ISSN(p): 2338-8323  | ISSN(e): 2459-9638
Oktober 2023
Lithium-ion Battery Charger for BEV Applications Based on MF Full-bridge DC-DC Converter

## BUDHI ANTO, DAFA BAGUS PRATAMA
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Riau, Indonesia Email: budhianto@eng.unri.ac.id
Received 19 Juni 2023 | Revised 14 Agustus 2023 | Accepted 18 September 2023

## ABSTRAK
Artikel  ini  memaparkan  rancang  bangun  suatu  alat  pengisi  muatan  baterai (battery  charger)  kendaraan  listrik  jenis  lithium-ion.  Baterai  yang  digunakan berkapasitas 20-Ah dengan tegangan pengenal 48-V. Rangkaian battery charger menggunakan susunan kombinasi dari konverter AC-DC topologi penyearah satu- fasa  jembatan  dioda  dan  konverter  DC-DC  topologi  jembatan-penuh  yang dioperasikan  pada  frekuensi  menengah  (MF)  yaitu  sebesar  1  kHz.  Rangkaian konverter  jembatan-penuh  dikendalikan  oleh  IC  SG3526  yang  mengatur  lebar pulsa  sinyal  PWM  yang  diberikan  kepada  keempat  MOSFET  yang  menyusun konverter  tersebut.  Karena  dioperasikan  pada  frekuensi  1  kHz,  konverter jembatan-penuh dapat menggunakan transformator yang intinya berbahan baja silikon berbentuk pelat tipis terlaminasi atau lebih dikenal dengan inti pelat E-I. Pengujian  fungsional  alat  dilakukan  dengan  mengisi  muatan  baterai  pada keadaan  kapasitas  awal  50%  hingga  penuh,  menggunakan  metode  arus pengisian tetap sebesar 5-A. Hasil pengujian memperlihatkan bahwa diperlukan waktu 80 menit untuk mengisi baterai hingga penuh pada kondisi tersebut.
Kata kunci : alat pengisi muatan baterai lithium-ion, kendaraan listrik, full-bridge DC-DC converter, frekuensi menengah, transformator inti baja silikon

## ABSTRACT
This  manuscript  describes  the  designing  and  making  of  a  lithium-ion  battery charger for battery electric vehicle applications. The battery has a capacity of 20- Ah with 48-V nominal voltage. The battery charger circuit uses the combination of an AC-DC converter in the form of a single-phase diode bridge rectifier and a full-bridge DC-DC converter, operating in medium frequency (MF) at 1 kHz. The full-bridge  converter  is  controlled  by  a  PWM  controller  SG3526  that  sends  its output to the 4 MOSFETs that built the converter. Due to operation at frequency of 1 kHz, the transformer’s core can use the laminated silicon steel sheet that is known as the E-I core. The battery is charged using the constant-current method by  maintaining  the  charging  current  at  a constant value. The  functional  test of the battery shows that by using 5-A constant current charging, the battery takes 80 minutes to its full condition from 50% capacity at the beginning.
Keywords :  lithium-ion  battery  charger,  battery  electric  vehicles,  medium frequency full-bridge DC-DC converter, silicon steel-core transformer

## 1. PENDAHULUAN
Kendaraan listrik ( electric vehicles) semakin populer sekarang ini. Secara definisi kendaraan listrik  adalah  suatu  kendaraan  yang  menggunakan  satu  atau  lebih  motor  listrik  sebagai penggerak.  Berdasarkan  sumber  energi  dan  jenis  mesin  penggeraknya,  kendaraan  listrik dapat  dikelompokkan  menjadi  tiga  jenis  yaitu pure  electric  vehicle  (PEV),  hybrid  electric vehicle  (HEV),  dan  fuel-cell  electric  vehicle  (FEV).  Sumber  energi  pada  PEV  berasal  dari baterai, dan motor listrik digunakan sebagai penggerak kendaraan. Pada HEV, sumber energi kendaraan  berasal  dari  baterai  dan  bahan  bakar  minyak,  sedangkan  sebagai  penggerak kendaraan adalah susunan kombinasi motor listrik dan jentera ( internal combustion engine). Pada  FEV,  sumber  energi  kendaraan  berasal  dari  hidrogen,  dan  sebagai  penggerak kendaraan  adalah  motor  listrik (Chau,  2015)  (Aziz,  dkk,  2020) .  Karena  menggunakan baterai sebagai sumber energi kendaraan, PEV dinamakan juga battery electric vehicle (BEV) atau  kendaraan  listrik  berbasis  baterai.  Saat  ini  terdapat  tiga  bentuk  teknologi  HEV  yang berkembang  yaitu plug-in  hybrid electric  vehicle  (PHEV), hybrid  electric vehicle (HEV), dan extended-range  electric  vehicle  (ER-EV) (Sanguesa,  dkk,  2021)  (Halim,  dkk,  2022) . Pada  PHEV,  baterai  yang  mencatu  motor  listrik  dapat  diisi  ulang  menggunakan  sumber energi  listrik  dari  jaringan  listrik  perusahaan  utilitas  seperti  PLN  atau  sumber  energi  listrik lainnya  seperti  pembangkit  listrik  tenaga  surya.  Berbeda  dengan  PHEV,  baterai  pada  HEV tidak bisa diisi ulang muatannya menggunakan sumber energi eksternal kendaraan. Baterai pada HEV hanya diisi ulang oleh jentera kendaraan dengan suatu mekanisme tertentu. Pada ER-EV, baterainya dapat diisi ulang dari sumber listrik eksternal (seperti jaringan listrik PLN), sedangkan  jentera  tidak  digunakan  sebagai  penggerak  kendaraan,  melainkan  digunakan untuk mengisi muatan baterai untuk menambah kemampuan jelajah kendaraan listrik.
Baterai merupakan bagian penting dari suatu kendaraan listrik jenis BEV, karena merupakan sumber energi untuk menggerakkan motor listrik penggerak BEV dan untuk mencatu sistem instrumentasi kendaraan. Terdapat beberapa jenis baterai yang digunakan pada kendaraan listrik  yaitu  baterai  asam-timbal  ( lead-acid  batteries),  baterai  berbasis  nikel  (nickel-based batteries),  baterai  berbasis  perak  (silver  batteries),  baterai  natrium-sulfur  (sodium-sulphur battery),  dan  baterai  lithium-ion  (Li-ion  batteries) (Ahasan  Habib,  dkk,  2019)  (Hoque, dkk,  2017)  (Sun,  dkk,  2020)  (Rospawan,  dkk,  2021) .  Baterai  Li-ion  adalah  jenis baterai yang paling banyak digunakan pada kendaraan listrik (Ahasan Habib, dkk, 2021) (Ahmadian, dkk, 2020) .  Terdapat  beberapa keunggulan  yang dimiliki  oleh baterai Li-ion yang  menjadikannya  pilihan  sebagai  sumber  energi  penggerak  kendaraan  listrik dibandingkan dengan jenis baterai lainnya yaitu ringan dan memiliki kerapatan energi yang tinggi,  mempunyai  efisiensi  yang  tinggi  pada  saat  proses  pengisian  ulang  muatannya ( charging),  mempunyai  daur  pengisian-pelepasan  muatan  yang  panjang,  mempunyai tegangan sel yang tinggi yaitu sekitar 3,7 volt, serta memiliki tingkat natural-discharge atau self-discharge  yang  rendah,  sehingga  baterai  ini  paling  baik  dibanding  baterai  lain  dalam mempertahankan  kemampuan  menahan  muatan  penuhnya.  Namun  demikian  terdapat beberapa  kelemahan  baterai  ini  yang  seharusnya  menjadi  perhatian  penting  ketika menggunakannya,  yaitu  memiliki  resiko-meledak  jika  penggunaannya  tidak  tepat,  biaya produksinya masih tinggi, proses discharging sampai baterai kosong akan merusak baterai, sensitif  terhadap  temperatur  tinggi  dan  memiliki  usia  pakai  yang  singkat  yaitu  2  sampai  3 tahun  dari  waktu  pembuatannya (Pramanik,  dkk,  2019) (Feng,  dkk,  2019) (Kong, dkk, 2018) .
Alat pengisi ulang muatan baterai ( battery charger) diperlukan untuk mengisi ulang muatan baterai Li-ion. Rangkaian battery charger dibuat berdasarkan bentuk tegangan masukannya dan  jenis  metode charging  yang  digunakan.  Jika  tegangan  sumber  berbentuk  tegangan
bolak-balik  seperti  halnya  tegangan  jaringan  listrik  PLN,  maka  rangkaian battery  charger dapat menggunakan  konverter AC-DC yang tegangan  keluarannya dapat  dikendalikan.  Jika tegangan sumber berbentuk tegangan searah seperti halnya tegangan yang dihasilkan oleh panel  surya,  maka  rangkaian battery  charger  dapat  menggunakan  konverter  DC-DC  yang tegangan  keluarannya  dapat  dikendalikan.  Terdapat  beberapa  metode charging  baterai  Li- ion, yaitu (1) metode constant trickle current (CTC), (2) metode constant current (CC), (3) metode constant  voltage  (CV),  dan  metode  constant  current  constant  voltage  (CCCV)
(Zhang, dkk, 2014) .
Penelitian-penelitian  untuk  membuat  sistem battery  charger  untuk  baterai  lithium-ion kendaraan  listrik  menggunakan  instalasi  listrik  rumah  telah  menarik  minat  banyak  peneliti dan  alatnya  juga  telah  dipasarkan.  Rusli  dkk.  telah  membuat  sistem battery  charger  yang terdiri dari susunan kombinasi konverter AC-DC yang dilengkapi dengan rangkaian perbaikan faktor  daya  berbasis boost  converter  dan  konverter  DC-DC  dalam  bentuk  buck  converter. Mereka menggunakan metode pengisian muatan jenis CCCV (Rusli, dkk, 2019) . Kim dkk. telah  membuat  sistem battery  charger  untuk  baterai  lithium-ion  untuk  kendaraan  listrik ringan  ( light  electric  vehicles)  menggunakan  rangkaian  kombinasi  konverter  AC-DC  dan konverter  DC-DC  topologi LLC  resonant  full-bridge  converter (Kim,  dkk,  2019) .  Mereka juga menggunakan metode pengisian jenis CCCV.
Pada  penelitian  ini,  sistem battery  charger  untuk  baterai  lithium-ion  dicatu  oleh  sumber tegangan  satu-fasa  220-V  50-Hz  dan  mempunyai  kapasitas  daya  1000-W.  Baterai  yang digunakan  mempunyai  kapasitas  penyimpanan  20-Ah  dengan  tegangan  pengenal  ( nominal voltage)  48-V.  Baterai  ini  digunakan  sebagai  sumber  energi  penggerak  mobil  listrik Parameswara  Universitas  Riau  (mobil  listrik  tim  Fakultas  Teknik  Universitas  Riau)  untuk dilombakan  pada  ajang Formula  Electric  Student  Championship-Indonesia  International Motor  Show  (FESC-IIMS)  di  Jakarta  pada  tahun  2022 (Tempo.co,  2022) .  Adapun penggunaan  baterai  dengan  tegangan  pengenal  48-V  merupakan  salah  satu  persyaratan spesifikasi kendaraan listrik peserta lomba tersebut.
Rangkaian battery charger yang dibuat menggunakan susunan kombinasi konverter AC-DC dan konverter DC-DC. Konverter AC-DC menggunakan penyearah satu-fasa jembatan dioda, dan  konverter  DC-DC  menggunakan  topologi full-bridge  converter.  Adapun  pemilihan  full- bridge converter didasari oleh beberapa pertimbangan yaitu, (1) untuk memisahkan secara galvanis rangkaian masukan dan rangkaian keluaran sistem battery charger, (2) full-bridge converter  mempunyai  karakteristik  pengaturan  linier,  dan  (3)  full-bridge  converter merupakan  topologi  yang  paling  tepat  untuk  penggunaan  konverter  DC-DC  berdaya  besar (Pressman, dkk, 2009) .
Pada umumnya full-bridge DC-DC converter dioperasikan pada frekuensi pensaklaran di atas 20 kHz atau beroperasi pada frekuensi tinggi. Hal ini bertujuan untuk mendapatkan ukuran komponen-komponen magnetik (yaitu, transformator dan induktor) yang tidak besar. Untuk peroperasian  pada  frekuensi  tinggi,  maka  transformator  dan  induktor  menggunakan  inti berbahan  ferit.  Namun  demikian  ukuran  inti  ferit  yang  tersedia  di  pasaran  hanya  dapat digunakan untuk full-bridge converter sampai daya tertentu saja, sehingga untuk pembuatan konverter  berdaya  besar,  diperlukan  inti  ferit  dengan  pesanan  khusus  sehingga  harganya menjadi sangat mahal.
Selain  ferit,  inti  transformator  dapat  menggunakan  bahan  pelat  tipis  baja  silikon  yang dilaminasi. Pelat-pelat tipis tersebut biasanya dipotong menjadi bentuk-bentuk tertentu yang menyerupai  huruf-E  dan  huruf-I,  sehingga  dikenal  dengan  nama  inti  pelat  E-I.  Untuk memperoleh dimensi inti transformator yang sesuai dengan hasil proses perancangan, pelat-
pelat  E-I  dengan  ukuran  tertentu  telah  ditumpuk  sehingga  diperoleh  inti  transformator dengan  ketebalan  yang  diinginkan.  Berbeda  dengan  inti  ferit,  inti  pelat  E-I  tersedia  di pasaran dengan berbagai ukuran sampai daya puluhan kVA. Namun demikian, transformator dengan inti baja silikon hanya dapat dioperasikan pada frekuensi di bawah 10 kHz (Nasar, 1987) .
Mempertimbangkan  tingkat  ketersediaannya  di  pasaran  dan  harga  yang  relatif  murah,  inti pelat  E-I  berpotensi  menggantikan  inti  ferit  untuk  penggunaan  pada  konverter  DC-DC berdaya besar. Untuk mencapai tujuan tersebut, maka frekuensi pensaklaran konverter DC- DC harus diturunkan menjadi di bawah 10 kHz.
Pengoperasian full-bridge  DC-DC  converter  pada  frekuensi  di  bawah  20  kHz  (400  Hz  –  10 kHz) dinamakan pengoperasian pada frekuensi menengah ( medium frequency) (Balci, dkk,
2014) .  Sedangkan  transformator  yang  digunakan  pada  konverter  DC-DC  tersebut dinamakan medium frequency transformer (MFT). Penelitian-penelitian tentang penggunaan MFT pada konverter DC-DC telah dilakukan oleh beberapa peneliti. Du dkk. telah membuat MFT  yang  bekerja  pada  frekuensi  3  kHz  menggunakan  material  amorphous  dengan  merk Metglas  untuk  aplikasi  pada bidirectional  DC-DC  converter (Du,  dkk,  2010) .  Huang  dkk. telah  membuat  MFT  yang  beroperasi  pada  frekuensi  1  kHz  menggunakan  material  baja silikon dengan ketebalan 0,18 mm (Huang, dkk, 2017) .
Penelitian-penelitian  tersebut  di  atas  telah  memunculkan  ide  untuk  menggunakan  MFT berinti  pelat  E-I  pada full-bridge  DC-DC  converter  dan  mengoperasikannya  pada  frekuensi pensaklaran di bawah 10 kHz. Meneruskan penelitian yang dilakukan oleh Huang dkk., kami mengusulkan  pengoperasian full-bridge  DC-DC  converter  pada  frekuensi  1  kHz.  Dengan demikian,  penelitian  ini  bertujuan  untuk  menggunakan  pelat  E-I  sebagai  material  inti transformator  dan  inti  induktor  yang  digunakan  pada full-bridge  DC-DC  converter  yang dioperasikan  pada  frekuensi  menengah  sebesar  1  kHz.  Penelitian  ini  akan  dapat  memberi solusi  terhadap  masalah  ketersediaan  inti  transformator  dan  inti  induktor  yang  digunakan pada konverter DC-DC berdaya besar.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Pada penelitian ini kami telah merancang dan membuat suatu sistem battery charger untuk baterai  lithium-ion  yang  akan  digunakan  pada  kendaraan  listrik  jenis  BEV.  Tahap perancangan dimulai dengan membagi sistem battery charger menjadi subsistem-subsistem tertentu.  Kemudian  dilanjutkan  dengan  perancangan  setiap  subsistem.  Pada  perancangan subsistem,  persamaan-persamaan  perancangan  akan  dijelaskan,  demikian  juga  prosedur perancangan  subsistem.  Setelah  tahap  perancangan,  proses  penelitian  dilanjutkan  dengan pembuatan  subsistem-subsistem.  Proses  pembuatan  subsistem-subsistem  dilakukan berdasarkan  persamaan-persamaan  perancangan  dan  prosedur  perancangan  yang  telah dijelaskan  pada  tahap  perancangan.  Setelah  tahap  pembuatan  subsistem-subsistem, kemudian  dilanjutkan  dengan  integrasi  subsistem-subsistem  menjadi  sistem  yang  lengkap. Setelah  tahap  integrasi,  kemudian  dilanjutkan  dengan  pengujian  sistem battery  charger untuk mengisi muatan baterai lithium-ion.
Sistem battery  charger  untuk  baterai  lithium-ion  yang  dibuat  mempunyai  4  bagian  utama yaitu,  (1)  Konverter  AC-DC  dari  jenis  penyearah  satu-fasa  dengan  jembatan  dioda,  (2) Konverter DC-DC topologi full-bridge converter, (3) Rangkaian kendali konverter DC-DC, (4) Rangkaian  catu  daya  untuk  rangkaian  kendali konverter  DC-DC.  Diagram  rangkaian  sistem battery charger diperlihatkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram Rangkaian Sistem Battery Charger untuk Baterai Lithium-ion

## 2.1  Penyearah Satu-Fasa Jembatan Dioda
Penyearah  satu-fasa  jembatan  dioda  berfungsi  untuk  menyearahkan  tegangan  bolak-balik satu-fasa 220-V 50-Hz untuk seterusnya menjadi masukan bagi rangkaian konverter DC-DC. Rangkaian penyearah tersebut terdiri atas 4 dioda yang dirangkai dalam hubungan jembatan dan dilengkapi dengan kapasitor yang terpasang pada terminal-terminal keluaran rangkaian penyearah.  Fungsi  kapasitor  adalah  untuk  meratakan  tegangan  keluaran  rangkaian penyearah.  Bentuk  rangkaian  penyearah  satu-fasa  jembatan  dioda  diperlihatkan  pada Gambar  2(a),  dimana v o adalah  tegangan  keluaran  penyearah  dan  beban  rangkaian penyearah diwakili oleh resistor R. Gambar 2(b) memperlihatkan bentuk tegangan keluaran penyearah dengan menganggap dioda adalah ideal dan induktansi sumber tegangan bolak- balik diabaikan.
(a) (b)
Gambar 2. (a) Skematik Rangkaian Penyearah Satu-Fasa Jembatan Dioda dengan Kapasitor Perata Tegangan, (b) Bentuk Tegangan Keluaran
Nilai kapasitansi kapasitor perata tegangan ( C) yang digunakan dapat dihitung menggunakan persamaan berikut (Mondal, dkk, 2007) ,
𝐶 = − 𝑡 × _ (1)
Pada Persamaan (1) di atas, f adalah frekuensi sumber tegangan bolak-balik, P adalah daya beban  rangkaian  penyearah, V o_max adalah  nilai  maksimum  tegangan  keluaran  penyearah dan V o_min adalah nilai minimum tegangan keluaran penyearah.
Nilai t c dihitung menggunakan persamaan berikut,
𝑡 = (2)
 2 1
Pada  Persamaan  (2), β  adalah  faktor  riak  tegangan  keluaran penyearah  yang didefinisikan sebagai berikut,
𝛽 = (3)
Dalam prakteknya, nilai β diambil berkisar 0,8 – 0,9.

## 2.2  Konverter DC-DC Topologi Full-bridge Converter
Konverter  DC-DC  diperlukan  untuk  menurunkan  level  tegangan  keluaran  konverter  AC-DC sehingga diperoleh level tegangan yang sesuai untuk keperluan charging baterai lithium-ion. Suatu topologi full-bridge converter diperlihatkan pada Gambar 3. Pada rangkaian masukan terdapat 4 saklar terkendali yang berupa MOSFET Q1, Q2, Q3 dan Q4 yang dirangkai dalam hubungan jembatan. Pada  rangkaian keluaran  terdapat  4 dioda cepat  D5,  D6,  D7 dan  D8, yang  dirangkai  dalam  hubungan  jembatan.  Kemudian  terdapat  rangkaian  filter  L-C  untuk meratakan arus dan tegangan keluaran full-bridge converter. Antara rangkaian masukan dan rangkaian  keluaran diisolasi secara listrik  menggunakan transformator.  Transformator  yang digunakan  pada  penelitian  ini  menggunakan  inti  dari  bahan  pelat  tipis  baja  silikon  yang dipotong menyerupai huruf E dan huruf I, atau lebih dikenal dengan istilah inti E-I.
Full-bridge  converter  yang  digunakan  pada  battery  charger  ini  dioperasikan  sebagai konverter penurun tegangan. Dasar operasi full-bridge converter melibatkan 2 pasang saklar (Q1  –  Q4  dan  Q3  –  Q2)  yang  ON  dan  OFF  secara  bergantian,  sebagaimana  diperlihatkan pada  Gambar  4.  Ketika  Q1  dan  Q4  ON  dan  Q3  dan  Q2  OFF,  tegangan  pada  sisi  primer transformator ( v P ) sama dengan tegangan masukan konverter DC-DC ( V d ). Ketika Q1 – Q4 OFF dan Q3 – Q2 OFF, tegangan pada sisi primer transformator sama dengan nol, v P = 0. Ketika  Q3  dan  Q2  ON  dan  Q1  dan  Q4  OFF,  tegangan  pada  sisi  primer  transformator  ( v P ) sama dengan – V d . Dengan demikian bentuk tegangan pada sisi primer transformator adalah tegangan bolak-balik yang berbentuk kotak. Bentuk tegangan pada belitan-belitan sekunder transformator juga adalah tegangan bolak-balik yang berbentuk kotak. Tegangan bolak-balik tersebut  kemudian  disearahkan  oleh  jembatan  dioda,  sehingga  menghasilkan  tegangan searah  ( v x )  yang  bentuknya  diperlihatkan  pada  Gambar  4d.  Selanjutnya  tegangan v x kemudian diratakan sehingga menjadi tegangan searah yang rata oleh filter L-C.
Gambar 3. Konverter DC-DC Topologi Full-bridge Converter
(a) (c)
(b) (d)
Gambar 4. Bentuk-bentuk Tegangan pada Konverter DC-DC Topologi Full-bridge
Berdasarkan  bentuk  tegangan v x pada  Gambar  4(d),  nilai  rata-rata v x (atau V o )  dapat dihitung menggunakan persamaan berikut,
𝑉 = 2 × × 𝐷 × 𝑉 (4)
Pada Persamaan (4) diatas, N S dan N P masing-masing adalah jumlah lilitan belitan sekunder dan  jumlah  belitan  lilitan  primer  transformator, V d adalah  adalah  tegangan  masukan konverter DC-DC dan D adalah duty cycle yang didefinisikan sebagai berikut,
𝐷 = (5)
Pada Persamaan (5) di atas, t ON adalah durasi MOSFET ON dan T s adalah periode ON-OFF MOSFET atau disebut juga periode pensaklaran MOSFET.
Dari Persamaan (4) di atas, terlihat bahwa untuk mendapatkan nilai V o yang konstan pada nilai V d yang berubah-ubah, maka nilai D harus diubah-ubah mengikuti perubahan nilai  V d . Jika  nilai V d naik,  maka  nilai D  harus  dibuat  turun,  sebaliknya  jika  V d turun,  maka  nilai D harus dibuat naik. Pengaturan nilai D dilakukan oleh rangkaian terintegrasi (IC) pengendali PWM ( pulse-width modulation) yang dapat bekerja pada sistem kendali  open-loop maupun close-loop.  Masih  pada  Persamaan  (4),  pada  nilai  V d tertentu,  nilai V o berbanding  lurus dengan nilai D. Jika nilai D naik, maka nilai V o juga naik, dan jika nilai D turun, maka nilai V o juga  turun.  Dengan  demikian,  tegangan  keluaran full-bridge  converter  berbanding  lurus dengan nilai D, sehingga full-bridge converter disebut  mempunyai karakteristik pengaturan linier.

## 2.2.1  Perancangan transformator
Pada  penelitian  ini,  transformator  yang  dibuat  menggunakan  inti  E-I.  Inti  E-I  beserta keterangan dimensinya diperlihatkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Inti E-I dan Keterangan Dimensinya
      P S d N N V
Perancangan  transformator  bertujuan  untuk  mendapatkan  dimensi  inti  transformator, menentukan  jumlah  lilitan  belitan  primer  dan  jumlah  lilitan  belitan  sekunder,  dan menentukan  ukuran  kawat  konduktor  dari  belitan-belitan  transformator.  Perancangan transformator  untuk full-bridge  converter  dilakukan  menggunakan  metode  Area-Product (Umanand  &  Bhat,  2001)  (McLyman,    2011) .  Prosedur  perancangan  transformator dijelaskan sebagai berikut,
1. Menghitung  daya  keluaran full  bridge  converter  (P o )  menggunakan  persamaan berikut,
𝑃 = (𝑉 + 𝑉 + 2𝑉 ) × 𝐼 (6)
dimana, V o adalah nilai tegangan keluaran konverter, V rl adalah jatuh tegangan pada belitan-belitan  transformator, V D adalah  jatuh  tegangan  pada  dioda,  dan I o adalah arus keluaran konverter.
2. Menghitung nilai area-product transformator (A pTr ) menggunakan persamaan berikut, 𝐴 = (7)
dimana η adalah efisiensi transformator, k w adalah faktor pengisian area jendela inti transformator, J  adalah  rapat  arus  konduktor  belitan  transformator,  B m adalah maksimum  nilai  rapat  fluks  magnet  dari  material  inti  transformator,  dan f s adalah frekuensi pensaklaran full-bridge converter.
3. Memilih  ukuran  inti  E-I  yang  sesuai  berdasarkan  nilai area-product  yang  dihitung menggunakan persamaan (7). Ukuran inti yang dipilih adalah yang mempunyai nilai area-product  lebih  besar  daripada  yang  dihitung  menggunakan  Persamaan  (7). Ukuran inti E-I beserta nilai area-product-nya diperlihatkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Ukuran Inti E-I Beserta Nilai A c , A w dan Area-product (A p ) Ukuran inti E-I (mm) s Tebal inti trafo d =1,618 × s (mm) A c ( s × d) (mm 2 ) A w ( 0,75× s 2 ) (mm 2 ) A p ( A c × A w )
(mm 4 ) 16 16 26 416 192 79.872 19 19 31 589 270,75 159471,75 22 22 36 792 363 287.496 25 25 41 1025 468,75 480.468,75 28 28 45 1260 588 740.880 32 32 52 1664 768 1.277.952 35 35 57 1995 918,75 1.832.906,25 38 38 62 2356 1083 2.551.548 44 44 71 3124 1452 4.536.048 51 51 83 4233 1950,75 8.257.524,75 57 57 92 5244 2436,75 12.778.317 4. Menghitung jumlah lilitan belitan primer ( N P ) menggunakan persamaan berikut,
𝑁 =
(8)
dimana V dmax adalah  maksimum  nilai  tegangan  masukan  konverter,  dan A c adalah luas penampang inti transformator tempat melilitkan belitan-belitan.
5. Menghitung jumlah lilitan belitan sekunder ( N S ) menggunakan persamaan berikut,
𝑛 = = × = × (9)
dimana n adalah rasio jumlah lilitan belitan sekunder terhadap jumlah lilitan belitan primer, D max adalah  maksimum  nilai duty  cycle  yang  dihasilkan  oleh  IC  pengendali PWM,  biasanya  berkisar  0,4  –  0,45. V dmin adalah  minimum  nilai  tegangan  masukan konverter.
6. Menentukan ukuran kawat belitan primer dan kawat belitan sekunder. Ukuran kawat belitan  primer  dan  kawat  belitan  sekunder  dinyatakan  oleh  luas  penampang  kawat dan dihitung menggunakan persamaan-persamaan berikut,
𝑎 = (10) 𝑎 = (11)
dimana a S dan a P masing-masing adalah luas penampang kawat belitan sekunder dan luas penampang kawat belitan primer, dan J adalah rapat arus kawat belitan-belitan transformator.

## 2.2.2  Perancangan filter L-C
Filter  L-C  berfungsi  untuk  meratakan  tegangan  keluaran  dan  arus  keluaran full-bridge converter.  Nilai  induktansi  induktor  (L o )  dihitung  menggunakan  persamaan  berikut (Umanand & Bhat, 2001) ,
𝐿 = ( ) ×∆ × (12)
Pada  Persamaan  (12)  diatas,  Δ i L adalah  riak  arus  induktor  pada  kondisi  arus  keluaran nominal ( I o ), nilainya berkisar 0.01 – 0,1 I o .
Nilai  kapasitansi  kapasitor  ( C o )  dihitung  menggunakan  persamaan  berikut (Umanand  & Bhat, 2001) (Kularatna, 2012) ,
𝐶 = ( ) × ×
(13)
Pada  Persamaan  (13)  diatas, r v adalah  faktor  riak  tegangan  keluaran  konverter,  yang didefinisikan sebagai berikut,
𝑟 = ∆ (14)
Sama  seperti  pada  transformator,  induktor  yang  akan  dibuat  juga  menggunakan  inti  E-I. Perancangan  induktor  juga  dilakukan  menggunakan  metode Area-Product.  Prosedur perancangan induktor dijelaskan sebagai berikut,
1. Menghitung  kebutuhan area-product  dari  induktor  (A pL )  yang  akan  dibuat, menggunakan persamaan berikut,
𝐴 = (15)
dimana E  adalah  energi  maksimum  yang  tersimpan  pada  induktor,  k c adalah crest factor,  k w adalah  faktor  pengisian  area  jendela  inti  induktor, J  adalah  rapat  arus konduktor  belitan  induktor,  dan B m adalah  maksimum  nilai  rapat  fluks  magnet  dari material inti induktor. Nilai E dihitung menggunakan persamaan berikut, 𝐸 = 𝐿 𝐼 (16) 𝐼 = 𝐼 + ∆𝑖 (17)
Pada  Persamaan  (16)  dan  Persamaan  (17), I Lmax adalah  nilai  maksimum  arus induktor.
2. Memilih ukuran inti E-I yang sesuai berdasarkan nilai A pL yang dihitung menggunakan Persamaan (15). Ukuran inti yang dipilih adalah yang mempunyai nilai A p lebih besar daripada nilai A pL yang dihitung menggunakan Persamaan (15). Pemilihan ukuran inti E-I untuk induktor adalah menggunakan Tabel 1.
3. Menentukan jumlah lilitan induktor, menggunakan persamaan berikut,
𝑁 = 𝐿 𝑜 ×𝐼 𝐿𝑚𝑎𝑥 𝐴 𝑐 𝐵 𝑚 (18)
dimana A c adalah luas penampang bagian inti E-I tempat melilitkan belitan induktor.
4. Menentukan ukuran kawat belitan induktor. Ukuran kawat belitan induktor dinyatakan oleh  besaran  luas  penampang  kawat  ( a L )  dan  dihitung  menggunakan  persamaan- persamaan berikut,
𝐼 = 𝐼 + ∆𝑖 (19) 𝑎 = (20)
5. Menentukan  lebar  celah  udara  pada  inti  induktor  ( l g ),  menggunakan  persamaan berikut,
𝑙 = (21)
dimana μ o adalah permeabilitas ruang hampa yaitu sebesar 4 π x 10 -7 H/m.

## 2.3 Rangkaian Kendali Konverter DC-DC
Rangkaian kendali full-bridge converter berfungsi mengendalikan kerja full-bridge converter dengan  cara  memvariasikan  nilai duty  cycle  dari  sinyal  PWM yang  dihasilkannya,  sehingga menghasilkan  tegangan  keluaran  atau  arus  keluaran  yang  diinginkan.  Rangkaian  kendali konverter dibuat dengan menggunakan sirkit terintegrasi SG3526 (Microsemi, 2014) .
SG3526  adalah  pengendali  berbasis  sinyal  PWM  yang  bekerja  dengan  frekuensi  tetap. SG3526 menghasilkan 2 sinyal PWM pada terminal-terminal keluarannya. Kedua sinyal PWM tersebut berbeda fasa 180 derajat. Sinyal-sinyal PWM keluaran SG3526 diisolasi secara optik dari    kaki-kaki gate-source  setiap  MOSFET  menggunakan  sirkit  terintegrasi  TLP250 (Toshiba, 2004) .

## 2.4 Rangkaian Catu Daya
Rangkaian catu daya berfungsi menyediakan tegangan yang konstan untuk mencatu SG3526 dan rangkaian  TLP250. Terdapat  2 level  tegangan  yang  digunakan pada  rangkaian  kendali konverter DC-DC, yaitu 5-V dan 12-V. Rangkaian catu daya menggunakan sirkit terintegrasi regulator tegangan linier LM7805 untuk catu daya 5-V dan LM7812 untuk catu daya 12-V.

## 2.5 Kemasan Baterai Lithium-ion ( Battery Pack)
Baterai lithium-ion yang digunakan pada kendaraan listrik biasanya dibangun dari sejumlah sel baterai yang disusun secara hubungan seri dan paralel. Kemasan sel-sel baterai tersebut dinamakan battery pack. Sel baterai yang digunakan berbentuk silinder berukuran diameter 18,40  mm dan  panjang 65 mm,  sehingga  lebih dikenal  dengan sebutan  sel  baterai 18650. Spesifikasi sel baterai 18650 ditampilkan pada Tabel 2 (Samsung SDI, 2011) .

## Tabel 2. Spesifikasi Sel Baterai 18650
Pabrikan Samsung SDI Model INR18650-20R Kapasitas 2000 mAh Tegangan nominal 3,6 V Tegangan charging 4,2 ± 0,05 V Maksimum arus charging 4.0 A Dimensi Ø18,4 x 65 mm
Keadaan muatan listrik di dalam sel baterai lithium-ion 18650 dinyatakan oleh nilai state of charge  (SoC).  SoC  100%  menyatakan  baterai  pada  kondisi  penuh,  sedangkan  SoC  0% menyatakan  baterai  pada  kondisi  kosong.  Proses charging  menyebabkan  muatan  listrik  di dalam  sel  baterai  meningkat,  yang  berarti  nilai  SoC  baterai  tersebut  juga  meningkat. Sebaliknya, proses discharging menyebabkan nilai SoC baterai menurun.
Nilai  SoC  suatu  sel  baterai  dapat  diketahui  berdasarkan  pengukuran  tegangan  terminal baterai pada kondisi baterai tersebut tidak terhubung ke beban atau pada kondisi rangkaian terbuka ( open-circuit voltage, OCV). Tipikal hubungan antara nilai OCV dan nilai SoC dari sel baterai 18650 ditampilkan pada Tabel 3 (Baccouche, dkk, 2018) .
Tabel 3. Beberapa Nilai SoC Terhadap Nilai OCV Sel Baterai Lithium-ion SoC (%) OCV (volt) 100 4,20 90 4,10 80 3,95 70 3,85 60 3,75 50 3,65 40 3,58 30 3,51 20 3,49 10 3,45 0 3,40
Tegangan pengenal battery pack ditentukan berdasarkan jumlah sel baterai yang dirangkai seri.  Misalkan  pada  suatu battery  pack  terdapat  5  sel  baterai  18650  dengan  tegangan pengenal 3,6 V dirangkai seri, maka tegangan pengenal battery pack adalah 18 V.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Sistem battery  charger  yang  dibuat  digunakan  untuk  mengisi  ulang  muatan  battery  pack lithium-ion  yang  mempunyai  tegangan  pengenal  48  V  dan  berkapasitas  20  Ah.  Untuk mencapai  tegangan  pengenal battery  pack,  sejumlah  13  sel  18650  telah  dirangkai  seri sehingga  menghasilkan  tegangan  pengenal  46,8  V.  Meskipun  tegangan  pengenal battery pack masih lebih kecil daripada yang dipersyaratkan, namun jika menggunakan 14 sel yang dirangkai  seri,  maka  tegangan  pengenal battery  pack  menjadi  50,4  V  yang  berarti  lebih besar  daripada  yang  dipersyaratkan.  Oleh  karena  itu, battery  pack  yang  dibuat menggunakan  13  sel  baterai  18650  yang  dirangkai  secara  seri.  Kemudian  untuk  mencapai kapasitas  penyimpanan  20  Ah,  10  sel  baterai  telah  dirangkai  secara  paralel.  Dengan demikian battery pack yang dibuat terdiri dari 130 sel baterai 18650. Sel-sel baterai tersebut disusun menjadi 13 kelompok sel yang dirangkai seri, dan setiap kelompok tersusun oleh 10 sel dirangkai paralel atau dikenal dengan susunan 13s10p.
Battery  pack  dilengkapi  dengan  rangkaian  battery  management  system  (BMS)  yang berfungsi mengatur distribusi arus pada setiap sel baterai saat kondisi discharging maupun saat  kondisi charging,  dan  juga  melindungi  battery  pack  dari  kejadian  tegangan-lebih  saat proses charging dengan cara memutus arus pengisian ketika tegangan terminal battery pack lebih dari 53 V.
Battery  charger  yang  dibuat  dicatu  oleh  sumber  tegangan  1-fasa  220-V  50-Hz.  Tegangan keluaran nominal battery charger adalah 54,6 V. Angka ini berasal dari nilai OCV setiap sel baterai pada kondisi SoC 100% dikali dengan jumlah sel yang dirangkai seri. Arus keluaran nominal battery charger adalah 20 A. Spesifikasi battery charger ditampilkan pada Tabel 4.
Tabel 4. Spesifikasi Battery Charger Parameter Nilai Tegangan masukan 220V±10%, 50-Hz Tegangan keluaran 54,6 Vdc Arus keluaran 20A
Tegangan bolak-balik dari jaringan listrik 1-fasa tegangan rendah diubah menjadi tegangan searah  oleh  modul  penyearah  1-fasa  jembatan  dioda  GBJ2510.  Modul  ini  mempunyai maksimum  tegangan  panjar  mundur  ( V RRM )  sebesar  1000  V  dan  maksimum  arus  rata-rata ( I F_AV )  sebesar  25  A.  Ukuran  kapasitor  filter  dihitung  menggunakan  persamaan  (1), persamaan  (2),  dan  persamaan  (3),  dengan  menggunakan  kondisi  tegangan  masukan terendah. Dengan menggunakan nilai-nilai V omax = 0,9x220x√2= 280V, β=0,9 , f = 50Hz dan P=63,06x20=1261,2  W,  maka  diperoleh  C  =  1451  μF.  Sebagai  catatan  nilai  P=1261,2  W dihitung  berdasarkan  daya  masukan  dari  konverter  DC-DC.  Pada  penelitian  ini  telah digunakan 4 unit kapasitor elektrolit 10000 μF, 100 V yang dirangkai secara hubungan seri.
Tegangan  keluaran  konverter  AC-DC  masuk  ke  rangkaian  konverter  DC-DC  berbasis full- bridge  converter.  Rangkaian  masukan  full-bridge  converter  menggunakan  4  unit  MOSFET tipe 2SK4107 yang mempunyai nilai tegangan V DSS = 500 V dan arus drain ( I D ) sebesar 15 A. Rangkaian  keluaran  konverter  menggunakan  4  unit  dioda  cepat  RHRP3060  yang  dirangkai dalam hubungan jembatan. Dioda tersebut mempunyai maksimum tegangan panjar mundur ( V RRM ) sebesar 600 V dan maksimum arus rata-rata ( I F_AV ) sebesar 30 A.
Perancangan transformator memerlukan beberapa parameter sebagaimana ditampilkan pada Tabel  5.  Dengan  memasukkan  data-data  dari  Tabel  5  ke  persamaan  (6),  diperoleh P o = 1261,2  W. Kemudian dengan  memasukkan nilai-nilai P o , η, B m , J, k w , f s ke  persamaan  (7), diperoleh  nilai A pTr =  985312,5  mm 4 .  Dengan  menggunakan  Tabel  1,  ukuran  inti  E-I  yang digunakan adalah ukuran 32, dengan data-data sebagai berikut, A c = 1664 mm 2 , A w = 768 mm 2 dan A p =  1.277.952  mm 4 .  Selanjutnya  jumlah  lilitan  belitan  primer  ( N P )  dihitung menggunakan  persamaan  (8).  Dengan  memasukkan  ke  persamaan  (8),  nilai V dmax = 1,1×220×√2  =  342  V,  nilai A c =  1664×10 -6 m 2 ,  dan  nilai-nilai B m dan f s dari  Tabel  5, diperoleh  nilai N P =  86  lilitan.  Selanjutnya  jumlah  lilitan  belitan  sekunder  ( N S )  dihitung menggunakan  persamaan  (9).  Dengan memasukkan ke persamaan  (9), nilai N P = 86, nilai V dmin =  0,9×220×√2  = 280  V,  nilai D max = 0,45 dan  nilai-nilai V o , V rl dan V D dari Tabel 4, diperoleh nilai N S = 22 lilitan. Selanjutnya ukuran kawat konduktor belitan primer ( a P ) dan ukuran kawat konduktor  belitan sekunder  ( a S ) dihitung menggunakan persamaan (11)  dan persamaan  (10),  sehingga  diperoleh a P =  1,583  mm 2 dan a S =  6,32  mm 2 .  Data-data rancangan transformator ditampilkan pada Tabel 6.
Tabel 5. Parameter Perancangan Transformator untuk Full-bridge Converter Parameter Simbol Nilai Keterangan Tegangan keluaran konverter V o 54,6 V Jatuh tegangan pada transformator V rl 5,46 V 0,1× V o Jatuh tegangan pada jembatan dioda V D 1,5 V Arus keluaran konverter I o 20 A Rapat fluks magnet maksimum B m 0,6 T Rapat arus J 3x10 6 A/m 2 Faktor pengisian area jendela inti k w 0,4 Frekuensi pensaklaran konverter f s 1000 Hz Efisiensi transformator η 0,8 Tabel 6. Data-data Rancangan Transformator untuk Full-bridge Converter Parameter Simbol Nilai Ukuran inti E-I 32 mm Tebal inti E-I d 52 mm Jumlah lilitan belitan primer N P 86 lilitan Jumlah lilitan belitan sekunder N S 22 lilitan Ukuran kawat belitan primer a P 1,583 mm 2 Ukuran kawat belitan sekunder a S 6,32 mm 2
Penentuan nilai induktansi dan kapasitansi filter L-C dilakukan menggunakan persamaan (12) dan persamaan (13). Dengan memasukkan ke persamaan (12) nilai Δ i L = 0,05×20 = 1 A dan nilai-nilai V o , D max dan f s yang bersesuaian, diperoleh nilai L o =  2,73 mH. Selanjutnya dengan memasukkan  ke  persamaan  (13)  nilai r v =  0,05%,  diperoleh  nilai C o =  457,9  μF.  Pada penelitian ini, filter L-C telah menggunakan kapasitor elektrolit 1200 μF, 100V.
Perancangan  induktor  pada  filter  L-C  dilakukan  menggunakan  persamaan  (15)  sampai persamaan  (21).  Parameter  perancangan  induktor  ditampilkan  pada  Tabel  7.  Dengan memasukkan nilai I o = 20 A dan nilai Δ i L = 0,05x I o = 1 A ke persamaan (17), diperoleh I m = 20,5  A.  Selanjutnya  dengan  menggunakan  persamaan  (16),  diperoleh E  =  0,5736  J. Selanjutnya  dengan  memasukkan  nilai E  tersebut  dan  parameter-parameter  perancangan induktor ke persamaan (15), diperoleh nilai A pL = 2.124.444,4 mm 4 . Dengan menggunakan Tabel  1,  maka  digunakan  inti  E-I  ukuran  38,  yang  mempunyai  data-data  dimensi  sebagai berikut, A c =  2356  mm 2 , A w =  1083  mm 2 dan A p =  2.551.548  mm 4 .  Selanjutnya  dengan menggunakan  persamaan  (18),  diperoleh  jumlah  lilitan  induktor, N  =  40  lilitan.  Dengan menggunakan persamaan (19) dan persamaan (20), diperoleh ukuran kawat induktor, a L = 6,675 mm 2 . Selanjutnya lebar celah udara dihitung menggunakan persamaan (21), sehingga diperoleh nilai l g = 1,73 mm. Pada penelitian ini telah digunakan celah udara sebesar 1 mm. Data-data rancangan induktor ditampilkan pada Tabel 8.
Tabel 7. Parameter Perancangan Induktor untuk Filter L-C Full-bridge Converter Parameter Simbol Nilai Rapat fluks magnet maksimum B m 0,6 T Rapat arus J 3x10 6 A/m 2 Faktor pengisian area jendela inti k w 0,3 Crest factor k c 1
Tabel 8. Data-data Rancangan Induktor untuk Filter L-C Full-bridge Converter Parameter Simbol Nilai Ukuran inti E-I 38 mm Tebal inti E-I d 62 mm Jumlah lilitan N 40 lilitan Ukuran kawat belitan a L 6,675 mm 2 Lebar celah udara l g 1 mm
Rangkaian  kendali full-bridge  converter  menggunakan  sirkit  terintegrasi  SG3526.  Sistem kendali menggunakan metode pengaturan lup-terbuka ( open-loop mode) dimana pengaturan duty  cycle  dari  sinyal  PWM  yang  diberikan  ke  kaki-kaki  MOSFET  dilakukan  secara  manual dengan memutar potensiometer R C yang terdapat pada papan rangkaian kendali. Pengaturan duty  cycle  dilakukan  untuk  menjaga  agar  proses  charging  baterai  lithium-ion  terjadi  pada arus pengisian konstan.
Sinyal  PWM  yang  berasal  dari  SG3526  kemudian  diteruskan  ke  kaki-kaki gate-source MOSFET  melalui  sirkit terintegrasi  TLP250,  yang merupakan  rangkaian  penggerak  MOSFET yang  dilengkapi  isolasi  optikal  antara  bagian  masukan  dan  bagian  keluarannya.  Sebelum masuk ke TLP250, sinyal PWM dari SG3526 masuk ke sirkit buffer 74LS07 untuk dikondisikan terlebih  dahulu.  Rangkaian  kendali full-bridge  converter  menggunakan  4  unit  TLP250,  di mana setiap TLP250 terhubung ke kaki-kaki gate-source setiap MOSFET. Skematik rangkaian kendali full-bridge  converter  diperlihatkan  pada  Gambar  6.  Gambar  7(a)  memperlihatkan rangkaian  kendali full-bridge  converter  yang  terangkai  pada  papan  pcb.  Gambar  7(b) memperlihatkan  bentuk-bentuk  sinyal  PWM  keluaran  rangkaian  kendali  yang  diberikan  ke MOSFET  Q1  dan  Q3.  Terlihat  bahwa  kedua  sinyal  tersebut  berbeda  fasa  180  derajat  dan mempunyai frekuensi pensaklaran sebesar 1020 Hz.
Gambar 6. Skematik Rangkaian Kendali Full-bridge Converter
Informasi tentang komponen-komponen utama yang digunakan pada sistem battery charger ini ditampilkan pada Tabel 9. Gambar 8 memperlihatkan sistem battery charger yang dibuat secara keseluruhan.
(a) (b)
Gambar 7. (a) Rangkaian Kendali Full-bridge Converter Yang Terpasang Pada Papan PCB,
(b) Sinyal PWM untuk MOSFET Q1 dan Q3
Tabel 9. Data Komponen-komponen Utama Sistem Battery Charger Parameter Nilai Konverter AC-DC Tegangan masukan 220 V ± 10% , 50 Hz Modul jembatan dioda GBJ2510 Kapasitor filter 2500 μF, 400 V Konverter DC-DC Tegangan masukan 311 V ± 10% Tegangan keluaran 54,6 V Arus keluaran 20 A Frekuensi pensaklaran 1000 Hz Saklar elektronik Q1, Q2, Q3, Q4 MOSFET 2SK4107 Transformator N P : N S = 86 : 22 Dioda penyearah D5, D6, D7, D8 Hyperfast diode RHRP3060 Induktor filter 2,73 mH Kapasitor filter 1200 μF, 100 V
Gambar 8. Sistem Battery Charger untuk Pengisian Muatan Baterai Lithium-ion
Pengujian  terhadap  sistem battery  charger  dilakukan  pada  beberapa  kondisi.  Pada  kondisi pertama, sistem battery charger tidak dihubungkan ke baterai lithium-ion atau disebut pada kondisi  tanpa-beban.  Pengujian  ini  untuk  mendapatkan  hubungan  antara  nilai duty  cycle dengan  tegangan  keluaran battery  charger.  Nilai  duty  cycle  dinaikkan  sampai  tegangan keluaran battery  charger  sekitar  nilai  nominalnya  yaitu  sebesar  54,40  V.  Dari  hasil pengukuran  dengan  osiloskop  diperoleh duty  cycle  pada  kondisi  tersebut  adalah  sebesar
23,20%.  Rangkaian  pengujian  diperlihatkan  pada  Gambar  9(a)  dan  sinyal  PWM  keluaran rangkaian kendali pada kondisi tersebut diperlihatkan pada Gambar 9(b).
(a) (b)
Gambar 9. (a) Rangkaian Pengujian Battery Charger Pada Kondisi Tanpa-beban, (b) Sinyal PWM pada Pengujian Tanpa-beban, Tegangan Keluaran 54,40 V
Pengujian  yang  kedua  adalah  pengujian  fungsional  yang  bertujuan  untuk  mengetahui kemampuan  sistem battery  charger  dalam  mengisi  ulang  muatan  battery  pack.  Pengujian fungsional  dilakukan  pada  kondisi battery  pack  mempunyai  SoC  awal  50%.  Dari  Tabel  3 diketahui bahwa nilai OCV battery pack pada kondisi tersebut adalah 13×3,65 V= 47,45 V. Untuk mencapai kondisi ini, battery pack telah di-discharge selama beberapa jam sehingga tegangan  terminalnya  pada  keadaan open-circuit  sebesar  47,45  V.  Battery  pack  kemudian diisi  ulang  muatannya  dengan  arus  pengisian  konstan  sebesar  5-A.  Arus  pengisian  dijaga konstan  dengan  cara  mengatur duty-cycle  sinyal  PWM  keluaran  rangkaian  kendali  selama proses  pengisian.  Ketika battery  pack  di-charge  maka  setelah  beberapa  waktu  tegangan terminal battery pack akan naik, sehingga menyebabkan arus pengisian menurun. Duty cycle harus  dinaikkan  untuk  mengembalikan  arus  pengisian  ke  angka  5-A.  Proses  pengisian dihentikan  ketika  tegangan  terminal  baterai  telah  mencapai  54,40  V  atau  ketika  arus pengisian battery  pack  telah  diputus  secara  otomatis  oleh  unit  BMS  yang  terpasang  pada battery pack. Hasil pengujian fungsional ditampilkan pada Tabel 10.
Tabel 10. Data Pengujian Pengisian Muatan Battery Pack, SoC awal 50%
Waktu Tegangan terminal battery pack (V) Duty cycle (%) 11:00 49,10 32,23 11:15 49,70 33,48 11:30 50,90 34,09 11:45 51,80 34,64 12:00 52,60 34,90 12:15 53,70 35,45 12:20 54,20 35,83
Pada Tabel 10 dapat diketahui bahwa proses charging dimulai pada pukul 11:00 dan selesai pada  pukul  12:20,  atau  berlangsung  selama  sekitar  80  menit.  Sebelum  proses charging, tegangan terminal battery pack adalah 47,45 V. Ketika battery pack dihubungkan ke battery charger,  tegangan  terminal  battery  pack  naik  menjadi  49,10  V.  Hal  ini  disebabkan  adanya resistansi  internal battery  pack  sehingga  menghasilkan  jatuh  tegangan  ketika  dialiri  arus listrik. Dalam hal ini, besar jatuh tegangan tersebut adalah 1,65 V.
Gambar 10. Profil Tegangan Pengisian Battery Pack Terhadap Waktu
Selama proses charging, tegangan terminal battery pack menaik sebagaimana diperlihatkan pada  Gambar  10.  Seharusnya  proses charging  dihentikan  ketika tegangan  terminal  battery pack  mencapai  56,25  V,  tetapi  karena  battery  pack  dilengkapi  dengan  unit  BMS,  maka sambungan  ke battery  pack  secara  otomatis  diputus  oleh  BMS  ketika  tegangan  terminal battery pack mencapai 54,20 V. Hasil pengujian fungsional sebagaimana yang disajikan pada Gambar 10, memperlihatkan bahwa sistem battery charger yang dibuat telah dapat mengisi muatan baterai lithium-ion sampai penuh pada arus pengisian konstan sebesar 5 A.

## 4. KESIMPULAN
Suatu  sistem battery  charger  untuk  baterai  lithium-ion  yang  digunakan  pada  kendaraan listrik berbasis baterai telah dibuat pada penelitian ini. Sistem battery charger tersebut dicatu oleh  jaringan  listrik  1-fasa 220-V  50-Hz. Rangkaian battery charger disusun  dari  kombinasi konverter AC-DC dan konverter DC-DC. Konverter AC-DC menggunakan topologi penyearah 1-fasa  jembatan  dioda,  sedangkan  konverter  DC-DC  menggunakan  topologi full-bridge converter. Full-bridge  converter tersebut  bekerja pada frekuensi pensaklaran medium yaitu sebesar 1 kHz. Material baja silikon dalam bentuk inti E-I telah digunakan untuk menyusun inti  transformator  dan  inti  induktor  yang  digunakan  pada  rangkaian  daya full-bridge converter. Sistem battery charger tersebut telah dirancang untuk mengisi baterai lithium-ion dengan  kapasitas  penyimpanan  20-Ah  dan  tegangan  pengenal  48-V.  Pengujian  fungsional dengan  mengisi  baterai  pada  kondisi  awal  SoC  50%  dan  menggunakan  arus  pengisian konstan  sebesar  5  A,  menghasilkan  bahwa  pengisian  muatan  baterai  hingga  penuh memerlukan waktu 80 menit.

## DAFTAR RUJUKAN
Ahasan Habib, A. K. M., Hasan, M. K., Mahmud, M., Motakabber, S. M. A., Ibrahimya, M. I.,
&  Islam,  S.  (2021).  A  review:  Energy  Storage  System  and  Balancing  Circuits  for
Electric Vehicle Application. IET Power Electronics, 14, 1 – 13.
Ahasan  Habib,  A.  K.  M.,  Motakabber,  S.  M.  A.,  &  Ibrahimy,  M.  I.  (2019).  A  Comparative Study of Electrochemical Battery for Electric Vehicles Applications. IEEE Int. Conf. on
Power, Electrical, and Electronics and Industrial Application, (pp. 43 – 47).
Ahmadian,  A.,  Mohammadi-Ivatloo,  B.,  &  Elkamel,  A.  (2020).  A  Review  on  Plug-in  Electric Vehicles:  Introduction,  Current  Status,  and  Load  Modeling  Techniques. Journal  of Modern Power Systems and Clean Energy, 8(3), 412–425.
Aziz, M., Marcellino, Y., Rizki, I. A., Ikhwanuddin, S. A., & Simatupang, J. W. (2020). Studi Analisis Perkembangan Teknologi dan Dukungan Pemerintah Indonesia Terkait Mobil Listrik. TESLA: Jurnal Teknik Elektro, UNTAR, 22(1), (pp. 45 – 55).
Baccouche, I., Manai, B., Jemmali, S., & Essoukri ben Amara, N. (2018). Implementation of
An  Improved  Coulomb-counting  Algorithm  Based  on  A  Piecewise  SOC-OCV
Relationship for SOC Estimation of Li-ion Battery. International Journal of Renewable Energy Research. 8(1), 178-187.
Balci, S., Sefa, I., & Bayram, M. B. (2014). Core Material Investigation of Medium-Frequency Power  Transformers. 16th  International  Power  Electronics  and  Motion  Control Conference and Exposition, (pp. 861 – 866).
Chau, K. T. (2015). Electric Vehicle Machines and Drives: Design, Analysis and Application.
Singapore: John Wiley & Sons, Inc.
Du,  S.  B.  Y., Wang,  G.,  &  Bhattacharya,  S.  (2010).  Design  Considerations  of  High  Voltage and High Frequency Transformer for Solid State Transformer Application. 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, (pp.1 – 6).
Feng, C., & Yang, X. (2019). Explosion Mechanism and Prevention of Lithium-ion Batteries.
2019 IEEE Sustainable Power and Energy Conference (iSPEC), (pp. 969-974).
Halim,  A.  A.  B.  A.,  Eid-Bayoumi,  E.  H.,  El-Khattam,  W.,  &  Ibrahim,  A.  M.  (2022).  Electric
Vehicles:  A  Review of Their Components  and Technologies. International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS), 13(4), 2041 – 2061.
Hoque, M. M., Hannan, M. A., Mohamed, A., & Ayob, A. (2017). Battery Charge Equalization Controller  in  Electric  Vehicle  Applications:  A  Review. Renewable  and  Sustainable Energy Reviews, Elsevier, 75(C), 1363–1385.
Huang, P., Mao, C., Wang, D., Wang, L., Duan, Y., Qiu, J., Xu, G., & Cai, H.  (2017). Optimal
Design  and  Implementation  of  High-voltage  High-power  Silicon  Steel  Core  Medium
Frequency Transformer. IEEE Trans. of Industrial Electronics, 64(6), 4391- 4401.
Kim,  D.  H.,  Kim,  M.  S.,  Nengroo,  S.  H.,  Kim,  C.  H.,  &  Kim,  H.  J.  (2019).  LLC  Resonant
Converter for LEV (Light Electric Vehicle) Fast Chargers. Electronics, 8, 1 – 14.
Kong,  L.,    Li,  C.,  Jiang,  J.,  &  Pecht,  M.  G.  (2018).  Li-ion  Battery  Fire  Hazards  and  Safety Strategies. Energies, 11(9), 1 – 11.
Kularatna, N. (2012). DC Power Supplies Power Management and Surge Protection for Power Electronic Systems. CRC Press.
McLyman, T. (2011). Transformer and Inductor Design Handbook. Fourth Edition. CRC Press.
Microsemi. (2014). SG1526/SG2536/SG3526, Regulating Pulse Width Modulator:  Datasheet.
Mondal, N., Biswas, S. K., Sinha, S., & Deb, N. K. (2007). Selection of The Filter Capacitor for Power  Supplies  Using  1-phase  Diode  Rectifier. Proceeding  of  7th  International Conference on Power Electronics and Drive Systems, PEDS 2007, Bangkok, Thailand.
Nasar, S. A. (1987). Handbook of Electric Machines. New York: McGraw-Hill.
Pramanik, P. K. D., Sinhababu, N., Mukherjee, B., Padmanaban, S., Maity, A.,  Upadhyaya, B.
K.,  Holm-Nielsen,  J.  B.,  &  Choudhury,  P.  (2019).  Power  Consumption  Analysis,
Measurement,  Management,  and  Issues:  A  State-of-the-art  Review  of  Smartphone Battery and Energy Usage. IEEE Access, 7, 182113 - 182172.
Pressman,  A.  I.,  Billings,  K.,  &  Morey,  T.  (2009). Switching  Power  Supply  Design.    Third Edition. McGraw-Hill.
Rospawan,  A.,  &  Simatupang,  J.  W.  (2021).  Microcontroller-Based  Lead-Acid  Battery Balancing  System  for  Electric  Vehicle  Applications. Jurnal  Elektronika  dan Telekomunikasi (JET), 21(2), (pp. 128 – 139).
Rusli, M. R., Mukhlisin, A., Raharjo, J., Yuniarto, M. N., Wikarta, A., & Haerudin, H. (2019).
Design  and  Consideration  of  Off-board  Lithium-ion  Battery  Charger  for  Electric Vehicle. Journal of Physics: Conference Series, 1517, (pp. 1 - 8).
Sanguesa, J. A.,  Torres, V., Garrido, P., & Marquez-Barja, J. M. (2021). A Review on Electric Vehicles: Technologies and Challenges. Smart Cities 4(1), 372 – 404.
Samsung  SDI.  (2011). Specification  of  Product:  Lithium-ion  Rechargeable  Cell  for  Power Tools, Model INR18650-20R.
Sun,  X., Li,  Z., Wang,  Z., &  Li,  C.  (2020).  Technology  Development  of  Electric  Vehicles:  A Review. Energies, 13(1), 1 – 29.
Tempo.co.  (2022). Mobil  Listrik  Tim  UNRI  Juara  Dua  IIMS  Hybrid  FRESC  2022,  Lihat Speknya.  Retrieved  from https://otomotif.tempo.co/read/1581373/mobil-listrik-tim- unri-juara-dua-iims-hybrid-fresc-2022-lihat-speknya .
Toshiba. (2004). TLP250, Photocoupler GaAlAs Ired & Photo−IC: Datasheet.
Umanand,  L.,  &  Bhat,  S.  R.  (2001). Design  of  Magnetic  Components  for  Switched  Mode Power Converters. Second Edition. New Delhi: New Age International.
Zhang, S., Zhang, C., Xiong, R., & Zhou, W. (2014). Study on the Optimal Charging Strategy for Lithium-Ion Batteries Used in Electric Vehicles. Energies, 7(10), 6783 - 6797.