## ANALISIS DAN PENGUJIAN SISTEM BATERAI SATELIT LAPAN-
A2/ORARI

## (ANALYSIS AND TEST OF LAPAN A2/ORARI SATELLITE BATTERY SYSTEM)
Abdul Karim, Wahyudi Hasbi Peneliti Pusat Teknologi Satelit, Lapan e-mail: karim.lapan@gmail.com

## ABSTRACT
The battery storage is one of satellite power system that will supply the power to satellite  when  the  satellite  on  eclipse  orbit  or  day  night.  For  supporting  the  LAPAN- A2/ORARI  power  budget,  it  uses  three  battery  packages  with  18.3  Ah  capacities, nominal 15 Volt. This paper described analysis of the battery testing by charging and discharging  method.  The  data  will  be  recorded  and  analysed  using  the  software.  The results  showed  a  total  capacity  of  LAPAN-A2/ORARI  satellite  battery  is  18.287 Ah/307.221 Wh and the value of operational is 18.078 Ah/303.710 Wh on 16.8 Volt.
Key words: Power, Battery, Charging, Discharging

## ABSTRAK
Penyimpanan daya listrik dalam baterai sangat diperlukan sistem satelit sebagai pasokan  daya  satelit  pada  saat  orbitnya  tidak  mengalami  cahaya  matahari  ( eclipse ). Untuk memenuhi kebutuhan tersebut sistem LAPAN-A2/ORARI dilengkapi oleh 3 buah paket  baterai  dengan  spesifikasi  total  daya  18,3  Ah  pada  tegangan  nominal  15  Volt. Dalam  makalah  ini  akan  dijelaskan  analisis  hasil  pengujian  baterai  dengan  cara charging dan discharging. Data daya listrik setiap baterai akan direkam menggunakan perangkat  lunak  dan  kemudian  akan  dilakukan  analisis  data.  Hasil  analisis menunjukan  total  kapasitas  baterai  satelit  LAPAN-A2/ORARI  adalah  18,287  Ah/ 307,221 Wh dan nilai operasional adalah 18,078 Ah/303,710 Wh pada tegangan 16,8 Volt.
Kata kunci: Daya listrik, Baterai, Charging, Discharging

## 1  PENDAHULUAN
Satelit LAPAN-A2/ORARI dirancang sebagai  satelit  kelas  mikro  (<  100  kg) dengan sistem daya listrik menggunakan panel surya yang menempel pada badan satelit ( body mounted solar panel ). Satelit ini mempunyai dimensi 500 mm x 470 mm x  380  mm.  Misi  utama  satelit  LAPAN- A2/ORARI  adalah  pemantauan  bumi menggunakan kamera analog dan digital, pemantauan maritim menggunakan Automatic Identification System (AIS), dan misi  amatir  untuk  mendukung  mitigasi bencana.
Sistem daya listrik satelit merupakan salah satu  subsistem dalam
sistem  satelit  yang  berfungsi  memasok/ mensuplai daya listrik ke seluruh sistem satelit, termasuk bus satelit dan muatan ( payload ) selama satelit beroperasi yaitu awal  beroperasi  sampai  dengan  akhir operasi  dari  hidup  satelit.  Selama  masa tersebut, daya listrik harus disediakan.
Sistem daya listrik secara lengkap terdiri  dari  sumber  daya  listrik  (solar panel),  penyimpan  daya  listrik  (baterai sekunder), distribusi power dan kontrol. Penyimpan  daya  listrik  diperlukan sebagai  pasokan  daya  pada  saat  satelit pada  orbitnya  tidak  mengalami  cahaya matahari ( eclipse ). Sedangkan rangkaian
distribusi daya berfungsi memasok daya pada subsistem-subsistem satelit lainnya.
Dalam tulisan ini akan dijelaskan analisis  dan  pengujian  sistem  baterai yang  digunakan  satelit  LAPAN-A2/ ORARI  sehingga  dapat  diketahui  nilai kapasitas baterai yang tersedia terhadap kebutuhan  daya  listrik  operasional sistem satelit.

## 2  SISTEM  BATERAI
Baterai  adalah  perangkat  yang tidak  dapat  dipisahkan  dalam  sistem satelit.  Sistem  ini  akan  menyediakan daya  listrik  untuk  misi  yang  pendek atau  sebagai back-up untuk  misi  yang panjang.  Satelit  menggunakan  solar panel  sebagi  sumber  energi  utama  dan menyimpan  energi  ke  dalam  baterai. Baterai  tersebut  akan  digunakan  untuk kebutuhan  daya  listrik  yang  sangat tinggi  atau  pada  saat  terjadi eclipse . [Wertz,  James  R.  and  Larson,  Wiley  J., 1999]
Banyak  jenis  baterai  yang  dapat digunakan di dalam sistem satelit. Tabel 2-1 berikut memperlihatkan perbandingan bermacam-macam jenis baterai.
Tabel 2-1: PERBANDINGAN  JENIS  BATERAI [Carole A. Hill, 1998]
Technology System level Specific energy (WHr/Kg) @ 100%DOD Ni-Cd 35 NiMH2 42 NiH2 40 NaS 100 Li-Ion 150 Sistem baterai yang akan
digunakan di dalam sistem satelit harus dilengkapi dengan sistem Battery Charge Regulator (BCR), yaitu suatu sistem yang digunakan  untuk  mengontrol  proses charge / discharge baterai. Charge adalah proses  pengisian  ulang  energi  baterai, sedangkan discharge adalah  proses pemakaian  energi  baterai.  Perancangan BCR  perlu  disesuaikan  dengan  jenis baterai yang akan digunakan (Ni-Cd, Ni- Mh,  Ni-H,  Li-Ion,  atau  Lead  Acid), kapasitas baterai, dan tegangan baterai.
Blok  diagram  BCR  diperlihatkan  dalam Gambar 2-1.
Gambar 2-1: Blok  diagram Battery  Charge Regulator [Steven Shackell, 2013]
BCR  akan  berfungsi  mengontrol proses charge supaya  baterai  tersebut dapat  menyimpan  energi  listrik  sesuai dengan  kapasitasnya  sehingga  tidak terjadi over  charge dan  juga  mengontrol proses discharge sesuai dengan Depth Of Discharge (DOD) yang diinginkan sehingga  tidak  terjadi over  discharge . Jika  terjadi over  charge dan over discharge ,  baterai  akan  cepat  rusak sehingga umur baterai tidak lama.  DOD adalah suatu ketentuan yang membatasi tingkat  kedalam discharge maksimum yang  dapat  diberlakukan  pada  baterai tersebut.    Pengaturan  DOD  sangat berperan dalam menjaga usia pakai ( life time )  dari  baterai  tersebut.    Semakin dalam DOD, maka semakin pendek usia pakai  dari  baterai  tersebut.  [Gang  Ning, and Branko N. Povop, 2014]

## 3  SISTEM POWER LAPAN-A2/ORARI
Satelit LAPAN-A2/ORARI dirancang menggunakan  baterai  Lithium-Ion  yang dimanufaktur  oleh  Vectronic  Aerospace GmbH.[ LAPAN-A2/ORARI Team, 2012]
Gambar 3-1: Paket baterai Lithium-Ion
Paket  baterai  tersebut  tersusun secara  seri  dan  parallel  sehingga  dapat menghasilkan tegangan maksimum kurang  lebih  16,8  Volt  dan  kapasitas arus  6,5  Ah.  LAPAN-A2/ORARI  akan membawa 3 buah paket beterai sehingga dapat  menyimpan  daya  listrik  dengan kapasitas maksimum arus 19,5 Ah.
Solar Panel 1 Solar Panel 2 Solar Panel 3 Solar Panel 4 Supply charge U U U I I I B A T 1 B A T 3 B A T 3 BCR BCR BCR SISTEM SATELIT Gambar 3-2: Sistem power LAPAN-A2/ORARI [Gang Ning, and Branko N. Povop, 2014]
Sel  baterai  yang  digunakan adalah buatan SAFT yang telah diseleksi dan  dikualifikasi  oleh  EADS  Astrium untuk  digunakan  dalam  sistem  satelit. Sistem  baterai  inipun  telah  dilengkapi Sistem  Manajemen  Baterai  (SMB)  yang berfungsi untuk:
 Mengukur  besarnya  tegangan  masing- masing sel baterai dan total baterai.
 Memonitor suhu baterai.
 Proteksi  sel  baterai  dari over  voltage dan under voltage .
 Melakukan balancing untuk  memasti- kan  setiap  sel  mempunyai  tegangan yang sama.
 Mengukur  besarnya  arus charge/ discharge .
Dalam  keadaan standby dan mode auto  balancing konsumsi  SMB berkisar  0.35  W  atau  23  mA  pada tegangan  15  Volt.  Antarmuka  sistem baterai  ini  menggunakan  komunikasi asynchronous dengan  level  RS422  dan data rate 115200 bps.

## 4  POWER BUDGET SATELIT  LAPAN- A2/ORARI
Untuk  mengetahui  kebutuhan daya  listrik  satelit  dapat  dilihat  dalam analisis power budget satelit  LAPAN- A2/ORARI. Perhitungan kebutuhan daya listrik didasarkan pada kebutuhan daya listrik  dari  setiap  misi  yang  akan dijalankan  oleh  sistem  satelit.    Adapun misi  satelit  LAPAN-A2/ORARI  dapat dibagi menjadi 4 mode yaitu:
 Standby  Mode adalah  mode  dimana satelit dalam keadan hibernasi.
 Picture  Mode adalah  mode  satelit bekerja untuk mengambil gambar.
 Download  Mode adalah  mode  satelit melakukan  transmisi  pengiriman  data gambar ke stasiun bumi.
 AIS Mode adalah mode satelit menghidupkan  perangkat Automatic Identification System (AIS).
Pengukuran  dilakukan  berdasar- kan  hasil  pengujian  langsung  terhadap masing-masing perangkat dengan supply tegangan  diasumsikan  sebesar  15  Volt. Kemudian  dikelompokan  berdasarkan mode  operasi  dimana  dalam  mode tersebut  perangkat  apa  saja  yang  akan dihidupkan.  Adapun  hasilnya  dapat dilihat dalam Tabel 4-1.
Tabel 4-1: KONSUMSI DAYA LISTRIK SATELIT LAPAN-A2/ORARI PER JAM PADA TEGANGAN 15 VOLT
Device Arus [A] Durasi [jam] Kapasitas [Ah] Energy [Wh] Standby Mode PCDH 0,080 1 0,080 28.80 TTC 0,085 1 0,085 30.60 Coil 0,250 1 0,250 90.00 Wheel+WDE x2 0,170 1 0,170 68.40 Gyro 0,036 1 0,036 26.40
Total 0,621 244,2 Picture Mode S-Band Transmitter  0,413 0,25 0,103 1.545 S-Band Switch 0,164 0,25 0,041 0.615 Wheel & WDE 0,085 0,25 0,021 0.315 Gyro 0,036 0,25 0,009 0.135 Star Sensor 0,196 0,25 0,049 0,735 GPS 0,124 0,25 0,031 0.465 Sony Camera 0,620 0,25 0,155 2.325 Space Cam 0,557 0,25 0,139 2.085 Video Recorder 0,162 0,25 0,041 0.615 Total 0,499 8,100 Download Mode S-Band Transmitter  0,413 0,33 0,136 2.040 S-Band Switch 0,164 0,33 0,054 0.810 Wheel & WDE 0,085 0,33 0,028 0.420 Gyro 0,036 0,33 0,011 0.165 Star Sensor x 2 0,392 0,33 0,129 1.935 GPS 0,124 0,33 0,041 0.615 Video Recorder 0,162 0,33 0,053 0.795 Total 0,452 6,780 AIS Mode S-Band Transmitter  0,413 0,33 0,136 2.040 S-Band Switch 0,164 0,33 0,054 0.810 AIS Receiver 0,030 0,33 0.010 0.150 GPS 0,124 0,33 0,041 0.615 AIS Controller 0,037 0,33 0,012 0.180 Total 0,253 3,795 5  ANALISIS DAN PENGUJIAN
Pengujian  dilakukan  dengan  2 metode  yaitu charging dan discharging .
Adapun  parameter  yang  digunakan dalam proses ini adalah;
C = 6.5 Ah I = 1 A C rates = 1/6.5 = 0,16C
Keterangan:
C = kapasitas baterai I = konsumsi arus C rate = rates capacity
Proses charging dilakukan  pada saat  baterai  dalam  keadaan  minimum dengan  metode  konstan  arus. Power supply diset  dengan  nilai  tegangan  16,8 Volt  dan  arus  1  Ampere.  Dalam  hal  ini baterai  mulai  dapat  diisi  pada  saat kurang  lebih  14,7  Volt.  Nilai  ini didapatkan dari sistem baterai manajemen yang disediakan oleh paket baterai VLB- 47.  Proses  ini  berjalan  hingga  tegangan
supply mencapai nilai 16,8 Volt dan 10% arus dari 1 Ampere, yaitu 100 mA.
POWER SUPPLY
BATERAI PERANGKAT LUNAK CHARGER RS422 115200 bps Gambar 5-1: Pengujian Charging Baterai
Sedangkan  proses discharging dilakukan  pada  saat  baterai  dalam keadaan  maksimum.  Baterai  di- drain atau  dikuras  menggunakan  beban dengan konsumsi arus 1 A.
DC LOAD 1A BATERAI PERANGKAT
LUNAK
CHARGER
RS422 115200 bps Gambar 5-2: Pengujian Discharging Baterai
Pengujian  juga  dilakukan  meng- gunakan perangkat lunak yang dirancang sendiri seperti tampak dalam Gambar 5-3. Perangkat  lunak  ini  dapat  digunakan untuk proses charging maupun discharging perangkat  lunak  dapat membaca  data  dan  menyimpannya dalam file.
Gambar 5-3: Perangkat lunak Charge/ Discharge Baterai
Data  yang  ditampilkan  oleh perangkat lunak adalah: a,bb.bbbbbb,cc.cccccc,dd.dddddd,ee.eee eee,ff.ffffff,gg.gggg,hhhhhhhhhhhhhhhh
Keterangan:
a = counter b = tegangan sel baterai 1 c = tegangan sel baterai 2 d = tegangan sel baterai 3 e = tegangan sel baterai 4 f  = tegangan baterai total g = temperature baterai h = status register (16 bit)
Pengujian  ini  dilakukan  terhadap 7  buah  paket  baterai  Lithium-Ion  dan
akan  diambil  tiga  paket  baterai  terbaik yang  akan  digunan  oleh  satelit  LAPAN- A2/ORARI.  Adapun  nomor  seri  paket baterai yang akan diuji  adalah: SN1026, SN1125,  SN1126,  SN1128,  SN1130, 1131, dan SN1132.
Pengambilan data dilakukan
setiap  10  detik  sekali  selama  nilai tegangan  total  baterai  mencapai  16,8 Volt  dan  arusnya  100  mA  untuk  proses charging .  Sedangkan  untuk  proses discharging adalah nilai tegangan mencapai  12  Volt.  Jumlah  data  yang terekam  untuk  masing-masing  baterai dapat dilihat dalam Tabel 5-1.
Tabel 5-1: WAKTU PENGAMBILAN DATA Baterai Jumlah data Waktu (jam) SN1026 2038 5,661 SN1125 2061 5,725 SN1126 1911 5,308 SN1128 2059 5,719 SN1130 1914 5,389 SN1131 1802 5,005 SN1132 2068 5,744 Rata-rata 1979 5,507
Jumlah  rata-rata  pengambilan data adalah sebanyak 1979 data selama 5,507 Jam.
Untuk mengetahui nilai kapasistas masing-masing  paket  baterai  dapat dapat  dilihat  dalam  data  rekam  proses pengujian discharging seperti  tampak dalam dalam Gambar 5-4.
Gambar 5-5: Grafik Charge/Discharge baterai LAPAN-A2/ORARI
Berdasarkan grafik (Gambar 5-4), nilai  kapasistas  baterai  terbesar  adalah paket baterai dengan nomor seri SN1128 yaitu  6,286  Ah.  Kemudian  diikuti  oleh SN1026  sebesar  6,162  Ah  dan  SN1132 sebesar 5,839 Ah.
Ketiga  baterai  tersebut  akan digunakan  dalam  sistem  satelit  LAPAN- A2/ORARI yang dikoneksi secara paralel sesuai dengan Gambar 3-2.
Adapun  nilai  tegangan  totalnya merupakan nilai rata-rata dari penjumlahan ketiga paket baterai tersebut.
Sedangkan  nilai  Ah  ( Ampere  hour) -nya merupakan  penjumlahan  ketiga  paket baterai tersebut.
Berdasarkan grafik discharge dalam Gambar 5-4 maka dapat dihitung nilai  total  kapasistas  baterai  LAPAN- A2/ORARI adalah:
Ah
Adapun  nilai  operasional  total kapasistas  baterai  dapat  dianalisis dengan  cara  mensinkronkan  waktu ketiga  buah  paket  data  tersebut.    Nilai sinkronisasi  didapatkan  pada  nilai jumlah  sampling  terkecil  dari  tiga  paket
baterai  yang  dipilih  yaitu  2038  data selama  5,661  jam  (Tabel  5-1).  Dengan demikian  didapatkan  nilai  operasional total  kapasistas  baterai  adalah  18,078 Ah seperti tampak dalam Gambar 5-5.
Baterai  SN1026  harus  di- switch off ketika  proses discharge melebihi 5,661  jam  karena  sudah  melebihi  batas minimum discharge begitu  juga  dengan baterai  SN  1128  pada  saat  waktu  ke 5,719  jam  dan  baterai  SN1128  pada waktu  ke  5,744  jam.    Ketika  salah  satu baterai  harus  dimatikan  maka  total kapasitas  baterai  akan  mengalami penurunan secara drastis.  Hal tersebut dapat  mengakibatkan  persentase  DOD meningkat.  Oleh  sebab  itu  diperlukan sistem balancing untuk mengatur proses discharge ketiga  buah  baterai  tersebut. Sehingga delta kapasitas    masing- masing baterai tidak terlalu besar.

## 6  KESIMPULAN
Hasil pengujian menunjukkan total kapasitas  baterai  satelit  LAPAN-A2/ ORARI  adalah  18,287  Ah/307,221  Wh sedangkan  nilai  operasionalnya  adalah 18,078  Ah/303,710  Wh  pada  tegangan 16,8 Volt.
Perbedaan  nilai  kapasistas  yang dihasilkan  oleh  masing-masing  paket baterai  menjadi  persyaratan  perancangan sub  sistem power satelit  untuk  menam-
bahkan  sistem balancing sehingga delta proses charging dan discharging antara paket baterai tidak terlalu besar.

## DAFTAR RUJUKAN
Carole  A.  Hill,  1998. Satellite  Battery Technology- Tutorial and Overview ,
The Aerospace coorporation, IEEE.
Gang Ning, and Branko N. Povop, 2014.
Cycle  Life  Modeling  of  Lithium-Ion Batteries , Journal of Electrochemica
Society.
LAPAN-A2/ORARI  Team,  2012.  Technical Document  On  LAPAN-A2/ORARI Satellite, LAPAN Internal Document. Steven Shackell, Constant Current Regulator Charging Circuit , Application, http://onsemi.com diakses 15-07-2013.
Wertz,  James  R.  and  Larson,  Wiley  J., 1999. Space Mission Analysis and Design , Kluwer Academic Publishers, USA.