## Migrasi Baterai Lithium dari Mode Otomotif ke Mode Penyimpan Energi untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya
Junaidi 1) , Kho Hie Khwee 2) , Ayong Hiendro 3)
1,2,3) Program Studi  Teknik Elektro, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Tanjungpura Pontianak, e-mail : junaidi@ee.untan.ac.id
Abstract– Baterai  Lithium  dapat  bekerja  pada  dua mode  operasi,  yaitu:  mode  otomotif  (MO)  dan  mode penyimpan  energi  (MP).  Kerja  MO  untuk  mengasut mesin  kendaraan  dengan  arus  besar  pada  periode sesaat,  sedangkan  kerja  MP  berfungsi  menyimpan  dan memasok  energi  listrik  kepada  beban  dalam  jangka waktu  tertentu.  Karena  beroperasi  pada  arus  besar, maka  siklus  pakai  baterai  MO  akan  berkurang  lebih cepat  daripada  MP.  Pada  makalah  ini  diperkenalkan model dua-fasa MO-MP dan strategi untuk mendapatkan  titik  alih  terbaik  dari  MO  ke  MP  pada Pembangkit  Listrik  Tenaga  Surya  (PLTS)  dengan memperhitungkan  tingkat  efisiensi  dan  State  of  Health (SOH)  baterai.  Hasil  analisis  menunjukkan  bahwa model-400  (MO  400  siklus/MP  800  siklus)  memiliki kinerja terbaik ditinjau dari tingkat efisiensi dan SOH.
Keywords– Baterai lithium, SOH, mode otomotif, mode penyimpan, tenaga surya

## 1. Pendahuluan
Sistem  penyimpanan  energi  listrik  dapat  dilakukan dengan  menggunakan  baterai  (baterai  elektrokimia), flywheel  (baterai  mekanik)  dan  super  kapasitor  (baterai elektrostatik).  Sistem  penyimpanan  energi  listrik menggunakan  baterai  elektrokimia  adalah  yang  paling umum digunakan pada saat ini. Selain berfungsi sebagai penyimpan  energi,  baterai  juga  diperlukan  oleh kendaraan sebagai pemasok energi listrik guna mengasut mesin dan sumber energi bagi berbagai perangkat listrik di dalam kendaraan tersebut. Dengan demikian terdapat 2  fungsi  utama  baterai  dalam  aplikasi  di  bidang  teknik elektro, yaitu: aplikasi mode otomotif dan aplikasi mode penyimpan energi.
Dalam  aplikasi  mode  otomotif  (MO)  dan  mode penyimpan energi (MP), baterai jenis asam timbal paling sering digunakan.  Akan tetapi dengan perkembangan di bidang material yang semakin maju, sedikit demi sedikit terjadi  peralihan  penggunaan  baterai  Lithium  sebagai pengganti baterai asam timbal. Baterai Lithium memiliki banyak  keunggulan,  antara  lain:  memiliki  kerapatan energi  yang  tinggi  dan  mampu  bertahan  relatif  lebih lama.
Untuk penggunaan dalam MO, baterai dipersyaratkan mampu memasok arus yang besar guna mengasut mesin
kendaraan  dan  akibatnya  usia  pemakaian  baterai menjadi  berkurang.  Setelah  kapasitas  baterai  melemah menjadi di bawah 70%, maka baterai tidak akan mampu lagi  mengasut  mesin  kendaraan.  Akan  tetapi  baterai tersebut masih memenuhi persyaratan untuk dioperasikan  pada  MP  karena  sistem  penyimpan  energi tidak  memerlukan  arus  sesaat  yang  sangat  besar  untuk memenuhi  beban  listrik.  Persyaratan  sebagai  MO, baterai  harus  mampu  memasok  energi  listrik  secara kontinyu  dalam  waktu  yang  cukup  lama  dalam  periode tertentu.
Para  peneliti  dan  pemerintah  saat  ini  termotivasi dengan  isu-isu  penghematan  energi,  pengurangan  emisi karbon  dan  peningkatan  efisiensi  penyimpanan  energi. Pemanfaatan  baterai  sekunder  dapat  menjadi  salah  satu solusi  yang  potensial  untuk  isu-isu  tersebut  [1]. Baterai sekunder  telah  diproduksi  dalam  berbagai  bentuk,  yaitu baterai  basah  (baterai  asam-timbal)  dan  baterai  kering (baterai  Lithium).  Beberapa  jenis  dari  baterai  tersebut telah dijual bebas, dan ada juga yang masih dalam tahap penelitian.  Baterai  kering  Lithium  jenis  Li-ion  telah dikomersialkan  dan  umumnya  digunakan  sebagai sumber  listrik  di  banyak  perangkat  portabel  karena memiliki  kerapatan  energi  spesifik  yang  tinggi  dan berumur  teknis  yang  panjang.  Dalam  beberapa  dekade terakhir,  pemakaian  baterai  Li-ion  berkembang  sangat pesat.  Baterai  Li-ion  mulai  diproduksi  massal  pada tahun  2003.  Pasar  global  baterai  ini  sudah  bernilai sekitar  satu  miliar  USD  pada  saat  itu  dan  pada  tahun 2014  berkembang  menjadi  4,5  miliar  USD,  dan penjualan  diprediksi  akan  lebih  besar  lagi  sampai dengan tahun 2020 [2] .
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) adalah salah satu jenis material yang digunakan dalam hampir semua jenis baterai Li-ion. Material LiFePO4  pada katoda memberikan kemampuan kepada baterai untuk mempertahankan  proses  discharge  agar  konstan  [3]. Namun  sisi  kelemahan  dari  LiFePO4  adalah  memiliki sifat kondutivitas  listrik yang rendah, di mana LiFePO4 murni  hanya  memilki  konduktivitas  listrik  rata-rata sekitar 10-9 S/cm [4]. Karbon aktif dapat dipergunakan untuk  meningkatkan  nilai  konduktivitas  LiFePO4. Untuk  meningkatkan  kinerja  baterai,  material  yang digunakan  sebagai  katoda  terdapat  campuran  unsur mangan  (Mn)  di  dalamnya  yaitu  LiMnxFe1-xPO4. Dengan  material  campuran  tersebut,  tegangan  kerja
baterai dapat dinaikkan dengan memperbesar kandungan unsur Mn dan kapasitas baterai dapat tingkatkan dengan menaikkan  kandungan  besi  (Fe)  di  dalam  campuran tersebut [5].
Karena  memiliki  banyak  kelebihan,  antara  lain: stabilitas  termal,  kinerja  dinamik,  dan  toleransi discharge  yang  baik  [6],  maka  baterai  Li-ion  biasanya digunakan  sebagai  penyimpan  energi  listrik  untuk Pembangkit  Listrik  Tenaga  Surya  (PLTS),  Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB), dan sistem UPS. Selain itu baterai  Li-ion  juga  dipergunakan  pada  kendaraan angkutan  dan  alat-alat  pertanian  [7].  Baterai  yang digunakan untuk aplikasi otomotif (kendaraan angkutan dan  alat-alat  pertanian)  memiliki  karakteristik  yang berbeda dengan baterai untuk aplikasi penyimpan energi listrik  (mode  penyimpan).  Baterai  untuk  kerja  MO mempersyaratkan  kapasitas  dan  tegangan  yang  lebih besar  daripada  untuk  MP,  karena  berfungsi  untuk mengasut dan menggerakkan perangkat yang memerlukan daya besar.
Baterai  Li-ion  akan  berkurang  kapasitasnya  setelah sekian  lama  dipergunakan  pada  mode  MO,  sehingga tidak  bisa  lagi  untuk  mengasut  dan  menggerakkan kendaraaan angkutan atau alat-alat pertanian, akan tetapi kemungkinan  masih  bisa  dimanfaatkan  untuk  sistem penyimpan  energi  listrik  seperti  dilaporkan  pada penelitian [8-10].
Dari  penelitian  yang  telah  dilakukan  [11-12], terdapat 3 cara untuk meningkatkan efisiensi baterai Li- ion,  yaitu:  (1)  baterai  sebagai  penyimpan  energi  listrik dioperasikan di  antara rentang  beban puncak dan  beban normal  untuk  mengurangi  rugi-rugi  penyaluran  daya listrik,  (2)  modifikasi  material  dan  proses  fabrikasi untuk  meningkatkan  volume  dan  kerapatan  energi baterai, (3) pemanfaatan baterai bekas untuk meningkatkan nilai pakai baterai tersebut.
Dari  hasil  penelitian  terkini,  pemanfaatan  baterai bekas adalah salah satu cara terbaik untuk meningkatkan nilai  pakai  dan  umur  baterai.  Sebagai  contoh  baterai otomotif  setelah  tidak  dapat  dipergunakan  lagi  oleh kendaraan,  selanjutnya  masih  dapat  dimanfaatkan sebagai penyimpan energi listrik, sehingga memperpanjang  nilai  pakai  dan  meningkatkan  kinerja baterai  secara  keseluruhan  jika  dihitung  dari  nilai investasinya [8, 11-13].
Dalam makalah ini diperkenalkan model dan strategi untuk transformasi baterai Lithium dari MO menjadi MP pada  sistem  PLTS  dengan  cara  membandingkan  nilai SOH  baterai  pada  MO  dan  MP  tersebut.  Selanjutnya nilai  efisiensi  optimum  baterai,  peralihan  dari  MO  dan MP  juga  ditentukan  sehingga  memperpanjang  nilai pakai  dan  meningkatkan  kinerja  baterai  secara keseluruhan.

## 2. Kapasitas Baterai
Kapasitas  baterai  adalah  ukuran  banyaknya  energi dalam  baterai  yang  dapat  dilepas  mulai  dari  keadaan penuhnya  sampai  habis.  Besar  kapasitas  baterai ditentukan  dalam  satuan  Ah.  Kapasitas  baterai dipengaruhi oleh discharge rate yang diterapkan kepada
baterai  tersebut.  Semakin  tinggi  nilai  arus  discharge akan mengakibatkan kapasitas baterai semakin berkurang.  Pengaruh  arus  discharge  terhadap    kapasitas baterai  dapat  ditentukan  dengan  kurva  kapasitas.  Kurva kapasitas baterai dibuat dengan cara mengukur kapasitas baterai  dengan  menerapkan  arus  discharge  konstan tertentu [14-15].
Untuk  menunjang  sistem  pembangkit  listrik  yang memanfaatkan  sumber  energi  terbarukan  seringkali menggunakan  nilai  discharge  rate  C/20.  Dengan discharge  rate  C/20,  baterai  100Ah  dapat  beroperasi dengan  arus  pelepasan  5A  selama  20jam  untuk mengosongkan  baterai.  Pada  proses  pengisian  baterai (charging)  maka  charge  rate  yang  paling  efisien  adalah antara  C/10  dan  C/3.  Tingkat  pengisian  tersebut  hanya dapat  dilakukan  dalam  periode  yang  singkat  dan  jika diterapkan untuk periode  yang  lama akan  menjadi tidak ekonomis.
Pelepasan  energi  tidak  boleh  dilakukan  sampai baterai  kosong  sama  sekali  karena  akan  memendekkan umur  baterai.  Umur  baterai  adalah  ukuran  lama maksimum  pemakaian  baterai  sampai  perlu  segera diganti.  Umur  baterai  dapat  dinyatakan  dalam  jumlah siklus, siklus penuh, kWh dan tahun. Satu siklus baterai sama  dengan  proses  pelepasan  energi  baterai  sampai pada  nilai  DOD  (depth  of  discharge)  tertentu  dan kemudian diisi penuh kembali.

## 3. Baterai Mode Otomotif
Baterai  otomotif  adalah  baterai  isi  ulang  sebagai pemasok  energi  listrik  ke  kendaraan  mobil.  Baterai  ini digunakan  untuk  mengasut  (starting),  pencahayaan (lighting)  dan  pengapian  (ignition)  kendaraan  sehingga disebut  juga  sebagai  baterai  SLI  (Starting-Lighting- Ignation). Adapun  fungsi utama  baterai otomotif  adalah untuk  menghidupkan  mesin.  Setelah  mesin  berjalan, daya  untuk  mobil  ini  diberikan  oleh  alternator.  Pada umumnya  penggunaan  baterai  untuk  mengasut  mesin kendaraan  memerlukan  proses  discharge  (DOD)  rendah (1% - 3%) dari kapasitas baterai, namun arus listrik yang dilepas  dari  baterai  sangat  tinggi  (100A  -  200A)  dalam periode  waktu  yang  singkat.  Selain  itu  baterai  juga berfungsi memasok energi listrik untuk perangkat listrik kendaraan (lampu, dll) pada saat mesin kendaraan dalam keadaan berhenti.
Baterai  Li-ion  pada  saat  ini  lebih  banyak  digunakan dibandingkan  dengan  baterai  asam-timbal  dengan pertimbangan  pengurangan  berat  total  kedaraan.  Untuk kendaraan  kecil  hanya  memerlukan  satu  baterai  Li-ion 12V. Sedangkan untuk kendaraan yang lebih besar (truk, traktor)  yang  bermesin  diesel  biasanya  menggunakan dua  baterai  Li-ion  12V  yang  dipasang  seri  untuk mendapatkan sistem 24V.
Besar  arus  listrik  yang  dilepas  oleh  baterai  dapat ditentukan  dan  diukur  berdasarkan  besaran  discharge rate  baterai.  Discharge  rate  adalah  ukuran  kemampuan baterai  menyalurkan  daya  listrik  secara  terus  menerus dalam  periode  waktu  tertentu  (discharge  time).  Pada umumnya  nilai  discharge  time  dari  baterai  otomotif berkisar  1-2  jam.    Baterai  juga  dapat  dinilai  dari
kapasitasnya  (dalam  satuan  Ah).  Baterai  berkapasitas 100Ah  berarti  baterai  tersebut  mampu  memasok  arus listrik sebesar 5A dalam waktu 20 jam. Namun kapasitas baterai  dapat  berubah  dan  tergantung  kepada  nilai discharge rate. Peningkatan discharge rate menyebabkan pengurangan  kapasitas  baterai.  Pengurangan  kapasitas baterai tidak linier terhadap peningkatan discharge rate.

## Tabel 1. Kapasitas Baterai dan Discharge Rate
Discharge Time (jam) Kapasitas 20 100% 10 87% 8 83% 6 75% 5 70% 3 60% 2 50% 1 40%
Penjelasan  dari  tabel  1  adalah  baterai  dengan kapasitas 100Ah dapat memasok kapasitas penuh 100% apabila  proses  discharge  dilakukan  selama  20  jam dengan  arus  5A.  Secara  teoritis  dengan  discharge  rate 50A  seharusnya  baterai  dapat  memasok  listrik  selama 100Ah  ÷  50A  =  2  jam.  Akan  tetapi  pada  kenyataannya untuk  2  jam  discharge  rate,  kapasitas  baterai  telah berkurang  menjadi  50%  (50Ah).  Sehingga  dengan discharge  rate  50A  baterai  hanya  mampu  memasuk listrik selama 50Ah÷50A = 1 jam.

## 4. Baterai Mode Penyimpan Energi
Baterai  penyimpan  energi  listrik  (misalnya:  PLTS) adalah  baterai  yang  digunakan  untuk  dapat  menyimpan energi listrik dalam jumlah besar, kemudian melepaskan energi  listrik  pada  saat  dibutuhkan  untuk  memasok kebutuhan beban listrik. Proses discharge baterai (DOD) pada  umumnya  dapat  dilakukan  sampai  80%  dari kapasitas  baterai.  Proses  DOD  pada  baterai  tidak diperbolehkan  lebih  tinggi  dari  80%  karena  dapat memperpendek usia pakai baterai tersebut.
Berbeda  dengan  mode  otomotif  di  mana  baterai harus  memasok  energi  yang  besar  dengan  cepat  untuk mengasut  mesin  penggerak  dengan  beban  yang  berat. Untuk  mode  penyimpan  energi,  baterai  hanya  perlu memasok energi yang cukup dalam rentang waktu yang lama untuk memenuhi kebutuhan beban listrik.

## 5. State of Health
State  of  health  (SOH)  adalah  indikator  yang menyatakan  kondisi  baterai  saat  ini  dibandingkan dengan  kondisi  idealnya.  Nilai  SOH  100%  berarti kondisi  baterai  sama  dengan  spesifikasi  baterai.  Pada umumnya,  baterai  baru  memiliki  SOH  100%  dan  nilai SOH  nya  akan  menurun  seiring  dengan  waktu pemakaian.
Nilai  SOH  adalah  parameter  penting  dalam  strategi migrasi  baterai  dari  MO  ke  MP,  karena  nilai  SOH menentukan  kondisi  kelayakan  baterai  dan  dapat memprediksi  usia  pemakaian  baterai.  Nilai  ambang
batas  SOH  yang  layak  tergantung  jenis  aplikasi  yang menggunakan  baterai.  Untuk  aplikasi  MO,  nilai  SOH yang layak adalah minimal antara 60%-70%, sedangkan untuk  MP  diperlukan  SOH  minimal  antara  30%-40%. Untuk  menentukan  SOH  dari  baterai  diperlukan parameter  lain  dari  baterai  yang  diperoleh  dari  hasil pengukuran, yaitu: resistansi internal, kapasitas, tegangan,  discharge  rate  dan  jumlah  siklus  charge- discharge.  Lama  waktu  pemakaian  baterai  dapat  diukur berdasarkan  jumlah  siklus  charge-discharge.  Parameter- parameter  tersebut  berubah  nilainya  seiring  dengan waktu lamanya pemakaian baterai. Semakin lama waktu pemakaian  baterai  dan  dengan  meningkatnya  discharge rate, maka nilai resistansi dalam baterai akan meningkat (konduktivitas  menurun),  serta  terjadi  pelemahan kapasitas  dan  tegangan  baterai.  Perubahan  nilai parameter-parameter  tersebut  mempengaruhi  perubahan nilai SOH baterai.

## 6. Hasil dan Bahasan
Grafik  efisiensi  baterai  Li-ion  60Ah  ditunjukkan pada  gambar  1.  Untuk  mendapatkan  data  charge- discharge  baterai  pada  mode  otomotif  (MO)  dan  mode penyimpan (MP), arus charge-discharge pada MO diatur antara  60A  –  300A  dengan  nilai  rata-rata  sekitar 180A. Kemudian  baterai  tersebut  digunakan  untuk  beroperasi pada  MP  di  sistem  PLTS  yang  terdiri  dari  panel  PV, inverter,  dan  baterai  Li-ion.  Selama  pengujian  MP dengan beban AC,  arus charge-discharge sekitar 30A.

## Gambar 1. Efisiensi Baterai
Efisiensi  baterai  ditentukan  pada  titik  migrasi  dari MO  ke  MP  dengan  menggunakan  4  model  migrasi baterai. Tabel 2 menunjukkan 4 model migrasi dari MO ke MP tersebut. Selama pengujian, setiap proses charge- discharge  baterai  tegangan  baterai  dijaga  berada  dalam rentang 2,0V dan 3,6V.
Dari hasil pengujian, baterai dengan efisiensi terbaik adalah model-400 yaitu mode MO 400 siklus dan mode MP  800  siklus.  Sedangkan  model-1000  menunjukkan kinerja  yang  paling  jelek  pada  MO  1000  siklus  dan migrasi ke MP 200 siklus. Hal ini disebabkan model-400 memiliki  resistansi  yang  paling  kecil  dibandingkan dengan model-600, model-800 dan model-1000.

## Tabel 2. Model Migrasi dari MO ke MP
Model (MO (Jumlah Siklus) MP (Jumlah Siklus) M-1000 1000 200 M-800 800 400 M-600 600 600 M-400 400 800
Selanjutnya  State  of  health  (SOH)  digunakan  untuk menentukan kinerja baterai pada berbagai kondisi proses siklus charge-discharge. Sehingga SOH dapat menentukan  tingkat  kerusakan  pada  baterai.  Hasil pengujian  menunjukkan  bahwa  nilai  SOH  setiap  model migrasi  adalah  sebagai  berikut:  model-1000  SOH  = 31,34%, model-800 SOH = 40,22%, model-600  SOH = 65,79& dan model-400 SOH = 98,10%. Dari hasil-hasil SOH,  model-400  mengalami  tingkat  kerusakan  yang paling  rendah  atau  dengan  kata  lain  dengan  nilai  SOH 98,10%  berarti  baterai  hanya  mengalami  kerusakan sedikit.

## 7. Kesimpulan
Baterai Lithium dapat diaplikasikan untuk beroperasi pada  MO  dan  MP  selama  siklus  pemakaian.  Dari  hasil analisis  model  migrasi  MO  ke  MP,  baterai  yang dioperaikan  sampai  400  sikuls  pada  MO  kemudian dialihfungsikan  ke  MP  (800  siklus)  memiliki  efisiensi dan SOH terbaik.

## Referensi
[1]. J. Shim,  K.A. Striebel, “Cycling performance  of  low-cost lithium ion batteries with natural graphite and LiFePO4”, Journal of Power Sources, vol. 119, hal. 955–958, 2013.
[2].  IEA,  Global  EV  outlook,  understanding  the  electric vehicle landscape to 2020, 2013.
[3].  S.G.  Stewart,  V.  Srinivasan,  J.  Newman,  “Modeling  the performance  of  lithium-ion  batteries  and  capacitors during  hybrid-electric-vehicle  operation”,  Journal  of  the Electrochemical  Society,  vol.  155(9),  hal.  A664–A671, 2008.
[4].  M.S.  Whittingham,  “Lithium  batteries  and  cathode materials”,  Chemical  Reviews,  vol.  104(10),  hal.  4271– 4301, 2004.
[5].  X.H.  Liu,  T.  Saito,  T.  Doi,  S.  Okada,  J.I.  Yamaki, “Electrochemical  properties  of  rechargeable  aqueous lithium  ion  batteries  with  an  olivine-type  cathode  and  a Nasicon-type anode”, Journal of Power Sources, vol. 189, hal. 706–710, 2009.
[6]. M.L. Lee, Y.H. Li, S.C. Liao, J.M. Chen, J.W. Yeh, H.C. Shih,  “Li4Ti5O12-coated  graphite  as  an  anode  material for  lithium-ion  batteries”,  Applied  Surface  Science,  vol. 258, hal. 5938–5942, 2012.
[7].  B.  Diouf,  R.  Pode,  “Potential  of  lithium-ion  batteries  in renewable energy”, Renewable Energy, vol. 76, hal. 375- 380, 2015.
[8].  L.  Ahmadi,  A.Yip,  M.  Fowler,  S.B.  Young,  R.A.  Fraser, “Environmental  feasibility  of  re-use  of  electric  vehicle batteries”,Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 6, hal. 64-74, 2014.
[9].  A.  Poullikkas,  “A  comparative  overview  of  large-scale battery  systems  for  electricity  storage”,  Renewable  and Sustainable Energy Reviews, vol. 27, hal. 778-788, 2013.
[10].  P.J.  Hall,  E.J.  Bain,  “Energy-storage  technologies  and electricity generation”, Energy Policy, vol. 36, hal. 4352- 4355, 2008.
[11].  C.  Heymans,  S.B.  Walker,  S.B.  Young,  M.  Fowler, “Economic  analysis  of  second  use  electric  vehicle batteries  for  residential  energy  storage  and  load- levelling”, Energy Policy, vol. 71, hal. 22-30, 2014.
[12].  J.S.  Neubauer,  A.  Pesaran,  B.  Williams,  M.  Ferry,  J. Eyer, A techno-economic analysis of PEV battery second use: repurposed-battery selling price and commercial and industrial  end-user  value,  in  Proceed.  The  SAE  World Congress 2012, hal. 24–26, 2012.
[13]. J.S. Neubauer, A. Pesaran, “The ability of battery second use strategies to impact plug-in electric vehicle prices and serve  utility  energy  storage  applications”,  Journal  of Power Sources, vol. 196, hal. 10351-10358, 2011.
[14]. Junaidi, A. Hiendro, Y.M. Simanjuntak, “Battery control strategy for hybrid power generation systems”,
International  Journal  of  Electrical  and  Computer Engineering, vol. 2, hal. 456-462, 2012.
[15]. A. Hiendro, “Aplikasi  metode variable charging strategy pada  sistem  photovoltaic/  mikrohidro/  diesel  untuk menghemat  penggunaan  bahan  bakar’,  ELKHA  Jurnal Teknik Elektro, vol. 1(2), 2008.