PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: KONTROL MANAJEMEN BATERAI BIDIRECTIONAL (DC-DC CONVERTER)

(1)

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH

DC: KONTROL MANAJEMEN BATERAI

BI-DIRECTIONAL

₍

DC-DC CONVERTER

₎

TUGAS AKHIR

Disusun Oleh :

SAMUDI

NIM: 201010130311192

JURUSAN ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

(2)

ii

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC:

KONTROL MANAJEMEN BATERAI

BI-DIRECTIONAL

₍

DC-DC CONVERTER

₎

TUGAS AKHIR

Diajukan kepada

Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan

Akademik dalam Menyelesaikan Program Sarjana (S-1) Teknik

Disusun Oleh :

SAMUDI

NIM: 201010130311192

JURUSAN ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

(3)

(4)

(5)

v

(6)

vi ABSTRAKSI

Abstrak-_{Manajemen baterai dan beban pada proyek DC House ini} mengatur charging dan discharging baterai.. Tugas akhir ini membahas perancangan dan pembuatan Rumah DC: Kontrol Manajemen Baterai Bi-directional (DC-DC Converter) menggunakan topologi buck dan boost konverter dengan menggunakan dua buat Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) untuk mengatur switching dari rangkaian buck dan boost konverter. Pengaturan charging dan discharging baterai dan beban menggunakan tiga buah relay dengan parameter sumber daya listrik, kapasitas baterai dan beban. Pengujian menggunakan implementasi buck dan boost konverter menggunakan mikronkontroller Atmega8535 dengan Pulse With Modulation (PWM) sebagai driver penyulutnya.Tujuan dari tugas akhir ini adalah perancangan, pembuatan serta Memahami konsep perancangan dan aplikasi dari pembuatan system Battery Charge, yang sumbernya berasal dari input (MISO) sebagai sumber energy untuk pengisian accu yang diaplikasikan sebagai suplay energy untuk mensuplai beban 150 Watt.

(7)

vii ABSTRACT

Abstract-_{Battery management and load on the DC House project is} set charging and discharging of the battery .This thesis discusses the design and manufacturing of House DC: Battery Management Control Bi-directional (DC-DC Converter) using buck and boost converter topologies using two for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) to regulate the switching of the circuit buck and boost converter. Setting charging and discharging of the battery and the load uses three relays with the parameters of the power source, the battery capacity and load. Tests using implementations buck and boost converter using mikronkontroller Atmega8535 with Pulse With Modulation (PWM) as a drivers input.The aim of this thesis is the design, manufacture and understand the concept of the design and application of the manufacturing system Battery Charge, which is derived from the input source (MISO) as a source of energy for charging batteries which is applied as a supply of energy to supply the load 150 Watt.

(8)

viii KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Wr. Wb.

Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah mencurahkan kasih dan sayang kepada hambaNya sehingga tugas akhir yang berjudul “PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: KONTROL MANAJEMEN BATERAI BI-DIRECTIONAL ₍DC-DC CONVERTER₎” dapat terselesaikan yang digunakan sebagai salah satu persyaratan untuk meraih gelar sarjana S-1.

Banyak sekali pihak yang telah membantu penulis sehingga tugas akhir ini dapat diselesaikan. Dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada:

1. Orang tua tercinta, yang senantiasa mendoakan dan mendukung secara materiil demi terselesaikannya tugas akhir ini.

2. Ibuk Ir. Nur Alif Mardiyah,MT., selaku Ketua Jurusan Elektro Universitas Muhammadiyah Malang, dan juga selaku dosen wali yang selama ini telah membimbing proses akademis hingga akhir jenjang kuliah.

3. Ermanu Azizul Hakim,Dr.Ir.MT, selaku dosen pembimbing I yang telah meluangkan waktu untuk membimbing, mengarahkan penulis dengan sabar, dan selalu memberi semangat dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

4. Ir. Nur Khasan,MT. selaku dosen pembimbing II yang telah meluangkan waktu untuk membimbing, mengarahkan, dan selalu memberi semangat serta masukan dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

5. Seluruh dosen dan staf TU jurusan elektro UMM, terima kasih banyak atas bantuannya.

6.

Saudara-saudara di rumah, mas Amin, Adikku Wiwit Jayanti terima kasih atas doa dan dukungannya.

7. Teman-teman seperjuangan elektro 2010, anak-anak Rumah Makan Nelongso,

“Cepet diselesaikan skripsinnya rek ndang kerjo !!!” yang telah membantu dan

mendukung terselesaikannya tugas akhir ini.

(9)

ix Jika ada kesalahan dalam penulisan tugas akhir ini, penulis berharap saran dan kritik yang bersifat membangun guna kesempurnaan dari isi tugas akhir ini. Semoga tugas akhir ini dapat berguna bagi penulis dan pembaca.

Wassalamualaikum wr. wb.

Malang, Oktober 2015

(10)

x

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL ... i

LEMBAR PERSETUJUAN ... iii

LEMBAR PENGESAHAN ... iv

SURAT PERNYATAANKEASLIAN ... v

ABSTRAKSI ... vi

1.3 Perumusan Masalah ... 2

1.4 Metodologi ... 2

1.4.1 Studi literatur ... 3

1.4.2 Perancangan Sistem ... 3

1.4.3 Perancangan Perangkat Lunak ... 3

1.4.4 Pembuatan dan Pengukuran atau Pengujian Perangkat Sistem ... 4

1.4.5 Pengujian Sistem ... 4

1.4.6 Analisa Sistem ... 5

1.4.7 Konfigurasi Sistem ... 5

1.5 Sistematika Penulisan Laporan ... 5

BAB II DASAR TEORI 2.1 Proyek Rumah DC ... 7

2.2 Baterai (Accumulator) ... ...8

2.2.1 Proses Charge Discharge dengan Arus Konstan ... ...8

(11)

xi

2.7 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transisitor (MOSFET) ... .21

2.7.1 Driver MOSFET ... .23

2.8 Dasar Switching Converter ... .23

2.9 Buck Converter ... .24

2.10 Boost Converter ... .28

2.11 Penentuan LC Filter ... .29

2.11.1 Penentuan Nilai Induktansi L ... .29

2.11.2 Penentuan Nilai Capasitansi C ... .31

BAB III RANCANGAN SISTEM 3.1 Diagram Blok Sistem Bi-directional DC-DC Converter ... 23

3.2 Desain Buck Converter ... 35

3.3 Rangkaian Buck Converter ... 38

3.4 Desain Boost Converter ... 39

3.5 Rangkaian Boost Converter... 42

3.6 Mikrokontroller ATMega8535 ... 43

3.7 Rangkaian Relay Pengatur Beban ... 44

3.8 Rangkaian LCD ... 45

3.9 Desain Sensor Tegangan ... 45

3.10 Sensor Arus ... 47

3.11 Rangkaian Charge Baterai ... 47

3.11.1 Analisa Perhitungan ... 49

3.11.2 Prinsip Kerja Charge Baterai ... 50

(12)

xii BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1 Metode Pengujian ... 52

4.2 Pengujian Buck Converter dan Driver Penyulutnya ... 52

4.2.1 Tujuan Pengujian ... 53

4.2.2 Alat Yang Dibutuhkan ... 53

4.2.3 Gambar Rangkaian ... 53

4.2.4 Prosedur Pengujian ... 53

4.2.5 Hasil Pengujian Buck Coverter ... 54

4.3 Pengujian Rangkaian Charge Baterai ... 55

4.3.5 Hasil Pengujian Rangkaian Charge ... 56

4.4 Pengujian Boost Converter ... 57

4.4.5 Hasil Pengujian Boost Converter ... 58

4.5 Pengujian Sensor Tegangan ... 60

4.6 Pengujian Relay ... 61

(13)

xiii

4.7 Pengujian Sensor Arus ACS712 ... 62

4.8 Pengujian Integrasi Keseluruhan ... 64

BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 67

5.2 Saran ... 67

(14)

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Rangkaian Kontroller ... 3

Gambar 1.2 Flowchart Tahap-tahap Pengerjaan Proyek Akhir ... 4

Gambar 1.3 Perancangan Sitem ... 5

Gambar 2.1 Diagram Blok Rumah DC ... 7

Gambar 2.2 Proses Charge Dengan Arus Konstan ... 9

Gambar 2.3 Proses Discharge Dengan Arus Konstan ... 9

Gambar 2.4 Proses Charge Dengan Daya Konstan ... 10

Gambar 2.5 Proses Discharge Dengan Daya Konstan ... 10

Gambar 2.6 Proses Charge Dengan Arus Konstan dan Tegangan Konstan ... 10

Gambar 2.7 Proses Discharge Dengan Resistansi Konstan ... 11

Gambar 2.8 Blok Diagram Baterai Charge ... 13

Gambar 2.9 Blok Diagram Baterai Discharge ... 13

Gambar 2.10 Proses Pengosongan Baterai... 14

Gambar 2.11 Proses Pengisian Baterai. ... 15

Gambar 2.12 Rangkaian Tegangan dan Arus. ... 15

Gambar 2.13 Rangkaian Pembagi Tegangan ... 16

Gambar 2.14 Sensor Arus ACS712 ... 17

Gambar 2.15 DC-DC Converter ... 18

Gambar 2.16 Rangkaian PWM ... 19

Gambar 2.17 Gelombang Pulsa Keluaran PWM ... 19

Gambar 2.18 Pulse Width Modulation (PWM) ... 20

Gambar 2.19 Pulse Frekuensi Modulation (PFM) ... 20

Gambar 2.20 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) .... 21

Gambar 2.21 Simbol MOSFET... 22

Gambar 2.22 Driver MOSFET ... 23

Gambar 2.23 Rangkaian Dasar Switching Converter ... 23

Gambar 2.24 Tegangan Keluaran ... 24

Gambar 2.25 Rangkaian Buck Converter ... 25

Gambar 2.26 Rangkaian Buck Converter Saat Kondisi ON ... 26

(15)

xv

Gambar 2.28 Rangkaian Boost Converter ... 28

Gambar 2.29 Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus pada Boost Converter ... 29

Gambar 2.30 Arus Induktor ... 30

Gambar 2.31 Tegangan Ripple ... 31

Gambar 2.32 Arus Capasitor ... 32

Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Bi-directional DC-DC Converter... 33

Gambar 3.2 Rangkaian Buck Converter ... 38

Gambar 3.3 Rangkaian Boost Converter. ... 42

Gambar 3.4 Rangkaian ATMega8535 ... 43

Gambar 3.5 Rangkaian Relay Pengatur Beban ... 45

Gambar 3.6 Rangkaian LCD 16x2 ... 45

Gambar 3.7 Rangkaian Sensor Tegangan ... 46

Gambar 3.8 Sensor arus ACS712 ... 47

Gambar 3.9 Rangkaian Charge Baterai ... 47

Gambar 4.1 Gelombang PWM Buck Converter ... 53

Gambar 4.2 Diagram Blok Rangkaian Power Suplai... 53

Gambar 4.3 Hardware Buck Converter ... 54

Gambar 4.4 Gelombang Output Buck Converter. ... 54

Gambar 4.5 Hasil Tampilan Buck Converter ... 55

Gambar 4.6 Diagram Blok Rangkaian Charge ... 55

Gambar 4.7 Accu pada Saat Mengisi Baterai ... 56

Gambar 4.8 Gelombang PWM Boost Converter ... 57

Gambar 4.9 Diagram Blok Rangkaian Boost Converter ... 58

Gambar 4.10 Hardware Boost Converter ... 58

Gambar 4.11 Gelombang Output Boost Converter ... 59

Gambar 4.12 Hasil Tampilan Boost Converter ... 59

Gambar 4.13 Diagram Blok Rangkaian Sensor Tegangan ... 60

Gambar 4.14 Sensor Tegangan ... . 60

Gambar 4.15 Diagram Blok Relay ... 61

Gambar 4.16 Pengujian Relay... 62

Gambar 4.17 Diagram Blok Rangkaian ACS712 ... 63

(16)

(17)

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tabel Kapasitansi Accu ... 11

Tabel 2.2 Keterangabn Gambar Sensor Arus ACS712 ... 17

Tabel 2.3 Jenis-jenis Toroid. ... 31

Tabel 3.1 Data Komponen Charge Baterai ... 48

Tabel 4.1 Hasil Pengujuran pada Rangkaian Buck Converter. ... 55

Tabel 4.2 Data Pada saar Mengisi accu 12 Volt 9 Ah ... 57

Tabel 4.3 Hasil Pengukuran pada Rangkaian Boost Converter ... 59

Tabel 4.4 Hasil Pengukuran pada Rangkaian Sensor Tegangan ... 61

(18)

xviii

DAFTAR PUSTAKA

[1] J. Zhang, “Bidirectional DC-DC Power Converter Design Optimization,

Modeling and Control,” Ph.D dissertation, Dept. Elect. Eng.,Virginia

Polytechnic Institute and State Univ.,Blacksburg, VA, 2008.

[2] Taufik. (2011). “The DC House Project.”[online]. Available:

http://www.calpoly.edu/~taufik/dchouse/indek.html

[3] 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. [4] Perez , Richard, "Lead-acid Battery State of Charge vs.Voltage ",1993.

[5] Gaboriault, Mark, "A High Efficiency, Non-Inverting, Buck-Boost DC- DC Converter " Allegro MicroSystems 115 Northeast Cutoff Worcester, MA 01606 USA

[6] KAZIMIERCZUK, MARIAN K. "Pulse-width Modulated DC-DC Power Converters," Wiley, Ohio, 2008.

[7] Sasongko, Firman, “teknik kendali Konverter DC-DC topologi baru mode

(19)

1 BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Menurut Biro Sensus, penduduk dunia telah terus meningkat dari 2,55.762.8654 orang pada tahun 1950 menjadi 7,095.2179,80 orang pada tahun 2013. Karena peningkatan populasi ini mengakibatkan permintaan energi di negara-negara berkembang diperkirakan akan meningkat sebesar 65 % pada tahun 2040 dibandingkan dengan tahun 2010.

Pembangkit listrik merupakan pembangkit dengan pemakaian energi tebesar di empat sektor yaitu, industri, transpotasi, dan perumahan atau perkantoran (komersial). Menurut Internasional Badan Energi (IEA), sekitar 1,3 miliar orang saat ini masih belum mampu memiliki akses listrik. Oleh sebab itu, dalam rangka untuk membantu memerangi ketergantungan pada listrik, para pakar peneliti berinisiatif untuk menemukan energi yang dapat di perbaharui (renewable) dan telah menjadi prioritas yang lebih besar dalam rangka untuk membantu penyediaan bagi mereka yang tidak memiliki akses listrik. Kemampuan tersebut untuk menyediakan tenaga listrik melalui dua metode yaitu energi baru dan terbarukan untuk menciptakan tenaga teknologi baru untuk memenuhi kebutuhan listrik, seperti proyek rumah DC.

Beberapa peneliti menggunakan baterai sebagai sumber energi utama sebagai penyimpan energi berupa superkapasitor, accu dan lain-lain. Pada prakteknya, nilai nominal tegangan DC dari sumber atau penyimpan energi tidak selalu sesuai dengan tegangan bus untuk aplikasi ke beban. Oleh karena itu perlu penambahan rangkaian elektronika daya berupa konverter DC-DC untuk menyesuaikan tegangan bus pada aplikasi ke beban. Tipe konverter DC-DC yang cocok digunakan adalah konvereter DC-DC dua arah (bidirectional converter) atau sering dikenal dengan buck-boost

converter. Hal ini terjadi karena pada konverter tipe tersebut, memiliki dua

(20)

2 Tegangan DC keluaran konverter DC-DC tersebut harus terhubung dengan baik jika ada perubahan beban yang mendadak. Pengaturan tegangan dapat dilakukan dengan menerapkan metode kendali tertentu yang akan menghasilkan sinyal pensaklaran.

1.2Tujuan

Adapun tujuan yang dicapai dalam Proyek Akhir ini ada dua, yaitu: 1.2.1 Tujuan Umum

Sebagai syarat kelulusan di Universitas Mhammadiyah Malang – UMM untuk memperoleh gelar SarjanaSains Terapan (SST)

1.2.2 Tujuan Khusus

1. Merancang Kontrol Manajemen Baterai pada Proyek DC House (Bidirectional DC-DC Converter).

2. Memahami konsep perancangan dan aplikasi dari pembuatan system Battery Charge, yang sumbernya berasal dari input (MISO) sebagai sumber energy untuk pengisian accu yang diaplikasikan sebagai suplay energy untuk mensuplai beban 150 Watt.

1.3Peruumusan Masalah

Batasan masalah yang perlu dibahas dalam persiapan Proyek Akhir ini adalah: 1. Mengatur keluaran buck converter pada saat mencharge battery.

2. Mengatur switch pada tegangan keluaran sehingga suplay dari input (MISO) dan baterai tidak bersamaan ke beban.

3. Mengatur duty cycle PWM pada setiap converter.

4. Batasan dari proyek akhir ini dibatasi bahwa parameter yang digunakan berupa tegangan. Keluaran dari boost converter ini hanyadapat menghasilkan tegangan keluaran sebesar 48 Volt. Selain itu tugas akhir ini dirancang mencharge accu selama 3 jam dan dapat mensuplay beban selama 1 jam.

1.4Metodologi

(21)

3 Input

(MISO) Buck Converter Buck Converter

Accu

Mikronkontroller

Beban 1.4.1 Studi Literatur

Studi literatur ini merupakan pengumpulan data-data serta dasar teori yang digunakan sebagai acuan dalam penyelesaian proyek akhir, diantaranya mikrokontroller, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect

Transistor), desain buck converter, desain boost converter, rangkaian battery

charger, dan rangkaian relay. 1.4.2 Perancangan Sistem

Pada pembuatan proyek akhir ini menggunakanperancangan system meliputi:

1.4.2.1Kontroller

Gambar 1.1 Rangkaian Kontroller

Rangkaian kontoller seperti ditunjukan pada gambar 1.1 yag berfungsi untuk menyulut driver pada rangkaian buck conver, boost converter.

1.4.3 Perancangan Perangkat Lunak

(22)

4 Mulai

Studi Literatur

Desain dan Pengerjaan dan Hardware dan Sofware

1.4.4 Pembuatan dan Pengukuran/Pengujian Perangkat Sistem

Dari hasil perancangan, dilakukan realisasi/pembuatan baik perangkat keras maupun perangkat lunak. Serta dilakukan pengukuran/pengujian kinerja masing-masing bagian (sub-sistem) dilakukan integrasi.

1.4.5 Pengujian Sistem

Dari hasil perancangan, dilakukan realisasi/pembuatan baik perangkat keras maupun perangkat lunak. Dan dilakukan pengukuran/pengujian masing-masing bagian (sub-sistem) dari perangkat-perangkat tersebut sebelum dilakukan integrasi. Untuk mengetahui semua sistem yang telah dirancang sesuai dengan hasil yang diharapkan, dilakukan integrasi terhadap masing-masing perangkat.

Secara detail tahap-tahap pengerjaan proyek akhir ini terlihat pada flowchart berikut :

(23)

5

Pada bagian ini setelah dilakukan beberapa pengujian dan perbaikan sistem, diperoleh sistem yang memiliki unjuk kerja yang diinginkan. Jika masih terdapat kekurangan maka kekurangan tersebut akan dianalisa kembali. Sistem yang sudah sempurna tetap akan dilihat unjuk kerjanya, yang kemudian dari sistem tersebut akan dianalisa untuk dijadikan sebuah buku Proyek Akhir. 1.4.7 Konfigurasi Sistem

Sistem terdiri dari rangkaian DC to DC dengan filter rangkaian buck converter, rangkaian boost converter, rangkaian charge battery, rangkaian relay, serta rangkaian system mikrokontroller. Penggunaan mikrokontroller sebagai kontrol driver dan sebgai control PWM diharapkan dapat menghasilkan proses switching dari rangkaian buck dan boost converter, konfiggurasi sitem seperti terlihat pada gambar 1.3.

Gambar 1.3 Perancangan Sistem

1.5Sistematika Penulisan

Sistematika pembahasan yang digunakan dalam penyusunan tugas akhir ini terdiri dari beberapa bab Antara lain :

BAB I : PENDAHULUAN

(24)

6 BAB II : DASAR TEORI

Pada bab ini membahas tentang pengenalan terhadap buck converter, charger, accumulator (battery), boost converter, sensor tegangan dan sensor arus yang digunakan sebagai parameter peralatan dari kontrol manajemen baterai.

BAB III : PERENCANAAN DAN PERANCANGAN SISTEM

Bab ini membahas tahap perencanaan dan proses pembuatan perangkat keras Proyek Akhir.

BAB IV : PENGUJIAN DAN HASIL

Bab ini membahas secara keseluruhan dari sistem dan dilakukan pengujian serta analisa pada setiap percobaan perangkat keras. Mengintegrasikan seluruh sistem dan pengujian, kemudian berdasarkan data hasil pengujian dan dilakukan analisa terhadap keseluruhan sistem.

BAB V : PENUTUP

Bab ini membahas kesimpulan dari pembahasan, perencanaan, pengujian dan analisa berdasarkan data hasil pengujian sistem. Untuk meningkatkan hasil akhir yang lebih baik diberikan saran- saran terhadap hasil pembuatan Proyek Akhir.