DOI: http://dx.doi.org/10.22146/jmdt.v2i2.53752 e-ISSN: 2685-8029, ISSN: 2716-1293

## Analisis Laju Perpindahan Panas pada Baterai Ion Lithium 18650 terhadap Beban Keluarannya dengan Metode Numerik

## A. Kurniawan
Departemen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada. Jl. Grafika No. 2, Kompleks UGM, Yogyakarta 55281, Indonesia e-mail: wawan.achmadkurniawan@gmail.com

## Abstrak
Baterai ion lithium merupakan salah satu teknologi yang sering diaplikasikan karena kelebihannya yang  bisa  diisi  ulang.  Namun  dengan  kelebihannya  yang  dapat  diisi  ulang,  baterai ion  lithium mempunyai kelemahan pada pengaturan temperaturnya, di mana sering terjadi overheating . Pada penelitian  ini,  penulis  melakukan  analisis  laju  perpindahan  panas  pada  baterai  ion  lithium terhadap beban keluarannya dengan tujuan untuk menemukan profil temperatur baterai ketika beroperasi.  Dengan  simulasi  numerik,  penelitian  ini  juga  bertujuan  mendapatkan  metode simulasi numerik yang tepat terhadap panas di baterai ion lithium. Penulis melakukan penelitian ini dengan melakukan eksperimen  terhadap 1 sel baterai 18650 yang divariasikan outputnya, dilanjutkan  dengan  melakukan  simulasi  numerik  dengan software ANSYS Fluent .  Dari  data eksperimen, didapatkan kenaikan suhu maksimum terjadi pada beban keluaran 0.4 ohm, dengan suhu  maksimal  325.8  K.    Dapat  disimpulkan  bahwa  besar  keluaran  dari  baterai  sangat mempengaruhi performa perpindahan panas baterai, semakin besar arus keluaran yang keluar baterai, semakin tinggi panas di dalam baterai. Dari penelitian ini, didapat kesimpulan bahwa laju perpindahan panas akan meningkat secara polynomial terhadap arus keluaran baterai. Simulasi laju panas baterai dengan software ANSYS Fluent menghasilkan nilai sangat mendekati dengan eksperimennya  dengan  nilai  error  <7%,  sehingga  metode  ini  cukup  bisa  mencerminkan fenomena panas pada baterai pada praktek sesungguhnya.
Kata kunci : baterai, lithium, perpindahan panas, numerik.

## Abstract
Lithium-ion batteries are a technology that is often used because the battery can be recharged. However,  with  the  advantages  that  can  be  recharged,  lithium-ion  batteries  have  a  lack  of temperature regulation, where frequent overheating occurs. In this study, the authors analyzed the effect of heat transfer on a lithium battery on its output load and found the distance between batteries against their heat generation. The author conducted this research by experimenting with  1  battery  cell  Lithium  ion  18650  whose  output  was  varied,  then  followed  by  doing numerical simulations with the ANSYS Fluent software. From these simulations, the authors take the heat generation profile on the battery and recalculate it with a 13-cell battery circuit with  varied  its  distance  between  batteries.  From  the  experimental  data,  heat  generation  and conduction  data  are  obtained  which  are  distributed  on  the  battery.  From  this  study,  it  was concluded that the heat produced by batteries is mostly produced by Joule heating on batteries.
The  heat  distribution  in  the  battery  is  centralized  in  the  center  of  the  battery  and  doing conduction  throughout  the  body  of  the  battery.  Convection  from  the  battery  will  increase temperature of the batteries. The distance between the batteries will decrease about 0.3 K per 1 mm distance. ANSYS Fluent simulation produces similar data from experiment with error value less than 7%, so this numerical method can reflect heat phenomenon of the battery heating.
Keywords : : lithium battery, heat transfer, numerical method.

## 1. PENDAHULUAN
Dewasa  ini,  kemajuan  dan  persaingan  teknologi  di  bidang  energi  cukup  pesat dikarenakan kebutuhan penduduk dunia akan energi sebanyak-banyaknya. Di bidang industri, tengah dikembangkan berbagai macam alternatif pembangkitan energi, distribusi energi, hingga penyimpanan energi untuk memperoleh hasil yang maksimal. Pada bidang penyimpanan energi, baterai ion lithium merupakan salah satu teknologi yang sering dipakai untuk peralatan elektronik hingga kendaraan listrik. Baterai ion lithium ini memiliki kelebihan untuk melakukan pengisian ulang yang cukup cepat, tidak seperti baterai pada umumnya. Namun dengan kelebihannya yang dapat diisi ulang, baterai ion lithium mempunyai kelemahan pada pengaturan temperaturnya khususnya ketika baterai tersebut telah beroperasi cukup lama. Sudah terdapat beberapa insiden overheating pada  baterai  yang  terjadi  dan  mengakibatkan  kerugian  asset  perusahaan  dan personilnya.
Panas pada baterai lithium terjadi dikarenakan proses electrochemical dan joule heatin g yang terjadi  ketika  beroperasi. Joule  heating merupakan  sebuah  proses  ketika  arus  listrik  melewati sebuah  konduktor  yang  menyebabkan  konduktor  tersebut  memproduksi  panas  (Angelo Onorati, 2009). Pada penelitian terhadap baterai lithium yang dilakukan oleh Yoshiasu Saito (2012),  didapatkan  hubungan  antara  keadaan  charge  batterai – State  of  Charge (SOC)  dengan Voltase dan Power yang dikeluarkan oleh baterai lithium, dimana semakin besar SOC baterai, maka semakin besar pula voltase yang dikeluarkan oleh baterai. Namun, berbeda dengan output power yang dikeluarkan baterai, semakin tinggi SOC nya maka power yang dikeluarkan semakin besar. Pada penelitian yang dilakukan oleh Yangqing Lai (2015) didapatkan hubungan antara perubahan temperatur yang terjadi pada baterai dengan DOD ( Deep of Discharge ) pada baterai. Penelitian  ini  dilakukan  dengan  baterai  yang  sudah  tersimpan  lama,  sehingga  bisa  dikatakan sudah mengalami penurunan kualitas. Namun, secara umum dapat dikatakan bahwa baterai yang tersimpan lama tidak berpengaruh besar terhadap panas yang dihasilkan oleh baterai. Zenpo Wang  (2017)  melakukan  simulasi  persebaran  disipasi  panas  pada  baterai  lithium  ion  dengan menggunakan metode numerik pada software ANSYS Fluent . Penelitian tersebut mendapatkan hasil  bahwa semakin  besar aliran  angin  pada rangkaian  baterai,  pendinginan  baterai  semakin baik.  Namun,  setelah  melewati  kecepatan  tertentu,  aliran  angin  tidak  dapat  menurunkan temperatur secara maksimum. Penurunan temperatur dengan aliran angin dapat lebih baik jika antar baterai diberikan jarak tertentu.
Pada  penelitian  ini,  penulis  lebih  memfokuskan  pengaruh  beban  keluaran  baterai terhadap  pembangkitan  panas  pada  baterai.  Dengan  mengetahui  pengaruh  tersebut,  profil temperatur laju panas pada baterai dapat dibuat. Data tersebut akan dimasukan ke dalam sebuah simulasi, sehingga bisa didapatkan metode simulasi yang tepat untuk menggambarkan laju panas pada baterai ketika beroperasi.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menemukan laju perpindahan panas pada baterai ion lithium, sehingga pada aplikasinya para praktisi dan akademisi bisa mengetahui informasi
lebih lengkap terkait keselematan dan sistem operasi baterai ion lithium. Juga dengan simulasi numerik yang tepat terhadap laju panas baterai, maka akan mempermudah penelitian lebih lanjut terhadap baterai ion lithium baik dari sisi teknologi keselamatan maupun optimasi operasinya.

## 2. METODE PENELITIAN
Pada penelitian ini, penulis akan melakukan eksperimentasi dengan baterai lithium ion (tipe 18650) untuk mengetahui profil panas yang dihasilkan. Penulis akan mencoba mengetahui profil perpindahan panas pada baterai menggunakan eksperimen dan jurnal referensi sehingga dapat  menentukan  hubungan  antara  temperatur  baterai  dengan  arus  keluaran  dan  beban keluaran.
Peralatan dan bahan yang disiapkan pada penelitian ini antara lain adalah:
1. Multitester 2 buah untuk mengukur arus dan voltase secara bersamaan,
2. Coil sebagai beban keluaran sebesar 1.5 ohm, 1 ohm, 0.8 ohm, 0.7 ohm dan 0.4 ohm dan kabel penghubungnya
3. Infrared Camera untuk pengukuran temperatur pada baterai
4. Computer dan software simulasi  ANSYS  Fluent  untuk  melakukan  simulasi  dengan  metode numerik
Penulis melakukan eksperimen terhadap 1 sel baterai 18650 dengan beberapa varian outputnya, sehingga ditemukan korelasi antara suhu, arus keluaran dan waktu operasi terhadap beban keluarannya. Dari hasil tersebut penulis akan membuat sebuah grafik korelasi dan analisa distribusi panas dari tangkapan Infra Red (IR) Camera . Penulis akan membuat sebuah rangkaian sederhana untuk melakukan pengukuran terhadap satu sel baterai dan coil dengan skema berikut:

## Gambar 1. Skematik Rangkaian Baterai
Pada  Gambar  1,  terdapat  2  multitester  yang  dipasang  secara  bersamaan  agar  dapat menghitung voltase pada baterai, dan arus dalam rangkaian dalam 1 waktu. Dengan variasi dari 0.4 – 1.5 ohm resistansi dari coil yang telah dibuat, penulis akan mencatat voltase dan arus pada tiap percobaan yang dilakukan, lalu mengukuru temperatur baterai dengan IR camera setiap 5 menit.
Pada  baterai ion  lithium ,  fenomena  yang  sama  dilakukan  untuk  mengalirkan  listrik, namun terletak perbedaan pada elektroda (katoda dan anoda) di dalamnya. Katoda dan anoda pada  baterai  lithium  sama-sama  memiliki  kandungan  lithium  di  dalamnya,  berbeda  dengan baterai biasa. Hal tersebut dibuat sehingga memungkinkan ion lithium yang berada di katoda dan anoda  dapat  berpindah-pindah  secara reversible .  Ketika  diberikan  aliran  listrik,  elektron  akan terkumpul ke anoda, sehingga membuat ion lithium juga ikut berpindah ke anoda. Kondisi ion
lithium berpindah ke anoda ini biasanya terjadi ketika baterai dalam kondisi charge . Ketika baterai lithium tersambung dengan sebuah keluaran (output), seperti lampu, coil dan lainnya, ion lithium dan elektron pada anoda melakukan merupakan perpindahan ke katoda. Kondisi pada saat ion berpindah dari anoda ke katoda terjadi ketika baterai dalam kondisi discharge . Komponen utama pada baterai lithium ion adalah anoda, katoda, elektrolit dan Seperti pada baterai lainnya, sistem operasi baterai memakai sistem elektrokimia, di mana listrik terjadi karena pelepasan elektron dari anoda sebagai sumbu negatif yang mengumpulkan ion muatan negatif,  ke  katoda  yang  merupakan  pengumpul  ion  positif.  Elektron  yang  keluar  dari  anoda menuju  katoda  baterai  keluar  melewati  kabel  yang  tersambung  pada  baterai  sehingga  dapat mengalirkan listrik.
Fenomena  perpindahan  panas  yang  terjadi  pada  baterai  terjadi  secara  konduksi  dan konveksi. Konduksi terjadi pada panas di dalam baterai, sedangkan konveksi dilakukan oleh baterai ketika tersentuh dengan udara. Konduksi adalah perpindahan kalor tanpa diikuti oleh perpindahan partikel di dalamnya, sedangkan konveksi adalah perpindahan kalor melalui aliran yang partikel di dalamnya ikut berpindah.
Menurut  hukum  Fourier  (Holman,  2010),  besar  konduksi  dapat  dirumuskan  dalam formula:
𝑄 = −𝑘𝐴 𝑑𝑇 𝑑𝑥 (1)
Dari  referensi  penulis,  didapatkan  nilai  konduktivitas  thermal  pada  baterai ion  lithium. Nilai konduktivitas 1.035 W/m.K (Chen, 2004) penulis pakai untuk perhitungan panas konduksi di dalam baterai.
Panas pada baterai lithium terjadi karena Joule heating dan panas reaksi entropi baterai, di mana disebabkan oleh adanya perpindahan elektron dari baterai yang melewati baterai yang memiliki internal resistansi dan terjadi reaksi kimia di dalamnya, namun diperlukan data open circuit baterai dan baterai, di mana data setiap baterai berbeda-beda. Sehingga penulis memakai persamaan  yang  dipakai  Onorati  (2009)  untuk  menghitung  perpindahan  panas  di  mana perumusannya adala sebagai berikut:
𝑚. 𝐶𝑝. 𝑑𝑇 𝑑𝑡 = 𝑄 − ℎ𝐴(𝑇 𝑠 − 𝑇 ∞ ) (2)
Dan dapat disimpulkan sebagai berikut:
𝑄 = 𝑚. 𝐶𝑝. 𝑑𝑇 𝑑𝑡 + ℎ𝐴(𝑇 𝑠 − 𝑇 ∞ ) (3)
Dalam persamaan (3) ini, generasi yang terjadi dalam baterai dikeluarkan dengan konduksi ke permukaan baterai, dan melakukan konveksi ketika sudah menyentuh udara. Konduksi dihitung dengan  perumusan  pemanasan  bahan,  sedangkan  konveksi  dihitung  dengan  perumusan konveksi . Pada penelitian ini, konveksi terjadi secara natural sehingga diperlukan langkah untuk mencari nilai h dengan perhitungan sebagai berikut:
ℎ = 𝑁𝑢.𝑘 𝐿𝑐 (4)
h merupakan koefisien konveksi (W/m 2 K), Nu adalah bilangan nusselt number, k merupakan nilai konduksi udara, diambil dari Table udara 1 atm (Cengel, 2008), dan Lc merupakan panjang karakteristik dari baterai. Dalam hal ini, diameter dari baterai yang menjadi panjang karakteristik yang mengeluarkan konveksi natural. Nusselt number sendiri sebenarnya merupakan sebuah rasio konveksi dan konduksi dalam sebuah fenomena perpindahan panas. Untuk mengetahui nilai Nusselt number, diperlukan penulis memakai perhitungan sebagai berikut:
𝑁𝑢 = {0,825 +
0,387 𝑅𝑎 1 6 ⁄
1+[( 0,492 𝑃𝑟 ) 9 16 ⁄ ] 8 27 ⁄ } 2 (5)
Di  mana  perhitungan  nusselt  bergantung  pada  nilai  Rayleigh Number .  Nilai  Rayleigh  sendiri sangat berhubungan dengan Grashoff number di mana nilai tersebut menggambarkan perilaku buoyancy dan viscocity fluida ketika memiliki massa jenis yang beragam, di mana biasanya dialami oleh fluida yang terkena perbedaan temperatur. Nilai Rayleigh diambil oleh nilai Prandtl dan Grashof seperti yang digambarkan pada persamaan (6):
𝑅𝑎 = 𝐺𝑟. 𝑃𝑟 (6)
Prandtl Number bisa didapatkan ketika kita sudah mengetahui temperatur udara pada saat terjadi konveksi, sedangkan nilai Grashof Number diambil dari persamaan (7):
𝐺𝑟 = 𝑔𝛽(𝑇 𝑠 −𝑇 ∞ )𝐿𝑐 3 𝑣 2 (7)
Nilai Grashof Number dapat diambil ketika nilai gravitasi, koefisien ekspansi thermal , perbedaan suhu antar permukaan dan lingkungan, panjang karakteristik dan kinematic viscocity udara (diambil dari data tabel Cengel, 2008). Sama seperti halnya bilangan Reynolds pada pengukuran aliran fluida,  Grashof  mengidentifikasikan  perilaku  fluida  pada  konveksi  natural,  di  mana  ketika nilainya 10 3 sampai 10 6 masih dalam tahap laminar dan 10 8 sampai 10 9 masuk ke dalam fluida turbulen.
Generasi panas terhadap material pada perubahan temperatur tertentu dapat dihitung menggunakan perumusan sebagai berikut:
𝑄 = 𝑚. 𝐶𝑝. 𝜕𝑇 𝜕𝑡 (8)
Massa  baterai  dan  perubahan  temperatur  pada  baterai  penulis  dapatkan  dari  pengukuran eksperimen  yang  penulis  lakukan,  sedangkan  kalor  jenisnya  (Cp)  didapatkan  dari  referensi penulis, yaitu Cp: 894 J/kg.K (Zhang, 2018).
Sebagai kondisi penelitian, penulis memakai referensi dari penelitian Xiao Xuan Zhang (2018),  sehingga  didapatkan  kalor  jenisnya  Cp:  894  J/kg.K.  Untuk  densitasnya  penulis melakukan  pengukuran langsung terhadap baterai dan didapatkan densitas baterai  : 2604.92 kg/m 3 . Referensi yang penulis dapatkan dari S.S.Chen (2004) memberikan nilai konduktivitas thermal pada baterai ion lithium dengan nilai konduktivitas nya adalah 1.035 W/m.K. Kondisi
suhu pada ruangan adalah 26 ᵒ C (299 K), sehingga untuk suhu pada baterai akan diselisihkan dengan suhu ruangan tersebut agar diketahui kenaikan suhunya.
Pada penelitian ini, penulis memakai baterai ion Lithium Samsung 25R dengan tipe 18650. Dari spesifikasi baterai, didapatkan bahwa baterai bisa dioperasikan hingga: Arus discharge baterai ≤ 20A (8 kali Capacity = 8C), Temperature baterai ≤ 60 ᵒ C. Di penelitian ini, baterai hanya akan melakukan discharge dengan maksimal 10 A (3.5 C) dan penelitian akan dihentikan jika suhu sudah melebihi dari 60 ᵒ C, agar mencegah kerusakan baterai. Data-data yang telah didapatkan dengan  eksperimen  akan  dibuat  simulasi  dan  akan  dilakukan  validasi  kembali  dengan  data eksperimental.
Setelah didapatkan data eksperimen, maka penulis menghitung panas yang timbul pada baterai,  dan  dimasukan  ke  dalam  simulasi  ANSYS.  Kondisi  pada  simulasi  penulis  tetapkan sebagai berikut:
1. Kalor jenis: 894 J/kg.K
2. Pemanasan karena reaksi kimia diabaikan
3. Suhu lingkungan (udara): 26 ᵒ C
4. Suhu awal baterai 26.7 ᵒ C
5. Kondisi thermal runway (ketika voltase jatuh mendekati titik 0 Volt dan terjadi kenaikan suhu mendadak) tidak diperhitungkan, sehingga kondisi yang diperhitungkan adalah ketika baterai beroperasi normal
6. Hambatan dan panas dari kabel tidak diabaikan
7. Simulasi dilakukan transient dengan lama waktu operasi baterai
8. Diasumsikan perpindahan panas hanya terjadi secara radial
Pemodelan pada simulasi numerik digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2. Skematik simulasi yang dilakukan
Model berisi core , di mana generasi panas dilakukan (dilakukan perhitungan pemanasan material), blanket di mana konduksi terjadi dan box berisi udara. Dengan skema tersebut, simulasi akan dijalankan  transient  selama  beberapa  waktu.  Lama  waktu  simulasi  akan  bergantung  dari perhitungan dan hasil eksperimen pada baterai.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Penulis melakukan eksperimen dengan 1 sel baterai untuk mengetahui laju panas yang dihasilkan oleh baterai. Baterai tersebut dihubungkan dengan varian output sesuai dengan yang dijelaskan di bagian metode penelitian, sehingga bisa diketahui hubungan antara waktu dengan arus keluaran dan temperaturnya.
Eksperimen yang dilakukan pada baterai individual adalah dengan melakukan varian pada outputnya. Penulis membuat resistor sesuai dengan yang dijelaskan di metode penelitian, dan  melakukan  pengukuran  panas  dengan  IR camera .  Terdapat  hasil  yang  didapatkan  adalah sebagai berikut:
(a) (b)
Gambar 3. (a) Grafik waktu vs suhu dengan variasi output 1.5 ohm, (b) Suhu maksimal dari beban 1.5 ohm dengan IR Thermal Camera (a) (b) Gambar 4. (a) Grafik waktu vs suhu dengan output baterai 1 ohm, (b) Suhu maksimal dari beban 1 ohm dengan IR Thermal Camera 300 302 304 306 308 310 312 0 2000 4000 6000 Su h u (K ) Waktu (s) 304 305 306 307 308 309 310 311 0 1000 2000 3000 Su h u (K ) Waktu (s)
(a) (b) Gambar 5.(a) Grafik waktu vs suhu keluaran dengan output 0.8 ohm, (b) Suhu maksimal dari beban 0.8 ohm dengan IR Thermal Camera
(a) (b) Gambar 6. (a)Grafik waktu vs suhu keluaran dengan output 0.7 ohm, (b) Suhu maksimal dari beban 0.7 ohm dengan IR Thermal Camera
(a) (b)
Gambar 7. (a) Grafik waktu vs suhu keluaran dengan output 0.4 ohm, (b) Suhu maksimal dari beban 0.4 ohm dengan IR Thermal Camera
Selama  pengamatan,  baterai  dioperasikan sampai  kondisi  voltasenya  mendekati  0 V. Suhu baterai yang diukur dengan IR Camera menghasilkan hasil yang ditampilkan oleh Gambar
304 306 308 310 312 0 1000 2000 Su h u (K ) Waktu (s) 302 304 306 308 310 312 314 316 318 0 1000 2000 3000 Su h u (K ) Waktu (s) 314 316 318 320 322 324 326 328 0 500 1000 Su h u (K ) Waktu (s)
3 sampai Gambar 7. Dari data tersebut, dapat diketahui bahwa titik temperatur pada baterai semakin tinggi ketika output ohmnya semakin kecil. Terlihat pada beban 0.4 ohm, temperatur mencapai 326 K, sedangkan pada keluaran beban 1.5 ohm temperatur hanya mencapai suhu 310 K. Kenaikan temperatur pun tidak mempunyai karakterisitik yang beragam, hal ini disebabkan oleh internal resistance baterai yang tidak konstan, mengakibatkan arus yang didapat oleh baterai berbeda-beda pada tiap sel baterai. Dari arus yang berbeda akan didapatkan generasi panas yang berbeda sehingga membuat kenaikan temperatur yang berbeda.
Pada  pengamatan  temperature  yang  disebutkan  pada  Gambar  3  sampai  7,  terdapat pengumpulan panas di tengah baterai yang melakukan perpindahan panas ke permukaan baterai, dan  hanya  sedikit  persembaran  panas  ke  atas  atau  dasar  baterai.  Dengan  mengabaikan persebaran ke arah z, Pemodelan perpindahan panas pada baterai secara 2D akan didapat seperti pada Gambar 8:

## Gambar 8. Skema perpindahan panas konduksi 2D pada baterai 1
Perpindahan  panas  terjadi  dari Joule  Heating memanaskan  diasumsikan  terjadi  pada tengah  baterai  dan  diteruskan  ke  permukaan  baterai  dengan  konduktivitas  dari  baterai  ion lithium, lalu secara konveksi natural panas akan diteruskan ke udara lingkungan. Perhitungan panas  terhadap  baterai  dihitung  dengan  memakai  perhitungan  konduksi  dan  konveksi  yang dihasilkan  oleh  baterai  seperti  pada  persamaan  (2)  dan  (3),  di  mana  persamaan  tersebut menunjukkan bahwa generasi panas yang dihasilkan baterai akan diteruskan dengan konduksi dan konveksi. Konduksi akan diterima oleh body baterai, sedangkan konveksi akan dilakukan ke udara sekitar. Pada konduksinya, perhitungan dilakukan dengan menghitung kalor dengan m.Cp.dT/dt ,  di  mana  datanya  dapat  dihitung  dengan  data  dari  hasil  eksperimen.  Sedangkan konveksinya  perhitungan  dengan h.A.(T s -T f ) membutuhkan  nilai h yang  tepat  selama konveksinya. Pada penelitian ini konveksi diasumsikan secara natural, karena tidak ada force udara dari luar secara konstan. Persamaan 4.4 ini dipakai pada penelitian dari Liu (2013) dan Onorati (2009), di mana hasil dari penelitiannya dapat memprediksi generasi panas pada baterai dengan hasil yang cukup akurat.
Besarnya  konduksi  dari  eksperimen  akan  dihitung  dengan  perumusan m.Cp.(dT/dt) . Dengan  mengetahui  massa  baterai:  45  gram  dan  Cp:  894  W/m.K,  didapatkan  hasil  sebagai berikut:
Tabel 1. Perhitungan panas konduksi pada baterai 1
R (ohm) dT (K) dt (detik) 𝒎. 𝑪𝒑. 𝒅𝑻 𝒅𝒕 (W) 1.5 11.1  4200 0.11 1 10.2  2100 0.20 0.8 12 2100 0.23 0.7 16.2  2100 0.31 0.4 27.1  900 1.21
Pada  table  1  ini  R  merupakan  varian  beban  keluaran  dari  penelitian,  sedangkan  dT adalah perbedaan temperature dari awal hingga baterai hamper habis, dan dt adalah lama operasi baterainya. Dengan didapatkan energi konduksi pada baterai dan konduktivitas pada baterai, maka bisa diketahui distribusi panas pada baterai. Sesuai dengan skema perpindahan panas pada Gambar  8,  perpindahan  panas  bisa  dihitung  dengan  menggunakan  persamaan  (1)  sebagai dasarnya, namun karena perpindahan panas dianggap hanya terjadi secara radial, luas area A dalam persamaan (1) bisa diubah menjadi:
𝑄 2𝜋𝑟𝐿 = −𝑘 𝑑𝑇 𝑑𝑟 (9)
Pada persamaan ini Q/2πL bisa dianggap sebagai flux panas ( q’’ ), di mana nilai ini bisa dianggap sebagai laju perpindahan panas yang terjadi pada baterai. Namun untuk mengetahui temperatur pada tepi baterai diperlukan perhitungan sebagai berikut:
𝑄 2𝜋𝐿 ∫ 𝑑𝑟 𝑟 𝑟 2 𝑟 1 = −𝑘 ∫ 𝑑𝑇 𝑇 2 𝑇 1 (10)
𝑄 2𝜋𝐿 ln ( 𝑟 2 𝑟 1 ) = 𝑘(𝑇 1 − 𝑇 2 ) (11)
𝑄 = 2𝜋𝐿𝑘 (𝑇 1 −𝑇 2 ) ln ( 𝑟2 𝑟1 ) (12)
(𝑇 1 − 𝑇 2 ) = 𝑄 2𝜋𝐿𝑘 . ln  ( 𝑟 2 𝑟 1 ) (13)
Dengan  persamaan  (13) dan  nilai Q dari  Tabel  1, didapatkan T 2 sebagai  temperatur permukaan baterai. Sehingga nilai temperature baterai pada eksperimen adalah sebagai berikut:
Tabel 2. Perhitungan konduksi dan temperature pada baterai2
R
(ohm) Q (Watt) q’’ (K/m 2 ) 𝑻 𝟏 − 𝑻 𝟐 (K) 𝑻 𝟏 (K) 𝑻 𝟐 (K) 1,5 0,11 0.92 0,62 310,80  310,18 1 0,20 1.69 1,13 309,90  308,77 0,8 0,23 1.99 1,33 311,70  310,37 0,7 0,31 2.69 1,80 315,90  314,10 0,4 1,21 4.59 3,02 326,80  323,78
Dengan mengetahui besaran temperatur permukaan T 2 , maka bisa dianalisa konveksi natural yang terjadi pada baterai.
Perhitungan konveksi pada baterai dengan persamaan h.A. (T s -T f ) akan membutuhkan nilai temperature film yang terjadi T f ketika terjadi konveksi. Perhitungan nilai T f dapat didekati dengan persamaan sebagai berikut:
𝑇 𝑓 = 𝑇 𝑠 +𝑇 ∞ 2
(14)
Karena ada 2 suhu permukaan yang kontak dengan udara lingkungan, pada penelitian ini penulis memperhitungkan konveksi T 1 dengan panjang karakteristik diameter baterai dan T 2 dengan panjang karakteristik tinggi baterai. Konveksi yang terjadi akan dijumlahkan sehingga disa idapatkan total energi konveksi yang dikeluarkan oleh baterai. Untuk menganalisa konveksi yang terjadi perlu diketahui koefisien konveksi h yang ada pada pada udara lingkungan dengan mencari  Nussault  Number Nu yang  terjadi  pada  pelepasan  kalor  dari  permukaan  baterai  ke lingkungan. Perhitungan Nussault number didapat dengan persamaan (5) sampai persamaan (7). Nilai Prandtl, konduksi pada udara, dan nilai kinematic viscocity di dapatkan dengan melakukan interpolasi  data  dari  Tabel  1  atm  udara  (Cengel,  2008).  Dari  perhitungan  yang  dilakukan, didapatkan data sebagai berikut:
Tabel 3. Hasil Perhitungan 𝑇 𝑓 , 𝛽 , Prandtl Number, konduktivitas thermal dan kinematic viscosity pada
udara 1 atm3
R (ohm) 𝑻 𝒔 (K) 𝑻 ∞ (K) 𝑻 𝒇 (K) 𝜷 Pr 𝒌 (W/m.k) 𝒗 (m 2 /s) 1.50 310.80  299.70  305.25  0.00328  0.7276  0.02605 0.0000163 310.18  299.70  304.94  0.00328  0.7277  0.02602 0.0000163 1.00 309.90  299.70  304.80  0.00328  0.7277  0.02601 0.0000162 308.77  299.70  304.23  0.00329  0.7279  0.02597 0.0000162 0.80 311.70  299.70  305.70  0.00327  0.7274  0.02608 0.0000163 310.37  299.70  305.03  0.00328  0.7276  0.02603 0.0000163 0.70 315.90  299.70  307.80  0.00325  0.7269  0.02624 0.0000165 314.10  299.70  306.90  0.00326  0.7271  0.02617 0.0000164 0.40 326.80  299.70  313.25  0.00319  0.7255  0.02420 0.0000170 323.78  299.70  311.74  0.00321  0.7263  0.02638 0.0000167 Tabel 4. Perhitungan Q konveksi pada baterai4 R (ohm) 𝑻 𝒇 (K) Gr Ra Nu h (W/m 2 K) Q (W) Q total (W) 1.5 305.25  8,364.21 6,085.55 3.04 4.30 0.003  0.10 304.94  349,857.00  254,575.64  12.13  4.86 0.101 1 304.80  7,737.50 5,630.55 3.00 4.23 0.003  0.09 304.23  305,796.29  222,575.22  11.73  4.69 0.084 0.8 305.70  8,982.37 6,534.17 3.07 4.36 0.003  0.11 305.03  355,507.43  258,678.06  12.18  4.88 0.103 0.7 307.80  11,757.56 8,546.05 3.22 4.60 0.005  0.15
306.90  466,890.61  339,479.81  13.03  5.25 0.149 0.4 313.25  18,232.18 13,227.45 5.79 7.62 0.014  0.24 309.74  624,569.08  453,654.32  14.01  5.69 0.226
Dengan  didapatkan  pehitungan  konveksi  dari  Tabel  4,  dapat  diketahui  Q  internal baterai. Hasil perhitungan tersebut akan dimasukan ke dalam simulasi numerik pada penelitian.
Pembuatan model numerik untuk penelitian ini dimulai dengan pembuatan geometri baterai. Untuk memfasilitasi konveksi yang terjadi, penulis juga membuatkan sebuah ruangan udara dengan kondisi pressure 1 atm agar bisa dilihat transfer konveksi yang terjadi.  Pemodelan baterai penulis sesuaikan dengan ukuran sebenarnya dari baterai dengan diameter 18,4 mm dan tinggi 65 mm. Pada bagian baterai, penulis membuatkan 2 bagian: core dan blanket, di mana core baterai akan menjadi sumber panas pada baterai, sedangkan blanket hanya mengalirkan panas secara konduksi dari core dan memberikan konveksi ke udara ruangan . Core pada baterai berdiameter 9.2 mm, sedangkan blanketnya berdiameter total baterai: 18.4 mm.
Pemodelan ruangan udara pada 1 sel baterai penulis buatkan dengan ukuran 50 mm x 50 mm x 100 mm. Sehingga didapatkan pemodelan seperti yang dijelaskan pada  Gambar 2. Gemoteri dari Gambar 2 akan dibuat mesh agar bisa dibuat perhitungan numerik pada model tersebut.  Dengan  mesh  yang  baik,  perhitungan  yang  akurat  bisa  dihasilkan  sehingga  bisa mendapatkan  validasi  yang  baik.  Untuk  pengetesan  kualitas  mesh  nya,  penulis  membuat pengetesan dengan berbagai macam mesh sehingga didapatkan hasil yang cukup stabil dari initial condition dari penulis.
Untuk pengecekan mesh nya, penulis membuatkan independent test . Sebagai masukannya, core baterai penulis berikan masukan temperatur konstan setinggi 500 K selama 1 menit sehingga pada blanket nya dapat terjadi konduksi dan bisa melakukan konveksi pada sekitar baterai. Penulis akan dilakukan perbedaan transfer panas di bidang atas baterai. Perbandingannya adalah sebagai berikut:
Tabel 5. Hasil independent test 5 Jumlah sel meshing  Temperatur dinding  Deviation 68.554 453 - 90.821 454.5 3,32 % 120.563 454.,6 0.22% 269.974 454,7 0.21%
(a) (b)
Gambar 9. Penampakan hasil meshing (a) ruang udara dan (b) sel baterai yang dipakai untuk simulasi 2
Dengan hasil dari tabel 5, penulis memakai jumlah sel 269.974 untuk pemodelannya. Dari model tersebut didapatkan nilai rata-rata skewness pada sel: 0,229. Dengan kualitas mesh yang cukup baik, maka penelitian bisa dilanjutkan untuk memasukan boundary dan initial condition . Penentuan boundary condition dan initial condition penulis ambil dari sumber referensi dan hasil  penelitian.  Data-data  yang  telah  didapatkan  terhadap  arus,  temperature  waktu  dan outputnya bisa dimasukan ke dalam simulasi dengan berdasarkan data yang telah didapatkan. Untuk material baterai, penulis masukan kalor jenisnya senilai Cp: 894 J/kg.K (Zhang, 2018). Sedangkan untuk densitasnya, penulis mendapatkan data dari pengukuran langsung dari baterai bernilai  : 2604,92 kg/m 3 .
Input panas pada baterai penulis masukkan ke dalam cell zone condition agar pada body baterai  bisa  mengelurakan  panas  yang  bertambah  dalam  waktu  operasi  sesuai  dengan  data eksperimen. Nilai panas konduksi dan konveksi yang dihitung akan dimasukan sebagai input pada core baterai.  Setelah  mengetahui  nilai  Q  total  konduksi  dan  konveksi  baterai  pada  tiap variannya, nilai Q total akan dibagi dengan volume core baterai yang bernilai 4,319 × 10 -6 m sehingga didapatkan nilai panas per volume nya. Hasil yang didapat ditampilkan dalam Tabel 6:
Tabel 6. Perhitungan 𝑞′′′ pada baterai6
R (ohm) Q konduksi (W) Q konveksi (W) Q internal (W) 𝒒′′′ (W/m 3 ) q’’ (W/m 2 ) 1,5 0,11 0,10 0,21 48.663,23 0.92 1 0,20 0,09 0,29 65.366,07 1.69 0,8 0,23 0,11 0,34 77.854,66 1.99 0,7 0,31 0,15 0,46 107.607,59  2.69 0,4 1,21 0,24 1,45 335.953,18  4.59
Setelah  memasukan  nilai q’’’ ke  dalam  core  baterai  dan q’’ pada  sisi  dalam  blanket baterai,  penulis  memasukan  pula  nilai  gravitasi  9,8  m/s 2 agar  terjadi  konveksi  natural  pada simulasi. Udara dalam box juga di set dengan nilai pressure 1 atm dengan suhu 299 K, sesuai dengan kondisi eksperimen. Dengan nilai boundary condition yang sudah didapatkan, penulis bisa
melakukan running simulasi dengan waktu operasi sesuai dengan eksperimen yang ditampilkan pada Tabel 1 dalam kondisi transient.
Simulasi  yang  dilakukan  terhadap  beban  keluaran  1,5  ohm  menghasilkan  hasil persebaran panas seperti dalam Gambar 10. Pada tampilan hasil simulasi ini, penulis melakukan setting pewarnaan pada contour temperature dengan rentang 299 K sampai 330 K agar bisa dibandingkan hasil simulasi tiap variannya.
(a) (b) (c) (d) (e)
Gambar 10. Hasil simulasi distribusi temperatur pada baterai dan lingkungannya dengan beban (a) 1.5 ohm, (b) 1 ohm, (c) 0.8 ohm, (d) 0.7 ohm, (e) 0.4 ohm 3
Pada Gambar 10 dapat terlihat persebaran panas yang dilakukan oleh konveksi baterai memiliki  kecenderungan  menyebar  ke  atas,  sesuai  dengan  prinsip  konveksi  natural  di  mana udara panas akan memiliki buoyancy force yang lebih tinggi dibandingkan udara yang lebih dingin. Untuk mendapatkan detail distribusi temperatur yang terjadi pada simulasi, penulis membuat garis sample temperature yang berwarna kuning di Gambar 10. Temperatur yang dihasilkan pada simulasi kemudian dibandingkan dengan perhitungan penulis pada Tabel 2, sehingga didapatkan data sebagai berikut:
Tabel 7. Perbandingan nilai perhitungan dengan simulasi
R (ohm) 𝑻 𝟏 perhitungan (K) 𝑻 𝟏 simulasi (K) 𝑻 𝟐 perhitungan (K) 𝑻 𝟐 simulasi (K) 1,5 310,80 311,5 310,18 310,8 1 309,90 309,3 308,77 308,6 0,8 311,70 311 310,37 310 0,7 315,90 315 314,10 313,9 0,4 326,80 327 323,78 324
Pada Tabel 7 ini, terlihat persebaran konduksi panas simulasi  dengan  perhitungan tidak berbeda jauh, di mana nilainya mirip dengan perhitungan konduksi yang dilakukan di Tabel 2.
Pada beban 1,5 ohm, di mana perbedaan suhu antara pusat baterai hingga ke ujungnya hanya terpaut 0,62 K. Hasil panas yang dihasilkan oleh baterai dari dalam baterai mencapai 311,5 K, mempunyai selisih sedikit dengan hasil eksperimen di mana puncak panasnya mencapai 310,8 K (37,8° C). Dengan perbedaan 0,7 K terhadap rentang 299 K – 310 K, error pada simulasi pada beban 1,5 ohm ini hanya sekitar 6%.
Pada beban 1 ohm, distribusi panas yang dihasilkan cukup mirip dengan simulasi. Pada eksperimen, titik suhu tertinggi yang dicapai pada varian 1 ohm adalah 310 K (37°C), sedangkan pada simulasi suhu maksimum yang dicapai adalah 309,3 K. Perhitungan konduksi perhitungan menghasilkan perbedaan temperatur 1,18 K dari titik tengah ke titik permukaan baterai, namun pada simulasi perbedaan temperatur dari titik tengah ke permukaannya hanya terpaut sekitar 0,7 K. . Dengan rentang 299 K – 310 K, error pada simulasi ini hanya sebanyak 6%. Pada beban 0,8 ohm terlihat suhu tertinggi pada simulasi yang terdapat di core baterai mencapai 311 K sedangkan di permukaann baterai suhunya didapatkan 310 K. Hal ini cukup mirip  dengan  perhitungan,  di  mana  perbedaan  suhu  dari  core  baterai  ke  permukaan  baterai didapatkan  1,33  K  dengan  suhu  core  baterai  311,7  K  dan  permukaan  suhu  baterai  310,37. Terdapat  perbedaan  0,33  K  pada  simulasi  dan  eksperimen,  sehingga  didapatkan  nilai  error sebesar 3%.
Pada  simulasi  beban  0,7  ohm,  Joule  heating  mencapai  suhu  315  K  dan  panasnya diteruskan dengan konduksi sehingga permukaan baterai memiliki suhu 313,9 K. Namun pada perhitungan dari eksperimen di Tabel 5.2, nilai suhu pada core baterai adalah 315,9 K sedangkan suhu permukaan baterainya adalah 314,1 K. Adanya perbedaan maksimum 0,9 K ini membuat nilai error pada simulasi ini sebesar 6%.
Pada simulasi beban 0,4 ohm, Joule heating pada core baterai mencapai suhu 327 K dan panasnya diteruskan dengan konduksi di mana suhu permukaannya di dapat 324 K. Namun pada perhitungan dari eksperimen di Tabel 5.2, nilai suhu pada core baterai adalah 326,8 K sedangkan suhu permukaan baterainya adalah 323,78 K. Adanya perbedaan maksimum 0,32 K ini membuat nilai error pada simulasi ini sebesar 1%.

## 4. KESIMPULAN
Dari Penelitian terhadap baterai lithium ion 18650 ini mendapatkan kesimpulan sebagai berikut:
1. Panas pada baterai terjadi disebabkan sebagian besar Joule Heating yang terjadi karena adanya arus listrik melewati hambatan pada internal baterai. Besarnya Joule heating akan sangat dipengaruhi oleh arus listrik yang dikeluarkan oleh baterai, di mana keluaran arus listrik  akan  dipengaruhi  oleh  hambatan  keluaran,  sesuai  dengan  hukum  ohm.  Joule heating yang dilakukan oleh baterai akan diteruskan ke seluruh body baterai melalui konduksi dan diteruskan ke udara melalui proses konveksi.
2. Laju  panas  pada  internal  baterai  dapat  dihitung  dengan  mengetahui  besaran  laju perpindahan panas konduksi dan konveksi pada baterai
3. Panas  konduksi  pada  baterai  kebanyakan  terjadi  secara  radial  dengan  konduktivitas cukup  tinggi  sehingga  perbedaan  temperatur  dari  tengah  ke  pinggir  baterai  hanya sedikit. Besarnya laju panas konduksi pada baterai bisa didekati dengan rumus Fourier yang  diadaptasikan  ke  bangun  silinder  sehingga  membentuk  persamaan: 𝑄 = 2𝜋𝐿𝑘 (𝑇 1 −𝑇 2 ) ln ( 𝑟2 𝑟1 )
4. Laju  perpindahan  panas  q’’  membesar  ketika  beban  keluaran  makin  kecil.  Hal  ini disebabkan  karena  jika  beban  keluaran  semakin  kecil,  arus  keluaran  yang  dihasilkan semakin besar sehingga membuat Joule Heating makin besar. Pada penelitian ini rentang laju perpindahan panas pada baterai dengan beban 0.4 – 1.5 ohm adalah 1.61 – 8.04
W/m 2 . 5. Melakukan simulasi panas baterai dengan software ANSYS Fluent cukup bisa mencerminkan hasil panas yang diperoleh pada praktek sesungguhnya, Data validasi menunjukan nilai error tertinggi sebesar 6%.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
Angelo,  Onorati.,  and  Cannova,  Marcello.,  2009,  Thermal  Characerization  of  Ion  Lithium Battery Cell, Thesis, Politecnica de Milano, Italy
Chen, S.C., Wan, C.C., and Wang, Y.Y., 2004, Thermal analysis of lithium-ion batteries, Journal of Power Sources, 140, 111 – 124
Lai,Yanqing.,  Du,  Shuanglong  et  al.,  2015,  Insight  into  heat  generation  of  lithium  ion batteriesbased  on  the  electrochemical-thermal  model  at  high  discharge  rates, International Journal of Hydrogen Energy, 40, 13039 – 3049
Liu, Guangming., Ouyang, Minggao., Lu, Langguang., Jianqiu,Li., 2014, Analysis of the heat generation of lithium-ion battery during charging and discharging considering different influencing factors, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 261718814.
Saito,  Yoshiyasu.,  Shikano,  Masahiro.,  and  Kobayashi,  Hironori.,  2012,  Heat  generation behavior during charging and discharging of lithium-ion batteries after long-time storage, Journal of Power Sources, 244, 294-299
Wang,  Zhenpo.,  Fan,  Wentaou.,  and  Liu,  Peng.,  2017,  Simulation  of  Temperature  Field  of Lithium Battery Pack Based on Computational Fluid Dynamics, The 8th International Conference on Applied Energy – ICAE2016, Energy Procedia 105, 3339 – 3344 Zhang, Xiao Xuan., Kleinb, Reinhardt.,  Subbaramanb, Anantharaman., Chumakovb, Sergei., Lib, Xiaobai., Christensenb, Jake., Lindera, Christian., Kim, Sun Ung., 2018, Evaluation of convective heat transfer coefficient and specific heat capacity of a lithium-ion battery using infrared camera and lumped capacitance method, Journal of Power Sources, 412, 552-558