ISSN(p): 2338-8323  | ISSN(e): 2459-9638

## Pengoptimalan Kinerja Pengereman Regeneratif Motor BLDC menggunakan Cascaded Boost Converter

## DANIEL RAHADIAN FIRMANTO, SLAMET RIYADI, LEONARDUS HERU PRATOMO, FLORENTINUS BUDI SETIAWAN
Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata Semarang, Indonesia Email: dnlrahadian@gmail.com
Received 6 Desember 2020 | Revised 16 Januari 2021 | Accepted 5 Februari 2021

## ABSTRAK
Mesin Brushless Dircet Current (BLDC) digunakan pada kendaraan listrik karena memiliki  torsi  yang  besar  dan  memungkinkan  untuk  pengereman  regeneratif. Pengereman regeneratif dirancang agar kendaraan listrik memiliki jarak tempuh yang lebih panjang. Pada saat pengereman, konverter bidirectional dioperasikan menjadi  boost  rectifier  agar  energi  dapat  berpindah  ke  baterai.  Boost  rectifier memiliki gain yang rendah, sehingga pengiriman daya ke baterai kurang optimal. Pada  penelitian  ini  ditambahkan  chopper  kedua  yang  memiliki  gain  tinggi  agar pengiriman  daya  lebih  optimal.  Metode  modulasi  lebar  pulsa  yang  dibangkitkan mikrokontrol  dsPIC30f4012  digunakan  untuk  mengendalikan  saklar  (IRFP  460) pada  konverter.  Verifikasi  menggunakan  perangkat  keras  telah  dilakukan  untuk mendukung penelitian ini. Hasil percobaan pada duty cycle 0,8 dapat dihasilkan arus pada baterai sebesar 0,25 A dan kecepatan berkurang menjadi 663 rpm.
Kata  kunci :  BLDC,  Pengereman  regeneratif,  Boost  rectifier,  chopper, dsPIC30f4012

## ABSTRACT
Brushless direct current (BLDC) machine is suitable to be implemented in electric vehicle since it can provide high torque and is capable to do regenerative braking. For electric vehicle applications, the regenerative braking is needed to make such vehicle can travel longer distance. For making the machine current can flow into the battery, the bidirectional converter will be operated as a boost rectifier. The boost rectifier produced a low gain so that the second chopper with a high gain is required. The pulse width modulation (PWM) method was used to control each switch  (IRFP  460)  using  a  dsPIC30F4012  microcontroller.  A  verification  with experimental work was done. Based on the result, with 0.8 duty cycle can produced a 0.2 A battery current also and speed reduced to 663 rpm.
Keywords : BLDC, Regenerative braking, Boost rectifier, chopper, dsPIC30f4012

## 1. PENDAHULUAN
Dewasa ini kendaraan dengan mesin baker mulai tergantikan dengan kendaraan listrik yang ramah  lingkungan (Kumar,  dkk,  2018) .  Mesin  BLDC  sering  digunakan  untuk  kendaraan listrik karena memiliki torka yang besar, efisiensi tinggi dan memungkinkan untuk pengereman regeneratif (Mohammad & Khan, 2015) (Riyadi & Dwi Setianto, 2019). Pengereman regeneratif dapat membuat kendaraan memiliki jarak tempuh yang lebih panjang (Chougale & Lakade, 2018) . Jarak tempuh dapat meningkat 16,23% lebih panjang setelah menerapkan pengereman ini pada kendaraan listrik (Bhurse & Bhole, 2018). Pengereman regeneratif memanfaatkan energi kinetik pada mesin yang diubah menjadi energi listrik untuk pengisian daya  ke  baterai (Bobba  &  Rajagopal,  2010). Tegangan  mesin  selalu  lebih  rendah  dari tegangan baterai, maka harus dilakukan proses penguatan agar terjadi pengiriman daya ke baterai (Milivojevic, dkk, 2010).
Bidirectional  converter  dioperasikan  menjadi  boost  rectifier  agar  tegangan  keluaran  mesin lebih tinggi dari tegangan baterai. Boost rectifier menggunakan saklar bagian bawah sebagai switching dan saklar bagian atas sebagai dioda pada konverter bidirectional (Aswathi, dkk, 2018) .  Jika  pensaklaran  dilakukan  ketika  Back  Electromotive  Force  (BEMF)  pada  kondisi puncak  maka terjadi pengiriman  daya  secara  maksimal.  Puncak BEMF dapat diketahui  dari sensor hall-effect yang terdapat pada mesin BLDC (Nugroho & Riyadi, 2019) (Riyadi & Dwi Setianto, 2019).
Boost rectifier  mengadopsi prinsip kerja dari boost converter, di mana belitan stator pada mesin BLDC sebagai induktornya. Saat saklar dalam kondisi- on, belitan stator akan menyimpan energi  dalam  bentuk  medan  magnet.  Pada  saat  saklar  dalam  kondisi- off,  belitan  stator mengubah polaritasnya untuk mengirimkan daya ke baterai. Boost converter memiliki efisiensi mencapai  85,32% (Boujelben,  dkk,  2017)  (Maradzhiev,  dkk,  2018) .  Tujuan  dari penelitian  ini  adalah  memberikan  solusi  agar  arus  yang  masuk  ke  baterai  semakin  besar sehingga kendaraan listrik memiliki jarak tempuh yang lebih panjang.

## 2. METODOLOGI

## 2.1 Generator BLDC
Energi kinetik pada rotor akan mengakibatkan perubahan fluksi pada belitan stator. Prinsip generator ini berdasarkan Hukum Faraday dengan persamaan disajikan dalam Persamaan (1).
  dt d N e (1)
Di  mana e,  N  dan  Φ  adalah  GGL,  jumlah  lilitan  pada  stator  dan  fluksi.  GGL  keluaran  dari generator  BLDC  dikuatkan  menggunakan boost  rectifier  dan  chopper  kedua.  Blok  diagram generator BLDC disajikan pada Gambar 1.
Gambar 1. Blok Diagram Generator BLDC (Riyadi, dkk, 2019)
Batasan  dari boost  rectifier  adalah  gain  yang  rendah,  sehingga  diperlukan  penguatan menggunakan chopper kedua agar mendapatkan gain yang lebih tinggi (Maitra & Debnath, 2018) (Moutabir, dkk, 2014). Rangkaian ekuivalen generator BLDC berdasarkan Gambar 1 disajikan pada Gambar 3.

## Gambar 2. Tegangan Keluaran Generator BLDC (Riyadi, dkk, 2019)
Mesin  BLDC  yang  diputar  oleh  energi  kinetik  akan  menghasilkan  Gaya  Gerak  Listrik  (GGL) berbentuk trapezoidal yang disajikan pada Gambar 2 (Lee & Ehsani, 2004) (Laczko, dkk, 2015) .

## Gambar 3. Rangkaian Ekuivalen Generator BLDC (Riyadi, dkk, 2019)

## 2.2 Cascaded Boost Converter
Cascaded boost converter memiliki dua kemungkinan metode penyaklaran yang berlaku, yaitu simultant  dan  geser  fasa  90º (Tofoli,  dkk,  2015)  (Malik,  dkk,  2017) . Cascaded  boost converter dengan metode penyaklaran simultan memiliki dua mode operasi yaitu pada saat kedua saklar dalam kondisi- on dan kondisi-off. Pada saat saklar dalam kondisi-on, belitan akan menyimpan energi dalam bentuk medan magnet. Cascaded boost converter memiliki efisiensi mencapai 94,54% (Boujelben, dkk, 2017) . Rangkaian ekuivalen pengereman regeneratif mesin BLDC saat belitan menyimpan energi disajikan pada Gambar 4 dan rangkaian ekuivalen cascaded boost converter ketika saklar dalam kondisi-on disajikan pada Gambar 5.
Gambar 4. Rangkaian Ekuivalen Pengereman Regeneratif Mesin BLDC pada Saat Belitan Menyimpan Energi (Riyadi, dkk, 2019)
Gambar 5. Rangkaian Ekuivalen Cascaded Boost Converter ketika Saklar dalam Kondisi- on (Riyadi, dkk, 2019)
Berdasarkan  rangkaian  pada  Gambar  5,  persamaan  tegangan  dan  arus  sesaat  pada 2L dinyatakan dengan Persamaan (2).
on b a a t L e e i 2    (2)
Persamaan tegangan dan arus sesat pada L2 dinyatakan dengan Persamaan (3).
on C a t L V i 2 1   (3)
Di mana e a , e b , v L , i a ,  i a adalah BEMF dari fasa-A, BEMF dari fasa-B, tegangan pada induktor, dan  fluktuasi  dari  arus  fasa-A.  Setelah  induktor  menyimpan  energi  dalam  bentuk  medan magnet, saklar dalam kondisi- off akan membuat energi pada induktor mengalir melalui dioda (Boujelben,  dkk,  2019) . Rangkaian  ekuivalen  pengereman  regeneratif  mesin  BLDC  saat energi pada belitan mengalir melalui dioda disajikan pada Gambar 6 dan rangkaian ekuivalen cascaded boost converter ketika saklar dalam kondisi-off disajikan pada Gambar 7.
A B C S1 S3 S5 S6 S4 S2 L L L e c e a e b L2 S7 D C2 C1 r d E I ch
Gambar 6. Rangkaian Ekuivalen Pengereman Regeneratif Mesin BLDC saat Energi pada Belitan Mengalir Melalui Dioda (Riyadi, dkk, 2019)
Gambar 7. Rangkaian Ekuivalen Cascaded Boost Converter saat Saklar dalam Kondisi-off (Riyadi, dkk, 2019)
Berdasarkan  rangkaian  pada  Gambar  7,  persamaan  tegangan  dan  arus  dinyatakan  dalam Persamaan (4) dan Persamaan (5).
off b a C a t L e e V i
2 ) ( 1     (4) off C dc a t L V V i 2 1    (5)
Berdasarkan Persamaan (4) dan Persamaan (5), tegangan keluaran cascaded boost converter dinyatakan dalam Persamaan (6).
) 1 ( 1 ) 1 ( 1 ) ( 2 1 d d e e dc V b a    
(6)
Jika r d dan E  adalah hambatan dalam dan tegangan pada baterai, maka arus yang masuk ke baterai ( I ch ) dinyatakan dengan Persamaan (7).
d r E V I dc ch   (7)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan  metodologi  penelitian  maka  dilakukan  implementasi  pada prototype  dengan parameter mesin BLDC ditampilkan dalam Tabel 1 dan parameter konverter ditampilkan dalam Tabel 2.
Tabel 1. Spesifikasi Mesin BLDC No. Parameter Nilai 1. 2. 3.
Number of poles Number of phases
Rated voltage 4 3 24 V
Tabel 2. Parameter Konverter No. Parameter Nilai 1. 2. 3. 4. 5. 6. Saklar Dioda Induktor 1 dan 2 Kapasitor 1 Kapasitor 2 Baterai IRFP460 MUR860 8 mH 1000 uF 330 uF 12 V 10 Ah
Tabel  1  dan  2  merupakan  parameter  pengujian  perangkat  keras.  Implementasi  perangkat keras dilakukan guna membuktikan bahwa sistem yang diusulkan dapat bekerja dengan baik. Implementasi  menggunakan  mesin  BLDC  yang  diputar  dengan  motor  DC  untuk menyimulasikan  energi  kinetik  pada  saat  pengereman.  Penerapan  perangkat  keras  dapat dilihat pada Gambar 8.

## Gambar 8. Implementasi Perangkat Keras Pengereman Regeneratif Mesin BLDC menggunakan Cascaded Boost Converter
Pembuatan prototype berdasarkan rangkaian pada Gambar 3. Mesin BLDC 50 W dan baterai 12 V digunakan dalam prototype ini. Pada Gambar 9 ditampilkan BEMF fasa a, b, dan c pada saat rotor dari mesin BLDC diputar oleh energi kinetik sebelum terintegrasi dengan cascaded boost converter.
c a b
Gambar 9. Hasil Percobaan BEMF Fasa A, B dan C dari Mesin BLDC
Pada Gambar 10 disajikan BEMF fasa a, b, dan c dari mesin BLDC setelah terintegrasi dengan cascaded boost converter dengan duty cycle 0,3. BEMF terdistorsi akibat switching saklar pada konverter.
Gambar 10. Hasil Percobaan BEMF Fasa A, B dan C dari Mesin BLDC Setelah Terintegrasi dengan Cascaded Boost Converter Dengan Duty Cycle 0,3
Pada Gambar 11 disajikan arus pada induktor 2 ( iL2) dengan duty cycle sebesar 0,3. Arus baterai sebesar 0,075 A berlaku discontinuous pada kondisi ini.
Gambar 11. Hasil Percobaan Arus pada Induktor ( il2) Saat Duty Cycle 0,3
Pada Gambar 12 disajikan arus pada induktor 2 ( iL2) dengan duty cycle sebesar 0,5. Arus baterai sebesar 0,15 A dan berlaku discontinuous pada kondisi ini.
Gambar 12. Hasil Percobaan Arus pada Induktor ( il2) Saat Duty Cycle 0,5
Pada Gambar 13 disajikan arus pada induktor 2 ( iL2) dengan duty cycle sebesar 0,8. Arus baterai sebesar 0,25 A dan berlaku continuous pada kondisi ini.
Gambar 13. Hasil Percobaan Arus pada Induktor ( il2) Saat Duty Cycle 0,8
Pada Gambar 14 disajikan hasil percobaan arus keluaran konverter yang masuk ke baterai ( I ch ) dengan perubahan duty cycle. Semakin besar duty cycle maka arus yang masuk ke baterai semakin tinggi.
Gambar 14. Hasil Percobaan Perbandingan Arus yang Masuk ke Baterai ( I ch ) Saat Duty Cycle (A) 0,3 (B) 0,5 (C) 0,8
Perubahan duty cycle juga berpengaruh  pada  kecepatan  mesin BLDC.  Semakin tinggi duty cycle  maka  kecepatan  mesin  BLDC  akan  semakin  berkurang  dengan  hasil  percobaan  pada Gambar 15.
Gambar 15. Hasil Percobaan Intensitas Arus yang Masuk ke Baterai ( I ch ) dan Pengurangan Kecepatan Akibat Perubahan Duty Cycle (A) 0 (B) 0,3 (C) 0,5 (D) 0,8
Percobaan pengereman regeneratif mesin BLDC dilakukan dengan kecepatan saat duty cycle 0 atau kecepatan mula-mula yaitu 3206 rpm.
Tabel 3. Hasil Percobaan Pengurangan Kecepatan akibat Perubahan Duty Cycle No. Duty Cycle Kecepatan (rpm) 1. 2. 3.
4. 0
0,3 0,5 0,8 3206 1635 1020 663
Pada Tabel 3 ditampilkan hasil percobaan pengurangan kecepatan akibat perubahan duty cycle pada cascaded boost converter. Pada duty cycle 0,3 kecepatan mesin berkurang menjadi 1635 rpm. Pada duty cycle 0,5 kecepatan mesin berkurang menjadi 1020 rpm. Pada duty cycle 0,8 kecepatan mesin berkurang menjadi 663 rpm.

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  percobaan,  penambahan chopper  kedua  dapat  memperbaiki  gain  saat pengereman regeneratif. Semakin besar duty cycle maka arus charging (I ch ) ke baterai akan semakin tinggi. Perubahan duty cycle juga berpengaruh pada pengurangan kecepatan mesin BLDC,  yaitu  semakin  tinggi duty  cycle  pada  konverter  maka  kecepatan  akan  semakin berkurang. Pada duty cycle 0,8 dapat menghasilkan arus pada baterai sebesar 0,25 A dengan kecepatan berkurang menjadi 663 rpm.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Makalah ini merupakan bagian Penelitian yang didukung oleh Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat,  Dirjen  Penguatan  Riset  dan  Pengembangan,  Kementrian  Riset,  Teknologi  dan Pendidikan Tinggi dengan skema PTUPT 2020.

## DAFTAR RUJUKAN
Aswathi, E. R., Prathibha, P. K., & Nair, J. R. (2018). Regenerative Braking of BLDC Motor using Fuzzy Control for Electric Vehicles. Proceedings of the International Conference on  Inventive  Communication  and  Computational  Technologies,  ICICCT  2018,
(pp. 1661–1665). doi: 10.1109/ICICCT.2018.8473242
Bhurse, S. S., & Bhole, A. A. (2018). A Review of Regenerative Braking in Electric Vehicles. 7th IEEE  International  Conference  on  Computation  of  Power,  Energy,  Information  and Communication, ICCPEIC 2018, (pp. 363–367). doi: 10.1109/ICCPEIC.2018.8525157
Bobba, P. B., & Rajagopal, K. R. (2010). Compact regenerative braking scheme for a PM BLDC motor  driven  electric  two-wheeler. 2010  Joint  International  Conference  on  Power Electronics, Drives and Energy Systems, PEDES 2010 and 2010 Power India, (pp. 1– 5). doi: 10.1109/PEDES.2010.5712566
Boujelben,  N.,  Masmoudi,  F.,  Djemel,  M.,  &  Derbel,  N.  (2017).  Design  and  comparison  of quadratic boost and double cascade boost converters with boost converter. 2017 14th International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices, SSD 2017, (pp. 245– 252). doi: 10.1109/SSD.2017.8167022
Boujelben, N., Masmoudi, F., Djemel, M., & Derbel, N. (2019). Modeling and comparison of boost converter with cascaded boost converters. Green Energy and Technology, 85– 103. doi: 10.1007/978-981-13-1945-7_4
Chougale, R. G., & Lakade, C. R. (2018). Regenerative braking system of electric vehicle driven by  brushless  DC  motor  using  fuzzy  logic. IEEE  International  Conference  on  Power,
Control, Signals and Instrumentation Engineering, ICPCSI 2017, (pp. 2167–2171). doi: 10.1109/ICPCSI.2017.8392101
Kumar, B. V. R., Sivakumar, K., & Karunanidhi, S. (2018). A novel configuration of regenerative braking system to improve the energy efficiency of an electric vehicle with Dual-Stator Dual-Rotor  BLDC  motor. 2017  IEEE  Transportation  Electrification  Conference,  ITEC- India 2017, (pp. 1–4). doi: 10.1109/ITEC-India.2017.8333858
Laczko, A. A., Zaharia, M. V., Radulescu, M. M., & Brisset, S. (2015). Modeling and simulation of a brushless DC wind energy conversion system. 2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER) Modeling.
Lee, H. W., & Ehsani, M. (2004). Practical control for improving power density and efficiency of  the  BLDC  generator. Conference  Proceedings  -  IEEE  Applied  Power  Electronics Conference and Exposition - APEC, (pp. 1124–1129). doi: 10.1109/apec.2004.1295963
Maitra, A., & Debnath, D. (2018). A Transformerless Doubly Boost DC-DC Converter for grid
connetced  solar  photovoltaic  systems. India  International  Conference  on  Power Electronics, IICPE, 2018-Decem, (pp. 1–6). doi: 10.1109/IICPE.2018.8709341
Malik, M. Z., Ali, A., & Kumar, D. (2017). A Two Cascaded Boost Converter with High Voltage
Gain Module. International Journal of Computer and Electrical Engineering, 9(2), 476– 483. doi: 10.17706/ijcee.2017.9.2.476-483
Maradzhiev,  I.  P.,  Grigorova,  T.  G.,  &  Dinkov,  E.  I.  (2018).  Analysis  and  Investigation  of
Methods  for  Energy  Recovering  from  BLDC  Motor. 9th  National  Conference  with International  Participation,  ELECTRONICA  2018  -  Proceedings,  (pp.  1–4).  doi: 10.1109/ELECTRONICA.2018.8439296
Milivojevic,  N.,  Stamenkovic,  I.,  Krishnamurthy,  M.,  &  Emadi,  A.  (2010).  A  digital  control
strategy for brushless DC generators. Conference Proceedings - IEEE Applied Power Electronics  Conference  and  Exposition  -  APEC,  (pp.  1957–1962).  doi: 10.1109/APEC.2010.5433502
Mohammad, A., & Khan, M. Z. R. (2015). BLDC motor controller for Regenerative Braking. 2nd International Conference on Electrical Engineering and Information and Communication Technology, iCEEiCT 2015, (pp. 21–23). doi: 10.1109/ICEEICT.2015.7307453
Moutabir, A., Abouloifa, A., Abdelmounim, E., Aboulfatah, M., Majdoul, R., & Touati, A. (2014).
Analysis  and  control  design  of  two  cascaded  boost  converter. MATEC  Web  of Conferences, (pp. 4–9). doi: 10.1051/matecconf/20141606004
Nugroho,  I. W.  A.,  &  Riyadi,  S.  (2019).  Regenerative  Braking  with  Duty  Cycle  Settings  for Brushless  DC  Motor. Proceedings  of  the  International  Conference  on  Electrical Engineering and Informatics, 2019-July(July), (pp. 336–341). doi:
10.1109/ICEEI47359.2019.8988894
Riyadi,  S.,  &  Dwi  Setianto,  Y.  B.  (2019).  Analysis  and  Design  of  BLDC  Motor  Control  in
Regenerative Braking. Proceedings - 2019 International Symposium on Electrical and Electronics Engineering, ISEE 2019, (pp. 211–215). doi: 10.1109/ISEE2.2019.8920962
Tofoli, F. L., Pereira, D. de C., de Paula, W. J., & Oliveira Júnior, D. de S. (2015). Survey on non-isolated high-voltage step-up dc-dc topologies based on the boost converter. IET Power Electronics, 8(10), (pp. 2044–2057). doi: 10.1049/iet-pel.2014.0605