konsep charger baterai tipe pwm

Pada tulisan sebelumnya sudah dibahas mengenai konsep pengisian baterai dengan tipe on/off. Dan pada kesempatan kali ini akan dibahas konsep pengisian baterai dengan menggunakan pwm. Sesuai dengan namanya yaitu pwm, kontroller pengisian baterai ini menggunakan konsep pwm pada beberapa tahapan pengisian baterai. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat ilustrasi gambar dibawah ini.

Gambar 1.

sumber gambar : http://batterytender.com/resources/battery-basics.htm

Konsep pengisian baterai yang baik haruslah mengikuti karakteristik kurva seperti yang terlihat pada gambar diatas, dimana tahapan pengisian terdiri dari dua tahapan utama, yaitu constant current dan constant voltage. Apa itu constant current dan constant voltage?

Constant current adalah suatu kondisi dimana charger akan memberikan arus pengisian yang tetap selama selang waktu tertentu hingga baterai mencapai suatu nilai tegangan yang ditetapkan. Biasa dikenal juga sebagai tahap atau fasa bulk, dimana baterai akan diberikan arus konstant hingga baterai terisi hingga 75-80%.

Constant voltage adalah suatu kondisi dimana ketika baterai sebelumnya sudah mencapai batas tegangan tertentu pada saat terjadi constant current, pada kondisi ini tegangan baterai akan dipertahankan hingga harus pengisian baterai mendekati nol. 

Untuk tipe baterai basah dan baterai kering, pada tahapan CV(constant voltage) terdapat 3 tahapan, yaitu absorption, equalizing, dan float ( tricle voltage ).

1. absorption, adalah fasa dimana baterai sudah mendekati full (75%-80%), pada fasa ini baterai akan diisi  dengan arus yang lebih kecil hingga mendekati full. Pada tahapan absorption ini umumnya hanya berlansung selama 2 jam saja, karena pada fasa ini tegangan baterai tinggi dan bisa menyebabkan gassing pada baterai, sehingga tidak baik jika terlalu lama. Umumnya nilai tegangan absorption sekitar 14.2 - 14.8V.

2. float ( tricle ), adalah fasa dimana baterai boleh diisi dalam jangka waktu yang lama, namun karena tegangan baterai dipertahankan tidak terlalu tinggi sehingga masih tetap aman untuk baterai itu sendiri. umumnya untuk tegangan float ini berkisar dari 13.2V - 13.6V.

3. equalizing, adalah fasa yang biasa dilakukan untuk menyeimbangkan kembali tegangan antar sel-sel baterai (perawatan baterai). Untuk baterai basah umumnya setiap 3 bulan sekali, dengan nilai tegangan 14.8V selama 2 jam.

sebagai catatan: nilai settingan tegangan absorption, float, equalizing akan berbeda-beda tergantung dari tipe baterai dan juga pabrikan. pada umumnya tertera pada spesifikasi baterai dari pabrikan baterai.

Solar Charge Controller ( On Off type )

Solar Charge Controller merupakan charger baterai yang inputan atau sumber untuk pengisian baterainya berasal dari solar panel / solar modul. secara garis besar ada beberapa tipe charger ini, yaitu On-Off, Constant Current Constant Voltage, dan juga MPPT.

Gambar diatas merupakan skema pemasangan dari solar charge controller, dimana solar panel sebagai inputan (sumber arus) solar charge controller yang mengatur pengisian dan juga penggunaan beban. dan juga lampu yang digunakan sebagai beban.

apa fungsi dari charger itu sendiri ?

1. untuk menjaga baterai dari kelebihan pengisian

2. untuk menjaga baterai dari kelebihan pengosongan

3. mengatur secara otomatis kapan beban bisa dihubungkan atau dimatikan

beberapa istilah yang digunakan dalam charger baterai untuk tipe on-off

Voltage Regulation (VR) set point

VR set point didefinisikan sebagai batas tegangan maksimum baterai yang diperbolehkan pada saat pengisian untuk menghindari kelebihan pengisian. ketika kontroller sudah mendeteksi tegangan baterai mencapai titik VR ini, maka kontroller akan memutuskan koneksi pengisian dari solar panel.

Array Reconnect Voltage (ARV) set point

Ketika kontroller sudah mendeteksi VR set point, maka kontroller akan memutuskan koneksi pengisian dari solar panel. pada saat tersebut level tegangan baterai akan turun ( level tegangan baterai turun diakibatkan oleh sejumlah pemakaian pada beban atau pun disebabkan oleh self discharge baterai itu sendiri ) hingga mencapai level tegangan tertentu, dimana pada level tegangan tersebut kontroller akan menghubungkan kembali koneksi pengisian, level tegangan beterai ini disebut Array Reconnect Voltage set point.

Voltage Regulation Hysteresis (VRH)

Selisih tegangan antara voltage regulation dengan ARV dikenal sebagai voltage regulation hysteresis. Nilai VRH merupakan faktor yang penting dalam sistem kontrol on-off. Jika histeresisnya terlalu besar, maka baterai akan terputus dari solar panel untuk waktu yang lama dan menyebabkan baterai tidak benar-benar penuh terisi. Dan jika histeresisnya terlalu kecil, dapat menyebabkan kerusakan pada kontroler jika menggunakan komponen elektro mekanikal komponen seperti relay untuk switchingnya.

pada umumnya, besar nilai histeresis yang digunakan pada beberapa produk charger kontrol on-off berkisar antara 0,4 hingga 1,4 volt untuk sistem tegangan baterai 12Volt.

Low Voltage Load Disconnect (LVD) set point

Pada saat baterai berada pada kondisi pengosongan, level tegangan baterai akan turun hingga mencapai titik tertentu, dimana pada titik tersebut baterai sudah tidak diperbolehkan untuk dilakukan pengosongan lagi. Pada level tersebut kontroler akan memutuskan hubungan dengan beban. Level tegangan baterai pada kondisi ini dikenal sebagai Low Voltage Load Disconnect set point atau lebih dikenal LVD.

Load Reconnect Voltage (LRV) set point

Pada saat level tegangan baterai telah mencapai level LVD dan kondisi solar panel dapat melakukan pengisian, maka kontroller akan melakukan pengisian sehingga level tegangan baterai pun akan naik. pada saat level tegangan baterai telah mencapai suatu titik tertentu kontroler akan menghubungkan kembali beban. Pada titik inilah dinamakan sebagai Load Reconnect Voltage atau LRV.

Low Voltage Load Disconnect Hysteresis (LVDH)

Beda tegangan antara titik LRV dengan LVD dinamakan sebagai Low Voltage Load Disconnect Hysteresis. Hysteresis pada titik ini pun merupakan faktor yang penting. Jika hysteresis yang digunakan terlalu besar, umur baterai akan lebih panjang karena pengunaan baterai akan berkurang ( pengosongan berkurang ), tetapi akan mengurangi jam kebutuhan pengunaan beban. Sedangkan ketika hysteresis diset kecil, akan terjadi proses switching yang cepat pada level tegangan baterai yang rendah, yang dapat mengakibatkan kerusakan pada lampu atau kontroller, dan memperpanjang waktu untuk baterai bisa benar-benar penuh ketika pengisian.

Secara garis besar sistem kerja dari kontrol on off dapat diilustrasikan sebagai berikut.

Shunt dan Series Controller

Berdasarkan dari cara kerja dalam proses switching antara kontroller dengan solar panel, dapat dibagi menjadi dua jenis tipe kontrol, yaitu shunt dan series.

Shunt Controller

Karena solar cell dirancang sebagai sumber arus dan didesain dengan batasan arus tertentu, maka solar cell dapat dihubung singkatkan dengan aman. karena hal inilah yang menjadi dasar sistem kerja dari shunt controller.

Bagan kerja secara umum dari shunt kontroller adalah sebagai berikut.

Dari gambar diatas, dapat dilihat pada bagian kiri gambar terdapat saklar untuk menghubung singkatkan solar panel. sistem kerja dari shunt kontroller ini adalah saklar berada pada posisi off ketika proses pengisian baterai berlangsung, dan saklar berada pada posisi on ketika kontroller menghentikan proses pengisian pada baterai.

Hal yang perlu diperhatikan dalam shunt kontroller ini adalah kemampuan dari saklar yang digunakan terhadap arus maksimal panel dalam keadaan terhubung singkat. data arus solar panel dalam keadaan terhubung singkat bisa kita dapatkan pada saat pembelian solar panel, yang biasanya disimbolkan dengan Isc ( I short circuit).

Series Controller

Sesuai dengan namanya, tipe kontrol ini menghubungkan saklar secara seri dengan solar panel, tidak seperti shunt yang dihubungkan secara parallel. Tipe kontrol ini yang pada umumnya digunakan oleh beberapa produk solar charge controller. Secara umum bagan kerja dari series kontroller adalah sebagai berikut.

Secara umum kerja dari tipe ini adalah pada saat kontroller melakukan pengisian maka saklar series element dihubungkan, begitu pula sebaliknya jika kontroller ingin memutuskan koneksi antara solar panel dengan baterai, maka saklar series element diputuskan.

Secara umum prinsip kerja dari solar charge controller tipe on off adalah seperti yang sudah dijelaskan diatas. Untuk merancang charger on off ini dapat dibuat dengan menggunakan mikrokontroller atau pun hanya dengan menggunakan IC op amp (operational amplifier) yang difungsikan sebagai comparator dengan histeresis.

to be continue.....

Next Part -- Komponen penilaian untuk sertifikasi SNI Solar Charge Controller

Referensi :

Dunlop, James P, Batteries and Charge Control in Stand Alone Photovoltaic Systems Fundamentals and Application. Florida Solar Energy Center. Paper was Prepared for Sandia National Laboratories. January 15, 1997.