Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.2, Oktober 2021, Hal. 59-64 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i2.2389

## Desain dan Simulasi Buck Converter dengan Kontrol Logika Fuzzy Untuk Pengisian Baterai
Azizah Istiqomah Yustikasari¹, Epyk Sunarno², Putu Agus Mahadi Putra 3
Program Studi Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya¹ Program Studi Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya² Program Studi Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya 3 *azzhistiqomahyst7@gmail.com¹, epyk@pens.ac.id², mahadi@pens.ac.id 3

## ABSTRACT
Along  with  the  increasing  demand  for  energy,  Indonesia  has  begun  to  turn  to  developing  alternative  energy.  Alternative energy  that  has  great  potential  is  solar  energy.  With  the  help  of  solar  panels,  solar  energy  will  be  converted  directly  into electrical energy. Given that the intensity of sunlight varies, to maximize the conversion process of solar energy, energy is stored in batteries. In the process of storing energy into the battery, the output voltage of the solar panel will vary following the irradiation captured by the solar panel. To adjust the solar panel output voltage, a buck type converter and fuzzy logic control  are  used  to  keep  the  converter  output  voltage  stable.  From  the  results  of  the  system  that  has  been  simulated  in MATLAB software, the buck converter is able to adjust the solar panel output voltage and fuzzy logic control can run well. The solar panel output voltage for the battery charging process with a capacity of 45 Ah 12 V can be stable between 14.4 V to 14.26 V from the reference voltage for battery charging of 14.4 V  with irradiation captured by the solar panel between 1000 W/m² to 400 W/m². By using  fuzzy logic control the average error of the buck converter output voltage is 0.37%, it shows that the error obtained is not significant, so fuzzy logic control can be used to control the battery charging voltage so that it is stable.
Keywords: Buck Converter, Battery Charging, Fuzzy Logic Control, Solar energy.

## INTISARI
Seiring  dengan  meningkatnya  kebutuhan  energi,  Indonesia  mulai  beralih  untuk  mengembangkan  energi  alternatif.  Energi alternatif yang mempunyai potensi besar ialah energi surya. Dengan bantuan panel surya, energi surya akan dikonversi secara langsung  menjadi  energi  listrik.  Mengingat  bahwa  intensitas  cahaya  matahari  yang  berubah-ubah,  untuk  memaksimalkan proses  konversi  energi  surya  dilakukan  penyimpanan  energi  ke  dalam  baterai.  Dalam  proses  penyimpanan  energi  ke  baterai, tegangan  keluaran  panel  surya  akan  berubah-ubah  mengikuti  iradiasi  yang  ditangkap  oleh  panel  surya.  Untuk  mengatur tegangan  keluaran  panel  surya  digunakan converter jenis buck dan  kontrol  logika  fuzzy untuk  menjaga  tegangan  keluaran converter agar  stabil. Dari  hasil sistem  yang telah disimulasikan pada software MATLAB, buck converter mampu  mengatur tegangan  keluaran  panel  surya  dan  kontrol  logika  fuzzy  dapat  berjalan  dengan  baik.  Tegangan  keluaran  panel  surya  untuk proses  pengisian  baterai  dengan  kapasitas  45  Ah  12  V  dapat  stabil  diantara  14,4  V  sampai  14,26  V  dari  tegangan  referensi untuk pengisian baterai sebesar 14,4 V dengan iradiasi yang ditangkap oleh panel surya antara 1000 W/m² sampai 400 W/m². Dengan  menggunakan  kontrol  logika  fuzzy  rerata error dari  tegangan  keluaran buck  converter sebesar  0,37%,  hal  tersebut menjukkan bahwa error yang didapat tidak signifikan, sehingga kontrol logika fuzzy dapat digunakan untuk kontrol tegangan pengisian baterai agar stabil.
Kata kunci: Buck Converter , Energi Surya, Kontrol Logika Fuzzy, Pengisian Baterai.

## I. PENDAHULUAN
Kebutuhan  energi  akan  semakin  meningkat setiap  tahun,  pemakaian  energi  di  Indonesia  masih mengandalkan sumber daya energi minyak bumi yang memiliki  keterbatasan  persediaan  [1].  Banyak  negara
termasuk  Indonesia  yang  mulai  beralih  untuk mengembangkan energi terbarukan, untuk mendapatkan  sumber  energi  alternatif.  Salah  satu sumber  energi  alternatif  yang  mempunyai  potensi besar  ialah  energi  surya,  selain  ketersediaannya  tidak
Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.2, Oktober 2021, Hal. 59-64 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i2.2389
Desain dan Simulasi Buck Converter … (Azizah I.Y., dkk.)
akan  pernah  habis,  energi  surya  juga  ramah lingkungan dan dapat diandalkan [2].
Dalam  pemanfaatan  energi  surya  digunakan panel  surya  untuk  konversi  tenaga  surya  menjadi tenaga  listrik  secara  langsung.  Terlepas  dari keuntungan  energi  surya  sebagai  energi  alternatif, panel  surya  memiliki  kekurangan  dalam  proses konversi energi surya berkaitan dengan sinar matahari bersifat  intermiten,  karena  dipengaruhi  oleh  waktu, iklim,  polusi,  dan  musim  [3].  Sehingga  dilakukan penyimpanan  energi  ke  dalam  baterai  untuk memaksimalkan proses konversi tenaga surya menjadi tenaga listrik.
Dalam  proses  penyimpanan  energi  tersebut, tegangan  keluaran  dari  panel  surya  tidak  stabil  [4]. Oleh karena itu, tegangan panel surya akan diatur agar stabil oleh kontrol logika fuzzy dengan topologi buck converter . Buck  converter merupakan  topologi DC- DC  Converter dimana  nilai  dari  tegangan  keluaran yang  dihasilkan  bernilai  lebih  kecil  dari  tegangan masukan.  Kontrol  logika  fuzzy  digunakan  untuk mengatur  nilai duty  cycle pada buck  converter , sehingga tegangan keluaran dari buck converter dapat disesuaikan  dengan  tegangan  yang  dibutuhkan  untuk proses pengisian baterai.

## II. LANDASAN TEORI

## A. Panel Surya
Panel  surya  merupakan  suatu  alat  yang  dapat mengubah  energi  matahari  menjadi  energi  listrik. Listrik yang dikeluarkan oleh panel surya dipengaruhi beberapa  hal  seperti,  iradiasi  yang  ditangkap  oleh panel surya, sudut posisi dari modul panel surya, suhu panel  surya,  dan  beda  potensial  antara  panel  surya dengan  beban  (seperti  baterai)  [5].  Semakin  besar iradiasi  dan  semakin  rendah  suhunya,  semakin  besar daya yang dihasilkan oleh panel surya dan sebaliknya. Sementara  lebih  banyak  bayangan  yang  menutupi panel surya akan membuat daya yang dihasilkan oleh panel surya semakin kecil dan sebaliknya [6].
Spesifikasi dari panel surya yang digunakan pada sistem ini disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi panel surya
Parameter Nominal Model Type 100 W Maximum Power (Pmax) 100 W ± 3% Voltage at Pmax (Vmax) 18 V Current at Pmax (Imax) 5,56 A Open Circuit Voltage (Voc) 22 V Short Circuit Current (Isc) 6,06 A Series Connected 2

## B. Buck Converter
Buck  Converter merupakan  jenis non  isolated DC-DC converter yang digunakan untuk menurunkan tegangan  masukan  dengan  melakukan  pengaturan nilai duty cycle .
Buck converter beroperasi dalam 2 kondisi, yaitu ketika  saklar  tertutup  dan  ketika  saklar  terbuka.  Pada saat kondisi saklar tertutup (kondisi ON ), dioda berada dalam  kondisi reverse-biased ,  maka  dioda  terbias mundur  sehingga  arus  induktor  mengalir  menuju beban  dan  menjadikan  tegangan  induktor  bernilai positif. Karena perubahan arus adalah konstan positif, maka arus naik secara linier. Pada saat kondisi saklar terbuka  (kondisi OFF ),  dioda  berada  dalam  kondisi forward-biased ,  maka  dioda  menjadi  bias  maju  yang menyebabkan  arus  induktor  akan  mengalir  ke  sisi beban [3],[7].
Gambar 1. Rangkaian buck converter
Gambar  1  menunjukkan  rangkaian  dasar  dari buck  converter dan  persamaan  (1)  sampai  (3) digunakan  untuk  memodelkan buck  converter agar dapat  bekerja  pada  kondisi  mode  konduksi  kontinu ( Continuous Conduction Mode /CCM).
𝑉 𝑜 =   𝑉 𝑖𝑛 × 𝐷 (1)
Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.2, Oktober 2021, Hal. 59-64 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i2.2389
Desain dan Simulasi Buck Converter … (Azizah I.Y., dkk.)
𝐿 = 𝑉 𝑜 × (1−𝐷) ∆𝑖 𝐿 ×𝑓 (2) 𝐶 = 1−𝐷 8×𝐿×( ∆𝑉𝑜 𝑉𝑜 )×𝑓 2 (3)
Keterangan: ∆i L = Riak arus induktor (A)
∆V o = Riak tegangan kapasitor (V)
C
= Nilai kapasitor (F)
D
= Duty cycle (%)
F
= Frekuensi switching (Hz)
L
= Nilai induktor (H)
𝑉 𝑜
= Tegangan keluaran (V)
𝑉 𝑖𝑛 = Tegangan masukan (V)
C. Kontrol Logika Fuzzy Logika  fuzzy  diperkenalkan  oleh  Prof.  Lotfi Zadeh  pada  tahun  1965.  Merupakan  metode  yang mempunyai  kemampuan  untuk  memproses  variabel yang  bersifat  kabur  atau  tidak  dapat  dideskripsikan secara  pasti  seperti  tinggi,  lambat,  bising,  dan  lain- lain.  Logika  fuzzy  memungkinkan  nilai  keanggotaan antara 0 dan 1.
Kontrol  logika  fuzzy  berarti  kontrol  rangkaian tertutup dari proses teknis, termasuk pengolahan nilai yang  terukur,  berasal  dari  variabel  terukur,  dan  set poin.  Variabel  keluaran  dalam  bentuk  variabel pengoreksi.  Transformasi  harus  dilakukan  antara masukan  dan  variabel  keluaran  dari  proses  dan  dunia fuzzy  ( fuzzifikasi,  defuzzifikasi )  komponen  inti pengendalian fuzzy terdiri dari linguistik aturan dasar ( rule base ) dan kesimpulan ( inference ) [8].
Gambar 2. Blok diagram kontrol logika fuzzy
Kontrol  logika  fuzzy  digolongkan  ke  dalam kontrol  cerdas  ( intelligent  control ).  Alasan  masih digunakannya  logika  fuzzy  sampai  sekarang  [9], yaitu:
1. Konsep fuzzy logic mudah dimengerti,
2. Fuzzy logic bersifat  fleksibel  dan  memiliki toleransi terhadap data yang kurang tepat,
3. Fuzzy logic mampu membentuk fungsi non linier yang komplek dan didasari pada bahasa alami.

## III. METODE PENELITIAN
Perencanaan  dari  sistem  yang  akan  dibuat  dapat dilihat melalui blok diagram pada Gambar 3.
Gambar 3. Blok diagram sistem
Sistem ini dirancang dengan sumber panel surya, dengan  tegangan  masukan  DC  sebesar  44  V  yang dihasilkan  oleh  dua  buah  panel  surya  yang  disusun secara  seri.  Tegangan  tersebut  akan  diatur  nilainya menjadi  14,4  V  melalui buck  converter untuk melakukan  pengisian  baterai  dengan  kapasitas  45  Ah 12  V.  Kontrol  logika  fuzzy  dirancang  untuk  menjaga tegangan  keluaran  dari buck  converter agar  stabil sebagai tegangan pengisian baterai.

## A. Perancangan Buck Converter
Buck  converter digunakan  untuk  mengatur tegangan  panel  surya  agar  dapat  sesuai  nilainya dengan  tegangan  yang  dibutuhkan  pada  proses pengisian  baterai.    Dengan  bantuan  kontrol  logika fuzzy  tegangan  keluaran  dari buck  converter akan dijaga  nilainya  agar  stabil.  Tabel  2  merupakan parameter perancangan buck converter yang digunakan pada sistem.
Tabel 2. Parameter buck converter Parameter Nominal Input Voltage (Vin) 44 V Switching Frequency (fs) 40 kHz Output Voltage (Vout) 14,4 V Output Current (Iout) 4,5 A Duty Cycle 33 % Inductor (L) 268 µH Capacitor (C) 97,656 µF
Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.2, Oktober 2021, Hal. 59-64 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i2.2389
Desain dan Simulasi Buck Converter … (Azizah I.Y., dkk.)

## B. Perancangan Kontrol Logika Fuzzy
Kontrol  logika  fuzzy  berfungsi  sebagai  sistem kontrol  PWM  untuk  kontrol  tegangan  ( voltage control )  keluaran  dari buck  converter .  Kontrol tegangan  ini  digunakan  untuk  melakukan  pengisian baterai.  Fuzzy  yang  digunakan  adalah  Fuzzy Type-1 , dengan variabel masukan fuzzy yang digunakan ialah nilai tegangan keluaran buck converter yang nantinya akan  diolah  melalui  Fuzzy Inference  System dan diubah  dalam  derajat  keanggotaan  pada  fungsi keanggotaan Error dan Delta  Error . Sehingga keluaran  fuzzy  akan  mengatur  besarnya duty  cycle PWM untuk switching pada rangkaian buck converter . Error (E) adalah perbedaan nilai antara tegangan referensi  dengan  tegangan  yang  terbaca  oleh  sensor. Sedangkan Delta  Error (dE)  adalah  perbedaan  nilai antara error saat  ini  dengan error sebelumnya.  Blok diagram  dari  kontrol  logika  fuzzy  untuk  sistem  ini dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Blok diagram kontrol logika fuzzy
(a) (b)
Gambar 5. Fungsi keanggotaan (a) Error ;
(b) Delta Error
Dari  fungsi  keanggotaan  yang  telah  ditentukan, dapat  dibentuk rule  base yang  dapat  dilihat  seperti pada Tabel 3.
Tabel 3. Perencanaan rule base E / dE NB NS Z PS PB NB NB NB NB NS Z NS NB NB NS Z PS Z NB NS Z PS PB PS NS Z PS PB PB PB Z PS PB PB PB Keterangan: NB = Negative Big NS = Negative Small Z = Zero PS = Positive Small PB = Positive Big IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

## A. Simulasi Open Loop
Simulasi dilakukan menggunakan software MATLAB.  Dengan  menghubungkan  panel  surya sebagai  sumber  masukan  dari buck  converter , tegangan keluaran dari buck converter akan digunakan sebagai tegangan  pengisian  baterai. Pada sistem open loop (rangkaian  terbuka)  seperti  yang  ditunjukkan Gambar  6  simulasi  dilakukan  dengan  mengubah  nilai duty  cycle secara  manual  untuk  mendapatkan tegangan keluaran dari buck converter sebesar 14,4 V. Data hasil simulasi open loop ditunjukkan pada Tabel 4, perubahan iradiasi panel surya sebagai acuan dalam pengambilan data.
Gambar 6. Rangkaian simulasi open loop
Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.2, Oktober 2021, Hal. 59-64 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i2.2389
Desain dan Simulasi Buck Converter … (Azizah I.Y., dkk.)
Tabel 4. Data simulasi pengisian baterai open loop Iradiasi (W/m²) Vin (V) Set Point (V) Vout (V) Iin (A) Iout (A) Duty Cycle Error (%) 1000 42,29 14,4 14,77 1,10 5,07 33% 2,57 800 41,97 14,4 14,58 1,03 4,73 35% 1,25 600 41,27 14,4 14,34 1,11 4,27 36% 0,42 400 37,91 14,4 14,68 1,05 4,90 37% 1,94 Rata-Rata Error 1,55
Dari  data  simulasi  pada  Tabel  4  dapat  diketahui bahwa  tegangan  keluaran buck  converter untuk pengisian  baterai  sebesar  14,77  V  sampai  14,68  V. Nilai  tersebut  melebihi  tegangan  referensi  ( set  point ) dan  tidak  stabil.  Rerata error yang  dihasilkan  dari simulasi open loop ialah sebesar 1,55%.

## B. Simulasi Close Loop
Simulasi close loop sistem pada proses pengisian baterai  dilakukan  dengan  menambahkan  kontrol logika  fuzzy  untuk  menjaga  tegangan  keluaran  dari buck converter agar stabil, dapat dilihat pada Gambar 7.  Dari  hasil  simulasi  yang  telah  dilakukan  dengan menambahkan  kontrol  logika  fuzzy  pada  sistem mampu  menjaga  tegangan  keluaran  dari buck converter ±14,4 V dengan persentasi rerata error lebih kecil  dari  sistem  tanpa  kontrol  ( open  loop )  sebesar 0,37%.  Data  simulasi close  loop ditunjukkan  pada Tabel 5. Grafik perbandingan tegangan keluaran buck converter tanpa  kontrol  dan  menggunakan  kontrol fuzzy disajikan pada Gambar 10, menunjukkan bahwa tegangan keluaran menggunakan kontrol logika fuzzy lebih  stabil  dan  mendekati  tegangan  referensi  yang telah ditentukan.
Gambar 7. Rangkaian simulasi close loop
Tabel 5. Data simulasi pengisian baterai close loop
Iradiasi (W/m²) Vin (V) Iin (A) Set Point (V) Vout (V) Iout (A) Error (%) 1000 42,76 1,18 14,4 14,41 4,392 0,03 800 42,14 1,04 14,4 14,39 4,371 0,07 600 41,28 1,129 14,4 14,34 4,267 0,42 400 40,92 1,714 14,4 14,26 2,454 0,97 Rata-Rata Error 0,37
Gambar 8. Tegangan pengisian pada baterai saat close loop

## Gambar 9. SOC pada baterai
Gambar  8  menunjukkan  bentuk  gelombang  dari tegangan  pengisian  baterai  dengan  menggunakan kontrol logika fuzzy. Kemudian, pada Gambar 9 ialah proses  pengisian  baterai  dengan  SOC  baterai  sebesar 80%,  terjadi  proses  kenaikan  gelombang  dari  SOC awal  sebesar  80%  menjadi  80,0025%  selama  1  detik yang  menunjukkan  bahwa  terjadi  proses  pengisian daya pada baterai.
Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.2, Oktober 2021, Hal. 59-64 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i2.2389
Desain dan Simulasi Buck Converter … (Azizah I.Y., dkk.)

## Gambar 10. Grafik perbandingan tegangan keluaran
buck converter tanpa kontrol dan dengan kontrol fuzzy

## V. KESIMPULAN
Setelah  dilakukan  proses  simulasi  menggunakan MATLAB dengan membandingkan dua kondisi, yaitu open  loop (tanpa  kontrol  fuzzy)  dan close  loop (dengan  kontrol  fuzzy), buck  converter yang dirancang  mampu  menurunkan  nilai  tegangan  dari sumber  panel  surya  untuk  melalukan  pengisian baterai. Buck  converter dengan  kontrol  logika  fuzzy dapat  memberikan  tegangan  keluaran  yang  stabil untuk  proses  pengisian  baterai  ketika  nilai  iradiasi berubah-ubah.  Kontrol  logika  fuzzy  pada  sistem mampu  menekan  nilai error dari  tegangan  keluaran converter dari 1,55% menjadi 0,37%.

## REFERENSI
[1] Imam  Kholiq,  “ Pemanfaatan  Energi  Alternatif Sebagai  Energi  Terbarukan  Untuk  Mendukung Substitusi  BBM ”, Jurnal IPTEK Vol. 19 No. 2,
Desember 2015, hal. 75-91.
[2] L.  P.  S.  Raharja,  R.  P.  Eviningsih,  I. Ferdiansyah,  D.  S.  Yanaratri,  “ Penggunaan Daya  Panel  Surya  Dengan  MPPT  Bisection Pada  Proses  Charging  Baterai ”,  Jurnal
Teknologi  Terpadu  Vol.  9  No.1,  April  2021, hal. 24-33.
[3] A.  S.  Pratiwi,  S.  D.  Nugraha,  E.  Sunarno,
“ Desain  dan  Simulasi  Bidirectional  DC-DC Converter  Untuk  Penyimpann  Energi  Pada Sistem  Fotovoltaik ”, Jurnal  Nasional  Teknik Elektro  dan  Teknologi  Informasi  Vol.  9  No.  3, Agustus 2020, hal. 305-310.
[4] A.  Maulidiyah,  A.  P.  Parastiwi,  D.  Dewatama,
“ Perancangan  dan  Realisasi  Buck  &  Boost Converter  Menggunakan  Algoritma  Maximum Power  Point  Tracker  dengan  Kontrol  Fuzzy Logic pada Pembangkit Listrik Tenaga Surya ”, Jurnal  Elkolind,  Mei  2017,  Vol.04,  No.  1,  hal.
30-36.
[5] H.  N.  Shoumi,  I.  Sudiharto,  E.  Sunarno, ” Design  of  the  CUK  Converter  with  PI Controller  for  Battery  Charging ”,  2020 International  Seminar  on  Application  for Technology of Information and Communication (iSemantic). IEEE, 2020.
[6] A.  R.  Nansur,  A.  S.  L.  Hermawan,  F.  D. Murdianto,  ” Constant  voltage  control  using fuzzy  logic  controller  (FLC)  to  overcome  the unstable  output  voltage  of  MPPT  in  DC microgrid system ”, 2018 International
Electronics Symposium on Engineering
Technology  and  Applications  (IES-ETA). IEEE, 2018.
[7] S.  T.  Aprilyani,  I.  Irianto,  dan  E.  Sunarno, “ Desain  dan  Komparasi  Kontrol  Kecepatan Motor  DC ”,  Jurnal  Ecotipe  (Electronic, Control,  Telecommunication,  Information,  and Power Engineering) Vol. 7 No. 2, hal. 127-134.
[8] D.  Dewatama,  M.  Fauziyah,  dan  H.  K.  Safitri,
“ Optimasi Buck Converter Pada Tree Menggunakan Kontrol Logika Fuzzy ”,
JURNAL ELTEK Vol.15 No.2, hal. 36-51.
[9] Sri  Kusumadewi  dan  Hari  Purnomo,  “ Aplikasi Logika  Fuzzy  untuk  Pendukung  Keputusan ”,
2010.
[10] D.W.  Hart,  “ Power  Electronics ”,  New  York, USA: McGraw-Hill, 2010.
[11] Timothy J. Ross, “ Fuzzy Logic With Engineering Application ”, John Wiley & Sons , Ltd.University of New Mexico.Third Edition.