KONVERTER DC-DC MULTI- INPUT BI-DIRECTIONAL...

Post on 18-Aug-2019

263 views 0 download

Transcript of KONVERTER DC-DC MULTI- INPUT BI-DIRECTIONAL...

KONVERTER DC-DC MULTI-INPUT BI-DIRECTIONAL UNTUK APLIKASIKENDARAAN LISTRIK

Denny Novian MustokoNRP 2210100135

Dosen PembimbingDedet Candra Riawan ST,M.Eng., Ph.DIr. Arif Musthofa, MT.

1

Latar belakang

Manajemen daya kendaraan listrik Baterai Sel surya Regenerative braking

2

Batasan Masalah

Perbandingan daya baterai, daya sel suryadan daya motor baik saat driving maupunregenerative braking

3

Tujuan

Mengatur aliran daya antara baterai, selsurya dan motor pada sistem kendaraanlistrik

4

Konfigurasi sistem kendaraan listrik

5

Spesifikasi kendaraan listrikSPECIFICATIONS :ATV-3050D-ABENGINE INFO Engine type :110cc 4-stroke,single

cylinderDisplacement :110ccCooling :air-cooledMax horsepower :5.0kW/7,500r/minMax torque :7.0N.m/5,500r/min (N.m/r/min)Engine oil :0.9L

6

Model konverter multi-input

7

Konverter bi-directional

Mode Operasi switch SW1 merupakan switch saat konverter

beroperasi sebagai boost,

switch SW2 merupakan switch utama saatkonverter beroperasi sebagai buck

Beban

VoBaterai

-

Induktor

VHigh

VLow= SW2

SW1

8

Konverter bi-directional

Mode boost

9

Konverter bi-directional

Mode buck

10

Metode PWM

Konverter bi-directional berperan sebagaivoltage control

11

Konverter uni-directional

Konverter yang digunakan pada sel suryamerupakan konverter Boost DC-DC konvensional dengan pengaturan MPPT Hill Climbing

Induktor

SWBeban

Sel surya Vo

Dioda

DC

12

Skema Hill Climbing MPPT

DimanaIpv = arus sel suryaVpv = tegangan sel suryaD = Duty cycle

PV array DC/DC Converter

Hill Climbing MPPT PWM generator

Load

Ipv

Vpv

D

Gating signal

13

Metode PWM Konverter sel surya

PISW

Keluaran Kontroler PI

Sinyal Gergaji100 kHz

Daya referensi

Daya aktual

14

Rangkaian penuh konverter multi-input bi-directional

Induktor

SWBeban

Sel surya Vo

Dioda

DC Baterai

-

Induktor

VHigh

VLow= SW2

SW1

15

Pengaturan Kecepatan Skema Speed Control dengan Field

Oriented Control(FOC)

16

Spesifikasi Baterai

Parameter Nilai*

Spesifikasi 48.1V/40AhKapasitas (Ah) 40Tegangan nominal (V) 48.1Tegangan charge cut-off (V) ≤54.6Tegangan discharge cut-off (V) ≥39.0Arus charging ≤0.5CArus kerja 0.5CArus discharge maksimum 2CResistansi internal(mΩ) ≤50

Baterai tersebut kemudian diseri 3 untukmendapatkan tegangan nominal bateraisebesar 144.3 V dengan kapasitas 40Ah

17

Spesifikasi sel surya

Kemudian diseri 2, yang akan didapatkan tegangannominal sebesar 114.6 V dengan arus nominal 6Adengan daya puncak 670 Watt

Parameter Nilai*Modul SPR-X21-335Jumlah sel 96Daya nominal (Watt) 335Toleransi daya (%) +5/-0Nilai Tegangan (Vmp) 57.3Nilai Arus (Imp) 5.85Tegangan Open Circuit (Voc) 67.9Arus short Circuit (Isc) 6.23Daya rata-rata (Watt) 343Koefisien temperatur dari Isc (mA/oC) 3.5Koefisien temperatur dari Voc (mV/oC) -167.4

18

Spesifikasi motorParameter Nilai*

Torsi maksimum 7.66 NmKecepatan maksimum 6200 rpmR 1.45 ΩLq 11.04 mHLd 3.74 mHλpm 0.0858 WbJ 99.6 kg.m2 10-6

Jumlah kutub 4

19

Pengujian Sistem

1. Pengujian sistem dengan variasi keadaanintensitas cahaya matahari 600 W/m2, 800 W/m2, 1000 W/m2

2. Pengujian torsi dengan beban bervariasi3. Pengujian kecepatan referensi yang

bervariasi4. Pengujian regenerative breaking

20

Pengujian Sistem dengan Intensitas Cahaya Bervariasi

Intensitas cahaya pada pengujian diberikansecara perlahan-lahan untuk mengikutikeadaan nyata

21

Respon daya keluaran sel surya

Intensitas cahaya Daya referensi Daya aktual1000 W/m2 ± 680 Watt ± 660 Watt800 W/m2 ± 540 Watt ± 520 Watt600 W/m2 ± 400 Watt ± 380 Watt

Intensitascahaya1000 W/m2

Intensitascahaya800W/m2

Intensitascahaya600W/m2

22

Respon daya baterai, daya sel suryadan daya motor

Daya baterai akan menyesuaikan dengandaya motor yang dibutuhkan oleh motor

740 Watt660Watt

80Watt

520 Watt

220Watt

370Watt

23

State of Charge baterai

Intensitascahaya1000 W/m2

Intensitascahaya800W/m2 Intensitas

cahaya600W/m2

24

Pengujian Sistem dengan Torsi Beban Bervariasi

Kendaraan diasumsikan sedang melewatitanjakan. Torsi yang diberikan adalah dari4 Nm naik menjadi 7 Nm

4 Nm

7 Nm

25

Respon kecepatan motor

Dengan torsi beban yang naik maka kecepatanakan turun tetapi dengan sistem FOC, kecepatanmampu untuk mempertahankan kecepatannya

Torsi beban 4 Nm Torsi beban 7 Nm

26

Respon daya baterai, daya sel suryadan daya motor

Daya motor daari kendaraan listrik dalamkeadaan melewati tanjakan membutuhkandaya yang lebih besar

Torsi beban 4 Nm Torsi beban 7 Nm

27

State of Charge baterai

Saat torsi beban sebesar4 Nm

Saat torsi beban sebesar7 Nm

28

Pengujian Sistem dengan Kecepatan Bervariasi

Pengujian ini mengasumsikan kendaraanmelakukan proses akselerasi

170 rpm200 rpm

29

Respon torsi motor

Kecepatan motor 170 rpm

Kecepatan motor 200 rpm

30

Respon daya baterai, daya sel suryadan daya motor

Kecepatan motor 170 rpm Kecepatan motor 200 rpm

31

State of Charge baterai

Kecepatan motor 170 rpm

Kecepatan motor 200 rpm

32

Pengujian Sistem saat Kondisi Regenerative BrakingPengujian ini untuk mengetahui kemampuansistem dalam kondisi regenerative braking. Terdapat dua keadaan saat regenerative braking yaitu1. Kendaraan listrik diasumsikan pada jalan

turunan sehingga memerlukanpengereman untuk tetapmempertahankan kecepatannya.

2. Kendaraan listrik diasumsikan melakukanpengereman sampai kendaraan berhenti

33

Pengujian Regenerative braking dengankondisi kendaraan listrik melewatiturunan

Pada kondisi ini diasumsikan denganmemberikan torsi negatif pada sistem. torsi beban yang diberikan pada sistemturun dari 4 Nm menjadi -3 Nm

34

Respon torsi motor

Saat driving

Saat regenerative braking

35

Respon kecepatan motor

Saat driving Saat regenerative braking

36

Respon daya baterai, daya sel suryadan daya motor

Daya yang dihasilkan motor pada keadaanregenerative braking ini adalah sebesar ±550 Watt. Daya dari sel surya sebesar ±520 Watt

Saat driving

Saat regenerative braking

37

State of Charge Baterai

Saat driving

Saat regenerative braking

38

Pengujian Regenerative braking dengankondisi kendaraan listrik melakukanpengereman sampai berhenti

Kecepatan referensi yang diberikan adalahdari 200 rpm ke 0 rpm

39

Respon kecepatan motor

200 rpm

0 rpm

40

Respon daya baterai, daya sel suryadan daya motor

Sesaat sebelum berhenti, motor akan beroperasisebagai generator dalam waktu singkat danmengeluarkan daya puncak sebesar 250 Watt

Proses driving

Proses regenerative braking

Proses charge baterai oleh sel surya

250 Watt

41

State of Charge Baterai

Proses driving

Proses regenerative braking

Proses charge bateraioleh sel surya

42

Kesimpulan1. Konverter DC-DC multiinput bidirectional dapat meningkatkan

daya jangkau dari kendaraan listrik dikarenakan terdapat sumberenergi tambahan selain baterai seperti sel surya.

2. Pada pengujian torsi beban bervariasi dan kecepatan bervariasi, baterai sebagai sumber utama dari kendaraan listrik akanmenyesuaikan dengan daya yang dibutuhkan oleh motor.

3. Dari pengujian regenerative braking dengan kondisi jalanmenurun, dengan kecepatan 200 rpm dan torsi -3 Nm akanmengubah motor beroperasi sebagai generator dan menyuplaidaya sebesar ± 560 Watt.

4. Dari pengujian regenerative braking sampai kendaraan berhenti, dengan kecepatan awal 200 rpm sampai berhenti hanya membuatmotor beroperasi sebagai generator dalam waktu 0.1 s. Hal inidikarenakan kecepatan motor dalam waktu 0.1 s telah berhenti.

43

Saran1. Untuk pengaturan kecepatan motor IPMSM

dapat menggunakan MTPA(Maximum Torque per Ampere) karena nilai dari referensi arus stator sumbu-d dengan mengetahui nilai torsi yang dibutuhkan maka akan didapatkan pengaturanoptimal dari arus sumbu-d dapat meminimalkantotal arus stator.

2. Pada proses regenerative perlu diperhatikanarus charge yang masuk ke dalam baterai jangansampai melebihi rating dari baterai. Hal ini dapatdiatasi dengan cara metode Current Control danpenambahan dynamic braking

44

Thank you

45

Perhitungan komponen konverterbi-directional Tegangan baterai 144 V – 168 V Tegangan beban 500 V Ripple arus ± 10% Ripple tegangan ± 10% Frekuensi pensaklaran 100kHz

46

Konverter bi-directional

47

Mode Boost Mode Buck

Parameter konverter bi-directional

Induktor

Kapasitor tegangan tinggi

Kapasitor tegangan rendah

Frekuensi pensaklaran 100 kHz

48

Perhitungan konverter boost unidirectional Tegangan sel surya 100V – 120 V Tegangan beban 500 V Ripple arus ± 10% Ripple tegangan ± 10% Frekuensi pensaklaran 100kHz

49

Konverter uni-directional

InduktorKapasitor tegangan tinggiKapasitor tegangan rendahFrekuensi pensaklaran 100kHz

50

Flow chart MPPT Hill Climbing

51

Daya aktual P(k) dihitung melalui nilaitegangan aktualV(k) dan I(k) yang dibandingkandengan dayasebelumnya P(k-1)

Alasan pemilihan MPPT Hill Climbing MPPT yang paling umum digunakan MPPT yang sederhana dan mudah

diimplementasikan

52

Kekurangan MPPT Hill Climbing Sistem berosilasi pada titik daya maksimum Operasi dari sistem sel surya dapat gagal

untuk mendapatkan titik daya maksimumpada perubahan intensitas yang mendadak

Rekomendasi MPPT

Fuzzy logic control, neural network Karena membutuhkan respon konvergensi

yang cepat pada titik daya maksimum

53

Skema FOC IPMSM

54

55

56

57

Karena mesin IPMSM memiliki magnet permanen yang memberikan fluks eksitasi, sehingga tidak diperlukan adanya fluks darisisi stator dan referensi arus stator padasumbu-d didefinisikan nol.

Akan tetapi, mengoperasikan IPMSM denganarus stator sumbu-d sama dengan nol itutidak optimal, karena persamaan di bawahakan menjadi nol dan tidak dapat digunakan

58

Keuntungan penggunaan PMSM Motor ini memiliki efisiensi yang tinggi

dibandingkan motor induksi atau Switched reluctance motor.

Motor ini memiliki lingkup pelemahanmedan yang cukup luas dibandingkanSurface Permanent Magnet Motor

59

T

n

Tmax

T1

Constant torque Constant Powernbase

Flux Weakening Region

Keuntungan penggunaan PMSM

Lebih jauh, peningkatan efisiensi padalingkup kecepatan rendah, torsi rendahdapat dicapai dengan pengaturan fluks.

Dengan magnet NdFeB, kerapatan dayamotor cukup tinggi dengan inersia yang rendah. Mesin jenis ini lebih mahaldibandingkan dengan motor induksi

60

Keuntungan baterai lithium ion dibanding yang lain Dengan kerapatan energi dari berat yang

sekitar dua kali dari baterai berbasisnickel, baterai Li-Ion dapat mengirimenergi dengan berat yang lebih ringanpada kapasitas yang diinginkan

61

Perhitungan kapasitas bateraikendaraan listrik tanpa sel surya Putaran yang dihasilkan oleh motor adalah

200 rpm. Dengan diameter rodakendaraan listrik 0.5 meter maka akandidapatkan keliling roda kendaraan listriksebesar:

62

Sehingga didapatkan kecepatan kendaraanlistrik sebesar dengan perbandingan gear box 2:1:

63

Dengan Tegangan 500 V motor menarikarus sebesar 1.7 Ampere dan sel suryatidak beroperasi. Oleh karena itu, Wh/km yang digunakan adalah:

64

Dengan kapasitas baterai sebesar 144 V 40 Ah = 5760 Wh. Dengan mempertimbangkanDED(Depth of Discharge) = 80 %. Sehinggakapasitas yang dapat digunakan hanya sekitar80 % dari kapasitas penuh. Jarak yang mampuditempuh oleh kendaraan listrik dengan 1 cycle pengisian baterai tanpa sel surya dandengan kecepatan 37.68 km/h sebesar:

65