. Konfigurasi seperti pada tabel 3. Inverter 1phasa menaikkan dan mengubah sinyal D menjadi sinyal A pada sisi beban. Daya maksimum beban sebesar 3W. Berikut daftar komponen dan implementasi desain rangkaian SNIBB sebagai manajemen baterai dan beban. Komponen MOSFET IRFP46 DRIVER MOSFET IR2111 INDUKTOR KAPASITOR Resistor (Volt) Resistor (Arus) Mikrokontroler INVERTER 1ph Tabel 4. Komponen rangkaian SNIBB Nilai 6V/2A 6V 2.96 mh 77uF 33kΩ 1Ω / 2W ATMega16 3W INVERTER 1ph LOAD BATTERY LEAD-AID 12V/5Ah SNIBB SWITH BATT/LOAD Mikrokontroler Gambar 6.Desain implementasi LD Gambar7. Implementasi sistem

4 Volt JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (213) IV. HASIL SIMULASI DAN IMPLEMENTASI A. Pengujian Open-Loop Rangkaian SNIBB Pengujian open-loop rangkaian SNIBB membandingkan tegangan output perhitungan dengan tegangan output simulasi open-loop SNIBB dan implementasi. Berdasarkan perubahan duty-cycle yang bervariasi dari 1 s.d 9% dengan tegangan input 1V Vperhitungan Vsimulasi Vimplementasi Duty-ycle [%] Gambar 8.Perbandingan tegangan output open-loop perhitungan, simulasi, dan implementasi. Pengujian open-loop rangkaian SNIBB tegangan output simulasi dan perhitungan hasilnya mendekati sama dengan error kecil. Pengujian implementasi dengan perhitungan besarnya error tegangan output saat duty-cycle 8% dan 9% untuk error maksimum adalah 15%. B. Pengujian onstant-voltage onstant-voltage menjaga tegangan output sesuai set-point, untuk pengujian simulasi V dengan set-point tegangan output. Sedangkan tegangan input naik dari 7V sampai 22V. Pengaturan PI-controller dengan nilai Kp sebesar.6, sedangkan Ki sebesar 3. 3V Gambar 1.Pengujian implemenasi V Pengujian V dilakukan tanpa beban untuk hasil tegangan output dibaca oleh oscilloscope seperti gambar 1. Hasil pengujian implementasi V rangkaian SNIBB mampu menjaga tegangan ouput sesuai set-point. Gambar 11. Tegangan output simulasi V dengan perubahan set-point Pengujian V dengan perubahan set-point tegangan output, 1V, dan 2V dengan tegangan input. Pengujian simulasi seperti gambar 11, rangkaian SNIBB dan kontroler mampu merespon perubahan set-point tegangan output. Pengujian implementasi pada gambar 12, rangkaian SNIBB mampu merespon perubahan set-point tegangan output 3V Vset-point Gambar 9. Pengujian simulasi V dengan perubahan tegangan input Vsp 1V Vsp 2V Dari pengujian simulasi V diatas, rangkaian SNIBB mampu menjaga tegangan output sesuai set-point. Saat tegangan input dibawah, rangkaian SNIBB bekerja pada mode boost. Ketika tegangan input diatas set-point, rangkaian SNIBB bekerja pada mode buck. Pengujian implementasi V dengan set-point. Tegangan input bervariasi dari 1V sampai 3V, begitu juga sebaliknya. Gambar 12.Pengujian implementasi V dengan perubahan set-point. Pengujian onstant-urrent Pengujian simulasi dengan set-point arus charging 1A.Baterai lead-acid5ah dengan SO 5%, sedangkan tegangan input naik dari 1V sampai 2V. Konstanta PIcontroller untuk Kp sebesar.6 dan Ki adalah 9.

5 VOLT AMPERE AMPERE JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (213) A B Gambar 13. Simulasi dengan perubahan tegangan input. Pengujian simulasi mampu menjaga arus charging sesuai set-point 1A dengan perubahan tegangan input. Arus charging naik saat.4s (A), karena tegangan charging SNIBB yang naik menuju tegangan diatas baterai. Proses charging baterai, tegangan charging harus diatas tegangan baterai. Ketika arus dan tegangan charging merangkak naik selama.4s (B) terjadi proses discharing dari kapasitor dengan kapasitas sebesar 77uF, setelah itu arus charging naik lagi menuju set-point. Gambar 15.Pengujian simulasi dengan perubahan set-point arus charging Pengujian implementasi dengan perubahan set-point seperti gambar 16 dengan beban baterai lead-acid 5Ah. Rangkaian SNIBB mampu merespon perubahan set-point arus charging 1A,.5A, dan 1.5A. 2A Iset-point 1A 3V 1A Icharging 1A Gambar 14. Implementasi dengan perubahan tegangan input 2A 1A Hasil pengujian implementasi dibaca oscilloscope dengan time/div 1s. Tegangan input 13V naik sampai 3V setelah itu turun sampai 13V. Tegangan input dibaca channel1 dengan 5 volt/div. Arus charging dibaca dari sensor arus Rsense yang dipasang seri dengan beban. Parameter yang dibaca adalah tegangan drop resistor 1Ω/2W dengan range channel.2.5 V/div. Konstanta proporsional dan integral mikrokontroler sama dengan simulasi. Dari hasil pengujian mampu menjaga arus charging sesuai set-point 1A. Pengujian simulasi dengan perubahan set-point seperti gambar 15. Rangkaian SNIBB mampu merespon perubahan set-point dengan set-point arus charging 1A,.5A, dan 1.5A dengan setling-time.4s untuk mencapai steady-state. Gambar 16.Pengujian implementasi dengan perubahan set-point arus D. Pengujian harging Baterai Pengujian multi-stage charging baterai lead-acid dengan kapasitas 5Ah. Mode charging baterai lead-acid menggunakan mode dan V. Pengujian dilakukan baik simulasi maupun implementasi Iset-point.5A Iset-point 1.5A 1 Vbattery Icharging SO [%] Gambar 17.Pengujian simulasi charging baterai lead-acid. -.1 Pengujian simulasi charging baterai lead-acid berdasarkan SO baterai. digunakan saat SO dibawah 7%. Arus charging dijaga konstan 1.25A atau 25% kapasitas baterai, sedangkan tegangan baterai naik sampai 12.16V. Mode V

6 AMPERE VOLT JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (213) dengan set-point tegangan charging 13.1V. Tegangan dijaga konstan sedangkan arus charging turun. Ketika baterai mendekati maksimum, arus charging drop menjadi.5a TIME [hours] Gambar18. Implementasi charging baterai dengan set-point 1A dan 2A. Pengujian implementasi charging baterai lead-acid 12V/5Ah dilakukan dengan dua set-point arus yakni 1A dan 2A. Saat charginga untuk set-point 1A (Icharging A) atau 2% kapasitas baterai 5Ah. Tegangan charging (Vcharging A) naik dari 12.11V saat SO baterai 1% [6] menjadi 14.4V selama 3jam pengisian. Setelah itu, menggunakan mode V pada 14.4V selama 4jam. Saat arus charging.25a, menggunakan float-charge dengan set-point tegangan charging 13.5V. Saat set-point arus charging 2A (Icharging B) atau 4% dari kapasitas baterai. Tegangan charging baterai (Vcharging B) naik dari 12.4V menjadi 14.4V selama 75 menit. Setelah itu mode V 14.4V digunakan selama 4jam, sedangkan mode float-charge ketika arus charging.25a. Kenaikan set-point arus charging saat mode akan mempercepat waktu charging baterai. E. Pengujian Manajemen Baterai dan Beban Manajemen pengisian baterai dan beban menggunakan dua switch SA dan SB dengan konfigurasi seperti tabel 3. Berikut hasil pengujian implementasi. 3V A Icharging Vload B Icharging A I charging B Vcharging A Vcharging B Gambar 19.Pengujian manajemen charging baterai dan beban Kondisi A saat kedua switch OFF, sedangkan kondisi B saat mode charging baterai dengan float charge V 13.5V dengan arus.61a. Kondisi saat rangkaian SNIBB paralel dengan baterai dan beban 13W, sedangkan yang terbaca hanya D A.5 A Icharging sebesar.82a. Nilai Iload tidak bisa ditampilkan karena kendala konversi dari arus ke tegangan yang dibaca oscilloscope. Pembacaan ampere meter digital sebesar 1.2 A, sehingga arus discharging baterai sebesar.2a. Ketika paralel sumber-baterai-beban, arus charging naik. Kondisi D adalah dicharging baterai ke beban. Nilai Vload turun mendekati tegangan nominal baterai saat maksimum 12.2V, dengan arus discharging baterai 1.9A. Sistem mampu mengatur proses charging-discharging baterai dan paralel antara sumberbaterai-beban. V. KESIMPULAN Rangkaian SNIBB menggunakan empat mosfet dengan konfigurasi H-bridge dan bekerja singkron. Pada manajemen pengisian baterai lead-acid dengan multi-stage charging rangkaian mampu menjaga tegangan atau arus output sesuai mode charging (/V) dengan perubahan tegangan input dan set-point. Ketika set-point arus charging dinaikkan, waktu pengisian baterai semakin cepat. Manajemen baterai dan beban menggunakan dua switch mampu mengatur charging dan discharging baterai. Rangkaian SNIBB dapat dimaksimalkan untuk bidirectional converter pada pembangkit stand-alone dengan baterai dan MPPT atau regenerative breaking mobil listrik. DAFTAR PUSTAKA [1] J. K. Shiau, and. J. heng, Design of a non-inverting synchronous buck-boost D/D power converter with moderate power level, Robotics and omputer Integrated Manufacturing, vol. 26, no. 3, pp , June 21. [2] LabVolt, Lead-acid Batteries,21 [3] Gaboriault, Mark, A High Efficiency, Non-Inverting, Buck-Boost D- D onverter Allegro MicroSystems 115 Northeast utoff Worcester, MA 166 USA [4] AN239, A flexible universal battery charger, STMicroelectronics,27. [5] Gang Ye, Xiaoming hen, Mingjian Bo, Yang Xiang, Zhou chao, The Design of harging Device in Stand-alone Photovoltaic System. Yangtze University /12/ 212 IEEE. [6] KAZIMIERZUK, MARIAN K. Pulse-width Modulated D D Power onverters, Wiley,Ohio, 28. [7] Perez, Richard, Lead-acid Battery State of harge vs.voltage,1993. [8] Rashid, Muhammad H, Power Electronics Handbook Third Edition, Elsevier.Inc, Florida, 211. PESAN PENULIS Maula Nurul Khakam A.Md. menyelesaikan program D3 Teknik Elektronika PENS-ITS pada tahun 21. Penulis satu tahun OJT di PLTU Paiton Unit 7&8. Setelah itu melanjutkan pendidikan sarjana di T.Elektro-ITS. Penulis menyampaikan banyak terimakasih kepada Tuhan YME, Keluarga, Teman-teman LJ 21 genap, LAB KE B-12 dan Lab Elind B-42.Khususnya kepada Bapak Profesor Ashari dan Bapak Heri Suryoatmojo yang telah membimbing penulis menyelesaikan tugas akhir ini.