Analisis Perilaku Superkapasitor Susunan Sebagai Pengganti Baterai Arman Sani Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: armansani.usu@gmail.com Abstrak Superkapasitor yang telah banyak diproduksi secara komersil hanya memiliki besar tegangan terminal 2,3-2,7 Volt. Untuk dapat digunakan sebagai pengganti baterai dengan tegangan kerja yang lebih besar, maka harus dibangun superkapasitor susunan yang terdiri dari beberapa superkapasitor yang dihubungkan secara seri. Superkapasitor susunan ini memunculkan masalah baru, seperti adanya ketidakseimbangan tegangan pada masing-masing superkapasitor yang mengakibatkan menurunnya kemampuan superkapasitor sebagai penyimpan energi. Tulisan ini membahas tentang perilaku superkapasitor susunan sebagai pengganti baterai yang memiliki tegangan dan kapasitas 3.6 V dan 0.9 Ah. Studi dilakukan dengan cara simulasi menggunakan simulator Simulink Matlab. Perilaku yang diselidiki adalah lama waktu superkapasitor susunan dapat menggantikan baterai, yang diperoleh dari pengamatan waktu pengisian (charging time) dan waktu pengosongan (discharging time) muatan superkapasitor susunan. Dari hasil simulasi dan analisis diperoleh bahwa superkapasitor susunan dapat menggantikan baterai tersebut dengan lama waktu pengganti: untuk 2-superkapasitor selama 23,5 detik, untuk 3-superkapasitor 30,5 detik, dan untuk 4-superkapasitor selama 30,1 detik. Kata kunci: superkapasitor, baterai, waktu pengisian, waktu pengosongan, waktu pengganti Abstract Supercapacitors that have been produced commercially have terminal voltage range of 2.3-2.7 Volts. In order to use them as a replacement for a battery with greater working voltage, these supercapacitors should be constructed by using several supercapacitors connected in series. However, this arrangement raises new problems, such as voltage imbalance resulting in decreased storage capability. This paper discusses the behavior of supercapacitor arrangement to replace a battery having voltage and capacity 3.6 V and 0.9 Ah. The study was done by simulation using simulink matlab simulator. The investigated behaviors are based on the observation of charging time and discharging time. Simulation results show that supercapacitor can replace the battery: 2- supercapacitor lasts for 23.5 seconds, 3-supercapacitor lasts for 30.5 seconds, and 4-supercapacitor lasts for 30.1 seconds. Keywords: supercapacitor, battery, charging time, discharge time, replacement time 1. Pendahuluan Superkapasitor adalah sebuah perangkat baru dari media penyimpanan energi, yang memiliki perbedaan yang jauh antara kapasitor biasa dan baterai. Superkapasitor memiliki kapasitansi dan kerapatan energi yang lebih tinggi dibanding kapasitor biasa. Superkapasitor juga memiliki waktu pengisian-pengosongan yang cepat, serta umur yang panjang [1]. Besar tegangan yang dihasilkan oleh sebuah superkapasitor yang telah banyak diproduksi secara komersil adalah dalam rentang 2,3-2,7 Volt [2]. Jika dibutuhkan nilai tegangan yang lebih besar dari yang tersedia, maka harus dibangun superkapasitor susunan dengan menyusun secara seri beberapa superkapasitor Superkapasitor susunan ini memunculkan masalah baru, seperti adanya ketidakseimbangan tegangan pada masing-masing superkapasitor yang mengakibatkan menurunnya kemampuan superkapasitor sebagai penyimpan energi. Oleh sebab itu dilakukan penelitian untuk dapat mengetahui perilaku superkapasitor susunan yang akan dimanfaatkan sebagai pengganti baterai. Pada studi ini baterai yang akan digantikan mempunyai tegangan dan kapasitas 3,6 V dan 0,9 Ah. Superkapasitor susunan yang diselidiki adalah superkapasitor susunan yang terdiri dari 2- superkapasitor, 3-superkapasitor dan 4- superkapasitor yang dihubungkan secara seri. Perilaku yang diselidiki adalah lama waktu superkapasitor susunan dapat menggantikan baterai, yang diperoleh dari pengamatan waktu pengisian (charging time) dan waktu pengosongan (discharging time) muatan super kapasitor susunan. Studi dilakukan dengan cara simulasi menggunakan simulator Simulink Matlab. Dari studi ini akan dapat diketahui perilaku dan kelayakan superkapasitor susunan sebagai pengganti baterai dalam bentuk lama waktu pengganti. 2. Tinjauan Pustaka 2.1 Kapasitor Kapasitor banyak digunakan dalam sirkuit elektronik untuk mengerjakan berbagai fungsi. Pada dasarnya kapasitor merupakan alat penyimpan muatan listrik yang dibentuk dari dua permukaan (piringan) yang berhubungan, tetapi dipisahkan oleh suatu penyekat [3]. Bila elektron berpisah dari satu plat ke plat yang lain, akan terdapat muatan positif pada plat yang kehilangan elektron dan
muatan negatif pada plat yang memperoleh elektron, seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Gambar 3 Kapasitor tersusun seri Maka besar tegangan total pada rangkaian seri kapasitor diperlihatkan pada Persamaan 2 [3]. Gambar 1 Rangkaian sederhana kapasitor terhubung dengan sumber DC Sebuah kapasitor yang disambungkan ke sebuah sumber daya arus searah ( direct current DC) dengan seketika akan menjadi bermuatan. Tegangan antara kedua pelatnya adalah sama dengan tegangan sumber daya. Ketika kapasitor tersebut dilepaskan dari sumber daya, kapasitor tetap mempertahankan muatannya. Inilah alasan mengapa kapasitor dapat menyimpan muatan. Bila sebuah kapasitor dihubungkan dengan sebuah sumber tegangan DC seperti terlihat pada Gambar 2, maka besar kapasitas kapasitor dapat dinyatakan dengan Persamaan 1[4].... (1)... (2) Karena tegangan adalah muatan dibagi dengan kapasitas seperti yang diperlihatkan diperlihatkan pada Persamaan 3.... (3) Maka besar kapasitas total dari kapasitor tersusun seri diperlihatkan pada Persamaan 4.... (4) Persamaan 4 dapat ditulis ulang atau disederhanakan menjadi Persamaan 5.... (5) 2.2 Superkapasitor Gambar 2 Rangkaian kapasitor sederhana Bila beberapa buah kapasitor dirangkai secara seri dan dihubungkan dengan sumber tegangan, maka akan terjadi proses pembagian tegangan pada tiap kapasitor seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3. Superkapasitor merupakan media alternatif penyimpanan energi listrik yang berbeda dari baterai dan kapasitor konvensional. Media alternatif penyimpanan energi telah menarik perhatian oleh banyak peneliti [5]. Berdasarkan keuntungan dalam teknologi dan peningkatan kapasitas penyimpanan energi, media ini mulai dipertimbangkan sebagai sistem penyimpanan energi pada Pembangkit Listrik Energi Baru dan Terbarukan. Baterai mampu dalam menyediakan energi yg besar, namun kurang dalam hal kerapatan daya. Superkapasitor menyediakan kerapatan daya yang besar dan kurang dalam menyimpan energi dibandingkan baterai, hal ini diperlihatkan pada Gambar 4 yang merupakan gambar perbandingan antara kerapatan daya dan kerapatan energi untuk beberapa media penyimpan energi [6]. 2
a. Data setelan parameter internal dari superkapasitor, b. data dari baterai yang digunakan sebagai pembanding, dan c. data beban yang tersedia. Mulai A Gambar 4 Perbandingan Kerapatan Energi Terhadap Kerapatan Daya Dengan sifat istimewa yang dimiliki masingmasing, penggunaan bersama baterai dan superkapasitor menciptakan keseimbangan yang baik untuk banyak aplikasi seperti UPS(Uninterruptible Power Supply). Ketika beban tiba-tiba berubah dapat ditangani oleh superkapasitor dan baterai dapat menangani beban yang konstan. Seperti pada baterai, superkapasitor memiliki sebuah elektrolit didalamnya, memisahkan bagian plat-platnya, yang lebih mirip elektrolit pada baterai daripada dielektrik pada kapasitor konvensional. Perbandingan antara kapasitor konvensional, baterai dan superkapasitor diperlihatkan pada Tabel 1. Tabel 1 Perbandingan beberapa penyimpan Mengumpulkan data yang dibutuhkan dan menentukan parameter komponen Data Baterai, Superkapasitor, dan beban Merancang model rangkaian untuk baterai pengujian terhadap model rangkaian Mengambil data yang diperlukan Merancang model rangkaian untuk satu superkapasitor Mengambil data yang diperlukan perbandingan terhadap data dari baterai Merancang model rangkaian untuk superkapasitor tersusun seri pengujian terhadap model rangkaian Mengambil data yang diperlukan perbandingan terhadap data dari baterai pengujian terhadap model rangkaian penarikan kesimpulan A Selesai Gambar 5 Diagram Alir Penelitian 3. Metodotologi Penelitian 3.1 Tahapan Penelitian Tahapan penelitian yang dilakukan dimulai dari pengumpulan data, pemodelan rangkaian, mengambil data yang diperlukan dari model rangkaian, dan tahap terakhir yaitu penarikan kesimpulan. Keseluruhan proses penelitian ditampilkan secara visual melalui diagram alir yang diperlihatkan pada Gambar 5. 3.2 Pelaksanaan Penelitian Berdasarkan diagram alir pada Gambar 5 langkah-langkah penelitian dijelaskan sebagai berikut: 1. Pengumpulan data Data yang diperlukan pada penelitian ini terdiri dari: 3 2. Merancang Rangkaian Simulasi untuk baterai Pada program simulator dirangkai sebuah baterai yang terhubung dengan tahanan untuk pelepasan muatan. Dimana nilai tahanan sama dengan nilai tahanan pada pengujian superkapasitor. 3. simulasi/pengujian terhadap model rangkaian dari baterai Pengujian ini dimulai dari baterai yang terisi penuh hingga baterai tersebut benar-benar kosong. 4. Mengambil data yang diperlukan dari pengujian Dari pengujian ditampilkan data untuk pengosongan muatan serta kurva karakteristik nominal dari baterai. 5. Merancang Rangkaian Simulasi untuk superkapasitor
Pada program simulator dirangkai sebuah rangkaian pengganti untuk sebuah superkapasitor yang terhubung ke sumber energi dengan arus pengisian yang konstan untuk pengisian muatan, dan setelah beberapa saat hubungan ke sumber arus terbuka, lalu pada saat yang sama superkapasitor terhubung juga ke tahanan untuk pengosongan muatan, yang mana nilai tahanan ini sama dengan tahanan pada pengujian baterai. Dari rangkaian dasar satu superkapasitor ini dirangkai lagi rangkaian seri superkapasitor sebanyak dua hingga empat buah superkapasitor. 6. simulasi terhadap model rangkaian dari superkapasitor Metode selama pengujian telah dijelaskan sebelumnya pada poin 5. Waktu yang digunakan untuk mengisi superkapasitor adalah selama 14 detik, setelah itu hubungan dengan sumber arus terputus, pada saat yang bersamaan hubungan dengan tahanan tertutup/tersambung. Pengujian dilakukan selama 200 detik. 7. Mengambil data yang diperlukan dari pengujian Dari pengujian diambil data berupa nilai tegangan dari tiap-tiap superkapasitor, nilai tegangan dari tahanan, serta nilai tegangan total dari superkapasitor untuk superkapasitor tersusun seri. 8. perbandingan terhadap data dari pengujian baterai Setelah didapatkan data dari superkapasitor, maka dibandingkan dengan data dari baterai. Hasilnya adalah mampukah superkapasitor tersebut sebagai pengganti baterai, jika mampu berapa lama dapat bertahan. 9. penarikan kesimpulan Setelah semua tahapan terlewati dilakukan penarikan kesimpulan dari tulisan. 4. Hasil dan Analisis 4.1 Pengujian menentukan karakteristik dari Baterai Simulasi dilakukan dengan sebuah baterai yang terhubung dengan tahanan sebesar 10Ω, tahanan disini dimaksudkan sebagai beban. Gambar dari rangkaian simulasi untuk pengujian baterai diperlihatkan pada Gambar 6. Gambar 6 Rangkaian Simulasi Untuk Baterai Namun untuk dapat membandingkan dengan superkapasitor dibutuhkan kurva pengosongan dari baterai yang menunjukkan nilai nominal dari baterai yang diperlihatkan pada Gambar 7. Gambar 7 Kurva karakteristik pengosongan baterai Pada Gambar 7 terlihat kurva pengosongan dari baterai, yang mana daerah yang diarsir adalah area nominal atau area kerja dari baterai. Dari kurva tersebut diperlihatkan tegangan nominal yang dibutuhkan adalah 3.6 V, dan dibawah tegangan tersebut baterai yang diujikan sudah tidak mampu lagi dalam memberikan tegangan yang memadai yang mana artinya peralatan sudah tidak bisa digunakan lagi, dan baterai harus segera diisi kembali. Nilai tegangan 3.6 V ini menjadi acuan atau dasar sebagai pembanding dari superkapasitor yang digunakan. Jika nilai tegangan dari superkapasitor yang digunakan lebih besar dari 3.6 V, maka akan dilihat sampai berapa lama tegangan dari superkapasitor tersebut hingga mencapai 3.6 V. 4.2 Pengujian untuk Satu Superkapasitor Untuk hasil pengujian dari satu superkapasitor yaitu berupa grafik hubungan antara tegangan dan waktu yang diperlihatkan pada Gambar 8 didapatkan bahwa nilai tegangan dari satu superkapasitor tidak dapat menyamai nilai tegangan dari sebuah baterai yang dijadikan sebagai pembanding. Ini membuktikan bahwa jika hanya satu superkapasitor tidak dapat digunakan sebagai pengganti dari baterai. 4
bisa dilakukan superkapasitor untuk dapat menggantikan baterai sebesar 3.6 V. Berdasarkan Gambar 10 dan Gambar 9, terlihat jelas bahwa nilai tegangan lebih cepat menurun pada Gambar 13. Hal tersebut dapat membuktikan bahwa superkapasitor yang mempunyai nilai tegangan yang lebih besar, juga semakin cepat mengalami penurunan tegangan karena arus yang ditarik juga semakin besar. Gambar 8 Grafik hubungan tegangan dan waktu untuk 1-superkapasitor 4.3 Pengujian untuk Dua Superkapasitor Untuk hasil pengujian dari dua superkapasitor tersusun seri yaitu berupa grafik hubungan antara tegangan dan waktu yang diperlihatkan pada Gambar 9 didapatkan bahwa nilai tegangan dari dua superkapasitor tersusun seri dapat menyamai bahkan melebihi nilai tegangan dari sebuah baterai yang dijadikan sebagai pembanding. Berdasarkan grafik pada Gambar 12 nilai tegangan 3.6 V dapat bertahan hingga pada detik ke-37,5. Sedangkan 14 detik pertama merupakan waktu pengisian dari superkapasitor. Jadi 23,5 detik adalah waktu yang bisa dilakukan superkapasitor untuk dapat menggantikan baterai sebesar 3.6 V. Gambar 9 Grafik hubungan tegangan dan waktu untuk 2-superkapasitor 4.4 Pengujian untuk Tiga Superkapasitor Gambar 10 Grafik hubungan tegangan dan waktu untuk 3-superkapasitor 4.5 Pengujian untuk Empat Superkapasitor Untuk hasil pengujian empat superkapasitor tersusun seri yaitu berupa grafik hubungan antara tegangan dan waktu yang diperlihatkan pada Gambar 11 didapatkan bahwa nilai tegangan dari empat superkapasitor tersusun seri dapat menyamai bahkan melebihi nilai tegangan dari sebuah baterai yang dijadikan sebagai pembanding. Berdasarkan grafik pada Gambar 11 nilai tegangan 3.6 V dapat bertahan hingga pada detik ke-44,1. Sedangkan 14 detik pertama merupakan waktu pengisian dari superkapasitor. Jadi 30,1 detik adalah waktu yang bisa dilakukan superkapasitor untuk dapat menggantikan baterai sebesar 3.6 V. Berdasarkan Gambar 9, Gambar 10, dan Gambar 11 memperlihatkan bahwa nilai tegangan sangat cepat menurun pada Gambar 11. Hal tersebut membuktikan bahwa superkapasitor yang mempunyai nilai tegangan yang lebih besar, juga semakin cepat mengalami penurunan tegangan karena arus yang ditarik juga semakin besar. Untuk hasil pengujian tiga superkapasitor tersusun seri yaitu berupa grafik hubungan antara tegangan dan waktu yang diperlihatkan pada Gambar 10 didapatkan bahwa nilai tegangan dari tiga superkapasitor tersusun seri dapat menyamai bahkan melebihi nilai tegangan dari sebuah baterai yang dijadikan sebagai pembanding. Berdasarkan grafik pada Gambar 10 nilai tegangan 3.6 V dapat bertahan hingga pada detik ke-44,5. Sedangkan 14 detik pertama merupakan waktu pengisian dari super kapasitor. Jadi 30,5 detik adalah waktu yang 5
[4] Floyd (2001). Electronics Fundamentals Fifth Edition, Prentice-Hall Inc., Upper Saddle River, New Jersey. [5] Patel, Dipesh (2015), Battery Evaluation, Modellinng and Fast Charger Using Supercapacitor as Input Source, ProQuest LLC, University of Massachusetts, Lowell, Massachusetts. [6] Glavin, M. E., W.G. Hurley (2007), Ultracapacitor/ battery hybrid for solar energy storage, IEEE Conference on Universities Power Engineering Gambar 11 Grafik hubungan tegangan dan waktu untuk 4-superkapasitor 5. Kesimpulan Dari hasil pembahasan diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Berdasarkan pengujian dengan baterai 3.6 V dan 0.9 Ah didapatkan bahwa superkapasitor susunan dapat dimanfaatkan sebagai pengganti baterai. 2. Untuk superkapasitor susunan dapat menggantikan baterai dengan 2- superkapasitor selama 23,5 detik, dengan 3- superkapasitor 30,5 detik, dan dengan 4- superkapasitor selama 30,1 detik. 3. Pada pengujian superkapasitor susunan yang terdiri dari 3-superkapasitor dan 4-super kapasitor, selama waktu pengisian superkapasitor yang berada di tengah memiliki nilai tegangan yang lebih besar dari superkapasitor yang berada di ujung terminal, terjadi pembagian tegangan yang tidak merata di masing-masing superkapasitor. 4. Semakin banyak superkapasitor yang tersusun seri, maka nilai tegangan akan semakin bertambah, akan tetapi akan semakin cepat mengalami penurunan tegangan ketika melayani beban. 6. Daftar Pustaka [1] Patel, Komal R. and Rushi R. Desai (2012). Calculation of Internal Parameters of Super Capacitor to Replace Battery by Using Charging and Discharging Characteristics, International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT) Volume 2, Hal 1. [2] Murata, High Perfomance Electrical Double Layer Capacitors, diakses 30 Agustus 2016 dari www.murataamericas.com/edlc. [3] Woollard, Barry (1993). Practical Electronics Vol 2, McGraw-Hill Book Company Limited, UK England. 6