Kolom Opini, Berita Online Indonesia Di Online News Indonesia, www.olnewsindonesia.com

Ditulis oleh: David Pang
Dosen Fakultas Teknik Universias Sam Ratulangi
david.pang@unsrat.ac.idggunaan

Baterai LiFePO4 pada Kendaraan
Bagian 2

Tulisan ini adalah lanjutan dari tulisan sebelumnya , yang membahas penggunaan baterai LifePo4 untuk sepeda motor. Di bagian kedua ini akan dibahas peran, cara kerja, dan disain dari sistem penyeimbang sel pada baterai LiFePO4 untuk mobil.

Penyeimbang sel bukanlah fitur tambahan, melainkan jantung dari sistem manajemen baterai LiFePO4. Memahami cara kerja dan penggunaan sistem penyeimbang sel ini cukup penting dalam teknologi penyimpanan energi modern.

Memahami baterai LiFePO4 dan tantangannya
Baterai LiFePO4 terdiri dari beberapa sel individu yang disusun secara seri untuk mencapai tegangan yang diinginkan, yang dalam hal ini 12V. Setiap sel dalam baterai memiliki karakteristik yang sedikit berbeda, meskipun diproduksi dalam batch yang sama. Perbedaan ini dapat mencakup kapasitas, resistansi internal, dan tingkat pengosongan (self-discharge). Seiring waktu dan penggunaan, perbedaan-perbedaan kecil ini dapat membesar, menyebabkan ketidakseimbangan (imbalance) antar sel.
Tanpa penyeimbangan, sel dengan kapasitas lebih rendah akan lebih cepat habis atau lebih cepat terisi penuh dibandingkan sel lainnya. Ketidakseimbangan yang berkelanjutan dapat mengakibatkan:

1. Penurunan kapasitas total: baterai hanya akan berfungsi sebaik sel terlemahnya.
2. Overcharging: sel yang tidak seimbang berisiko mengalami pengisian berlebih, yang dapat menyebabkan panas berlebih dan kebakaran.
3. Masa pakai yang singkat: stres pada sel tertentu akan mempercepat degradasi seluruh paket baterai.
4. Risiko Keamanan: ketidakseimbangan yang parah adalah pemicu utama thermal runaway dan potensi kebakaran pada baterai lithium, walaupun pada baterai jenis LiFePO4 resiko ini sangat kecil.
   Untuk mencegah ha-hal buruk seperti di atas maka dibutuhkan penyeimbang sel. Fungsi utama penyeimbang sel adalah untuk memastikan semua sel dalam suatu paket baterai memiliki tegangan yang hampir sama saat proses pengisian (charging), dan pada saat pengosongan (discharging).

Penyeimbang sel baterai
Secara umum terdapat dua metode penyeimbangan sel baterai:

1. Penyeimbang sel pasif (resistif)

Metode penyeimbang sel pasif saat ini adalah yang paling umum dan ekonomis. Metode pasif ini bekerja secara pasif dengan “membuang” kelebihan energi dari sel dengan tegangan tertinggi melalui resistor/transistor yang menghasilkan panas.

Cara Kerja:
Selama fase pengisian (biasanya saat sel mendekati 3.6V), penyeimbang mengaktifkan rangkaian bypass untuk sel yang mencapai tegangan berlebihan (di atas nilai tertentu, dalam hal ini diset 3.5 volt). Kelebihan arus dari charger dialirkan melalui resistor/transistor, sehingga sel lainnya memiliki waktu untuk mengejar ketertinggalan.

Kelebihan:
Sederhana, biaya rendah, dan efektif untuk menjaga keseimbangan selama proses  charging. Selain itu, penyeimbang jenis ini hanya mengkonsumsi daya yang kecil saat baterai tidak di-charge.

Kekurangan:
Energi terbuang percuma sebagai panas. Tidak dapat menyeimbangkan sel saat baterai dalam keadaan diam (storage) atau saat pengosongan (discharging). Kurang efisien untuk baterai dengan kapasitas sangat besar atau saat terjadi ketidak seimbangan yang signifikan.

• Penyeimbang sel aktif
  Metode ini lebih canggih dan efisien dengan memindahkan energi dari sel yang lebih tinggi ke sel yang lebih rendah, bukan membuangnya.
  
  Cara Kerja:
  Menggunakan komponen seperti kapasitor, induktor, atau transformer untuk memindahkan muatan antar sel. Sistem ini dapat beroperasi selama pengisian, pengosongan, bahkan saat baterai dalam keadaan diam (idle).
  
  Kelebihan:
  Sangat efisien, hampir tidak ada energi yang terbuang. Dapat terus-menerus memperbaiki ketidakseimbangan.
  
  Kekurangan:
  Desain rangkaian elektronik yang lebih kompleks dan biaya produksi yang lebih tinggi. Karena metode ini bekerja terus-menerus, mengakibatkan rangkaian elektroniknya menarik daya terus-menerus. Hal ini kurang saya sukai dalam aplikasi di mobil (namun ini adalah hal yang subjektif, orang lain mungkin lebih suka menggunakan penyeimbang aktif), karena dapat menyebabkan baterai menjadi lemah saat mobil lama tidak dihidupkan.

Mendesain dan membuat sendiri penyeimbang sel 12 volt

Kelebihan penyeimbang pasif adalah tidak menarik daya terus-menerus. Sistem hanya akan membuang energi charging yang berlebihan pada sel yang sudah full dan cenderung menuju overcharging. Metode ini cocok untuk mobil yang jarang digunakan, yang mana penyeimbang sel tidak akan menghabiskan energi baterai pada saat mobil tidak hidup.

Disain dari penyeimbang sel dapat dilihat pada gambar berikut:

Penyeimbang pasif ini dirancang sesederhana mungkin namun dapat bekerja secara efektif. Terminal (+) dan (-) dari rangkaian ini harus dihubungkan dengan terminal (+) dan (-) dari sel baterai LifePO4. Pada tegangan berapa rangkaian ini mulai membuang kelebihan energi charging pada sel, diatur melalui IC (Integrated Circuit) U1. IC U1 adalah programmable precission references dengan tipe TL 431, yang fungsinya mirip diode zener yang presisi dan tegangannya dapat diprogram. Resistor R1, R2, dan RV1 berguna untuk pemprogram tegangan pada anode-katode dari U1.

Apabila tegangan sel naik maka tegangan pada R3 juga pasti naik, dan pada level kenaikan tertentu transistor Q1 akan mulai menghantar. Menghantarnya Q1 menyebabkan transistor Q2 dan Q3 juga ikut menghantar. Transistor Q3 berguna untuk menyalakan indicator LED, menandakan bahwa rangkaian penyeimbang mulai bekerja membuang kelebihan energi. Sedangkan transistor Q2 adalah transistor yang bertugas membuang kelebihan energi charging pada sel. Oleh karena fungsinya tersebut, sebaiknya transistor Q2 dilengkapi dengan pendingin (heatsink). Transistor Q1 dan Q2 membentuk pasangan Sziklay, membentuk penguat arus dengan penguatan tinggi. Demikian juga halnya dengan pasangan transistor Q1 dn Q3. Desain Printed Circuit Board (PCB) Adalah sebagai berikut :

Cara melakukan kalibrasi penyeimbang sel

Gambar berikut adalah kurva State of Charge (SoC) sel baterai LifePO4. Terlihat bahwa sel mendekati full pada tegangan 3.5 volt, sehingga tegangan ini akan menjadi patokan penyeimbang saat mulai bekerja membuang kelebihan charging. Untuk keperluan kalibrasi, sel baterai bisa digantikan dengan catu daya variabel yang tegangannya diset pada 3.5 volt.

Setelah terhubung dengan catu daya, trimpot RV1 diputar pelan-pelan sehingga LED D1 mulai menyala. Pada posisi putaran inilah settngan yang tepat untuk penyeimbang sel yang kita buat. Setelah LED mulai menyala, putaran trimpot tidak boleh dilanjutkan karena selain kalibrasi sudah tepat pada titik ini, putaran yang berlebihan dikuatirkan menyebabkan catu daya kelebihan beban, karena rangkaian ini memang berfungsi untuk membuang energi.

Untuk penggunaan di mobil dibutuhkan empat sel baterai LiFePO4, sehingga kita perlu membuat 4 rangkaian seperti ini.

Meskipun baterai LiFePO4 relatif minim perawatan, disarankan untuk melakukan pengisian penuh secara berkala (setiap 1-3 bulan) untuk memungkinkan terjadinya penyeimbangan sel. Dan jika baterai akan disimpan untuk jangka waktu yang cukup lama disarankan untuk menyimpan baterai pada SoC 50-60% , yaitu pada tegangan sel sekitar 3.2 volt.

Mario