RANCANG BANGUN ALAT UKUR SOC (STATE OF CHARGE) DARI BATERAI LITHIUM PADA KENDARAAN LISTRIK BERBASIS ATMEGA 328 SKRIPSI

(1)

LISTRIK BERBASIS ATMEGA 328

SKRIPSI

IRFAN FERNANDEZ MANULLANG 190821009

PROGRAM STUDI S1 FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN 2021

Universitas Sumatera Utara

(2)

LISTRIK BERBASIS ATMEGA 328

SKRIPSI

DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI TUGAS DAN MEMENUHI SYARAT MENCAPAI GELAR SARJANA SAINS

IRFAN FERNANDEZ MANULLANG 190821009

PROGRAM STUDI S1 FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN 2021

(3)

(4)

i

(5)

ii

RANCANG BANGUN ALAT UKUR SOC (STATE OF CHARGE) DARI BATERAI LITHIUM PADA KENDARAAN LISTRIK

BERBASIS ATMEGA 328

ABSTRAK

Kendaraan listrik merupakan salah satu transportasi yang menggunakan baterai dalam operasionalnya. Untuk menjaga baterai agar selalu dalam kondisi yang aman dan baik diperlukan Battery Management System (BMS). BMS merupakan perangkat elektronik yang salah satu tugas utamanya adalah memantau siklus charging - discharging baterai melalui status State of Charge (SoC). Perancangan BMS diperlukan model yang akurat, dengan menggunakan model penuaan baterai, waktu hidup dari sebuah baterai dapat diprediksi secara tepat dengan memperhatikan SoC baterai. Dalam penelitian ini akan dilakukan pencarian model yang akurat untuk BMS, dan diestimasi menggunakan algoritma Kalman Filter. Model baterai Resistor- Capacitor (RC) diaplikasikan untuk membentuk persamaan ke dalam model state space. Model state space memuat persamaan diferensial orde pertama dalam bentuk variabel state. Variabel state dari model baterai RC terdiri dari tiga variabel state VCb, VCs, dan V0. Studi kasus numerik diselesaikan untuk mengestimasi SoC. Selanjutnya untuk mengestimasi SoC secara akurat, Kalman Filter mampu meminimalkan kuadrat errornya. Estimasi dikatakan akurat jika nilai kovarian error estimasi lebih kecil dari kovarian error pengukuran.

Kata Kunci : Battery Management System, State of Charge, model baterai Resistor- Capacitor, state space, Kalman Filter.

(6)

iii

PROTOTYPE OF SOC (STATE OF CHARGE) MESAURING DEVICE FROM LITHIUM BATTRY USE ATMEGA 328 BASED

ELETRIC VEHICLE

ABSTRACT

An Electric Vehicle is one of the transportation that uses a battery on its operations. To keep the battery safe and always in a good condition, it needs a Battery Management System (BMS). BMS is an electronic device that is one of its main tasks is monitoring the cycle of charging-discharging battery through a State of Charge (SoC) status. BMS design needs an accurate model, by using the model of battery aging, the life span of a battery can be predicted accurately by observing the SoC battery. In this work will be conducted an accurate model to BMS, and estimated using Kalman Filter algorithms. The Resistor-Capacitor (RC) battery model is applied to forms the equation into state space models. The state space model loads the first-order of the differen- tial equation in form of a state variable. The state variable of the RC battery model consists three variable state V_Cb, V_Cs and V₀. A numerical case study is done to estimate the SoC. Furthermore,to estimate the SoC accurately, Kalman Filter is able to minimize the root-mean-squared errors.

Keyword: Battery Management System, State of Charge, Resistor-Capacitor bat- tery model, state space, Kalman Filter.

(7)

iv

PENGHARGAAN

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada TUHAN YANG MAHA ESA dengan limpah berkat-Nya penulis masih diberi kesehatan dan kesempatan sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan judul : Rancang Bangun Alat Ukur SOC (State of Charge) Dari Baterai Lithium Pada Kendaraan Listrik Berbasis ATMega 328.

Dari melaksanakan penulisan laporan ini, penulis telah banyak mendapatkan bimbingan dan bantuan dari banyak pihak, baik berupa material dan informasi.

Penulis mengucapkan terimakasih kepada orangtua penulis yaitu Bapak P.Manullang dan Ibu R.Hutasoit yang senantiasa memberi dukungan baik semangat, materi dan, doa. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada:

1.Ibu Dr. Nursahara Pasaribu, M.Sc selaku Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara.

2.Bapak Dr.Perdinan Sinuhaji, MS selaku Ketua Program S-1 Fisika Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara.

3.Bapak Drs. Kurnia Brahmana, M.Si selaku Dosen Pembimbing yang telah membimbing dan mengarahkan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

4.Seluruh staf Pengajar/Pegawai Program Studi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara.

5. Teman-teman ku yang tidak bisa disebutkan satu persatu, yang selalu mensupport yang telah memberi bantuan dan semangat dalam penyelesaian tugas akhir ini.

Penulis menyadari bahwa penyusunan tugas akhir ini masih terdapat banyak kekurangan dan kelemahan. Akhir kata, semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi rekan-rekan Mahasiswa/i dan pembaca sekalian demi menambah pengetahuan.

Medan, Juli 2021

Irfan Fernandez Manullang

(8)

v DAFTAR ISI

Halaman

PENGESAHAN TUGAS AKHIR i

ABSTRAK ii

ABSTRACT iii

PENGHARGAAN iv

DAFTAR ISI v DAFTAR TABEL vi DAFTAR GAMBAR vii BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Rumusan Masalah 2 1.3 Tujuan Penelitian 2

1.4 Batasan Masalah 2

1.5 Manfaat Penelitian 2 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Baterai 3

2.1.1 Baterai Primer 3

2.1.2 Baterai Sekunder 4 2.1.3 Baterai Lithium 4

2.1.4 Perinsip Kerja Baterai Lithium 5

2.1.5 Kondisi Charge dan Discharge 7

2.1.6 Muatan Dalam Suatu Baterai 8

2.1.7 Perangkat Pengukur dan Proteksi Baterai Lithium 9 2.2 Kendaraan Listrik 10 2.2.1 Skuter Matik Listrik 10

2.3 Catu Daya 10 2.3.1 Transformator 11

2.3.2 Penyearah Gelombang Rectifier 11 2.3.3 Penyaring (Filter) 12

2.3.4 Pengatur Tegangan (Voltage Regulator) 12 2.4 Charging Mekanisme 12

2.5 Motor Listrik 14

2.5.1 Perinsip Kerja Motor Listrik 14

2.5.2 Motor Listrik AC 15

2.5.3 Motor Listrik DC 15

2.6 SOC (State Of Charge) 16

2.7 LCD (Liquid Crystal Display) 18

2.8 Sensor Arus ACS712 20

2.9 Sensor Tegangan 21

2.10 Mikrokontroler 22

2.10.1 ATMega 328 23

2.10.2 Komponen Penyusun Milrokontroler 25

(9)

vi

3.1 Diagram Blok Sistem 28

3.2 Rangkaian Mikrokontroller ATMega328 29

3.3 Perancangan Rangkaian LCD (Licud Crystal Display) 29 3.4 Rangkaian Skema Kontroler 30

3.5 Rangkaian Skematik 30

3.6 Flochart Sistem 32 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengujian SOC (State Of Charge) 33

4.2 Hasil Monitoring SOC 34

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan 36

5.2 Saran 36

DAFTAR PUSTAKA 37

LAMPIRAN 39

(10)

vii

DAFTAR TABEL

Nomor Tabel Judul Halaman

2.7 Konfigurasi Pin LCD 19

2.8 Bagian-bagian Pin Sensor ACS712 21

4.2 Hasil Monitoring SOC (State Of Charge) 34

(11)

viii Nomor Gambar

2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.5 2.1.7 2.3.1 2.3.2 2.3.4 2.5.2 2.5.3 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10.1 2.10.2 2.10.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4.1 4.2

Judul Baterai Primer

Baterai Sekunder Baterai Lithium

Kondisi Charge dan Discharge Baterai Lithium

Contoh Rangkaian Pengukur dan Proteksi Baterai

Skema Transformator Step Up dan Step Down Rangkaian regulator

Skema Rangakain Dioda Bridge pada Power Supply

Skema Rangkaian Voltage Regulator Motor Listrik AC

Kontruksi Motor DC

Ketergantungan OCV pada SOC pada suhu yang berbeda

LCD (Licuid Cristal Display) Sensor Arus ACS 712

Sensor Tegangan

Mikrokontroller ATMega 328

Komponen Penyusun Mikrokontroler Tahap-tahap persiapan suatu

mikrokontroler

Diagram Blok Rangkaian

Rangkaian Mikrokontroler Atmega328 Rangkaian LCD

Rangkaian Skema Kontroller

Rangkaian Skematik Minimum Sistem Flowchart sistem

Grafik Tegangan Dari SOC Grafik Kenaikan SOC Baterai

Halaman 4 4 5 8 10 10 11 12 15 16 17 18 20 21 23 25 27 28 29 29 30 31 32 33 35

(12)

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Kebutuhan akan energi listrik dari baterai akan semakin meningkat beriringan dengan perkembangan teknologi elektronik yang ada. Oleh karena itu, energi listrik yang portable (baterai) akan memegang peranan penting dalam perkembangan teknologi di masa depan, dekade terakhir telah melihat banyak minat pada kendaraan listrik seperti Penggerak Listrik Murni (EV), Kendaraan Listrik Hibrida Plug-in (PHEV) dll.

Dengan hadirnya berbagai jenis kendaraan listrik, maka penggunaan baterai akan sangat diperlukan. Baterai yang digunakan pada kendaraan listrik adalah baterai yang mempunyai kemampuan menyimpan energi listrik yang lebih banyak dan dapat di isi ulang, salah satu baterai yang sering digunakan pada kendaraan listri adalah baterai lithium. Baterai lithium merupakan salah satu jenis baterai sekunder (rechargeable battery) yang dapat diisi ulang dan merupakan baterai yang ramah lingkungan karena tidak mengandung bahan yang berbahaya seperti baterai-baterai yg berkembang lebih dahulu yaitu baterai NI-Cd dan Ni-MH.

Karen baterai lithium adalah baterai yang dapat di isi ulang (rechargeable battery), maka dalam proses pengisian ulang pada baterai lithium terdapat sitem yang disebut dengan State of Charge (SoC), sistem tersebut merupakan pemantauan atau pegukuran dalam proses pengisian ulang pada baterai lithium. Sistem tersebut dirancang agar mendapatkan manejemen baterai yang baik, sehingga kondisi baterai dapat dimonitor setiap sel-nya. Perancangan sistem ini pun dirancang agar ketika baterai sudah mencapai kondisi yang buruk, baterai tidak perlu diganti seluruhnya, melainkan hanya salah satu. Pengukuran SoC baterai secara akurat merupakan bagian penting dan menjadi prioritas untuk mengetahui status baterai dan memastikan masa kegunaan baterai selanjutnya. Tugas BMS (Battery Management system) adalah untuk mengetahui SoC baterai secara teliti. Pengukuran SoC secara akurat juga dapat menghindarkan baterai dari kondisi overcharge dan overdischarge, Untuk mengatasi masalah overcharge dan overdischarge maka metode Depth of Discharge (DoD) sangat berkaitan dengan pengukuran SoC. Dalam merancang BMS diperlukan metode yang akurat. Dengan menggunakan model penuaan, waktu hidup dari sebuah baterai dapat diprediksi secara tepat dengan memperhatikan SoC baterai.

(13)

1.2 Rumusan Masalah

Permasalah utama dalam pembuatan Rancang bagun alat ukur SoC (State of Charge) dari baterai lithium pada kendaraan listrik berbasis atemega 328 adalah:

1. Bagaimana mengestimasi SoC (State of Charge) untuk pengisian baterai lithium pada kendaraan listrik ?

2. Bagaimana hubungan antara SoC (State of Charge) dengan siklus hidup pada baterai lithium ?

1.3 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penulisan penelitian ini yaitu sebagai berikut :

1. Dapata mengestimasi State of Charge untuk pengisian baterai lithium pada kendaraan listrik

2. Mengetahui pengaruh sistem kerja alat ukur SoC (State of Charge) dengan siklus hidup pada baterai lithium

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah ini dimaksudkan agar pembahasan dari tugas ahir ini tidak meluas. Adapun batasan masalah ini adalah sebagai berikut:

1. Menentukan SoC (State of Charge) baterai lithium pada kendaraan listrik hanya dilakukan pada skuter listrik

2. Dalam mengestimasi siklus hidup baetrai hanya menggunakan hasil dari pengukuran SoC (State of Charge)

3. Mengestimasi SoC menggunakan algoritma dari Kalman Filter, dengan mengamati besarnya error estimasi dan error pengukuran.

4. Besaran Besaran dalam rangkaian listrik menggunakan rumus yang ada pada umumnya, sehingga tidak dicari nsecara menditail penurunan dari rumus.

1.5 Manfaat Penelitian

Dengan mengacu pada tujuan penelitian, maka manfaat dari penelitian ini adalah:

1. Penelitian ini memberikan pengetahuan tentang pentingnya State of Charge dalam merancang Battery Management system.

2. Penelitian ini dapat menambah pemahaman bahwa ilmu matematika dapat diterapkan dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan. Seperti dalam penelitian ini.

3. Penelitian ini dapat menambah refrensi bagi pengembang baterai.

(14)

BAB 2

LANDASAN TEORI

2.1 Baterai

Baterai adalah perangkat yang mengandung sel listrik yang dapat menyimpan energi yang dapat dikonversi menjadi daya. Baterai menghasilkan listrik melalui proses kimia. Baterai atau akkumulator adalah sebuah sel listrik dimana didalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversible (dapat berkebalikan) dengan efisiensinya yang tinggi. Yang dimaksud dengan reaksi elektrokimia reversibel adalah didalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (proses pengosongan) dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia (proses pengisian) dengan cara proses regenerasi dari elektroda - elektroda yang dipakai yaitu, dengan melewatkan arus listrik dalam arah polaritas yang berlawanan didalam sel.

Baterai terdiri dari dua jenis yaitu baterai yang hanya dapat dipakai sekali saja atau single use dan baterai yang dapat di isi ulang atau rechargeable. Baik baterai primer maupun baterai sekunder, kedua-duanya bersifat mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai primer hanya bisa dipakai sekali, karena menggunakan reaksi kimia yang bersifat tidak bisa dibalik (irreversible reaction). Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang karena reaksi kimianya bersifat bisa dibalik (reversible reaction).

2.1.1 Baterai Primer

Baterai Primer adalah baterai yang tidak dapat diisi kembali oleh muatan listrik.Pada baterai kering yang biasa kita gunakan, elektroda terdiri dari batang karbon positif pada pusat sel dan bejana seng negatif dengan elektrolit jeli ammonium khlorida. Potensial sel kira-kira 1,5 volt. Selama pemakaian, seng secara perlahan-lahan larut ketika arus listrik dihasilkan. Ketika ammonium khlorida jenuh, aliran arus listrik berhenti dan sel harus dibuang. Sel seperti itu dikatakan primer atau tak dapat diisi ulang. Jenis-jenis Baterai yang tergolong dalam kategori baterai primer sekali pakai atau single use diantaranya adalah baterai zinc carbon, baterai alkaline, baterai lithium, dan baterai silver oxide

(15)

Gambar 2.1.1 Batera Primeri

2.1.2 Baterai Sekunder

Pada prinsipnya, cara baterai sekunder menghasilkan arus listrik adalah sama dengan baterai primer. Hanya saja, reaksi kimia pada baterai sekunder ini dapat berbalik (reversible). Pada saat baterai digunakan dengan menghubungkan beban pada terminal baterai (discharge), elektron akan mengalir dari negatif ke positif.

Sedangkan pada saat sumber energi luar dihubungkan ke baterai sekunder, elektron akan mengalir dari positif ke negatif sehingga terjadi pengisian muatan pada baterai.

Jenis-jenis baterai yang dapat di isi ulang rechargeable batteryyang sering kita temukan antara lain seperti baterai Ni-cd (Nickel-Cadmium), Ni-MH (Nickel- Metal Hydride) dan Li-Ion (Lithium-Ion).

Gambar 2.1.2 Baterai Sekunder

2.1.3 Baterai Lithium

Baterai didefenisikan sebagai suatu alat yang dapat mengubah langsung energi kimia menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia. Sel baterai adalah unit terkecil dari suatu sistem proses elektrokimia yang terdiri dari elektroda, elektrolit, separator, wadah dan current colector/ terminal. Komponen terpenting dari sel baterai adalah Elektroda negatif/ anoda, yaitu elektroda yang melepaskan elektron ke rangkaian luar serta mengalami proses oksidasi pada proses elektrokimia.

(16)

Elektroda positif/ katoda, yaitu elektroda yang menerima elektron dari rangkaian luar serta mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia.Penghantar ion/ elektrolit, yaitu media transfer ion yang bergerak dari anoda ke katoda dalam sel baterai saat penggunaan. Fisik elektrolit umumnya berupa cairan/ larutan dimana molekul garam larut didalamnya. Baterai lithium merupakan salah satu jenis baterai sekunder (rechargeable battery) yang dapat diisi ulang dan merupakan baterai yang ramah lingkungan karena tidak mengandung bahan yang berbahaya seperti baterai-baterai yg berkembang lebih dahulu yaitu baterai NI-Cd dan Ni-MH. Baterai ini memiliki kelebihan dibandingkan baterai sekunder jenis lain, yaitu memiliki stabilitas penyimpanan energi yang sangat baik (daya tahan sampai 10 tahun atau lebih), energi densitas tinggi, tidak ada memory effect dan berat yang relatif lebih ringan dibandingkan dengan baterai jenis lain. Sehingga dengan berat yang sama energi yang dihasilkan baterai lithium dua kali lipat dari baterai jenis lain.

Gambar 2.2 Baterai Lithium

2.1.4 Prinsip Kerja Baterai Lithium

Baterai lithium-ion memiliki kemampuan penyimpanan energi tinggi per satuan volume. Energi yang tersimpan merupakan jenis energi elektrokimia. Energi elektrokimia merupakan jenis energi listrik yang berasal dari reaksi kimia yang dalam hal ini terjadi di dalam baterai. Agar bisa berfungsi, setiap sel elektrokimia harus memiliki dua elemen penting yaitu elektroda dan elektrolit. Elektroda terdiri dari dua jenis yaitu anoda dan katoda yang menghantarkan energi listrik (ion). Anoda dihubungkan ke terminal negatif baterai sementara katoda dihubungkan ke terminal positif baterai. Elektroda terendam dalam elektrolit yang bertindak sebagai medium cair untuk pergerakan ion.Elektrolit juga bertindak sebagai buffer dan berfungsi 9 membantu reaksi elektrokimia dalam baterai. Pergerakan elektron dalam elektrolit dan di antara elektroda akan menghasilkan arus listrik. Untuk cara kerja baterai lithium-Ion Anoda dan katoda baterai lithium-ion terbuat dari karbon dan oksida

(17)

lithium. Sedangkan elektrolit terbuat dari garam lithium yang dilarutkan dalam pelarut organik. Bahan pembuat anoda sebagian besar merupakan grafit sedangkan katoda terbuat dari salah satu bahan berikut: lithium kobalt oksida (LiCoO2), lithium besi fosfat (LiFePO4), atau lithium oksida mangan (LiMn2O4). Elektrolit yang umum digunakan adalah garam lithium seperti lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium tetrafluoroborate (LiBF4), dan lithium perklorat (LiClO4) yang dilarutkan dalam pelarut organik seperti etilen karbonat, dimetil karbonat, dan dietil karbonat.

Bahan Baterai Lithium ini secara jenis penggunaannya terbagi lagi menjadi 2 bagian, yaitu Unrechargeable Battery dan Rechargeable Battery a. Sel Primer / Un- rechargeable Battery (Litium Mangan Oksida) Baterai ini tidak dapat diisi ulang, karena logam litium logam reaktif yang dapat meledak, terutama pada suhu yang relatif tinggi. Baterai ini menggunakan logam litium sebagai anoda dan MnO2 sebagai katoda, dengan garam litium (misalnya LiClO4) sebagai elektrolit dalam pelarut bebas air. Cara kerja : Pada anode Litium menerima elektron dari katode, dan menghasilkan potensial reduksi sebesar -3,05 volt. Oleh karena kenegatifannya inilah, litium dimanfaatkan sebagai anode. Kemudian direaksikan dengan Mangan Oksida yang berpotensial reduksi +0,35 volt. Agar reaksi terjadi secara spontan, mangan oksida ditempatkan sebagai katode. Terjadilah proses antara anoda dan katoda akan mengalir arus, yaitu dari kutub positif (anoda) ke kutub negatif (katoda).

Sedangkan elektron akan mengalir dari katoda menuju anoda. Proses ini adalah proses yang terjadi pada sel volta, dimana reaksi kimia dapat menghasilkan energi listrik. Berikut adalah reaksinya (Jika pada kondisi standar) :

(Oksidasi) Anode (–) : Li → 𝐿𝑖+ + e − , Eo = 3,05 V

(Reduksi) Katode (+) : MnO2+ + 𝐿𝑖+ + e − → Li MnO2 , Eo = 0,35 V10 Reaksi Sel : Li + MnO2 → Li MnO2 , Esel = 3,40 V

Berdasarkan hasil reaksi tersebut, baterai Litium menghasilkan potensial 3,4 volt.

Namun pada saat digunakan turun menjadi 2,8 volt. Penurunan potensial seperti ini mungkin saja terjadi seiring lamanya baterai digunakan karena electron terus mengalir dan sel tidak pada kondisi standar, sesuai dengan percobaan Walther Nerst pada tahun 1889. (Kondisi standar 25oC, tekanan 1 atm, dan konsentrasi 1M). b. Sel Sekunder / Rechargeable Battery (Baterai Litium Kobalt & Mangan) Ini adalah jenis baterai isi ulang dimana ion litium bergerak antara anoda dan katoda. Pada sel

(18)

sekunder, anode dan katode bereaksi secara kimia. Namun sel dapat diisi ulang dengan proses elektrolisis untuk mengembalikan anode dan kaode ke kondisi awal.

Ion litium sebagai anoda, bukan logam litium, maka reaksi sel didalamnya bukanlah reaksi redoks. Melainkan hanya pergerakan ion litium melalui elektrolit dari satu elektrode ke elktrode lainnya. Jenis baterai ini umum digunakan dalam perlatan elektronik portabel, karena tidak memiliki efek memori, dan daya hilang yang lambat sehingga tidak butuh perlakuan apapun jika tidak digunakan dan dapat menyimpan cadangan energi yang relatif besar dalam waktu yang relatif lama. Terbagi atas dua tipe, yaitu mangan (Mn) dan kobalt (Co).

Cara kerja pada saat digunakan berkerja sebagai sel volta: Lithium akan mengantarkan elektron dari anoda menuju alat yang membutuhkan elektron seperti kapasitor dan processor di handphone atau laptop kemudian berakhir di katoda.

Sedangkan proton dari katoda masuk menembus separator diantara anoda dan katoda (proses interkalasi). Proses ini berlangsung terus menerus hingga kapasitas penggunaan baterai habis (ditunjukkan dengan garis atau persentase kapasitas baterai di layar handphone atau laptop). Pada saat di-charge dia bekerja sebagai elektrolisis:

Sedangkan bila baterai diisi ulang atau recharge maka elektron akan kembali dari katoda ke anoda melalui alat pengisi ulang (charger) dan dengan dibantu arus 11 yang masuk dari charger, proton akan kembali menuju katoda. Sehingga kondisi kembali menjad seperti semula.

2.1.5 Kondisi Charge dan Discharge

Dalam kondisi charge dan discharge baterai ion lithium bekerja menurut fenomena interkalasi, yaitu proses pelepasan ion lithium dari tempatnya di struktur kristal suatu bahan elektroda dan penyisipan ion lithium pada tempat di struktur kristal bahan elektroda yang lain.Selama discharge, ion lithium bergerak dari elektroda negatif (anoda) ke elektroda positif (katoda) melalui seperator dan elektrolit, menghasilkan densitas daya pada baterai.Dalam proses interkalasi elektron mengalir dalam arah yang sama dengan ion di sekitar sirkuit luar. Pergerakan ion dan elektron adalah proses yang saling berhubungan dan jika salah satu dari mereka berhenti maka yang lain juga berhenti.Reaksi yang terjadi pada sistem baterai ion lithium merupakan reaksi reduksi dan oksidasi yang terjadi pada katoda dan anoda

(19)

baterai. Reaksi reduksi adalah reaksi penambahan elektron oleh suatu molekul atau atom sedangkan reaksi oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron pada suatu molekul.

Gambar 2.1.5 kondisi charge dan discharge baterai lithium Berikut adalah reaksinya saat pemakaian dan pengisian ulang energi listrik :

a) Discharging (pemakaian) : Elektroda positif ( + ) : Li1-x CoO2 + xLi + xe− → LiCoO2 Elektroda negatif (–) : CnLi → Cn + xLi + xe− Reaksi keseluruhan : Li1- xCoO2 + CnLiX → LiCoO2 + Cn , E sel = 3.70V

b) Charging (pengiisian ulang) : Elektroda positif ( + ) : LiCoO2 → Li1-x CoO2 + xLi + xe− Elektroda negatif (–) : Cn + xLi + xe− → CnLi Reaksi keseluruhan : LiCoO2 + Cn → Li1-xCoO2 + CnLiX Dimana x menyatakan jumlah ion litium yang berpindah dari LiCoO2 ke grafit. Seperti yang telah dipaparkan sebelumnya bahwa baterai Li-ion terbagi atas dua tipe, yaitu Mangan (Mn) dan Kobalt (Co).

Untuk tipe mangan, sel terdiri dari anode Li1xMn2O4 dan katode grafit.

Elektrolitnya adalah garam Li yang larut dalam pelarut organik. Reaksinya : Li1- xMn2O4 + CnLiX ↔ LiMn2O4 + Cn voltase : 3.50V Untuk tipe kobalt, sel terdiri dari anode Li1-xCoO2 dan katode grafit. Elektrolitnya adalah garam Li yang larut dalam pelarut organik. Reaksinya : Li1-xCoO2 + CnLiX ↔ LiCoO2 + Cn voltase : 3.70V dimana x menyatakan jumlah ion litium yang berpindah dari LiCoO2 ke grafit. Litium ion kobalt menghasilkan potensial yang relatif besar dibandingkan dengan litium ion mangan. Hal ini dikarenakan pada deret volta, kobalt bersifat lebih tereduksi dibanding mangan, sehingga menghasilkan beda potensial sel yang relative besar terhadap litium dibandingkan dengan mangan.

2.1.6 Muatan Dalam Suatu Baterai

Pada setiap baterai terdapat hubungan antara banyaknya muatan yang terdapat pada baterai dengan tegangan dari baterai. Dengan mengetahui banyaknya muatan, perangkat dapat memperkirakan keadaan dari baterai. Dengan mengukur

(20)

arus yang lewat saat pengisian baterai dan saat baterai digunakan, dapat dibuat sebuah perangkat yang dapat memperkirakan banyaknya energi dan kesehatan dari sebuah baterai. Kapasitas baterai merupakan kemampuan baterai menyimpan daya listrik atau besarnya energi yang dapat disimpan dan dikeluarkan oleh baterai.

Besarnya kapasitas, tergantung dari banyaknya bahan aktif pada plat positif maupun plat negatif yang bereaksi, dipengaruhi oleh jumlah plat tiap-tiap sel, ukuran, dan tebal plat, kualitas elektrolit serta umur baterai. Kapasitas energi suatu baterai dinyatakan dalam ampere jam (Ah), misalkan kapasitas baterai 100 Ah 12 volt artinya secara ideal arus yang dapat dikeluarkan sebesar 5 ampere selama 20 jam pemakaian. Besar kecilnya tegangan baterai ditentukan oleh besar / banyak sedikitnya sel baterai yang ada di dalamnya. Sekalipun demikian, arus hanya akan mengalir bila ada konduktor dan beban yang dihubungkan ke baterai. Kapasitas baterai juga menunjukan kemampuan baterai untuk mengeluarkan arus (discharging) selama waktu tertentu, dinyatakan dalam Ah (Ampere – hour). Berarti sebuah baterai dapat memberikan arus yang kecil untuk waktu yang lama atau arus yang besar untuk waktu yang pendek. Pada saat baterai diisi (charging), terjadilah penimbunan muatan listrik. Jumlah maksimum muatan listrik yang dapat ditampung oleh baterai disebut kapasitas baterai dan dinyatakan dalam ampere jam (Ampere - hour), muatan inilah yang akan dikeluarkan untuk menyuplai beban ke pelanggan. Kapasitas baterai dapat dinyatakan dengan persamaan dibawah ini :

Ah = Kuat Arus (ampere) x waktu (hours)

Dimana : Ah = kapasitas baterai aki I = kuat arus (ampere) t = waktu (jam/sekon)

2.1.7 Perangkat Pengukur dan Proteksi Baterai Lithiun

Baterai Litihium memiliki perbandingan kapasitas terhadap berat yang terbaik dibandingkan semua baterai. Sayangnya kelebihan ini juga dibarengi dengan kelemahan baterai, dimana baterai yang mudah terbakar atau meledak. Jika baterai diisi melebihi muatannya, baterai akan meledak. Saat baterai dikosongkan lebih dari yang seharusnya, baterai dapat meledak atau daya tahannya berkurang secara drastis.

Agar daya tahan dapat terjaga dengan baik, pada setiap baterai diperlukan perangkat yang dapat mengukur keadaan baterai dan melakukan proteksi agar baterai tidak diisi melebihi kapasitasnya(over-charge) atau dikosongkan melebihi kapasitasnya.

(21)

Gambar 2.1.7 Contoh rangkaian pengukur dan proteksi baterai

2.2 Kendaraan Listrik

Kendaraan listrik adalah kendaraan yang digerakkan dengan motor listrik DC, menggunakan energi listrik yang disimpan dalam beterai atau tempat penyimpanan energi. Kendaraan listrik memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan kendaraan berbahan bakar BBM secara umum. Hal yang paling utama adalah kendaraan listrik tidak menghasilkan polusi udara, selain itu kendaraan listrik juga mengurangi efek rumah kaca karena tidak membutuhkan bahan bakar fosil sebagai penggerak utamanya.

2.2.1 Skuter Matik Listrik

Kendaraan listrik memiliki banyak jenis seperti mobil, motor, keeta dan jenis lainnya. Penelitian ini dilakukan pada skuter matik listrik. Skuter matik ini memiliki mesin bertenaga listrik dengan daya motor sebesar 5 KW. Untuk sekali isi ulang pengisian baterai, pengguna bisa mengendarai motor ini sejauh 80-100 Km sehingga cukup efisien dan bisa dijadikan alternatif bagi pengguna selain motor matic bermesin bensin. Skuter ini menggunakan baterai jenis Lithium Ion yang memiliki daya kapasitas hingga 5.000 WH dengan waktu pengisian antara 3 sampai 4 jam.

2.3 Catu Daya

Catu Daya atau Power Supply adalah sebuah alat yang berfungsi sebagai sumber listrik untuk perangkat elektronik lain. Pada umumnya Power Supply memerlukan sumber energi listrik AC, kemudian mengubahnya menjadi energi listrik DC lalu menyalurkan nya ke piranti elektronik lainnya. Pada dasar nya untuk

Objek yg d tandai

(22)

menghasilkan arus DC yang stabil Power Supply memiliki 4 bagian utama, antara lain Transformator, Rectifier, Filter dan Voltage Regulator.

2.3.1.Transformator

Transformator yang digunakan pada Power Supply adalah Transformator StepDown yang bertujuan untuk menurunkan tegangan listrik agar sesuai dengan kebutuhan komponen pada Power Supply. Prinsip kerja dari Transformator adalah menggunakan prinsip elektromagnetik yang berbentuk lilitan, dan terdiri dari lilitan primer dan lilitan sekunder.

Gambar 2.3.1 Skema Transformator Step Up dan Step Down

2.3.2.Penyearah Gelombang Rectifier

Setelah tegangan nya diturunkan oleh transformator, Rectifier pada rangkaian Power Supply berfungsi untuk mengkonversi gelombang AC menjadi Gelombang DC. Transformator Rectifier Filter Voltage Regulator Input AC Output DC6 Rangkaian Rectifier terdiri dari 2 atau 4 komponen dioda yang biasa disebut dengan dioda jembatan dan dirangkai seperti pada gambar

Gambar 2.3.2 Skema Rangakain Dioda Bridge pada Power Supply

(23)

2.3.3.Penyaring (Filter)

Pada rangkaian Power Supply, Filter berfungsi untuk meratakan sinyal arus yang keluar dari Rectifier,komponen Filter pada Power Supply biasanya berupa Electrolyte Capacitor (ELCO).

2.3.4.Pengatur Tegangan (Voltage Regulator)

Voltage Regulator pada rangkaian Power Supply berfungsi sebagai pengatur tegangan dan arus DC agar tetap stabil sehingga Output yang dihasilkan Power Supply tidak dipengaruhi oleh suhu dan arus beban, komponen Voltage Regulator pada umumnya terdiri dari Dioda Zener, Integrated Circuit dan Transistor

Gambar 2.3.4 Skema Rangkaian Voltage Regulator

2.4 Charging Mekanisme a.Constant Voltage (CV)

Metode ini menggunakan sumber DC yang mana sangat sederhana hanya membutuhkan transformer penurun tegangan (step down) dari utama dengan penyearah dan menghasilkan sumber tegangan DC untuk pengisian muatan dari baterai. Desain cukup sederhana dan sering ditemukan pada charger baterai mobil yang murah. Penerapan pada Li-ion, charger model CV dilengkapi dengan rangkaian lebih kompleks dengan penambahan proteksi unuk keamanan baterai dan penggunanya.

b.Constant Current (CC)

CC charger menvariasikan tegangan yang diterapkan pada baterai untuk mengatur alairan arus konstan, mematikan saklar jika tegangan mencapai level terisi penuh (full charge). Desain ini banyak digunakan pada sel baterai jenis Nickel Cadmium (Ni-Cd) dan Nickel Metal Hydride.

(24)

c.Pulse Charging (PC)

Metode PC merubah arus charging kepada baterai dalam bentuk pulsa pulsa.

Tingkat pengisian (berdasar pada arus rata rata atau average current) dapat tepat dikendalikan dengan mengatur lebar dari pulsa pulsa, sekitar satu detik. Pada saat proses charging, periode istirahat sejenak dari 20 sampai 30 milidetik antara pulsa memberikan reaksi kimia pada baterai untuk stabil oleh rekasi pensetaraan sepanjang sebagian besar elektroda sebelum memulai charge kembali. Hal ini memungkinkan reaksi kimia untuk mengimbangi laju dalam proses pemasukkan energi listrik.

Dikatakan juga, bahwa metode ini dapat mengurangi reaksi kimia yang tidak diinginkan pada permukaan elektroda seperti pembentukan gas, pertumbuhan keristal dan passivasi. Jika diperlukan, dapat dilakukan pengambilan sampel tegangan rangkaian terbuka dari baterai saat periode istirahat sejenak.

PC menggunakan rangkaian transistor yang juga bisa disaklarkan (swithced). Dengan voltase baterai rendah, transistor tetap menyala dan melakukan arus sumber langsung ke baterai. Karena tegangan baterai mendekati tegangan regulasi yang diinginkan, transistor seri memberikan masukan arus masukan untuk mempertahankan voltase yang diinginkan. Karena berfungsi sebagai pasokan mode saklar untuk sebagian siklus, dapat berfungsi mengurangi panas yang lebih sedikit dan karena bertindak sebagai bagian pasokan linier dari waktu, saringan keluaran dapat lebih kecil. Arus pulsa memungkinkan waktu baterai untuk menstabilkan (pulih) dengan penambahan bertahap yang rendah pada tingkat pengisian yang semakin tinggi selama pengisian daya. Selama periode istirahat, polarisasi sel diturunkan. Proses ini memungkinkan pengisian lebih cepat dari pada yang mungkin dengan satu muatan tingkat tinggi yang berkepanjangan yang dapat merusak baterai karena tidak memungkinkan stabilisasi bahan kimia aktif selama pengisian ulang secara bertahap. Pengisi daya pulsa biasanya memerlukan batasan arus pada sumber input karena alasan keamanan dan menambah biaya.

d.Burp Charging

Dapat disebut juga reflex atau negative pulse charging, digunakan bersamaan dengan PC, mengaplikasikan waktu discharge pulsa yang sangat singkat, sekitar dua sampai tiga kali dari arus charging untuk 5 milidetik, pada saat periode charging istirahat untuk depolaize (menurunkan terjadinya peristiwa polarisasi) pada sel. Pulsa

(25)

tersebut menghilangkan gelembung gas yang terdapat pada elektroda pada waktu pengisian cepat atau fast charging, mempercepat proses stabilisasi dan karenanya proses pengisian keseluruhan. Pelepasan dan difusi gelembung gas dikenal sebagai

"bersendawa" atau "burping". Klaim kontroversial telah dibuat untuk perbaikan baik dalam tingkat biaya dan masa pakai baterai maupun untuk penghapusan dendrit yang dimungkinkan oleh teknik ini.

2.5 Motor Listrik

Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya, memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dll. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik kadangkala disebut “kuda kerja” nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.

2.5.1 Prinsip Kerja Motor Listrik

Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum sama. Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya. Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torque untuk memutar kumparan. Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan.

Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/ torque sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan kedalam tiga kelompok, yaitu:

1.Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torque nya tidak bervariasi. Contoh

(26)

beban dengan torque konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan.

2.Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kwadrat kecepatan).

3.Beban dengan energi konstan adalah beban dengan permintaan torque yang berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin.

2.5.2 Motor listrik AC

Motor Ac adalah sebuah motor lisatrik yang digerakkan oleh alternating current atau arus bolak balik (AC). umumnya, motor AC terdiri dari dua komponen utama yaitu stator dan rotor. seperti yang telah dijelaskan sebelumnya pada motor DC, stator adalah bagian yang diam dan letaknya berada di luar. stator mempunyai coil yang di aliri oleh arus listrik bolak balik dan nantinya akan menghasilkan medan magnet yang berputar. bagian yang kedua yaitu rotor. rotor adalah bagian yang berputar dan letaknya berada di dalam (di sebelah dalam stator). rotor bisa bergerak karena adanya torsi yang bekerja pada poros dimana torsi tersebut dihasilkan oleh medan magnet yang berputar.

.

Gambar 2.5.2 Motor Listrik AC

2.5.3 Motor Listrik DC

Motor listrik DC (arus searah) merupakan salah satu dari motor DC. Mesin arus searah dapat berupa generator DC atau motor DC. Untuk membedakan sebagai generator atau motor dari mesin difungsikan sebagai apa.Generator DC alat yang

(27)

mengubah energi mekanik menjadi energi listrik DC. Motor DC alat yang mengubah energi listrik DC menjadi energi mekanik putaran. Sebuah motor DC dapat difungsikan sebagai generator atau sebaliknya generator DC dapat difungsikan sebagai motor DC.Pada motor DC kumparan medan disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Jika tejadi putaran pada kumparan jangkar dalam pada medan magnet, maka akan timbul tagangan (GGL) yang berubah-ubah arah pada setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik.

Gambar 2.5.3 konstruksi Motor DC

2.6 State of Charge (SoC)

State of Charge (SOC) didefinisikan sebagai presentase sisa kapasitas baterai yang tersisa. Banyak penelitian yang bekerja terus menerus untuk meningkatkan masa hidup dengan perkiraan kapasitas baterai yang akurat. Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu untuk mengestimasi state of charge pada batera Lithium serta mengetahui perbandingan hasil estimasi SOC pengukuran dengan perhitungan pada baterai Lithium. Metode estimasi SOC yang paling populer digunakan adalah Coulomb Counting. Metode coulomb counting disebut juga Ampere Hour Counting.

Coulomb counting digunakan untuk memperkirakan SOC oleh hubungan piecewise linear antara SOC dan open circuit voltage (OCV) . Metode ini dapat menjadi sistem yang handal tetapi tergantung pada suhu di sekitar baterai. Selain itu, metode ini mudah untuk diimplementasikan. Kekurangan coulomb counting adalah tingkat akurasi bergantung pada pengukuran sensor, dan mungkin membutuhkan waktu lama untuk memperkirakan SOC tersebut. Pada penghitungan coulomb, ini memerlukan akurasi yang tepat pada perkiraan SOC awal, jadi perlu untuk mengetahui nilai OCV baterai. SOC (t) = 𝑄 (𝑡) / 𝑄𝑛𝑜𝑚

(28)

Gambar 2.6. Ketergantungan OCV pada SOC pada suhu yang berbeda

Metode kedua yaitu Piecewise Open Circuit Voltage (OCV). Teknik estimasi SOC baterai dengan Piecewise OCV ini adalah metode termudah dari estimasi SOC meskipun bisa terjadi kesalahan . OCV dari baterai tergantung pada suhu sekitar sel baterai . Selain itu, setiap sel dalam baterai memiliki karakteristik kimia yang berbeda sehingga setiap sel memiliki nilai tegangan yang berbeda. Semua jenis pada baterai yang menggunakan metode ini, menunjukkan bahwa karakteristik suhu pada sel baterai dapat mendistorsi pengukuran tegangan baterai.

Karena suhu yang bergantung pada karakteristik baterai , estimasi OCV selama kondisi pengoperasian baterai biasanya dapat menghasilkan kesalahan estimasi SOC.

Karena itu, untuk mendapatkan hasil estimasi SOC yang akurat, baterai harus beristirahat untuk mencapai keadaan keseimbangan sel sebelum mengukur OCV baterai. Ketika SOC baterai diestimasi dengan metode ini, keadaan baterai harus benar-benar dalam keadaan tanpa beban dari baterai.

Metode yang berikutnya adalah Kalman Filter. Kalman Filter banyak digunakan dalam berbagai aplikasi. Fungsi dari Kalman Filter itu sendiri adalah sebagai estimator yang handal dalam berbagai sistem yang digunakan. Modelnya yang sederhana sehingga mudah diterapkan dalam berbagai sistem. Dengan memperhitungkan white noise yang merupakan noise yang diestimasi pada seluruh cakupan frekuensi, sehingga kalman filter langsung dapat digunakan sebagai estimator tanpa perlu menghitung noise yang terjadi pada sistem secara detil terlebih dahulu. Kalman filter dapat digunakan untuk mengestimasi sistem yang linear.

Dalam perkembangannya, untuk sistem yang lebih kompleks dengan persamaan matematis yang linear, kalman filter dimodifikasi agar dapat mengestimasi sistem yang non linear, modifikasi kalman filter ini ada yang dinamakan extended kalman filter (EKF), fractional kalman filter (FKF), dan juga uncented kalman filter (UKF).

(29)

Di tahun 2007, A.Vasebi, S. M. T. Bathaee, dan M. Partovibakhsh menggunakan metode extended kalman filter untuk memperkirakan state of charge (SoC) dari baterai asam timbal pada kendaraan listrik hybrid (HEV/hybrid electric vehicle). Estimasi ini dilakukan karena banyak masalah terjadi pada indikator SoC tradisional, seperti offset, drift dan state divergensi panjang. Dengan menggunakan EKF pada penelitian ini, menunjukkan bahwa metode EKF teknik yang lebih unggul daripada metode tradisional, dengan akurasi dalam memperkirakan SoC mencapai 3%..KF adalah salah satu metode estimasi SOC dengan teknik adaptif yang menggabungkan metode langsung dan metode berdasarkan pemodelan. Metode ini memiliki kelemahan yaitu algoritmanya yang kompleks yang menyebabkan ketidakstabilan numerik. Metode KF sangat tergantung pada pemodelan baterai dan keprisisian sensor.

2.7 LCD (Liquid Crystal Display)

LCD (Liquid Crystal Display) adalah suatu jenis media tampil yang menggunakan kristal cair sebagai penampil utama. LCD sudah digunakan diberbagai bidang misalnya alal–alat elektronik seperti televisi,kalkulator, atau pun layar komputer.Pada postingan aplikasi LCD yang digunakan ialah LCD dot matrik dengan jumlah karakter 2 x 16. LCD sangat berfungsi sebagai penampil yang nantinya akan digunakan untuk menampilkan status kerja alat.

Gambar 2.7 LCD

Teknologi LCD memberikan keuntungan dibandingkan dengan teknologi CRT, kaena pada dasarnya, CRT adalah tabung triode yang digunakan sebelum transistor ditemukan. LCD memanfaatkan silicon atau gallium dalam bentuk Kristal cair sebagai pemendar cahaya. Pada layar LCD, setiap matrik adalah susunan dua dimensi piksel yang dibagi dalam baris dan kolom.Dengan demikian, setiap

(30)

pertemuan baris dan kolom adalah sebuah LED terdapat sebuah bidang latar (backplane), yang merupakan lempengan kaca bagian belakang dengan sisi dalam yang ditutupi oleh lapisan elektroda trasparan.Dalam keadaan normal, cairan yang digunakan memiliki warna cerah. Beberapa keuntungan LCD dibandingkan dengan CRT adalah konsumsi daya yang relative kecil, lebih ringan, tampilan yang lebih bagus, dan ketika berlama-lama di depan monitor, monitor CRT lebih cepat memberikan kejenuhan pada mata dibandingkan dengan LCD. Keuntungan dari LCD ini adalah :

1. Dapat menampilkan karakter ASCII, sehingga dapat membuat program tampilan.

2. Mudah dihubungkan dengan port I/O karena hanya mengunakan 8 bit data dan 3 3. Ukuran modul yang proporsional.

4. Daya yang digunakan relative sangat kecil.

Operasi dasar pada LCD terdiri dari empat, yaitu instruksi mengakses proses internal, instruksi menulis data, instruksi membaca kondisi sibuk, dan instruksi membaca data. ROM pembangkit sebanyak 192 tipe karakter, tiap karakter dengan huruf 5x7 dot matrik. Kapasitas pembangkit RAM 8 tipe karakter (membaca program), maksimum pembacaan 80x8 bit tampilan data.Perintah utama LCD adalah Display Clear, Cursor Home, Display ON/OFF, Display Character Blink, Cursor Shift, dan Display Shift. Saat ini telah dikembangkan berbagai jenis LCD, mulai jenis LCD biasa, Passive Matrix LCD (PMLCD), hingga Thin-Film Transistor Active Matrix (TFT-AMLCD). Kemampuan LCD juga telah ditingkatkan daru yang monokrom hingga yang mampu menampilkan ribuan warna.

No. Keterangan Konfigurasi Hubung

1 GND Ground

2 VCC Tegangan 5V DC

3 Contrast Ground

4 RS Kendali RS

5 RW Ground

6 EN Kendali E/Enable

7 D0 Bit 0

(31)

8 D1 Bit 1

9 D2 Bit 2

10 D3 Bit 3

11 D4 Bit 4

12 D5 Bit 5

13 D6 Bit 6

14 D7 Bit 7

15 A Anoda (+5VDC)

16 K Katoda (Ground)

Tabel 2.7 Konfigurasi Pin LCD

2.8 Sensor Arus ACS712

ACS712 adalah sensor arus yang bekerja berdasarkan efek medan. Sensor arus ini dapat digunakan untuk mengukur arus AC atau DC. Modul sensor ini telah dilengkapi dengan rangkaian penguat operasional, sehingga sensitivitas pengukuran arusnya meningkat dan dapat mengukur perubahan arus yang kecil. Sensor ini digunakan pada aplikasi-aplikasi di bidang industri, komersial, maupun komunikasi.

Gambar 2.8 Sensor Arus ACS712

Dilengkapi dengan penguat operasional untuk menambah sensitivitas luaran. Sensor ini memiliki pembacaan dengan ketepatan yang tinggi, karena di dalamnya terdapat rangkaian offset rendah linier medan dengan satu lintasan yang terbuat dari tembaga.

Cara kerja sensor ini adalah arus yang dibaca mengalir melalui kabel tembaga yang terdapat didalamnya yang menghasilkan medan magnet yang di tangkap oleh IC medan terintegrasi dan diubah menjadi tegangan proporsional. medan magnet dengan tranducer medan secara berdekatan.

(32)

Tabel 2.8 Bagian-bagian Pin Sensor ACS712

Hambatan dalam penghantar sensor sebesar 1,2 mΩ dengan daya yang rendah.

Jalur terminal konduktif secara kelistrikan diisolasi dari sensor timah mengarah (pin 5 sampai pin 8). Hal ini menjadikan sensor arus ACS712 dapat digunakan pada aplikasi-aplikasi yang membutuhkan isolasi listrik tanpa menggunakan opto-isolator atau teknik isolasi lainnya yang mahal. IC ACS712 tipe 5A IC ini mempunyai sensitivitas sebesar 185mV/A. Saat arus yang mengalir 0A IC ini mempunyai output tegangan 2,5V. Nilai tegangan akan bertambah berbanding lurus dengan nilai arus.

2.9 Sensor Tegangan

Sensor tegangan ini adalah sensor yang biasa digunakan untuk pengukuran tegangan AC satu fasa, yang mana sensor ini mengkonversi tegangan AC input menjadi output tegangan AC yang sudah direduksi tegangannya namun frekuensinya tetap yaitu 50Hz, selain itu keunggulan sensor ini adalah bias mendeteksi tegangan hampir 1000 volt menurut datasheet dengan syarat arusnya harus tidak lebih dari 2mA, sehingga diharuskan menggunakan resistor sebagai penurun arus.

Gambar 2.9 Sensor Tegangan

Pin Sensor ACS 712 Fungsi

IP + Terminal yang mendeteksi arus, terdapat sekring didalamnya IP - Terminal yang mendeteksi arus, terdapat sekring didalamnya

GND Terminal sinyal ground

FILTER Terminal untuk kapasitor eksternal yang berfungsi sebagai pembatas bandwith

Viout Terminal keluaran sinyal analog

Vcc Terminal masukan catu daya

(33)

2.10 Mikrokontroller

Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer fungsional dalam sebuah chip. Di dalamnya terkandung sebuah inti prosesor, memori (sejumlah kecil RAM, memori program, atau keduanya), dan perlengkapan input output. Dengan kata lain, mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus, cara kerja mikrokontroler sebenarnya membaca dan menulis data.

Sekedar contoh, bayangkan diri Anda saat mulai belajar membaca dan menulis, ketika Anda sudah bisa melakukan hal itu Anda bisa membaca tulisan apapun baik buku, cerpen, artikel dan sebagainya, dan Andapun bisa pula menulis hal-hal sebaliknya. Begitu pula jika Anda sudah mahir membaca dan menulis data maka Anda dapat membuat program untuk membuat suatu sistem pengaturan otomatik menggunakan mikrokontroler sesuai keinginan Anda.

Mikrokontroler merupakan komputer didalam chip yang digunakan untuk mengontrol peralatan elektronik, yang menekankan efisiensi dan efektifitas biaya.

Secara harfiahnya bisa disebut “pengendali kecil” dimana sebuah sistem elektronik yang sebelumnya banyak memerlukan komponen-komponen pendukung seperti IC TTL dan CMOS dapat direduksi/diperkecil dan akhirnya terpusat serta dikendalikan oleh mikrokontroler ini. Mikrokonktroler digunakan dalam produk dan alat yang dikendalikan secara automatis, seperti sistem kontrol mesin, remote controls, mesin kantor, peralatan rumah tangga, alat berat, dan mainan. Dengan mengurangi ukuran, biaya, dan konsumsi tenaga dibandingkan dengan mendesain menggunakan mikroprosesor memori, dan alat input output yang terpisah, kehadiran mikrokontroler membuat kontrol elektrik untuk berbagai proses menjadi lebih ekonomis. Dengan penggunaan mikrokontroler ini maka :

1. Sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas

2. Rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian besar dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi

3. Pencarian gangguan lebih mudah ditelusuri karena sistemnya yang kompak Agar sebuah mikrokontroler dapat berfungsi, maka mikrokontroler tersebut memerlukan komponen eksternal yang kemudian disebut dengan sistem minimum. Untuk membuat sistem minimal paling tidak dibutuhkan sistem clock

(34)

dan reset, walaupun pada beberapa mikrokontroler sudah menyediakan sistem clock internal,sehingga tanpa rangkaian eksternal pun mikrokontroler sudah beroperasi. Yang dimaksud dengan sistem minimal adalah sebuah rangkaian mikrokontroler yang sudah dapat digunakan untuk menjalankan sebuah aplikasi.

Sebuah IC mikrokontroler tidakakan berarti bila hanya berdiri sendiri. Pada dasarnya sebuah sistem minimal mikrokontroler AVR memiliki prinsip sama.

2.10.1.ATMega328

ATMega328 adalah mikrokontroller keluaran dari atmel yang mempunyai arsitektur RISC (Reduce Instruction Set Computer) yang dimana setiap proses eksekusi data lebih cepat dari pada arsitektur CISC (Completed Instruction Set Computer).

Gambar 2.10.1 Mikrokontroller ATMega 328 Mikrokontroller ini memiliki beberapa fitur antara lain :

a.130 macam instruksi yang hampir semuanya dieksekusi dalam satu siklus clock.

b.32 x 8-bit register serba guna.

c.Kecepatan mencapai 16 MIPS dengan clock 16 MHz.

d.32 KB Flash memory dan pada arduino memiliki bootloader yang menggunakan 2 KB dari flash memori sebagai bootloader.

e.Memiliki EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sebesar 1KB sebagai tempat penyimpanan data semi permanent karena EEPROM tetap dapat menyimpan data meskipun catu daya dimatikan.

f.Memiliki SRAM (Static Random Access Memory) sebesar 2KB.

g.Memiliki pin I/O digital sebanyak 14 pin 6 diantaranya PWM (Pulse Width Modulation) output.

(35)

h.Master / Slave SPI Serial interface.

Mikrokontroller ATmega 328 memiliki arsitektur Harvard, yaitu memisahkan memori untuk kode program dan memori untuk data sehingga dapat memaksimalkan kerja dan parallelism. Instruksi – instruksi dalam memori program dieksekusi dalam satu alur tunggal, dimana pada saat satu instruksi dikerjakan instruksi berikutnya sudah diambil dari memori program. Konsep inilah yang memungkinkan instruksi – instruksi dapat dieksekusi dalam setiap satu siklus clock. 32 x 8-bit register serba guna digunakan untuk mendukung operasi pada ALU ( Arithmatic Logic unit ) yang dapat dilakukan dalam satu siklus. 6 dari register serbaguna ini dapat digunakan sebagai 3 buah register pointer 16-bit pada mode pengalamatan tidak langsung untuk mengambil data pada ruang memori data.Ketiga register pointer 16-bit ini disebut dengan register X ( gabungan R26 dan R27 ), register Y ( gabungan R28 dan R29 ), dan register Z ( gabungan R30 dan R31 ). Hampir semua instruksi AVR memiliki format 16-bit. Setiap alamat memori program terdiri dari instruksi 16-bit atau 32-bit.

Selain register serba guna di atas, terdapat register lain yang terpetakan dengan teknik memory mapped I/O selebar 64 byte. Beberapa register ini digunakan untuk fungsi khusus antara lain sebagai register control Timer/ Counter, Interupsi, ADC, USART, SPI, EEPROM, dan fungsi I/O lainnya. Register – register ini menempati memori pada alamat 0x20h – 0x5Fh.Sebuah inti prosesor, memori (sejumlah kecil RAM, memori program, atau keduanya), dan perlengkapan input output. Dengan kata lain, mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus, cara kerja mikrokontroler sebenarnya membaca dan menulis data.

Mikrokontroler merupakan komputer didalam chip yang digunakan untuk mengontrol peralatan elektronik, yang menekankan efisiensi dan efektifitas biaya.

Secara harfiahnya bisa disebut “pengendali kecil” dimana sebuah sistem elektronik yang sebelumnya banyak memerlukan komponen-komponen pendukung seperti IC TTL dan CMOS dapat direduksi/diperkecil dan akhirnya terpusat serta dikendalikan oleh mikrokontroler ini. Mikrokonktroler digunakan dalam produk dan alat yang dikendalikan secara automatis, seperti sistem kontrol mesin, remote controls, mesin kantor, peralatan rumah tangga, alat berat, dan mainan. Dengan mengurangi ukuran, biaya, dan konsumsi tenaga dibandingkan dengan mendesain menggunakan

(36)

mikroprosesor memori, dan alat input output yang terpisah, kehadiran mikrokontroler membuat kontrol elektrik untuk berbagai proses menjadi lebih ekonomis. Dengan penggunaan mikrokontroler ini maka :

Sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas,rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian besar dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi, pencarian gangguan lebih mudah ditelusuri karena sistemnya yang kompak.Agar sebuah mikrokontroler dapat berfungsi, maka mikrokontroler tersebut memerlukan komponen eksternal yang kemudian disebut dengan sistem minimum.

Untuk membuat sistem minimal paling tidak dibutuhkan sistem clock dan reset, walaupun pada beberapa mikrokontroler sudah menyediakan sistem clock internal,sehingga tanpa rangkaian eksternal pun mikrokontroler sudah beroperasi.Yang dimaksud dengan sistem minimal adalah sebuah rangkaian mikrokontroler yang sudah dapat digunakan untuk menjalankan sebuah aplikasi.

Sebuah IC mikrokontroler tidakakan berarti bila hanya berdiri sendiri.

2.10.2 Komponen Penyusun Mikrokontroler

Mikrokontroler terdiri dari bagian / part seperti yang terlihat dibawah ini.

Gambar 2.10.2 Komponen Penyusun Mikrokontroler

Pada gambar 1 dapat dilihat suatu mikrokontroler standart yang disusun oleh komponen-komponen sebagai berikut:

a. CPU (Central Processing Unit)

CPU ini merupakan pengontrol utama dalam suatu mikrokontroler. Jangan salah mengartikan CPU ini sebagai „CPU‟ komputer anda dirumah. CPU pada mikrokontroler ada yang berukuran 8 bit ada pula yang berukuran 16 bit. CPU ini akan membaca program yang tersimpan di dalam ROM dan melaksankannya.

b. ROM (Read Only Memory)

ROM merupakan suatu memori (alat untuk mengingat) yang memiliki sifat hanya bisa dibaca saja. Dengan demikian ROM tidak dapat ditulisi. Dalam dunia

(37)

mikrokontroler, ROM digunakan untuk menyimpan program bagi mikrokontroler tersebut. Program tersimpan dalam format biner („0‟ atau „1‟). Susunan bilangan biner tersebut bila telah dibaca oleh mikrokontroler akan memiliki arti sendiri.

c. RAM (Random Access Memory)

Berbeda dengan ROM yang bersifat hanya baca, maka RAM adalah jenis memori yang selain dapat dibaca juga dapat ditulisi berulang-kali. Tentunya ada semacam data yang bisa berubah pada saat mikrontroler tersebut bekerja. Perubahan data tersebut tentunya juga harus disimpan ke dalam memori. Untuk itulah dipakai memori jeniks RAM. Namun RAM tersebut memiliki sifat tidak dapat mempertahankan isinya bila catu daya listrik kepadanya dihilangkan.

d. I/O (Input/Output)

Untuk berkomunikasi dengan dunia luar, maka mikrokontroler menggunakan terminal I/O (port I/O). Port tersebut disebut sebagai Input/Output karena pada umumnya port tersebut dapat dipakai sebagai masukan atau sebuah keluaran.

Sebagai masukan contohnya adalah pada saat mikrokontroler harus mengawasi sebuah saklar (switch) untuk mendeteksi apakah saklar tersebut ditekan atau tidak.

Sebagai keluaran contohnya adalah pada saat mikrokontroler harus menyalakan sebuah LED.

e. Komponen Lainnya

Beberapa mikrokontroler memiliki timer/counter, lainnya memiliki ADC (Analaog To Digital Converter), dan komponen-komponen lainnya. Pemilihan komponen tambahan yang sesuai dengan tugas kerja mikrokontroler akan sangat membantu perancangan sehingga dapat mempertahankan ukuran yang kecil.

Apabila komponen-komponen diatas belum ada padaa suatu mikrokontroler, umumnya komponen tersebut masih dapat ditambahkan pada system mikrokontroler.

2.10.3 Cara Kerja Mikrokontroler

Untuk dapat membuat mikrokontroler bekerja, ada banyak hal yang harus dikerjakan. Pertama adalah membuat program. Program yang dibuat harus sesuai dengan jenis mikrokontroler yang digunakan, hal ini karena tiap mikrokontroler memiliki bahasa pemrograman tersendiri yang mungkin tidak kompatibel. Setelah

(38)

anda membuat program dengan menggunakan editor teks, maka anda harus mengkopilasi program tersebut sesuai dengan tipe mikrokontroler yang dipakai.

Secara sederhana tujuan mengkompilasi adalah untuk merubah dari bahasa manusia (op-code) menjadi bahasa mikrokontroler. Setelah itu program yang telah dikompilasi ( biasanya dalam format.hex) dimasukkan kedalam ROM dari mikrokontroler tersebut. Ada jenis mikrokontroler yang tidak memiliki ROM internal. Untuk itu andaharus memasukkan kedalam ROM (dalam hal ini dipakai EPROM) menggunakan EPROM programmer Jika mikrokontroler yang anda gunakan memiliki EPROM memiliki ROM internal, maka dengan menggunakan programmer mikrokontroler, program akan dimasukkan kedalam ROM internalnya. Pada tahap ini anda sudah memiliki mikrokontroler yang dapat berfikir. Setelah memasang kristal/resonator dan catu daya, maka mikrokontroler tersebut akan bekerja sesuai dengan program yang anda berikan.

Gambar 2.10.3 Tahap-tahap persiapan suatu mikrokontroler

Tulis program pada editor teks

Kompilasi program

tersebut

Masukkah program kedalam mikrokontroler

Mikokontroler ready in action

(39)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Blok

Diagram blok merupakan salah satu bagian terpenting dalam perancangan peralatan elektronika, karenadari diagram blok dapat diketahui prinsip kerja keseluruhan dari rangkaian elektronika yang dibuat. Sehingga keseluruhan blok dari alat yang dibuat dapat membentuk suatu sistem yang dapat bekerja sesuai dengan perencanaan. Diagram blok dari cas batere dapat dilihat pada gambar 3.1 dibawah.

Gambar 3.1. Diagram Blok Dari Rangkaian

Penjelasan pada diagram blok ini adalah dilakuan pengukuran pada baterai yaitu pada blok Battery Measurements. Saat melakukan pengukuran ada 3 parameter yang dihasilkan yaitu Arus,Tegangan, dan juga suhu. Arus dan Tegangan kemudian menuju blok Battery Parameter Identification dimana pada blok ini terdapat sensor arus dan juga sensor tegangan untuk mengedintifikasi besarnya arus dan tegangan yang dihasilkan pada proses pengukuran di blok Battery Measurements. Setelah mengetahui besarnya arus dan tegangan yang dihasilkan maka diberikan tahanan pada hasil indentifikasi besar arus dan tegangan tersebut. Pada blok Battery SoC Estimator adalah tempat terjadinya pemantauan selama proses penchargeran.

Kemudian pada blok Battery Soh Estimation adalah proses memprediksi berapa lama daya pakai pada baterai yang diukur. Hasil predikisi lama penggunaan baterai

(40)

tersebut didapat setelah memperhatikan setiap proses pada blok sebelumnya yaitu pemantauan pada saat proses pengisian (Charge) juga pemantauan proses pengosongan (Discharge) yang terjadi pada blok Battery SoC Estimator dan juga dengan memperhatikan temperature selama proses pengukuran berlangsung.

3.2 Rangkaian Mikrokontroller ATMega328

Mikrokontroler adalah suatu keeping IC dimana terdapat mikroprosesor dan memori program (ROM) serta memori serbaguna (RAM), bahkan ada beberapa jenis mikrokontroler yang memiliki fasilitas ADC, PPL, EEPROM dalam suatu kemasan.

Mikrokontroller ATmega328 memiliki arsitektur Harvard, yaitu memisahkan memori untuk kode program dan memori untuk data sehingga dapat memaksimalkan kerja dan parallelism.

Gambar 3.2 Rangkaian Mikrokontroler Atmega328

3.3 Perancangan Rangkaian LCD (Liquid Crystal Display)

Pada alat ini, display yang digunakan adalah LCD (Liquid Crystal Display) 16 x 2. Untuk blok ini tidak ada komponen tambahan karena mikrokontroler dapat memberi data langsung ke LCD

Gambar 3.3. Rangkaian LCD

(41)

Dari gambar 3.3 rangkaian ini terhubung ke mosi, miso, sck pada pin PB3, PB4, PB5, yang merupakan pin I/O dua arah Sehingga nilai yang akan tampil pada LCD display akan dapat dikendalikan oleh Mikrokontroller ATMega328.

3.4 Rangkaian Skema Kontroller

Gambar 3.4. Rangkaian Skema Kontroller

Rangkaian ini adalah rangkaian controller keperluan pengecasan batere dengan metode Trickle Charger. Pengatur waktu pengecasan batere .Waktu diambil dari DS1307.

3.5 Rangkaian Skematik

Rangkaian Skematik adalah Suatu Rangkaian elektronika yang menggmabarkan suatu rangkaian dengan menggunakan symbol-symbol listrik. dalam schematic diagram symbol-symbol listrik tersebut di hubungkan dengan garis yang menggambarkan koneksi dan hubungan dari komponen listrik di dalam rangkaian.

dengan menggunakan schematic diagram cara kerja dari suatu system kelistrikan

(42)

dapat di amati dari input sampai dengan outputnya. Dengan melihat skema kita bisa tahu bagaimana komponen-komponen dalam rangkaian tersebut di hubungkan.

Karena itu skema sangat di perlukan dalam perancangan ataupun perbaikan peralatan

elektronik.

Gambar 3.5 Rangkaian Skematik Minimum Sistem

Rangkaian Minimum System ATMega 328 Rangkaian Minimum System memiliki peran penting dalam seluruh sistem kerja alat. Sistem Minimum Rangkaian Mikrokontroler ATMega 328 Komponen utama dari rangkaian ini adalah IC Mikrokontroler sebagai prosesnya mikrokontroler yang digunakan dalam system ini adalah mikrokontroler dengan jenis AVR seri ATMega 328.

Mikrokontroler ini mempunyai 20 pin yang meliputi 14 pin I/O digital dengan 6 pin yang dapat berfungsi sebagai output PWM (Pulse Width Module) dan 6 pin I/O analog. Pemilihan ATMega ini akan memaksimalkan pembuatan alat sebagai pengolahdata.

(43)

Perhitungan Nilai SOC : [SOCo–(Q/Qmax)*100%]

Ya Tidak Apakah SOC batt = 100 % Mulai

Penentuan nilai Initial SOC baterai

Monitoring nilai : I batt V batt

Menghitung jumlah muatan listrik yang masuk ke baterai

Q = I x t Pengisian Baterai

menggunakan arus konstan

Selesai

Proses pengisian di hentikan

3.6 Flowchart Sistem

Gambar 3.6. 3.6 Flowchart Sistem

Dari gambar Flowchart Sistem dapat diketahui bahwa saat melakukan pengisian baterai harus menggunakan arus yang konstan, Kemudian melakukan pemantauan terhadap nilai dari arus dan tegangan pada baterai untuk mengetahui berapa jumlah muatan listrik yang masuk ke baterai. Setelah mengetahui muatan baterai barulah dapat dilakukan perhitungan nilai SoC dengan rumus yang sudah dicantumkan pada sistem flowchart. Apabila nilai SoC baterai sudah mencapai 100% maka proses pengisian akan terhenti, tetapi jika nilai SoC belum mencapai 100% maka pemantauan akan terus dilakukan kembali mulai dari pengisian dengan arus konstan seperti pada system flowchart tersebut.