1. Pendahuluan
Perangkat elektronik portable merupakan perangkat elektronik yang dapat dibawa kemana-mana dan dapat digunakan tanpa harus terhubung dengan sumber listrik secara langsung. Perangkat portable menggunakan media penyimpanan energi listrik sebagai sumber listrik. Salah satu media penyimpanan energi listrik yang digunakan adalah baterai. Seiring dengan perkembangan teknologi penggunaan baterai saat ini digunakan sebagai sumber utama pada kendaraan listrik. Perangkat penyimpanan harus memiliki kemampuan yang baik agar energi yang tersimpan dapat digunakan secara maksimal dan efisien [1].
Baterai merupakan perangkat penyimpan energi listrik, dan merupakan bagian paling penting perangkat elektronik portable. Baterai berbasis lithium memiliki keunggulan karena terbuat dari bahan logam lithium yang merupakan logam paling ringan di antara logam lainnya sehingga dapat menghasilkan energi densitas yang besar dan memiliki hidup yang panjang [1].
Sebuah baterai jika tidak dipantau kondisi pemakaiannya akan mengakibatkan kerusakan pada baterai itu sendiri, seperti baterai cepat panas, bocor, dan menggelembung.
Terlebih sampai saat ini baterai lithium-ion harganya masih relatif mahal [2].
Sistem managemen baterai adalah sistem elektronik yang mengelola baterai yang dapat diisi ulang (sel atau baterai), dengan melindungi baterai dari operasi di luar area operasi yang aman, memantau keadaannya dan mengendalikan suhu lingkungannya [3]. Pengisian baterai memainkan peran penting dalam BMS, dimana algoritma pengisian, yaitu profil pengisian atau pengisian arus dari waktu ke waktu, memiliki pengaruh yang kuat pada kinerja baterai dan siklus hidup [4]. Namun pada baterai lithium-ion memiliki batas tegangan maksimal dan minimal apabila melebihi batas tegangan tersebut dapat menyebabkan kerusakan pada baterai [5]. Baterai berbasis lithium memiliki kelebihan dibanding baterai konvensional seperti Nickel- Cadmium, Nickel Metalhydrate ataupun Lead Acid [6].
Selain itu, proses pemantauan tegangan dan suhu serta proteksi baterai terhadap overcharge, overdischarge dan overheat juga akan diimplementasikan demi menjaga kondisi baterai tetap baik sehingga aman dan berumur panjang [7].
Maka dari itu dibutuhkan sebuah Battery Management System (BMS) yang dapat memantau kondisi baterai pada saat dilakukan pengisian maupun pengosongan untuk menghindari terjadinya overcharge, overdischarge dan overcurrent untuk menghindari kerusakan pada baterai. Battery Management System (BMS) adalah sebuah alat pemantau baterai yang terpasang pada perangkat elektrik yang menggunakan baterai sebagai sumber dayanya.
Dengan dibuatnya sistem ini diharapkan dapat membantu mengurangi kerusakan pada alat elektrik yang menggunakan baterai sebagai sumber dayanya. Seperti baterai cepat panas, bocor, menggelembung bahkan bisa sampai meledak.
2. Metode
2.1. Perancangan Sistem
Gambar 1 merupakan diagram blok sistem keseluruhan alat. Sistem alat terdiri dari sensor arus dan sensor tegangan (untuk tiap sel baterai) sebagai input dari parameter alat, kemudian nilai parameter alat, kemudian nilai parameter akan diproses oleh Arduino untuk mengendalikan piranti output berupa charge dengan balancing system untuk baterai melalui BMS (Battery Management System) sebagai bagian dari proteksi overcharge, overdischarge, dan overcurrent. Nilai pemrosesan parameter akan ditampilkan melalui LCD sebagai user interface.
Gambar 1. Diagram Blok Sistem
Alat dimulai dari pengambilan data dari sensor arus dan sensor tegangan pada 3s batera
i, kemudian pilih akan melakukan mode charge atau mode discharge, jika memilih mode charge maka gerbang mosfet akan dibuka sehingga tegangan dan arus dari power suplly akan masuk ke dalam rangkaian dan mengisi daya ke 3s baterai. Kemudian saat proses charge apakah tegangan setiap sel baterai seimbang atau tidak seimbang, jika seimbang maka proses charge akan dilanjutkan hingga ke 3s baterai terisi penuh, jika tidak seimbang maka sistem akan melakukan balancing pada ke 3s baterai dengan cara menyamakan tegangan baterai dan menutup gerbang pengisian pada baterai yang memiliki tegangan terpaut jauh dari baterai yang lain. Pada sistem kerja ini gerbang pengisian juga dikendalikan oleh Arduino yang didukung oleh komponen mosfet. Apabila tegangan ke 3s baterai sudah seimbang maka gerbang yang ditutup akan dibuka Kembali dan baterai akan melakukan pengisian hingga daya ke 3s baterai terisi penuh. Saat proses charge jika terjadi overcurrent maka proses charge akan dihentikan dengan menutup gerbang mosfet pada mode charge dan akan menampilkan “error overcurrent” pada layar lcd. Jika memilih mode discharge maka daya baterai akan dialirkan ke beban, kemudian sistem akan membaca ke 3s baterai apakah nilai baterai telah mencapai batas minimun (2,7V setiap sel baterai) maka proses discharge akan dihentikan.
Gambar 2. Flowchart Sistem
2.2. Skematik Rangkaian
Gambar 3 menunjukan skematik rangkaian Battery Management System untuk baterai lithium-ion 18650 3s.
Gambar 3. Skematik Rangkaian
2.3. Perancangan Elektrik
Sistem dikendalikan menggunakan mikrokontroler Arduino. Arduino merupakan mikrokontroler open source yang dapat deprogram ulang. Mikrokontroler ini memiliki 14 pin I/O digital (6 pin yaitu PWM), 6 pin analog, dan dapat diprogram dengan menggunakan aplikasi Arduino IDE. Pin Arduino dihubungkan ke sensor arus, sensor tegangan dan mosfet. Tabel 1 di bawah pin schematic rangkaian pada Battery Management System.
Tabel 1. Pin Schematic Rangkaian
Pin Arduino Hubungan ke Perangkat Keras
5V Pin VCC untuk semua modul
GND Pin GND ke semua modul
A0 GND sel 1
A1 Sensor tegangan sel 1
A2 Sensor tegangan sel 2
A3 Sensor tegangan sel 3
A4 Sensor Arus
D2 Mosfet 1
D3 Mosfet 2
D4 Mosfet 3
D5 Push button
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Pengujian Sensor Tegangan
Dalam pengujian sensor tegangan digunakan untuk membandingkan nilai yang terbaca oleh multimeter dan yang tertampil pada layar LCD. Tabel 2 adalah hasil pengujian sensor tegangan.
Tabel 2. Pengujian Sensor Tegangan
Baterai Sel LCD (V) Multimeter (V) Ralat (V)
1 3.74 3.74 0
2 3.66 3.65 0.01
3 3.76 3.75 0.01
Gambar 4 menunjukan hasil perbandingan baterai sel 1, Gambar 5 menunjukan hasil perbandingan baterai sel 2 dan Gambar 6 menunjukan hasil perbandingan baterai sel 3.
Gambar 4. Perbandingan Baterai Sel 1
Gambar 5. Perbandingan Baterai Sel 2
Gambar 6. Perbandingan Baterai Sel 3
3.2 Pengujian Mode Charge
Dalam pengujian saat mode charge digunakan power supply 13,5 V sebagai sumber untuk pengisian ke 3s baterai, dan dengan metode balance charge. Saat proses pengisian apakah tegangan dari ke 3s baterai seimbang atau tidak seimbang. Jika tegangan ke 3s baterai seimbang maka proses pengisian akan dilanjutkan hingga ke 3s baterai terisi penuh. Jika tegangan ke 3s baterai tidak seimbang maka sistem akan melakukan balancing pada ke 3s baterai dengan cara menyamakan tegangan setiap sel baterai dan menutup gerbang pengisian pada baterai yang memiliki tegangan terpaut jauh dari baterai yang lainnya. Dibutuhkan waktu selama 46 menit 34 detik hingga ke 3s baterai terisi penuh dan tidak melebihi batas tertinggi tegangan dari setiap sel baterai yaitu 4,2 V. gambar 7 adalah kondisi saat 2s baterai sedang di balance charge, Gambar 8 adalah kondisi saat 1s baterai sedang di balance charge, Gambar 9 adalah kondisi tegangan ke 3s baterai sudah seimbang dan Gambar 10 adalah kondisi saat proses pengisian sudah selesai.
Gambar 7. 2s Baterai Sedang di Balance Charge
Gambar 8. 1s Baterai Sedang di Balance Charge
Gambar 9. Tegangan ke 3s Baterai Seimbang
Gambar 10. Proses Pengisian sudah selesai
3.3 Pengujian Mode Discharge
Dalam pengujian mode discharge ini digunakan 1 buah led dan 1 buah resistor 5Ω sebagai beban untuk masing-masing sel baterai. Jika tegangan ke 3s baterai telah mencapai batas minimum yaitu 2,7 V untuk setiap sel baterai maka proses discharge akan di hentikan. Dari hasil pengujian dibutuhkan waktu selama 21 menit untuk mengosongkan 1 sel baterai hingga batas terendah tegangan yang ditentukan agar baterai tidak mengalami kerusakan. Tabel 3 hasil pengujian mode discharge.
Tabel 3. Hasil Pengujian Mode Discharge
Menit Baterai sel 1 (V) Baterai sel 2 (V) Baterai sel 3 (V)
1 3.89 4.11 4.06
2 3.78 4.01 4.00
3 3.78 4.01 3.94
4 3.73 4.01 3.95
5 3.73 3.96 3.96
6 3.71 3.96 3.91
7 3.68 3.96 3.91
8 3.68 3.96 3.91
9 3.68 3.96 3.91
10 3.63 3.96 3.86
11 3.63 3.92 3.90
12 3.62 3.92 3.86
13 3.58 3.92 3.86
14 3.53 3.92 3.81
15 3.46 3.88 3.85
16 3.35 3.90 3.81
17 3.17 3.89 3.80
18 2.97 3.87 3.81
19 2.88 3.87 3.80
20 2.76 3.80 3.79
21 2.69 3.80 3.79
Gambar 11 menunjukan saat proses discharge, Gambar 12 menunjukan saat proses discharge sudah selesai.
Gambar 11. Proses Mode Discharge
Gambar 12. Saat Proses Discharge Selesai
3.4 Pengujian Proteksi Overcurrent
Dalam pengujian overcurrent adalah kondisi dimana saat dilakukan pengisian ke 3s baterai arus yang masuk ke 3s baterai terlalu besar dan dapat menyebabkan baterai panas dan bisa mengalami drop tegangan. Gambar 13 adalah saat proteksi overcurrent.
Table 4 pengujian overcurrent
Menit Bat 1 (V) Bat 2 (V) Bat 3 (V) Arus (Amp)
1 4.65 3.75 4.16 0
2 4.65 3.75 4.16 3.87
3 4.65 3.75 4.21 3.06
4 4.65 3.77 4.20 2.92
5 4.65 3.80 4.18 2.83
6 4.65 3.80 4.21 2.76
7 4.65 3.80 4.21 2.69
8 4.65 3.85 4.21 2.63
9 4.65 3.85 4.21 2.61
10 4.65 3.85 4.21 2.57
11 4.29 3.95 4.06 0.89
12 4.24 3.96 4.11 0.96
13 4.24 3.96 4.11 0.92
14 4.24 3.96 4.11 0.90
15 4.24 3.96 4.16 0.92
16 4.24 3.96 4.16 0.87
17 4.24 3.96 4.16 0.85
18 4.24 3.99 4.16 0.80
19 4.20 4.00 4.16 0.81
20 4.20 4.00 4.16 0.78
21 4.20 4.00 4.16 0.79
22 4.20 4.00 4.16 0.76
23 4.20 4.00 4.16 0.73
24 4.20 4.00 4.16 0.73
25 4.20 4.00 4.16 0.68
26 4.20 4.00 4.18 0.70
27 4.20 4.00 4.20 0.69
28 4.20 4.05 4.20 0.65
29 4.20 4.02 4.19 0.66
30 4.20 4.05 4.16 0.61
31 4.20 4.05 4.16 0.59
32 4.20 4.05 4.16 0.50
33 4.19 4.06 4.16 0.50
34 4.19 4.06 4.20 0.50
35 4.20 4.09 4.17 0.47
36 4.20 4.10 4.16 0.43
37 4.29 4.10 4.16 0.38
38 4.19 4.11 4.16 0.29
39 4.20 4.11 4.16 0.29
40 4.20 4.11 4.17 0.23
41 4.18 4.17 4.16 0.24
42 4.17 4.17 4.16 0.19
43 4.20 4.10 4.21 0.24
44 4.17 4.18 4.16 0.15
45 4.17 4.18 4.16 0.14
46 4.05 4.20 4.16 0.00
Saat arus yang masuk ke rangkaian mencapai > 5A maka akan pengisian baterai akan terputus dikarenakan overcurrent.
Gambar 13 Proteksi Overcurrent
4. Kesimpulan
Dari hasil perancangan dan pengujian alat Battery Management System ini dapat bekerja dengan baik.
Dengan ralat pembacaan tegangan baterai sebesar 0,01%. Dari hasil percobaan saat mode charge, proteksi overcharge dapat bekerja dengan baik, saat beterai dalam proses pengisian tidak melebihi batas tertinggi tegangannya yaitu 4,2V. Dari hasil percobaan mode discharge, proteksi overdischarge dapat bekerja dengan baik, saat salah satu baterai mencapai batas terendah tegangannya yaitu 3V maka semua yang tersambung akan terputus. Saat proses pengisian, proteksi overcurrent dapat bekerja dengan baik, saat arus yang masuk ke rangkaian terlalu besar maka proses pengisian tidak dapat dilakukan dan akan tertampil notifikasi
“error overcurrent” pada LCD.
Daftar Pustaka
[1] M. Otong, A. Didik, dan Wahyudi Rizky. (2019). “PERANCANGAN MODULAR BATERAI LITHIUM- ION UNTUK BEBAN LAMPU LED”, Jurnal Ilmiah Setrum, Vol 8:2, 260-273.
[2] Hasyim A., M. Fanriadho, W.B. Purnomo, dan Yusuf Aziz Amrullah. (2018). “RANCANG BANGUN BATTERY MANAGEMENT SYSTEM UNTUK MOBIL LISTRIK”, Institut Teknologi Indonesia.
[3] S. Luthfitaris Haidiazi, A. Mustafa, dan Sujono. (2020). “PERANCANGAN SISTEM MANAJEMEN BATERAI PADA MOBIL LISTRIK STUDI KASUS: BATERAI KAPASITAS 46Ah 12V PADA NEO BLITS 2”, Jurnal Maestro, Vol 3, No 1.
[4] S. Weixiang, Thanh Tu Vo, Ajay Kapoor. (2012). “Charging Algorithms of Lithium – ion Batteries: on Overview”, IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA).
[5] M. Nurul Hilal Lubudi (2020), “RANCANG BANGUN BATTERY MANAGEMENT SYSTEM ACTIVE BALANCING PADA BATERAI LI-ION 12V 2,5Ah”. Jurnal Fakultas Teknologi Industri, Universitas Islam Indonesia Yogyakarta.
[6] Achmad R.W., Tohazen, N. Nadhiroh, S. Lestari dan Murie Dwiyaniti. (2021). “Rancang bangun dan Pengujian Battery Pack Lithium ION”, ELECTRICES, Vol. 3, No. 1.
[7] D. Ficry Arfianto, D. Anton Asfani dan Daniar Fahmi. (2016). “Pemantauan, Proteksi, dan Ekualisasi Baterai Lihitum-ion Tersusun Seri Menggunakan Konverter Buck-Boost dan LC Seri dengan Kontrol Synchronous Phase Shift”, Jurnal Teknik ITS, Vol. 5, No. 2.
