Abstrak — Baterai memiliki peran penting dal am perkembangan  kebutuhan  energi .  Peforma  baterai  yang  baik, akan  mendukung  perangkat  yang  ditunjangnya.  Energi  yang dapat  disimpan baterai jumlahnya terbatas, maka baterai akan mengalami  siklus charge dan discharge .  Proses charge dan discharge yang  tidak tepat dapat menyebabkan peforma baterai menurun. Oleh karena itu manajemen baterai diperlukan agar peforma  baterai  dapat  mencapai  maksimal.  S alah  satu  aspek manajemen  baterai  adalah  pemantauan  state  of  charge  yang merupakan  rasio  kapasitansi  energi  yang  tersedia  dengan kapasitas  energy  maksimum.  S alah  satu  metode  untuk mengestimasi  state  of  charge  adalah  metode fuzzy  logic yaitu dengan menilai input dan output system dari hasil pengamatan. Dalam tugas akhir ini akan dilakukan analisis dan monitoring baterai  terkait  proses charge  discharge pada  baterai  agar diperoleh state of charge yang akurat sehingga membuat baterai tidak  cepat  rusak.  Hasil  monitoring  dan  analisis  baterai menunjukkan  bahwa state  of  charge pada  baterai  telah  diukur secara akurat dan bisa memperkirakan kerusakan baterai. Akan tetapi  pada  tugas  akhir  ini  masih  belum  dapat  dilakukan perkiraan umur dan kerusakan baterai.
Kata Kunci — VRLA gel baterai, proteksi, monitoring, state of charge, charging, discharging .

## I. P ENDAHULUAN
ERKEMBANGAN teknologi transportasi
memanfaatkan  energi  terbarukan  semakin  banyak dikembangkan.  Di  era  mendatang,  penggunaan  PHEVs ( Plug-in Electrical Vehicle ) atau stasiun pengisian kendaraan listik  diperkirakan  akan  mengalami  peningkatan  pesat.  Hal  ini didukung  dengan  adanya  isu  terkait  menipisnya  persediaan minyak  dunia,  sehingga  perlu  adanya  penerapan  kendaraan yang ramah lingkungan [1].
Salah satu elemen  penting pada stasiun pengisian kendaraan listrik  adalah  battery  bank.  Elemen  ini  digunakan  sebagai tempat  penyimpan  energi  listrik  dari output photovoltaic (PV) ketika  operasi  stand  alone.  Sehingga,  kondisi  baterai  harus dipastikan  selalu  terisi  penuh.  Teknologi  pengisian  baterai sendiri  dibedakan  menjadi  3,  yaitu  metode  arus  konstan, metode  tegangan  konstan,  dan  metode  pulsa.  Sementara  itu, proses  pengisian  baterai  sendiri  dapat  dibedakan  menjadi  4 jenis, yaitu slow charge, rapid charge, fast charge, dan ultra - fast charge [3].
Namun,  proses charge-discharge pada  baterai jenis Valve- Regulated Lead-Acid tipe gel (VRLA gel) dengan waktu yang cepat  tidak  sepenuhnya  menguntungkan  karen a  memiliki dampak  negatif  bagi  baterai,  antara  lain  dapat memperpendek
usia  baterai  akibat  overcharge  dan  overdischarge  dari proses charge-discharge baterai yang kurang diperhatikan [4].
Berdasarkan  hal  tersebut,  maka diperlukan estimasi state of charge  yang  akurat, sehingga mampu mendeteksi ketika batas atas tegangan pengisian baterai telah tercapai untuk mencegah baterai dari kerusakan overcharge. Selain itu, batas bawah dari tegangan  baterai  juga  harus  diperhatikan  agar  tidak  terjadi overdischarge.

## II. DASAR TEORI

## A. Baterai
Baterai  merupakan  sebuah  peralatan yang dapat mengubah energi  Baterai  listrik  adalah  alat  yang  terdiri  dari  2  atau  lebih sel  elektrokimia  yang  mengubah  energi  kimia  yang  tersimpan menjadi  energi  listrik.  Tiap  sel  memiliki  kutub  positif  (katoda) dan  kutub  negatif  (anoda).  Kutub  yang  bertanda  positif menandakan  bahwa  memiliki  energi  potensial  yang  lebih tinggi daripada kutub bertanda negatif. Kutub bertanda negatif adalah  sumber  elektron  yang  ketika  disambungkan  dengan rangkaian  eksternal  akan  mengalir  dan  memberikan  energi  ke peralatan  eksternal.  Ketika  baterai  dihubungkan  dengan rangkaian  eksternal,  elektrolit  dapat  berpindah  sebagai  ion didalamnya,  sehingga  terjadi  reaksi  kimia  pada  kedua kutubnya.  Perpindahan  ion  dalam  baterai  akan  meng alirkan arus  listrik  keluar  dari  baterai sehingga menghasilkan kerja.[1] Meski  sebutan  baterai  secara  teknis  adalah  alat  dengan beberapa sel, sel tunggal juga umumnya disebut baterai

## Gambar 1. Bagian pada baterai

## B. State of Charge
SOC  didefinisikan  sebagai rasio total kapasitas energi yang dapat  digunakan dari sebuah baterai dengan kapasitas baterai seluruhnya.  SOC  menggambarkan  energi  yang  tersedia  dan dituliskan  dalam  presentase  sesuai  beberapa  referensi, terkadang  dianggap  sebagai  nilai  kapasitas  dari  baterai.  Cara
Desain  Sistem  Monitoring State of Charge Baterai pada Charging  Station Mobil Listrik Berbasis Fuzzy Logic Dengan  Mempertimbangkan Tempera1ture
Ahmad Faiz Farizy,  Dimas Anton Asfani, dan Soedibjo Jurusan Teknik Elektro, Fakultas  Teknologi  Industri,  Institut Teknologi  Sepuluh  Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
e-mail : ahmadfaizfarizy@yahoo.com,  anton@ee.its.ac.id
P
mengukur  SOC  dari  baterai  dapat  dilakukan  dengan  3  cara, yaitu:
1. Pengukuran  secara  langsung,  dapat  dilakukan  jika  baterai dapat di-discharge pada nilai  yang konstan dan pengukuran
2. Pengukuran Specific  Grafity (SG),  cara  ini  bergantung pada perubahan pengukuran dari berat bahan kimia  aktif.
3. Perkiraan  SOC  berdasarkan tegangan,   dengan  mengukur tegangan cell baterai sebagai dasar untuk perhitungan SOC atau  sisa  kapasitas.  Hasil  dapat  berubah  tergantung pada level tegangan nyata, suhu, nilai discharge, dan umur cell.

## C. Karak teristik  Baterai Valve Regulated Lead Acid (VRLA)
Baterai    ini  tidak  memiliki  caps/  katup,  tidak  ada  akses  ke elektrolit  dan  total sealed .   Dengan demikian baterai jenis ini tidak  memerlukan  maintenance.  Baterai Deep  Cycle ,  adalah baterai  yang  cocok  untuk  sitem  solar  cell,  karena  dapat discharge  sejumlah  arus  listrik  secara  konstan  dalam  waktu yang  lama.  Umumnya  baterai deep  cycle dapat  discharge sampai  dengan  80%    kapasitas  baterai.  Dengan  perencanaan kapasitas  dan maintenance yang  baik,  baterai  jenis  ini  dapat bertahan selama kurang lebih 10  tahun.
T abel 1 Karakteristik lead acid berdasarkan standar
Karakteristik Lead  Acid Energi  Spesifik  (Wh/kg) 30-50 Resistansi Internal (m Ω ) Sangat Rendah Siklus  Hidup (80% discharge ) 200-300 Waktu Fast-Charge 8-16  jam Toleransi Overcharge Tinggi Self-discharge per bulan 5% Tegangan Sel (nominal) 2V Tegangan Cutoff Charge (V/cell) 2.40 Float 2.25 Tegangan Cutoff Discharge (V/cell,  1C) 1.75 Arus Load Peak best result 5C 0.2C Suhu Charge -20  sampai 50  ˚C Suhu Discharge -20  sampai 50  ˚C Perawatan 3-6  bulan Keamanan Suhu Stabil Digunakan Sejak Sekitar  1800-an

## III. PERANCANGAN SIMULASI PENGISIA N OPTIMAL STASIUN PENGISIAN KENDARAAN LISTRIK
A. Perancangan Sensor Tegangan
Rangkaian  pembagi  tegangan  ( voltage  divider )  digunakan untuk  pembacaan  data  tegangan  pada  sistem  monitoring baterai VRLA.
Gambar 2 Rangkaian voltage divider
Rangkaian voltage divider digunakan untuk membuat suatu tegangan  referensi  dari  s umber  tegangan  yang  lebih  besar
untuk titik tegangan referensi pada sensor. Hal ini dikarenakan tegangan baterai yang akan diukur adalah 25V, sedangkan pin ADC  Arduino  memiliki  batasan  pembacaan  tegan gan sebesar 5V.  Oleh  karena  itu,  rangkaian voltage  divider digunakan untuk  memperkecil  tegangan  sesuai  dengan  perbandingan yang telah dihitung dengan persamaan 3.2 berikut ini :
Vo = Vbat x ( R2 R1+R2 ) (3.2)
Diasumsikan  :
Vin  = 30  V  (tegangan baterai)
Vo  =  5  V  (tegangan  maksimal  yang  boleh  masuk arduino)
R2  = 20.000  ohm
Maka,
5 = 20.000
𝑅1+20.000 30 R1  (5)  + 20.000  (5)  = 600.000
5 R1  = 500.000 R1  = 100.000  ohm ≈ 100  Kohm
Dari  perhitungan  diatas  didapatkan  nilai  tahanan  resistor yang  digunakan  untuk  membuat  rangkaian voltage  divider dengan R1 = 100K  ohm dan R2 = 20  Kohm

## B. Perancangan Sensor Suhu
Untuk  mengambil data suhu pada sistem monitoring baterai VRLA  ini  digunakan  sensor  suhu  dengan  tipe  LM35.  Sensor ini  memiliki  fungsi  untuk  mengubah  besaran  suhu  menjadi besaran  listrik  dalam  bentuk  tegangan.  Selain memiliki tingkat akurasi  dan  kemudahan  dalam merancang yang tinggi, sensor ini  ini  juga  mempunyai  keluaran  impedansi  yang  rendah  dan linieritas  yang  tinggi  sehingga  dapat  dengan  mudah dihubungkan  dengan  rangkaian  kendali  khusus  serta  tidak memerlukan  penyetelan lanjutan.

## C. Perancangan Software Arduino
Penggunaan  Arduino  MEGA  pada  desain  monitoring baterai  VRLA  ini  berfungsi  mengubah  pembacaan  sinyal analog  dari  sensor  menjadi  sinyal  digital.  Sinyal  digital  inilah yang  nantinya  dapat  diolah  menjadi  data  yang  diperlukan dalam  sistem monitoring.

## D. Perancangan Fuzzy Logic Controller
Ada  tiga  proses  utama  jika  ingin  mengimplementasikan fuzzy  logic  pada  suatu  perangkat,  yaitu  fuzzifikasi,  evaluasi rule, dan defuzzifikasi.
1. Fuzzification ,  merupakan  suatu  proses  untuk  mengubah suatu  masukan  dari  bentuk  tegas  ( crisp )  menjadi  fuzzy yang  biasanya  disajikan  dalam  bentuk  himpunan- himpunan  fuzzy  dengan  suatu  fungsi  kenggotaannya masing-masing.
2. Interference  System (Evaluasi Rule ),  merupakan  sebagai acuan  untuk  menjelaskan  hubungan  antara  variable- variabel  masukan  dan  keluaran  yang  mana  variabel  yang diproses  dan  yang  dihasilkan  berbentuk  fuzzy.  Untuk menjelaskan  hubungan  antara  masukan  dan  keluaran biasanya menggunakan “IF-THEN”.
3. Defuzzification ,  merupakan  proses  pengubahan  variabel berbentuk  fuzzy  tersebut  menjadi  data-data  pasti  ( crisp ) yang dapat dikirimkan  ke peralatan pengendalian.

## IV. ANALISIS DAN PEMBAHASAN

## A. Pengambilan data Charge dan Discharge Baterai VRLA di Charging Station ITS
Simulasi  Berikut  ini  adalah  grafik  hasil  implementasi  alat dengan  proses  charge-discharge  yang  berlangsung  berturut- turut meliputi  tegangan baterai dan suhu.
Gambar 3 Grafik tegangan saat discharge
Ketika baterai discharge , dapat dilihat pada grafik tegangan turun  dengan  konstan.  Jika  mengacu  pada  datasheet  baterai, terlihat  tegangan  memiliki  kisaran  yang  cenderung  linear. Perbedaan  grafik  dapat  dikarenakan  proses discharge yang kurang  sempurna  dan  kondisi  baterai  yang  mulai  berkurang kapasitasnya.
Gambar 4 Grafik suhu saat discharge
Dari grafik suhu saat discharge, dapat terlihat suhu semakin meningkat  ketika  semakin  mendekati  waktu  discharge maksimal.

## Gambar 5 Grafik tegangan saat charge
Pada  kurva  tegangan  saat charge dapat  dilihat  tegangan pada grafik tegangan naik dengan konstan. Jika mengacu pada datasheet  baterai,  terlihat  tegangan  memiliki  kisaran  yang cenderung  linear.  Perbedaan  grafik  dapat  dikarenakan  proses charge yang kurang sempurna dan kondisi baterai yang  mulai berkurang  kapasitasnya.  Terlihat  tegangan  baterai  saat mendekati  peak  sempat  tidak  konstan.  Hal  itu  menandakan baterai sudah mencapai kapasitas charge maksimal  nya.

## Gambar 6 Grafik suhu saat charge
Pada  kurva  grafik  suhu  saat charge ,  dapat  dilihat  suhu cenderung  konstan  sampai  saat  mendekati  waktu  ketika tegangan mencapai puncak (peak).
B. Menentuk an State of Charge berdasark an Fuzzy Logic
Dari hasil pengukuran charge dan discharge pada tegangan dan  suhu  baterai,  untuk  menentukan  SOC  digunakan  metode logika  fuzzy.  Tahap  pertama  fuzzifikasi  dengan  menentukan setiap  derajat  keanggotaan  untuk  setiap  set  pada  fuzzy.  Dari pengukuran tegangan dan suhu sebelumnya, dapat ditentukan membership function .
Gambar 7 Mem bership function input tegangan Gambar 8 Mem bership function input suhu
Gambar 9 Mem bership function untuk output SOC
Membership  function pada  tegangan  ditentukan  dari  data charge  dan  discharge  pada  tegangan  di  baterai  charging station. Didapat tegangan bawah saat discharge adalah 20 volt. Digunakan  batas  bawah  pada membership function tegangan 19 untuk mengantisipasi undervoltage. Batas atas membership function tegangan dilihat dari tegangan maksimum saat charge yaitu  25,5. Membership  function yang  digunakan  adalah  26.
Membership  function pada  suhu  digunakan  suhu  minimum adalah  25  derajat  celcius  dan  suhu  maksimum  36  derajat celcius. Membership  function ditentukan  berdasarkan  data pengukuran suhu agar output dari fuzzy logic lebih akurat.
C. Menentuk an Aturan Logik a Fuzzy
Untuk  menentukan  aturan  fuzzy  logic,  perlu  dilakukan pengujian  SOC  terhadap  tegangan  dan  SOC  terhadap  suhu. Setelah dilakukan  pengujian didapat data sebagai berikut  :
Gambar 10 Grafik tegangan, suhu, dan SOC saat charge
Dari  gambar  9  dan  10  dapat  dilihat  kurva  perbandingan tegangan,  suhu,  dan  SOC . Ketika  awal  tegangan  naik,  suhu cenderung  tetap,  SOC  naik,  dan  ketika  tegangan  turun,  SOC juga menurun.
Gambar 11 Grafik tegangan, suhu, dan SOC saat discharge
Dari gambar 10, dapat dilihat kurva perbandingan  suhu dan SOC.  Saat charge, suhu  cenderung  tetap  diawal,  ketika mendekati  kondisi  SOC  hampir  penuh,  suhu  mengalami kenaikan.  Dari  gambar  11,  dapat  dilihat  kurva  perbandingan suhu  dan  SOC  ketika  kondisi  baterai discharge .  Saat discharge ,  suhu  baterai  saat  awal  cenderung  tetap  tetapi mengalami  kenaikan saat SOC baterai berada di tengah.
Setelah  melihat  karakteristik  SOC  dengan  tegangan  dan suhu,  dapat  dibuat rule base. Untuk menentukan nilai state of charge yang  terukur  pada  baterai  di charging  station ITS. Rule  base  pada  tabel  4.4  adalah  rule  base  dari  tegangan  dan suhu.  Parameter  yang  terdapat  pada  tabel  suhu  adalah  VL sebagai very  low , L sebagai low , H sebagai high , VH sebagai very high .
Sedangkan  parameter  yang  terdapat  pada  rule  base  suhu adalah  VC  sebagai very  cold ,  C  sebagai cold , H sebagai hot , VH sebagai very hot . Dari kedua tersebut dapat dipertimbangkan  niai state of charge .
Pada  parameter  rule  base  SOC,  VL  sebagai very  low ,  L sebagai low , H sebagai high , dan VH sebagai very high . Nilai SOC  dipertimbangkan  dari  dua fuzzy  logic rule  yaitu  ketika baterai  mengalami  proses charge dan  ketika  baterai mengalami  kondisi discharge .
Dari gambar 10, dapat dilihat kurva perbandingan  suhu dan SOC.  Saat charge, suhu  cenderung  tetap  diawal,  ketika mendekati  kondisi  SOC  hampir  penuh,  suhu  mengalami kenaikan.  Dari  gambar  11,  dapat  dilihat  kurva  perbandingan suhu  dan  SOC  ketika  kondisi  baterai discharge .  Saat discharge ,  suhu  baterai  saat  awal  cenderung  tetap  tetapi mengalami  kenaikan saat SOC baterai berada di tengah .
Setelah  melihat  karakteristik  SOC  dengan  tegangan  dan suhu,  dapat  dibuat rule base. Untuk menentukan nilai state of charge yang  terukur  pada  baterai  di charging  station ITS. Rule  base  pada  tabel  4.4  adalah  rule  base  dari  tegangan  dan suhu.  Parameter  yang  terdapat  pada  tabel  suhu  adalah  VL sebagai very  low , L sebagai low , H sebagai high , VH sebagai very high .
Sedangkan  parameter  yang  terdapat  pada  rule  base  suhu adalah  VC  sebagai very  cold ,  C  sebagai cold , H sebagai hot , VH sebagai very hot . Dari kedua tersebut dapat dipertimbangkan  niai state of charge .
Pada  parameter  rule  base  SOC,  VL  sebagai very  low ,  L sebagai low , H sebagai high , dan VH sebagai very high . Nilai SOC  dipertimbangkan  dari  dua fuzzy  logic rule  yaitu  ketika baterai  mengalami  proses charge dan  ketika  baterai mengalami  kondisi discharge .
T abel 4.4 T abel rule base tegangan dan suhu saat charge Voltage Te mp VL L H VH VC VL VL L H C VL VL L VH
H
L VL L
H
VH
L L H H T abel 4.5 T abel rule base tegangan dan suhu discharge Voltage Te mp VL L H VH VC VL L H
VL
C
VL VL L
H
H
L L L
VH
VH
L L H VH

## D. Analisa hasil SOC
Setelah membership  function dan  rule  pada  fuzzy  telah ditentukan, dilakukan pengujian SOC pada saat kondisi charge dan  discharge.    Pengujian  SOC  pada  baterai  di  charging station  ITS  dilakukan  dalam  dua  tahap.  Yaitu  ketika  baterai dalam  kondisi  tidak  mendapat  supply  listrik  dari photovoltaic (malam  hari)  dan  kemudian  dibebani  hingga  baterai  mencapai titik  minimum  dan  ketika  baterai  dalam  kondisi  mendapat supply  listrik  dari  photovoltaic  (siang  hari)  dalam  keadaan
tanpa  beban  dan  besarnya  supply  listrik  yang  masuk bergantung pada sinar matahari.
Gambar 12 Grafik perbandingan SOC pengujian dan simulasi saat charge
Pada  kurva  dapat  dilihat  pada  grafik  SOC  saat charge memiliki  pola  naik  yang  linear  sesuai  dengan  kondisi  baterai yang  di- charge sampai  keadaan  penuh.  Didapat  perbedaan yang  tidak terlalu jauh dari kurva pengujian jika dibandingkan dengan kurva SOC  saat simulasi
Gambar 13 Grafik perbandingan SOC pengujian dan simulasi saat dis charge
Pada  kurva  dapat  dilihat  pada  grafik  SOC  saat  dis charge memiliki  pola  turun  yang  linear  sesuai dengan kondisi baterai yang  di-dis charge sampai keadaan penuh. Didapat perbedaan yang  tidak terlalu jauh dari kurva pengujian jika dibandingkan dengan kurva SOC  saat simulasi.

## V. KESIMPULAN
Pada  tugas  akhir  ini  telah  didesain  sistem  monitoring pada baterai  di  stasiun  pengisian  kendaraan  listrik  ITS.  Desain terdiri  dari  perangkat hardware dan software. Rangkaian monitoring  baterai  yang  telah  didesain  mampu  bekerja sesuai dengan  sensor  yang  terpasang.  Dari  hasil  pengujian  dapat mengukur tegangan DC hingga 27 volt dengan tidak ada error dan  mampu  mengukur  suhu  dengan  error  0,7%.  Untuk pembatasan suhu dibatasi sesuai dengan aturan standar baterai lead acid , yaitu -20˚C  sampai  50˚C. Desain  sistem  monitoring  baterai  menggunakan fuzzy logic telah  dikembangkan  pada  penelitian  ini  yaitu,  untuk mendapatkan  nilai  SOC  akurat  pada  sistem  monitoring.Untuk mengestimasi  SOC  digunakan  2 input membership  function yaitu tegangan dan suhu baterai. Interface monitoring  baterai  yang  dibangun  menggunakan Arduino  telah  mampu  melakukan  pembacaan  terhadap  nilai yang  disensing  oleh  masing-masing  sensor.  Data  yang
didapatkan  dari  monitoring  ini  berupa  data logger .  Sehingga diperoleh nilai  dari masing-masing  sensor secara realtime .

## D AFT AR P UST AKA
[1] Faria, Ricardo. Moura, Pedro. dan Delgado, Joaquim. 21 Juli 2014 ,
“Managing the charging of Electrical Vehicle : Impacts on the Electrical Grid and on the Enviromental”. Intelligent Transportation System s Magazine IEEE Volume 6 , http://ieeexplore.ieee.org/ , diakses 9 Desember 2014
[2] Batteryuniversity Admin, 2014. “BU-401a: Fast and Ultra-fast Chargers”. http://batteryuniversity.com/learn/article/ , diakses 9 Desember 2014
[3] Yarlagadda, S. , Hartley, T.T. dan Husain, I . 23 Mei 2013 “ A Battery Management System Using an Active Charge Equalization Technique Based on a DC/DC Converter T opology”. Industry Applications, IEEE Transactions on Volume:49 , http://ieeexplore.ieee.org/ , diakses 9 Desember 2014
[4] David, Linden and Reddy, T homas B. 2001, Handbook Of Batteries , 3 rd
Edition, The McGraw-Hill Companies, Inc