SISTEM PENGISIAN BATTERAY LEAD ACID SECARA ADAPTIVE

Transkripsi

1 SISTEM PENGISIAN BATTERAY LEAD ACID SECARA ADAPTIVE Aurino P Adityawan #1, Dedid Cahya H #2, Legowo Sulistijono #2, Madyono #2 1 Penulis, Mahasiswa 2 Dosen Pembimbing, Staf Pengajar # Jurusan Teknik Elektronika, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Kampus PENS-ITS Sukolilo, Surabaya 1 aurinoadityawan@gmail.com Baterai sebagai komponen elektronika perannya tidak bisa diremehkan. Sebagai komponen yang mampu menyimpan energy listrik selama waktu tertentu, peran baterai sangat penting. Apalagi di era perkembangan alat elektronika saat ini yang lebih mengutamakan device dengan kemampuan yang handal dan yang paling penting memiliki tingkat fleksibilitas dan mobilitas yang sangat tinggi. Karena alasan itulah saat ini teknologi tentang jenis-jenis baterai sangat berkembang. Selain peran baterai yang sangat penting, baterai juga memerlukan perlakuan khusus dalam perawatan. Hal itu dikarenakan cara kerja baterai yang mengutamakan reaksi kimia di dalamnya dan disertai dengan reaksi-reaksi samping yang membuat baterai berkurang life-timenya. Sehingga perlakuan baterai pada saat penggunaan, pengisian serta perawatan-perawatan yang lainnya sangat perlu diperhatikan. Hal ini dilakukan untuk membuat kondisi baterai tetap stabil dan dapat memperpanjang lifetime dari baterai itu sendiri. Pada proyek akhir ini dikerjakan modul tentang sistem pengisian baterai secara adaptive. Maksud dari adaptive di sini adalah menyesuaikan mode charging dengan kondisi baterai yang akan di charge. Pada modul tersebut tersedia 2 mode charger yaitu normal dan fast. Mode normal menggunakan arus charging ± 1/20 kapasitas, sedangkan mode fast ± 1/10 kapasitas. Sistem pengisian baterai tersebut ditujukan untuk menjaga kondisi baterai karena selalu di charge dalam kondisi yang aman sesuai dengan teori charging baterai. Kata kunci : lead-acid batteray, charging, adaptive, arus mode I. PENDAHULUAN Akhir-akhir ini kita mengetahui bahwa teknologi sedang berkembang sangat pesat. Begitu banyak penemuanpenemuan baru di bidang teknologi terutama di bidang elektronika dan teknologi informasi. Bermacam-macam alat baru diciptakan untuk memenuhi kebutuhan manusia yang senantiasa ingin dimudahkan hidupnya. Jika kita lihat saat ini, manusia selalu menuntut teknologi canggih yang fleksibel dan dinamis sehingga dapat memenuhi mobilitas manusia itu sendiri dalam menggunakan teknologi tersebut. Hal ini tentu saja mempengaruhi bagaimana para ilmuwan menciptakan alat-alat elektronika. Seperti yang kita lihat akhir-akhir ini, penciptaan alat-alat elektronik selalu memenuhi unsur-unsur fleksibel dan memiliki mobilitas tinggi atau portable. Seperti yang kita ketahui, baterai merupakan komponen penyimpan energi listrik yang bersifat portable dan dapat menahan energi listrik sedemikian rupa melalui proses kimia sehingga energy listrik dapat digunakan di waktu yang lain. Saat ini penggunaan baterai sangatlah penting dengan melihat perkembangan teknologi seperti yang telah disebutkan sebelumnya karena sifat baterai yang memiliki mobilitas yang

2 sangat tinggi sehingga sangat dibutuhkan oleh peralatan elektronika terbaru. Apalagi dengan berkembangan teknologi baterai yang melahirkan baterai yang dapat diisi kembali sehingga memungkinkan untuk menggunakannya berulang kali. Oleh karena itu, dapat juga dikatakan bahwa dengan adanya baterai maka perkembangan alat-alat elektronik dapat menghasilkan produk yang memiliki unsur-unsur yang disebutkan sebelumnya. Fleksibel dan memiliki mobilitas yang tinggi atau portable. Melihat bagaimana pentingnya penggunaan baterai seperti yang telah dijabarkan sebelumnya maka dapat kita lihat bahwa baterai sebagai komponen elektronik untuk saat ini memiliki peranan yang sangat penting dalam perkembangan teknologi itu sendiri. Mengingat pentingnya fungsi baterai sebagai bagian dari peralatan elektronika mutakhir saat ini, maka sangat dibutuhkan sebuah sistem manajemen untuk mengatur penggunaan baterai itu sendiri. Salah satunya adalah yang akan dibahas dalam proyek akhir ini yaitu pembuatan sistem charging pada batteray secara adaptive. Sistem tersebut dibutuhkan agar penggunaan batteray sebagai sumber utama energi listrik dapat berfungsi secara maksimal dan optimal sehingga dapat mendukung sistem lain pada alat-alat elektronika. Dengan adanya proyek akhir ini diharapkan : 1. Pengguna dapat memantau kondisi daya listrik pada batteray. 2. Dapat diciptakan teknologi pengisian daya baterai yang memperhatikan karakteristik daya pada baterai. 3. Dapat membuat system pengisian daya baterai yang benar dan aman secara teoritis. Adapun batasan masalah yang dibuat agar dalam pengerjaan proyek akhir ini dapat berjalan dengan baik adalah sebagai berikut: 1. Menggunakan baterai elemen basah (lead-acid) atau biasa disebut dengan aki. 2. Kondisi baterai hanya dilihat dari tegangan baterai tersebut yang menunjukkan berapa kapasitas daya yang tersisa di dalamnya. 3. Sistem hanya dapat digunakan pada baterai leadacid dengan spesifikasi tegangan tertentu. (12 Volt 45 AH) 4. Efek setelah penggunaan system charging adaptive ini tidak dapat dibuktikan pada proyek akhir ini karena system hanya bekerja secara analisis dari teori charging. II. DASAR TEORI A. BATTERAY Baterai adalah suatu proses kimia listrik, dimana pada saat pengisian/cas/charge energi listrik diubah menjadi kimia dan saat pengeluaran/discharge energi kimia diubah menjadi energi listrik.baterai (dalam hal ini adalah aki; aki mobil/motor) terdiri dari sel-sel dimana tiap sel memiliki tegangan sebesar 2 V, artinya aki mobil dan aki motor yang memiliki tegangan 12 V terdiri dari 6 sel yang dipasang secara seri (12 V = 6 x 2 V) sedangkan aki yang memiliki tegangan 6 V memiliki 3 sel yang dipasang secara seri (6 V =3x2V). Antara satu sel dengan sel lainnya dipisahkan oleh dinding penyekat yang terdapat dalam bak baterai, artinya tiap ruang pada sel tidak berhubungan karena itu cairan elektrolit pada tiap sel juga tidak berhubungan (dinding pemisah antar sel tidak boleh ada yang bocor/merembes). Gambar 1. cara kerja accumulator. Baterai yang menerima arus adalah baterai yang sedang disetrum/dicas alias sedang diisi dengan cara dialirkan listrik DC, dimana kutup positif baterai dihubungkan dengan arus listrik positif dan kutub negatif dihubungkan dengan arus

3 listrik negatif. Tegangan yang dialiri biasanya sama dengan tegangan total yang dimiliki baterai, artinya baterai 12 V dialiri tegangan 12 V DC, baterai 6 V dialiri tegangan 6 V DC, dan dua baterai 12 V yang dihubungkan secara seri dialiri tegangan 24 V DC (baterai yang duhubungkan seri total tegangannya adalah jumlah dari masing-maing tegangan baterai: Voltase1 + Voltase2 = Voltasetotal). Hal ini bisa ditemukan di bengkel aki dimana ada beberapa baterai yang duhubungkan secara seri dan semuanya disetrum sekaligus. Berapa kuat arus (ampere) yang harus dialiri bergantung juga dari kapasitas yang dimiliki baterai tersebut (penjelasan tentang ini bisa ditemukan di bagian bawah). Konsekuensinya, proses penerimaan arus ini berlawanan dengan proses pengeluaran arus, yaitu :1. Oksigen (O) dalam air (H2O) terlepas karena bereaksi/bersenyawa/bergabung dengan timah (Pb) pada pelat positif dan secara perlahan-lahan kembali menjadi oksida timah colat (PbO2).2. Asam (SO4) yang menempel pada kedua pelat (pelat positif maupun negatif) terlepas dan bergabung dengan hidrogen (H) pada air (H2O) di dalam cairan elektrolit dan kembali terbentuk menjadi asam sulfat (H2SO4) sebagai cairan elektrolit. Akibatnya berat jenis cairan elektrolit bertambah menjadi sekitar 1,285 (pada baterai yang terisi penuh). Pelat-pelat baterai harus selalu terendam cairan elektrolit, sebaiknya tinggi cairan elektrolit 4-10 mm diatas bagian tertinggi dari pelat. Bila sebagian pelat tidak terendam cairan elektrolit maka bagian pada pelat yang tidak terendam tersebut akan langsung berhubungan dengan udara akibatnya bagian tersebut akan rusak dan tak dapat dipergunakan dalam suatu reaksi kimia yang diharapkan, contoh, sulfat tidak bisa lagi menempel pada bagian dari pelat yang rusak, sebab itu bisa ditemukan konsentrasi sulfat yang sangat tinggi dari ruang sel yang sebagian pelatnya sudah rusak akibat sulfat yang sudah tidak bisa lagi bereaksi dengan bagian yang rusak dari pelat. Oleh karena itu kita harus memeriksa tinggi cairan elektrolit dalam baterai kendaraan bermotor setidaknya 1 bulan sekali (kalau perlu tiap 2 minggu sekali agar lebih aman) karena senyawa dari cairan elektrolit bisa menguap terutama akibat panas yang terjadi pada proses pengisian (charging), misalnya pengisian yang diberikan oleh alternator. Bagaimana jika cairan terlalu tinggi? Ini juga tidak baik karena cairan elektrolit bisa tumpah melalui lubanglubang sel (misalnya pada saat terjadi pengisian) dan dapat merusak benda-benda yang ada disekitar baterai akibat korosi, misalnya sepatu kabel, penyangga/dudukan baterai, dan bodi kendaraan akan terkorosi, selain itu proses pendinginan dari panasnya cairan elektrolit baterai oleh udara yang ada dalam sel tidak efisien akibat kurangnya udara yang terdapat di dalam sel, dan juga asam sulfat akan berkurang karena tumpah keluar; bila asam sulfat berkurang dari volume yang seharusnya maka kapasitas baterai tidak akan maksimal karena proses kimia yang terjadi tidak dalam keadaan optimal sehingga tenaga/kapasitas yang bisa diberikan akan berkurang, yang sebelumnya bisa menyuplai -katakanlah- 7 ampere dalam satu jam menjadi kurang dari 7 ampere dalam satu jam, yang sebelumnya bisa memberikan pasokan tenaga sampai -katakanlah- 1 jam kini kurang dari 1 jam isi/tenaga baterai sudah habis.[2] B. METODE CHARGING Terdapat bermacam-macam metode charging yang bisa digunakan untuk rangkaian charging. Metode tersebut berbeda dalam cara pemberian energi listrik dari catu daya ke accumulator atau batteray. Metode-metode tersebut diantaranya adalah sebagai berikut: a. Constant voltage Pada dasarnya adalah berupa DC power supply biasa. Terdiri dari transformator step down dengan rangkaian penyearah untuk memberikan tegangan DC yang digunakan untuk mengisi batteray. Metode seperti ini sering digunakan pada pengisi daya pada aki mobil murah. Selain itu, batteray Lithium-Ion juga menggunakan metode constant voltage walaupun sering ditambahkan rangkaian yang kompleks untuk melindungi batteray dan penggunanya. b. Constant current

4 Metode constant current memvariasikan nilai tegangan sehingga didapatkan besarnya arus yang konstan. Metode ini biasanya digunakan untuk mengisi daya pada nikel-cadmiun dan nikel-metal hibrida atau biasa disebut baterai. c. Taper current Metode taper current mengisi daya batteray dari sumber tegangan konstan. Arus akan berkurang seiring dengan terbentuknya ggl (gaya gerak listrik) pada tegangan sel. Ada bahaya serius yaitu kerusakan sel jika pengisian dilakukan berlebihan. Untuk menghindari hal ini, laju pengisian dan durasi pengisian diberi batasan. Metode ini hanya cocok untuk baterai SLA. d. Pulsed charged Metode ini bekerja dengan mengirimkan arus listrik berbentuk pulsa pada baterai. Tingkat pengisian (berdasarkan rata-rata arus) dapat tepat dikendalikan dengan memvariasikan lebar pulsa, biasanya sekitar satu detik. Selama proses pengisian, terdapat jeda kosong kira-kira sebesar 20 sampai 30 milidetik. Jeda ini diberikan untuk memungkinkan terjadinya reaksi kimia pada baterai untuk menstabilkan elektroda. Waktu jeda tersebut juga dapat menghindarkan proses pengisian dari efekefek yang tidak diinginkan seperti timbulnya gelembung gas, timbulnya kristal dan passivasi. Gambar 3. Pulsa Arus Pada Metode Pulsed Charged dan Burp Charging e. Burp Charging Metode ini merupakan kebalikan dari metode pulsed charged. Pengisian terjadi dengan menggunakan pulsa negatif pada batterai. f. Trickle charge Metode ini dirancang untuk mengimbangi debit daripada baterai. Tingkat pengisian disesuaikan dengan frekuensi debit baterai yang akan diisi. Metode ini tidak cocok untuk beberapa jenis baterai yang rentan akan kerusakan akibat pengisian yang berlebihan, misalnya NiMh dan Lithium.[4] III. PERENCANAAN SISTEM A. BATTERAI Pada proyek akhir ini jenis batteray yang digunakan adalah batteray berjenis lead-acid yang dalam bahasa seharihari disebut aki. Aki yang digunakan dalam proyek akhir ini memiliki spesifikasi sebagai berikut: a. Memiliki tegangan sebesar 12 Volt b. Kapasitas 45 AH Pertimbangan penggunaan aki basah pada pembuatan proyek akhir ini adalah karena batteray dengan spesifikasi di atas banyak digunakan dalam masyarakat serta harganya yang terjangkau dibandingkan jenis-jenis batteray lain B. RANGKAIAN CHARGING Rangkaian charging yang digunakan pada proyek akhir ini adalah rangkaian power supply yang digunakan untuk memberikan tegangan listrik pada baterai. Metode charging yang digunakan untuk mengisi daya baterai adalah dengan memberikan tegangan dan arus yang tetap pada tiap mode. Metode seperti ini disebut dengan metode constant current and voltage seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya. Spesifikasi rangkaian power supply yang digunakan pada proyek akhir ini adalah memiliki tegangan output hingga 13,8 volt dan Arus output berkisar hingga 5 ampere. C. RANGKAIAN KONTROL Rangkaian control yang dimaksud dalam system charging ini sebenarnya merupakan rangkaian switch menggunakan relay 12 Volt sebagai penggerak kontaknya yang nantinya akan dikendalikan oleh mikrokontroller. Rangkaian control ini berfungsi sebagai selector mode pengisian baterai berdasarkan besar arus yang dibutuhkan oleh baterai sesuai dengan kondisi tegangannya.

5 Rangkaian ini bekerja dengan membagi output dari rangkaian charging dan men-spesifikasinya dengan komponen hambatan yang memiliki nilai tertentu sehingga menghasilkan saluran-saluran dengan besaran arus tertentu dengan nilai arus maksimal 5A seperti yang dihasilkan oleh rangkaian charging. Dengan begitu didapatkan selector output dengan nilai arus yang berbeda. IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS A. Pengujian Discharge Batterai Pada pengujian discharge baterai pada proyek akhir ini dimaksudkan untuk mengetahui seberapa besar daya tahan energy listrik mampu disimpan oleh baterai. Pengujian ini dilakukan dengan memberikan beban pada baterai yaitu 2 buah lampu halogen yang dipasang secara parallel. Untuk lebih jelasnya bisa dilihat pada gambar di bawah ini. Tabel 4.1 : Data Pengujian Discharging Baterai Pada tabel di atas dapat kita lihat bagaimana kondisi tegangan baterai ketika digunakan atau pada saat kondisi discharge. Nilai tegangan yang terukur pada voltmeter digital terlihat menurun seiring dengan berjalannya waktu pemakaian. Hal ini menunjukkan bahwa kapasitas listrik di dalam baterai mulai berkurang karena nilai tegangan yang terukur merupakan representasi dari daya listrik yang tersisa pada baterai. B. Pengujian Charging Baterai Untuk pengujian ini yang dilakukan adalah pengujian charging (pengisian) baterai lead-acid dengan menggunakan rangkaian charging yang dapat di ubah-ubah arus chargingnya. Berikut ini ditunjukkan gambar rangkaian pada saat melakukan pengujian charging baterai lead-acid. Gambar 4.1 : Rangkaian Pengujian Discharge Baterai Setelah melakukan pengujian discharging baterai maka didapatkan data-data sebagai berikut: No. Waktu Pengukuran Besar Tegangan (V) 1. Awal (tanpa beban) 12,5 2. Awal (dengan beban) menit 11, menit 11, menit 11, menit 11,40 7. Akhir (tanpa beban) 12,12 Gambar 4.7 : Rangkaian Pengujian Charging Baterai Pada pengujian baterai kali ini, digunakan rangkaian power supply dengan spesifikasi tegangan 13,8 Volt dan Arus maksimum 5 Ampere dari transformator. Keadaan baterai yang diisi pada kondisi kapasitas 70%. Indicator yang diukur pada pengujian ini adalah hubungan antara arus charging dengan waktu pengisian energy listrik pada baterai. Berikut ini merupakan data hasil pengujian charging baterai. Arus Charging 1 Ampere (Slow Charging) Waktu yang dibutuhkan : 13,5 jam Arus Charging 2 Ampere (Fast Charging)

6 Waktu yang dibutuhkan : 6,75 jam Dari data pengujian di atas dapat kita lihat bagaimana perbedaan antara pengisian baterai dengan mode slow dan mode fast. seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, perbedaan antara mode slow dan fast pada sistem charging adaptive ini terletak pada arus charging yang diberikan untuk mengisi daya listrik pada baterai. Dari hasil di atas dapat kita amati bahwa semakin besar kuat arus pada saat proses charging, maka semakin cepat pengisian baterai dilakukan. Hal ini dikarenakan energy listrik yang dialirkan dengan arus listrik yang besar lebih banyak dan lebih cepat dibandingkan dengan kuat arus yang kecil. V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan B. Saran Berikut ini beberapa saran yang dapat dilakukan untuk menyempurnakan sistem pengisian baterai secara adaptive yang telah diselesaikan pada proyek akhir ini. 1. Menambahkan kuat arus pada saat melakukan pengisian selama dalam batas aman sehingga dapat lebih mempercepat proses pengisian. 2. Mencoba untuk beberapa merk baterai sehingga hasil pengujian lebih akurat. 3. Dihindari menggunakan rangkaian pembagi arus dengan menggunakan hambatan sehingga sistem bisa lebih hemat dalam pemakaian daya listrik. VI. DAFTAR PUSTAKA Setelah melakukan pembuatan sistem pengisian baterai lead acid secara adaptive dan juga telah melakukan serangkaian pengujian-pengujian pada bab-bab sebelumnya, maka kita dapat menarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Rangkaian charging dapat bekerja dengan arus yang masih berada dalam batas aman. 2. Kondisi baterai (dalam hal ini tegangan) mempengaruhi mode charging yang dilakukan terhadap baterai. 3. Semakin besar kuat arus yang diberikan saat melakukan pengisian, semakin cepat proses charging dilakukan. 4. Kondisi baterai dapat mengalami penurunan karena factor usia baterai. [1] kat-pencemaran-udara-di-indonesia/ [2] [3] [4] [5] atmega8535/mrdetail/12579