## PENGISIAN BATERAI LI-ION DENGAN METODE CONSTANT CURRENT, CONSTANT VOLTAGE, CONSTANT CURRENT – CONSTANT VOLTAGE
ANDI MUHAMMAD NUR PUTRA 1* , GILANG RAMADHAN 2
Fakultas Teknik, Institut Teknologi Padang 1, 2 andimnurputra@itp.ac.id*, gilangex12@gmail.com
Abstract: One of the main components in the development of environmentally friendly electric- based  vehicle  technology  is  the  battery.  Battery  technology  is  growing  along  with  the significant  growth  rate  of  electric  vehicles  lately.  The  main  issues  concerning  the  use  of batteries  are  limited  capacity,  long  charging  times,  and  safety  issues  such  as  battery temperatures  that  can  rise  rapidly  during  use  and  charging.  A  number  of  innovations  have been  made  to  overcome  the  battery  charging  problem,  which  is  key  to  the  development  of electric  vehicles.  This  paper  uses  three  charging  methods  to  present  the  charging  process  of lithium-ion  batteries  that  are  widely  used  in  electric  vehicles.  The  simulation  process  was conducted with a 16.7 kW test circuit that is designed to deliver a maximum charging current of  90  A. Test  results  have  been  presented  where  charging  with  the  constant  current  constant voltage  method  can  provide  better  charging  behavior  for  the  battery.  It  took  100  minutes  to fully charge the battery, keeping the temperature below the maximum limit of 45 O C. Keywords: Battery, Charging, Time, Temperature.
Abstrak: Baterai  merupakan  salah  satu  komponen  utama  dalam  pengembengan  teknologi kendaraan berbasis listrik yang ramah lingkungan. Teknologi baterai terus berkembang seiring dengan  laju  pertumbuhan  kendaraan  listrik  yang  cukup  siginifikan  akhir-akhir  ini.  Isu  utama dalam  penggunaan  baterai  adalah  kapasitas  yang  terbatas,  waktu  pengisian  yang  lama,  dan masalah  keamaan  seperti  temperatur  baterai  yang  dapat  naik  dengan  cepat  saat  digunakan maupun saat diisi. Berbagai inovasi telah dilakukan untuk mengatasi masalah pengisian baterai yang  merupakan  kunci  dari  perkembangan  kendaraan  listrik.  Paper  ini  mengulas  proses pengisian  baterai  jenis  lithium  ion  yang  banyak  dipakai  pada  kendaraan  listrik  dengan menggunakan  tiga  metode  pengisian.  Proses  pengujian  berlangsung  dengan  simulasi menggunakan  rangkaian  pengujian  berkapasitas  16,7  kW  yang  didesain  dapat  mengalirkan arus  pengisian  maksimum  90  A.  Hasil  pengujian  telah  dijabarkan  dimana  pengisian  dengan metode tegangan konstan arus konstan dapat memberikan perilakuan pengisian yang lebih baik bagi baterai. Untuk mengisi baterai hingga penuh dibutuhkan waktu selama 100 menit dengan temperatur terjaga di bawah batas maksimum 45 O C. Kata Kunci: Baterai, pengisian, waktu, temperatur.

## A.Pendahuluan
Dalam beberapa tahun terakhir ini transportasi mengalami perubahan, untuk mengurangi polusi  dan  ketersediaan  bahan  bakar  yang  ada  saat  ini  dengan  betransisi  ke  penggunaan kendaraan  berbasis  beterai  [1],  salah  satu  transportasi  yang  mulai  bertansisi  menggunakan teknologi  baterai  adalah  mobil  dan  motor  [2].  Pada  abad-19  dan  awal  abad-20  untuk mengurangi  polusi  perlu  meningkatkan  pembatasan  mengemudi  pada  kendaraan  bensin  di sekitar  wilayah  metropolitan,  dan  alternatif  cerdas  bisa  menjadi  pengenalan  kendaraan  listrik [3].  Berkat  pembatasan  mengemudi  dari  kendaraan  bensin  di  daerah  perkotaan,  pasar kendaraan  listrik  mulai  tumbuh,  dan  banyak  negara  berkontribusi  dengan  intensif  untuk membeli kendaraan hibrida dan baterai [4].
Pengisian  kendaraan  listrik  terdiri  dari  pengisian  arus  konstan  (CC)  dan  tegangan konstan  (CV)  Awalnya,  pengisi  daya  mengisi  baterai  dengan  mode  CC  dan  tegangan  baterai secara bertahap meningkat. Ketika tegangan baterai mencapai tegangan pengisian maksimum, pengisi  daya  mengubah  modenya  dari  pengisian  CC  mode  ke  pengisian  mode  CV.  Proses pengisian selesai ketika arus baterai mencapai nilai tertentu [5].
Waktu  pengisian  daya  telah  menjadi  kelemahan  teknologi  kendaraan  listrik,  karena secara  historis  jauh  lebih  cepat  dan  nyaman  untuk  mengisi  bahan  bakar  dari  sumber  berbasis
minyak  bumi.  Pengisian  kendaraan  listrik  telah  dikategorikan  dalam  tiga  tingkatan,  sebagai berikut:  Level  1  adalah  pengisian  standar  yang  memiliki  daya  pengisian  kurang  dari  5  kW, Level  2  adalah  pengisian  cepat  yang  terjadi  antara  5  kW  dan  50  kW,  dan  Level  3  adalah pengisian super cepat yang lebih besar dari 50 kW [6].
Pengisi daya baterai  untuk kendaraan listrik  biasanya diklasifikasikan  sebagai on-board (dalam  kendaraan  listrik)  atau  off-board  (di  lokasi  tetap)  sehubungan  dengan  posisinya,  dan sebagai  searah  atau  dua  arah  dalam  hal  aliran  daya.  Menurut  tingkat  daya  pengisian  yang ditetapkan  oleh  Society  of  Automotive  Engineers  (SAE),  baik  pengisian  daya  AC  level  1 (lambat) dan  AC level 2 menggunakan pengisi daya terpasang dengan level daya maksimum. Dengan  demikian,  penerapan  AC  level  1  yang  dimaksudkan  adalah  untuk  pengisian  daya  di rumah  atau  kantor  menggunakan  convenience  outlet  pada  umumnya,  sedangkan  AC  level  2 ditujukan untuk pengisian daya di fasilitas umum atau pribadi. Berbeda dengan dua jenis level daya yang disebutkan di atas, pengisian daya level 3 (cepat) (baik AC atau DC) menggunakan pengisi daya off-board dan mengacu pada aplikasi komersial [7].
Baterai  yang  digunakan  untuk  kendaraan  listrik  adalah  lithium-ion,  Baterai  lithium-ion diproyeksikan menjadi baterai paling populer untuk kendaraan listrik plug-in dan baterai penuh (PHEV dan  BEV).  Karena  baterai  li-ion  sangat  cocok  untuk  kendaraan  listrik  saat  ini  karena mereka dapat menghasilkan  energi dan daya  tinggi per  unit massa baterai, membuatnya lebih ringan dan lebih kecil daripada baterai isi ulang lainnya [8].

## B.Metodologi Penelitian
Kendaraan  berbasis  baterai/Electric  Vehicle  (EV)  adalah  kendaraan  yang  berjalan dengan penggerak listrik dengan daya tambahan yang tersimpan pada unit penyimpanan energi yang  dapat  diisi  ulang  dari  jaringan  listrik  dan Brake  energy  recuperation [9] . Energi  listrik untuk  pengisian  pergerakan  kendaraan  dapat  berasal  dari  pembangkit  listrik  serta  sumber energi  terbaharukan  dan  disimpan  dalam  baterai,  sel  bahan  bakar  dan ultracapacitors. Tidak seperti  kendaraan  konvensional,  EV  menggunakan  sumber  daya  dan  motor  listrik  yang  lebih efisien  dari  pada  kendaraan  mesin  pembakaran  internal.  Baterai  sebagai  komponen  utama dapat  EV  digunakan  sebagai  suplai  utama  bagi  penggerak  motor  listrik.  Baterai  lithium-ion (Li-ion)  adalah  baterai  yang  paling  cocok  untuk  kendaraan  listrik  saat  ini  karena  dapat menghasilkan  energi  dan  daya  tinggi  per  unit  massa  baterai,  membuatnya  lebih  ringan  dan lebih kecil dari pada baterai isi ulang lainnya [8]. Baterai Li-ion merupakan baterai isi ulang di mana ion lithium bergerak di antara anoda dan katoda, menciptakan aliran listrik yang berguna untuk aplikasi elektronik. Dalam siklus pelepasan, lithium di anoda (bahan karbon) terionisasi dan  dipancarkan  ke  elektrolit.  Ion  litium  bergerak  melalui  pemisah  plastik  berpori  dan dimasukkan  ke dalam  lubang  seukuran  atom  di katoda  (oksida logam  litium), pada  saat  yang sama  elektron  dilepaskan  dari  anoda.Pengisian  ulang  baterai  Li-ion  dapat  dil  akukan  dengan beberapa cara  seperti menggunakan  pengisian AC dan DC. Dalam [9 – 11] dijelaskan bahwa berdasarkan Standar SAE J1772 daya pengisian Level I dapat mencapai hingga 1,92 kW. Pada Level  II  SAE  J1772  dapat  mendukung  pengisian  daya  pada  208VAC  dan  48A  (9,98kW) kemudian 240VAC dan 80A (19.2kW). Pengisian  cepat  Level  III menggunakan pengisi daya tegangan  tinggi  hingga  500  VDC  dan  400A  langsung  ke  baterai  kendaraan.  Rangkaian  uji (charger)  berbentuk  single  phase  inverter  didesain  untuk  proses  pengisian  baterai.  Rangkaian inverter  ini  digunakan  untuk  mengkonversi  tegangan  DC  menjadi  tegangan  AC  yang  mana dilengkapi  dengan  sistem  kontrol.  Tegangan  AC  ini  kemudian  disearhkan  Dan  menjadi tegangan DC berfungsi sebagai keluaran DC yang lebih tinggi. Rangkaian ini bekerja dengan mengubah tegangan masukan DC 400 V yang dikontrol dengan kendali PI untuk mendapatkan tegangan dan arus keluaran konstan yang diperlukan untuk proses pengisian, Setelah melewati inverter tegangan akan bermuatan AC untuk menghantar daya melewati kumparan magnet saat sejajar,  pada  saat  melewati  kumparan  akan  mengalami  rugi-rugi  daya,  daya  akan  masuk  ke rectifire untuk mengubah tegangan ke DC lalu dialirkan ke dalam baterai.
Gambar 1. Rangkaian simulasi charger baterai Li-ion Tabel 1. Parameter rangkaian uji PARAMETER SYMBOL CC-CV Peak Power Pout 15390 W Input Voltage Vin 400 Vdc Output Voltage Vout 179 Vdc Output Current Iout 80 - 90 A Transformator Winding 1 Vrms R L1 400 4.3218e-6 0.45856e-9 Transformator Winding 2 Vrms R L2 70 0.7938e-6 0.084225e-9 Inductor L1,L2 2.39 mH Capacitor C1,C2 1.05 f
Dalam pengujian  yang dilakukan, beberapa variabel akan diamati  untuk dianalisis dan ditarik kesimpulan.  Pengujian  dilakukan  dengan  tiga  metode  pengisian  menggunakan  rangkaian  uji seperti ditunjukkan pada gambar 1 di atas. Kondisi pengujian didesain agar kondisi mula-mula (SOC) baterai berada pada kondisi 0% sehingga dapat diamati setiap perilaku pengisian untuk tiap  tahapan  kenaikan  level  kondisi  pengisian.  Variabel  masukan  (daya  charger)  yang digunakan  untuk  mengisi  baterai  juga  diatur  sama  untuk  ketiga  kondisi  pengisian  sehingga dapat dibandingkan hasil dari tiap-tiap metode yang digunakan.

## C.Hasil dan Pembahasan
Pada  bagian  ini,  proses  pengisian  baterai  Li-ion  divalidasi  secara  komputerisasi menggunakan  simulasi.  Pengujian  untuk  ketiga  metode  pengisian  CC,  CV,  dan  CCCV menggunakan baterai Li-ion berkapasitas 7,6 kWh. Pengisian baterai dimulai dari kondisi state of  charge (SOC)  0%  hingga  baterai  penuh  100%.  Hasil  pengujian  memberikan  gambaran tentang kondisi baterai saat diisi, temperature, lama waktu pengisian, dan pola pengisian yang terjadi di dalam baterai.
Pengujian  pertama  dilakukan  dengan  metode  CC.  Seperti  ditunjukkan  pada  gambar  6 baterai diisi dengan arus pengisian sebesar 84 A dan tegangan pengisian 179 V. Arus pengisian di atur agar selalu konstan selama proses pengisian baterai berlangsung. Baterai membutuhkan waktu  88  menit  untuk  penuh  (SOC  100%).  Pengisian  dengan  metode  ini  menyebabkan terjadinya  peningkatan  signifikan  pada  temperatur  baterai.  Setiap  perubahan  kodisi  pengisian baterai  (SOC)  bertambah  20%,  temperatur  naik  hingga  batas  maksimum  yang  diizinkan sehingga  arus  pengisian  diturunkan  dan  kembali  ke  nilai  awal  secara  perlahan  untuk mempercepat proses pengisian.
549
Gambar 6. Pengisian baterai Li-ion dengan metode CC
Gambar 7. Pengisian baterai Li-ion dengan metode CV Dengan  menggunakan  baterai  dengan  kapasitas  yang  sama  untuk  kondisi  pengisian (SOC)  0%  hingga  100%, pengujian  lain  dilakukan  dengan  metode  pengisian  CV.  Metode  ini memberlakukan arus yang besar di awal-awal pengisian berlangsung. Arus tersebut kemudian berkurang secara perlahan ketika bateri mulai terisi dengan mempertahankan tegangan di nilai yang ditetapkan. Seperti ditunjukkan pada gambar 7 di atas, setelah 105 menit kapasitas baterai terisi  penuh.  Dari  gambar  terlihat  bahwa  temperatur  baterai  berada  di  titik  maksimum  saat proses  awal  pengisian  berlansgung,  kemudian  mulai  turun  seiring  dengan  turunnya  arus pengisian yang dibebankan ke baterai.
Pengujian  pengisian  baterai  dengan  metode  CCCV  kemudian  dilakukan.  Dalam pengujian ini, arus diatur untuk terus konstant hingga kapasitas baterai terisi sampai 50% dan kemudian  perlahan  turun  untuk  mengisi  baterai  hingga  penuh  100%.  Dengan  arus  pengisian mencapai 90 A pada tegangan 179 V, dibutuhkan waktu hingga 100 menit untuk baterai terisi
sampai penuh. Gambar 8 di bawah ini menunjukkan kondisi pengisian baterai dengan metode CCCV.  Pada  saat  pengisian,  temperatur  baterai  mencapai  titik  maksimum  ketika  kaspasitas baterai telah terisi 50%. Pengisian baterai dengan metode ini memungkinan baterai terisi degan waktu  yang  cepat  dan  aman  karena  temperatur  baterai  dapat  dijaga  selama  proses  pengisian berlangsung.

## Gambar 8. Pengisian baterai Li-ion dengan metode CCCV

## D.Penutup
Simulasi pengisian baterai Li-ion yang merupakan jenis baterai yang banyak digunakan pada kendaraan listrik telah  dilakukan. Uji coba pengisian dilakukan dengan tiga metode CC, CV,  dan  CCCV.  Hasil  pengujian  memberikan  informasi  perilaku  baterai  selama  proses pengisian  berlangsung.  dari  ketiga  metode  yang  diujicobakan,  pengisian  dengan  metode CCCV  memungkinkan  untuk  digunakan  sebagai  pilihan  utama  karena  baterai  dapat  terisi dengan waktu yang cukup cepat dengan menjaga temperatur baterai selalu di batas aman. Pada saat uji coba dilakukan, dengan arus pengisian mencapai 90 A baterai dapat terisi penuh dalam waktu 100 menit dengan suhu  terjaga di bawah 45 O C. Apabila dibandingkan dengan metode CC  dimana  waktu  pengisian  dapat  berlangsung  lebih  cepat,  temperatur  baterai  dapat  dijaga lebih baik pada pengisian metode CCCV.

## Dafar Pustaka
[1] A. Gaurav and A. Gaur, “Modelling  of Hybrid Electric Vehicle Charger and Study the Simulation Results,” 2020 Int. Conf. Emerg. Front. Electr. Electron. Technol. ICEFEET 2020 , pp. 2–7, 2020.
[2] R.  Collin,  Y.  Miao,  A.  Yokochi,  P.  Enjeti,  and  A.  Von  Jouanne,  “Advanced  electric vehicle fast-charging technologies,” Energies , vol. 12, no. 10, 2019.
[3] M. Gjelaj, C. Traholt, S. Hashemi, and P. B. Andersen, “Cost-benefit analysis of a novel DC  fast-charging  station  with  a  local  battery  storage  for  EVs,” 2017  52nd  Int.  Univ. Power Eng. Conf. UPEC 2017 , vol. 2017-Janua, pp. 1–6, 2017.
[4] “EnergyLab  Nordhavn  -  EnergyLab  Nordhavn  fremtidens  energi  system.”  2021, [Online]. Available: http://www.energylabnordhavn.com/index.html.
[5] V.  B.  Vu,  D.  H.  Tran,  and  W.  Choi,  “Implementation  of  the  Constant  Current  and Constant  Voltage  Charge  of  Inductive  Power  Transfer  Systems  with  the  Double-Sided
LCC Compensation  Topology for Electric  Vehicle Battery Charge  Applications,” IEEE Trans. Power Electron. , vol. 33, no. 9, pp. 7398–7410, 2018.
[6] L. J. Deal, “Department of Energy.” pp. 203–204, 1982.
[7] K. N. Genikomsakis, I. Angulo Gutierrez, D. Thomas, and C. S. Ioakimidis, “Simulation and  Design  of  Fast  Charging  Infrastructure  for  a  University-Based  e-Carsharing System,” IEEE Trans. Intell. Transp. Syst. , vol. 19, no. 9, pp. 2923–2932, 2018.
[8] B.  Kennedy,  D.  Patterson,  and  S.  Camilleri,  “Use  of  lithium-ion  batteries  in  electric vehicles,” J. Power Sources , vol. 90, no. 2, pp. 156–162, 2000.
[9] C.  H.  Dharmakeerthi,  N.  Mithulananthan,  and  T.  K.  Saha,  “Modeling  and  planning  of EV fast charging station in power grid,” IEEE Power Energy Soc. Gen. Meet. , pp. 1–8, 2012.
[10]  X.  Liu  and  T.  Feng,  “Energy-storage  configuration  for  EV  fast  charging  stations considering characteristics of charging load and wind-power fluctuation,” Glob. Energy Interconnect. , vol. 4, no. 1, pp. 48–57, 2021.
[11]  F. Sutra Kamajaya and M. Muzmi Ulya, “Analisis Teknologi Charger Untuk Kendaraan Listrik - Review,” J. Rekayasa Mesin , vol. 6, no. 3, pp. 163–166, 2015.