Prosiding Seminar Nasional Teknologi Elektro Terapan 2017 Vol.01 No.01, ISSN: 2581-0049 H. Suryoatmojo ), D. S. Widiyanto, Soedibyo, R. Mardiyanto, E. Setijadi Abstrak: Saat ini baterai lithium polymer merupakan baterai yang banyak untuk aplikasi unmanned aerial vehicle (UAV). Salah satu kelebihan baterai lithium polymer adalah dapat mensuplai arus yang tinggi hingga mencapai dua puluh kali kapasitasnya. Selain itu desain baterai lithium polymer lebih kecil dibangkan dengan baterai lead acid maupun Ni-CD dengan kapasitas yang sama. Akan tetapi baterai Lithium Polymer mempunyai beberapa kelemahan. Salah satunya yaitu dapat rusak apabila mengalami over charging dan over discharging. Sel baterai lithium polymer disusun secara seri untuk menaikkan tegangannya. Penyusunan sel baterai secara seri membuat perbedaan tegangan pada saat charging maupun discharging pada masing-masing sel baterai. Perbedaan tegangan tersebut menyebabkan sel baterai tidak terisi penuh secara bersamaan sehingga menyebabkan overcharging pada sebagian sel baterai yang lain. Hal ini menyebabkan rusaknya sel baterai dan lebih jauh dapat menyebabkan baterai terbakar. Penelitian ini membahas mengenai konsep penyeimbang SOC baterai lithium polymer berbasis dual inductor. Penyeimbang ini merupakan pengembangan dari buck-boost converter dengan penambahan induktor dan flying capacitor. Hasil implementasi menunjukkan bahwa penyeimbang baterai dapat menyeimbangkan tegangan tiga sel baterai dengan perbedaan tegangan yang tinggi. Disamping itu desain alat ini lebih sederhana dibandingkan dengan metode lain sehingga mudah untuk diaplikasikan. Kata-kata kunci : Lithium Polymer, Dual Induktor, Penyeimbang SOC Baterai. 1. Pendahuluan Penggunaan baterai lithium polymer semakin tinggi karena mempunyai banyak kelebihan seperti tegangan yang tinggi, kapasitas besar dengan ukuran fisik kecil, tidak ada efek memori, dan minim polusi. Umumnya pada peralatan berkapasitas besar dibutuhkan lebih dari satu baterai untuk catu dayanya. Baterai tersebut disusun secara seri atau pararel pada sebuah wadah khusus yang disebut battery pack. Setiap sel baterai pada battery pack mempunyai karakteristik yang berbeda. Hal ini menyebabkan perbedaan waktu pengisian maupun pengosongan pada tiap sel baterai sehingga baterai tidak terisi penuh secara bersamaan. Jika ketidak seimbangan tersebut tidak dikontrol maka, akan berpotensi membahayakan sel baterai tersebut [1]. Untuk memperpanjang umur baterai dan sebagai pengaman baterai dibutuhkan alat penyeimbang (balancer) yang berfungsi untuk menyeimbangkan tegangan tiap sel baterai sehingga sel baterai terhindar dari overcharging. Berdasarkan aliran energi yang melalui sel baterai, proses penyeimbangan baterai dikategorikan dalam dua jenis, yaitu penyeimbang pasif dan penyeimbang aktif. Penyeimbangan secara pasif dilakukan dengan membuang muatan dari baterai yang bertegangan paling tinggi menggunakan resistor dan transistor. Penyeimbang secara pasif mempunyai efisiensi nol, karena energi dari kelebihan muatan pada baterai diserap oleh resistor. Sedangkan pada penyeimbang aktif, energi dari baterai yang bertegangan Korespondensi:suryomgt@gmail.com Teknik Elektro, ITS, Surabaya lebih tinggi dapat dialirkan menuju baterai yang mempunyai tegangan lebih rendah, sehingga dapat meningkatkan efisiensi [2-4]. Penelitian ini memperkenalkan penyeimbang Baterai lithium polymer berbasis Dual Inductor. Metode ini merupakan penyeimbang aktif yang terdiri dari dua buah induktor, satu kapasitor, tiga diode, empat saklar frekuensi tinggi, dan sebuah switch array untuk mengalirkan energi dari sel baterai yang bertegangan lebih tinggi menuju baterai dengan tegangan yang lebih rendah. Sehingga dapat meningkatkan efisiensi dan mempersingkat waktu penyeimbangan karena energi dari sel yang bertegangan paling tinggi dapat dialirkan secara langsung menuju baterai yang mempunyai tegangan lebih rendah. 2. Prinsip Kerja Prinsip kerja dari adalah converter berbasis dual induktor dibagi menjadi empat fase [1]. 1. Fase I Arah aliran arus fase pertama dapat dilihat pada Gambar 1. Pada fase pertama (0 ~ t on1 ) S 1 dan S 2 on sehingga sel 2 mengisi induktor L 1 besarnya arus pada fase pertama dapat dihitung dengan persamaan... (1) Dimana V sel2 adalah terminal dari sel 2, R 1 adalah resistansi dari induktor dan L 1 adalah induktansi dari L 1. Dalam keadaan normal, nilai R 1 sangat kecil sehingga dapat diabaikan menjadi [1]. 7
... (2) ini akan menurunkan efisiensi dan membuat medan magnet L1 menjadi saturasi. Gambar 1. Arah Arus pada Fase Pertama 2. Fase II Fase II adalah periode saat t on1 ~(t on1 + t D ) dimana semua saklar off sedangkan arus I 1 menuju ke kapasitor C seperti pada Gambar 2. Diode D1 digunakan untuk menghindari condisi resonansi dari C dan L 1 [1]. Pada akhir dari periode T D ada dua kemungkinan dari arus yang mengalir pada rangkaian yaitu arus nol (zero current) seperti pada Gambar 4 dan arus tidak sama dengan nol (non zero current) seperti pada Gambar 3. Gambar 4. Kondisi zero current Untuk kemudahan dalam kontrol dan efisiensi maka kapasitor didesain sebagai buffer non zero current mode. Pada fase ketiga kapasitor akan mengalirkan energi ke L2 sehingga terjadi resonansi antara C dengan L2 [1]. Periode dari resonansi LC dapat dihitung dengan persamaan Gambar 2. Arah Arus pada Fase Kedua... (3) Agar C bekerja pada mode non zero current, maka T LC2 / 4 > t on2... (4) Sehingga nilai minimum kapasitor adalah... (5) Jika kapasitas C terlalu besar maka pada L1 akan terjadi saturasi magnetik sehingga mengurangi efisiensi[1]. untuk menghindari hal tersebut maka nilai C max ditentukan dengan persamaan 3. Fase III Gambar 3. Kondisi Non Zero Current Fase ketiga terjadi pada saat (t on1 + t D ) sampai dengan (t on1 + t D + t on2 ). Pada fase ini saklar S3 dan S4 off. Berdasarkan tegangan dari kapasitor, pada fase ini terdapat dua mode kerja dari kapasitor, yaitu kapasitor sebagai buffer dan kapasitor sebagai boostrap. Jika kapasitor bekerja sebagai buffer maka polaritas tegangan dari kapasitor tidak berubah dan C berfungsi sebagai penguat arus (buffer) dari L1 [1]. Jika kapasitor bekerja sebagai boostrap maka tegangan polaritas tegangan kapasitor berubah dan sebagian arus akan dikembalikan menuju L1 oleh kapasitor. Sehingga tidak semua energi yang tersimpan di L1 mengalir ke L2 hal T LC1 / 4 < (2t D + t on2 )... (6) Dimana... (7) Sehingga didapatkan... (8) 4. Fase IV 8
Fase keempat berlangsung pada saat (t on1 + t D + t on2 ) hingga T. Pada fase ini S3 dan S4 off sementara S1 dan S2 on. Aliran arus dapat dilihat pada Gambar 5. L2 mengisi modul baterai sementara sel 2 kembali mengisi L1. Arus pengisian dari L2 ke modul baterai adalah yang lain sehingga didapatkan sebuah sel dengan tegangan tertinggi. Flow Chart dari kontroler dapat dilihat pada Gambar 8.... (9) Dimana V batt adalah tegangan terminal dari modul baterai, L2 adalah induktansi L2, R 2 adalah resistansi dari induktor L2 dan I M2 adalah arus L2 saat (t on1 + t D + t on2 ). Dalam keadaan normal, resistansi dari induktor L2 sangat kecil sedangkan nilai L1 sama dengan nilai L2 sehingga persamaan (2.14) dapat disederhanakan menjadi [1].... (10) Gambar 6. Perancangan Kontroler Utama Pembacaan tegangan oleh mikrokontroler dibatasi maksimum 5V sedangkan tegangan maksimum modul baterai adalah 12,5V pada sel 3, 8,4V pada sel 2 dan 4,2V pada sel 1. Oleh karena itu diperlukan rangkaian pembagi tegangan seperti pada Gambar 7 agar tegangan yang masuk ke mikrokontroler kurang dari 5V. Untuk memudahkan pemrograman, resistor pembagi pada tiap sel baterai dibuat sama sehingga diasumsikan tegangan maksimum baterai adalah 12,5Vsehingga 3. Implementasi Gambar 5. Aliran Arus saat Fase IV Pada bagian ini akan dibahas mengenai proses desain, simulasi dan implementasi penyeimbang baterai berbasis dual induktor. Proses desain dilakukan dengan cara menghitung dan menentukan komponen komponen yang akan digunakan pada alat. Simulasi dilakukan untuk memastikan bahwa hasil desain penyeimbang baterai berbasis dual induktor berjalan dengan baik. Hasil desain dan simulasi kemudian dijadikan acuan untuk implementasi penyeimbang baterai berbasis dual induktor. (3.1) diperoleh nilai V out sebagai berikut 3.1 Blok Diagram Perancangan dan pembuatan penyeimbang baterai berbasis dual induktor menggunakan mikrokontroler ATMEGA8 sebagai kontroler utama dan pembangkit pulsa PWM mengacu pada blok diagram yang ditunjukkan pada Gambar 6. Input dari alat ini adalah tegangan dari salah satu sel pada modul baterai yang dipilih oleh kontroler utama melalui relay. Tegangan tersebut dinaikkan oleh konverter dual inductor menjadi setara dengan tegangan total dari modul baterai yang kemudian dimasukkan kembali ke modul baterai melalui charge bus. 3.2 Perancangan Kontroler Utama Gambar 7. Resistor Pembagi Tegangan 3.3 Perancangan Konverter Berbasis Dual Inductor Converter pada penyeimbang baterai didesain dengan spesifikasi arus input sebesar 1,5A dengan frekuensi switching sebesar 23,5kHz. untuk memperoleh efisiensi lebih tinggi, maka t on1 ditentukan sebesar 75% sesuai pada Gambar 9 [1]. Kontroler utama dari penyeimbang baterai terdiri dari mikrokontroler ATMEGA8, rangkaian pembagi tegangan dan LCD. Mikrokontroler akan memonitor tegangan tiap sel baterai kemudian membandingkan sel 9
Gambar 10. Perbandingan t D terhadap Daya dan Efisiensi Perancangan Pembangkit Pulsa PWM Dimana: Gambar 8. Flow Chart Kontroler Utama f PWM f clk prescaler = frekuensi pwm = frekuensi clock = faktor pembagi dengan frekuensi clock sebesar 12Mhz maka didapatkan frekuensi PWM sebesar f PWM = 23,5 Khz Gambar 9. Perbandingan t on1 terhadap efisiensi [1]. 1. Menentukan Nilai t D Berdasarkan pada Gambar 10, untuk mendesain konverter dengan daya yang tinggi maka nilai t D dibuat sekecil mungkin [1]. Akan tetapi semakin tinggi daya konverter maka akan semakin rendah efisiensi. sehingga pada konverter ini nilai t D ditentukan sebesar 1 % Pembangkit pulsa pwm terdiri dari sebuah mikrokontroler ATMEGA8 yang diprogram untuk membangkitkan pulsa PWM dengan duty cycle PWM 1 75% dan PWM 2 = 76% dimana PWM 2 adalah inverting dari PWM 1. Bentuk gelombang PWM1 dan PWM2 ditunjukkan pada Gambar 11 Frekuensi PWM ditentukan dengan persamaan Gambar 11. Pulsa PWM 1 dan PWM 2 2. Menghitung Nilai Induktor Pada Konverter Berbasis Dual Inductor, nilai dari induktor 1 sama dengan nilai induktor 2 dimana f switch = 23,5kHz T = 42,5us D1 = 75% T on1 = 31,87us I m1 = 1,5A Dengan menggunakan persamaan (2) maka didapatkan 10
L = 89,23 uh uh 3. Menghitung nilai kapasitor L = 100 Uh T on1 = 31,87 us 2T D + T ON2 = 42,5 31,87 2T D + T ON2 = 10,63 us Dengan menggunakan rumus persamaan (8), maka nilai kapasitas kapasitor maksimum adalah singkat. Selain untuk mengisolasi, optocoupler ini mempunyai arus output yang tinggi dengan tegangan output yang sama dengan tegangan antara pin 5 dan pin 8 sehingga dapat digunakan sebagai drifer transistor dan mosfet. Konfigurasi dari pin optocoupler TLP250 ditunjukkan pada Gambar 12. C max = 4. Perancangan Switsh S1 dan S2 Saklar frekuensi tinggi SI dan S2 pada rangkaian konverter ini beroperasi pada tegangan rendah yaitu 4V, sehingga mosfet tidak dapat digunakan karena tegangan treshold minimum dari mosfet tidak terpenuhi. Oleh karena itu saklar S1 dan S2 menggunakan transistor sebagai switch frekuensi tinggi karena transistor bekerja berdasarkan arus pada kaki basis. Transistor yang digunakan pada Konverter Berbasis Dual Inductor ini adalah transistor high power TIP 2955 dan TIP 3055. Kedua transistor ini dapat menghantarkan arus IC maksimum 15 A. pada Konverter Berbasis Dual Inductor ini arus IC pada transistor diatur maksimum 2A. Sehingga dibutuhkan resistor Rb sebesar Gambar 12. Konfigurasi Pin Optocoupler TLP250 4. Hasil eksperimen dan Analisis Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui waktu yang dibutuhkan untuk menyeimbangkan tegangan setiap sel baterai yang terhubung secara seri. Dengan kondisi sebagai berikut. 1. Kondisi dua baterai under voltage Pada kondisi ini, sel 2 dan sel 3 baterai berada pada kondisi under voltage sedangkan tegangan sel 1 baterai berada diatas tegangan nominal 3,7V. kondisi OCV awal adalah sel 1 = 4,02V, sel 2 = 3,61, sel 3 = 3,51V. Dimana Ib = Arus basis Ic = Arus colector Rb = Hambatan pada kaki basis Vce = Tegangan colector emitor hfe = nilai penguatan arus DC Transistor TIP 2955 dan TIP3055 mempunyai nilai hfe minimum 20 sehingga nilai Rb 5. Pemilihan Driver Mosfet Pada Konverter Berbasis Dual Inductor ini digunakan optocoupler TLP250 untuk mengisolasi antara pembangkit sinyal PWM dengan konverter agar tidak terjadi hubung Gambar 13. Grafik Perubahan OCV Terhadap Waktu pada Kondisi 1 Dari gambar 13 diketahui bahwa untuk menyeimbangkan tegangan dari dua dari tiga sel yang under voltage dibutuhkan waktu 70 menit. Kedua sel baterai yang mempunyai OCV awal 3,61V dan 3,51V meningkat menjadi 3,69V sedangkan pada sel baterai yang mempunyai OCV awal 4,02V menurun menjadi 3,7V. hal ini menunjukkan bahwa balancer mengambil energi dari baterai yang mempunyai OCV paling tinggi, kemudian memindahkan energi tersebut pada sel baterai yang mempunyai OCV lebih rendah. 2. Kondisi satu sel baterai under voltage 11
Pada kondisi ini, sel 2 baterai berada pada kondisi under voltage sedangkan sel 1 dan sel 3 berada pada kondisi normal. Kondisi OCV awal adalah sel 1 = 4,1V, sel2 = 3,61, sel3 = 4,08V kondisi 1 dan kondisi 2. Hal ini dikarenakan perbedaan tegangan antar sel yang kecil sehingga ketiga sel baterai mempunyai tegangan yang seimbang dalam waktu 35 menit. Karena terjadi pengosongan sendiri pada baterai jenis Lithium Polimer, maka tegangan OCV baterai turun pada menit ke 40. Penurunan tegangan ini berbeda pada tiap sel tergantung dari kualitas bahan kimia didalamnya serta kondisi lingkungan di sekitar baterai. Gambar 14. Grafik Perubahan OCV Terhadap Waktu pada Kondisi 2 Dari Gambar 14 diketahui bahwa proses penyeimbangan pada kondisi kedua membutuhkan waktu lebih lama dibandingkan dengan proses penyeimbangan pada kondisi 1 dimana proses penyeimbangan membutuhkan waktu 175 menit. Tegangan sel 2 baterai awal 3,61 meningkat dengan cepat hingga 3,7v dalam waktu 40 menit. Kemudian peningkatan tegangan berjalan lebih lambat hingga mencapai 3,75V pada menit ke-175. Hal ini dikarenakan proses charging pada baterai tidak berjalan secara linear. Ketika tegangan baterai meningkat, maka perbedaan tegangan antara sel baterai dengan tegangan charger akan menurun sehingga arus charging menurun. 3. Kondisi ketiga sel baterai normal Pada kondisi ini, ketiga sel baterai berada pada kondisi normal dengan perbedaan OCV yang kecil. Kondisi OCV awal adalah sel 1 = 4,07V, sel 2 = 4,15V, sel 3 = 4,13V. 5. Kesimpulan Berdasarkan analisis data, hasil simulasi dan pengujian implementasi alat Penyeimbang Baterai Berbasis Dual Inductor, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut 1. Penyeimbang Baterai Berbasis Dual Inductor dapat digunakan pada battery pack dengan tingkat ketidakseimbangan yang tinggi hingga 0,5V. 2. Waktu penyeimbangan tegangan OCV baterai tergantung dari perbedaan tegangan antar sel baterai. Semakin besar perbedaan tegangan antar sel baterai maka semakin lama proses penyeimbangannya. 3. Tegangan total dari battery pack setelah proses penyeimbangan lebih kecil dibandingkan dengan tegangan total dari battery pack sebelum proses penyeimbangan. Hal ini dikarenakan terjadi loses saat proses penyeimbangan dan akibat dari efisiensi pengisisan dari baterai. Daftar Pustaka [1] Dai, Haifeng., Wei, Xuezhe., Sun, Zechang., dan Wang, -inductor based charge equalizer Power and Energy Systems, Shanghai, 2014. [2] Gallardo-Lozano, Javier., Romero-Cadaval, Enrique., Milanes-Montero, Isabel, M., dan Guerrero-Martinez, zation active methods of Power Sources 246 (2014) 934e949, Badajoz, Spain, 2013 [3] Daowd, Mohamed., Omar, Noshin., Van Den Bossche, Peter., dan Van Mierlo, Passive and Active Battery transport-research, Belgium, 2014 [4] Xu, Jun., Li, Siqi., Mi, Chris., Chen, Zheng dan Cao, energies ISSN 1996-1073, 2013 Gambar 15. Grafik Perubahan OCV Terhadap Waktu pada Kondisi 3 Dari gambar 15 diketahui bahwa proses penyeimbangan memerlukan waktu yang lebih cepat dibandingkan dengan 12