konverter dc-dc multi- input bi-directional...
TRANSCRIPT
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