i
DESAIN SISTEM HYBRID BATERAI- SUPERKAPASITOR PADA MOBIL LISTRIK
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi
Persyaratan Guna Meraih Gelar Sarjana Strata 1 Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun Oleh : Agung Prasetiya 201610130311031
FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2021
i
i
i
iv
ABSTRAK
Kendaraan listrik terjual cukup baik pada abad ke-19hingga 1920 dan pada tahun 1933 mobil listrik mengalami penurunan dikarekan mahal dan lebih lambat dari pada mesin pembakaran internal. Peningkatan jumlah mesin pembakaran interal memicu keprihatinan global yang serius tentang perubahan iklim. Namun, salah satu permasalahan pada mobil listrik sampai saat ini adalah terbatasnya energi yang disediakan oleh baterai yang berdampak pada jarak tempuh kendaraan.
Penelitian kali ini dengan sistem penyimpanan Hybrid Strong Sistem (HESS) berfokus pada penyimpanan baterai yang memanfaatkan kepadatan energi supercapacitor dan memperpanjang massa pakai baterai. Berdasarkan hasil penelitian kali ini memakai tipe baterai lithium-ion dengan voltage 66.6. Hasil perbandingan State of Charge (SOC) ketika jalan menanjak SOC baterai mengalami penurunan 99.9818 sedangkan dengan tambahan supercapacitor 99.9856. ketika jalan menurun SOC baterai mengalami penurunan terus dari 99.9207 menjadi 99.9412 dan dengan tambahan supercapacitor penurunan tidak terlalu dari 99.9484 menjadi 99.9412. Sehingga dapat disimpulkan ketika menggunakan supercapacitor penurunan tidak terlalu besar sedangkan tanpa supercapacitor SOC baterai mengalami penurunan cukup besar.
Kata kunci:HESS, Baterai, Supercapacitor, Motor BLDC
v ABSTRACT
Electric vehicles sold quite well in the 19th century to 1920 and in 1933 electric cars are in reduced expensive and slower than internal combustion engines.
The increase in the number of interal combustion engines is fueling serious global concerns about climate change. However, one of the problems with electric cars to date is the limited energy provided by batteries that arebasedon the mileage of the vehicle. Research this time with the system Hybrid Strong System (HESS) focuses on battery storage that harnesses the energy density of supercapacitors and extends the mass of battery life. Based on the results of this study, it uses a lithium-ion battery type with voltage 66.6. State of Charge (SOC) comparison results when the road went uphill the battery SOC decreased by 99.9818 while with the addition of a supercapacitor 99.9856. when the road down the battery SOC experienced a continuous decline from 99.9207 to 99.9412 and with the addition of supercapacitors the decrease was not too much from 99.9484 to 99.9412. So it can be concluded that when using a supercapacitor the decrease is not too large whereas without a SOC supercapacitor the battery experiences a considerable decrease
Keywords: HESS, Baterai, Supercapacitor, Motor BLDC
vi
LEMBAR PERSEMBAHAN
Bismillah, segala puji syukur saya panjatkan kepada Allah Subhanahu Wa Ta'ala atas rahmat dan hidayah-Nya telah memberikan saya kekuatan dan membekali dengan ilmu sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Sholawat dan salam selalu terlimpahkan kepada Nabi Muhammad Shalallahu 'Alaihi Wassalam. Dalam proses penyusunan skripsi ini saya tidak terlepas dari berbagai pihak yang senantiasa memberikan dukungan, bimbingan, bantuan dan do’a sehingga saya dapat menyelesaikan dengan baik. Pada kesempatan yang berharga ini, tak lupa saya mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Orang tua saya Bapak Suwandi dan Ibu Sumiati yang selalu memberikan do’a, dukungan, dan semangat tiada henti.
2. Ibu Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T. dan Bapak Khusnul Hidayat, S.T., M.T.
yang telah mendukung, meluangkan banyak waktu, tenaga, dan pikiran untuk membimbing saya dalam menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Ir. Diding Suhardi, M.T dan Bapak Machmud Effendy, S.T., M.Eng.
selaku penguji yang telah meluangkan waktunya memberikan masukan, saran, dan kritik yang membangun sehingga penyusunan skripsi ini berjalan dengan baik.
4. Ketua Program Studi Teknik Elektro Bapak Khusnul Hidayat, S.T., M.T.
dan Sekertaris Program Studi Ibu Merinda Lestandy, S.Kom., M.T. beserta seluruh staf Program Studi Teknik Elektro
5. Dekan Fakultas Teknik Elektro Bapak Dr. Ir. Ahmad Mubin, M.T. dan seluruh jajaran dekanat serta keluarga besar Universitas Muhammadiyah Malang.
6. Dosen Wali Bapak Dr. Ir. Ermanu Azizul Hakim, M.T. yang selalu memberikan dukungan dan motivasi kepada keluarga Teknik Elektro A 2016.
7. Seluruh civitas akademika (dosen, asisten, dan karyawan) Universitas Muhammadiyah Malang yang telah membekali ilmu dan membantu selama proses studi.
vii
8. Sahabat karib saya dari semester awal yaitu Alpian Nur, Albarkati Alhami, Sandy Setyawan dan Imam fanani yang selalu memberikan semangat selama tinggal diperantauan.
9. Teman-teman saya Suryo Probo, Rizal Dwi Prasetyo, Lisa Dwi Pertiwi, Oki Adi,yang selalu membantu saya dalam kesusahan.
viii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta’ala atas segala Nikmat-Nya, Rahmat-Nya, serta Hidayah-Nya. Sholawat serta salam semoga senantiasa tercurah kepada Rasulullah Muhammad Shalallahu 'Alaihi Wassalam. Atas kehendak dan karunia Allah penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul:
“Desain Sistem Hybrid Baterai-supercapacitor Pada Mobil Listrik”
Penulisan skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Teknik di Universitas Muhammadiyah Malang. Selain itu penulis berharap skripsi ini dapat memperluas pustaka dan pengetahuan utamanya dalam bidang sistem tenaga listrik.
Penulis menyadari bahwa dalam penulisan skripsi ini masih banyak terdapat kekurangan. Oleh karena itu Penulis berharap saran yang membangun, agar kedepannya menjadi lebih baik dan bermanfaat. Penulis mohon maaf apabila terdapat kesalahan dalam penulisan baik yang sengaja maupun tidak disengaja.
Malang, Oktober 2022
Agung Prasetiya
ix
DAFTAR ISI
LEMBAR PERSETUJUAN ... i
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
LEMBAR PERNYATAAN ... iii
ABSTRAK ... iv
ABSTRACK ... v
LEMBAR PERSEMBAHAN ... vi
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR TABEL ... xiii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 2
1.3. Batasan Masalah ... 2
1.4. Tujuan ... 3
1.5. Manfaat ... 3
1.6. Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1. Mobil Listrik ... 5
2.2. Motor DC Brushless ... 5
2.2.1. Sistem Kerja BLDC Motor ... 8
2.3. Pengendalian Motor BLDC ... 9
2.3.1. Six Step Sistem ... 9
2.4. Sistem Pendeteksi Transformasi Komutasi ... 10
2.4.1. Hall Sensor ... 11
2.5. PWM (Pulse Width Modulation) ... 12
2.6. Three Phase Inverter ... 14
2.7. Kontroler... 15
2.7.1. Sistem Kontrol Kecepatan ... 16
2.7.2. Proporsional-Integral-Derivative (PID) ... 16
2.8. Baterai ... 18
x
2.8.1. Baterai Kendaraan Listrik ... 18
2.8.2. Perbandingan Baterai ... 18
2.9. Superkapasitor ... 19
2.9.1. Pemodelan Internal Superkapasitor ... 20
2.9.2. Komponen Rangkaian Ekivalen RC ... 21
2.9.3. Spesifikasi Superkapasitor ... 22
2.10. Buck-Boost Konverter ... 23
BAB III METODE PENELITIAN ... 27
3.1. Mendesain Sistem Hybrid Mobil Listrik ... 28
3.2. Motor BLDC ... 28
3.3. Baterai ... 30
3.4. Superkapasitor ... 30
3.5. Pemodelan Simulasi Rangkaian Buck-Boost ... 32
3.6. Inverter ... 33
3.7. Controller PID... 33
3.8. Hall Effect... 35
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA SISTEM ... 37
4.1. Konsep Penelitian ... 37
4.2. Pemodelan Beban ... 37
4.3. Simulasi Sistem Baterai Pada Kendaraan Listrik ... 38
4.4. Hasil Simulasi Sistem Baterai Pada Kendaraan Listrik ... 38
4.4.1. Hasil RPM Motor BLDC Dengan Sumber Baterai ... 38
4.4.2. SOC Baterai ... 40
4.5. Simulasi Sistem Baterai-Superkapasitor Pada Kendaraan Listrik ... 41
4.6. Hasil Simulasi Sistem Baterai-Superkapasitor Pada Kendaraan Listrik ... 41
4.6.1. Hasil RPM Motor BLDC Dengan Sumber Baterai-Superkapasitor... 41
4.6.2 SOC Baterai Dengan Superkapasitor ... 43
4.7. Perbandingan RPM dan SOC Antara Baterai dan Baterai-Superkapasitor . 44 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 47
5.1. Kesimpulan ... 47
5.2. Saran ... 48
DAFTAR PUSTAKA ... 49
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konstruksi Motor Brushless DC ... 6
Gambar 2.2 Brushless DC Outruneer ... 7
Gambar 2.3 Brushless DC Inrunner ... 7
Gambar 2.4 Medan Magnet Solenoida ... 8
Gambar 2.5 Tegangan Stator BLDC ... 8
Gambar 2.6 Gelombang PWM Six Step ... 10
Gambar 2.7 Pergantian PWM Sinyal dan Hall Sensor ... 11
Gambar 2.8 PWM Sinyal ... 12
Gambar 2.9 Duty Cycle Berbeda-beda Pada Pulsa PWM ... 13
Gambar 2.10 Pulsa PWM ... 14
Gambar 2.11 Inverter Tiga Phase ... 15
Gambar 2.12 Rangkaian PID Kontrol ... 17
Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen ... 22
Gambar 2.14 Sirkuit Buck-Boost ... 23
Gambar 2.15 Kontrol PID Buck-Boost Konverter ... 25
Gambar 3.1 Alur Penelitian ... 27
Gambar 3.2 Blok Diagram Perancangan Sistem Hybrid Mobil Listrik ... 28
Gambar 3.3 Blok Motor BLDC ... 29
Gambar 3.4 Configuration PMSM ... 29
Gambar 3.5 Model Blok Baterai... 30
Gambar 3.6 Blok Simulasi Superkapasitor ... 31
Gambar 3.7 Rangkaian Simulasi Buck-Boost ... 32
Gambar 3.8 Rangkaian Simulasi Inverter ... 33
Gambar 3.9 Model Kontrol PID library Simulink ... 34
Gambar 3.10 PID Subsistem Kontrol ... 35
Gambar 3.11 Block Parameter PID Controller... 35
Gambar 3.12 Simulink Model Block Decoder ... 36
Gambar 3.13 Simulink Model Block Gates ... 36
Gambar 4.1 Kondisi Jalan ... 37
Gambar 4.2 Desain Simulasi Sistem Baterai Pada Kendaraan Listrik ... 38
Gambar 4.3 Hasil Perbandingan Setpoin dan RPM ... 39
xii
Gambar 4.4 Grafik SOC Baterai... 40 Gambar 4.5 Simulasi Sistem Baterai-Superkapasitor Pada kendaraan listrik .... 41 Gambar 4.6 Hasil Perbandingan RPM dan Setpoin ... 42 Gambar 4.7 Grafik SOC Baterai dan Superkapasitor ... 43 Gambar 4.8 Grafik perbandingan RPM Motor BLDC dengan Baterai tanpa Superkapasitor dan menggunakan Superkapasitor ... 44 Gambar 4.9 Grafik Perbandingan SOC Baterai Tanpa Superkapasitor dan
menggunakan Superkapasitor ... 45
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Karakteristik Kontroler Proportional, Integral, dan Derivative ... 17
Tabel 2.2 Perbandingan Baterai ... 24
Tabel 3.1 Parameter Motor BLDC ... 30
Tabel 3.2 Parameter Baterai ... 30
Tabel 3.3 Parameter Superkapasitor ... 31
Tabel 3.4 Parameter Inductance ... 32
Tabel 3.5 Paremeter Mosfet ... 32
Tabel 3.6 Parameter PID ... 32
Tabel 3.7 Parameter Mosfet ... 33
Tabel 4.1 Hasil RPM Motor BLDC Dengan Baterai ... 39
Tabel 4.2 SOC Baterai ... 40
Tabel 4.3 Hasil RPM Motor BLDC Baterai-Superkapasitor ... 42
Tabel 4.4 SOC Baterai-Superkapasitor ... 43
Tabel 4.5 Perbandingan RPM Motor BLDC ... 44
Tebel 4.6 Perbandingan SOC ... 45
49
DAFTAR PUSTAKA
[1] J. S. S. Mohammad dan D. Bhanabhagvanwala, “Simulation analysis of battery/ultracapacitor hybrid energy storage system for electric vehicle,”
Proc. Int. Conf. Intell. Sustain. Syst. ICISS 2019, no. Iciss, hal. 494–498, 2019.
[2] A. Rafi, A. Tahtawi, dan K. Kunci, “Ulasan Desain dan Implementasi Simulator Mobil Listrik Berbasis Motor Arus Searah,” hal. 132–140.
[3] I. Inayati, H. T. Waloyo, M. Nizam, dan H. Saidi, “Model-Based Simulation for Hybrid Fuel Cell/Battery/Ultracapacitor Electric Vehicle,” Proceeding - 2018 5th Int. Conf. Electr. Veh. Technol. ICEVT 2018, hal. 112–115, 2019.
[4] F. Akar, Y. Tavlasoglu, dan B. Vural, “An Energy Management Strategy for a Concept Battery/Ultracapacitor Electric Vehicle with Improved Battery Life,” IEEE Trans. Transp. Electrif., vol. 3, no. 1, hal. 191–200, 2017.
[5] T. Dhia, N. A. Mardiyah, dan N. Nurhadi, “Fuzzy Logic Control Design in Hybrid Energy Storage System Super-Capacitor Battery for Electric Vehicle,” Kinet. Game Technol. Inf. Syst. Comput. Network, Comput.
Electron. Control, vol. 4, no. 1, hal. 75–86, 2018.
[6] V. Lystianingrum, “Superkapasitor Sebagai Alternatif Penyimpan Energi Untuk Bus Listrik Di Indonesia : Potensi Dan Tantangan,” Researchgate, no.
November 2019, 2020.
[7] S. K. Chari, R. Dhiman, dan R. Saxena, “Novel and robust hysteresis current control strategies for a BLDC motor: A simulation study and inverter design,” 2018 2nd IEEE Int. Conf. Power Electron. Intell. Control Energy Syst. ICPEICES 2018, vol. 2, no. 1, hal. 841–846, 2018.
[8] D. Teknik, M. Industri, dan F. Vokasi, “Simulasi Pengaruh Variasi Beban Torsi Pada Motor Brushless Dc Dengan Kendali,” 2018.
[9] T. Rahman, S. M. A. Motakabber, dan M. I. Ibrahimy, “Design of a Switching Mode Three Phase Inverter,” Proc. - 6th Int. Conf. Comput.
Commun. Eng. Innov. Technol. to Serve Humanit. ICCCE 2016, hal. 155–
50 160, 2016.
[10] M. Mahmud, S. M. A. Motakabber, A. H. M. Z. Alam, dan A. N. Nordin,
“Control BLDC motor speed using PID controller,” Int. J. Adv. Comput. Sci.
Appl., vol. 11, no. 3, hal. 477–481, 2020.
[11] M. Thowil Afif dan I. Ayu Putri Pratiwi, “Analisis Perbandingan Baterai Lithium-Ion, Lithium-Polymer, Lead Acid dan Nickel-Metal Hydride pada Penggunaan Mobil Listrik - Review,” J. Rekayasa Mesin, vol. 6, no. 2, hal.
95–99, 2015.
[12] M. M. Wolde, “Design and Modeling of BLDC Motor Drive with Regenerative Braking System Based on Fuzzy-PID Controller for Electric Vehicle October , 2020 Adama , Ethiopia Design and Modeling of BLDC Motor Drive with Regenerative Braking System Based on Fuzzy-PID Control,” 2020.
[13] A. R. Awali et al., “Karakterisasi Superkapasitor dengan Pemodelan Rangkaian R-C Dua Cabang dan Kapasitansi Variabel,” hal. 484–490.
[14] S. D. Vidhya dan M. Balaji, “Modelling, design and control of a light electric vehicle with hybrid energy storage system for Indian driving cycle,” Meas.
Control (United Kingdom), vol. 52, no. 9–10, hal. 1420–1433, 2019.
[15] M. D. Almawlawe dan M. Kovandzic, “A Modified Method for Tuning PID Controller for Buck-Boost Converter,” Int. J. Adv. Eng. Res. Sci., vol. 3, no.
12, hal. 20–26, 2016.
51
