sistem pengisianbaterai (sealed lead acid)sla

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