jurnal teknik pomits vol. 1, no. 1, (2013) 1-6 desain dan

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

1

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.

Kata Kunci—Synchronous Non-Inverting Buck-Boost, Multi-

Stage Charging Baterai Lead-acid, PI-controller, Manajemen

baterai dan beban.

I. PENDAHULUAN

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.

II. MANAJEMEN PENGISIAN BATERAI DAN BEBAN

A. Sistem Keseluruhan

Rangkaian SNIBB mengatur tegangan dan arus output sesuai

mode charging baterai lead-acid yang menggunakan multi-

stage 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.

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

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]

E

Gambar. 2. Multi-stage charging baterai lead-acid [2]

2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

VO

LT/C

ELL

[V]

AM

PER

E

TIME [hours]

Icharging

Vcharging

Gambar. 1. Manajemen pengisian baterai dan beban

A B C


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 H-

bridge. 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]

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)

III. DESAIN SIMULASI DAN IMPLEMENTASI

A. Desain Rangkaian SNIBB

Desain rangkaian SNIBB seperti gambar 3 menggunakan

parameter sebagai berikut.

Pertama dihitung duty-cycle maka digunakan persamaan 3

dengan dua parameter tegangan input terbesar dan terkecil. [4]

(4)

(5)

(7)

(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]

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:

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.

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.

Tabel 3.

Konfigurasi manajemen pengisian baterai dan beban

Mode Kondisi

Aksi SA SB Sumber Batt Load

A OFF OFF OFF OFF OFF -

B OFF ON OFF ON ON Dicharging

C ON OFF ON ON OFF Charging

D ON ON ON ON ON Parallel

Tabel 2.

Konstanta PI-controller SNIBB

Mode Kp Ki

CV 0.006 3

CC 0.06 9

Tabel 1.

Parameter rangkaian SNIBB

Parameter Nilai

Tegangan output 15V

Tegangan input (MIN) 0.5 V

Tegangan input (MAX) 300 V

Arus beban 4.5 A (max)

Delta tegangan output 10% (450 mA)

Delta arus output 0.4% (0.06V)

Frekuensi switching 10 kHz

L C

R

S1

Vout

S2 S3

S4

VinL

C

R

S1

Vout

S2 S3

S4

Vin

(a). Analisa switch tertutup (b). Analisa switch terbuka

Gambar 4. Analisa rangkaian SNIBB

Vin

LC

R

PWM

BUCK

S1

Vout

S2

PWM

BOOSTS3

S4 NOT

NOT

Gambar 3. Rangkaian SNIBB


3

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

Gambar 6.Desain implementasi

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.

Gambar7. Implementasi sistem

Tabel 4.

Komponen rangkaian SNIBB

Komponen Nilai

MOSFET IRFP460 600V/20A

DRIVER MOSFET IR2111 600V

INDUKTOR 2.96 mH

KAPASITOR 7700uF

Resistor (Volt) 33kΩ

Resistor (Arus) 1Ω / 20W

Mikrokontroler ATMega16

INVERTER 1ph 300W

Gambar 5. Desain simulasi

Mikrokontroler

LCD

SWITCH

BATT/LOAD

BATTERY

LEAD-ACID

12V/5Ah

INVERTER 1ph

LOAD

SNIBB


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.

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%.

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.

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.

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.

Gambar 11. Tegangan output simulasi CV dengan perubahan set-point

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

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 PI-

controller untuk Kp sebesar 0.06 dan Ki adalah 9.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Vo

lt

Duty-Cycle [%]

Vin

Vperhitungan

Vsimulasi

Vimplementasi

Gambar 9. Pengujian simulasi CV dengan perubahan tegangan input

30V

15V

0

Vout

Vin

30V

15V

0 Vsp 10V

Vset-point 15V

Vsp 20V


5

Gambar 13. Simulasi CC dengan perubahan tegangan input.

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.

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 15.Pengujian simulasi CC dengan perubahan set-point arus charging

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.

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.

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

-0.1

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

1.1

1.3

9

10

11

12

13

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

AM

PER

E

VO

LT

SOC [%]

Vbattery

Icharging

30V

15V

0

AM

PE

RE

A

B

Icharging 1A

Vin

Iset-point 1A

Iset-point0.5A

Iset-point 1.5A

1A

2A

0

2A

1A

0


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

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.

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

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 sumber-

baterai-beban.

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] 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.

[2] LabVolt, “Lead-acid Batteries”,2010

[3] Gaboriault, Mark, “A High Efficiency, Non-Inverting, Buck-Boost DC-

DC Converter” Allegro MicroSystems 115 Northeast Cutoff Worcester,

MA 01606 USA

[4] AN2390, “A flexible universal battery charger,”

STMicroelectronics,2007.

[5] 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.

[6] KAZIMIERCZUK, MARIAN K. “Pulse-width Modulated DC–DC

Power Converters,” Wiley,Ohio, 2008.

[7] Perez , Richard, “Lead-acid Battery State of Charge vs.Voltage”,1993.

[8] Rashid, Muhammad H, “Power Electronics Handbook Third Edition,”

Elsevier.Inc, Florida, 2011.

PESAN PENULIS

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.

12

12.5

13

13.5

14

14.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

VO

LT

AM

PER

E

TIME [hours]

Icharging A

I charging B

Vcharging A

Vcharging B

30V

15V

0

1A

0.5 A

0

Icharging Vout Vload

A B

C

D

jurnal teknik pomits vol. 1, no. 1, (2013) 1-6 desain dan

Documents