Analisis Perilaku Superkapasitor Susunan Sebagai Pengganti Baterai

  JITEKH, Vol 6, No 1, Tahun 2017, 1-6

  

Supercapacitors that have been produced commercially have terminal voltage range of 2.3 - 2.7 Volts. In order to

use them as a replacement for a battery with greater working voltage, these supercapacitors should be

constructed by using several supercapacitors connected in series. However, this arrangement raises new

problems, such as voltage imbalance resulting in decreased storage capability. This paper discusses the behavior

of supercapacitor arrangement to replace a battery having voltage and capacity 3.6 V and 0.9 Ah. The study was

done by simulation using simulink matlab simulator. The investigated behaviors are based on the observation of

charging time and discharging time. Simulation results show that supercapacitor can replace the battery: 2-

supercapacitor lasts for 23.5 seconds, 3-supercapacitor lasts for 30.5 seconds, and 4-supercapacitor lasts for 30.1

seconds.

  Kapasitor banyak digunakan dalam sirkuit elektronik untuk mengerjakan berbagai fungsi. Pada dasarnya kapasitor merupakan alat penyimpan muatan listrik yang dibentuk dari dua permukaan (piringan) yang berhubungan, tetapi dipisahkan oleh suatu penyekat [3]. Bila elektron berpisah dari satu plat ke plat yang lain, akan terdapat muatan

  2.1 Kapasitor

  2. Tinjauan Pustaka

  Ah. Superkapasitor susunan yang diselidiki adalah superkapasitor susunan yang terdiri dari 2- superkapasitor, 3-superkapasitor dan 4- superkapasitor yang dihubungkan secara seri. Perilaku yang diselidiki adalah lama waktu superkapasitor susunan dapat menggantikan baterai, yang diperoleh dari pengamatan waktu pengisian (charging time ) dan waktu pengosongan (discharging time) muatan super kapasitor susunan. Studi dilakukan dengan cara simulasi menggunakan simulator Simulink Matlab. Dari studi ini akan dapat diketahui perilaku dan kelayakan superkapasitor susunan sebagai pengganti baterai dalam bentuk lama waktu pengganti.

  Besar tegangan yang dihasilkan oleh sebuah superkapasitor yang telah banyak diproduksi secara komersil adalah dalam rentang 2,3-2,7 Volt [2]. Jika dibutuhkan nilai tegangan yang lebih besar dari yang tersedia, maka harus dibangun superkapasitor susunan dengan menyusun secara seri beberapa superkapasitor Superkapasitor susunan ini memunculkan masalah baru, seperti adanya ketidakseimbangan tegangan pada masing-masing superkapasitor yang mengakibatkan menurunnya kemampuan superkapasitor sebagai penyimpan energi. Oleh sebab itu dilakukan penelitian untuk dapat mengetahui perilaku superkapasitor susunan yang akan dimanfaatkan sebagai pengganti baterai. Pada studi ini baterai yang akan digantikan

  Superkapasitor adalah sebuah perangkat baru dari media penyimpanan energi, yang memiliki perbedaan yang jauh antara kapasitor biasa dan baterai. Superkapasitor memiliki kapasitansi dan kerapatan energi yang lebih tinggi dibanding kapasitor biasa. Superkapasitor juga memiliki waktu pengisian-pengosongan yang cepat, serta umur yang panjang [1].

  Keywords: supercapacitor, battery, charging time, discharge time, replacement time

  Kata kunci: superkapasitor, baterai, waktu pengisian, waktu pengosongan, waktu pengganti

Abstract

  ISSN 2338-5677 Cetak

  dapat menggantikan baterai tersebut dengan lama waktu pengganti: untuk 2-superkapasitor selama 23,5 detik, untuk 3-superkapasitor 30,5 detik, dan untuk 4-superkapasitor selama 30,1 detik.

  

time ) muatan superkapasitor susunan. Dari hasil simulasi dan analisis diperoleh bahwa superkapasitor susunan

  Superkapasitor susunan ini memunculkan masalah baru, seperti adanya ketidakseimbangan tegangan pada masing-masing superkapasitor yang mengakibatkan menurunnya kemampuan superkapasitor sebagai penyimpan energi. Tulisan ini membahas tentang perilaku superkapasitor susunan sebagai pengganti baterai yang memiliki tegangan dan kapasitas 3.6 V dan 0.9 Ah. Studi dilakukan dengan cara simulasi menggunakan simulator Simulink Matlab. Perilaku yang diselidiki adalah lama waktu superkapasitor susunan dapat menggantikan baterai, yang diperoleh dari pengamatan waktu pengisian (charging time) dan waktu pengosongan (discharging

  Superkapasitor yang telah banyak diproduksi secara komersil hanya memiliki besar tegangan terminal 2,3 - 2,7 Volt. Untuk dapat digunakan sebagai pengganti baterai dengan tegangan kerja yang lebih besar, maka harus dibangun superkapasitor susunan yang terdiri dari beberapa superkapasitor yang dihubungkan secara seri.

  

Abstrak

  

Arman Sani

Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara

Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA

e-mail: armansani.usu@gmail.com

  ISSN 2549-6646 Online

Analisis Perilaku Superkapasitor Susunan Sebagai Pengganti Baterai

1. Pendahuluan

  ISSN 2338-5677 Cetak JITEKH, Vol 6, No 1, Tahun 2017, 1-6

  ISSN 2549-6646 Online

  muatan negatif pada plat yang memperoleh elektron, seperti diperlihatkan pada Gambar 1.

  Gambar 3 Kapasitor tersusun seri

  Maka besar tegangan total pada rangkaian seri kapasitor diperlihatkan pada Persamaan 2 [3].

  Gambar 1 Rangkaian sederhana kapasitor

  ......................... (2) terhubung dengan sumber DC Karena tegangan adalah muatan dibagi

  Sebuah kapasitor yang disambungkan ke dengan kapasitas seperti yang diperlihatkan sebuah sumber daya arus searah (direct current – diperlihatkan pada Persamaan 3. DC) dengan seketika akan menjadi bermuatan. Tegangan antara kedua pelatnya adalah sama

  ............................................................. (3) dengan tegangan sumber daya. Ketika kapasitor tersebut dilepaskan dari sumber daya, kapasitor

  Maka besar kapasitas total dari kapasitor tersusun tetap mempertahankan muatannya. Inilah alasan seri diperlihatkan pada Persamaan 4. mengapa kapasitor dapat menyimpan muatan.

  Bila sebuah kapasitor dihubungkan dengan ...................................... (4) sebuah sumber tegangan DC seperti terlihat pada

  Gambar 2, maka besar kapasitas kapasitor dapat dinyatakan dengan Persamaan 1[4].

  Persamaan 4 dapat ditulis ulang atau disederhanakan menjadi Persamaan 5. ............................................................ (1)

  ............................................... (5)

  2.2 Superkapasitor

  Superkapasitor merupakan media alternatif penyimpanan energi listrik yang berbeda dari baterai dan kapasitor konvensional. Media alternatif penyimpanan energi telah menarik perhatian oleh banyak peneliti [5]. Berdasarkan keuntungan dalam teknologi dan peningkatan kapasitas penyimpanan energi, media ini mulai dipertimbangkan sebagai

  Gambar 2 Rangkaian kapasitor sederhana

  sistem penyimpanan energi pada Pembangkit Listrik Energi Baru dan Terbarukan. Bila beberapa buah kapasitor dirangkai

  Baterai mampu dalam menyediakan energi yg secara seri dan dihubungkan dengan sumber besar, namun kurang dalam hal kerapatan daya. tegangan, maka akan terjadi proses pembagian

  Superkapasitor menyediakan kerapatan daya yang tegangan pada tiap kapasitor seperti yang besar dan kurang dalam menyimpan energi diperlihatkan pada Gambar 3. dibandingkan baterai, hal ini diperlihatkan pada Gambar 4 yang merupakan gambar perbandingan antara kerapatan daya dan kerapatan energi untuk beberapa media penyimpan energi [6].

  ISSN 2338-5677 Cetak JITEKH, Vol 6, No 1, Tahun 2017, 1-6

  ISSN 2549-6646 Online

  a. Data setelan parameter internal dari superkapasitor, b. data dari baterai yang digunakan sebagai pembanding, dan c. data beban yang tersedia. _{Mulai A}

  Mengumpulkan data yang _{menentukan parameter dibutuhkan dan Mengambil data yang} Gambar 4 Perbandingan Kerapatan Energi _komponen ^diperlukan

  Terhadap Kerapatan Daya _Melakukan Dengan sifat istimewa yang dimiliki masing- Data Baterai, _{Superkapasitor, terhadap data dari perbandingan} masing, penggunaan bersama baterai dan _{dan beban baterai} superkapasitor menciptakan keseimbangan yang baik untuk banyak aplikasi seperti _{Merancang model} UPS(Uninterruptible Power Supply). Ketika beban _{Merancang model rangkaian untuk rangkaian untuk} tiba-tiba berubah dapat ditangani oleh superkapasitor _{baterai tersusun seri} superkapasitor dan baterai dapat menangani beban yang konstan.

  Seperti pada baterai, superkapasitor memiliki _{pengujian terhadap pengujian terhadap Melakukan Melakukan} sebuah elektrolit didalamnya, memisahkan bagian _{model rangkaian model rangkaian} plat-platnya, yang lebih mirip elektrolit pada baterai daripada dielektrik pada kapasitor konvensional. Perbandingan antara kapasitor konvensional, _{Mengambil Mengambil} baterai dan superkapasitor diperlihatkan pada Tabel data yang data yang _{diperlukan diperlukan} 1.

  Tabel 1 Perbandingan beberapa penyimpan _{satu superkapasitor Merancang model rangkaian untuk terhadap data dari perbandingan Melakukan baterai pengujian terhadap penarikan model rangkaian kesimpulan} Melakukan Melakukan _{A Selesai} Gambar 5 Diagram Alir Penelitian

3. Metodotologi Penelitian

  2. Merancang Rangkaian Simulasi untuk baterai

  3.1 Tahapan Penelitian

  Pada program simulator dirangkai sebuah Tahapan penelitian yang dilakukan dimulai baterai yang terhubung dengan tahanan untuk dari pengumpulan data, pemodelan rangkaian, pelepasan muatan. Dimana nilai tahanan sama mengambil data yang diperlukan dari model dengan nilai tahanan pada pengujian rangkaian, dan tahap terakhir yaitu penarikan superkapasitor. kesimpulan. Keseluruhan proses penelitian

  3. Melakukan simulasi/pengujian terhadap model ditampilkan secara visual melalui diagram alir yang rangkaian dari baterai diperlihatkan pada Gambar 5. Pengujian ini dimulai dari baterai yang terisi penuh hingga baterai tersebut benar-benar kosong.

  3.2 Pelaksanaan Penelitian

  4. Mengambil data yang diperlukan dari pengujian Berdasarkan diagram alir pada Gambar 5

  Dari pengujian ditampilkan data untuk langkah-langkah penelitian dijelaskan sebagai pengosongan muatan serta kurva karakteristik berikut: nominal dari baterai.

  1. Pengumpulan data

  5. Merancang Rangkaian Simulasi untuk Data yang diperlukan pada penelitian ini superkapasitor terdiri dari: JITEKH, Vol 6, No 1, Tahun 2017, 1-6

  ISSN 2338-5677 Cetak

  ISSN 2549-6646 Online

  Pada program simulator dirangkai sebuah rangkaian pengganti untuk sebuah superkapasitor yang terhubung ke sumber energi dengan arus pengisian yang konstan untuk pengisian muatan, dan setelah beberapa saat hubungan ke sumber arus terbuka, lalu pada saat yang sama superkapasitor terhubung juga ke tahanan untuk pengosongan muatan, yang mana nilai tahanan ini sama dengan tahanan pada pengujian baterai. Dari rangkaian dasar satu superkapasitor ini dirangkai lagi rangkaian seri superkapasitor sebanyak dua hingga empat buah superkapasitor.

  6. Melakukan simulasi terhadap model rangkaian dari superkapasitor Metode selama pengujian telah dijelaskan sebelumnya pada poin 5. Waktu yang digunakan untuk mengisi superkapasitor adalah selama 14 detik, setelah itu hubungan dengan sumber arus terputus, pada saat yang bersamaan hubungan dengan tahanan tertutup/tersambung. Pengujian dilakukan selama 200 detik.

  7. Mengambil data yang diperlukan dari pengujian Dari pengujian diambil data berupa nilai tegangan dari tiap-tiap superkapasitor, nilai tegangan dari tahanan, serta nilai tegangan total dari superkapasitor untuk superkapasitor tersusun seri.

  8. Melakukan perbandingan terhadap data dari pengujian baterai Setelah didapatkan data dari superkapasitor, maka dibandingkan dengan data dari baterai. Hasilnya adalah mampukah superkapasitor tersebut sebagai pengganti baterai, jika mampu berapa lama dapat bertahan.

  9. Melakukan penarikan kesimpulan Setelah semua tahapan terlewati dilakukan penarikan kesimpulan dari tulisan.

  Simulasi dilakukan dengan sebuah baterai yang terhubung dengan tahanan sebesar 10Ω , tahanan disini dimaksudkan sebagai beban. Gambar dari rangkaian simulasi untuk pengujian baterai diperlihatkan pada Gambar 6. JITEKH, Vol 6, No 1, Tahun 2017, 1-6

  Gambar 6 Rangkaian Simulasi Untuk Baterai Namun untuk dapat membandingkan dengan superkapasitor dibutuhkan kurva pengosongan dari baterai yang menunjukkan nilai nominal dari baterai yang diperlihatkan pada Gambar 7.

  Gambar 7 Kurva karakteristik pengosongan baterai

  Pada Gambar 7 terlihat kurva pengosongan dari baterai, yang mana daerah yang diarsir adalah area nominal atau area kerja dari baterai. Dari kurva tersebut diperlihatkan tegangan nominal yang dibutuhkan adalah 3.6 V, dan dibawah tegangan tersebut baterai yang diujikan sudah tidak mampu lagi dalam memberikan tegangan yang memadai yang mana artinya peralatan sudah tidak bisa digunakan lagi, dan baterai harus segera diisi kembali. Nilai tegangan 3.6 V ini menjadi acuan atau dasar sebagai pembanding dari superkapasitor yang digunakan. Jika nilai tegangan dari superkapasitor yang digunakan lebih besar dari 3.6 V, maka akan dilihat sampai berapa lama tegangan dari superkapasitor tersebut hingga mencapai 3.6 V.

4. Hasil dan Analisis

4.1 Pengujian menentukan karakteristik dari Baterai

  4.2 Pengujian untuk Satu Superkapasitor

  Untuk hasil pengujian dari satu superkapasitor yaitu berupa grafik hubungan antara tegangan dan waktu yang diperlihatkan pada Gambar

  8 didapatkan bahwa nilai tegangan dari satu superkapasitor tidak dapat menyamai nilai tegangan dari sebuah baterai yang dijadikan sebagai pembanding. Ini membuktikan bahwa jika hanya satu superkapasitor tidak dapat digunakan sebagai pengganti dari baterai.

  ISSN 2338-5677 Cetak

  ISSN 2549-6646 Online Gambar 8 Grafik hubungan tegangan dan waktu

  untuk 1-superkapasitor

  4.3 Pengujian untuk Dua Superkapasitor

  Untuk hasil pengujian dari dua superkapasitor tersusun seri yaitu berupa grafik hubungan antara tegangan dan waktu yang diperlihatkan pada Gambar 9 didapatkan bahwa nilai tegangan dari dua superkapasitor tersusun seri dapat menyamai bahkan melebihi nilai tegangan dari sebuah baterai yang dijadikan sebagai pembanding. Berdasarkan grafik pada Gambar 12 nilai tegangan 3.6 V dapat bertahan hingga pada detik ke-37,5. Sedangkan 14 detik pertama merupakan waktu pengisian dari superkapasitor. Jadi 23,5 detik adalah waktu yang bisa dilakukan superkapasitor untuk dapat menggantikan baterai sebesar 3.6 V.

  Gambar 9 Grafik hubungan tegangan dan waktu

  untuk 2-superkapasitor

  4.4 Pengujian untuk Tiga Superkapasitor

  Untuk hasil pengujian tiga superkapasitor tersusun seri yaitu berupa grafik hubungan antara tegangan dan waktu yang diperlihatkan pada Gambar 10 didapatkan bahwa nilai tegangan dari tiga superkapasitor tersusun seri dapat menyamai bahkan melebihi nilai tegangan dari sebuah baterai yang dijadikan sebagai pembanding. Berdasarkan grafik pada Gambar 10 nilai tegangan 3.6 V dapat bertahan hingga pada detik ke-44,5. Sedangkan 14 detik pertama merupakan waktu pengisian dari super kapasitor. Jadi 30,5 detik adalah waktu yang bisa dilakukan superkapasitor untuk dapat menggantikan baterai sebesar 3.6 V.

  Berdasarkan Gambar 10 dan Gambar 9, terlihat jelas bahwa nilai tegangan lebih cepat menurun pada Gambar 13. Hal tersebut dapat membuktikan bahwa superkapasitor yang mempunyai nilai tegangan yang lebih besar, juga semakin cepat mengalami penurunan tegangan karena arus yang ditarik juga semakin besar.

  Gambar 10 Grafik hubungan tegangan dan waktu

  untuk 3-superkapasitor

  4.5 Pengujian untuk Empat Superkapasitor

  Untuk hasil pengujian empat superkapasitor tersusun seri yaitu berupa grafik hubungan antara tegangan dan waktu yang diperlihatkan pada Gambar 11 didapatkan bahwa nilai tegangan dari empat superkapasitor tersusun seri dapat menyamai bahkan melebihi nilai tegangan dari sebuah baterai yang dijadikan sebagai pembanding. Berdasarkan grafik pada Gambar 11 nilai tegangan 3.6 V dapat bertahan hingga pada detik ke-44,1. Sedangkan 14 detik pertama merupakan waktu pengisian dari superkapasitor. Jadi 30,1 detik adalah waktu yang bisa dilakukan superkapasitor untuk dapat menggantikan baterai sebesar 3.6 V.

  Berdasarkan Gambar 9, Gambar 10, dan Gambar 11 memperlihatkan bahwa nilai tegangan sangat cepat menurun pada Gambar 11. Hal tersebut membuktikan bahwa superkapasitor yang mempunyai nilai tegangan yang lebih besar, juga semakin cepat mengalami penurunan tegangan karena arus yang ditarik juga semakin besar.

  ISSN 2338-5677 Cetak JITEKH, Vol 6, No 1, Tahun 2017, 1-6

  ISSN 2549-6646 Online

  [4] Floyd (2001). “Electronics Fundamentals

  Fifth Edition” , Prentice-Hall Inc., Upper Saddle River, New Jersey.

  [5] Patel, Dipesh (2015), ”Battery Evaluation,

  Modellinng and Fast Charger Using Supercapacitor as Input Source ”, ProQuest

  LLC, University of Massachusetts, Lowell, Massachusetts. [6] Glavin, M. E., W.G. Hurley (2007),

  “Ultracapacitor/ battery hybrid for solar

  energy storage ”, IEEE Conference on

  Universities Power Engineering Gambar 11 Grafik hubungan tegangan dan waktu untuk 4-superkapasitor

  5. Kesimpulan

  Dari hasil pembahasan diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut:

  1. Berdasarkan pengujian dengan baterai 3.6 V dan 0.9 Ah didapatkan bahwa superkapasitor susunan dapat dimanfaatkan sebagai pengganti baterai.

  2. Untuk superkapasitor susunan dapat menggantikan baterai dengan 2- superkapasitor selama 23,5 detik, dengan 3- superkapasitor 30,5 detik, dan dengan 4- superkapasitor selama 30,1 detik.

  3. Pada pengujian superkapasitor susunan yang terdiri dari 3-superkapasitor dan 4-super kapasitor, selama waktu pengisian superkapasitor yang berada di tengah memiliki nilai tegangan yang lebih besar dari superkapasitor yang berada di ujung terminal, terjadi pembagian tegangan yang tidak merata di masing-masing superkapasitor.

  4. Semakin banyak superkapasitor yang tersusun seri, maka nilai tegangan akan semakin bertambah, akan tetapi akan semakin cepat mengalami penurunan tegangan ketika melayani beban.

  6. Daftar Pustaka [1] Patel, Komal R. and Rushi R. Desai (2012).

  “Calculation of Internal Parameters of Super

  Capacitor to Replace Battery by Using Charging and Discharging Characteristics”,

  International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT) Volume 2, Hal 1.

  [2] Murata, “High Perfomance Electrical Double diakses 30 Agustus 2016

  Layer Capacitors”, dari www.murataamericas.com/edlc.

  [3] Woollard, Barry (1993). “Practical

  Electronics Vol 2”, McGraw-Hill Book Company Limited, UK England.