PROSIDING 20 13© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
ANALISIS KONVERTER DC/DC TIPE BOOST
UNTUK APLIKASI MOBIL LISTRIK
Faizal Arya Samman & Amsiah
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km.10 Tamalanrea – Makassar, 90245
Telp./Fax.: 081342117772 /(0411) 491085 e-mail: faizalas@unhas.ac.id
Abstrak
Paper ini memaparkan hasil analisis perilaku dan efisiensi daya dari salah satu komponen sebuah mobil listrik, yaitu konverter DC/DC tipe boost converter (step-up converter). Mobil listrik merupakan kendaraan masa depan yang ramah lingkungan dan mampu menjawab problem kelangkaan cadangan minyak bumi di masa yang akan datang. Meningkatnya polusi udara terutama semakin tingginya kadar gas emisi karbondioksida di udara yang dihasilkan oleh mobol-mobil berbahan bakar minyak bumi, telah menjadikan mobil listrik yang memilik tingkat emisi nol (zero emission) sebagai alternatif yang menjanjikan. Komponen koverter DC/DC tipe boost berfungsi tidak saja menaikkan tegangan keluaran baterai agar sesuai dengan tegangan nominal motor listrik sebagai komponen penggerak utama, namun juga menstabilkan tegangan nominal yang dibutuhkan oleh motor listrik tadi. Konsumsi energi listrik selama berkendaraan dapat menyebabkan turunnya tegangan keluaran baterai listrik. Hasil penelitian awal yang dijelaskan dalam paper ini dilakukan dengan menggunakan metode pemodelan dan simulasi. Rangkaian konverter DC/DC tipe boost akan dimodelkan menggunakan program SPICE (Software Package for Integrated Circuit Emphasis). Software ini umum digunakan untuk memodelkan rangkaian elektronika analog. Pengujian perilaku rangkaian dilakukan dengan mensimulasikan model SPICE dari rangkaian tersebut. Perilaku rangkaian, termasuk kinerja dan tingkat konsumsi dayanya, akan dianalisa berdasarkan hasil-hasil simulasi tadi.
Kata Kunci: elektronika daya, konverter DC/DC tipe step-up (boost), mobil listrik, baterai, motor listrik
PENDAHULUAN
Energi dan Kelestarian Lingkungan merupakan topik penting dan menarik yang akan terus dibahas di masa-masa yang akan datang. Menipisnya cadangan sumber daya minyak di bumi bumi disertai dengan polusi udara yang semakin tinggi akibat konsumsi bahan bakar minyak bumi yang semakin meningkat menjadi latar belakang mengapa mobil listrik mulai ramai dibicarakan. Beberapa perusahaan industri otomotif terkemuka seperti Audi, BMW dan Chevrolet telah mengeluarkan beberapa seri terbatas mobil listrik (Lihat Gambar 1 untuk contoh model mobil listrik). Dalam beberapa tahun ke depan (estimasi 2020), mobil-mobil listrik akan lebih sering dijumpai di jalan raya. Penggunaan mobil listrik juga sangat tergantung pada kebijakan pemerintah setempat dan kesepakatan dunia internasional. Kesepakatan beberapa negara untuk menurunkan emisi gas karbonmonoksida serta kecenderungan harga bahan bakar fosil yang akan diestimasi terus meningkat akibat kelangkaan dapat menjadi pendorong diberlakukannya aturan pelarangan mobil berbahan bakar fosil. Kondisi ini secara otomatis akan mendorong para industriawan otomotif untuk beralih kepada mobil listrik yang lebih ramah lingkungan (zero emission vehicles).
Geliat pengembangan mobil listrik nasional juga telah merambah ke tanah air. Prototipe mobil listrik nasional seperti Tucuxi dan Mobil Listrik Hibrid yang dikembangkan oleh LIPI (Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia) juga telah diperkenalkan (Lihat Gambar 2). Proyek mobil listrik nasional merupakan kebanggaan bangsa yang patut untuk didukung baik oleh pemerintah, pihak swasta maupun investor lokal. Jumlah penduduk Indonesia yang sangat tinggi merupakan potensi pasar yang sangat berarti. Apalagi jumlah pemakai kendaraan di tanah air tergolong cukup tinggi. Tidak heran bila produsen-produsen kendaraan asing menjadikan Indonesia sebagai sasaran penjualan yang sangat diperhitungkan.
Dynamic and Steady State… Faizal A. Samman & Amsiah
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
Gambar 1. Model-Model Mobil Listrik. (a) Micron, (b) Audi (c) Chevrolet
(Sumber: Internet, E-Car 2013)
Keberadaan proyek mobil listrik nasional sebaiknya juga didukung oleh pengadaan komponen-komponen mobil yang disuplai oleh produsen-produsen lokal. Kandungan lokal dalam sebuah mobil dapat menjadi acuan penting untuk menentukan apakah sebuah produk merupakan karya anak bangsa. Gambar 3 memperlihatkan komponen-komponen yang terdapat dalam sebuah mobil listrik. Secara umum komponen-komponen tersebut dapat dibagi ke dalam empat buah bagian utama, yaitu antara lain:
1. Komponen mekanik seperti ban, roda gigi transmisi, komponen-komponen chassis dan body kendaraan. 2. Komponen elektrokimia seperti baterai listrik.
3. Komponen elektromekanik seperti kompresor, power steering, motor listrik dan generator listrik yang bisa digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik ketika kendaraan dalam mode regeneratif.
4. Komponen elektronika seperti konverter DC/DC, charger, serta unit-unit kendali elektronik.
Gambar 2. Mobil Listrik Nasional
Penelitian ini merupakan bagian kecil dari proyek pengembangan komponen sebuah mobil listrik. Komponen yang akan dibahas tersebut adalah konverter DC/DC yang berfungsi menjembatani daya listrik yang dihasilkan oleh sebuah baterai dengan motor listrik sebagai tenaga penggerak sebuah mobil listrik. Komponen ini berfungsi menaikkan tegangan baterai dan menstabilkannya pada titik tertentu sesuai dengan kebutuhan tegangan catu dari motor listrik. Tipe konverter DC/DC yang akan dibahas di sini adalah konverter step-up atau biasa juga disebut sebagai boost converter.
Gambar 3. Struktur Mobil Listrik. Modifikasi Gambar dari Sumber Internet
(Sumber: ElecVehicle, 2013) Mobil Listrik Hibrid LIPI Mobil Listrik Tucuxi Soket Charging Sistem Baterai
Sel-sel Baterai Kering Roda Transmisi Konverter AC Pendingin Motor Listrik Penggerak Power Steering Kompresor AC Pendingin Distributor Daya Listrik Charger & Konverter DC/DC Inverter DC/AC
PROSIDING 20 13© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
Baterai yang terdapat dalam mobil listrik umumnya mempunyai tegangan keluaran nominal di bawah batasan tegangan nominal yang dibutuhkan oleh motor listrik sebagai penggerak utama mobil listrik. Tegangan keluaran baterai bahkan akan sedikit mengalami penurunan bila kandungan muatan listrik yang terdapat di dalamnya sudah mulai berkurang. Agar dapat beroperasi dengan baik, motor listrik mesti mendapatkan suplai tegangan yang konstan, sesuai dengan spesifikasinya. Oleh karena itu, dibutuhkan sebuah peralatan elektronika daya yang mampu menaikkan tegangan baterai dan menjaga tegangan baterai agar tetap berada dalam batas tertentu sehingga daya baterai mampu menggerakkan motor listrik tersebut dengan baik.
Peralatan ini biasa disebut sebagai konverter step-up atau boost converter. Gambar 4 memperlihatkan sebuah bagan konverter DC/DC tipe boost converter. Dalam bagan terlihat sebuah contoh baterai listrik dengan tegangan nominal 50V. Boost converter berfungsi menaikkan tegangan baterai hingga mencapai 220/230/250V yang diasumsi cukup untuk menggerakkan motor listrik. Disebabkan oleh pemakaian energi listrik dalam baterai untuk memutar motor listrik selama berkendaraan, tegangan keluaran baterai akan mengalami penurunan. Dalam Gambar 4 terlihat tegangan baterai mengalami penurunan hingga 45V. Kondisi ini akan mempengaruhi tegangan keluaran boost converter. Oleh sebuah itu, sebuah kontroler dibutuhkan untuk menstabilkan tegangan keluaran konverter agar dapat stabil di sekitar 220/230/250V.
Selain masalah stabilitas tegangan, aspek penting lain dalam mendesain sebuah konverter DC/DC tipe step-up adalah konsumsi dayanya. Dengan demikian, mekanisme kendali yang efisien dan struktur rangkaian elektronika daya dari konverter DC/DC berdisipasi daya rendah sangat diperlukan untuk menurunkan total konsumsi dayanya.
Gambar 4. Bagan Sistem Kendali Konverter DC/DC Tipe Boost Converter
Dari uraian singkat tentang rumusan masalah yang telah disebutkan di atas, maka paper ini akan menjelaskan hal-hal sebagai berikut;
1. Pemodel rangkaian elektronika daya untuk konverter DC/DC tipe boost converter menggunakan SPICE, 2. Analisis perilaku konverter DC/DC tipe boost khususnya terhadap perubahan tegangan masukan dan
tahanan beban resistif. Motor listrik pada dasarnya merupakan beban induktif berputar, ke depan penelitian ini akan mengkaji lebih dalam perilaku konverter DC/DC ini terhadap beban induktif berputar.
3. Analisis konsumsi daya dan efisiensi rangkaian konverter.
TINJAUAN PUSTAKA
Rangkaian dasar sebuah konverter DC/DC tipe boost converter diperlihatkan pada Gambar 5. Dalam gambar terlihat komponen listrik yang digunakan seperti induktor serta komponen elektronika seperti dioda dan MOSFET yang berfungsi sebagai saklar. Penggunaan tipe power MOSFET dan power Diode dalam rangkaian akan mempengaruhi konsumsi daya [Waffler-2010]. Oleh karena itu, sangat penting untuk memilih tipe komponen elektronika daya yang tepat sesuai dengan spesifikasi.
Motor Listrik Baterai Listrik Konverter DC/DC (Tipe Boost Converter) Mikrokontroler Tegangan Baterai 50 45 230
Dynamic and Steady State… Faizal A. Samman & Amsiah
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
Gambar 5. Boost Converter
(Sumber: Luo, 2006)
Gambar 6 dan Gambar 7 menunjukkan model incremental dari sebuah konverter boost. Dalam Gambar 6 terlihat bahwa power MOSFET dirangkai paralel dengan sebuah dioda. Nampak pula dalam gambar bahwa nilai beban selalu berubah dan tegangan masukan yang berubah-ubah dan tidak tetap. Kedua aspek tersebut (beban berubah dan tegangan masukan tidak tetap) merupakan masalah umum yang harus ditangani dalam mendesain sebuah konverter boost sehingga konverter mampu menghasilkan tegangan keluaran yang stabil. Baik Gambar 6 maupun Gambar 7, sebuah kapasitor ditambahkan dalam rangkaian dengan susunan paralel dengan beban.
Gambar 6. Boost Converter dengan Beban Berubah
(Sumber: Mariéthoz, 2010)
Gambar 7. Model Lain dari Sebuah Konverter DC/DC
(Sumber: Sreekumar, 2008)
Pengendalian tegangan keluaran konverter DC/DC boost dari berbagai literatur dilakukan dengan mengatur lebar pulsa switching yang diterapkan pada gate power MOSFET. Gambar 8 menunjukkan proses buka-tutup saklar MOSFET melalui pemberian catu tegangan berlogika 0 atau logika 1. Bila gate MOSFET diberi catu
PROSIDING 20 13© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
tegangan (berlogika 1), maka power MOSFET akan ON sehingga arus listrik akan mengalir ke ground. Sebaliknya, bila catu tegangan dilepas (berlogika 0), maka simpal akan terlihat seperti rangkaian terbuka. Dengan mode kendali seperti itu, maka konverter DC/DC boost dapat dimodelkan dalam bentuk model hibrid [Gupta-2005], [Oettmeier-2009], [Sreekumar-2008], [Mariéthoz-2010], yaitu sebuah model yang menggabungkan perilaku model waktu kontinu dan model waktu diskrit. Model sistem hibrid ini, sangat membantu para peneliti untuk memodelkan dan mensimulasikan perilaku rangkaian konverter DC/DC. Model hibrid ini juga membantu dalam memformulasikan sistem kendali yang cocok untuk mengendalikan konverter DC/DC. Salah satu model sistem kendali yang cukup terkenal handal dalam mengendalikan konverter DC/DC adalah sistem kendali hibrid yang memanfaatkan observer mode sliding [Oettmeier-2009].
Gambar 8. Pengaturan Pulsa Switching melalui Tegangan Gate pada Power MOSFET
Gambar 9 menunjukkan bagan kotak sebuah sistem kendali hibrid dengan memanfaatkan observer mode sliding untuk konverter DC/DC tipe boost. Sistem kendali menggunakan umpan balik arus dan tegangan keluaran konverter. Sistem kendali tersebut bersifat nonlinier disebabkan oleh penggunaan sifat-sifat histeresis. Hal yang cukup rumit dari sistem kendali tersebut adalah umpan balik arus. Kita ketahui bahwa arus listrik merupakan variabel yang tidak mudah untuk diukur dan juga rentan terhadap derau.
Gambar 9. Sistem Kendali Konverter DC/DC Boost (Sumber: Oettmeier, 2009)
Model Rangkaian
Paper ini akan mengkaji model konverter DC/DC tipe boost sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6, 7 dan 8. Rangkaian konverter DC/DC dimodelkan dalam SPICE menggunakan program LTSPICE IV (Software didesain oleh Linear Technology). Model ini mendekati model ril rangkaian. Dengan demikian, keuntungan yang diperoleh adalah bahwa perilaku dan kinerja hasil rancangan akan lebih mendekati perilaku praktis dari rangkaian elektronika daya itu sendiri. Model SPICE secara umum, merupakan model yang menggambarkan secara langsung bentuk fisik suatu rangkaian listrik atau rangkaian elektronika. Kekurangan model SPICE adalah kesulitan dalam menggambarkan perilaku ideal sebuah rangkaian digital kompleks seperti mikrokontroler, digital signal processor (DSP) atau mikroprosesor.
Dynamic and Steady State… Faizal A. Samman & Amsiah
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
Gambar 10. Model Skematika SPICE dari Rangkaian Konverter DC/DC Tipe Boost yang akan Dianalisis
Gambar 10 memperlihatkan model skematika SPICE dari rangkaian konverter DC/DC tipe Boost yang dianalisa pada paper ini. Rangkaian digambar dengan menggunakan software LTSPICE IV. Spesifikasi konverter DC/DC dan hasil pengukuran arus-tegangannya diperlihatkan dalam Tabel 1. Pada penelitian ini, sebagai komponen power switch digunakan Power MOSFET tipe N-Channel Enhacement Mode dengan merek IXTH88N30P buatan IXYS. Detail mengenai parameter komponen dapat dilihat pada Datasheet Komponennya [IXYS2006].
Tabel 1. Spesifikasi Boost Konverter dengan Hasil Pengukuran Tegangan-Arusnya
Parameter/Komponen Nilai/Tipe
Power Switch IXTH88N30P (Power
MOSFET) Vin 50 V DC Vout 220 V DC Duty Cycle (D) 0.773 Frekuensi 50 kHz RL 1000 Ω Iout (Ampere) 0.22
Dalam Gambar 11 terlihat hasil simulasi transien (peralihan) tegangan keluaran dari rangkaian konverter DC/DC tersebut. Simulasi transien dari tegangan keluaran Vout dilakukan selama interval 1 detik dengan
tegangan masukan Vin sebesar 50V. Dalam gambar terlihat bahwa tegangan keluaran berada di sekitar 220V.
Tegangan keluaran mencapai kondisi mantap (steady state) dalam waktu kurang dari 0.01 detik. Dalam masa transien (peralihan), tegangan keluaran hampir mencapai 300V.
Gambar 11. Hasil Simulasi Transien Tegangan Keluaran (Vout) pada saat
PROSIDING 20 13© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
HASIL SIMULASI DAN ANALISIS
Pada paper ini, rangkaian konverter DC/DC tipe boost akan dianalisa dengan cara melakukan simulasi. Analisis tersebut dilakukan untuk mengetahui perilaku rangkaian terhadap perubahan-perubahan parameter dan variabel tertentu pada rangkaian. Analisis-analisis yang dilakukan antara lain:
a. Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai tegangan masukan (Vin) diubah-ubah
b. Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai tahanan beban (RL) diubah-ubah
c. Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai induktansi konverter (L) diubah-ubah
d. Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai Duty cycle (D) diubah-ubah
e. Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai Duty cycle (D) dan Tegangan masukan (RL) diubah-ubah
f. Analisis tegangan keluaran (Vout) saat nilai Duty cycle (D) dan Tegangan masukan (Vin) diubah-ubah
Hasil-hasil analisis dijelaskan pada bagian berikut; a. Analisis perubahan tegangan masukan
Dari grafik pada Gambar 12 dapat dilihat bahwa kenaikan nilai tegangan masukan/input (Vin) berbanding lurus
dengan kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) dimana kenaikan nilai tegangan input (Vin) dari 10V s/d 50V
menghasilkan tegangan keluaran (Vout) sebesar 45V s/d 220V dengan batasan wilayah kenaikan tegangan keluaran (Vout) sekitar 40 V untuk setiap kenaikan 10V pada tegangan masukan (Vin). Tabel 2 menunjukkan
Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada
saat Tegangan Masukan (Vin) berubah-ubah. Pada eksperimen tersebut, Frekuensi switching dan duty cyclenya
masing-masing diset konstan sebesar 50 kHz dan 77.3%.
Gambar 12. Grafik Tegangan Keluaran (Vout) terhadap Tegangan
Input (Vin) Berubah-Ubah
Tabel 2. Tabel Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya
Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Tegangan Masukan (Vin)
berubah-ubah. Frekuensi switching dan duty Cyclenya masing-masing Diset Konstan Sebesar 50 kHz dan 77.3%
Vin (Volt) Vout (Volt) Pin (watt) Pout(watt) 𝜼 =
𝐏𝐨𝐮𝐭 𝐏𝐢𝐧 𝐱 𝟏𝟎𝟎% 10 45.727 2.3279 2.0914 89.841% 20 89.918 8.7708 8.0872 92.206% 30 133.73 19.17 17.888 93.312% 40 177.34 33.531 31.457 93.815% 50 220.75 51.773 48.742 94.146% 45.727 89.918 133.73 177.34 220.75 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 10 20 30 40 50 V o u t(V o lt) Vout
Dynamic and Steady State… Faizal A. Samman & Amsiah
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
b. Analisis Perubahan Tahanan Beban
Dari grafik pada Gambar 13 dapat dilihat bahwa kenaikan nilai tahanan beban (RL) berbanding lurus dengan
kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) dimana kenaikan nilai tahanan beban (RL) dari 0.01 KΩ s/d 100 KΩ
menghasilkan tegangan keluaran (Vout) sebesar 53V s/d 446V dengan batasan wilayah kenaikan tegangan
keluaran (Vout) sekitar 40V s/d 200V untuk setiap kenaikan 10 kali kenaikan pada tahanan beban (RL). Tabel 3
memperlihatkan Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi
Daya (η) pada saat Tahanan Beban (RL) berubah-ubah. Pada eksperimen ini, Frekuensi switching dan duty cycle-nya masing-masing diset konstan sebesar 50 kHz dan 77.3%.
Gambar 13. Grafik Tegangan Keluaran (Vout) terhadap Tahanan
Beban (RL) Berubah-Ubah
Tabel 3. Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output
(Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Tahanan Beban (RL) berubah-Ubah.
Frekuensi Switching dan Duty Cyclenya masing-masing Diset Konstan Sebesar 50 kHz dan 77.3%
RL (kΩ) Vout (Volt) Pin (Watt) Pout (Watt) 𝜼 =
𝐏𝐨𝐮𝐭 𝐏𝐢𝐧 𝐱 𝟏𝟎𝟎% 0.01 53.01 1.1727K 286.17 24.40% 0.1 167.66 373.12 281.21 75.37% 1 220.75 51.773 48.742 94.15% 10 262.04 7.5674 6.8697 90.78% 100 466.14 2.6946 2.1787 80.85%
c. Analisis Perubahan Induktansi Konverter
Dari grafik pada Gambar 14 dapat dilihat bahwa kenaikan nilai induktansi (L) mengalami kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) pada saat 0.1 µH s/d 10 µH, namun mengalami penurunan pada saat 10 µH s/d 1000
µH dengan tegangan keluaran (Vout) sebesar 57 V s/d 220 V dengan range perubahan tegangan keluaran (Vout)
sekitar 100 V s/d 300 V untuk setiap kenaikan 10 kali kenaikan pada induktansi (L). Tabel 4 memperlihatkan Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada
saat Induktor (L) diubah-ubah. Pada eksperimen ini, Frekuensi switching dan duty cycle-nya masing-masing diset konstan sebesar 50 kHz dan 77.3%.
53.01 167.66 220.75 262.04 466.14 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0.01 0.1 1 10 100 V o u t(V o lt) RL(KΩ) Vout (Volt)
PROSIDING 20 13© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
Gambar 14. Grafik Tegangan Keluaran (Vout) terhadap Induktansi (L) Diubah-Ubah
Tabel 4. Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output
(Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Induktor (L) diubah-ubah. Frekuensi switching dan duty cyclenya masing-masing diset konstan sebesar 50 kHz
dan 77.3%
L(μH) Vout (Volt) Pin (Watt) Pout (Watt) 𝜼 =
𝐏𝐨𝐮𝐭 𝐏𝐢𝐧 𝐱 𝟏𝟎𝟎% 0.1 57.706 1.2609K 3.33 0.26% 1 165.85 1.2164K 27.512 2.26% 10 472.1 803.74 222.95 27.73% 100 372.83 164.26 139.03 84.64% 1000 220.02 51.456 48.416 94.09%
d. Analisis perubahan duty cycle sinyal switching
Dari grafik pada Gambar 15 dapat dilihat bahwa kenaikan Duty Cycle (D) menyebabkan kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) pada saat duty cycle (D) 20% s/d 80% namun mengalami penurunan pada saat duty cycle (D) 100% dengan perubahan tegangan keluaran (Vout) sebesar 20 V s/d 284 V dengan range perubahan tegangan keluaran (Vout) sekitar 20 V s/d 248 V untuk perubahan 20% pada duty cycle (D). Tabel 5
memperlihatkan Hasil Pengukuran Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout)
dan Efisiensi Daya (η) pada saat Duty Cycle (D) diubah-ubah. Pada eksperimen tersebut Frekuensi switching diset konstan sebesar 50kHz.
Gambar 15. Grafik Tegangan Keluaran (Vout) terhadap Duty Cycle (D) Diubah-Ubah 57.706 165.85 472.1 372.83 220.02 25 75 125 175 225 275 325 375 425 475 525 0.1 1 10 100 1000 V O u t ( V o lt) L (μH) 64.692 85.601 127.89 248.08 0.453 0 50 100 150 200 250 300 20 40 60 80 100 V Ou t ( V o lt) D(%)
Dynamic and Steady State… Faizal A. Samman & Amsiah
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
Tabel 5. Hasil Pengukuran Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin),
Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Duty Cycle (D)
Diubah-Ubah. Frekuensi switching diset konstan 50kHz D (%) Vout (Volt) Pin (Watt) Pout (Watt) 𝜼 =
𝐏𝐨𝐮𝐭 𝐏𝐢𝐧 𝐱 𝟏𝟎𝟎% 20 64.692 4.4226 4.1851 94.63% 40 85.601 7.7043 7.328 95.12% 60 127.89 17.146 16.358 95.40% 80 248.08 65.897 61.56 93.42% 100 453.04m 1.6308k 4.0436m 0%
e. Analisis perubahan tahanan beban dan duty cycle sinyal switching
Dari grafik pada Gambar 16 dapat dilihat bahwa kenaikan nilai Duty Cycle (D) menyebabkan kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) pada saat duty cycle (D) 20% s/d 80% namun mengalami penurunan pada saat duty cycle (D) 100% dengan perubahan tegangan keluaran (Vout) sebesar 64 V s/d 273 V dengan range perubahan tegangan keluaran (Vout) sekitar 20V s/d 273V untuk setiap perubahan 20% pada duty cycle (D). Nampak juga
terlihat bahwa nilai tahanan beban mempengaruhi besarnya tegangan output. Semakin besar tahanan beban, maka semakin besar pula kecenderungan tegangan keluaran Vout. Tabel 6 memperlihatkan Hasil Pengukuran
Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Duty Cycle
(D) dan Tahanan Beban (RL) yang berubah-ubah.
Gambar 16. Grafik Tegangan Keluaran terhadap Tahanan Beban (RL) dan Duty Cycle (D) berubah-ubah
Tabel 6. Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi
Daya (η) pada Saat Duty Cycle (D) dan Tahanan Beban (RL) Berubah-Ubah
D (%) Vout (V) Untuk RL= 1kΩ Pin (W) Pout (W) Efisi η (%) Vout (V) Untuk RL= 5kΩ Pin (W) Pout (W) Efisi η (%) Vout (V) Untuk RL= 10kΩ Pin (W) Pout (W) Efisi η (%) 20 64.692 4.4226 4.185 94.63 89.397 1.8396 1.5985 86.89 102.20 1.1596 1.0446 90.08 40 85.601 7.7043 7.328 95.12 172.650 6.1581 5.9655 96.87 231.28 5.6450 5.3583 94.92 60 127.890 17.1460 16.358 95.40 175.100 6.2997 6.1327 97.35 239.08 5.9342 5.7190 96.37 80 248.080 65.8970 61.560 93.42 273.780 16.6840 14.9980 89.89 288.56 9.6730 8.3311 86.13 100 453.04m 1.631k 4.044m 0.00 1.128 1.631k 3.994m 0.00 1.924 1.631k 3.985m 0.00 64.692 85.601 127.89 248.08 0.453 89.397 172.65 175.1 273.78 1.128 102.2 231.28 239.08 288.56 1.924 0 50 100 150 200 250 300 350 20 40 60 80 100 V O u t ( V o lt) D ( % ) RL=1KΩ RL=5KΩ RL=10KΩ
PROSIDING 20 13© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
f. Analisis Perubahan Tegangan Masukan dan Duty Cycle Sinyal Switching
Dari grafik pada Gambar 17 dapat dilihat bahwa kenaikan nilai Duty Cycle (D) menyebabkan kenaikan nilai tegangan keluaran (Vout) pada saat duty cycle (D) 20% s/d 80% namun mengalami penurunan pada saat duty cycle (D) 100% dengan perubahan tegangan keluaran (Vout) sebesar 64 V s/d 733 V dengan range perubahan tegangan keluaran (Vout) sekitar 20V s/d 733V untuk setiap perubahan 20% pada duty cycle (D). Sebagaimana
terlihat pada eksperimen sebelumnya, nampak juga terlihat dalam Gambar 17, bahwa nilai tahanan beban mempengaruhi besarnya tegangan output. Semakin besar tahanan beban, maka semakin besar pula kecenderungan tegangan keluaran Vout. Dari gambar juga terlihat bahwa, tegangan keluaran jatuh pada titik nol
ketika duty cycle diset penuh sebesar 100%. Tabel 7 memperlihatkan Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi Daya (η) pada saat Duty Cycle (D) dan Tegangan
Masukan (Vin) berubah-ubah.
Gambar 17. Grafik Tegangan Masukan (Vout) terhadap Tegangan Input (Vin)
dan Duty Cycle (D) Variabel
Tabel 7. Tabel Pengukuran Tegangan Keluaran (Vout), Daya Input (Pin), Daya Output (Pout) dan Efisiensi
Daya (η) pada saat Duty Cycle (D) dan Tegangan Masukan (Vin) berubah-ubah D (%) Vout (V) untuk Vin= 50V Pin (W) Pout (W) Efisi η (%) Vout (V) untuk Vin= 100V Pin (watt) Pout (watt) Efisi η (%) Vout (V) untuk Vin= 150V Pin (W) Pout (W) Efisi η (%) 20 64.692 4.4226 4.185 94.63 128.14 17.03 16.420 96.42 190.81 38.15 36.408 95.43 40 85.601 7.7043 7.328 95.12 169.78 29.839 28.827 96.61 253.64 66.23 64.340 97.15 60 127.89 17.1460 16.358 95.40 345.20 209.31 127.940 61.12 378.27 147.37 143.110 97.11 80 248.08 65.8970 61.560 93.42 491.12 255.85 241.260 94.29 733.47 5629.30 538.100 9.56 100 453.04m 1.6308K 4.044m 0.00 1.5821 6.5226K 17.73m 0.00 2.7572 14.674K 41.75m 0.00
SIMPULAN
1. Pada kondisi nilai tegangan masukan (Vin), nilai tahanan beban (RL) dan nilai induktansi (L) yang
berubah-ubah, tegangan keluaran (Vout) juga akan mengalami perubahan. Khusus untuk kasus tegangan masukan dan
tahanan beban, perubahan ini praktis terjadi dalam aplikasi. Baterai yang mengalami penurunan muatan listrik yang telah terpakai oleh motor listrik akan mengalami penurunan tegangan bateri. Pada baterai-baterai tertentu, tegangan ini dapat mengalami penurunan yang signifikan yang dapat mempengaruhi kemampuannya untuk mencatu motor listrik. Oleh karena itu, konverter DC/DC ini harus mampu mempertahankan level tegangan baterai agar tetap mampu mendrive/mencatu motor listrik. Namun demikian perlu dicatat bahwa penemuan sistem bateri yang mampu mempertahankan level tegangan meskipun mengalamai penurunan muatan listrik, menyebabkan konverter DC/DC ini tidak lagi diperlukan. 2. Pada kondisi nilai tegangan masukan Vin sebesar 50V dan nilai tahanan beban (RL) yang berubah-ubah,
maka untuk mempertahankan tegangan keluaran (Vout) sebesar 220V, maka duty cycle mesti diatur 64.692 85.601 127.89 248.08 0.453 128.14 169.78 345.2 491.12 1.582 190.81 253.64 378.27 733.47 2.757 0 100 200 300 400 500 600 700 800 20 40 60 80 100 V Ou t ( V o lt) D ( % ) Vin=50V Vin=100V Vin=150V
Dynamic and Steady State… Faizal A. Samman & Amsiah
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
sedemikian rupa. Misalnya, pada saat tahanan beban (RL) sebesar 1 kΩ maka duty cycle (D) mesti diset
sebesar 73%, saat tahanan beban (RL) 5 kΩ maka duty cycle (D) mesti diset sebesar 67%, dan pada saat
tahanan beban (RL) sebesar 10 kΩ maka duty cycle (D) mesti diset sebesar 37%. Semakin besar tahanan
beban, maka duty cycle mesti diatur semakin kecil agar tegangan keluaran yang diinginkan dapat dipertahankan.
3. Pada kondisi dimana nilai tegangan masukan (Vin) berubah-ubah, maka untuk mempertahankan tegangan
keluaran (Vout) sebesar 220V, maka duty cycle mesti dikontrol sedemikian rupa. Misalnya ketika Vin bernilai
50V maka duty cycle (D) mesti diset sebesar 73%, pada saat tegangan masukan Vin bernilai 100V maka
duty cycle (D) mesti diset sebesar 45%, dan pada saat tegangan masukan Vin bernilai 150 V maka duty cycle
(D) mesti diset sebesar 3%. Semakin kecil tegangan masukan, maka semakin besar duty cycle yang mesti diterapkan agar tegangan keluaran yang diinginkan dapat dipertahankan.
4. Efisiensi daya yang dihasilkan dari rangkaian konverter DC/DC step-up yang telah dirancang juga telah menunjukkan hasil yang sangat baik. Kecuali jika duty cycle diset penuh 100% atau pada kasus tertentu, efisiensi konverter dapat berkisar antara 80% hingga 98%, yang mana sebagian besar kasus menunjukkan efisiensi daya antara 90-98% atau berkisar 94-95%. Efisiensi ini dipengaruhi oleh pemilihan tipe komponen power switch yang digunakan. Disebabkan oleh power switch yang terletak paralel dengan beban, maka sebaiknya digunakan power switch yang memiliki arus drain-source yang relatif kecil, sehingga sebagian besar daya dapat ditransfer ke beban.
Saran
1. Perancangan sistem kendali yang mampu mengendalikan konverter DC/DC tipe boost agar mampu mempertahankan tegangan keluarannya pada nilai tertentu yang diinginkan. Sistem kendali ini diharapkan mampu mempertahankan tegangan keluaran meskipun nilai beban (resistif, induktif, kapasitif) dan tegangan masukan berubah-ubah.
2. Pada penelitian selanjutnya, perilaku konverter DC/DC step-up untuk beban-beban (termasuk tipe beban) yang berubah secara dinamis dapat dilakukan. Pada penelitian awal, beban yang digunakan hanya berupa tahanan resistif murni. Pada tahap berikutnya, beban induktif dan kapasitif (termasuk kombinasi antara beban induktif, resistif, kapasitif) akan digunakan sesuai dengan kondisi praktis di lapangan. Motor listrik misalnya merupakan beban induktif berputar yang memiliki sifat-sifat yang berbeda dengan beban tahanan murni.
3. Salah satu bagian akhir keluaran yang diharapkan dapat dilakukan pada penelitian selanjutnya adalah perancangan prototipe perangkat keras sistem elektronis dari sistem kendali dan implementasinya pada aplikasi sistem baterai dan sistem penggerak utama mobil listrik.
DAFTAR PUSTAKA
Electric Cars, News and Information about Electric Car and Electric Vehicle Technologies http://www.alternative-energy-news.info. Informasi diakses pada Agustus 2013.
Electric Vehicle. http://blogs.cas.suffolk.edu. Informasi diakses Agustus 2013.
S. Waffler and J.W. Kolar. “Comparative Evaluation of Soft-Switching Concepts for Bi-directional Buck+Boost Dc-Dc Converters”, The International Power Electronics Conference, 2010.
Sébastien Mariéthoz, et al. Comparison of Hybrid Control Techniques for Buck and Boost DC-DC Converters, IEEE Trans. on Control System Technologies, vol. 18, no. 5, Sep. 2010, pages 1128-1145.
F.M. Oettmeier. “MPC of Switching in a Boost Converter Using a Hybrid State Model With a Sliding Mode Observer”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 56, no. 9, Sep. 2009, pages 3453-3466.
C. Sreekumar and V. Agarwal. “A Hybrid Control Algorithm for Voltage Regulation in DC–DC Boost Converter”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 55, no. 6, June 2008, pages 2530-2538.
F.L. Luo and H. Ye. “Essential DC/DC Converters”, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2006.
P. Gupta, and A. Patra. “Hybrid Mode-Switched Control of DC–DC Boost Converter Circuits”, IEEE Trans. on Circuits and Systems – II: Express Briefs, vol. 52, no. 11, Nov. 2005, pages 734-738.
