RANCANG BANGUN SISTEM PENGISIAN BATERAI DENGAN METODE CONSTANT CURRENT–FUZZY CONTROL
UNTUK BATERAI LITHIUM ION
HALAMAN JUDUL
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
AZIS UBAIDILAH NIM. I0716009
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA
2020
commit to user
SURAT PERNYATAAN ORISINALITAS KARYA ILMIAH
commit to user
HALAMAN PENGESAHAN
commit to user
v
RANCANG BANGUN SISTEM PENGISIAN BATERAI DENGAN METODE CONSTANT CURRENT–FUZZY
CONTROL UNTUK BATERAI LITHIUM ION
ABSTRAK
Azis Ubaidilah
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret E-mail: azisubaidilah@gmail.com
Abstrak
Baterai merupakan komponen yang mampu menyimpan energi listrik yang cukup lama sehingga memiliki peran yang penting. Salah satu baterai yang banyak diminati adalah baterai lithium ion. Baterai ini memiliki kerapatan energi yang tinggi, hingga usia pakai lama yang menjadi daya tarik konsumen.Akan tetapi baterai lithium ion memiliki sensitifitas terhadap deep discharge atau over charge, temperature, arus charge/discharge. Sistem pengisi daya baterai konvensional memiliki kelemahan yaitu waktu yang digunakan untuk mengisi daya sangatlah lama sehingga suhu baterai tinggi. Diperlukan sistem pengisi daya yang mampu memaksimalkan kapasitas pengisian, memperpendek waktu pengisan dan memperpanjang masa pakai baterai. Pada penelitian ini dibuat sistem pengisian baterai dengan menggunakan metode constant current – fuzzy control. Kendali fuzzy menggunakan suhu baterai dan perubahan suhu baterai sebagai masukan dan keluaran berupa pwm untuk mengatur besarnya arus keluaran. Hasil pengujian menunjukkan bahwa performa sistem pengisi daya memiliki akurasi sebesar 99,9316 % dan presisi sebesar 99,664%. Dalam pengisian daya baterai sistem dapat menjaga arus tetap konstan pada mode CC dan menjaga suhu baterai agar tetap berada pada batas aman pada mode fuzzy control. Waktu yang diperlukan untuk mengisi baterai 2 seri adalah 30 menit, sedangkan untuk mengisi baterai 4 seri adalah 35 menit. Jika dibandingkan dengan motode CC-CV maka metode CC- Fuzzy Control ini mengisi daya lebih cepat 10 menit untuk baterai 2 seri, dan lebih cepat 5 menit untuk baterai 4 seri, serta suhu baterai dapat dijaga agar tidak melebihi batas aman
Kata Kunci: Pengisi daya baterai, constant current, fuzzy logic control, temperatur
commit to user
vi
DESIGN OF CHARGING SYSTEM USING CONSTANT CURRENT – FUZZY CONTROL METHOD FOR LITHIUM ION
BATTERIES
ABSTRACT Azis Ubaidilah
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret E-mail: azisubaidilah@gmail.com
Abstract
The battery is a component that can store electrical energy for a long time so that it has an important role. One battery that is in great demand is a lithium ion battery.
This battery has a high energy density, up to a long service life that attracts consumers. However, lithium ion batteries have sensitivity to deep discharge or over charge, temperature, charge / discharge currents. The conventional battery charging system has the disadvantage that it takes a very long time to charge so that the battery temperature is high. A charger system is needed that is capable of maximizing charging capacity, shortening charging time and extending battery life.
In this study, a battery charging system was developed using the constant current - fuzzy control method. Fuzzy control uses battery temperature and changes in battery temperature as input and output in the form of PWM to adjust the amount of output current. The test results show that the performance of the charger system has an accuracy of 99.9316% and a precision of 99.664%. In charging the battery the system can keep the current constant in CC mode and keep the battery temperature at a safe limit in fuzzy control mode. The time needed to charge a battery in 2 series is 30 minutes, while to charge a battery in 4 series is 35 minutes.
When compared with the CC-CV method, the CC-Fuzzy Control method charges 10 minutes faster for 2 series batteries, and 5 minutes faster for 4 series batteries, and the battery temperature can be maintained so that it does not exceed the safe limit.
Kata Kunci: Battery charger, constant current, fuzzy logic control, temperature
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga skripsi dengan judul “Rancang Bangun Sistem Pengisian Baterai dengan Metode Constant Current–Fuzzy Control untuk Baterai Lithium Ion” ini berhasil diselesaikan.
Laporan skripsi ini dapat terselesaikan dengan menerapkan ilmu studi di perkuliahan program studi teknik elektro serta bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak sebagai syarat kelulusan mata kuliah Skripsi/Tugas Akhir guna memperoleh gelar sarjana strata 1 pada Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Penulis menyadari bahwa penyusunan laporan tugas akhir ini tidak lepas dari bantuan dan dukungan banyak pihak. Penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada:
1. Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini.
2. Segenap keluarga yang telah memberikan doa, dukungan dan kasih sayang kepada penulis.
3. Bapak Prof. Muhammad Nizam, S.T., M.T., Ph.D. dan Bapak Hari Maghfiroh, S.T., M.Eng. selaku dosen pembimbing atas bimbingan, bantuan dan waktu yang telah diberikan.
4. Bapak Chico Hermanu Brillianto Apribowo, S.T., M.Eng. dan Bapak Joko Slamet Saputro, S.Pd., M.T. selaku dosen penguji atas kritik dan sarannya yang membangun.
5. Bapak Feri Adriyanto, Ph.D. selaku kepala program studi teknik elektro dan segenap dosen dan karyawan Program Studi Teknik Elektro UNS yang telah memberikan ilmu yang bermanfaat, motivasi, dan inspirasi yang luar biasa selama menjalani masa perkuliahan.
6. Bapak M. Hamka Ibrahim, S.T., M.Eng. dan Bapak Jaka Sulistya Budi, S.T.
selaku koordinator tugas akhir yang membantu jalannya tugas akhir ini.
7. Salman Alfarisi yang telah membantu dalam menyelesaikan permasalahan
hardware. commit to user
viii
8. Seluruh teman-teman teknik elektro angkatan 2016 yang telah bersama- sama berjuang selama masa perkuliahan.
9. Seluruh teman-teman Teknik Elektro Universias Sebelas Maret Surakarta dan teman-teman lainnya yang telah memberikan bantuan dan forum diskusi
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih belum sempurna, hal itu didasari karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan yang dimiliki penulis, sehingga kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan. Penulis juga memohon maaf apabila terdapat kesalahan dalam penulisan skripsi ini. Akhir kata, Semoga skripsi ini dapat menghasilkan laporan yang bermanfaat bagi banyak pihak.
Surakarta, 03 September 2020
Azis Ubaidilah NIM. I0716009
commit to user
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN SURAT TUGAS ... ii
SURAT PERNYATAAN ORISINALITAS KARYA ILMIAH ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
ABSTRAK ... v
ABSTRACT ... vi
KATA PENGANTAR ... vii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR TABEL ... xiii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 3
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Manfaat Penelitian ... 3
1.5 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Penelitian Sebelumnya ... 5
2.2 Baterai Lithium Ion ... 5
2.3 Buck-Boost Converter ... 10
2.3.1. Prinsip Kerja Buck-Boost Converter ... 10
2.3.2. Penentuan Nilai Komponen ... 14
2.4 Fuzzy ... 16
2.4.1. Fuzzifikasi ... 16
2.4.2. Rule Base ... 17
2.4.3. Defuzzifikasi ... 18
2.5 Arduino Nano ... 18
2.6 Sensor Suhu ... 19
2.7 Sensor Tegangan ... 20
2.8 Sensor Arus ... 20
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 23
3.1 Perancangan Alat ... 25 3.2 Alat dan Bahan ... 26 commit to user
x
3.3 Perancangan Perangkat Keras ... 28
3.4.1. Perancangan Buck-boost Converter ... 30
3.4.2. Perancangan Sensor Tegangan ... 33
3.4.3. Perancangan Sensor Arus ... 34
3.4.4. Perancangan Sensor Temperature ... 34
3.4 Perancangan Perangkat Lunak ... 35
3.4.1. Perancangan Algoritma Constant Current ... 35
3.4.2. Perancangan Fuzzy ... 35
3.5 Pengujian Peforma Rancang Bangun ... 39
3.5.1. Simulasi Rangkaian Buck-Boost Converter ... 39
3.5.2. Pengujian Sensor ... 39
3.5.3. Pengujian Buck-Boost ... 40
3.5.4. Pengujian Pengisian Baterai ... 40
3.6 Pengambilan Data ... 41
3.7 Analisa dan Penutup ... 42
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 43
4.1 Simulasi ... 43
4.2 Pengujian Respon Pulsa Driver ... 44
4.3 Pembuatan Alat ... 45
4.4 Kalibrasi Sensor Tegangan ... 46
4.5 Pengujian Akurasi Sesor ... 48
4.6 Pengujian Presisi Sensor ... 50
4.7 Pengujian Buck-boost ... 51
4.8 Pengujian Pengisian Baterai ... 52
4.9 Perbandingan Tegangan Pengisian, Arus Pengisian, Tegangan Baterai, dan Suhu Baterai ... 58
4.9.1. Perbandingan Tegangan Pengisian ... 59
4.9.2. Perbandingan Arus Pengisian ... 61
4.9.3. Perbandingan Tegangan Baterai ... 62
4.9.4. Perbandingan Suhu Baterai ... 64
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 66
5.1 Kesimpulan ... 66
5.2 Saran ... 67
DAFTAR PUSTAKA ... 68 commit to user
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 Topologi buck-boost converter ... 10
Gambar 2. 2 Rangkaian buck-boost converter mode buck ... 11
Gambar 2. 3 (a) Analisa saklar tertutup mode buck (b) Analisa saklar terbuka mode buck ... 11
Gambar 2. 4 Rangkaian buck-boost converter mode boost ... 12
Gambar 2. 5 (a) Analisa saklar tertutup mode boost (b) Analisa saklar terbuka mode boost ... 12
Gambar 2. 6 (a) Analisa saklar tertutup mode buck-boost (b) Analisa saklar tertbuka mode buck-boost ... 13
Gambar 2. 7 Fungsi linier naik [13] ... 16
Gambar 2. 8 Fungsi linier turun [13] ... 17
Gambar 2. 9 Fungsi segitiga [13] ... 17
Gambar 2. 10 Arduino Nano ... 19
Gambar 2. 11 Diagram Pinout Arduino Nano ... 19
Gambar 2. 12 Rangkaian Sensor Suhu [16] ... 19
Gambar 2.13 Pembagi Tegangan ... 20
Gambar 2. 14 Rangkaian Sensor Arus [18] ... 21
Gambar 3. 1 Diagram Alir Jalannya Penelitian ... 23
Gambar 3. 2 Diagram Alir Jalannya Penelitian (sambungan) ... 24
Gambar 3. 3 Diagram Blok Sistem Pengisi Baterai ... 25
Gambar 3. 4 Diagram Alir Penelitian ... 28
Gambar 3. 5 Diagram Alir Penelitian (sambungan)... 29
Gambar 3. 6 Perancangan Rangkaian Driver IR20101 ... 31
Gambar 3.7 Perancangan Rangkaian Sensor Temperatur ... 34
Gambar 3. 8 Fungsi Keanggotaan untuk Suhu Baterai ... 36
Gambar 3. 9 Fungsi Keanggotaan untuk Perubahan Suhu Baterai ... 36
Gambar 3. 10 Fungsi Keanggotaan untuk Nilai PWM Boost ... 37
Gambar 3. 11 Fungsi Keanggotaan untuk Nilai PWM Buck ... 38
Gambar 3. 12 Rangkaian Simulasi ... 39
Gambar 3. 13 Pengujian Pengisian Baterai ... 41
Gambar 4. 1 (a) Gelombang masukan ke IR2101 (b) Gelombang keluaran dari Driver IR2101 ... 44
Gambar 4. 2 Skematik Rangkaian ... 45
Gambar 4. 3 Desain PCB ... 45
Gambar 4. 4 Hasil Rancang Bangun ... 46
Gambar 4. 5 Grafik Kalibrasi Pembacaan Tegangan ... 47
Gambar 4. 6 Grafik Uji Akurasi Sensor Tegangan ... 49
Gambar 4.7 Pengisan baterai 2S dengan mode CCCV ... 53
Gambar 4. 8 Pengisan baterai 2S dengan mode CC-Fuzzy ... 55
Gambar 4. 9 Pengisan baterai 4S dengan mode CCCV ... 56
Gambar 4. 10 Grafik Pengujian Pengisan baterai 4S dengan mode CC-Fuzzy .... 58 Gambar 4. 11 Grafik Perbandingan Tegangan Pengisian Baterai 2S ... 59 commit to user
xii
Gambar 4. 12 Grafik Perbandingan Tegangan Pengisian Baterai 4S ... 60
Gambar 4. 13 Grafik Perbandingan Arus Pengisian Baterai 2S ... 61
Gambar 4. 14 Grafik Perbandingan Arus Pengisian Baterai 4S ... 61
Gambar 4. 15 Grafik Perbandingan Tegangan Baterai 2S ... 62
Gambar 4. 16 Grafik Perbandingan Tegangan Baterai 4S ... 63
Gambar 4. 17 Grafik Perbandingan Suhu Baterai 2S ... 64
Gambar 4. 18 Grafik Perbandingan Suhu Baterai 4S ... 64
commit to user
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1 Perbandingan Baterai Lithium Ion dengan Jenis Lain [6] ... 5
Tabel 2.2. Penelitian Sebelumnya ... 7
Tabel 2.3 Spesifikasi Sensor Arus ACS712 ... 21
Tabel 3. 1 Alat dan Bahan ... 27
Tabel 3. 2 Spesifikasi Panasonic 18650BE Li-Ion ... 27
Tabel 3. 3 Parameter Pembuatan Buck-Boost Converter... 30
Tabel 3. 4 Nilai Keanggotaan untuk Nilai PWM Boost ... 37
Tabel 3. 5 Nilai Keanggotaan untuk Nilai PWM Buck ... 38
Tabel 3. 6 Matriks Aturan Fuzzy ... 38
Tabel 4. 1 Data Simulasi Boost Converter ... 43
Tabel 4. 2 Data Simulasi Buck Converter ... 44
Tabel 4. 3 Data Kalibrasi Pembaca Tegangan ... 47
Tabel 4. 4 Uji Akurasi Sensor Tegangan ... 48
Tabel 4. 5 Data Uji Presisi Sensor Tegangan ... 50
Tabel 4. 6 Data Pengujian buck-boost converter mode boost ... 51
Tabel 4. 7 Data Pengujian buck-boost converter mode buck... 52
Tabel 4. 8 Data Pengisan baterai 2S dengan mode CCCV ... 53
Tabel 4. 9 Data Pengisan baterai 2S dengan mode CC-Fuzzy ... 54
Tabel 4. 10 Data Pengisan baterai 4S dengan mode CCCV ... 56
Tabel 4. 11 Data Pengujian Pengisan baterai 4S dengan mode CC-Fuzzy ... 57
commit to user
