Pengukuran Parameter Internal Dari Super Kapasitor Sebagai Pengganti Baterai Sepeda Motor Berdasarkan Karakteristik Pengisian dan Pengosongan Chapter III V
BAB III
METODE PENELITIAN
3. 1
Baterai dan Super Kapasitor
Baterai yang digunakan pada Tugas Akhir adalah baterai sepeda motor jenis
lead-acid 12 volt, 6.5 Ah tipe GTZ-7S buatan ASTRA. Baterai ini lebih dikenal sebagai
baterai kering yang memilki ketahanan yang lama dan bebas emisi uap. Untuk super
kapasitor yang digunakan pada pengukuran ini adalah super kapasitor dengan kapasitas
1600 F dengan merk ESHSR-1600C0-002R7A5 buatan NessCap.
3.2
Parameter Internal Baterai dan Super Kapasitor
Berdasarkan penelitian yang sudah ada, sebuah super kapasitor dapat dimodelkan
dengan tiga buah cabang RC tersusun paralel seperti Gambar 3.1[11].
Gambar 3.1 Rangkaian Ekuivalen Super Kapasitor
Masing–masing dari ketiga cabang ini (Gambar 3.1) memiliki rating waktu yang
saling berbeda. Parameter immediate branch memiliki komponen Ri, Ci0 dan Ci1 dengan
respon pengisian dalam waktu yang sangat singkat. Parameter delayed branch memiliki
komponen Rd dan Cd sebagai karakter baterai dan super kapasitor pada kisaran menit.
Parameter long-term branch memiliki komponen Rl dan Cl yang menentukan karakter
baterai dan super kapasitor pada kisaran waktu lebih dari 10 menit. Untuk
17
Universitas Sumatera Utara
mengidentifikasi parameter rangkaian ekivalen, proses transien setiap cabang dapat
diamati satu per satu dengan menganggap tegangan sebagai fungsi waktu walaupun
ketiga cabang memiliki waktu identifikasi yang berbeda[11].
3.2.1 Identifikasi Parameter Immediate Branch
Parameter immediate branch dapat diidentifikasi dengan melakukan pengisian
terhadap baterai atau super kapasitor dengan arus konstan. Parameter pada cabang ini
dapat diketahui dari hubungan antara arus pengisian dan tegangan pada baterai atau
super kapasitor.
�1
�� = ��ℎ (3.1)
dimana V1 adalah besar tegangan pada saat t1 setelah arus pengisian dinyalakan dan
variabel Ich adalah arus pengisian konstan. Besar tegangan V1 menjadi titik acuan untuk
medapatkan nilai Ci0 dan Ci1. Untuk mendapatkan nilai Ci0, ditentukan terlebih dahulu
besar selisih tegangan∆V sehingga V2 = V1 + ∆V . Kemudian hitung waktu yang
dibutuhkan saat pengisian agar tegangan baterai atau super kapasitor mencapai tegangan
V2 yaitu t2 dan didapat ∆t = t2 – t1. Persamaan untuk mendapatkan Ci0 adalah
∆�
��� = ��ℎ ∆� (3.2)
Selanjutnya dihitung t3, yaitu waktu pengisian baterai atau super kapasitor
mencapai tegangan penuh (V3), lalu arus pengisian dimatikan. Berikut adalah
persamaaan untuk mendapatkan Ci1 :
2
����
Ci1 = �4 �
�4
− ��� �(3.3)
dimana Qtot = Ich x ( t4 - t1) dan t4 = t3 + t1 sedangkan V4 adalah tegangan sisa pada
baterai atau super kapasitor setelah pengosongan dengan waktu selama t1.
18
Universitas Sumatera Utara
3.2.2
Identifikasi Parameter Delayed Branch
Pada delayed branch akan dihitung besar Rd dan Cd. Untuk mendapatkan Rd, terlebih
dahulu hitung waktu baterai atau super kapasitor melakukan pengosongan yaitu t5 sehingga
tegangannya menjadi sebesar V5, dimana V5 = V4 - ∆V. Persamaan untuk mendapatkan Rd
yaitu :
∆V
(�4 − 2 )∗∆t
(3.4)
Rd =
����� ∗ ∆V
dimana Cdiff = Ci0 + (Ci1 x V3). Setelah didapat nilai Rd, dihitung t6 = t5 + 3 (Rd x Cil), lalu
ukur besar tegangan baterai atau super kapasitor saat t6 yaitu V6. Kemudian Cd dapat dihitung
dari Persamaan 3.5
Cd =
3.2.3
�tot
�6
�i1
− ( �i0 + �
2
∗ �6�)(3.5)
Identifikasi Parameter Long-Term Branch
Pada long-term branch dengan V7 = V6 - ∆V, dan t7 adalah waktu yang
dibutuhkan baterai atau super kapasitor dalam pengosongan muatannya hingga besar
tegangan menurun pada V7, maka Rl dapat dihitung :
∆V
� �6 − 2 �∗∆t
Rl =
(3.5)
����� ∗ ∆V
dimana ∆t = t7 – t6. Kemudian pada tahap akhir pengukuran, untuk mendapatkan
kapasitas Cl maka dilakukan pengisian terhadap baterai atau super kapasitor selama 30
menit. Pada waktu pengisian tersebut diasumsikan bahwa ketiga kapasitor memiliki
tegangan yang sama, lalu dapat dihitung kapasitas Cl, yaitu :
Cl =
����
�8
− � ��0 +
��1
2
∗ �8 �(3.6)
dimana V8 adalah besar tegangan super kapasitor setelah dilakukan pengisian selama 30
menit.
19
Universitas Sumatera Utara
3.3
Perhitungan Parameter Super Kapasitor Hubungan Seri Dan Paralel
Agar super kapasitor dapat menggantikan fungsi baterai maka tegangan super
kapasitor harus sama atau lebih besar dari tegangan baterai sehingga super kapasitor
akan diserikan. Banyaknya super kapasitor yang diserikan adalah 6 buah. Dengan
menserikan super kapasitor juga akan mengubah besaran parameter-paremeter internal
dari super kapasitor, perubahan ini dapat di hitung menggunakan rumus berikut[11] ;
(3.7)
(3.8)
(3.9)
(3.10)
Dimana, P
S
= Banyaknya super kapasitor yang diparalelkan
= Banyaknya super kapasitor yang diserikan
Nr
= faktor koreksi resitor
Nc
= faktor koreksi kapasitor
Setiap super kapasitor akan memiliki besar faktor koreksi yang berbeda – beda
jika dihubungkan secara seri atau paralel. Dari penelitian yang sudah ada, adapun faktor
koreksi super kapasitor NessCap 1600 dapat dilihat pada Tabel 3.1, Tabel 3.2, Tabel
3.3, Tabel 3.4 berikut :
Tabel 3.1 Faktor Koreksi Tahanan Super Kapasitor Nesscap 1600 F Terhubung Seri[11].
20
Universitas Sumatera Utara
Tabel 3.2 Faktor Koreksi Tahanan Super Kapasitor Nesscap 1600 F Terhubung Pararel[11].
Tabel 3.3 Faktor Koreksi Kapasitansi Super Kapasitor Nesscap 1600 F Terhubung Seri[11].
Tabel 3.4 Faktor Koreksi Kapasitansi Super Kapasitor Nesscap 1600 F Terhubung Paralel[11].
Tabel 3.1, Tabel 3.2, Tabel 3.3 dan Tabel 3.4 menunjukkan besar faktor koreksi
dari super kapasitor Nesscap 1600 F jika dihubungkan secara seri maupun paralel.
Dengan menggunakan rumus faktor koreksi super kapasitor, dapat dihitung perubahan
besar nilai parameter internal super kapasitor Nesscap 1600 F setelah dihubung seri atau
dihubung paralel. Pada Tugas Akhir ini, untuk mendapatkan nilai parameter internal
super kapasitor yang mendekati nilai parameter internal baterai, maka super kapasitor
Nesscap 1600F akan dihubungkan seri sebanyak enam.
Setelah mengetahui besar faktor koreksi dari tahanan dan kapasitas super
kapasitor, maka dapat dihitung besar tahanan dan kapasitansi akhir dengan persamaanpersamaan berikut :
Ri = Ri(1) + Ri(seri)(3.11)
Dimana :
Ri(1)= Besar nilai Ri untuk satu super kapasitor
Ri(seri)= Besar nilai Ri yang dihubung seri
Rd = Rd(1) + Rd(seri)(3.12)
21
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
Rd(1)= Besar nilai Rd untuk satu super kapasitor
Rd(seri)= Besar nilai Rd yang dihubung seri
Rl = Rl(1) + Rl(seri)(3.13)
Dimana :
Rl(1)= Besar nilai Rl untuk satu super kapasitor
Rl(seri)= Besar nilai Rl yang dihubung seri
Ci = Ci(s-1)- Ci(seri)/s(3.14)
Dimana :
Ci(s-1) = Besar nilai Ci saat super kapasitor yang terhubung sebanyak S -1
Ci(seri) = Besar nilai Ci yang dihubung seri
S
= Banyaknya super kapasitor yang dihubung seri
Cd = Cd(s-1)- Cd(seri)/s(3.15)
Dimana :
Cd(s-1) = Besar nilai Cd saat super kapasitor yang terhubung sebanyak S -1
Cd(seri)= Besar nilai Cd yang dihubung seri
S
= Banyaknya super kapasitor yang dihubung seri
Cd = Cd(s-1)- Cd(seri)/s(3.16)
Dimana :
Cl(s-1) = Besar nilai Cl saat super kapasitor yang terhubung sebanyak S -1
Cl(seri)= Besar nilai Cl yang dihubung seri
S
3.4
= Banyaknya super kapasitor yang dihubung seri
Spesifikasi Perangkat
Ada beberapa spesifikasi yang menjadi pendukung dalam penyusunan Tugas
Akhir ini, adapun spesifikasi perangkat yang mendukung meliputi spesifikasi perangkat
lunak dan perangkat keras.
3.4.1
Spesifikasi Perangkat Lunak
Perangkat lunak yang digunakan dalam penyusunan Tugas Akhir ini adalah
sebagai berikut :
22
Universitas Sumatera Utara
Sistem operasi
: Windows 7
Aplikasi program
: Simulink ver 7.9 dari MATLAB R2012a
3.4.1
Spesifikasi Perangkat Keras
Perangkat keras yang digunakan pada Tugas Akhir ini adalah Laptop Lenovo
User-PC .
3.5
Fasilitas Simulator yang Digunakan
Fasilitas simulator yang digunakan dalam pengukuran adalah baterai, super
kapasitor, sumber arus, scope dan pengatur waktu.
3.5.1
Baterai
Baterai yang digunakan adalah baterai sepeda motor jenis lead-acid 12 volt, 6.5
Ah tipe GTZ-7S buatan ASTRA.
3.5.2
Super Kapasitor
Super kapasitor yang digunakan pada pengukuran ini adalah super kapasitor
dengan kapasitas 1600 F dengan merk ESHSR-1600C0-002R7A5 buatan NessCap.
3.5.3
Sumber Arus
Sumber arus pada rangkaian simulasi pengukuran parameter internal baterai
digunakan untuk mengisi muatan pada baterai, sumber arus ditetapkan konstan sebesar
6 A.
3.5.4
Pengatur Waktu
Pengatur waktu yang ada pada rangkaian simulasi berguna untuk memberi
batasan waktu terhadap arus pengisian baterai. Pengatur waktu juga digunakan untuk
23
Universitas Sumatera Utara
mengetahui waktu yang dibutuhkan selama pengisian atau pengosongan super kapasitor
sampai pada batas tegangan tertentu.
3.6
Prosedur Penelitian
Prosedur penelitian meliputi serangkaian proses yang panjang seperti
pengumpulan data, studi literatur, pemodelan rangkaian simulasi dan pengambilan data
yang diperlukan dari rangkaian simulasi. Prosedur penelitian dapat digambarkan dalam
diagram alir seperti yang digambarkan pada Gambar 3.2.
Mulai
Mengumpulkan
data-data
parameter
internal baterai
A
Membandingkan
parameter internal
baterai dengan
parameter internal
super kapasitor
Menghitung
parameter internal
super kapasitor yang
telah dimodifikasi
Merancang
rangkaian
percobaan
Melakukan
simulasi
Apakah parameter internal super
kapasitor sudah sesuai dengan
parameter internal baterai ?
Mencatat
data hasil
simulasi
Yes
No
Melakukan
modifikasi yang
diperlukan pada
super kapasitor
Menganalisis
Data
Parameter
Super
kapasitor
Dan baterai
Mengumpulkan
data-data
parameter
internal super
kapasitor
Selesai
A
Gambar 3.2 Diagram Alir Pengukuran Parameter Baterai dan Super Kapasitor
24
Universitas Sumatera Utara
3.6.1
Pelaksanaan Pengukuran Parameter Internal Baterai dan Super Kapasitor
Langkah – langkah pengukuran parameter internal baterai sebagai berikut :
1.
Pengumpulan data
Data yang diperlukan pada penelitian ini terdiri dari :
-
Data setelan baterai sepeda motor
-
Data parameter internal super kapasitor
2.
Pemodelan rangkaian simulasi
Pada simulator SIMULINK MATLAB akan dirangkai sebuah rangkaian sebuah
rangkaian pengganti untuk pengisian dan pengosongan baterai, dengan arus pengisian
sama dengan arus pengosongannya. Dalam mengukur parameter internal baterai sepeda
motor adalah mengukurnya dengan menganggap baterai sepeda motor sebagai sebuah
super kapasitor.
NC
NO
A
I
V1
V3
V2
BT1
R
Gambar 3.3 Rangkaian ekuivalen dari Pengisian dan Pengosongan Baterai
Berdasarkan rangkaian ekuivalen baterai Gambar 3.3, maka dapat dibuat
rangkaian simulasi pengukuran parameter internal baterai sepeda motor pada simulink
matlab. Rangkaian simulasi pengisian baterai diperlihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4 Rangkaian Simulasi Pengisian Baterai
25
Universitas Sumatera Utara
Pada rangkaian pengisian baterai (Gambar 3.4), digunakan penyearah sebanyak
4 buah supaya arus pengisiannya memiliki gelombang arus DC karena supply arus
pengisian adalah arus AC. Selanjutnya rangkaian pengosongan baterai dapat dilihat
pada Gambar 3.3.
Gambar 3.5 Rangkaian Simulasi Pengosongan Baterai
Pada rangkaian simulasi pengosongan (Gambar 3.5) terdapat kontrol arus
pengosongan baterai.Dari data baterai yang digunakan dimasukkan nilai – nilai pada
Simulink matlab.
Tampilan kotak dialog baterai pada Simulink Matlab seperti pada gambar dibawah
ini :
Gambar 3.6 Kotak Dialog Parameter Baterai
Pada kotak dialog tersebut dimasukkan nilai-nilai parameter baterai yang telah
diperoleh.
3.
Melakukan simulasi/pengukuran terhadap model rangkaian.
4.
Mengambil data yang didapat dari pengukuran yang didapat dari percobaan.
Adapun data parameter internal yang dibutuh adalah :
26
Universitas Sumatera Utara
Ri
: besar tahanan Ri
Ci0
: besar kapasitansi kapasitorCi0
Ci1
: besar kapasitansi kapasitor Ci1
Rd
: besar tahananRd
Cd
:besar kapasitansi kapasitor Cd
Rl
: besar tahananR1
C1
: besar kapasitansi kapasitor C1
5.
Membandingkan data parameter internal baterai dan super kapasitor.
6.
Melakukan modifikasi yang dibutuhkan pada super kapasitor agar nilai
parameter internalnya sama atau mendekati nilai parameter internal baterai.
7.
Melakukan penarikan kesimpulan dari data yang didapat.
27
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
HASIL SIMULASI DAN ANALISA
4.1
Simulasi Pengukuran Parameter Internal Baterai
Untuk mendapatkan parameter internal baterai, digunakan Simulink matlab dengan
dua buah rangkaian simulasi yaitu rangkaian simulasi pengisian baterai (Gambar 3.2)
dan rangkaian simulasi pengosongan baterai (Gambar 3.3). Untuk mendapatkan
karakteristik pengisian, baterai di berikan arus pengisian sebesar 6 A dan arus
pengosongan sebesar 6A untuk mendapatkan karakteristik pengosongannya.
•
Penghitungan parameter baterai :
Tahap 1
Pada saat V0 = 0 volt
•
Q0 = 0
Tahap 2
Arus pengisian di nyalakan.
t1 = 0,5 detik, Ich = 6 A.
didapat V1 = 0,0247 Volt, dapatdilihat pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Tampilan Besar Tegangan Saat t1 pada Scope
28
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 4.1 terlihat bahwa bentuk gelombang dari tegangan baterai saat t1 justru
menurun. Kemudian dapat dihitung besar tahanan �� :
•
�1
Tahap 3
�� = ��ℎ =0,00411Ω
V2 = V1 + ∆V
∆V yang di pilih adalah 2,5 Volt, V2 = 2,5247 V
Pada saat V2, didapat t2 = 56 detik
∆t = t2– t1 = 55,5 detik, lalu dihitung besar Ci0 dengan menggunakan
Persamaan 3.2 :
∆�
•
��0 = ��ℎ ∆� = 61,92 F
Tahap 4
V3 = tegangan baterai pada keadaan penuh = 13 Volt
Pada saat V3, didapat t3 = 1535 detik,dapat dilihat pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2Tampilan Besar Tegangan Saat t3 pada Scope
Pada Gambar 4.2 terlihat bentuk gelombang dari tegangan pengisian baterai hingga
mencapai teganngan maksimum baterai. Kemudian arus pengisian di matikan.
29
Universitas Sumatera Utara
•
Tahap 5
t4 = t3 + 0.5 = 1535,5 s
0.5 s adalah waktu pengosongan pertama baterai.
Pada saat pengosongan 0.5 detik didapat V4 = 12,81 Volt,dapat dilihat pada Gambar
4.3.
Gambar 4.3Tampilan Besar Tegangan Saat 0.5 Detik pada Scope
Pada Gambar 4.3 terlihat bentuk gelombang dari tegangan saat pengosongan baterai
selama 0.5 detik.
Selanjutnya dihitung besar Qtotal :
Qtot = Ich * ( t4- t1 ) = 9210 coulomb
Dengan mesubtitusikan besar Qtot pada Persamaan 3.3, dapat dihitung besar Ci1:
2
•
Tahap 6
Ci1 = �4 �
����
�4
− ��� � = 101,53F
V5 = V4 - ∆V
∆V yang di pilih adalah 2,5 V
V5 = 12,81 – 2,5 = 10,31 V
30
Universitas Sumatera Utara
Lama waktu pengosongan baterai hingga tegangan baterai menjadi 10,31 volt adalah
selama 2785 detik (t5), terlihat pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4 Tampilan Besar Tegangan Saat t5 pada Scope
Pada Gambar 4.4 terlihat bentuk gelombang dari tegangan saat pengosongan baterai
selama 2785 detik.
Sehingga, ∆t = t5 – t4 = 1249,5 detik.
Cdiff = Ci0 + ( Ci1* V3 ) = 1.381,81 F, lalu dengan Persamaan 3.4, dapat dihitung besar
Rd :
∆V
•
(�4 − 2 )∗∆t
= 3,3 Ω
Rd =
����� ∗ ∆V
Tahap 7
t6 = t5 + 3( Rd* Cil ) = 3.085 detik
dimana Rd*Cil maksimal 100 detik.
Pada saat pengosongan baterai selama t6, didapat V6 = 9,71 Volt, terlihat pada Gambar
4.5.
31
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.5 Tampilan Besar Tegangan Saat t6 pada Scope
Pada Gambar 4.3 terlihat bentuk gelombang dari tegangan saat pengosongan baterai
selama 3085 detik.
Dengan Persamaan 3.5, dihitung besar Cd :
Cd =
•
Tahap 8
����
�6
��1
− ( ��� + �
2
V7 = V6 - ∆V = 7,21 V
∗ �6 �)=
393,65 F
Lama waktu pengosongan baterai hingga tegangan baterai menjadi 7.21 volt adalah
selama 3546 detik (t7), terlihat pada Gambar 4.6.
Gambar 4.6 Tampilan Besar Tegangan Saat t7 Pada Scope
32
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 4.6 terlihat bentuk gelombang dari tegangan saat pengosongan baterai
selama 3546 detik.
Sehingga, ∆t = t7 – t6 = 461 detik, maka besar Rl dapat dihitung dengan Persamaan 3.5 :
∆V
•
� �6 − 2 �∗∆t
= 1,289 Ω
Rl =
����� ∗ ∆V
Tahap 9
Dilakukan pengisian baterai selama 30 menit dengan asumsi ketiga kapasitor sudah memiliki
tegangan yang sama, kemudian ukur tegangan baterai. Didapat V8 = 12,72 volt, sehingga
dengan Persamaan 3.6 dapat dihitung besar Cl:
Cl =
����
�8
− � ��0 +
��1
2
∗ �8 �= 16,469 F
Hasil pengukuran parameter internal baterai jenis lead-acid 6.5Ah, 12 V memiliki
parameter internal seperti yang diperlihatkan pada Tabel 4.1
Tabel 4.1 Parameter Internal Baterai (6.5 Ah, 12 V)
Baterai
Parameter
( 6.5 Ah, 12 V )
Ri
4,11 mΩ
Ci1
101,53F
Rd
3,3 Ω
Cd
393,65 F
Rl
1,289 Ω
Cl
16,469 F
Dari Tabel 4.1, terlihat baterai memiliki kapasitansi terbesar adalah pada kapasitor Cd.
Ini cukup berbeda jika dibandingkan dengan super kapasitor dimana super kapasitor
yang pada umumnya memiliki kapasitansi terbesar adalah Ci1. Tahanan baterai juga
tergolong cukup besar jika dibandingkan dengan tahanan super kapasitor.
33
Universitas Sumatera Utara
4.2 Parameter Internal Super Kapasitor
Super kapasitor yang digunakan adalah NessCap 1600 F, 2.7 volt dimanasuper
kapasitor yang digunakan ini sudah diukur parameter internalnya pada penelitian yang
sudah ada. Dari Tabel 4.2 dapat dilihat bahwa nilai parameter internal super kapasitor
Nesscap 1600 F akan berubah apabila diberikan arus pengisian yang berbeda. Nilai
kapasitansinya akan semakin besar seiring semakin besar juga arus pengisian yang
diberikan terhadap super kapasitor ini. Sedangkan nilai tahanannya akan semakin
berkurang seiring meningkatnya besar arus pengisiannya. Berikut adalah data parameter
internal dari super kapasitor tipe NessCap 1600 F, 2.7 volt dengan berbagai arus
pengisian yang berbeda[11].
Tabel 4.2 Tabel Parameter Internal Super Kapasitor NessCap 1600 F Dihubung
Seri dan Paralel dengan Berbagai Arus Pengisian [11]
Charging current
(A)
8
10
12
Parameter
Ri (mΩ)
Ci (F)
Rd(Ω)
Cd(F)
Rl(Ω)
Cl (F)
Ri (mΩ)
Ci (F)
Rd(Ω)
Cd(F)
Rl(Ω)
Cl (F)
Ri (mΩ)
Ci (F)
Rd(Ω)
Cd(F)
Rl(Ω)
Cl (F)
One
1.21
3218
0.32
293.4
0.07
222
1.18
3366
0.22
285.4
0.05
181.7
0.94
4049
0.37
254.8
0.09
182.7
Series
Two
Three
1.62
1.78
1625
873
0.61
1.89
139.7
78.03
0.10
0.23
102.4
72.3
1.45
1.64
1943
1151
0.36
1.27
164.4
89.34
0.14
0.21
81.41
69.40
1.95
2.53
2256
870.4
0.55
0.89
182.7
95.49
0.12
0.24
90.24
78.27
Five
3.58
757
4.83
27.75
0.56
28.87
3.57
1095
2.96
53.91
0.26
26.61
3.3
527.94
3.24
68.73
0.41
30.05
Parallel
Two
Three
0.96
0.42
6405
7426
0.08
0.04
414
460.5
0.05
0.09
412.7
637.3
1.06
0.90
6025
7228
0.08
0.03
402.7
356.8
0.06
0.09
378.8
431.9
1.09
0.37
6453
8109
0.03
0.02
566.9
805.9
0.08
0.06
495.7
645
Dari Tabel 4.2 diberikan data paremeter internal super kapasitor NessCap 1600 F, 2.7
voltdengan arus pengisian yang berbeda – beda. Hal ini akan sangat membantu dalam
34
Universitas Sumatera Utara
pemilihan super kapasitor dengan arus pengisian dan nilai parameter internal yang akan
digunakan untuk menggantikan fungsi baterai sepeda motor.
Super kapasitor NessCap 1600 F yang digunakan pada Tugas Akhir ini dipilih
super kapasitor Nesscap 1600 dengan arus pengisian 12 A dengan data parameter
sebagai berikut (Tabel 4.3).
Tabel 4.3 Parameter Internal Super Kapasitor NessCap 1600 F dengan Arus Pengisian
12A
Parameter
Super kapasitor
(NessCap1600 F, 2.7 V )
Ri
0,94 mΩ
Ci1
4049 F
Rd
0,37 Ω
Cd
254,8 F
Rl
0,09 Ω
Cl
182,7 F
Pada Tabel 4.3, super kapasitor memiliki tahanan–tahanan yang cukup kecil dengan
nilai kapasitansi yang cukup besar. Hal ini menunjukkan karakter super kapasitor yang
cepat melepaskan muatannya.
4.3
Perbandingkan Data Parameter Internal Baterai dengan Parameter Super
Kapasitor
Setelah mengetahui nilai parameter internal baterai sepeda motor dan parameter
internal super kapasitor Nesscap 1600 F yang dipilih sebagai super kapasitor yang akan
menggantikan fungsi baterai, maka akan terlebih dahulu dibandingkan masing–masing
parameternya. Perbandingan ini perlu dilakukan untuk mengetahui penyusunan dari
super kapasitor yang dipilih agar nilai parameter internalnya mendekati nilai parameter
internal baterai sepeda motor. Untuk membantu membandingkan, parameter internal
baterai dan super kapasitor dimasukkan dalam satu tabel yang dapat dilihat pada Tabel
4.4.
35
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.4Parameter Internal Baterai (6.5 Ah, 12 V) dan Super Kapasitor (NessCap
1600F, 2.7 V)
Parameter
Baterai
Super kapasitor
( 6.5 Ah, 12 V )
(NessCap1600 F, 2.7 V )
Ri
4,11 mΩ
0,94 mΩ
Ci1
101.53F
4049F
Rd
3,3 Ω
0,37Ω
Cd
393.65 F
254,8F
Rl
1.289 Ω
0,09Ω
Cl
16.469 F
182,7F
Dari Tabel 4.4, dapat dilihat adanya perbedaan besar masing – masing parameter. Besar
tahanan super kapasitor cukup kecil dibandingkan dengan tahanan baterai sepeda motor
namun super kapasitor memiliki nilai kapasitansi yang lebih besar dari baterai. Untuk
itu perlu dilakukan pengukuran parameter super kapasitor yang akan dirangkaikan
sedemikian rupa sehingga nilai parameter super kapasitor yang dirangkai mendekati
nilai parameter internal baterai.
4.4
Data Parameter Super Kapasitor Tersusun Seri
Dengan mengunakan Persamaan 3.7, Persamaan 3.11,Persamaan 3.12 dan
Persamaan 3.13, maka besar tahanan super kapasitor dapat dihitung sebagai berikut :
•
•
•
Ri(seri)= 0,001008 x ( 6^0.5436 ) = 2,6697mΩ
Maka, Ri = 0.94 + 2,6697 = 3.609 mΩ
Rd(seri)= {-0,35 x ln(12) + 0,6871} x 6^1,38533 =2,18
Rd = 2,18 + 0.37 = 2,55 Ω
Rl(seri)={ -0,184 x ln(12) + 0,3131}x 6^0,92096 = 0.7505
Rl = 0.7505 + 0.09 = 0.84 Ω
Dengan mengunakan Persamaan 3.8,Persamaan 3.14,Persamaan 3.15 dan
Persamaan 3.16, maka besar kapasitansi super kapasitor dapat dihitung sebagai berikut :
•
Ci(seri)= 2458,65 x 6^-0.6747 = 733,9695
Ci = 527,94 - (733,9695/6) = 405,612 F
36
Universitas Sumatera Utara
•
•
Cd(seri) = {103,42 x ln(12) +159,99} x 6^-0,8243 = 95,21
Cd = 68,73 - (95,21/6) = 52,86 F
Cl(seri)= {-26,31 x ln(12) +252,82} x 6^-0,9390 = 34,848
Cl = 30,05 – (34,848/6) = 24,24 F
Nilai parameter internal super kapasitor setelah dihubung secara seri diperlihatkan pada
Tabel 4.5.
Tabel 4.5Parameter Internal 6 Super Kapasitor (NessCap 1600F, 2.7 V) Terhubung Seri.
Parameter
Super kapasitor
(NessCap 1600 F, 16,2 V )
Ri
3,609 mΩ
Ci1
405.612 F
Rd
2,55 Ω
Cd
52.86 F
Rl
0,84 Ω
Cl
24.24 F
Kemudian dibandingkan nilai dari parameter internal baterai sepeda motor dengan
parameter internal enam buah super kapasitor Nesscap 1600 F yang terhubung seri.
Tabel 4.6
Parameter Internal Baterai (6.5 Ah, 12 V) dan Enam Super Kapasitor
(NessCap 1600F, 2.7 V) Terhubung Seri.
Parameter
Baterai
Super kapasitor
( 6.5 Ah, 12 V )
(NessCap 1600 F, 16,2 V )
Ri
4,11 mΩ
3,609 mΩ
Ci1
101,53F
405,612 F
Rd
3,3 Ω
2,55 Ω
Cd
393,65 F
52,86 F
Rl
1,289 Ω
0,84 Ω
Cl
16,469 F
24,24 F
Dari Tabel 4.6 terlihat bahwa tahanan-tahanan super kapasitor Nesscap 1600 F
setelah diserikan sebanyak enam memiliki nilai yang mendekati nilai tahanan tahanan
37
Universitas Sumatera Utara
baterai sepeda motor, baik dilihat pada masing–masing tahanan maupun dilihat secara
keseluruhan. Naiknya nilai masing–masing tahanan super kapasitor ini akan mengubah
karakteristik pengosongannya, dimana super kapasitor akan semakin lama dalam
melepas muatannya. Dan pada total kapasitansinya, besar kapasitansi super kapasitor
lebih besar dari total kapasitansi baterai motor, hal ini membuat super kapasitor dapat
bertahan lama jika digunakan sebagai sumber arus pada starter sepeda motor.
4.5
Karakteristik Pengosongan Baterai Dan Super Kapasitor
Untuk dapat mengetahui bahwa super kapasitor dapat menggantikan fungsi
baterai sepeda motor, maka akan disimulasikan untuk mengetahui karakteriktik
pengosongan baterai sepeda motor dan super kapasitor pada saat starter sepeda motor.
Rangkaian simulasi pengosongan baterai dan super kapasitor diperlihatkan pada
Gambar 4.7.
Gambar 4.7 Rangkaian Simulasi pengosongan baterai dan super kapasitor
Dari rangkaian simulasi dapat diketahui bentuk grafik pengosongan baterai dan
super kapasitor saat digunakan pada saat starter sepeda motor.Berikut adalah bentuk
grafik pengosongan baterai dan super kapasitor selama 1800 detik saat starter sepeda
motor dengan beban arus konstan sebesar 6 A.
38
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.8 Tampilan Besar Tegangan Saat Pengosongan Baterai dan Super
Kapasitor Pada Scope
Dari bentuk grafik pengosongan pada scope (Gambar 4.8) terlihat bahwa tegangan super
kapasitor lebih besar dari 12 volt bertahan selama 1000 detik dengan arus pengosongan
6 A, sehingga super kapasitor hanya mampu menggantikan baterai selama 1000
detikjika digunakan sebagai sumber arus pada starter sepeda motor. Hal ini
menunjukkan bahwa super kapasitor NessCapp 1600 F yang tersusun seri sebanyak 6
dapat digunakan sebagai pengganti baterai sepeda motor walaupun waktu bertahan
masih lebih cepat jika dibandingkan dengan baterai.
39
Universitas Sumatera Utara
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
Kesimpulan
Setelah memperoleh hasil penelitian dan pembahasan, penulis menarik
kesimpulan sebagai berikut:
1.
Pada pengukuran parameter internal baterai sepeda motor jenis lead-acid 12
volt, 6.5Ah dengan arus pengisian 6 A dan arus pengosongan 6 Adiketahui
tahanan Ri1 sebesar 4,11 mΩ, Rd sebesar 3,3 Ω, dan Rl sebesar 1.289 Ω serta
besar kapasitansi Ci1sebesar, Cdsebesar 393,65 F, danCl sebesar 16,469 F.
2.
Dengan melihat hasil pengukuran parameter internal bateraisepeda motor jenis
lead-acid 12 volt, 6.5Ah dan parameter internal super kapasitor NessCap 1600F
dan
grafik
pengosongannya,
baterai
jenis
lead-acid
12
volt,
6.5Ah
memungkinkan dapat digantikan fungsinya dengan menggunakan super
kapasitor NessCap 1600F yang dihubung seri sebanyak enam selama 1000 detik
dengan arus pengosongan 6 A saat starter sepeda motor.
3.
Besar nilai parameter internal baterai sepeda motor dengan parameter internal
baterai menunjukkan karakteristik pengisian dan pengosongan muatannya.
4.
Dengan menserikan super kapasitor akan mengubah nilai parameter internalnya
yang dapat dihitung menggunakan faktor koreksi dari super kapasitor yang
digunakan.
5.2
Saran
Untuk tujuan pengembangan dari Tugas Akhir ini, kepada peneliti yang berniat
melanjutkan penelitian, penulis memberikan saran sebagai berikut:
1.
Menggunakan super kapasitor yang berbeda sebagai pengganti baterai sepeda
motor.
2.
Meneliti baterai yang berbeda dengan tegangan yang lebih besar dari baterai
sepeda motor.
40
Universitas Sumatera Utara
METODE PENELITIAN
3. 1
Baterai dan Super Kapasitor
Baterai yang digunakan pada Tugas Akhir adalah baterai sepeda motor jenis
lead-acid 12 volt, 6.5 Ah tipe GTZ-7S buatan ASTRA. Baterai ini lebih dikenal sebagai
baterai kering yang memilki ketahanan yang lama dan bebas emisi uap. Untuk super
kapasitor yang digunakan pada pengukuran ini adalah super kapasitor dengan kapasitas
1600 F dengan merk ESHSR-1600C0-002R7A5 buatan NessCap.
3.2
Parameter Internal Baterai dan Super Kapasitor
Berdasarkan penelitian yang sudah ada, sebuah super kapasitor dapat dimodelkan
dengan tiga buah cabang RC tersusun paralel seperti Gambar 3.1[11].
Gambar 3.1 Rangkaian Ekuivalen Super Kapasitor
Masing–masing dari ketiga cabang ini (Gambar 3.1) memiliki rating waktu yang
saling berbeda. Parameter immediate branch memiliki komponen Ri, Ci0 dan Ci1 dengan
respon pengisian dalam waktu yang sangat singkat. Parameter delayed branch memiliki
komponen Rd dan Cd sebagai karakter baterai dan super kapasitor pada kisaran menit.
Parameter long-term branch memiliki komponen Rl dan Cl yang menentukan karakter
baterai dan super kapasitor pada kisaran waktu lebih dari 10 menit. Untuk
17
Universitas Sumatera Utara
mengidentifikasi parameter rangkaian ekivalen, proses transien setiap cabang dapat
diamati satu per satu dengan menganggap tegangan sebagai fungsi waktu walaupun
ketiga cabang memiliki waktu identifikasi yang berbeda[11].
3.2.1 Identifikasi Parameter Immediate Branch
Parameter immediate branch dapat diidentifikasi dengan melakukan pengisian
terhadap baterai atau super kapasitor dengan arus konstan. Parameter pada cabang ini
dapat diketahui dari hubungan antara arus pengisian dan tegangan pada baterai atau
super kapasitor.
�1
�� = ��ℎ (3.1)
dimana V1 adalah besar tegangan pada saat t1 setelah arus pengisian dinyalakan dan
variabel Ich adalah arus pengisian konstan. Besar tegangan V1 menjadi titik acuan untuk
medapatkan nilai Ci0 dan Ci1. Untuk mendapatkan nilai Ci0, ditentukan terlebih dahulu
besar selisih tegangan∆V sehingga V2 = V1 + ∆V . Kemudian hitung waktu yang
dibutuhkan saat pengisian agar tegangan baterai atau super kapasitor mencapai tegangan
V2 yaitu t2 dan didapat ∆t = t2 – t1. Persamaan untuk mendapatkan Ci0 adalah
∆�
��� = ��ℎ ∆� (3.2)
Selanjutnya dihitung t3, yaitu waktu pengisian baterai atau super kapasitor
mencapai tegangan penuh (V3), lalu arus pengisian dimatikan. Berikut adalah
persamaaan untuk mendapatkan Ci1 :
2
����
Ci1 = �4 �
�4
− ��� �(3.3)
dimana Qtot = Ich x ( t4 - t1) dan t4 = t3 + t1 sedangkan V4 adalah tegangan sisa pada
baterai atau super kapasitor setelah pengosongan dengan waktu selama t1.
18
Universitas Sumatera Utara
3.2.2
Identifikasi Parameter Delayed Branch
Pada delayed branch akan dihitung besar Rd dan Cd. Untuk mendapatkan Rd, terlebih
dahulu hitung waktu baterai atau super kapasitor melakukan pengosongan yaitu t5 sehingga
tegangannya menjadi sebesar V5, dimana V5 = V4 - ∆V. Persamaan untuk mendapatkan Rd
yaitu :
∆V
(�4 − 2 )∗∆t
(3.4)
Rd =
����� ∗ ∆V
dimana Cdiff = Ci0 + (Ci1 x V3). Setelah didapat nilai Rd, dihitung t6 = t5 + 3 (Rd x Cil), lalu
ukur besar tegangan baterai atau super kapasitor saat t6 yaitu V6. Kemudian Cd dapat dihitung
dari Persamaan 3.5
Cd =
3.2.3
�tot
�6
�i1
− ( �i0 + �
2
∗ �6�)(3.5)
Identifikasi Parameter Long-Term Branch
Pada long-term branch dengan V7 = V6 - ∆V, dan t7 adalah waktu yang
dibutuhkan baterai atau super kapasitor dalam pengosongan muatannya hingga besar
tegangan menurun pada V7, maka Rl dapat dihitung :
∆V
� �6 − 2 �∗∆t
Rl =
(3.5)
����� ∗ ∆V
dimana ∆t = t7 – t6. Kemudian pada tahap akhir pengukuran, untuk mendapatkan
kapasitas Cl maka dilakukan pengisian terhadap baterai atau super kapasitor selama 30
menit. Pada waktu pengisian tersebut diasumsikan bahwa ketiga kapasitor memiliki
tegangan yang sama, lalu dapat dihitung kapasitas Cl, yaitu :
Cl =
����
�8
− � ��0 +
��1
2
∗ �8 �(3.6)
dimana V8 adalah besar tegangan super kapasitor setelah dilakukan pengisian selama 30
menit.
19
Universitas Sumatera Utara
3.3
Perhitungan Parameter Super Kapasitor Hubungan Seri Dan Paralel
Agar super kapasitor dapat menggantikan fungsi baterai maka tegangan super
kapasitor harus sama atau lebih besar dari tegangan baterai sehingga super kapasitor
akan diserikan. Banyaknya super kapasitor yang diserikan adalah 6 buah. Dengan
menserikan super kapasitor juga akan mengubah besaran parameter-paremeter internal
dari super kapasitor, perubahan ini dapat di hitung menggunakan rumus berikut[11] ;
(3.7)
(3.8)
(3.9)
(3.10)
Dimana, P
S
= Banyaknya super kapasitor yang diparalelkan
= Banyaknya super kapasitor yang diserikan
Nr
= faktor koreksi resitor
Nc
= faktor koreksi kapasitor
Setiap super kapasitor akan memiliki besar faktor koreksi yang berbeda – beda
jika dihubungkan secara seri atau paralel. Dari penelitian yang sudah ada, adapun faktor
koreksi super kapasitor NessCap 1600 dapat dilihat pada Tabel 3.1, Tabel 3.2, Tabel
3.3, Tabel 3.4 berikut :
Tabel 3.1 Faktor Koreksi Tahanan Super Kapasitor Nesscap 1600 F Terhubung Seri[11].
20
Universitas Sumatera Utara
Tabel 3.2 Faktor Koreksi Tahanan Super Kapasitor Nesscap 1600 F Terhubung Pararel[11].
Tabel 3.3 Faktor Koreksi Kapasitansi Super Kapasitor Nesscap 1600 F Terhubung Seri[11].
Tabel 3.4 Faktor Koreksi Kapasitansi Super Kapasitor Nesscap 1600 F Terhubung Paralel[11].
Tabel 3.1, Tabel 3.2, Tabel 3.3 dan Tabel 3.4 menunjukkan besar faktor koreksi
dari super kapasitor Nesscap 1600 F jika dihubungkan secara seri maupun paralel.
Dengan menggunakan rumus faktor koreksi super kapasitor, dapat dihitung perubahan
besar nilai parameter internal super kapasitor Nesscap 1600 F setelah dihubung seri atau
dihubung paralel. Pada Tugas Akhir ini, untuk mendapatkan nilai parameter internal
super kapasitor yang mendekati nilai parameter internal baterai, maka super kapasitor
Nesscap 1600F akan dihubungkan seri sebanyak enam.
Setelah mengetahui besar faktor koreksi dari tahanan dan kapasitas super
kapasitor, maka dapat dihitung besar tahanan dan kapasitansi akhir dengan persamaanpersamaan berikut :
Ri = Ri(1) + Ri(seri)(3.11)
Dimana :
Ri(1)= Besar nilai Ri untuk satu super kapasitor
Ri(seri)= Besar nilai Ri yang dihubung seri
Rd = Rd(1) + Rd(seri)(3.12)
21
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
Rd(1)= Besar nilai Rd untuk satu super kapasitor
Rd(seri)= Besar nilai Rd yang dihubung seri
Rl = Rl(1) + Rl(seri)(3.13)
Dimana :
Rl(1)= Besar nilai Rl untuk satu super kapasitor
Rl(seri)= Besar nilai Rl yang dihubung seri
Ci = Ci(s-1)- Ci(seri)/s(3.14)
Dimana :
Ci(s-1) = Besar nilai Ci saat super kapasitor yang terhubung sebanyak S -1
Ci(seri) = Besar nilai Ci yang dihubung seri
S
= Banyaknya super kapasitor yang dihubung seri
Cd = Cd(s-1)- Cd(seri)/s(3.15)
Dimana :
Cd(s-1) = Besar nilai Cd saat super kapasitor yang terhubung sebanyak S -1
Cd(seri)= Besar nilai Cd yang dihubung seri
S
= Banyaknya super kapasitor yang dihubung seri
Cd = Cd(s-1)- Cd(seri)/s(3.16)
Dimana :
Cl(s-1) = Besar nilai Cl saat super kapasitor yang terhubung sebanyak S -1
Cl(seri)= Besar nilai Cl yang dihubung seri
S
3.4
= Banyaknya super kapasitor yang dihubung seri
Spesifikasi Perangkat
Ada beberapa spesifikasi yang menjadi pendukung dalam penyusunan Tugas
Akhir ini, adapun spesifikasi perangkat yang mendukung meliputi spesifikasi perangkat
lunak dan perangkat keras.
3.4.1
Spesifikasi Perangkat Lunak
Perangkat lunak yang digunakan dalam penyusunan Tugas Akhir ini adalah
sebagai berikut :
22
Universitas Sumatera Utara
Sistem operasi
: Windows 7
Aplikasi program
: Simulink ver 7.9 dari MATLAB R2012a
3.4.1
Spesifikasi Perangkat Keras
Perangkat keras yang digunakan pada Tugas Akhir ini adalah Laptop Lenovo
User-PC .
3.5
Fasilitas Simulator yang Digunakan
Fasilitas simulator yang digunakan dalam pengukuran adalah baterai, super
kapasitor, sumber arus, scope dan pengatur waktu.
3.5.1
Baterai
Baterai yang digunakan adalah baterai sepeda motor jenis lead-acid 12 volt, 6.5
Ah tipe GTZ-7S buatan ASTRA.
3.5.2
Super Kapasitor
Super kapasitor yang digunakan pada pengukuran ini adalah super kapasitor
dengan kapasitas 1600 F dengan merk ESHSR-1600C0-002R7A5 buatan NessCap.
3.5.3
Sumber Arus
Sumber arus pada rangkaian simulasi pengukuran parameter internal baterai
digunakan untuk mengisi muatan pada baterai, sumber arus ditetapkan konstan sebesar
6 A.
3.5.4
Pengatur Waktu
Pengatur waktu yang ada pada rangkaian simulasi berguna untuk memberi
batasan waktu terhadap arus pengisian baterai. Pengatur waktu juga digunakan untuk
23
Universitas Sumatera Utara
mengetahui waktu yang dibutuhkan selama pengisian atau pengosongan super kapasitor
sampai pada batas tegangan tertentu.
3.6
Prosedur Penelitian
Prosedur penelitian meliputi serangkaian proses yang panjang seperti
pengumpulan data, studi literatur, pemodelan rangkaian simulasi dan pengambilan data
yang diperlukan dari rangkaian simulasi. Prosedur penelitian dapat digambarkan dalam
diagram alir seperti yang digambarkan pada Gambar 3.2.
Mulai
Mengumpulkan
data-data
parameter
internal baterai
A
Membandingkan
parameter internal
baterai dengan
parameter internal
super kapasitor
Menghitung
parameter internal
super kapasitor yang
telah dimodifikasi
Merancang
rangkaian
percobaan
Melakukan
simulasi
Apakah parameter internal super
kapasitor sudah sesuai dengan
parameter internal baterai ?
Mencatat
data hasil
simulasi
Yes
No
Melakukan
modifikasi yang
diperlukan pada
super kapasitor
Menganalisis
Data
Parameter
Super
kapasitor
Dan baterai
Mengumpulkan
data-data
parameter
internal super
kapasitor
Selesai
A
Gambar 3.2 Diagram Alir Pengukuran Parameter Baterai dan Super Kapasitor
24
Universitas Sumatera Utara
3.6.1
Pelaksanaan Pengukuran Parameter Internal Baterai dan Super Kapasitor
Langkah – langkah pengukuran parameter internal baterai sebagai berikut :
1.
Pengumpulan data
Data yang diperlukan pada penelitian ini terdiri dari :
-
Data setelan baterai sepeda motor
-
Data parameter internal super kapasitor
2.
Pemodelan rangkaian simulasi
Pada simulator SIMULINK MATLAB akan dirangkai sebuah rangkaian sebuah
rangkaian pengganti untuk pengisian dan pengosongan baterai, dengan arus pengisian
sama dengan arus pengosongannya. Dalam mengukur parameter internal baterai sepeda
motor adalah mengukurnya dengan menganggap baterai sepeda motor sebagai sebuah
super kapasitor.
NC
NO
A
I
V1
V3
V2
BT1
R
Gambar 3.3 Rangkaian ekuivalen dari Pengisian dan Pengosongan Baterai
Berdasarkan rangkaian ekuivalen baterai Gambar 3.3, maka dapat dibuat
rangkaian simulasi pengukuran parameter internal baterai sepeda motor pada simulink
matlab. Rangkaian simulasi pengisian baterai diperlihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4 Rangkaian Simulasi Pengisian Baterai
25
Universitas Sumatera Utara
Pada rangkaian pengisian baterai (Gambar 3.4), digunakan penyearah sebanyak
4 buah supaya arus pengisiannya memiliki gelombang arus DC karena supply arus
pengisian adalah arus AC. Selanjutnya rangkaian pengosongan baterai dapat dilihat
pada Gambar 3.3.
Gambar 3.5 Rangkaian Simulasi Pengosongan Baterai
Pada rangkaian simulasi pengosongan (Gambar 3.5) terdapat kontrol arus
pengosongan baterai.Dari data baterai yang digunakan dimasukkan nilai – nilai pada
Simulink matlab.
Tampilan kotak dialog baterai pada Simulink Matlab seperti pada gambar dibawah
ini :
Gambar 3.6 Kotak Dialog Parameter Baterai
Pada kotak dialog tersebut dimasukkan nilai-nilai parameter baterai yang telah
diperoleh.
3.
Melakukan simulasi/pengukuran terhadap model rangkaian.
4.
Mengambil data yang didapat dari pengukuran yang didapat dari percobaan.
Adapun data parameter internal yang dibutuh adalah :
26
Universitas Sumatera Utara
Ri
: besar tahanan Ri
Ci0
: besar kapasitansi kapasitorCi0
Ci1
: besar kapasitansi kapasitor Ci1
Rd
: besar tahananRd
Cd
:besar kapasitansi kapasitor Cd
Rl
: besar tahananR1
C1
: besar kapasitansi kapasitor C1
5.
Membandingkan data parameter internal baterai dan super kapasitor.
6.
Melakukan modifikasi yang dibutuhkan pada super kapasitor agar nilai
parameter internalnya sama atau mendekati nilai parameter internal baterai.
7.
Melakukan penarikan kesimpulan dari data yang didapat.
27
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
HASIL SIMULASI DAN ANALISA
4.1
Simulasi Pengukuran Parameter Internal Baterai
Untuk mendapatkan parameter internal baterai, digunakan Simulink matlab dengan
dua buah rangkaian simulasi yaitu rangkaian simulasi pengisian baterai (Gambar 3.2)
dan rangkaian simulasi pengosongan baterai (Gambar 3.3). Untuk mendapatkan
karakteristik pengisian, baterai di berikan arus pengisian sebesar 6 A dan arus
pengosongan sebesar 6A untuk mendapatkan karakteristik pengosongannya.
•
Penghitungan parameter baterai :
Tahap 1
Pada saat V0 = 0 volt
•
Q0 = 0
Tahap 2
Arus pengisian di nyalakan.
t1 = 0,5 detik, Ich = 6 A.
didapat V1 = 0,0247 Volt, dapatdilihat pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Tampilan Besar Tegangan Saat t1 pada Scope
28
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 4.1 terlihat bahwa bentuk gelombang dari tegangan baterai saat t1 justru
menurun. Kemudian dapat dihitung besar tahanan �� :
•
�1
Tahap 3
�� = ��ℎ =0,00411Ω
V2 = V1 + ∆V
∆V yang di pilih adalah 2,5 Volt, V2 = 2,5247 V
Pada saat V2, didapat t2 = 56 detik
∆t = t2– t1 = 55,5 detik, lalu dihitung besar Ci0 dengan menggunakan
Persamaan 3.2 :
∆�
•
��0 = ��ℎ ∆� = 61,92 F
Tahap 4
V3 = tegangan baterai pada keadaan penuh = 13 Volt
Pada saat V3, didapat t3 = 1535 detik,dapat dilihat pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2Tampilan Besar Tegangan Saat t3 pada Scope
Pada Gambar 4.2 terlihat bentuk gelombang dari tegangan pengisian baterai hingga
mencapai teganngan maksimum baterai. Kemudian arus pengisian di matikan.
29
Universitas Sumatera Utara
•
Tahap 5
t4 = t3 + 0.5 = 1535,5 s
0.5 s adalah waktu pengosongan pertama baterai.
Pada saat pengosongan 0.5 detik didapat V4 = 12,81 Volt,dapat dilihat pada Gambar
4.3.
Gambar 4.3Tampilan Besar Tegangan Saat 0.5 Detik pada Scope
Pada Gambar 4.3 terlihat bentuk gelombang dari tegangan saat pengosongan baterai
selama 0.5 detik.
Selanjutnya dihitung besar Qtotal :
Qtot = Ich * ( t4- t1 ) = 9210 coulomb
Dengan mesubtitusikan besar Qtot pada Persamaan 3.3, dapat dihitung besar Ci1:
2
•
Tahap 6
Ci1 = �4 �
����
�4
− ��� � = 101,53F
V5 = V4 - ∆V
∆V yang di pilih adalah 2,5 V
V5 = 12,81 – 2,5 = 10,31 V
30
Universitas Sumatera Utara
Lama waktu pengosongan baterai hingga tegangan baterai menjadi 10,31 volt adalah
selama 2785 detik (t5), terlihat pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4 Tampilan Besar Tegangan Saat t5 pada Scope
Pada Gambar 4.4 terlihat bentuk gelombang dari tegangan saat pengosongan baterai
selama 2785 detik.
Sehingga, ∆t = t5 – t4 = 1249,5 detik.
Cdiff = Ci0 + ( Ci1* V3 ) = 1.381,81 F, lalu dengan Persamaan 3.4, dapat dihitung besar
Rd :
∆V
•
(�4 − 2 )∗∆t
= 3,3 Ω
Rd =
����� ∗ ∆V
Tahap 7
t6 = t5 + 3( Rd* Cil ) = 3.085 detik
dimana Rd*Cil maksimal 100 detik.
Pada saat pengosongan baterai selama t6, didapat V6 = 9,71 Volt, terlihat pada Gambar
4.5.
31
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.5 Tampilan Besar Tegangan Saat t6 pada Scope
Pada Gambar 4.3 terlihat bentuk gelombang dari tegangan saat pengosongan baterai
selama 3085 detik.
Dengan Persamaan 3.5, dihitung besar Cd :
Cd =
•
Tahap 8
����
�6
��1
− ( ��� + �
2
V7 = V6 - ∆V = 7,21 V
∗ �6 �)=
393,65 F
Lama waktu pengosongan baterai hingga tegangan baterai menjadi 7.21 volt adalah
selama 3546 detik (t7), terlihat pada Gambar 4.6.
Gambar 4.6 Tampilan Besar Tegangan Saat t7 Pada Scope
32
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 4.6 terlihat bentuk gelombang dari tegangan saat pengosongan baterai
selama 3546 detik.
Sehingga, ∆t = t7 – t6 = 461 detik, maka besar Rl dapat dihitung dengan Persamaan 3.5 :
∆V
•
� �6 − 2 �∗∆t
= 1,289 Ω
Rl =
����� ∗ ∆V
Tahap 9
Dilakukan pengisian baterai selama 30 menit dengan asumsi ketiga kapasitor sudah memiliki
tegangan yang sama, kemudian ukur tegangan baterai. Didapat V8 = 12,72 volt, sehingga
dengan Persamaan 3.6 dapat dihitung besar Cl:
Cl =
����
�8
− � ��0 +
��1
2
∗ �8 �= 16,469 F
Hasil pengukuran parameter internal baterai jenis lead-acid 6.5Ah, 12 V memiliki
parameter internal seperti yang diperlihatkan pada Tabel 4.1
Tabel 4.1 Parameter Internal Baterai (6.5 Ah, 12 V)
Baterai
Parameter
( 6.5 Ah, 12 V )
Ri
4,11 mΩ
Ci1
101,53F
Rd
3,3 Ω
Cd
393,65 F
Rl
1,289 Ω
Cl
16,469 F
Dari Tabel 4.1, terlihat baterai memiliki kapasitansi terbesar adalah pada kapasitor Cd.
Ini cukup berbeda jika dibandingkan dengan super kapasitor dimana super kapasitor
yang pada umumnya memiliki kapasitansi terbesar adalah Ci1. Tahanan baterai juga
tergolong cukup besar jika dibandingkan dengan tahanan super kapasitor.
33
Universitas Sumatera Utara
4.2 Parameter Internal Super Kapasitor
Super kapasitor yang digunakan adalah NessCap 1600 F, 2.7 volt dimanasuper
kapasitor yang digunakan ini sudah diukur parameter internalnya pada penelitian yang
sudah ada. Dari Tabel 4.2 dapat dilihat bahwa nilai parameter internal super kapasitor
Nesscap 1600 F akan berubah apabila diberikan arus pengisian yang berbeda. Nilai
kapasitansinya akan semakin besar seiring semakin besar juga arus pengisian yang
diberikan terhadap super kapasitor ini. Sedangkan nilai tahanannya akan semakin
berkurang seiring meningkatnya besar arus pengisiannya. Berikut adalah data parameter
internal dari super kapasitor tipe NessCap 1600 F, 2.7 volt dengan berbagai arus
pengisian yang berbeda[11].
Tabel 4.2 Tabel Parameter Internal Super Kapasitor NessCap 1600 F Dihubung
Seri dan Paralel dengan Berbagai Arus Pengisian [11]
Charging current
(A)
8
10
12
Parameter
Ri (mΩ)
Ci (F)
Rd(Ω)
Cd(F)
Rl(Ω)
Cl (F)
Ri (mΩ)
Ci (F)
Rd(Ω)
Cd(F)
Rl(Ω)
Cl (F)
Ri (mΩ)
Ci (F)
Rd(Ω)
Cd(F)
Rl(Ω)
Cl (F)
One
1.21
3218
0.32
293.4
0.07
222
1.18
3366
0.22
285.4
0.05
181.7
0.94
4049
0.37
254.8
0.09
182.7
Series
Two
Three
1.62
1.78
1625
873
0.61
1.89
139.7
78.03
0.10
0.23
102.4
72.3
1.45
1.64
1943
1151
0.36
1.27
164.4
89.34
0.14
0.21
81.41
69.40
1.95
2.53
2256
870.4
0.55
0.89
182.7
95.49
0.12
0.24
90.24
78.27
Five
3.58
757
4.83
27.75
0.56
28.87
3.57
1095
2.96
53.91
0.26
26.61
3.3
527.94
3.24
68.73
0.41
30.05
Parallel
Two
Three
0.96
0.42
6405
7426
0.08
0.04
414
460.5
0.05
0.09
412.7
637.3
1.06
0.90
6025
7228
0.08
0.03
402.7
356.8
0.06
0.09
378.8
431.9
1.09
0.37
6453
8109
0.03
0.02
566.9
805.9
0.08
0.06
495.7
645
Dari Tabel 4.2 diberikan data paremeter internal super kapasitor NessCap 1600 F, 2.7
voltdengan arus pengisian yang berbeda – beda. Hal ini akan sangat membantu dalam
34
Universitas Sumatera Utara
pemilihan super kapasitor dengan arus pengisian dan nilai parameter internal yang akan
digunakan untuk menggantikan fungsi baterai sepeda motor.
Super kapasitor NessCap 1600 F yang digunakan pada Tugas Akhir ini dipilih
super kapasitor Nesscap 1600 dengan arus pengisian 12 A dengan data parameter
sebagai berikut (Tabel 4.3).
Tabel 4.3 Parameter Internal Super Kapasitor NessCap 1600 F dengan Arus Pengisian
12A
Parameter
Super kapasitor
(NessCap1600 F, 2.7 V )
Ri
0,94 mΩ
Ci1
4049 F
Rd
0,37 Ω
Cd
254,8 F
Rl
0,09 Ω
Cl
182,7 F
Pada Tabel 4.3, super kapasitor memiliki tahanan–tahanan yang cukup kecil dengan
nilai kapasitansi yang cukup besar. Hal ini menunjukkan karakter super kapasitor yang
cepat melepaskan muatannya.
4.3
Perbandingkan Data Parameter Internal Baterai dengan Parameter Super
Kapasitor
Setelah mengetahui nilai parameter internal baterai sepeda motor dan parameter
internal super kapasitor Nesscap 1600 F yang dipilih sebagai super kapasitor yang akan
menggantikan fungsi baterai, maka akan terlebih dahulu dibandingkan masing–masing
parameternya. Perbandingan ini perlu dilakukan untuk mengetahui penyusunan dari
super kapasitor yang dipilih agar nilai parameter internalnya mendekati nilai parameter
internal baterai sepeda motor. Untuk membantu membandingkan, parameter internal
baterai dan super kapasitor dimasukkan dalam satu tabel yang dapat dilihat pada Tabel
4.4.
35
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.4Parameter Internal Baterai (6.5 Ah, 12 V) dan Super Kapasitor (NessCap
1600F, 2.7 V)
Parameter
Baterai
Super kapasitor
( 6.5 Ah, 12 V )
(NessCap1600 F, 2.7 V )
Ri
4,11 mΩ
0,94 mΩ
Ci1
101.53F
4049F
Rd
3,3 Ω
0,37Ω
Cd
393.65 F
254,8F
Rl
1.289 Ω
0,09Ω
Cl
16.469 F
182,7F
Dari Tabel 4.4, dapat dilihat adanya perbedaan besar masing – masing parameter. Besar
tahanan super kapasitor cukup kecil dibandingkan dengan tahanan baterai sepeda motor
namun super kapasitor memiliki nilai kapasitansi yang lebih besar dari baterai. Untuk
itu perlu dilakukan pengukuran parameter super kapasitor yang akan dirangkaikan
sedemikian rupa sehingga nilai parameter super kapasitor yang dirangkai mendekati
nilai parameter internal baterai.
4.4
Data Parameter Super Kapasitor Tersusun Seri
Dengan mengunakan Persamaan 3.7, Persamaan 3.11,Persamaan 3.12 dan
Persamaan 3.13, maka besar tahanan super kapasitor dapat dihitung sebagai berikut :
•
•
•
Ri(seri)= 0,001008 x ( 6^0.5436 ) = 2,6697mΩ
Maka, Ri = 0.94 + 2,6697 = 3.609 mΩ
Rd(seri)= {-0,35 x ln(12) + 0,6871} x 6^1,38533 =2,18
Rd = 2,18 + 0.37 = 2,55 Ω
Rl(seri)={ -0,184 x ln(12) + 0,3131}x 6^0,92096 = 0.7505
Rl = 0.7505 + 0.09 = 0.84 Ω
Dengan mengunakan Persamaan 3.8,Persamaan 3.14,Persamaan 3.15 dan
Persamaan 3.16, maka besar kapasitansi super kapasitor dapat dihitung sebagai berikut :
•
Ci(seri)= 2458,65 x 6^-0.6747 = 733,9695
Ci = 527,94 - (733,9695/6) = 405,612 F
36
Universitas Sumatera Utara
•
•
Cd(seri) = {103,42 x ln(12) +159,99} x 6^-0,8243 = 95,21
Cd = 68,73 - (95,21/6) = 52,86 F
Cl(seri)= {-26,31 x ln(12) +252,82} x 6^-0,9390 = 34,848
Cl = 30,05 – (34,848/6) = 24,24 F
Nilai parameter internal super kapasitor setelah dihubung secara seri diperlihatkan pada
Tabel 4.5.
Tabel 4.5Parameter Internal 6 Super Kapasitor (NessCap 1600F, 2.7 V) Terhubung Seri.
Parameter
Super kapasitor
(NessCap 1600 F, 16,2 V )
Ri
3,609 mΩ
Ci1
405.612 F
Rd
2,55 Ω
Cd
52.86 F
Rl
0,84 Ω
Cl
24.24 F
Kemudian dibandingkan nilai dari parameter internal baterai sepeda motor dengan
parameter internal enam buah super kapasitor Nesscap 1600 F yang terhubung seri.
Tabel 4.6
Parameter Internal Baterai (6.5 Ah, 12 V) dan Enam Super Kapasitor
(NessCap 1600F, 2.7 V) Terhubung Seri.
Parameter
Baterai
Super kapasitor
( 6.5 Ah, 12 V )
(NessCap 1600 F, 16,2 V )
Ri
4,11 mΩ
3,609 mΩ
Ci1
101,53F
405,612 F
Rd
3,3 Ω
2,55 Ω
Cd
393,65 F
52,86 F
Rl
1,289 Ω
0,84 Ω
Cl
16,469 F
24,24 F
Dari Tabel 4.6 terlihat bahwa tahanan-tahanan super kapasitor Nesscap 1600 F
setelah diserikan sebanyak enam memiliki nilai yang mendekati nilai tahanan tahanan
37
Universitas Sumatera Utara
baterai sepeda motor, baik dilihat pada masing–masing tahanan maupun dilihat secara
keseluruhan. Naiknya nilai masing–masing tahanan super kapasitor ini akan mengubah
karakteristik pengosongannya, dimana super kapasitor akan semakin lama dalam
melepas muatannya. Dan pada total kapasitansinya, besar kapasitansi super kapasitor
lebih besar dari total kapasitansi baterai motor, hal ini membuat super kapasitor dapat
bertahan lama jika digunakan sebagai sumber arus pada starter sepeda motor.
4.5
Karakteristik Pengosongan Baterai Dan Super Kapasitor
Untuk dapat mengetahui bahwa super kapasitor dapat menggantikan fungsi
baterai sepeda motor, maka akan disimulasikan untuk mengetahui karakteriktik
pengosongan baterai sepeda motor dan super kapasitor pada saat starter sepeda motor.
Rangkaian simulasi pengosongan baterai dan super kapasitor diperlihatkan pada
Gambar 4.7.
Gambar 4.7 Rangkaian Simulasi pengosongan baterai dan super kapasitor
Dari rangkaian simulasi dapat diketahui bentuk grafik pengosongan baterai dan
super kapasitor saat digunakan pada saat starter sepeda motor.Berikut adalah bentuk
grafik pengosongan baterai dan super kapasitor selama 1800 detik saat starter sepeda
motor dengan beban arus konstan sebesar 6 A.
38
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.8 Tampilan Besar Tegangan Saat Pengosongan Baterai dan Super
Kapasitor Pada Scope
Dari bentuk grafik pengosongan pada scope (Gambar 4.8) terlihat bahwa tegangan super
kapasitor lebih besar dari 12 volt bertahan selama 1000 detik dengan arus pengosongan
6 A, sehingga super kapasitor hanya mampu menggantikan baterai selama 1000
detikjika digunakan sebagai sumber arus pada starter sepeda motor. Hal ini
menunjukkan bahwa super kapasitor NessCapp 1600 F yang tersusun seri sebanyak 6
dapat digunakan sebagai pengganti baterai sepeda motor walaupun waktu bertahan
masih lebih cepat jika dibandingkan dengan baterai.
39
Universitas Sumatera Utara
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
Kesimpulan
Setelah memperoleh hasil penelitian dan pembahasan, penulis menarik
kesimpulan sebagai berikut:
1.
Pada pengukuran parameter internal baterai sepeda motor jenis lead-acid 12
volt, 6.5Ah dengan arus pengisian 6 A dan arus pengosongan 6 Adiketahui
tahanan Ri1 sebesar 4,11 mΩ, Rd sebesar 3,3 Ω, dan Rl sebesar 1.289 Ω serta
besar kapasitansi Ci1sebesar, Cdsebesar 393,65 F, danCl sebesar 16,469 F.
2.
Dengan melihat hasil pengukuran parameter internal bateraisepeda motor jenis
lead-acid 12 volt, 6.5Ah dan parameter internal super kapasitor NessCap 1600F
dan
grafik
pengosongannya,
baterai
jenis
lead-acid
12
volt,
6.5Ah
memungkinkan dapat digantikan fungsinya dengan menggunakan super
kapasitor NessCap 1600F yang dihubung seri sebanyak enam selama 1000 detik
dengan arus pengosongan 6 A saat starter sepeda motor.
3.
Besar nilai parameter internal baterai sepeda motor dengan parameter internal
baterai menunjukkan karakteristik pengisian dan pengosongan muatannya.
4.
Dengan menserikan super kapasitor akan mengubah nilai parameter internalnya
yang dapat dihitung menggunakan faktor koreksi dari super kapasitor yang
digunakan.
5.2
Saran
Untuk tujuan pengembangan dari Tugas Akhir ini, kepada peneliti yang berniat
melanjutkan penelitian, penulis memberikan saran sebagai berikut:
1.
Menggunakan super kapasitor yang berbeda sebagai pengganti baterai sepeda
motor.
2.
Meneliti baterai yang berbeda dengan tegangan yang lebih besar dari baterai
sepeda motor.
40
Universitas Sumatera Utara