5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Mobil Listrik
Secara umum mobil listrik merupakan kendaraan yang menggunakan motor listrik sebagai penggeraknya. Sumber utama yang sangat umum yaitu baterai keunggulan utama dibandingkan media penyimpan yang lain merupakan rasio daya yang tinggi dan kerapatan energi yang besar. Tetapi terdapat beberapa hambatan terkait pemakain baterai diantaranya durasi pengisian yang begitu lama (kisaran jam buat kendaraan listrik pada biasanya) dan umur baterai juga terbatas pada masa pakai kurang dari 5 tahun.
Sebab terbatas pemakain baterai banyak studi yang melalukan penelitian tentang meperpanjang pemakain baterai dengan menambahkan media penyimpan energi. Salah satunya meruapakan superkapasitor dengan nama lain EDLC (electric/Eletrochemical Double Layer Capacitor), maupun Ultracacitor berbeda dengan kapasitor konvensional superkapasitor mempunyai nilai kapasitansi yang sangat besar hingga ribuan farad. Ciri superkapasitor memiliki kesamaan dengan baterai, misalnya kerapatan energi yang besar serta durasi pengisian yang lebih cepat dan usia superkapasitor lebih panjang serta efek termalnya lebih rendah.
Perilaku yang sama ini menimbulkan kerap digunakan bersama beterai jadi sesuatu media penyimpanan tenaga hybrid (hybrid energy storag)[6].
Hybrid Energy Storage System (HESS) merupakan teknologi yang mempunyai kemampuan ke untungan besar di bidang mobil listrik.penggebungan 2 ataupun lebih fitur penyimpanan tenaga listrik dengan ciri yang berbeda serta saling memenuhi merupakan inti dari teknologi HESS. Baterai yang digunakan dalam mobil listrik adalah komponen penyimpanan energi utama yang digunakan untuk memenuhi permintaan beban saja. Dalam praktinya ini dapat membuat kapasitas baterai yang dibutuhkan terlalu besar. selain itu proses penurunan kemampuan baterai selama proses pengisian/pengosongan dapat mengurangi masa pakai baterai. Superkapasitor muncul sebagai komponen pelengkap perangkat penyimpanan untuk menutupi kekurangan baterai. Perkembang tentang HESS terus mengalami kemajuan salah satu penelitian yang dilakukan oleh Unversitas
6
Muhammdiyah Malang yang di aplikasi dari HESS adalah pada Sprot Utility Vehicle (SUV).
2.2 Motor DC Brushless
Motor DC Brushless saat ini digunakan pada kendaraan listrik berdaya rendah karena keandalan, efisiensinya dan memiliki torsi dan kecepatan yang serupa karakteristik untuk motor DC. Karena pergantian elektronik dan tidak adanya kuas motor brushless membutuhkan perawatan yang lebih rendah dan memiliki masa pakai yang lebih lama dari pada motor motor DC yang bersikat.
Umpan balik dari sensor hall sering kali digunakan untuk mengatur pergantian dan kontrol hysteresis dikerjakan untuk menjaga arus dan nilai rata-rata arus digunakan untuk mengontrol torsi dalam motor DC brushless[7]. Dari beberapa keunggulan yang menjadi alasan untuk digunakkan pada kendaraan listrik diantara lain mempunyai komutator elektris yang menganti brush sehingga menghasilkan efisiensi yang cukup tinggi, pemeliharan yang cukup sederhana dan emisi suara cukup rendah. Sensor Hall-effect berfungsi sabagai pembaca posisi rotor prinsip dasar kerja brushless DC itu sendiri hampir mirip dengan motor DC konvensional lain yang mebedakan hanya di satator mempunyai gulungan tiga fasa dan pada rotor memiliki kutub magnet. Dari bentuk kompen yang digunakkan pada motor brushless sering dibilang mirip dengan motor AC atau magnet permanen namun ada perbedan yaitu pada back-EMF untuk motor AC gelombang berbentuk sinusoidal sedangakan brushless DC memilik kesamaan bentuk gelombang dengan DC motor biasa yaitu trapezoidal.
Gambar 2.1 Konstruksi Motor Brushless DC
7
Sistem dasar kerja motor DC brushless yaitu komutator mekanis digantikan dengan rangkaian switch. Komutasi tercipat adanya rangkaian inverter yang terhubung dengan kumparan stator oleh karena itu tidak dibutuhkan sikat motor sebagai komutasi. Arah rotasi motor dan pangaturan kecepatan bisa diatur dengan sensor posisi rotor dan kontrol yang digunakan. Komponen utama DC brushless ada dua diantaranya rotor dan stator dimana rotor merupakan bagian yang bergerak di motor terdiri dari permanen magnet dan stator sendiri merupakan bagian yang statis seperti jangkar kumparan. DC brushless mempunyai dua jenis outrunner dan inrunner yang membedakan dari kedua jenis ini hanya penepatan rotor.
Jenis outrunner torsi yang dihasilkan lebih besar tetapi kecepatan lebih rendah karena permanen magnet lebih banyak dan jenis inrunner penepatan stator berupa slot yang berisi belitan berada dibagian luar dari permanen magnet.
Gambar 2.2 Brushless DC Outruneer.
Gambar 2.3 Brushless DC Inrunner.
8 2.2.1 Sistem Kerja BLDC Motor
BLDC motor bisa beroperasi saat stator yang berbentuk kumparan dikirimkan arus tiga phase. Respon arus yang mengalirin kumparan tersebut menimbulkan medan meganet (B) pada stator :
Gambar 2.4 Medan Magnet Solenoida.
𝐵 =
𝜇 𝑁 Ι2 𝜄
(2.1)
N mewakili dari total lilitan, i melambangkan arus, panjang lilitan diwakili I dan 𝜇 yaitu bahan permeamilitas. Akibat arus yang dikirimkan merupakan arus AC sinusoidal 3 phase, polarisasi dan jumlah medan magnet pada kumparan akan selalu berubah-ubah setiap waktu. Karena ada perubahan besar medan magnet dan polarisasi setiap kumparan yang menciptakan medan putar magnet dengan kecepatan.
𝓃
𝑠=
120 𝑓𝑝
(2.2)
f arus input frekuensi dan p mewakili nilai pole rotor.Medan putar magnet stator muncul karena perubahan polaritas stator U, V, dan W berubah-ubahnya ini terjadi karena ada arus yang dikirim ke stator merupakan arus AC yang mempunyai polaritas selalu berbeda-beda.
Gambar 2.5 Tegangan Stator BLDC
9
Dari gambar 2.5 bisa dilihat disaat stator U dikirimkan tegangan negatif akan muncul polaritas negatif pada medan megnet begitu sebaliknya V dan W ketika dikirimkan tegangan positif maka akan muncul polaritas positif. Karena adanya polaritas yang berbeda-beda diantara medan magnet kumparan stator dan rotor magnet bagian positif rotor magnet berputar menuju magnet stator U, sementara bagian negatifnya berputar menuju medan magnet stator V dan W. karena tegangan yang dikirimkan sinusoidal AC, stator medan magnet U, V, dan W maka polaritasi selalu berganti-ganti dan besar perubahnya tegantung dengan arus AC sinusoidal.
2.3 Pengendalian Motor BLDC
Pada penelitian kali ini mepergunakan sistem six step sebagai pengoperasian BLDC motor.
2.3.1 Six Step Sistem.
Sistem enam langkah atau six step salah satu sistem yang sering digunakan untuk pengoperasian motor komersial BLDC sistem ini banyak dipergunakan karena cukup sederhana dan mudah diaplikasikan. Tetapi sistem ini mempunyai kelemahan dianatarnya rugi-rugi daya tinggi, arus rms dihasilkan cukup tinggi dan bising. Hal itu terjadi akibat PWM yang ingin dicapai dalam sistem ialah square PWM dimana frekuensi tertentu yang bisa membuat gelombang AC yang membentuk square atau trapezoid. Dari hasil dua gelombang yang diciptkan maka timbul gelombang harmonic.
Sistem ini dinamakan six step atau enam langkah lantaran mampu mewujudkan gelombang square atau trapezoid yang hampir mirip dengan gelombang sinusoidal, dipakai square PWM yang terdiri dari 6 bagian yaitu dua positif, dua negatif dan dua floating. Masing-masing besarnya bagian 60 derajat gelombang sinusoidal. Waktu loating di algoritma ini ialah dimana waktu ketika gelombang sinusoidal terpotong pada titik 0.
10
Gambar 2.6 Gelombang PWM Six step.
Untuk mencapai sebuah gelomdang square tiga fase atau trapezoid gelombang, dipergunakan tiga buah six step algoritma yang mempunyai perbedaan di setiap 1 step masing-masing (60 derajat) diantara algoritma satu sama lain.
2.4 Sistem Pendeteksi Transformasi Komutasi
Motor BLDC bisa terkendalikan dengan baik (konstan torsi dan kecepatan), dibutuhkan suatu pemilihan waktu yang tepat untuk perubahan komutasi. Jika pemilihan waktu pengubahan komutasi tidak sesuai, BLDC motor bisa terjadi suatu hal yang tidak diingikan yaitu slip. Jika slip ini terjadi maka berpengaruh pada BLDC motor diantaranya torsi motor menjadi tidak konstan dan pengaruh pada kecepatan motor. Suatu hal ini bisa terjadi ketika BLDC motor bergarak dengan kecapatan yang cukup tinggi maka terjadi suatu hal yang tidak diinggikan yaitu slip maka motor bisa berhenti dalam putar dan kemungkian kedua kecepatan mengalami penurunan. Dalam memutuskan waktu komutasi bisa menggunakan dua sistem yang sering dipakai diantarnya memakai sensor dan sistem sensorless. Penggunaan sensorlee diaplikasi dengan sistem pendeteksi zore crossing dan BEMF disaat fase BLDC motor sedang dikondisi floating yang hanya bia terjadi di sistem enam langkah yang dipakai. Sistem yang kedua dengan memakai sensor hall dan encoder dari kedua sensor ini memiliki kekurangan dan keunggulan masing-masing dan sistem sensorless sendiri tidak bisa diaplikasikan pada kecepatan yang rendah.
Suatu hal ini bisa terjadi karena tegangan yang diinduktasi ke kumparan bukan aliran (floating) arus dan tidak bisa dideteksi karena nilai yang dihasilkan cukup rendah dan sistem ini tidak bisa diaplikasi pada pengendali sinusoidal disebabkan tidak ada situasi floating di satu fase sekali pun. Keunggulan dari sistem ini ialah secara detail fisik tidak terlalu dibutuhkan dan lebih murah disebabkan tidak
11
memakai sensor tambahan. Sementara yang menggunakan sensor mempunyai keunggulan diantarnya bisa diaplikasikan pada kedua sistem pengendali dan BLDC motor pada berputar dengan kecepatan yang cukup rendah.
2.4.1 Hall Sensor.
Suatu cara untuk menentukan waktu perubahan komutasi dengan tepat ialah dengan memakai tiga hall sensor. Biasanya tiga hall sensor ini terpisahkan 1200 satu sama lain meskipun disuatu waktu tertentu tidak. Maksud dari waktu tertentu ini ialah BLDC motor mempunyai jumlah pole yang cukup banyak sekitar enam pole diatas. Keunggulan memakai hall sensor ini ialah penempatan sensor dipertama tidak perlu tepat di posisi rotor untuk BLDC motor dengan pole yang tidak sana maka bisa menggerakkan posisi hall sensor itu sendiri. Kekurangan hall sensor ialah ketika posisi hall sensot tidak sesuai satu sama lain, contohnya dua pole tidak tepat 1200 satu sama lain, salah dalam menentukan waktu komutasi bisa terjadi tidak tercapainya enam kombinasi yang berbeda jika penempatan salah satu atau tiga hall sensor ini tidak terlampau jauh dengan penempatan hall sensor yang semestinya.
Dengan memakai tiga buah hall sensor maka akan mendapatkan enam kombinasi yang selalu berbeda-beda, enam perpaduan ini meperlihatkan watku komutasi.
Disaat tiga buah hall sensor mendapatkan perpaduan tertentu, PWM sinyal disuatu step wajib merubah dengan perpaduan yang dihasilkan.
Gambar 2.7 Pergantian PWM Sinyal dan Hall Sensor
12
Dari gambar diatas disaat hall sensor membentuk suatu perpaduan tertentu PWM sinyal mengikutin perpaduan yang telah diatur,contohnya perpaduan hall sensor membentuk 101, dan PWM sinyal A dan B menyala kondisi C mengalami floating, perpaduan 001, PWM sinyal A dan C menyala kondisi B mengalami floating, dan selanjutnya. Floating ini hanya bisa didapatkan di sistem PWM enam langkah atau sering disebut degan six-step, ketika disistem sinusoidal PWM, floating salah satu waktu dimana sinusoidal sinyal dari positif berubah menjadi negatif atau bisa juga terbalik melintasi angkat 0.
2.5 PWM (Pulse Width Modulation).
PWM kepanjang dari Pulse Width Modulation merupakan cara manipulasi lebar suatu sinyal yang digambarkan dengan pulse dalam satu periode, agar membentuk tegangan dengan nilai rata-rata beda. Ada beberapa sempel pengaplikasian sinyal PWM diantarnya modulasi data pada telekomunikasi, pengaturan tegangan atau daya yang masuk pada beban tegangan regulator, penguatan dan effect audio berserta sistem-sistem lainnya. PWM sinyal bisa memiliki frekuensi dan amplitude yang desarnya tetap, tetapi mempunyai lebar pulsa yang bermacam-macam. Sinyal amplitudo asli yang belum termodulasi berbanding lurus dengan lebar pulsa PWM. Berarti PWM sinyal memiliki gelombang frekuensi yang tetap, tetapi duty cycle bermacam-macam diantara 0%
sampai dengan 100% yang ditunjukkan pada gambar 2.8
Gambar 2.8 PWM Sinyal.
𝑇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑇𝑜𝑛+ 𝑇𝑜𝑓𝑓 𝐷 = 𝑇𝑜𝑛
𝑇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (2.4)
𝑉𝑜𝑢𝑡= 𝐷 × 𝑉𝑖𝑛
13 𝑉𝑜𝑢𝑡= 𝑇𝑜𝑛
𝑇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 𝑉𝑖𝑛 Keterangan :
𝑇𝑜𝑛 = Pulsa High 𝑇𝑜𝑓𝑓 =Pulsa Low
𝐷 = Duty cycle ialah lama pulsa high dalam satu periode
Dari penjelas diatas dapat diketahui bawasannya perubahan duty cycle dapat merubah outout tegangan atau rata-rata tegangan yang dihasilkan bisa dilihat pada gambar 2.9 yang megambarkan duty cycle selalu berbeda pada pulsa PWM sinyal.
Gambar 2.9 Duty Cycle Berbeda-beda Pada Pulsa PWM.
Sinyal PWM sendiri merupakan salah satu cara untuk menemukan sinyal analog dari suatu digital piranti. Sebetulnya PWM sinyal dibuat dengan berbagai macam cara, dengan analog memakai IC op-amp atau secara digital. Ketika memakai sinyal analog maka setiap perubahan yang dihasilkan dari PWM sinyal lebih halus, dan ketika memakai digital setiap perubahan akan berpengaruh pada resolusi PWM sendiri. Resolusi merupakan jumlah variasi angka atau nilai perubahan didalam PWM itu sendiri. Contoh sinyal PWM mempunyai resolusi delapan bit yang berarti sinyal PWM memiliki perubahan bervariasi sebanyak 256 kali variasi dari 0 sampai dengan 225 perubahan angka yang diwakili duty cycle
14
dari 0% sampai dengan 100% dari keluran PWM tersebut yang bisa dilhat pada gambar 2.10[8]
Gambar 2.10 Pulsa PWM.
2.6 Three Phase Inverter
Inverter adalah proses yang mengubah input DC menjadi output AC menggunakan keluaran arus, tegangan dan frekuensi yang diinginkan. Sirkuit inverter daya listrik dapat melakukan jenis ini perubahan. Istilah penguat tegangan dan penahan arus digunakan sebagai bagian dari referensi untuk power inverter listrik sirkuit. Inverter daya listrik berkelanjutan tegangan adalah satu di mana tegangan atau arus input DC pada dasarnya adalah konsisten dan bebas dari arus beban tegangan. Namun, inverter membawa tegangan beban melalui arus struktur tegang diperbaiki oleh beban sebuah tenaga listrik inverter sumber, di mana bentuk gelombang AC keluaran adalah sinus gelombang atau jenis lain dari bentuk gelombang tegangan. Hasil bentuk gelombang tegangan tetap tidak terpengaruh dengan beban inverter. Tiga fase, inverter multi-level mati menjadi sangat menarik bagi perusahaan komersial sistem aplikasi karena peringkat arusnya yang tinggi, peringkat tegangan dan efisiensi tinggi. Pada inverter ini, kinerja keseluruhan sangat efisien karena sistem menghasilkan kurang harmonis, switching loss dan biaya rendah[9].
15
Gambar 2.11 Inverter Tiga phase
Keluaran dari inverter dipergunakan sebagai sumber tegangan AC tiga phase bagian dari BLDC motor. Masukan inverter ini berupa DC tegangan yang bisa dilihat pada gambar 2.11. Berdasarkan fungsinya inverter tiga phase yaitu merubah tegangan DC menjadi tegangan AC pada umumnya inverter yang sering dipakai ialah VSI dengan nilai tegangan yang sesuai yang diinggikan dan nilai arus berubah-ubah setiap waktu berbedasarkan beban. Inverter tiga phase mempunyai enam switch dengan masing-masing komposisinya S1, S3, S5 mewakili phase positif dan S2, S4, S6 merupakan bagian phase negatif. Ada sebuah aturan agar tidak terjadi hubungan singkat pada DC sumber dan keluaran tegangan AC aturnya yaitu dilarang mengobinasikan menghidupkan bersaman switch S1-S4, S3-S6 dan S5-S2. Rasio duty cycle yang dimiliki setiap switch 50% dengan jeda penyalaan masing-masing switch yaitu 600. Maka terbentuklah six-step atau enam langkah pada keluaran tegangan line to neutral yang dihasilkan dari switching disetiap periode maka biasa disebut dengan six-step inverter.
2.7 Kontroler.
Kontroler dalam sebuah sistem kontrol mempunyai kontribusi yang besar terhadap perilaku sistem. Hal itu disebabkan oleh tidak dapat dirubahnya komponen penyusun sistem tersebut. Artinya, karakteristik plant harus diterima sebagaimana adanya, perubahan perilaku sistem hanya dapat dilakukan melalui penambahan kontroler. Salah satu fungsi kontroler adalah mengurangi sinyal error, sinyal error adalah perbedaan nilai setpoint dengan nilai output plant. Setpoint adalah nilai referensi atau nilai yang diinginkan, sedangkan output plant adalah nilai aktual yang
16
terukur pada output plant. Semakin kecil nilai sinyal error maka kinerja sistem kontrol dinilai semakin baik. Prinsip kerja kontroler adalah membandingkan nilai output plant dengan nilai setpoint, menentukan nilai kesalahan dan akhirnya menghasilkan sinyal kontrol untuk meminimalkan kesalahan.
2.7.1 Sistem Kontrol Kecepatan.
Sirkuit pengontrol sangat penting untuk mengoperasikan dan mengontrol kecepatan motor BLDC. Ada banyak jenis kontrol kecepatan sistem yang dikembangkan untuk pengontrol tetapi pengontrol kecepatan memiliki untuk memodernisasi seiring perkembangan waktu. Namun, pada umumnya diklasifikasikan sebagai loop tertutup dan sistem kontrol loop terbuka, masing- maing loop tertutup digunakan untuk akurasi tinggi sistem kontrol. Dalam hal ini loop internal digunakan untuk menyetel dan merasakan catu daya polaritas dan loop eksternal digunakan untuk mengontrol kecepatan kontrol kecepatan motor membantu menyesuaikan tegangan DC bus.Untuk mengontrol sistem, pasokan DC diperlukan dan nilainya tergantung pada kecepatan motor (rpm) dan kapasitasnya Sistem ini juga membutuhkan pengontrol, dalam hal ini pengontrol PID adalah digunakan yang pada akhirnya mengontrol tegangan output inverterSebuah sensor adalah bagian integral dari pengontrol loop tertutup untuk mengendalikan kecepatan motorfungsi utama dari sensor adalah untuk mengubah posisi fisik dan kondisi poros motor[10].
2.7.2 Proporsional-Integral-Derivative (PID)
PID kontrol salah satu kontroler untuk memastikan suatu sistem instrumentasi dengan karakter PID yang mempunyai sebuah upan balik disuatu sistem. PID kontrol merupakan suatu kontroler konvensional yang sering diaplikasikan di dunia industri. PID kontrol akan memberikan suatu respon kepada plant bermodalkan besar kesalahan yang diberikan. Kesalahan merupakan perbedaan antar setpoin dengan keluaran pengaturan sistem. Gambaran rancangan kontrol PID yang dipergunakan pada plant BLDC motor disajikan pada gambar 2.12.
17
Gambar 2.12 Rangkaian PID kontrol.
Persamaan kontrol PID ialah :
𝑚𝑣 = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖∫ 𝑒(𝑡)0𝑡 𝑑𝑡 + 𝐾𝑑𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡
(2.3)
keterangan :
mv(t) : Manipulate variable Kp : konstanta proportional, Ti : time integral
Td : time derivative e(t) : Eror
Komposisi PID kontrol terbagi mejadi tiga macam diantarnya Proportional, Intergral dan Derivative. Dari tiga bagian kontrol ini bisa digunakkan secara bersamaan ataupun sendiri-sendiri yang bergantung kebutuhan kita terhadap respon suatu plant. Pengaruh disetiap pengontrolan dari PID pada loop sistem atau tertutup bisa dilhat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Karakteristik Kontroler Proportional, Integral, dan Derivative
Response Close-Loop
Rise Time Overshoot Setting Time Steady State Error Proportional Down Rise Small change Down
Integral Down Rise Rise Lose
Derivative Small change Down Down Small change
18 2.8 Baterai
Baterai merupakan sebuah sel listrik di mana didalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversible dengan efisiensinya yang tinggi. Yang dimaksud dengan reaksi elektrokimia reversibel adalah didalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia dengan cara proses regenerasi dari elektroda- elektroda yang dipakai yaitu, dengan melewatkan arus listrik dalam arah polaritas yang berlawanan didalam sel[11].
2.8.1 Baterai Kendaraan Listrik
Baterai kendaraan listrik selain sistem khusus baterai traksi yang digunakan untuk kendaraan industri. Baterai untuk kendaraan listrik memiliki ciri khasnya lebih kecil, lebih ringan baterai mengurangi berat kendaraan dan meningkatkan kinerjanya. Dibandingkan dengan cairan bahan bakar, Sebagian besar teknologi baterai saat ini memiliki energi spesifikasi yang jauh lebih rendah, dan ini sering kali berdampak pada jangkauan listrik maksimal kendaraan. Namun, baterai logam- udara punya energi spesifikasi tinggi karena katoda di sediakan oleh oksigen di sekitranya di udara.
2.8.2 Perbandingan Baterai
Tabel 2.2 Perbandingan Baterai
NO Jenis Baterai Keuntungan Baterai Kerugian Baterai 1. Lithium-ion
Battery(Li-ion)
Kepadatan energi tinggi Siklus hidup tingkat daya tingggi
Waktu berjalan lebih lama.
Efisiensi tinggi
Mahal.
Teknologi tidak benar dikembangkan
2. Lead-Acid (Li-S) Kepadatan daya tinggi Efisiensi sedang
Kepadatan energi rendah
19
Ketahanan 15amp hours Dapat diandalkan dan murah.
Pemeliharaan yang tinggi
Variasikan tipe besar dan lama.
3. Nickel
Cadmium(Ni-cd)
Siklus hidup yang baik Tersedia dalam berbagai ukuran
Tegangan output yang dihasilkan redah Mahal dan beracun 4. Nickel-Metal
Hydride(Ni-MH)
Energi berkapasitas tinggi Ukuran sama
Pengisian daya yang lebih kompleks Pengosongan sendiri tinggi
Dari perbandingan baterai diatas maka dapat dilihat bawah baterai Lithium- ion memiliki parameter performa yang baik dibandingkan jenis baterai lain untuk kendaraan listrik. Baterai dengan tipe Lithium-ion memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi, massa hidup yang lebih lama dan kepadatan daya yang lebih tingggi dari pada kebanyakan lainnya baterai praktis. Faktro rumit termasuk keamanan, daya tahan, kerusakan termal dan biaya. Baterai Lithium-ion harus digunakan dalam kisaran suhu dan voltase yang aman beroperasi dengan aman dan efisien[12].
2.9 Superkapasitor
Superkapasitor merupakan komponen elektronika yang memiliki kemampuan untuk menyimpan, melepaskan muatan dan mengalirkan daya dengan intensitas tinggi dalam waktu yang singkat. Superkapasitor merupakan salah satu komponen penyimpanan energi dengan sebutan elektro-kimia yang diteliti oleh Robert A.Rightmire dan ditemukan di Standart Oil company of Ohio(SOHIO) pada tahun 1962. Superkapasitor menyimpan energi secara elektrostatis melaui polarisasi terhadap elektrolit. Ketika tegangan dihantarkan pada elektroda positif dan negatif, ion pada elektrolit akan terpikat pada muatan elektroda yang tidak sejenis. Muatan yang terpikat pada muatan elektroda yang tidak sejenis akan membentuk suatu lapisan antara separator dan permukaan elektroda yang disebut
20
dengan lapisan Helmholtz yang hanya memiliki 1-2 ketebalan molekular. Sehingga terdapat jarak antara dua muatan yang berbeda pada setiap elektrodanya semakin tipis serta menggunakan elektrolit aktif terhadap aliran listrik sebagai media perpindahan ion.
Hal ini yang menyebabkan superkapasitor memiliki keunggulan dengan nilai satuan kapasitansi yang dapat mencapai 103 F. Hubungan antar parameter kapasitansi C, luas permukaan elektroda 𝑆, dan jarak antar muatan 𝑑 dengan pertimivitas elektrolit 𝜀 dapat diformulasikan sebagai:
𝐶 = 𝜀 (𝑠
𝑑) (2.5)
Dengan luas permukaan elektroda yang tinggi, maka kapasitansi superkapasitor juga akan semakin besar. Sedangkan nilai kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak antar muatan yang berbeda pada lapisan Helmholtz yang sangat tipis, sehingga dengan semakin kecilnya jarak antar muatan semakin tinggi nilai kapasitansi. Kapabilitas elektrolit juga mempengaruhi kualitas dari superkapasitor sebagai media transfer muatan antar elektroda, semakin konduktif elektrolit yang digunakan, semakin aktif dalam proses transfer muatan.
Hal ini berdampak pada beberapa kapabilitas superkapasitor lebih baik dibandingkan kapasitor konvensional dan baterai. Jika dibandingkan dengan baterai, superkapasitor memiliki kerapatan daya lebih tinggi dan siklus hidup yang lebih panjang, sedangkan jika dengan kapasitor konvensional dalam hal kapasitansi dan keandalannya superkapasitor memiliki kapabilitas lebih baik.
2.9.1 Pemodelan Internal Superkapasitor
Pemodelan superkapasitor memiliki tujuan untuk mengetahui model elektris yang tepat untuk merepresentasikan konstruksi internal superkapasitor.
Sehingga dalam pemodelan internal superkapasitor memiliki beberapa kebutuhan utama sebelum merancang model rangkaian ekivalennya, yakni:
1. Struktur model rangkaian ekivalen seharusnya berhubungan dengan konstruksi fisik superkapasitor, namun sesedeharna mungkin agar lebih mudah dirancang.
21
2. Model rangkaian ekivalen seharusnya mendeskripsikan kondisi optimum superkapasitor dengan akurasi yang sangat baik.
3. Nilai parameter model rangkaian ekivalen didapatkan dari pengujian terminal superkapasitor.
2.9.2 Komponen Rangkaian Ekivalen RC
Berdasarkan pada teori double layer yang dikemukakan Helmholtz pada tahun 1853 bahwa superkapasitor secara teoritikal dapat direpresentasikan sebagai rangkaian ekivalen yang terdiri dari resistor (R) dan kapasitor nonlinear (C) sehingga dikenal juga sebagai rangkaian ekivalen RC. Maka rangkaian ekivalen dari superkapasitor merupakan representasi atas dua sifat internal yaitu resistansi yang dilambangkan resistor (R) dan kapasitansi yang dilambangkan kapasitor (C).
Nilai komponen resistor yang merupakan representasi dari sifat resistansi material pada rangkaian ekivalen berlaku sebagai representasi dari beberapa parameter yakni :
1. Resistansi material elektroda 2. Resistansi material elektrolit 3. Ukuran pori pori
4. Porositas membran
5. Kualitas penampang elektroda
Selain nilai komponen resistor, rangkaian ekivalen dari superkapasitor juga terdiri atas komponen lainnya yakni komponen kapasitor. Nilai kapasitor merupakan representasi dari komponen dasar dari superkapasitor yang memiliki sifat kapasitif sehingga dilambangkan dengan komponen kapasitor[13]. Berikut pemodelan superkapasitor dengan rangkaian ekivalen komponen RC yang terdiri atas dua jenis model kapasitansi pada Gambar 2.8.
22
Gambar. 2.13 Rangkaian Ekivalen dengan Dua Jenis Model Kapasitansi: (a) Model Kapasitansi Konstan, (b) Model Kapasitansi Variabel.
2.9.3 Spesifikasi Superkapasitor
Spesifikasi superkapasitor diberikan pada tabel 2.3 dua belas jumlah sel superkapasitor dihubungkan secara seri untuk mencapai tegangan maksimum pada tegangan rendah. Persyaratan kapasitansi minimum superkapasitor untuk kecepatan maksimum kendaraan dapat dihitung dari relasi :
1
2𝐶𝑈𝐶[𝑉𝑈𝐶2 −𝑚𝑎𝑥− 𝑉𝑈𝐶2 −𝑚𝑖𝑛] × No. of series cell
=1
2𝑚𝜗𝑚𝑎𝑥2
𝐶𝑈𝐶 = 1141F
(2.6)
Dimana 𝐶𝑢𝑐 adalah kapasitansi superkapasitor dari UC; 𝑉𝑢𝑐−𝑚𝑎𝑥 adalah tegangan superkapasitot maksimum dan 𝑉𝑢𝑐−𝑚𝑖𝑛adalah tegangan superkapasitor minimum, oleh karena itu superkapasitor dengan kapasitansi yang di pilih harus tetap. Karena, superkapasitor harus menyediakan daya yang cukup selama inisial percepatan permintaan, arus rata-rata superkapasitor dihitung sebagai berikut :
𝑖UC ( ace ) =[
𝑘𝑊×103
𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚+𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚𝑘𝑊×103]
2 = A (2.7)
Jadi, kapasitansi total bank superkapasitor sabagai : 𝑑𝑣 = 𝑖𝑈𝐶 × 𝑑𝑡
𝐶Total+ 𝑖𝑈𝐶× 𝑅Total
𝐶Total= F (2.8)
𝑑𝑣 adalah perbedaan tegangan, 𝑖𝑈𝐶 adalah arus rata-rata, 𝑑𝑡 adalah perbedaan waktu, 𝐶Total adalah kapasitansi total superkapasitor,dan 𝑅Total resistansi internal total[14].
23 2.10 Buck-Boost Konverter
Konverter memiliki berbagai jenis topologi dasar diantaranya konverter Boost (Step Up), Buck (Turun), Buck-Boost (naik-turun), peracangan sistem buck- boost membutuhkan pengetahuan tentang perilaku sistem, biasanya melibatkan matematika deskripsi hubungan antara input ke proses, variabel keadaan dan output. Deskripsi ini berupa persamaan matematika yang menggambarkan perilaku sistem disebut model sistem menggunakan gambar 2.14 kita dapat menemukan persamaan diferesial Ketika switch closed[15].
Gambar 2.14 Sirkuit Buck-Boost 𝐶𝑑𝑉𝐶
𝑑𝑡 = − 𝑉𝐶
𝑅+𝑅𝐶
𝐿𝑑𝐼𝐿
𝑑𝑡 = 𝑉𝐸− (𝑅𝐿+ 𝑅𝑃)𝐼𝐿} , 0 < 𝑡 < 𝑑𝑇 (2.9) Persamaan ruang keadaan berdesarkan sistem sebelumnya dari persamaan dapat direpresentasikan :
𝑥̇(𝑡) = 𝐴𝑧𝑥(𝑡) + 𝐵𝑧𝑉𝐸(𝑡)
𝑉ℎ(𝑡) = 𝐶𝑧𝑥(𝑡) (2.10)
Keterangan :
𝐴 = [
1
𝐶(𝑅+𝑅2) 0 0 𝑅𝐿+𝑅𝑟
𝐿
] 𝐵𝑖 = [0
1 𝐿
] 𝐶𝑧 = [ 𝑅
𝑅+𝑅0] (2.11) Dan Ketika dibuka persamaan diferesialnya menjadi :
24 𝐶𝑑𝑉𝑐
𝑑𝑡 = − 𝑉𝑐
(𝑅+𝑅𝑒)+ 𝑅
(𝑅+𝑅𝑐)𝐼𝐿 𝐿𝑑𝐼𝐿
𝑑𝑡 = − 𝑅
(𝑅+𝑅𝑐)𝑉𝑒+ (𝑅𝑐||𝑅 − 𝑅𝐿− 𝑅𝐷)𝐿} , 𝑑𝑇 < 𝑡 < 𝑇 (2.12) Persamaan ruang keadaan baru :
𝑥̇(𝑡) = 𝐴𝑜𝑥(𝑡) + 𝐵𝑜𝑉𝐸(𝑡)
𝑉𝑛(𝑡) = 𝐶∞𝑥(𝑡)
(2.13) Dimana :
𝐀 = [
1 𝑞(𝑅+𝑅)
𝑅 𝐶(𝑅+𝑅) 𝑅
𝐿(𝑅+𝑅)
𝑅𝑐∥𝑅−𝑅𝐿−𝑅𝐷 𝐿
] 𝑩𝑜 = [0
0] 𝐶 = [ 𝑅
𝑅+𝑅 𝑅𝑐∥ 𝑅] (2.14) Salah satu strategi untuk mendapatkan model matematika pengenalan siklus tugas, ini pendekatan memungkinkan menggabungkan persamaan keadaan untuk dua kasus sebelumnya menurut prinsip model rata-rata dalam ruang keadaan. Pada kesempatan ini nonlinier yang disebabkan oleh switch diatasi dan model equivalent sistem ruang keadaan diperoleh:
𝒙̇(𝑡) = 𝑨𝑥(𝑡) + 𝑩𝑉𝐸(𝑡)
𝑉𝑅(𝑡) = 𝐶𝒙(𝑡) (2.15)
Dimana :
𝐴 = [
1 𝐶(𝑅+𝑅𝑐)
𝑅(1−𝑑) 𝐶(𝑅+𝑅𝑐) 𝑅(1−𝑑)
𝐿(𝑅+𝑅𝑐)
(1−𝑑)(𝑅𝑐∥𝑅−𝑅𝐷)−𝑅𝐿−𝑑𝑅𝑝 𝐿
]
𝑩 = [0
𝑑 𝐿
] 𝐶 = [ 𝑅
𝑅+𝑅𝑐(1 − 𝑑)𝑅𝑐 ∥ 𝑅]
(2.16)
Menerapkan transformasi laplace ke sistem sebelumnya, kita memperoleh fungsi transfer antara nilai input dan output :
𝐺(𝑠) =𝑉𝑅(𝑠)
𝑉𝐸(𝑠)= 𝑑(1−𝑑)
𝐿𝐶(1+𝛼𝐶)
𝐶𝛼𝐶⋅𝑠+1 𝑠2+ 1
1+𝛼Σ(1 𝑅𝐶−𝑅𝛽
𝐿)∗𝑠+ 1
𝐿𝐶(1+𝛼𝐶)2((1−𝑑)2−𝛽) (2.17) Dimana :
25 𝑑 = 1−𝛼𝐶+𝛼𝐿(1+𝛼𝐶)−√𝛼𝐿(1+𝛼𝐶)(1−𝛼𝐶+𝛼𝐿(1+𝛼𝐶
)) 1−𝛼𝐶
𝛼𝐿 =𝑅𝑅𝐿, 𝛼𝐶 = 𝑅𝑅𝐶, 𝛼𝐷 = 𝑅𝑅𝐷, 𝛼𝑆 = 𝑅𝑅𝑆
𝛽 = (1 − 𝑑)(𝛼𝐶− 𝛼𝐷) − (𝛼𝐿+ 𝑑𝛼𝑃)(1 + 𝛼𝐶)
(2.18)
Amplifikasi tegangan dalam kondisi steady state : 𝑀 = 𝑑
1−𝑑 1+𝛼𝐶 1− 𝛽
(1−𝑑)2
(2.19)
Persamaan kontroler dasar untuk PID : 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝐾𝑑𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡 (2.20)
Dan fungsi alihnya adalah : 𝐶(𝑠) =𝑈(𝑠)
𝐸(𝑠) = 𝐾𝑝+𝐾𝑖
𝑠 + 𝐾𝑑𝑠 = 𝐾𝑝(1 + 1
𝑠𝑇𝑖+ 𝑠𝑇𝑑) (2.21)
Dimana 𝐾𝑝, 𝐾𝑖, dan 𝐾𝑑 adalah proportional, integral dan differential keuntunggan masing-masing, dan konstanta
𝑇𝑖= 𝐾𝑝
𝐾𝑖 and 𝑇𝑑 =𝐾𝑑
𝐾𝑝 (2.22)
Gambar 2.15 Kontrol PID Buck-Boost Konverter
Sinyal kontrol memasuki generator pulsa dan melewatinya mempengaruhi panjang peralihan switch dalam beralih siklus. Level sinyal kontrol adalah secara teoritis dibatasi antara nol dan satu yang dilambangkan dengan limiter dalam rangkaian skematik konverter buck-boost batasan ini memperkenalkan baru yang tidak diperhitungkan Ketika menurunkan model matematika dan fungsi alih sistem tingkat kontrol sinyal diluar jangkauan memiliki batas. Nilai atau sistem menjadi
26
tidak pake terhadap lebih lanjut perubahan sinyal error karena fakta ini kia seharusnya sangat berhati-hati saat menentukan parameter pengontrol.
Karena sinyal pengontrol tidak melebihi satu, untuk keuntungan proporsional maksimum yang dizinkan, mengadopsi nilai keblikan dari tegangan referensi : 𝐾𝑝𝑚𝑎𝑥 = 1
𝑉𝑛′ (2.23)
Untuk mendapatkan keuntungan kritis maksimum akan mengalikan keuntungan yang dizinkan 𝐾𝑝𝑚𝑎𝑥 oleh factor 𝑑 di dalam steady state :
𝐾𝑐𝑟 = 𝑑𝐾𝑝𝑚𝑎𝑥 = 𝑑
𝑉𝑟𝑒𝑓 (2.24)
Periode kritis osilasi 𝑇𝑐𝑟 terkait dengan maksimum periode pengukuran osilasi diperolehkan proporsional 𝐾𝑝𝑚𝑎𝑥 dalam kasus konverter buck-boost itu adalah periode osilasi minimal yang dapat diukur sama sekali dan sesuai dari keluaran.
Diasumsikan bahwa periode ini perkiraan periode kritis sistem dengan memadai akurasi unutk tujuan penyetelan PID yang deberikan oleh :
𝑇𝑐𝑟 = 2𝜋√𝐿𝐶 (2.25)
Menggunakan nilai yang diadopsi untuk 𝑘𝑐𝑟, 𝑇𝑐𝑟 dan Ziegle-Nichols rekomendasi untuk tuning PID tanpa overshoot, parameter yang tidak diketahui dari kontrol PID dapat dievaluasi sebagai berikut:
𝐾𝑝 = 0,2 𝑑
𝑉𝑟𝑒𝑓𝐾𝑖 =2𝐾𝑝
𝑇𝑐𝑟𝐾𝑖 = 𝐾𝑝𝑇𝑐𝑟
3 (2.26)
