Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.1, April 2021, Hal. 9-15 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i1.2137

## Desain Penyeimbangan Sel Baterai Lithium-Ion
dengan Teknik Cell-to-Cell Charging Mode pada Battery Management System (BMS)

## Khaeruddin¹, Wijono², Rini Nur Hasanah 3
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Brawijaya Malang¹ Jurusan Teknik Elektro, Universitas Brawijaya Malang² Jurusan Teknik Elektro, Universitas Brawijaya Malang 3 *lamone41@gmail.com¹, wijono@ub.ac.id², rini.hasanah@ub.ac.id 3

## ABSTRACT
This paper discusses the balance between lithium-ion battery cells in the BMS (Battery Management System) of an electric car. The unbalanced condition during the battery charging process is caused by one of the batteries that are fully charged while part of it is still half or even only  half-full. This condition can cause the battery to heat up quickly, and pass the SOA (safety of area) condition, causing a fire in the battery. In this study, the cell-to-cell technique is proposed to balance the charge  to  each  battery  cell  to  approximate  the  same  condition.  The  simulation  results  show  that  the  use  of  cell-to-cell balancing  technique  can  balance  the  battery  charge.  The  charging  process  for  battery1,  battery2,  battery3  has  different voltages 4.15V, 4.20V, and 4.25V. The balancing occurs at the beginning of the 6000s, while the overall balancing of the battery occurs at 10000s, which is both 4.15V and the current has decreased significantly..
Keywords: Balancing, Cell, Battery, Lithium-ion, Cell-to-Cell, BMS.

## INTISARI
Makalah ini membahas tentang penyeimbangan arus charging baterai lithium-ion pada BMS (Battery Management System) mobil listrik. Kondisi tidak seimbang pada saat proses pengisian baterai disebabkan karena salah satu baterai yang sudah terisi penuh sedangkan sebagiannya masih separuh atau bahkan hanya seperampat saja yang terisi. Kondisi ini dapat menyebabkan baterai cepat panas, serta melewati kondisi SOA (Safety of Area) sehingga menyebabkan kebakaran pada baterai. Pada penelitian ini, teknik cell-to-cell diusulkan untuk menyeimbangkan arus pengisian ke masing-masing sel baterai agar mendekati kondisi sama rata. Hasil simulasi menunjukan bahwa penggunaan teknik balancing cell-to-cell dapat menyeimbangkan sel baterai selama masa pengisian. Proses charging untuk baterai1, baterai2, baterai3 mempunyai tegangan yang berbeda yaitu 4,15V, 4,20V, dan 4,25V. Awal terjadi penyeimbangan pada waktu 6000s, sedangkan mulai terjadi penyeimbangan secara keseluruhan baterai terjadi di waktu 10000s yaitu sama-sama 4,15V dan arus mengalami penurunan secara signifikan.
Kata kunci: Penyeimbangan, Sel, Baterai, Lithium-ion , Cell-to-Cell, BMS .

## I. PENDAHULUAN
Penelitian ini membahas tentang desain penyeimbangan  sel  baterai lithium-ion dengan  teknik cell-to-cell pada BMS  (Baterai  Management  System) . Kondisi tidak seimbang pada baterai disebabkan karena adanya  perbedaan  tegangan  antara  sel  dalam  satu battery-pack [1]. Ketidakseimbangan sel ( cell imbalanace ) pada baterai dapat mempengaruhi proses charging/discharging baterai lithium-ion , yang pertama SOC (State of Charge) imbalance disebabkan oleh  proses charging pada  beberapa  sel  yang
mempunyai level SOC yang berbeda, kedua perbedaan kapasitas total baterai, ketiga perbedaan impedansi[2][13]. Secara umum teknik penyeimbangan sel baterai ada dua yaitu : cell-to-cell dan cell-to-bateray , teknik cell-to-cell digunakan untuk penyeimbangan skala kecil dan menengah, sedangkan untuk tenik cell-to-battery digunakan untuk penyeimbangan  skala  yang  lebih  kompleks[3].  Pada penelitian  ini  menggunakan  teknik  penyeimbangan cell-to-cell .
Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.1, April 2021, Hal. 9-15 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i1.2137
Kondisi  sel  baterai  yang  tidak  seimbang  dapat menyebabkan thermal  runaway , cell  degradation , incomplete  cahrging ,  dan incomplete  discharging . Solusi yang diusulkan menggunakan teknik penyeimbangan cell-to-cell untuk membuat sel baterai dalam kondisi seimbang[4][14].

## II. LANDASAN TEORI

## A. Cell Balancing
Kondisi  sel  baterai  yang  tidak  seimbang  dapat menyebabkan  kerusakan  lebih  dini  pada  sel  tersebut. Ketidakseimbangan dapat menciptakan ruangan kosong  dalam  sel-sel battery-pack, contoh pada Gambar  1  tiap-tiap  sel  memiliki SOC yang  berbeda. Pada gambar (a) sebelum dilakukan proses penyeimbangan,  banyak  ruang  kosong  yang  belum sepenuhnya  terisi.  Pada  gambar  (b)  setelah  proses penyeimbangan,  sel  1  dijadikan  acuan  saat  proses berlangsung,  setelah  proses  tersebut  selesai  tidak banyak lagi ruang kosong yang ada atau bisa dikatakan kondisi SOC battery-pack sudah hampir sama[1]. Teknik balancing ada dua, passive balancing dan active  balancing.  passive  balancing bekerja  dengan cara mengambil muatan dari sel yang mempunyai SOC paling banyak dan ditransfer ke sel yang memiliki SOC paling sedikit. Cara ini menimbulkan efek panas pada baterai, sifat  dari  teknik  ini  energi  terbuang  dalam bentuk  panas  karena  hanya  sebagian  sel  yang  terisi penuh. Active  balancing bekerja  dengan  cara mengambil  muatan  dari  sel  yang  muatannya  paling banyak  dan  ditransfer  ke  sel yang  muatan  energinya paling  sedikit,  sehingga  muatan  energi  pada  sel  yang ada didalam battery pack persis sama sifat dari teknik ini energi teralirkan antara sel, sehingga kondisi antar sel seimbang dan tidak menghasilkan panas[5][11]
Gambar 1. Proses penyeimbangan baterai: (a) baterai tak seimbang, (b) baterai seimbang

## B. Teknik Penyeimbang Cell-to-Cell
Metode  ini  menggunakan  satu  induktor  yang berfungsi  untuk  menjaga  keseimbangan battery-pack termasuk semua sel[6]. Rangkaian teknik penyeimbangan cell-to-cell dengan menggunakan satu induktor dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Rangkaian active cell balancing single inductor
Metode ini dapat melakukan proses penyeimbangan di seluruh sel yang ada pada battery- pack, siklus  kerja  switching  penyeimbangan    adalah 50%.  Kontroller  memilih  sel  yang  memiliki SOC paling tinggi dan SOC paling rendah, kemudian energi dialirkan  dari  yang SOC paling  tinggi  ke SOC paling rendah[7].  Cara  kerja  rangkaian  ini  terdiri  dari  dua tahap,  pertama  dari  sel  yang  memiliki SOC paling tinggi ke induktansi dalam setengah siklus, kedua dari induktor ke sel yang memiliki SOC paling rendah untuk setengah  siklus  berikutnya.  energi  ditransfer  dari induktor ke sel SOC lebih rendah[8][9].

## C. Desain model baterai Lithium-ion
Blok Equivalent Circuit Battery mengimplementasikan sirkuit  baterai Resistor-Capasitor  (RC) yang  dapat diparameterkan  menggunakan Equivalent  Circuit
Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.1, April 2021, Hal. 9-15 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i1.2137
Desain Penyeimbang Sel Baterai…(Khaeruddin, dkk.)
Modeling  (ECM) .  Untuk  mensimulasikan State-Of-
Charge (SOC) dan tegangan terminal blok menggunakan arus beban dan suhu inti internal. Blok Equivalent  Circuit  Battery menghitung  tegangan  dari baterai gabungan menggunakan tabel lookups parameter. [10]
Gambar 3. One time constant model (OTC)

## Equivalent Circuit Battery
Kemudian  melakukan  perhitungan state-of- charge SOC adalah sebagai berkut:
𝑆𝑂𝐶 = 1 − 𝑄𝑒/𝐶𝑄 ..............................................    (1)
Dimana  CQ  adalah  kapasitas  dari  cell  pada  arus discharge ,  akibatnya  apapun  definisi  SOC  harus mempertimbangkan  kondisi  di  bawah  dimana  sel dilepaskan dan mengacu pada arus dan suhu keluaran tertentu di mana SOC telah dievaluasi. [10]  Fungsi tiap elemen  yang  ada  pada  Gambar  3 one  time  constant model (OTC) Equivalent Circuit Battery adalah fungsi SoC dan suhu, berikut ini adalah uraiannya [10]
𝑅0 = 𝑅0(𝑆𝑂𝐶, 𝑇) ..................................................(2) 𝑅1 = 𝑅1(𝑆𝑂𝐶, 𝑇) ..................................................(3) 𝐶1 = 𝐶1(𝑆𝑂𝐶, 𝑇) ..................................................(4) 𝐸𝑚 =  𝐸𝑚(𝑆𝑂𝐶, 𝑇) ...............................................(5)
Pemodelan onetime  constant  model  (OTC) Equivalent  Circuit  Battery didalam  simscape  matlab dapat dilihat pada Gambar 4.[10][12]
Gambar 4. Model Simscape Equivalent Circuit Battery

## III. METODE PENELITIAN
Teknik  penyeimbangan cell-to-cell diusulkan untuk  menyeimbangkan  antar  sel  baterai.  Aplikasi Matlab-R2018b  digunakan  untuk  mendesain  dan merancang Battery Management System (BMS).

## A. Perancangan Cell Baterai
Rangkaian dasar ekivalen baterai dirancang dalam simulasi SimScape  MATLAB  Simulink ,  dimana  untuk satu cell baterai diwakili oleh dua buah Resistor, satu buah  kapasitor  dan  satu  sumber  tegangan.  Pada perancangan model baterai ini memanfaatkan SimSpace  Component yang  bisa  di customize berdasarkan  kebutuhan,  contohnya  disini  adalah komponen  resistor,  kapasitor,  dan voltage  source . Untuk masing-masing komponen lain seperti kapacitor dan voltage source juga di inputkan listing code pada SimScape  Component yang  sudah  di create .  Setelah semua komponent dicreate dan selesai langsung semua kompoen itu dirangkai menjadi sebuah Cell Baterai.
component R_table < foundation.electrical.branch inputs
T = {20+273.15, 'K' }; %T:left SOC = {1, '1' }; %SOC:left end outputs pow = {0, 'W' }; % POW:right end parameters (Size=variable)
R_Table = {1e-3*ones(5,3), 'Ohm' }; % Resistance Table vs SOC, Temp (MxN array) SOC_Table  =  {[0;0.1;0.5;0.9;1], '1' } %  SOC Breakpoints (Mx1 array)
Temp_Table  =  {[273.15  293.15  313.15], 'K' } % Temperature Breakpoints (1xN array)
end function setup
% Check parameter values if any(any(value(R_Table, 'Ohm' )<=0)) pm_error( 'simscape:GreaterThanZero' , 'Resistance Table vs SOC, Temp (MxN array)' ); end
if any(value(SOC_Table, '1' )<0) pm_error( 'simscape:GreaterThanOrEqualToZero' , 'SOC Breakpoints (Mx1 array)' ); end if any(value(Temp_Table, 'K' )<0)
pm_error( 'simscape:GreaterThanOrEqualToZero' , 'Tem perature Breakpoints (1xN array)' ); end
Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.1, April 2021, Hal. 9-15 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i1.2137
Gambar 5. Sel Baterai di MATLAB

## B. Perancangan Cell Baterai
Teknik  penyeimbangan  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  adalah  teknik cell-to-cell salah  satu model  rangkain  yang  menggunakan  prinsip  kerja  ini adalah single modle inductor.
Tabel 1. Teknik penyeimbangan cell-to-cell pada rangkaian single inductor model
Proses  teknik  penyeimbangn  cell-to-cell  pada rangkaian  single  modle  inductor  dapat  dilihat  pada tabel 1. Adapun proses switching antara charging dan discharging  antar  sel,  Jika  CELL1  dalam  kondisi muatan terisi penuh dan CELL2 dalam kondisi muatan tidak terisi penuh, maka muatan yang tersimpan dalam CELL1  akan  ditransfer  ke  CELL2  yang  masih memiliki ruang kosong untuk menampung muatan.
Pada proses transfer muatan memiliki dua tahapan yaitu,  pertama muatan akan ditransfer terlebih dahulu ke  induktor,  induktor  disini  berfungsi  untuk menyimpan  sementara  muatan  yang  akan  di  transfer nantinya ke CELL2 dengan mengaktifkan Q4 dan Q9, kedua  muatan  yang  tersimpan  di  induktor  akan ditransfer  ke  CELL2  yang  masih  memiliki  ruang kosong  penyimpanan  dengan  mengaktifkan  Q4  dan Q7.
Gambar 6. Rangkaian single inductor model

## IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Hasil  simulasi  dari    penyeimbangan  sel  baterai lithium-ion dengan  teknik cell-to-cell charging  mode pada Battery  Management  System  (BMS) secara keseluruhan berikut.
Gambar 7. Rangkaian single inductor model di MATLAB
CELL H-SoC CELL
1 CELL 1 CELL 2 CELL 2 CELL
3 CELL
3
CELL
L-SoC CELL 2 CELL 3 CELL 1 CELL 3 CELL 1 CELL 2
T ON= αT c Q4,Q9
Q4, Q9 Q5,Q8 Q5,Q8 Q1,Q7 Q1,Q7
T OFF= T C -T ON Q4,Q7 Q5,Q6 Q3,Q8 Q5,Q6 Q3,Q8 Q4,Q7
Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.1, April 2021, Hal. 9-15 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i1.2137
Pada  Gambar  8  merupakan  proses  sel  balancing antara ketiga sel, untuk warna merah sel SOC 1, warna biru sel SOC 2, warna kuning sel SOC 3.
Gambar 8. Sel Balancing SOC saat mode charging pada sel baterai
Proses  charging  dimulai  dengan  nilai  SOC  yang berbeda,  terlihat  bahwa  SOC  dari  setiap  sel terkonvergensi  ke  nilai  yang  terus  meningkat  selama pengisian  baterai  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar 8, jika diperbesar terlihat pada Gambar 9.
Gambar 9. Cell Balancing SOC saat mode charging pada sel baterai diperbesar
Seperti pada karakteristik lithium-ion LIR 18650, jika  tegangan  semakin  meningkat  pada  saat  proses charging  maka  arus  akan  berada  di  posisi  sebaliknya yaitu  akan  menurun  seperti  terlihat  pada  Gambar  9. Pada  Gambar  8  menunjukan  peningkatan  kapasitas baterai1,  baterai2  dan  baterai3  saat  terjadi  proses charging, untuk baterai2 dan baterai3 yang paling cepat mengalami peningkatan kapasitas.
Ini  terjadi  karena  kondisi  kapasitas  awal  kedua baterai  ini  lebih  besar  jika  dibandingkan  dengan baterai1.  Mulai  terjadi  penyeimbangan  antara  baterai dan  baterai  dua  pada  waktu  6000s  sedangkan  terjadi penyeimbangan kapasitas pada ketiga baterai di waktu 10000s.
Gambar 10. Proses charging tegangan pada baterai 1 meningkat arus menurun
Gambar 11. Proses charging tegangan pada baterai 2 meningkat arus menurun
Gambar 12. Proses charging tegangan pada baterai 3 mingkat arus menurun
Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.1, April 2021, Hal. 9-15 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i1.2137
Gambar 13. Proses charging tegangan pada semua baterai
Pada  Gambar  10  s/d  Gambar  13  menunjukan tegangan dan arus yang terisi ke baterai1, baterai2, dan baterai3.  Proses  charging  untuk  baterai1,  baterai2, baterai3  mempunyai  tegangan  yang  berbeda  yaitu 4,15V, 4,20V, dan 4,25V. Untuk baterai1 dan baterai2 mulai  terjadi  penyeimbangan  pada  waktu  6000s  , sedangkan  mulai  terjadi  penyeimbangan  secara keseluruhan baik antara baterai1, baterai2, dan baterai3 terjadi  di  waktu  10000s  yaitu  sama-sama  4,15V  dan arus mengalami penurunan secara signifikan.

## V. KESIMPULAN
Makalah ini mengusulkan rangkaian penyeimbang baterai  otomatis  dengan  pengontrol  sakelar  berbasis SOC yang menyeimbangkan SOC dengan teknik cell- to-cell .  Pada  penelitian  ini  terlihat  bahwa  setelah  sel paket baterai seimbang maka semua sel memiliki SOC yang  sama  selama  pengisian.  Proses  charging  untuk baterai1, baterai2, baterai3 mempunyai tegangan yang berbeda  yaitu 4,15V, 4,20V,  dan 4,25V.  Awal terjadi penyeimbangan  pada  waktu  6000s,  sedangkan  mulai terjadi  penyeimbangan  secara  keseluruhan  baterai terjadi  di  waktu  10000s  yaitu  sama-sama  4,15V  dan arus mengalami penurunan secara signifikan.

## REFERENSI
[1] Andrea, D. (2010). Battery Management Systems for  Large  Lithium-Ion  Battery  Packs .  Artech
House
[2] Barsukov, Y. (2010) Battery Cell Balancing: What to Balance and How, Texas Instrument Inc.
[3] Plett, G. L. (2015) Battery Management Systems: Volume I Battery Modeling , Artech House [4] S.  Park,  Tae-Sung  Kim,  Jin-Sik  Park,  Gun-Woo
Moon  and  Myung-Joong  Yoon,  " A  new  battery equalizer  based  on  buck-boost  topology ," 2007 7th Internatonal Conference on Power Electronics ,  Daegu,  2007,  pp.  962-965,  doi: 10.1109/ICPE.2007.4692526.
[5] Reynaud, J.F., Carrejo, C.E, Gantet, O., Aloisi, P., Estibals,  B.,  &  Alonso,  C.  (2010). Active Balancing  circuit  for  advanced  Lithium-ion batteries  used  in  photovoltaic  application . Internasional Conference on Renewable Energies and  power  Quality,  ICREPQ’11,  Las  palmas  de gran  canaria,  Spanyol,  13-15  April  2010, doi:10.24084/REPQJ09.682
[6] Najmabdi  A,  (2013), Evaluation  of  Active Balancing  Algorithms  and  an  Improved  Method for a Deployed Active Battery Balancer as Well as Physical Implementation . Master Thesis, Published, Hamilton, Ontario, Canada: McMaster University.
[7] Soeprapto,  Hasanah,  R.N.,  &  Taufik,  (2019). Battery Managment system on electric bike using lithium-ion 18650 , Internasional Journal of Power Electronics and Driver System,  IJPEDS. X, (3) : 1529 – 1537, doi:/10.11591/ijpeds.v10.i3.pp1529- 1537
[8] M. Daowd, N. Omar, P. Van Den Bossche and J. Van Mierlo, "Passive and active battery balancing comparison based on MATLAB simulation," 2011 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference , Chicago, IL, 2011, pp. 1- 7, doi: 10.1109/VPPC.2011.6043010.
[9] J. Cao, N. Schofield and A. Emadi, "Battery balancing methods: A comprehensive review," 2008 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Harbin, 2008, pp. 1-6, doi: 10.1109/VPPC.2008.4677669.
[10] T. Huria, M. Ceraolo, J. Gazzarri and R. Jackey, "High fidelity electrical model with thermal dependence for characterization and simulation of highpower lithium battery cells," 2012 IEEE International Electric Vehicle Conference, Greenville, SC, 2012, pp. 1-8, doi: 10.1109/IEVC.2012.6183271.
[11] Hu, Rui., (2011 ), Battery Management System For Electric Vehicle Applications . Master Thesis,
Jurnal ECOTIPE, Vol. 8, No.1, April 2021, Hal. 9-15 p-ISSN 2355-5068, e-ISSN 2622-4852 Akreditasi Kemenristekdikti (SINTA 4), SK. No.10/E/KPT/2019 DOI: 10.33019/jurnalecotipe.v8i1.2137
Published, Windsor, Ontario, Canada: University of Windsor.
[12] S. Park, K. Park, H. Kim, G. Moon and M. Youn,
"Single-Magnetic Cell-to-Cell Charge
Equalization Converter With Reduced Number of
Transformer Windings," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 6, pp. 2900-2911, June 2012, doi: 10.1109/TPEL.2011.2178040.
[13] Nellis, K.L., (2015), Cell-balancing and State of Charge Algorithms, Analysis of LFEV's project design, Easton, Pennsylvania, doi:36101842
[14] Uitz, M., Sternad, M., Breuer, S., Taubert, C.,
Traubnig, T., Hanzu, I., & Wilkening, M.,
(2017), Aging of Tesla’s 18650 Lithium-Ion
Cells: Correlating Solid-Electrolyte-Interphase Evolution with Fading in Capacity and Power . Journal of The ELectrochemical Society, ECS, IV, (164): A3503-A3510, (2017), doi:10.1149/2.0171714jes