JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
1
Desain dan Implementasi Sistem Manajemen Pengisian Baterai dan Beban Pada Pembangkit Listrik Mandiri Menggunakan Synchronous Non-Inverting Buck-Boost DC-DC Converter 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 60111 E-mail:
[email protected]
I. PENDAHULUAN
E
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 CC dan CV.
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 Charging Baterai Lead-acid Multi-stage charging baterai lead-acid menggunakan tiga mode yaitu, bulk-charge, absorption charge, dan float charge. 1.2
2.5
1
2.4
0.8
A
B
C
2.3
0.6 0.4 0.2
2.2 Icharging Vcharging
0
2.1
VOLT/CELL [V]
Kata Kunci—Synchronous Non-Inverting Buck-Boost, MultiStage Charging Baterai Lead-acid, PI-controller, Manajemen baterai dan beban.
II. MANAJEMEN PENGISIAN BATERAI DAN BEBAN
AMPERE
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 (CC). Setelah itu, tegangan dijaga konstan pada mode constant-voltage (CV) 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 CV dan CC rangkaian SNIBB mampu menjaga tegangan dan arus charging sesuai set-point dengan perubahan tegangan input. Pada mode CC 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.
2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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 10% dari kapasitas 10Ah sampai SOC baterai 70% atau 2.4 V/cell.Mode
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
2
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 (C). 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 100% sampai digunakan lagi. C. 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 Hbridge. 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
Nilai
Tegangan output Tegangan input (MIN) Tegangan input (MAX) Arus beban Delta tegangan output Delta arus output Frekuensi switching
15V 0.5 V 300 V 4.5 A (max) 10% (450 mA) 0.4% (0.06V) 10 kHz
Pertama dihitung duty-cycle maka digunakan persamaan 3 dengan dua parameter tegangan input terbesar dan terkecil. [4] (4)
S1
S4
PWM BUCK
NOT
(5)
L
C
Vin S2
NOT
PWM BOOST
S3
R
(7)
Vout
(8) Perhitungan nilai induktor dipilih saat tegangan input maksimum yakni 3mH. Nilai kapasitor memperhatikan nilai komponen yang ada di pasaran, dipillih kapasitor 7700 µF. [5]
Gambar 3. Rangkaian SNIBB
S1
S4 L
Vin
S2
S4
S1
C
S3
Vout
R
C Vout
L
Vin
S2
S3 R
(a). Analisa switch tertutup
B. Desain PI-controller Digunakan dua parameter PI-controller yang berbeda untuk mengatur tegangan (CV) dan arus (CC). Pencarian konstanta dilakukan dengan tunning secara trial-error, sehingga diperoleh konstanta sebagai berikut: Tabel 2. Konstanta PI-controller SNIBB
(b). Analisa switch terbuka
Gambar 4. Analisa rangkaian SNIBB
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. Vin = 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 = Vout . Toff
(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] Vout =
(3)
Mode
Kp
Ki
CV CC
0.006 0.06
3 9
C. 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
SA
SB
A
OFF
OFF
B C D
OFF ON ON
ON OFF ON
Kondisi Sumber
Aksi
Batt
Load
OFF
OFF
OFF
-
OFF ON ON
ON ON ON
ON OFF ON
Dicharging Charging Parallel
D. Desain Simulasi Desain simulasi dengan parameter sesuai desain rangkaian SNIBB seperti gambar 5. Pada charging controller mengatur mode charging baterai lead-acid mode CC atau CV.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
Gambar 5. Desain simulasi
Ketika tegangan charging baterai dibawah 12.1V, menggunakan mode CV. Set-point CC diatur pada nilai 1A, sedangkan sinyal feedback PI-controllerdari Icharging baterai dengan nilai Kp adalah 0.06 dan Ki adalah 9. Set-point CV sebesar 13.1V dengan tegangan maksimum baterai adalah 13.06V. Sinyal feedback PI-controller dari Vout dengan nilai Kp adalah 0.006 dan Ki adalah 3. Sinyal duty-cycle yang terkontrol dari mode charging controller, selanjutnya diubah ke sinyal pwm dengan frekuensi sinyal carrier saw-tooth 10kHz. 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
3 Desain implementasi rangkaian SNIBB menggunakan empat MOSFET IRFP460 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 10-bit Analog to Digital Converter (ADC). 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 20W, sehingga arus maksimum yang dilalui adalah 4.47A. Tegangan dan arus yang terbaca sebagai referensi mode charging baterai CC/CV. PI-controller untuk CC mengolah sinyal error arus charging dengan set-point arus dengan Kp 0.006 dan Ki 9. Sedangkan CV mengolah sinyal error tegangan charging dengan set-point tegangan charging dengan Kp 0.06 dan Ki 3. Sinyal duty-cycle yang terkontrol diubah ke dalam satuan biner 10-bit pada timer1. Menggunakan dua fungsi timer1 yakni OCR1A dengan PORTD.5 sebagai output dari sinyal pwm buck. Sinyal pwm boost menggunakan fungsi OCR1B 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 DC menjadi sinyal AC pada sisi beban. Daya maksimum beban sebesar 300W. Berikut daftar komponen dan implementasi desain rangkaian SNIBB sebagai manajemen baterai dan beban. Tabel 4. Komponen rangkaian SNIBB Komponen
Nilai
MOSFET IRFP460 DRIVER MOSFET IR2111 INDUKTOR KAPASITOR Resistor (Volt) Resistor (Arus) Mikrokontroler INVERTER 1ph
600V/20A 600V 2.96 mH 7700uF 33kΩ 1Ω / 20W ATMega16 300W
BATTERY INVERTER 1ph LEAD-ACID LOAD 12V/5Ah
SNIBB SWITCH BATT/LOAD
Mikrokontroler LCD
Gambar 6.Desain implementasi Gambar7. Implementasi sistem
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
4
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 10 s.d 90% dengan tegangan input 10V. 90 80
Vin Vout
15V
0
70
Vin Vperhitungan Vsimulasi Vimplementasi
60 Volt
30V
50 40
Gambar 10.Pengujian implemenasi CV
Pengujian CV dilakukan tanpa beban untuk hasil tegangan output dibaca oleh oscilloscope seperti gambar 10. Hasil pengujian implementasi CV rangkaian SNIBB mampu menjaga tegangan ouput sesuai set-point.
30 20 10 0 0
10
20
30
40 50 60 Duty-Cycle [%]
70
80
90
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 80% dan 90% untuk error maksimum adalah 15%.
Gambar 11. Tegangan output simulasi CV dengan perubahan set-point
B. Pengujian Constant-Voltage Constant-voltage menjaga tegangan output sesuai set-point, untuk pengujian simulasi CV dengan set-point tegangan output 15V. Sedangkan tegangan input naik dari 7V sampai 22V. Pengaturan PI-controller dengan nilai Kp sebesar 0.006, sedangkan Ki sebesar 3.
Pengujian CV dengan perubahan set-point tegangan output 15V, 10V, dan 20V dengan tegangan input 15V. 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
30V
Vset-point 15V
15V
Vsp 20V Gambar 9. Pengujian simulasi CV dengan perubahan tegangan input
Dari pengujian simulasi CV diatas, rangkaian SNIBB mampu menjaga tegangan output sesuai set-point 15V. Saat tegangan input dibawah 15V, rangkaian SNIBB bekerja pada mode boost. Ketika tegangan input diatas set-point, rangkaian SNIBB bekerja pada mode buck. Pengujian implementasi CV dengan set-point 15V. Tegangan input bervariasi dari 1V sampai 30V, begitu juga sebaliknya.
0
Vsp 10V
Gambar 12.Pengujian implementasi CV dengan perubahan set-point
C. Pengujian Constant-Current Pengujian simulasi CC dengan set-point arus charging 1A.Baterai lead-acid5Ah dengan SOC 50%, sedangkan tegangan input naik dari 10V sampai 20V. Konstanta PIcontroller untuk Kp sebesar 0.06 dan Ki adalah 9.
5
AMPERE
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
B A Gambar 13. Simulasi CC dengan perubahan tegangan input.
Gambar 15.Pengujian simulasi CC dengan perubahan set-point arus charging
Pengujian simulasi CC mampu menjaga arus charging sesuai set-point 1A dengan perubahan tegangan input. Arus charging naik saat 0.04s (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 0.04s (B) terjadi proses discharing dari kapasitor dengan kapasitas sebesar 7700uF, setelah itu arus charging naik lagi menuju set-point.
Pengujian implementasi CC dengan perubahan set-point seperti gambar 16 dengan beban baterai lead-acid 5Ah. Rangkaian SNIBB mampu merespon perubahan set-point arus charging 1A, 0.5A, dan 1.5A.
2A
Vin
1A
Iset-point 1.5A
2A
0
15V
0
Icharging 1A
0
Gambar 14. Implementasi CC dengan perubahan tegangan input
Hasil pengujian implementasi CC dibaca oscilloscope dengan time/div 10s. Tegangan input 13V naik sampai 30V 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/20W dengan range channel.2 0.5 V/div. Konstanta proporsional dan integral mikrokontroler sama dengan simulasi. Dari hasil pengujian CC mampu menjaga arus charging sesuai set-point 1A. Pengujian simulasi CC dengan perubahan set-point seperti gambar 15. Rangkaian SNIBB mampu merespon perubahan set-point dengan set-point arus charging 1A, 0.5A, dan 1.5A dengan setling-time 0.04s untuk mencapai steady-state.
Gambar 16.Pengujian implementasi CC dengan perubahan set-point arus
D. Pengujian Charging Baterai Pengujian multi-stage charging baterai lead-acid dengan kapasitas 5Ah. Mode charging baterai lead-acid menggunakan mode CC dan CV. Pengujian dilakukan baik simulasi maupun implementasi. 1.3
13
1.1 0.9
12 VOLT
1A
Iset-point0.5A
0.7 11 10
0.5 Vbattery Icharging
9
AMPERE
30V
Iset-point 1A
0.3 0.1 -0.1
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 SOC [%] Gambar 17.Pengujian simulasi charging baterai lead-acid.
Pengujian simulasi charging baterai lead-acid berdasarkan SOC baterai. CC digunakan saat SOC dibawah 70%. Arus charging dijaga konstan 1.25A atau 25% kapasitas baterai, sedangkan tegangan baterai naik sampai 12.16V. Mode CV
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
6
dengan set-point tegangan charging 13.1V. Tegangan dijaga konstan sedangkan arus charging turun. Ketika baterai mendekati maksimum, arus charging drop menjadi 0.05A 2.5 14.5 Icharging A I charging B Vcharging A Vcharging B
1.5 1
14 13.5 13
0.5
VOLT
AMPERE
2
Icharging sebesar 0.82A. Nilai Iload tidak bisa ditampilkan karena kendala konversi dari arus ke tegangan yang dibaca oscilloscope. Pembacaan ampere meter digital sebesar 1.02 A, sehingga arus discharging baterai sebesar 0.2A. 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 1.09A. Sistem mampu mengatur proses charging-discharging baterai dan paralel antara sumberbaterai-beban.
12.5
0
12 0
1
2
3 4 5 TIME [hours]
6
7
8
Gambar18. Implementasi charging baterai dengan set-point 1A dan 2A.
Pengujian implementasi charging baterai lead-acid 12V/5Ah dilakukan dengan dua set-point arus CC yakni 1A dan 2A. Saat chargingA untuk set-point CC 1A (Icharging A) atau 20% kapasitas baterai 5Ah. Tegangan charging (Vcharging A) naik dari 12.11V saat SOC baterai 10% [6] menjadi 14.4V selama 3jam pengisian. Setelah itu, menggunakan mode CV pada 14.4V selama 4jam. Saat arus charging 0.25A, menggunakan float-charge dengan set-point tegangan charging 13.5V. Saat set-point arus charging 2A (Icharging B) atau 40% dari kapasitas baterai. Tegangan charging baterai (Vcharging B) naik dari 12.4V menjadi 14.4V selama 75 menit. Setelah itu mode CV 14.4V digunakan selama 4jam, sedangkan mode float-charge ketika arus charging 0.25A. Kenaikan set-point arus charging saat mode CC 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. 30V
15V
Icharging Vout Vload A
B
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 (CC/CV) dengan perubahan tegangan input dan set-point. Ketika set-point arus charging CC 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]
[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
J. K. Shiau, and C. J. Cheng, “Design of a non-inverting synchronous buck-boost DC/DC power converter with moderate power level,” Robotics and Computer Integrated Manufacturing, vol. 26, no. 3, pp. 263-267, June 2010. LabVolt, “Lead-acid Batteries”,2010 Gaboriault, Mark, “A High Efficiency, Non-Inverting, Buck-Boost DCDC Converter” Allegro MicroSystems 115 Northeast Cutoff Worcester, MA 01606 USA AN2390, “A flexible universal battery charger,” STMicroelectronics,2007. Gang Ye, Xiaoming Chen, Mingjian Bo, Yang Xiang, Zhou chao, “The Design of Charging Device in Stand-alone Photovoltaic System”. Yangtze University. 978-1-4577-0547-2/12/ ©2012 IEEE. KAZIMIERCZUK, MARIAN K. “Pulse-width Modulated DC–DC Power Converters,” Wiley,Ohio, 2008. Perez , Richard, “Lead-acid Battery State of Charge vs.Voltage”,1993. Rashid, Muhammad H, “Power Electronics Handbook Third Edition,” Elsevier.Inc, Florida, 2011.
1A
C
PESAN PENULIS
D
0
0.5 A
0
Gambar 19.Pengujian manajemen charging baterai dan beban.
Kondisi A saat kedua switch OFF, sedangkan kondisi B saat mode charging baterai dengan float charge CV 13.5V dengan arus 0.61A. Kondisi C saat rangkaian SNIBB paralel dengan baterai dan beban 13W, sedangkan yang terbaca hanya
Maula Nurul Khakam A.Md. menyelesaikan program D3 Teknik Elektronika PENS-ITS pada tahun 2010. 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 2010 genap, LAB KE B-102 dan Lab Elind B-402.Khususnya kepada Bapak Profesor Ashari dan Bapak Heri Suryoatmojo yang telah membimbing penulis menyelesaikan tugas akhir ini.
