DC TIPE BOOST UNTUK APLIKASI MOBIL LISTRIK

PROSIDING 20 13© Arsitektur

Elektro

Geologi

Mesin

HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK Perkapalan Sipil

ANALISIS KONVERTER DC/DC TIPE BOOST UNTUK APLIKASI MOBIL LISTRIK Faizal Arya Samman & Amsiah Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km.10 Tamalanrea – Makassar, 90245 Telp./Fax.: 081342117772 /(0411) 491085 e-mail: [email protected]

Abstrak Paper ini memaparkan hasil analisis perilaku dan efisiensi daya dari salah satu komponen sebuah mobil listrik, yaitu konverter DC/DC tipe boost converter (step-up converter). Mobil listrik merupakan kendaraan masa depan yang ramah lingkungan dan mampu menjawab problem kelangkaan cadangan minyak bumi di masa yang akan datang. Meningkatnya polusi udara terutama semakin tingginya kadar gas emisi karbondioksida di udara yang dihasilkan oleh mobol-mobil berbahan bakar minyak bumi, telah menjadikan mobil listrik yang memilik tingkat emisi nol (zero emission) sebagai alternatif yang menjanjikan. Komponen koverter DC/DC tipe boost berfungsi tidak saja menaikkan tegangan keluaran baterai agar sesuai dengan tegangan nominal motor listrik sebagai komponen penggerak utama, namun juga menstabilkan tegangan nominal yang dibutuhkan oleh motor listrik tadi. Konsumsi energi listrik selama berkendaraan dapat menyebabkan turunnya tegangan keluaran baterai listrik. Hasil penelitian awal yang dijelaskan dalam paper ini dilakukan dengan menggunakan metode pemodelan dan simulasi. Rangkaian konverter DC/DC tipe boost akan dimodelkan menggunakan program SPICE (Software Package for Integrated Circuit Emphasis). Software ini umum digunakan untuk memodelkan rangkaian elektronika analog. Pengujian perilaku rangkaian dilakukan dengan mensimulasikan model SPICE dari rangkaian tersebut. Perilaku rangkaian, termasuk kinerja dan tingkat konsumsi dayanya, akan dianalisa berdasarkan hasil-hasil simulasi tadi. Kata Kunci: elektronika daya, konverter DC/DC tipe step-up (boost), mobil listrik, baterai, motor listrik

PENDAHULUAN Energi dan Kelestarian Lingkungan merupakan topik penting dan menarik yang akan terus dibahas di masamasa yang akan datang. Menipisnya cadangan sumber daya minyak di bumi bumi disertai dengan polusi udara yang semakin tinggi akibat konsumsi bahan bakar minyak bumi yang semakin meningkat menjadi latar belakang mengapa mobil listrik mulai ramai dibicarakan. Beberapa perusahaan industri otomotif terkemuka seperti Audi, BMW dan Chevrolet telah mengeluarkan beberapa seri terbatas mobil listrik (Lihat Gambar 1 untuk contoh model mobil listrik). Dalam beberapa tahun ke depan (estimasi 2020), mobil-mobil listrik akan lebih sering dijumpai di jalan raya. Penggunaan mobil listrik juga sangat tergantung pada kebijakan pemerintah setempat dan kesepakatan dunia internasional. Kesepakatan beberapa negara untuk menurunkan emisi gas karbonmonoksida serta kecenderungan harga bahan bakar fosil yang akan diestimasi terus meningkat akibat kelangkaan dapat menjadi pendorong diberlakukannya aturan pelarangan mobil berbahan bakar fosil. Kondisi ini secara otomatis akan mendorong para industriawan otomotif untuk beralih kepada mobil listrik yang lebih ramah lingkungan (zero emission vehicles). Geliat pengembangan mobil listrik nasional juga telah merambah ke tanah air. Prototipe mobil listrik nasional seperti Tucuxi dan Mobil Listrik Hibrid yang dikembangkan oleh LIPI (Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia) juga telah diperkenalkan (Lihat Gambar 2). Proyek mobil listrik nasional merupakan kebanggaan bangsa yang patut untuk didukung baik oleh pemerintah, pihak swasta maupun investor lokal. Jumlah penduduk Indonesia yang sangat tinggi merupakan potensi pasar yang sangat berarti. Apalagi jumlah pemakai kendaraan di tanah air tergolong cukup tinggi. Tidak heran bila produsen-produsen kendaraan asing menjadikan Indonesia sebagai sasaran penjualan yang sangat diperhitungkan.

Volume 7 : Desember 2013

Group Teknik Elektro TE3 - 1

ISBN : 978-979-127255-0-6

Dynamic and Steady State… Arsitektur Elektro

Geologi

Faizal A. Samman & Amsiah Perkapalan Sipil

Mesin

Gambar 1. Model-Model Mobil Listrik. (a) Micron, (b) Audi (c) Chevrolet (Sumber: Internet, E-Car 2013)

Keberadaan proyek mobil listrik nasional sebaiknya juga didukung oleh pengadaan komponen-komponen mobil yang disuplai oleh produsen-produsen lokal. Kandungan lokal dalam sebuah mobil dapat menjadi acuan penting untuk menentukan apakah sebuah produk merupakan karya anak bangsa. Gambar 3 memperlihatkan komponen-komponen yang terdapat dalam sebuah mobil listrik. Secara umum komponen-komponen tersebut dapat dibagi ke dalam empat buah bagian utama, yaitu antara lain: 1. Komponen mekanik seperti ban, roda gigi transmisi, komponen-komponen chassis dan body kendaraan. 2. Komponen elektrokimia seperti baterai listrik. 3. Komponen elektromekanik seperti kompresor, power steering, motor listrik dan generator listrik yang bisa digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik ketika kendaraan dalam mode regeneratif. 4. Komponen elektronika seperti konverter DC/DC, charger, serta unit-unit kendali elektronik. Mobil Listrik Hibrid LIPI

Mobil Listrik Tucuxi

Gambar 2. Mobil Listrik Nasional Penelitian ini merupakan bagian kecil dari proyek pengembangan komponen sebuah mobil listrik. Komponen yang akan dibahas tersebut adalah konverter DC/DC yang berfungsi menjembatani daya listrik yang dihasilkan oleh sebuah baterai dengan motor listrik sebagai tenaga penggerak sebuah mobil listrik. Komponen ini berfungsi menaikkan tegangan baterai dan menstabilkannya pada titik tertentu sesuai dengan kebutuhan tegangan catu dari motor listrik. Tipe konverter DC/DC yang akan dibahas di sini adalah konverter step-up atau biasa juga disebut sebagai boost converter. Roda Transmisi Konverter AC Pendingin

Soket Charging Sistem Baterai Sel-sel Baterai Kering Motor Listrik Penggerak

Power Steering

Kompresor AC Pendingin

Distributor Daya Listrik Inverter DC/AC

Charger & Konverter DC/DC

Gambar 3. Struktur Mobil Listrik. Modifikasi Gambar dari Sumber Internet (Sumber: ElecVehicle, 2013)

ISBN : 978-979-127255-0-6




Elektro

Geologi

Mesin


Baterai yang terdapat dalam mobil listrik umumnya mempunyai tegangan keluaran nominal di bawah batasan tegangan nominal yang dibutuhkan oleh motor listrik sebagai penggerak utama mobil listrik. Tegangan keluaran baterai bahkan akan sedikit mengalami penurunan bila kandungan muatan listrik yang terdapat di dalamnya sudah mulai berkurang. Agar dapat beroperasi dengan baik, motor listrik mesti mendapatkan suplai tegangan yang konstan, sesuai dengan spesifikasinya. Oleh karena itu, dibutuhkan sebuah peralatan elektronika daya yang mampu menaikkan tegangan baterai dan menjaga tegangan baterai agar tetap berada dalam batas tertentu sehingga daya baterai mampu menggerakkan motor listrik tersebut dengan baik. Peralatan ini biasa disebut sebagai konverter step-up atau boost converter. Gambar 4 memperlihatkan sebuah bagan konverter DC/DC tipe boost converter. Dalam bagan terlihat sebuah contoh baterai listrik dengan tegangan nominal 50V. Boost converter berfungsi menaikkan tegangan baterai hingga mencapai 220/230/250V yang diasumsi cukup untuk menggerakkan motor listrik. Disebabkan oleh pemakaian energi listrik dalam baterai untuk memutar motor listrik selama berkendaraan, tegangan keluaran baterai akan mengalami penurunan. Dalam Gambar 4 terlihat tegangan baterai mengalami penurunan hingga 45V. Kondisi ini akan mempengaruhi tegangan keluaran boost converter. Oleh sebuah itu, sebuah kontroler dibutuhkan untuk menstabilkan tegangan keluaran konverter agar dapat stabil di sekitar 220/230/250V. Selain masalah stabilitas tegangan, aspek penting lain dalam mendesain sebuah konverter DC/DC tipe step-up adalah konsumsi dayanya. Dengan demikian, mekanisme kendali yang efisien dan struktur rangkaian elektronika daya dari konverter DC/DC berdisipasi daya rendah sangat diperlukan untuk menurunkan total konsumsi dayanya. Tegangan Catu Motor Listrik

Tegangan Baterai 50

Baterai Listrik

45

230

Konverter DC/DC (Tipe Boost Converter)

Motor Listrik

Mikrokontroler

Gambar 4. Bagan Sistem Kendali Konverter DC/DC Tipe Boost Converter Dari uraian singkat tentang rumusan masalah yang telah disebutkan di atas, maka paper ini akan menjelaskan hal-hal sebagai berikut; 1. Pemodel rangkaian elektronika daya untuk konverter DC/DC tipe boost converter menggunakan SPICE, 2. Analisis perilaku konverter DC/DC tipe boost khususnya terhadap perubahan tegangan masukan dan tahanan beban resistif. Motor listrik pada dasarnya merupakan beban induktif berputar, ke depan penelitian ini akan mengkaji lebih dalam perilaku konverter DC/DC ini terhadap beban induktif berputar. 3. Analisis konsumsi daya dan efisiensi rangkaian konverter.

TINJAUAN PUSTAKA Rangkaian dasar sebuah konverter DC/DC tipe boost converter diperlihatkan pada Gambar 5. Dalam gambar terlihat komponen listrik yang digunakan seperti induktor serta komponen elektronika seperti dioda dan MOSFET yang berfungsi sebagai saklar. Penggunaan tipe power MOSFET dan power Diode dalam rangkaian akan mempengaruhi konsumsi daya [Waffler-2010]. Oleh karena itu, sangat penting untuk memilih tipe komponen elektronika daya yang tepat sesuai dengan spesifikasi.



ISBN : 978-979-127255-0-6


Geologi

Mesin


Gambar 5. Boost Converter (Sumber: Luo, 2006)

Gambar 6 dan Gambar 7 menunjukkan model incremental dari sebuah konverter boost. Dalam Gambar 6 terlihat bahwa power MOSFET dirangkai paralel dengan sebuah dioda. Nampak pula dalam gambar bahwa nilai beban selalu berubah dan tegangan masukan yang berubah-ubah dan tidak tetap. Kedua aspek tersebut (beban berubah dan tegangan masukan tidak tetap) merupakan masalah umum yang harus ditangani dalam mendesain sebuah konverter boost sehingga konverter mampu menghasilkan tegangan keluaran yang stabil. Baik Gambar 6 maupun Gambar 7, sebuah kapasitor ditambahkan dalam rangkaian dengan susunan paralel dengan beban.

Gambar 6. Boost Converter dengan Beban Berubah (Sumber: Mariéthoz, 2010)

Gambar 7. Model Lain dari Sebuah Konverter DC/DC (Sumber: Sreekumar, 2008)

Pengendalian tegangan keluaran konverter DC/DC boost dari berbagai literatur dilakukan dengan mengatur lebar pulsa switching yang diterapkan pada gate power MOSFET. Gambar 8 menunjukkan proses buka-tutup saklar MOSFET melalui pemberian catu tegangan berlogika 0 atau logika 1. Bila gate MOSFET diberi catu

ISBN : 978-979-127255-0-6




Elektro

Geologi

Mesin


tegangan (berlogika 1), maka power MOSFET akan ON sehingga arus listrik akan mengalir ke ground. Sebaliknya, bila catu tegangan dilepas (berlogika 0), maka simpal akan terlihat seperti rangkaian terbuka. Dengan mode kendali seperti itu, maka konverter DC/DC boost dapat dimodelkan dalam bentuk model hibrid [Gupta-2005], [Oettmeier-2009], [Sreekumar-2008], [Mariéthoz-2010], yaitu sebuah model yang menggabungkan perilaku model waktu kontinu dan model waktu diskrit. Model sistem hibrid ini, sangat membantu para peneliti untuk memodelkan dan mensimulasikan perilaku rangkaian konverter DC/DC. Model hibrid ini juga membantu dalam memformulasikan sistem kendali yang cocok untuk mengendalikan konverter DC/DC. Salah satu model sistem kendali yang cukup terkenal handal dalam mengendalikan konverter DC/DC adalah sistem kendali hibrid yang memanfaatkan observer mode sliding [Oettmeier-2009].

Gambar 8. Pengaturan Pulsa Switching melalui Tegangan Gate pada Power MOSFET

Gambar 9 menunjukkan bagan kotak sebuah sistem kendali hibrid dengan memanfaatkan observer mode sliding untuk konverter DC/DC tipe boost. Sistem kendali menggunakan umpan balik arus dan tegangan keluaran konverter. Sistem kendali tersebut bersifat nonlinier disebabkan oleh penggunaan sifat-sifat histeresis. Hal yang cukup rumit dari sistem kendali tersebut adalah umpan balik arus. Kita ketahui bahwa arus listrik merupakan variabel yang tidak mudah untuk diukur dan juga rentan terhadap derau.

Gambar 9. Sistem Kendali Konverter DC/DC Boost (Sumber: Oettmeier, 2009)

Model Rangkaian Paper ini akan mengkaji model konverter DC/DC tipe boost sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6, 7 dan 8. Rangkaian konverter DC/DC dimodelkan dalam SPICE menggunakan program LTSPICE IV (Software didesain oleh Linear Technology). Model ini mendekati model ril rangkaian. Dengan demikian, keuntungan yang diperoleh adalah bahwa perilaku dan kinerja hasil rancangan akan lebih mendekati perilaku praktis dari rangkaian elektronika daya itu sendiri. Model SPICE secara umum, merupakan model yang menggambarkan secara langsung bentuk fisik suatu rangkaian listrik atau rangkaian elektronika. Kekurangan model SPICE adalah kesulitan dalam menggambarkan perilaku ideal sebuah rangkaian digital kompleks seperti mikrokontroler, digital signal processor (DSP) atau mikroprosesor.



ISBN : 978-979-127255-0-6


Geologi

Mesin


Gambar 10. Model Skematika SPICE dari Rangkaian Konverter DC/DC Tipe Boost yang akan Dianalisis

Gambar 10 memperlihatkan model skematika SPICE dari rangkaian konverter DC/DC tipe Boost yang dianalisa pada paper ini. Rangkaian digambar dengan menggunakan software LTSPICE IV. Spesifikasi konverter DC/DC dan hasil pengukuran arus-tegangannya diperlihatkan dalam Tabel 1. Pada penelitian ini, sebagai komponen power switch digunakan Power MOSFET tipe N-Channel Enhacement Mode dengan merek IXTH88N30P buatan IXYS. Detail mengenai parameter komponen dapat dilihat pada Datasheet Komponennya [IXYS2006]. Tabel 1. Spesifikasi Boost Konverter dengan Hasil Pengukuran Tegangan-Arusnya Parameter/Komponen Power Switch Vin Vout Duty Cycle (D) Frekuensi RL Iout (Ampere)

Nilai/Tipe IXTH88N30P (Power MOSFET) 50 V DC 220 V DC 0.773 50 kHz 1000 Ω 0.22

Dalam Gambar 11 terlihat hasil simulasi transien (peralihan) tegangan keluaran dari rangkaian konverter DC/DC tersebut. Simulasi transien dari tegangan keluaran Vout dilakukan selama interval 1 detik dengan tegangan masukan Vin sebesar 50V. Dalam gambar terlihat bahwa tegangan keluaran berada di sekitar 220V. Tegangan keluaran mencapai kondisi mantap (steady state) dalam waktu kurang dari 0.01 detik. Dalam masa transien (peralihan), tegangan keluaran hampir mencapai 300V.

Gambar 11. Hasil Simulasi Transien Tegangan Keluaran (Vout) pada saat Tegangan Masukan (Vin) = 50V

ISBN : 978-979-127255-0-6




Elektro

Geologi


Mesin

HASIL SIMULASI DAN ANALISIS Pada paper ini, rangkaian konverter DC/DC tipe boost akan dianalisa dengan cara melakukan simulasi. Analisis tersebut dilakukan untuk mengetahui perilaku rangkaian terhadap perubahan-perubahan parameter dan variabel tertentu pada rangkaian. Analisis-analisis yang dilakukan antara lain: a. b. c. d. e. f.

Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai tegangan masukan (Vin) diubah-ubah Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai tahanan beban (RL) diubah-ubah Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai induktansi konverter (L) diubah-ubah Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai Duty cycle (D) diubah-ubah Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai Duty cycle (D) dan Tegangan masukan (R L) diubah-ubah Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai Duty cycle (D) dan Tegangan masukan (Vin) diubah-ubah

Hasil-hasil analisis dijelaskan pada bagian berikut; a. Analisis perubahan tegangan masukan

Vout(Volt)

Dari grafik pada Gambar 12 dapat dilihat bahwa kenaikan nilai tegangan masukan/input (V in) berbanding lurus dengan kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) dimana kenaikan nilai tegangan input (Vin) dari 10V s/d 50V menghasilkan tegangan keluaran (Vout) sebesar 45V s/d 220V dengan batasan wilayah kenaikan tegangan keluaran (Vout) sekitar 40 V untuk setiap kenaikan 10V pada tegangan masukan (V in). Tabel 2 menunjukkan Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Tegangan Masukan (Vin) berubah-ubah. Pada eksperimen tersebut, Frekuensi switching dan duty cyclenya masing-masing diset konstan sebesar 50 kHz dan 77.3%. 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

220.75 177.34 133.73 Vout

89.918 45.727

10

20

30

40

50

Gambar 12. Grafik Tegangan Keluaran (Vout) terhadap Tegangan Input (Vin) Berubah-Ubah

Tabel 2. Tabel Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Tegangan Masukan (Vin) berubah-ubah. Frekuensi switching dan duty Cyclenya masing-masing Diset Konstan Sebesar 50 kHz dan 77.3% 𝐏𝐨𝐮𝐭 Vin (Volt) Vout (Volt) Pin (watt) Pout(watt) 𝜼= 𝐱 𝟏𝟎𝟎% 𝐏𝐢𝐧 45.727 2.3279 2.0914 89.841% 10 89.918 8.7708 8.0872 92.206% 20 133.73 19.17 17.888 93.312% 30 177.34 33.531 31.457 93.815% 40 220.75 51.773 48.742 94.146% 50



ISBN : 978-979-127255-0-6


Geologi


Mesin

b. Analisis Perubahan Tahanan Beban

V out(Volt)

Dari grafik pada Gambar 13 dapat dilihat bahwa kenaikan nilai tahanan beban (R L) berbanding lurus dengan kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) dimana kenaikan nilai tahanan beban (R L) dari 0.01 KΩ s/d 100 KΩ menghasilkan tegangan keluaran (Vout) sebesar 53V s/d 446V dengan batasan wilayah kenaikan tegangan keluaran (Vout) sekitar 40V s/d 200V untuk setiap kenaikan 10 kali kenaikan pada tahanan beban (R L). Tabel 3 memperlihatkan Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Tahanan Beban (RL) berubah-ubah. Pada eksperimen ini, Frekuensi switching dan duty cycle-nya masing-masing diset konstan sebesar 50 kHz dan 77.3%.

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

466.14

262.04 220.75

Vout (Volt)

167.66 53.01 0.01

0.1

1

10

100

RL(KΩ)

Gambar 13. Grafik Tegangan Keluaran (Vout) terhadap Tahanan Beban (RL) Berubah-Ubah

Tabel 3. Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Tahanan Beban (RL) berubah-Ubah. Frekuensi Switching dan Duty Cyclenya masing-masing Diset Konstan Sebesar 50 kHz dan 77.3% 𝐏𝐨𝐮𝐭 RL (kΩ) Vout (Volt) Pin (Watt) Pout (Watt) 𝜼= 𝐱 𝟏𝟎𝟎% 𝐏𝐢𝐧 53.01 1.1727K 286.17 24.40% 0.01 167.66 373.12 281.21 75.37% 0.1 220.75 51.773 48.742 94.15% 1 262.04 7.5674 6.8697 90.78% 10 466.14 2.6946 2.1787 80.85% 100

c. Analisis Perubahan Induktansi Konverter Dari grafik pada Gambar 14 dapat dilihat bahwa kenaikan nilai induktansi (L) mengalami kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) pada saat 0.1 µH s/d 10 µH, namun mengalami penurunan pada saat 10 µH s/d 1000 µH dengan tegangan keluaran (Vout) sebesar 57 V s/d 220 V dengan range perubahan tegangan keluaran (V out) sekitar 100 V s/d 300 V untuk setiap kenaikan 10 kali kenaikan pada induktansi (L). Tabel 4 memperlihatkan Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Induktor (L) diubah-ubah. Pada eksperimen ini, Frekuensi switching dan duty cycle-nya masing-masing diset konstan sebesar 50 kHz dan 77.3%.

ISBN : 978-979-127255-0-6




V Out ( Volt)

Elektro

Geologi

525 475 425 375 325 275 225 175 125 75 25


Mesin

472.1 372.83

220.02 165.85 57.706 0.1

1

10

100

1000

L (μH)

Gambar 14. Grafik Tegangan Keluaran (Vout) terhadap Induktansi (L) Diubah-Ubah

Tabel 4. Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Induktor (L) diubah-ubah. Frekuensi switching dan duty cyclenya masing-masing diset konstan sebesar 50 kHz dan 77.3% L(μH)

Vout (Volt)

Pin (Watt)

Pout (Watt)

0.1 1 10 100 1000

57.706 165.85 472.1 372.83 220.02

1.2609K 1.2164K 803.74 164.26 51.456

3.33 27.512 222.95 139.03 48.416

𝜼=

𝐏𝐨𝐮𝐭 𝐱 𝟏𝟎𝟎% 𝐏𝐢𝐧 0.26% 2.26% 27.73% 84.64% 94.09%

d. Analisis perubahan duty cycle sinyal switching Dari grafik pada Gambar 15 dapat dilihat bahwa kenaikan Duty Cycle (D) menyebabkan kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) pada saat duty cycle (D) 20% s/d 80% namun mengalami penurunan pada saat duty cycle (D) 100% dengan perubahan tegangan keluaran (Vout) sebesar 20 V s/d 284 V dengan range perubahan tegangan keluaran (Vout) sekitar 20 V s/d 248 V untuk perubahan 20% pada duty cycle (D). Tabel 5 memperlihatkan Hasil Pengukuran Pengukuran Tegangan Keluaran (V out), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Duty Cycle (D) diubah-ubah. Pada eksperimen tersebut Frekuensi switching diset konstan sebesar 50kHz. 300

V Out ( Volt)

250

248.08

200 150 127.89 100

85.601 64.692

50 0 20

40

60

80

0.453 100

D(%)

Gambar 15. Grafik Tegangan Keluaran (Vout) terhadap Duty Cycle (D) Diubah-Ubah



ISBN : 978-979-127255-0-6


Geologi


Mesin

Tabel 5. Hasil Pengukuran Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Duty Cycle (D) Diubah-Ubah. Frekuensi switching diset konstan 50kHz D (%)

Vout (Volt)

Pin (Watt)

Pout (Watt)

20 40 60 80 100

64.692 85.601 127.89 248.08 453.04m

4.4226 7.7043 17.146 65.897 1.6308k

4.1851 7.328 16.358 61.56 4.0436m

𝜼=

𝐏𝐨𝐮𝐭 𝐱 𝟏𝟎𝟎% 𝐏𝐢𝐧 94.63% 95.12% 95.40% 93.42% 0%

e. Analisis perubahan tahanan beban dan duty cycle sinyal switching Dari grafik pada Gambar 16 dapat dilihat bahwa kenaikan nilai Duty Cycle (D) menyebabkan kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) pada saat duty cycle (D) 20% s/d 80% namun mengalami penurunan pada saat duty cycle (D) 100% dengan perubahan tegangan keluaran (Vout) sebesar 64 V s/d 273 V dengan range perubahan tegangan keluaran (Vout) sekitar 20V s/d 273V untuk setiap perubahan 20% pada duty cycle (D). Nampak juga terlihat bahwa nilai tahanan beban mempengaruhi besarnya tegangan output. Semakin besar tahanan beban, maka semakin besar pula kecenderungan tegangan keluaran Vout. Tabel 6 memperlihatkan Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Duty Cycle (D) dan Tahanan Beban (RL) yang berubah-ubah. 350

V Out ( Volt)

300 250

288.56

273.78 248.08

239.08

231.28

200 172.65

150

RL=1KΩ

175.1

RL=5KΩ

127.89 102.2 100

89.397 64.692

50

RL=10KΩ

85.601 1.924

0 20

40

60

D(%)

80

1.128 0.453 100

Gambar 16. Grafik Tegangan Keluaran terhadap Tahanan Beban (RL) dan Duty Cycle (D) berubah-ubah

Tabel 6. Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada Saat Duty Cycle (D) dan Tahanan Beban (RL) Berubah-Ubah D (%) 20 40 60 80 100

Vout (V) Pin Pout Untuk (W) (W) RL= 1kΩ 4.185 64.692 4.4226 7.328 85.601 7.7043 127.890 17.1460 16.358 248.080 65.8970 61.560 453.04m 1.631k 4.044m

ISBN : 978-979-127255-0-6

Efisi η (%) 94.63 95.12 95.40 93.42 0.00

Vout (V) Pin Pout Untuk (W) (W) RL= 5kΩ 89.397 1.8396 1.5985 172.650 6.1581 5.9655 175.100 6.2997 6.1327 273.780 16.6840 14.9980 1.128 1.631k 3.994m


Efisi η (%) 86.89 96.87 97.35 89.89 0.00

Vout (V) Untuk RL= 10kΩ 102.20 231.28 239.08 288.56 1.924

Pin (W)

Pout (W)

1.1596 1.0446 5.6450 5.3583 5.9342 5.7190 9.6730 8.3311 1.631k 3.985m

Efisi η (%) 90.08 94.92 96.37 86.13 0.00



Elektro

Geologi


Mesin

f. Analisis Perubahan Tegangan Masukan dan Duty Cycle Sinyal Switching Dari grafik pada Gambar 17 dapat dilihat bahwa kenaikan nilai Duty Cycle (D) menyebabkan kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) pada saat duty cycle (D) 20% s/d 80% namun mengalami penurunan pada saat duty cycle (D) 100% dengan perubahan tegangan keluaran (Vout) sebesar 64 V s/d 733 V dengan range perubahan tegangan keluaran (Vout) sekitar 20V s/d 733V untuk setiap perubahan 20% pada duty cycle (D). Sebagaimana terlihat pada eksperimen sebelumnya, nampak juga terlihat dalam Gambar 17, bahwa nilai tahanan beban mempengaruhi besarnya tegangan output. Semakin besar tahanan beban, maka semakin besar pula kecenderungan tegangan keluaran Vout. Dari gambar juga terlihat bahwa, tegangan keluaran jatuh pada titik nol ketika duty cycle diset penuh sebesar 100%. Tabel 7 memperlihatkan Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Duty Cycle (D) dan Tegangan Masukan (Vin) berubah-ubah. 733.47

800

V Out ( Volt)

700 600 500 300

253.64

Vin=100V

345.2

190.81

Vin=150V

248.08

200

169.78 127.89

128.14 85.601

100 64.692 0

Vin=50V

491.12

378.27

400

2.757 1.582

0.453 20

40

60

80

100

D(%)

Gambar 17. Grafik Tegangan Masukan (Vout) terhadap Tegangan Input (Vin) dan Duty Cycle (D) Variabel

Tabel 7. Tabel Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Duty Cycle (D) dan Tegangan Masukan (Vin) berubah-ubah D (%) 20 40 60 80 100

Vout (V) untuk Pin Pout Vin= (W) (W) 50V 64.692 4.4226 4.185 85.601 7.7043 7.328 127.89 17.1460 16.358 248.08 65.8970 61.560 453.04m 1.6308K 4.044m

Efisi η (%) 94.63 95.12 95.40 93.42 0.00

Vout (V) untuk Vin= 100V 128.14 169.78 345.20 491.12 1.5821

Pin (watt)

Pout (watt)

Efisi η (%)

17.03 16.420 96.42 29.839 28.827 96.61 209.31 127.940 61.12 255.85 241.260 94.29 6.5226K 17.73m 0.00

Vout (V) untuk Pin Pout Vin= (W) (W) 150V 190.81 38.15 36.408 253.64 66.23 64.340 378.27 147.37 143.110 733.47 5629.30 538.100 2.7572 14.674K 41.75m

Efisi η (%) 95.43 97.15 97.11 9.56 0.00

SIMPULAN 1. Pada kondisi nilai tegangan masukan (Vin), nilai tahanan beban (RL) dan nilai induktansi (L) yang berubahubah, tegangan keluaran (Vout) juga akan mengalami perubahan. Khusus untuk kasus tegangan masukan dan tahanan beban, perubahan ini praktis terjadi dalam aplikasi. Baterai yang mengalami penurunan muatan listrik yang telah terpakai oleh motor listrik akan mengalami penurunan tegangan bateri. Pada bateraibaterai tertentu, tegangan ini dapat mengalami penurunan yang signifikan yang dapat mempengaruhi kemampuannya untuk mencatu motor listrik. Oleh karena itu, konverter DC/DC ini harus mampu mempertahankan level tegangan baterai agar tetap mampu mendrive/mencatu motor listrik. Namun demikian perlu dicatat bahwa penemuan sistem bateri yang mampu mempertahankan level tegangan meskipun mengalamai penurunan muatan listrik, menyebabkan konverter DC/DC ini tidak lagi diperlukan. 2. Pada kondisi nilai tegangan masukan Vin sebesar 50V dan nilai tahanan beban (RL) yang berubah-ubah, maka untuk mempertahankan tegangan keluaran (Vout) sebesar 220V, maka duty cycle mesti diatur



ISBN : 978-979-127255-0-6


Geologi

Mesin


sedemikian rupa. Misalnya, pada saat tahanan beban (RL) sebesar 1 kΩ maka duty cycle (D) mesti diset sebesar 73%, saat tahanan beban (RL) 5 kΩ maka duty cycle (D) mesti diset sebesar 67%, dan pada saat tahanan beban (RL) sebesar 10 kΩ maka duty cycle (D) mesti diset sebesar 37%. Semakin besar tahanan beban, maka duty cycle mesti diatur semakin kecil agar tegangan keluaran yang diinginkan dapat dipertahankan. 3. Pada kondisi dimana nilai tegangan masukan (Vin) berubah-ubah, maka untuk mempertahankan tegangan keluaran (Vout) sebesar 220V, maka duty cycle mesti dikontrol sedemikian rupa. Misalnya ketika V in bernilai 50V maka duty cycle (D) mesti diset sebesar 73%, pada saat tegangan masukan Vin bernilai 100V maka duty cycle (D) mesti diset sebesar 45%, dan pada saat tegangan masukan Vin bernilai 150 V maka duty cycle (D) mesti diset sebesar 3%. Semakin kecil tegangan masukan, maka semakin besar duty cycle yang mesti diterapkan agar tegangan keluaran yang diinginkan dapat dipertahankan. 4. Efisiensi daya yang dihasilkan dari rangkaian konverter DC/DC step-up yang telah dirancang juga telah menunjukkan hasil yang sangat baik. Kecuali jika duty cycle diset penuh 100% atau pada kasus tertentu, efisiensi konverter dapat berkisar antara 80% hingga 98%, yang mana sebagian besar kasus menunjukkan efisiensi daya antara 90-98% atau berkisar 94-95%. Efisiensi ini dipengaruhi oleh pemilihan tipe komponen power switch yang digunakan. Disebabkan oleh power switch yang terletak paralel dengan beban, maka sebaiknya digunakan power switch yang memiliki arus drain-source yang relatif kecil, sehingga sebagian besar daya dapat ditransfer ke beban. Saran 1. Perancangan sistem kendali yang mampu mengendalikan konverter DC/DC tipe boost agar mampu mempertahankan tegangan keluarannya pada nilai tertentu yang diinginkan. Sistem kendali ini diharapkan mampu mempertahankan tegangan keluaran meskipun nilai beban (resistif, induktif, kapasitif) dan tegangan masukan berubah-ubah. 2. Pada penelitian selanjutnya, perilaku konverter DC/DC step-up untuk beban-beban (termasuk tipe beban) yang berubah secara dinamis dapat dilakukan. Pada penelitian awal, beban yang digunakan hanya berupa tahanan resistif murni. Pada tahap berikutnya, beban induktif dan kapasitif (termasuk kombinasi antara beban induktif, resistif, kapasitif) akan digunakan sesuai dengan kondisi praktis di lapangan. Motor listrik misalnya merupakan beban induktif berputar yang memiliki sifat-sifat yang berbeda dengan beban tahanan murni. 3. Salah satu bagian akhir keluaran yang diharapkan dapat dilakukan pada penelitian selanjutnya adalah perancangan prototipe perangkat keras sistem elektronis dari sistem kendali dan implementasinya pada aplikasi sistem baterai dan sistem penggerak utama mobil listrik.

DAFTAR PUSTAKA Electric Cars, News and Information about Electric Car and Electric Vehicle Technologies http://www.alternative-energy-news.info. Informasi diakses pada Agustus 2013. Electric Vehicle. http://blogs.cas.suffolk.edu. Informasi diakses Agustus 2013. S. Waffler and J.W. Kolar. “Comparative Evaluation of Soft-Switching Concepts for Bi-directional Buck+Boost Dc-Dc Converters”, The International Power Electronics Conference, 2010. Sébastien Mariéthoz, et al. Comparison of Hybrid Control Techniques for Buck and Boost DC-DC Converters, IEEE Trans. on Control System Technologies, vol. 18, no. 5, Sep. 2010, pages 1128-1145. F.M. Oettmeier. “MPC of Switching in a Boost Converter Using a Hybrid State Model With a Sliding Mode Observer”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 56, no. 9, Sep. 2009, pages 3453-3466. C. Sreekumar and V. Agarwal. “A Hybrid Control Algorithm for Voltage Regulation in DC–DC Boost Converter”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 55, no. 6, June 2008, pages 2530-2538. F.L. Luo and H. Ye. “Essential DC/DC Converters”, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2006. P. Gupta, and A. Patra. “Hybrid Mode-Switched Control of DC–DC Boost Converter Circuits”, IEEE Trans. on Circuits and Systems – II: Express Briefs, vol. 52, no. 11, Nov. 2005, pages 734-738. IXYS. “Datasheet Power MOSFET PolarHT TM seri 88N30P”, 2006.

ISBN : 978-979-127255-0-6



DC TIPE BOOST UNTUK APLIKASI MOBIL LISTRIK

Recommend Documents