INSTRUMENTASI DAN ELEKTRONIKA MIGAS
LAPORAN PENELITIAN
“ESTIMASI STATE-OF-CHARGE PADA PADA SISTEM
BATERAI MENGGUNAKAN METODE COULOMB COUNTING”
Oleh :
Riza Hadi Saputra, S.T, M.T (NIDN : 1114019201) Irma Andrianti, S.Pd., M.T (NIDN : - )
D3 TEKNIK INSTRUMENTASI DAN ELEKTRONIKA MIGAS SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI MIGAS BALIKPAPAN 2017
LEMBAR PENGESAHAN 1. Judul Penelitian
: Estimasi State-Of-Charge pada State-Of-Charge pada Sistem Baterai menggunakan Metode Coulomb Counting
2. Ketua Peneliti a. Nama Lengkap b. Jenis Kelamin c. NIDN d. Jabatan Struktural e. Jabatan Fungsional f. Program Studi g. No. HP h. Alamat Email 3. Jangka Waktu Penelitian 4. Pembiayaan
: Riza Hadi Saputra, S.T., M.T : Laki – Laki Laki : 1114019201 : Ka Sub Bag. Penelitian :: D3 TIEM : 085247682476 085247682476 :
[email protected] : 1 Tahun : Rp. 7.200.000,00
Mengetahui,
Pemohon,
Ketua Program Studi D3 TIEM
Ketua Peneliti
(Bambang Sugeng, S.T, M.T) NIDN : 1103025901 1103025901
(Riza Hadi Saputra, S.T, M.T) NIDN : 1114019201 1114019201
Menyetujui, Ketua LPPM STT Migas Balikpapan
(Karnila Willard, SE, BA., MBA) NIDN : 1111057301 1111057301
LEMBAR ORISINALITAS Dengan ini, Nama Ketua Peneliti
: Riza Hadi Saputra, S.T., M.T
NIDN
: 1114019201
Program Studi
: D3 Teknik Instrumentasi dan Elektronika Migas
Menyatakan bahwa penelitian yang berjudul
“Estimasi State-Of-Charge pada
Sistem Baterai menggunakan Metode Coulomb Counting ” merupakan karya
yang dapat dipertanggungjawabkan orisinalitasnya. Apabila di kemudian hari ditemukan kecurangan, maka saya bersedia penelitian ini dibatalkan dengan mengembalikan dana bantuan penelitian dan menerima sanksi yang telah ditetapkan.
Balikpapan, 15 Maret 2016 Ketua Peneliti Materai Rp. 6.000,00
Riza Hadi Saputra, S.T., M.T NIDN : 1114019201
ABSTRAK Baterai selalu digunakan dalam kehidupan sehari-hari, sebagai contoh dalam skala kecil yaitu pada baterai laptop ataupun pada baterai telepon genggam dimana harus membutuhkan baterai untuk menjalankannya sehingga bisa dikatakan bahwa laptop maupun telepon genggam tidak memerlukan listrik langsung sebagai sumbernya. Namun baterai tidak hanya digunakan pada hal seperti itu, contohnya pada sebuah perusahaan listrik juga perlu membutuhkan baterai dimana baterai yang digunakan pada perusahaan listrik tersebut tidaklah hanya satu buah baterai, melainkan sangat banyak sehingga baterai-baterai tersebut bisa dikatakan sistem baterai. Sistem baterai tersebut digunakan sebagai cadangan energi listrik ketika energi listrik utama sudah habis. Selain itu, baterai juga digunakan sebagai energi awal untuk menghidupkan mesin yang memerlukan energi listrik besar. Karena membutuhkan energi listrik yang tinggi, maka sistem baterai harus selalu diawasi agar performansi baterai tidak menurun. Menurut Terry Hansen, jika baterai tidak diawasi, maka baterai tersebut akan mengalami penurunan performansi. Oleh karena itu, perlunya pengawasan baterai yang ketat agar baterai tersebut bisa bertahan lama. Salah satu metode dalam mengawasi sistem baterai tersebut adalah dengan cara memodelkan State-Of-Charge. State-Of-Charge (SOC) dapat diartikan sebagai sisa kapasitas di dalam sel baterai dalam nilai persentase dari total kapasitas baterai dimana nilai ini sangat penting untuk merefleksikan performansi pada baterai. Salah satu metode untuk menghitung nilai SOC adalah metode coulomb counting dimana metode ini membandingkan nilai kapasitas yang keluar dan yang masuk dari dan ke baterai. Nilai kapasitas baterai yang diukur adalah nilai kapasitas yang keluar dan yang masuk terhadap satuan waktu. Dari perbandingan nilai tersebut, maka nilai SOC bisa didapatkan. Penelitian ini akan dilakukan pada sistem baterai yang terdiri dari 8 buah baterai masing-masing 12V yang dipasang 4 buah secara seri lalu diparalelkan sebanyak 2 rangkaian yang menghasilkan tegangan nominal 48V dengan kapasitas baterai 200Ah. Selanjutnya data yang diambil adalah tegangan (voltage), arus (ampere), dan waktu (detik) yang akan dimodelkan menjadi nilai SOC. Diharapkan saat nilai SOC dapat diestimasi, maka selanjutnya tidak perlu mengukur nilai kapasitas baterai secara langsung.
Kata Kunci : Baterai, State-Of-Charge, Coulomb Counting , Kapasitas Baterai, Pengawasan Baterai
KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena dengan rahmat, karunia, serta taufik dan hidayah-Nya lah kami dapat menyelesaikan proposal penelitian yang berjudul
“Estimasi
State-Of-Charge pada Sistem
Baterai menggunakan Metode Coulomb Counting ” dengan pengetahuan dan
kemampuan yang dimiliki. Kami sangat berharap makalah ini dapat berguna dalam rangka menambah wawasan serta pengetahuan kita mengenai pengertian, prinsip kerja, jenis-jenis baterai, aplikasi dan estimasi nilai State-Of-Charge pada sistem baterai. Jika masih ada kekurangan dalam proposal penelitian ini, kami berharap adanya kritik, saran dan usulan demi perbaikan di masa yang akan datang, mengingat tidak ada sesuatu yang sempurna tanpa sarana yang membangun. Semoga proposal penelitian ini dapat dipahami bagi siapapun yang membacanya. Sekiranya proposal penelitian yang telah disusun ini dapat berguna bagi kami sendiri maupun orang yang membacanya dan juga kami harapkan dapat didanai untuk penelitian kami. Sebelumnya kami mohon maaf apabila terdapat kesalahan kata-kata yang kurang berkenan dan kami memohon kritik dan saran yang membangun demi perbaikan di masa depan.
Balikpapan, Maret 2016
Penyusun
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
BAB I PENDAHULUAN 1.1.
Latar Belakang
Baterai sangat sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari, sebagai contoh pada baterai laptop ataupun pada baterai telepon genggam yang semakin canggih. Namun baterai tidak hanya digunakan pada skala kecil, seperti contohnya pada sebuah perusahaan listrik juga perlu membutuhkan baterai. Baterai yang digunakan pada perusahaan listrik tersebut tidaklah hanya satu buah baterai, melainkan sangat banyak sehingga baterai-baterai tersebut bisa dikatakan sistem baterai. Sistem baterai tersebut digunakan sebagai cadangan energi listrik ketika energi listrik utama sudah habis. Selain itu, baterai juga digunakan sebagai energi awal untuk menghidupkan mesin yang memerlukan energi listrik besar. Karena baterai dibutuhkan oleh mesin yang kritikal dan membutuhkan energi listrik yang tinggi, maka sistem baterai harus selalu diawasi agar performansi baterai tidak menurun. Menurut Terry Hansen, et al., 2004, jika baterai tidak diawasi, maka baterai tersebut akan mengalami degradasi kesehatan. Oleh karena itu, perlunya pengawasan baterai yang ketat agar baterai tersebut bisa bertahan lama. Salah satu metode dalam mengawasi sistem baterai tersebut adalah dengan cara memodelkan State-Of-Charge. State-Of-Charge (SOC) dapat diartikan sebagai sisa kapasitas di dalam sel baterai dalam nilai persentase dari total kapasitas baterai dimana nilai ini sangat penting untuk merefleksikan performansi pada baterai. Ada berbagai macam metode yang dilakukan untuk menentukan nilai SOC yang salah satunya adalah metode coulomb counting . Metode coulomb counting adalah metode yang membandingkan nilai kapasitas yang keluar dan yang masuk dari dan ke baterai. Nilai kapasitas baterai yang diukur adalah nilai kapasitas yang keluar dan yang masuk terhadap satuan waktu. Dari perbandingan nilai tersebut, maka nilai SOC bisa didapatkan. Penelitian ini akan dilakukan pada sistem baterai yang terdiri dari 8 buah baterai masing-masing 12V yang dipasang 4 buah secara seri lalu diparalelkan sebanyak 2 rangkaian yang menghasilkan tegangan nominal 48V dengan kapasitas baterai 200Ah. Selanjutnya data yang diambil adalah tegangan (voltage), arus (ampere), dan waktu (detik) yang akan dimodelkan menjadi nilai SOC.
1.2.
Perumusan Masalah Baterai mempunyai peran
penting
dalam
setiap
sistemnya.
Jika
menginginkan baterai selalu dalam keaadan yang optimal saat digunakan, maka baterai harus selalu diawasi dan diperhatikan setiap gerak-geriknya karena baterai adalah tempat penyimpanan energi listrik yang sangat rapuh atau mudah rusak dikarenakan menyimpan energi listrik dalam bentuk energi kimia (Caihao Weng, et al., 2013). Menurut Terry Hansen, et al., 2004, jika baterai tidak diawasi, maka baterai tersebut akan mengalami degradasi kesehatan. Oleh karena itu, perlunya pengawasan baterai yang ketat agar baterai tetap terjaga performansinya. Parameter nilai yang ada pada baterai hanya tegangan dan arus. Nilai – nilai tersebut belum bisa merefleksikan nilai kapasitas baterai yang sebenarnya atau energi listrik yang terkandung didalamnya. Perlunya suatu metode permodelan agar nilai kapasitas dalam baterai dapat terbaca. Salah satu metode tersebut adalah metode coulomb counting dimana metode ini membandingkan nilai kapasitas yang masuk dan keluar dari dan ke baterai. Nilai kapasitas baterai yang diukur adalah nilai kapasitas yang keluar dan yang masuk terhadap satuan waktu. Dari perbandingan nilai tersebut, maka nilai SOC bisa didapatkan. Penelitian ini juga membuktikan pernyataan dari Terry Hansen apakah baterai harus diawasi atau tidak perlu diawasi serta apa kelebihan dan kekurangannya.
1.3.
Tujuan Tujuan penelitian ini adalah untuk mengestimasi nilai SOC dari nilai yang
ada pada baterai yaitu nilai tegangan dan nilai arus yang nantinya dimodelkan dengan metode coulomb counting dengan cara membandingkan nilai kapasitas yang keluar dan masuk dari dan ke baterai sehingga dapat diketahui nilai kapasitas baterai yang sebenarnya tanpa harus memeriksanya langsung. 1.4.
Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah dapat mengestimasi nilai SOC pada sistem baterai tanpa harus mengukurnya langsung dan dapat dipergunakan dimana saja dengan kasus apa saja.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1.
Baterai
Baterai adalah sebuah alat untuk menyimpan energi kimia menjadi energi listrik pada saat siklus pengosongan dan mengubah energi listrik dalam bentuk kimia pada saat siklus pengisian. Baterai digunakan sebagai sumber listrik atau catu daya untuk alat elektronik. Sebagai contoh dalam skala kecil adalah telepon genggam dan laptop. Dengan adanya baterai, kita tidak perlu menyambungkan kabel listrik untuk menggunakan perangkat elektronik sehingga dengan kata lain dapat dibawa kemana-mana tanpa perlu menyambung kabel listrik dalam waktu tertentu. Baterai juga digunakan dalam skala besar seperti penyimpanan energi pada beberapa jenis pembangkit tenaga listrik. Listrik yang dihasilkan akan disimpan pada baterai yang nantinya akan digunakan jika sumber listrik utama tidak mencukupi (Detchko Pavlov, et al., 2011). Sebuah baterai terdiri dari tiga komponen penting yaitu batang karbon sebagai anoda (kutub positif baterai), seng (Zn) sebagai anoda (kutub negatif baterai), dan pasta sebagai elektrolit (penghantar). Berdasarkan pengosongan dan pengisian baterai dikelompokan menjadi dua, yaitu baterai primer dan baterai sekunder. Baterai primer yaitu baterai yang hanya digunakan satu kali dan tidak dapat diisi ulang. Pada baterai primer, elektroda positif berupa batang karbon dan pembungkus terbuat dari seng yang merupakan elektroda negatif. Beberapa contoh baterai primer adalah baterai kering, baterai sel kering magnesium, baterai alkaline, sel merkuri, sel oksida perak, dan baterai litium. Baterai sekunder merupakan jenis baterai yang dapat diisi ulang. Akumulator merupakan jenis baterai sekunder yang elemen elektro kimia yang dapat memperbarui bahan-bahan pereaksinya. Beberapa contoh yang termasuk baterai sekunder adalah baterai Ni-cd (Nickel-Cadmium), Ni-MH (Nickel-Metal Hydride) dan Li-Ion (Lithium Ion).
2.2.
State-Of-Charge State of charge (SOC) diartikan sebagai sisa kapasitas di dalam sel baterai
dalam persentase dari total kapasitas baterai tersebut dan parameter ini sangat penting untuk merefleksikan performansi pada baterai. Karena baterai itu adalah sumber energi kimia dan bagian dalamnya tidak dapat diakses, maka SOC tidak dapat diukur secara langsung. Satu-satunya cara adalah mengestimasinya dengan mengukur variabel pada baterai tersebut, seperti tegangan dan arus. Informasi SOC yang tepat sangat diperlukan dalam aplikasi praktek, dimana SOC diharuskan untuk menentukan berapa lama lagi baterai dapat digunakan. Informasi ini diimplementasikan pada BMS dan digunakan untuk mengetahui kapan waktunya berhenti pengisian dan pengosongan, sebagaimana siklus pengosongan dan pengisian adalah parameter penting dalam baterai (Edi Leksono, et al., 2013; Irsyad Nashirul Haq, et al., 2014). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 4.1.
Gambar 2.1. Refleksi Nilai SOC 100% (kanan) dan 50% (kiri) pada Baterai
2.3.
Coulomb Counting Penentuan nilai SOC pada baterai merupakan masalah tentang banyak atau
sedikitnya kompleksitas perhitungan tergantung pada jenis baterai dan aplikasi yang digunakan. Metode yang paling mudah dan banyak digunakan oleh peneliti untuk estimasi SOC pada baterai adalah coulomb counting . Karena pengosongan dan pengisian langsung berhubungan dengan arus beban yang masuk dan keluar, maka nilai SOC dapat diestimasi. Pada metode ini, sebelum menentukan nilai SOC, terlebih dahulu ditentukan nilai kapasitas baterai dengan satuan Ah (J.N.
Hu, et al., 2014; M. Mastali, et al., 2013). Persamaan IV.1 menunjukkan model perhitungannya. = ∑
(IV.1)
Dimana adalah jumlah data yang diambil, adalah arus yang digunakan, dan adalah lamanya waktu pengambilan data. Setelah mendapatkan nilai kapasitas baterai, maka tahap selanjutnya yaitu estimasi nilai SOC. Persamaan IV.2 menunjukkan model perhitungannya. =
−
100%
(IV.2)
dimana adalah nilai kapasitas baterai referensi. Nilai referensi ini bisa didapatkan dari datasheet baterai atau penelitian orang lain. Sedangkan adalah nilai kapasitas baterai yang dihitung menurut perbandingan arus yang masuk dan keluar pada baterai. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat pada Gambar 4.2. untuk simulasi metode coulomb counting .
Gambar 2.2. Simulasi Nilai Kapasitas yang Masuk dan Keluar dari Baterai
BAB III METODE PENELITIAN 3.1.
Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Instrumentasi dan Energi Migas, Prodi Teknik Instrumentasi Elektronika Migas, Sekolah Tinggi Teknologi Migas Balikpapan.
3.2.
Alat dan Bahan
Komponen yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.
3.3.
a.
Baterai VRLA 12V 100Ah
b.
Kabel Penghubung
c.
Junsi Cell Logger
d.
Konektor
Alur Penelitian
Agar penelitian ini berjalan dengan lancar, maka dilakukan tahap-tahap dalam penelitian sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5.1 beserta deskripsinya dibawah ini. a.
Tinjauan Pustaka Tinjauan pustaka dilakukan dengan cara mencari dan mempelajari artikel – artikel ilmiah terbaru mengenai battery system, State-OfCharge, dan coulomb counting di jurnal internasional bereputasi.
b.
Perancangan Sistem Baterai Setelah meninjau pustaka yang telah dikumpulkan, maka selanjutnya adalah merancang sistem baterai yang akan dibuat. Baterai yang akan digunakan saat penelitian sebanyak 8 buah yang disusun 4 buah secara seri lalu diparalelkan sebanyak 2 rangkaian yang menghasilkan tegangan nominal 48V dengan kapasitas baterai 200Ah.
c.
Pengambilan Data Baterai Pengambilan data baterai dimana data yang diambil adalah tegangan dan arus. Hal ini dilakukan pada baterai yang masih baru.
d.
Penentuan Nilai SOC Pada tahapan ini akan dilakukan estimasi nilai SOC menggunakan metode coulomb counting dimana metode ini membandingkan nilai kapasitas yang masuk dan yang keluar dari baterai.
e.
Penulisan Laporan Tahap ini adalah penulisan hasil dari penelitian secara lengkap yang ditulis didalam satu laporan. Bentuk laporan berupa soft file dan hard file yang digunakan sebagai bentuk dari pertanggungjawaban peneliti kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LPPM) STT Migas Balikpapan sebagai penyandang dana.
f.
Penulisan Karya Ilmiah Hasil dari penelitian ini ditargetkan memiliki nilai kontribusi yang tinggi dan dapat dipublikasikan dalam suatu jurnal nasional bahkan jurnal internasional yang terindeks oleh Scopus/Thomson Reuter. Penyusunan karya ilmiah ini dilakukan setelah penentuan nilai SOC sehingga data dapat diolah untuk disusun dalam suatu draft jurnal.
MULAI
Tinjauan Pustaka
Perancangan Sistem Baterai
Pengambilan Data Baterai
Penentuan Nilai SOC
Nilai SOC sesuai?
Penulisan Makalah Ilmiah
Penulisan Laporan
SELESAI
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan 5.2. Saran
DAFTAR PUSTAKA Caihao Weng, dkk., On-board state of health monitoring of lithium-ion batteries using incremental capacity analysis with support vector regression, Journal of Power Sources, ELSEVIER, 2013 Dave Andre, dkk., Advanced mathematical methods of SOC and SOH estimation for lithium-ion batteries, Journal of Power Sources, ELSEVIER, 2012 Detchko Pavlov, Lead-acid Batteries: Science and Technology, Handbook, ELSEVIER, 2011 Edi Leksono, dkk., State of Charge (SOC) Estimation on LiFePO 4 Battery Module Using Perhitungan coulomb Methods with Modified Peukert , ICEVT, IEEE, 2013 Irsyad Nashirul Haq, dkk., Development of battery management system for cell monitoring and protection, ICEECS, IEEE, 2014 J.N. Hu, dkk., State-of-charge estimation for battery management system using optimized support vector machine for regression, Journal of Power Sources, ELSEVIER, 2014 M. Mastali, dkk., Battery state of the charge estimation using Kalman filtering , Journal of Power Sources, ELSEVIER, 2013 PowerLog 6S, PowerLog 6S Multifunctional Monitor & Logger , User’s Manual POWERTHRU, Lead Acid Battery Working Life Study, White Paper/Technical Paper. Terry Hansen, dkk., Support Vector based Battery State of Charge Estimator , Journal of Power Sources, ELSEVIER, 2004
LAMPIRAN I Instrumen Penelitian
LAMPIRAN II Luaran Penelitian
