SISTEM PENGISIANBATERAI (SEALED LEAD ACID)SLA MENGGUNAKAN INTERLEAVED BUCK CONVERTERDENGAN KAPASITOR KOPLING BERBASIS MIKROKONTROLER

Prosiding SENTIA 2016 – Politeknik Negeri Malang Volume 8 – ISSN: 2085-2347

SISTEM PENGISIANBATERAI (SEALED LEAD ACID)SLA MENGGUNAKAN INTERLEAVED BUCK CONVERTERDENGAN KAPASITOR KOPLING BERBASIS MIKROKONTROLER Eka Prassetyono1, Achmad Haidir Ali Fathani2, Novie Ayub Windarko3 Departemen Teknik Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya 1 [email protected], [email protected]

Abstract Sealed Lead Acid (SLA) Battery is one of commercial battery types widely used in the world. This battery type is very familiar because free maintenance and simple charging method, such as constant voltage or constant current and combination of both methods to obtain the appropriate charging current standards. In addition, charging power converter topologies to obtain high efficiency is also an option. This paper discusses SLA battery charging system with a combination of constant current and constant voltage using Interleaved Buck DCDC Converter (IBC) with a coupling capacitorpower converters. This converter has a large step down voltage conversion ratio, small ripple of currents and voltages and have a high efficiency.PWM control and charging mode selectionATmega16 microcontroller is used as the control system. The experimental results for charging a 12V/17Ah battery showedthe charging system with a combination of constant current and constant voltage worked properly. Maximum voltage of converter for charging was14.3V at 2Acharging current, 4% ripple of current,2% ripple of voltage. Converter efficiency has reached 90.6%. Keywords: SLA Battery, Interleaved Buck Converter with capacitor coupling, Microcontroller

1.

isolated DC-DC converterLin et al (2013).Selain mudah dalam implementasi, parameter lain yang menjadi acuan dalam pemilihan DC-DC converter adalah efisiensi yang tinggi dan ripple arus yang rendah, maka parapeneliti telah banyak mengembangkan jenis DC-DC converter interleavedKanta (2014).

Pendahuluan

Rechargeable baterai adalah sebuah alat yang secara luas digunakan untuk menyimpan energi listrik yang aman dan efisien dalam kapasitas tertentuKoutroulis & Kalaitzakis, K. (2004); Ruetschi(1993).Rechargeable baterai komersial yang umum digunakan oleh masyarakat memiliki banyak jenis, salah satu jenis rechargeable baterai komersial adalah SLA Pistoiaet al(2001). Baterai SLA lebih efisien bila dibandingkan dengan baterai Lithium-ionAnuphappharadornet al (2014); sehingga penggunaan baterai SLA sangat banyak dijumpai dimasyarakat. Dengan alasan ini maka pada makalah rechargeable baterai yang digunakan adalah baterai SLA.

Jenis DC-DC converter interleavedcukup banyak variasi rangkaiannya, dimana masingmasing memiliki kelebihan dan kekurangan yang bebeda. Pada makalah ini topologi DC-DC converter yang digunakanadalah rangkaian DC-DC InterleavedBuck Converter(IBC) dengan Kapasitor Kopling. Dimana rangkaian ini memiliki fungsi yang sama dengan rangkaian seperti DC-DC Buck converter tipe konvensional yaitu untuk menurunkan tegangan dengan kapasitas daya yang relatif kecil. Akan tetapi, rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling dapat digunakan untuk aplikasi dengan tegangan input yang tinggi dan memiliki rasio konversi penurunan tegangan DC yang tinggi, memiliki ripple arus yang lebih rendah serta efisiensi yang tinggi.

Metode pengisian baterai SLA tergantung pada aplikasi penggunaan baterai. Aplikasi baterai secara garis besar diklasifikasikan menjadi sumber utama dayadan stand-by/back-up daya. Dalam aplikasi baterai sebagai sumber utama daya proses pengisian yang biasa digunakan adalah jenis arus konstan, tegangan konstan dan modifikasi metode pengisian tegangan konstan Linden et al (2002).

2. Pengisian Baterai 2.1 Baterai SLA

Apabila ditinjau dari topologi perangkat DC-DC konverter daya untuk pengisian baterai dapat diklasifikasikan dalam dua kategori yaitunonisolated dan isolated. Non-isolated DC-DC converter memiliki rangkaian yang sederhana danmudah diimplemetasikan dibandingkan dengan

Proses pengisian baterai SLA adalah proses yang mudah, sejumlah metode pengisian baterai SLA telah dikembangkan untuk memperoleh standar aturan pengisian yang tepat. Metode

B-59


pengisian baterai SLA secara umum dikenal sebagai arus konstan, tegangan konstan, modifikasi konstan tegangan, pengisian floating, dan pengisian trickleLinden et al (2002).Karakteristik metode pengisian baterai SLA dapat dilihat pada Gambar 1Morgan (2014). Metode pengisian baterai dengan arus konstan adalah proses pengisian baterai dengan menjaga besarnya arus pengisian tetap atau konstan dalam jangka waktu tertentu. Pengisian baterai dengan arus konstan, besarnya nilai arus pengisian dapat diatur mulai dari nilai yang rendah, biasanya kurang dari 10% dari kapasitas atau 0.1C untuk jenis pengisian lambat dan 30% - 40% dari kapasitas atau 0.3C untuk jenis pengisian cepat. Metode pengisian baterai dengan arus konstan umumnya digunakan untuk pengisian baterai diawal proses pengisian dengan waktu yang singkat Linden et al (2002); Morgan (2014).

State of Charge (%)

Terminal Voltage (V)

State of Charge (%)

Terminal Voltage (V)

100 90 80 70 60

12.73 12.62 12.50 12.37 12.24

50 40 30 20 10

12.10 11.96 11.81 11.66 11.51

Untuk state of charge dalam kondisi under charge dan under discharge, nilai tegangan terminal baterai sangat dipengaruhi oleh besarnya arus pengisian maupun arus penggunaan. Nilai tegangan terminal baterai untuk kondisi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2 Perez(1993).

Gambar 1.Karakteristik metode pengisian baterai SLA.

Metode pengisian baterai tegangan konstan adalah proses pengisian baterai dengan tegangan tetap atau konstanselama waktu tertentu. Metode pengisian jenis ini lebih banyak dipakai dari pada jenis arus konstan, kelemahan dari metode ini ketika kondisi baterai habis, maka arus awal pengisian dapat mencapai nilai yang lebih tinggi melebihi arus maksimum yang ditentukan oleh produsen baterai Morgan (2014).Untuk alasan ini, pengisian baterai dengan tegangan konstan tidak direkomendasikan digunakan untuk mengisi baterai SLA.

Gambar 2.State of charge baterai 12V dalam kondisi under charge dan under discharge.

2.2 DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling Rangkaian DC-DC IBCdengan kapasitor koplingmerupakan gabungan dari dua buah buck converter yang dihubungkan dengan Kapasitor Kopling. Skema dasar dari rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling hampir sama dengan rangkaian DC-DC IBC tipeKonvensional namun dua buah switch atau saklar aktif-nya dihubungkan secara seri. Dalam penyalaannya, dua buah switch atau saklar aktif tersebut memiliki pergeseran sudut sebesar 180o. Tegangan outputnya ditentukan dengan mengatur nilai duty cycle pada frekuensi switching.

Sedangkan untuk pengisian floating, dan pengisian trickle adalah metode yang digunakan untuk mengisi baterai ketika sudah penuh dan digunakan untuk menjaga agar level baterai selalu dalam kondisi penuhMorgan (2014). Untuk mengetahui kondisi level dalam keadaan baterai sudah penuh atau belum (State of Charge) dapat dilihat melalui tengan terminal baterai baik itu pada saat sedang dalam proses pengisian (under charge), sedang digunakan (under discharge) maupun dalam kondisi stand-by (open circuit)Jorgustin (2016); Perez(1993).Untuk state of chargedalam kondisi stand-by dapat dilihat pada Tabel 1 Jorgustin (2016).

Analisis kondisi tunak / steady state bisa didapatkan dengan menganalisis rangkaian pada saat switch terbuka dan pada saat switch tertutupLakshmi(2014). Pada rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling terdapat 4 mode switch / mode operasi dalam 1 periode dengan duty cycle (D) < 50% sebagai berikut.

Tabel 1. State of Charge baterai SLA12V

B-60


……………….(6) Mode Operasi 4 Mode ini dimulai ketika switch 2 (Q2) terbuka dan switch 1 (Q1) masih tetap dalam keadaan terbuka. Mode ini memiliki prinsip kerja yang sama dengan mode operasi 2 seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya Gambar 2 (b), maka besarnya arus induktor 1 (L1) dan induktor 2 (L2) sama seperti pada mode operasi 2.

(a)

IBC dengan kapasitor kopling memiliki duty cycle(D) dan rasio konversi penurunan tegangan (M) ditentukan dengan menggunakan persamaan (7), dimana Vo adalah besarnya tegangan output dan Vs besarnya tegangan input. (b)

VO D = VS 2

……………….(7) Nilai induktansi (L) yang digunakan ditentukan dengan menggunakan Persamaan (8) berikut ini. M=

 VS  -VO  D  2   L1 = L 2  iL1( t ) . f

……………….(8)

Nilai kapasitor keluaran (Co) ditentukan dengan menggunakan Persamaan (9) sebagai berikut: (c) Gambar 3. Mode operasi rangkaian DC-DC IBC ketika D <50%. (a) Mode 1. (b) Mode 2 dan 4. (c) Mode 3.

CO =

VS -VCB -VO (DT) L1 -V Δi L2(t discharge) = O (1-D)T L2

……………….(9)

Nilai kapasitor kopling (CB) ditentukan dengan menggunakan persamaan (10)

Mode operasi 1 Mode ini dimulai ketika switch 1 (Q1) tertutup sedangkan switch 2 (Q2) terbuka sebagaimana ditunjukkan seperti pada Gambar 2 (a). Besarnya arus induktor 1 (L1) dan induktor 2 (L2) dapat dihitung melalui persamaan (1) dan (2) sebagai berikut : Δi L1(t charge) =

D.  0,5 VS -VO  4.ΔVCO .L. f 2

CB =

i O .D 2.ΔVCB . f

……………….(10)

3. Desain dan Metode Kontrol Blok diagram sistem pengisian baterai SLA yang digunakan pada makalah ini dapat dilihat pada Gambar 4.

……………….(1) ……………….(2)

IBC dengan Kapsitor Kopling

Mode Operasi 2 Mode ini dimulai ketika switch 1 (Q1) terbuka dan switch 2 (Q2) masih tetap dalam keadaan terbuka sebagaimana ditunjukkan seperti pada Gambar 2(b). Besarnya arus induktor 1 (L1) dan induktor 2 (L2) dapat dihitung melalui persamaan (3) dan (4).

Sesor Arus

220V/ 70V 220V/ 50Hz

MOSFET Driver

MOSFET Driver

Sesor Tegangan

PWM θ+00

PWM θ+1800

ADC

Baterai SLA ADC

Mikrokontroler

-V Δi L1(t discharge) = O (1-D)T ……………….(3) L1 -VO Δi L2(t discharge) = (1-D)T ……………….(4) L2

ATMega 16

Gambar 4. Blok diagram sistem Sumbe listrik sistem diambil dari jala-jala 220V/50Hz, kemudian tengangan diturunkan oleh trnsformator menjadi 70V/50Hz. Untuk mendapatkan tegangan DC digunakan rectifier full bridge dengan filter kapasitor, IBC conveter dikontrol oleh dua PWM dengan beda fase 1800, feedback dalam sistem berupa arus dan tegangan.

Mode Operasi 3 Mode ini dimulai ketika switch 2 (Q2) tertutup sedangkan switch 1 (Q1) masih tetap terbuka sebagaimana ditunjukkan seperti pada Gambar 2(c). Besarnya arus induktor 1 (L1) dan induktor 2 (L2) dapat dihitung melalui persamaan (5) dan (6). ……………….(5) -V Δi L1(t discharge) = O (1-D)T V L-V 1

Δi L2(t charge) =

CB

L2

O

(DT)

Parameter IBC dengan kapasitor kopling yang digunakan dalam makalah ini untuk pengisian

B-61


40 41 45 50

baterai SLA 12V 17Ah dengan arus pengisian slow chargingseperti Tabel 2 berikut ini.

70 Volt 14.3 Volt 0.204 2 Ampere 28.8 Watt 35 % 0.75 % 0.1 % 330 µH 220 µF 22 µF 40KHz

D (%) 10 15 20 25 30 35 40 41 45 50

Start Mengukur Arus (Ì) dan Tegangan (ù)

Y

Ì < 2A

Duty Cycle ++

SoC < 85%

N

1.90 2.00 2.30 2.50

29.66 30.65 41.07 49.81

25.46 27.78 35.19 43.38

85.84 90.64 85.68 87.09

Vin (Volt) 66.3 61.1 58.8 55.6 53.9 52.6 51.2 51.1 50.1 48.8

Iin (A) 0.2 0.4 0.8 1.2 1.5 1.7 2.1 2.3 2.7 3.5

Vout teori (Volt) 5.98 8.78 13.16 16.21 19.51 22.75 25.85 26.04 29.80 32.21

Vout (Volt) 7.0 10.5 14.0 17.5 21.0 24.5 28.0 28.7 31.5 35.0

Iout (A) 0.8 1.2 1.9 2.2 2.6 3.1 3.4 3.6 3.8 4.3

Pin (W) 13.26 24.44 47.04 66.72 80.85 89.42 107.5 117.5 135.3 170.8

Pout (W) 4.78 10.54 25.0 35.66 50.73 70.52 87.89 93.74 113.2 138.5

η (%) 36.0 43.1 53.1 53.4 62.7 78.9 81.8 79.8 83.7 82.9

N

ù < 14.4V

Duty Cycle ++

Sedangkan untuk pengujian sistem secara closed-loop, pengujian dilakukan pada baterai SLA 12V /17Ah dengan tegangan terminal baterai pada awal pengisian sebesar13.1Volt(SoC under charge40%,mengacu Gambar 2 untuk katgori pengisian C/10). Arus maksimal charging adalah 2 A. Tabel 5 berikut ini merupakan data pengujian proses pengisian baterai selama 135 menit (2 jam 15 menit). Pada makalah ini yang dipilih adalah jenis kombinasi konstan arus untuk pengisian awal, kemudian proses pengisian dilanjutkan dengan tegangan konstan.

Duty Cycle --

Stop

Gambar 5. Flow chart sistem kontrol 4. Hasil Ekperimen Pada pengujian open-loop IBC dengan kapasitor koplingdilakukan untuk mengetahui karakteristik converter terhadap perubahan duty cycle. Percobaan dilakukan dengan mengatur duty cycle dari 10% samapi 50% sesuai kondisi converter yang dilakukan pada kondisi tunak, sehingga diperoleh tegangan ouput untuk setiap perubahan duty cycle dan nilai efisiensinya. Hasil pengujian rangkaian IBC ditunjukkan pada Tabel 3 sebagai berikut.

Tabel 5.Hasil pengujian pengisian baterai.

Tabel 3.Hasil pengujian Interleaved Buck Converter (IBC) terhadap perubahan Duty Cycle D Vin (%) (Volt) 10 66.4 15 65.5

Iin (A) 0.02 0.08

Vout teori (Volt) 2.62 4.80

Vout (Volt) 3.50 5.25

Iout (A) 0.40 0.79

Pin (W) 1.33 5.24

Pout (W) 1.05 3.79

η (%)

20 25 30 35

0.14 0.20 0.27 0.35

6.78 8.73 10.14 11.58

7.00 8.75 10.50 12.25

1.10 1.30 1.50 1.70

9.06 12.86 17.23 22.08

7.46 11.35 15.21 19.69

82.34 88.26 88.28 89.18

64.7 64.3 63.8 63.1

14.00 14.35 15.75 17.50

N

Y

Duty Cycle --

13.40 13.89 15.30 17.35

Tabel 4. Hasil Pengujian Prototype DC-DC Buck Converter Terhadap Perubahan Duty Cycle

Algoritma kontrol yang diterapkan dalam proses pengisian baterai SLA dapat dilihat pada flow chartGambar 5 berikut ini.

Y

0.48 0.50 0.68 0.84

Untuk mengetahui keunggulan IBC dengan kapasitor kopling, maka sebagai pembanding dilakukan juga pengujian terhadap prototype rangkaian DC-DC Buck Converter terhadap perubahan duty cycle dengan parameter yang sama. Hasil pengujian prototype rangkaian DC-DC Buck Converter terhadap perubahan duty cycle ditunjukkan pada Tabel 4 sebagai berikut.

Tabel 2. Paramater IBC Tegangan input (Vin) Tegangan output (Vout) Rasio konversi penurunan tegangan (M) Arus output (Iout) Daya maksimum (Pmax) Ripple arus induktor (ΔiL) Ripple tegangan kapasitor kopling (ΔVCB) Ripple tegangan kapasitor keluaran (ΔVCO) Induktor (L1 dan L2) Kapasitor Keluaran (CO) Kapasitor Kopling (CB) Frekwensi switching

61.8 61.3 60.4 59.3

78.95 72.37

B-62

Waktu (menit)

VO (Volt)

IO (Ampere)

D (%)

Tipe pengisian

0 5 10 15 20 25 30

13.1 13.4 13.5 13.5 13.7 13.9 14.1

1.71 1.92 2.10 2.01 1.91 2.23 2.12

36 36 37 37 38 39 40

Arus konstan

35

14.2

1.92

41

40

14.2

1.86

41

45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

14.1 14.0 14.2 14.1 14.1 14.2 14.0 14.3 14.2 14.0 14.1

1.68 1.62 1.56 1.51 1.36 1.29 1.26 1.22 1.15 1.13 1.07

40 39 41 40 40 41 39 42 41 39 40

Tegangan Konstan


Waktu (menit)

VO (Volt)

IO (Ampere)

D (%)

100 105 110 115 120 125 130 135

14.0 14.2 14.1 14.0 14.2 14.0 14.1 14.1

1.03 0.98 0.85 0.78 0.73 0.66 0.62 0.57

39 41 40 39 41 39 40 40

5.

Tipe pengisian

Kesimpulan dan Saran

Hasil percobaan untuk pengisian baterai 12V 17Ah kombinasi konstan arus dan konstan tegangan dengan konverter daya DC-DC Interleaved Buck Converter (IBC) dengan kapasitor kopling mampu menurunkan tengan sesuai desain rasio konversi penurunan tegangan 0.204. Mikrokontroler ATMega16 sebagai sistem kontrol mampu melakukan kontrol dengan baik terhadap IBC dengan kapasitor kopling, dimana sistem pengisian baterai dengan kombinasi konstan arus dan konstan tegangan sesuai dengan desain.Tegangan maksimalpengisiansebesar 14.3V dan arus pengisian 2A, dengan ripple arus 4%, ripple tegangan 2% dan memiliki efisiensi mencapai 90.64%.

Secara grafik pengujian pengisian baterai SLA dapat dilihat pada Gambar 5 berikut ini.

Daftar Pustaka: Anuphappharadorn, Suratsawadee., Sukchai, Sukruedee., Sirisamphanwong, Chatchai., Ketjoy,Nipon. (2014): Comparison the Economic Analysis of the Battery between Lithium-ion and Lead-acid in PV Stand-alone Application,Energy Procedia, Volume 56, 2014, pp 352358. Jorgustin, Ken.(2016):Battery State-Of-Charge For Voltage & Specific Gravity, diakses dari http://modernsurvivalblog.com/alternative-energy/batterystate-of-charge-chart/, pada tanggal 10 Februari 2016.

Gambar 5.Hasil pengujian pengisian baterai.

Sedangkan untuk mengetahui ripple arus dan ripple tengangan pada proses pengisian baterai, pengujian diamati menggunakan Oscilloscope YOKOGAWA DL850. Besarnya ripple arus output konverter sebesar 4% dapat dilihat pada Gambar 6. Untuk ripple tegangan sebesar 2% dapat dilihat pada Gambar 7.

Kanta,Saowanee., Plangklang, Boonyang., Subsingha,Wanchai. (2014):Design of a Bi-directional DC-DC 4 phase Interleave converter forPV applications, Energy Procedia 56, 2014, pp. 604 – 609 Koutroulis, E. & Kalaitzakis,K. (2004): Novel battery charging regulation system for photovoltaic applications. IEE Proc.Electr. Power Appl., Vol. 151, No. 2, 2004. Lakshmi, D., Zabiullah,S., Gopal, Venu.(2014):Improved Step Down Conversion in Interleaved Buck Converter and Low Switching Losses, International Journal Of Engineering And Science Vol. 4 Issue 3(March 2014). Lin, C.-C., Yang, L.-S., Wu, G.W. (2013):Study of a nonisolated bidirectional DC–DC converter, IET Power Electronics, 2013, Vol. 6, Iss. 1, pp. 30-37. Linden, David, and Reddy, Thomas B. (2002):Handbook of Batteries, 3d ed. New York:McGraw-Hill, 2002, ISBN 007-135978-8. Morgan,Tony. (2014):Guide to charging Sealed Lead Acid batteries.,Silvertel. 2014. Perez,Richard. (1993):Lead-Acid Battery State of Charge, Home Power 36, 1993, pp. 66-70.

Gambar 6.Gelombang arus output konverter

Pistoia, G., Wiaux, J.-P., Wolsky,S.P. (2001): Appendix A Most common types of commercial batteries, Hand book of Used Battery Collection and Recycling, Industrial Chemistry Library,Volume 10, Elsevier, 2001, pp 329-339. Ruetschi, Paul.(1993):Energy storage and the environment: the role of battery technology,Journal of Power Sources, Volume 42, Issues 1–2, 29 January 1993, Pp 1-7

Gambar 7.Gelombang tegangan output converter

B-63

SISTEM PENGISIANBATERAI (SEALED LEAD ACID)SLA MENGGUNAKAN INTERLEAVED BUCK CONVERTERDENGAN KAPASITOR KOPLING BERBASIS MIKROKONTROLER

Recommend Documents