## PENGATURAN KESEIMBANGAN PENGISIAN DAN PENGOSONGAN BATERAI ASAM TIMBAL
Mochammad Rismansyah dan Refdinal Nazir
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas
* Corresponding author, e-mail : rismanajah@yahoo.com
Abstrak —Dalam tulisan  ini  diusulkan suatu sistem pengaturan keseimbangan pengisian (charging) dan pengosongan  (discharging)  pada  baterai  asam  timbal  menggunakan  mikrokontroler  arduino  uno  16U2. Perhitungan kapasitas baterai menggunakan metoda As (Ampere-second). Sebelum sistem ini dijalankan, nilai energi yang tersimpan pada baterai dihitung menggunakan hubungan antara kapasitas baterai (SOC) dan  tegangan  open  circuit  baterai.  Mikrokontroler  akan  melakukan  perhitungan  selama  sistem  berjalan menggunakan hubungan setiap arus pada sistem. Pengaturan dipisahkan antara pengaturan titik maksimal baterai dan titik minimal baterai. Pengaturan titik maksimal menjaga baterai dari kelebihan pengisian. Saat baterai  telah  penuh  maka  arus  peluahan/pembuangan  akan  mengalir  yang  mencegah  baterai  mengalami pengisian  saat  mencapai  titik  maksimum.  Arus  pembuangan  diset  konstan  0.153  A.  Pengaturan  titik minimum menjaga baterai dari kekosongan (kekurangan energi). Beban tidak akan mendapatkan pasokan energi  baik  dari  charger  maupun  baterai  saat  baterai  dibawah  titik  minimumnya  karena  charger  hanya melakukan  pengisian  pada  baterai  hingga  melewati  titik  minimumnya.  Sistem  ini  menggunakan  titik minimum 11.67% dengan kapasitas baterai 50 Ah. Sistem pengaturan yang dibuat telah berhasil menjaga baterai dari kondisi kelebihan muatan dan kekurangan muatan.
Kata Kunci : Baterai asam timbal, mosfet, pengisian dan peluahan, mikrokontroler arduino uno
Abstract — In this paper proposed a system of balance settings for charging and discharging the lead-acid battery using a microcontroller arduino uno 16U2. The calculation of battery capacity using the method of As (Ampere-second). Before this is done, the value of the energy stored in the battery is calculated using the  relationship  between  the  battery  capacity  (SOC)  and  the  open-circuit  voltage  of  the  battery.  The microcontroller will do the calculations for the system running using any current relationships in the system. Settings are separated between setting the maximum point and minimum point battery battery. Setting the maximum point guard of excess charging batteries. When the battery is full, the current discharge / disposal will flow which prevents the battery charging when it reaches the maximum point. 0153 constant exhaust flow set point A. Setting minimum keep the battery from the void (lack of energy). Load will not get a good supply of energy or battery charger when the battery below the minimum point because the charger is only charging the battery to pass the minimum point. This system uses the point of 11.67% with a minimum capacity  of  50  Ah  battery.  System  settings  are  made  has  managed  to  keep  the  battery  from  overload conditions and under loading.
Keywords : Lead-acid Battery, mosfet, charging and discharging, arduino uno microcontroller
Copyright © 2016 JNTE. All rights reserved

## 1. PENDAHULUAN
Pembangkit  listrik  dengan  sumber  energi terbarukan  saat  ini  semakin  berkembang digunakan  untuk  penyediaan  energi  listrik pedesaan  ataupun  rumah  tangga.  Salah  satu contoh  yang  banyak  dikembangkan  yaitu Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMh). Daya yang dibangkitkan oleh PLTMh
harus dapat memenuhi beban puncak dan relatif konstan.  Pola  beban  rumah  tangga    bervariasi
dan  beban  puncak  hanya  terjadi  pada  waktu malam  hari.  Sedangkan  pembangkit  akan memasok energi selama 24 jam dalam daya yang relatif  konstan.  Untuk  memanfaat  kelebihan energi listrik selama diluar beban pucak, baterai dapat  digunakan  sebagai  penyimpan  dan digunakan  sebagai  energi  cadangan[1].    Oleh karena itu, pengaturan keseimbangan pengisian dan  pengosongan  baterai  menarik  dikaji  dalam pengimplementasian pada sistem PLTMh.
Kajian  mengenai  monitoring  kinerja  baterai asam timbal
telah dilakukan untuk membandingkan kondisi baterai pada pengujian dan simulasi menggunakan Matlab. Monitoring yang  dilakukan  yaitu  menentukan  grafik tegangan,  arus,  dan  SoC  baterai  asam  timbal. Monitoring  yang  dilakukan  membandingkan hasil  pengujian  dan  hasil  simulasi.  Sehingga pembacaan  parameter  baterai  seperti  tegangan, arus, dan SoC akan terlihat dimonitor computer laptop  [2].  Penelitian  lainnya  juga  dilakukan mengenai  perancangan  sistem  proteksi  untuk menghindari kelebihan muatan baterai.
Penelitian  ini  berhasil  memproteksi  baterai asam timbal dari kelebihan pengisian dengan  menggunakan  sistem  pembuangan. Mikrokontroler akan membaca tegangan baterai untuk  menentukan  baterai  penuh.  Baterai  akan melakukan  pembuangan  saat  mikrokontroler membaca  baterai  telah  penuh.  Pembuangan dilakukan  dengan  mengalirkan  arus  baterai menuju resistor batu  [3].
Dalam  tulisan  ini  diusulkan  suatu  sistem pengaturan  keseimbangan  pengisian  (charging) dan  pengosongan  (discharging)  pada  baterai asam  timbal.  Pengaturan  yang  dilakukan  akan menjaga  keseimbangan  baterai  dari  pengisian dan  pengosongan.  Pengaturan  pengisian  akan menjaga baterai dari kekosongan muatan dengan menjaga  baterai  dari  beban.  Pengaturan pengosongan  akan  menjaga  baterai  dari kelebihan muatan dengan membuang muatan ke resistor pembuangan.

## 2. BATERAI ASAM TIMBAL
Semua  baterai  asam  timbal  beroperasi dengan  reaksi  dasar  yang  sama.  Saat  baterai melepaskan  muatan,  material  aktif  pada elektroda bereaksi dengan elektrolit membentuk timbal  sulfat  (PbSO 4 )  dan  air  (H 2 O).  Saat pengisian muatan timbal sulfat berubah kembali menjadi  timbal  dioksida  pada  elektroda  positif dan timbal pada elektroda negatif, dan ion sulfat (SO 4 2- )  kembali  menjadi  larutan  elektrolit membentuk asam sulfat [4].

## 2.1. Reaksi Pada Baterai Asam Timbal
1. Reaksi Pada PengosonganBaterai [4]
Pada proses pengosongan terjadi reaksi : a. Pada elektroda negatif (Anoda)
4 4 Pb + HSO 2e PbSO H       (1)
b. Pada elektroda positif (Katoda) + 2 4 4 2
PbO HSO 3H 2e PbSO 2H O        (2)
2. Reaksi Pada Pengisian Baterai [4] Pada proses pengisian terjadi reaksi : a. Pada Elektroda Positif (Anoda) (3)
b. Pada Elektroda Negatif (Katoda) 4 4 PbSO H 2e Pb + HSO       (4)
2.2. State of Charge (SoC)
State  of  Charge merupakan  besaran  yang digunakan  untuk  mengetahui  kondisi  pengisian baterai  berdasarkan  hubungan  antara  tegangan open  circuit baterai  ( V oc )  dengan  kapasitas baterai  (Ah)  seperti  ditunjukkan  oleh  Gambar 2.1.
Gambar  1.  Hubungan V oc dengan  Kapasitas Baterai
Angka C/XX merupakan besaran nilai saat charging dalam ampere (C) sebanding terhadap kapasitas  baterai  (XX).  Jika  digunakan  baterai dengan kapasitas 50 Ah dan arus pengisian 2.5 A,  maka  kurva  yang  digunakan  adalah  kurva C/20 [5].
State  of  Charge (SOC)  juga  dapat didefinisikan berdasarkan persamaan berikut [6]:
0 0 1 ( ) ( ) ( ) t t SOC t SOC t i d AHC      (5)
Dimana,  SoC (t0) merupakan  SoC  baterai pada  keadaan  sebelumnya,  AHC  adalah kapasitas  baterai  saat fully  charged ,  dan ( ) i  adalah arus peluahan. Selain SoC terdapat istilah lain  yang  berkaitan  dengan  kapasitas  baterai yaitu  SoH  ( State  of  Health ).  SoH  dapat didefinisikan  sebagai  rasio  antara  kapasitas charge maksimum dari baterai lama  (AHC (Aged) ) dengan  kapasitas charge dari  baterai  baru (AHC (Nom) )  yang  dapat  dirumuskan  sebagai berikut [6] :
Aged Nom AHC SOH AHC 
(6)
Rangkaian  ekivalen  baterai  dapat  dilihat pada Gbr. 2.2, I menunjukkan arus baterai, OCV
merupakan Open Circuit Voltage, V
menunjukkan  tegangan  terminal  baterai,  R 1 menyatakan resistansi internal respon cepat. R 2 menyatakan  resistanse  internal  yang  merespon kapasitansi  C.  C  terhubung  paralel  dengan  R 2 dan  C  memiliki  waktu  konstan  τ.  Fenomena transien baterai bisa dinyatakan oleh R 2 dan C.
Oleh  karena  itu,  V  tidak  sama  dengan  OCV selama operasi karena parameter R 1 , R 2 , dan C.
R1 R2 C OCV I V
Gambar 2. Rangkaian Ekivalen Baterai [7] Parameter rangkaian ekivalen untuk pengisian dan pengosongan memiliki nilai yang berbeda.  Oleh  karena  itu,  perbedaan  parameter rangkaian  ekivalen  digunakan  untuk  pengisian dan  pengosongan.Karena  reaksi  elektro-kimia saat  pengisian  dan  pengosongan  berbeda, sehingga hanya menjelaskan rangkaian ekivalen secara elektrikal.
Gambar 3. Grafik Rangkaian R 1 dan R 2 Konstan [7]

## 3. RANCANGAN SISTEM
Battery + - Arduino Uno 16U2 Sensor Arus LA 55-P S e n so r A r u s L A 5 5 -P Beban Baterai Beban Peluahan Sumber Pengisian IRF460 IRF460
Gambar 4. Skema Umum Rancangan Sistem
Gambar  di  atas  merupakan  skema  umum sistem  yang  diajukan.  Sistem  yang  diajukan menggunakan beberapa komponen penting yaitu sumber  pengisian,  sensor  arus  untuk  membaca arus, baterai asam timbal, beban baterai berupa lampu  pijar,  beban  peluahan  berupa  beban resistif,  dan  mikrokotroler  sebagai  pusat pengaturan. Sumber pengisian akan mengalirkan daya  kesistem.  Pengaturan  dilakukan  dalam  2 tahap.  Pada  tahap  pertama,mikontroller  akan mengatur  pensaklaran  MOSFET  dalam  rangka mengatur  beban  peluahan.  Pengaturan  ini  akan mengatur  kondisi  pengisian  baterai.  Apabila baterai penuh maka arus peluahan akan mengalir kebeban  peluahan  untuk  mencegah  baterai kelebihan muatan. Pada tahap kedua mikrokontroller  pesaklar  MOSFET  dalam rangka  mengatur  beban  baterai.  Pengaturan  ini akan  mengatur  kondisi  minimum  baterai.  Pada
saat titik minimum energi yang tersimpan pada baterai tidak terpenuhi maka tidak akan ada arus yang  mengalir  keluar  baterai  dan  baterai  terus mengalami pengisian.
Arduino Uno 16U2 Sensor Arus LA 55-P S e n so r A r u s L A 5 5 -P Beban Peluahan IRF460 + - Battery Beban Baterai
Gambar 5. Skema pengontrolan peluahan
Gambar 5 menunjukkan aliran arus pada saat proses peluahan / pembuangan. Proses pembuangan  akan  terjadi  saat  kondisi  energi yang  tersimpan  pada  baterai  telah  mencapai kapasitas  penuh.  Apabila  kondisi  ini  tercapai maka  baterai  akan  membuang  energi  yang tersimpan kebeban dan kepeluahan.
Pembuangan  dilakukan  untuk  menjaga  kondisi baterai dari kelebihan penigisian.
Arduino Uno 16U2 Sensor Arus LA 55-P S en so r A ru s L A 5 5 -P Beban Baterai Sumber Pengisian IRF460 Battery + -
Gambar.6. Skema pengontrolan pengisian
Gambar  6  menjelaskan  sistem  pada  saat proses charging /  pengisian  baterai.  Proses pengisian  akan  terjadi  apabila  energi  yang tersimpan  pada  baterai  bernilai  dibawah  titik penuh kapasitas baterai. Hal ini berlaku dengan pengecualian  bahwa charger dapat  memasok beban tanpa bantuan dari baterai.
Parameter pegaturan menggunakan kapasitas baterai  Ah  ( Ampere-Hour )  yang  dikonversikan menjadi As ( Ampere-Second ). Sehingga pembacaan  energi  yang  tersimpan  pada  baterai akan  dimonitor  setiap  detik.  Pembacaan  energi yang  tersimpan  pada  baterai  menggunakan  2 buah  sensor  arus.  Sensor  arus  pertama  untuk membaca arus input dan sensor arus kedua untuk membaca  arus  pengosongan.  Sedangkan  arus peluahan diset konstan.  Berdasarkan  hukum kirchoff ( KCL )  dapat  diturunkan  hubungan setiap arus sebagai berikut :
arg arg input ch ing disch ing peluahan I I I I    (7)
Sehingga  parameter  pengaturan  (As)  dapat dihitung sebagai
ar ar ( ) sekarang sebelum ch disch peluahan As As I I I t      (8)
As  akan  bertambah  seiring  pembacaan  nilai arus charging dan  akan  berkurang  seiring pembacaan  nilai  arus discharging .  Sehingga energi  yang  tersimpan  baterai  dapat  dimonitor secara aktual setiap detik.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 4.1. Pengontrolan  Peluahan
Gambar 7. Kurva energi yang tersimpan baterai ( Ampere-second ) terhadap waktu
179600 179700 179800 179900 180000 180100 0 20 40 60 80 A s (A m p e r e S e c o n d ) Waktu (Menit) Waktu-As
Gambar 8. Kurva Arus Peluahan terhadap Waktu
Gambar  7  &  8  kurva  menunjukan  energi yang  tersimpan  baterai  dan  arus  peluahan terhadap  waktu.  Seperti  ditujukkan  Gbr.  7&8, arus  peluahan  akan  mengalir  saat  energi  yang tersimpan  baterai  telah  penuh  (As=180000). Baterai  tidak  akan  meluah  apabila  energi  yang tersimpan baterai tidak penuh. Sehingga kondisi energi yang disimpan baterai akan terjaga pada kondisi  maksimal  saat  baterai  telah  penuh. Karena  saat  baterai  mencapai  titik  penuh  maka arus peluahan akan mengalir untuk menghindari baterai  dari  arus  pengisian.  Dari    Gambar  7 terlihat  bahwa  baterai  mencapai  kondisi  stabil saat  arus  peluahan  mengalir.  Sehingga  energi yang  tersimpan  baterai  dapat  terjaga  dari kelebihan  pengisian.  Pada  penelitian  arus peluahan  di set konstan  0,153  A  untuk mempermudah pengontrolan.

## 4.2. Pengontrolan Pengisian Baterai
Gambar 9. Kurva energi yang tersimpan baterai ( Ampere-second ) terhadap waktu
Gambar  9  menunjukkan  kurva  energi  yang tersimpan  baterai  terhadap waktu.  Dari  gambar tersebut  dapat  dilihat  bahwa  baterai  terus mengalami  pengisian  hingga  mencapai  As 42000. Selama pengisian switch beban 200 watt dalam  keadaan on ,  tetapi  tidak  ada  arus  yang mengalir  kebeban  karena  kontrol  membaca energi  yang  tersimpan  baterai  masih  dibawah titik  minimum  untuk  dibebani.  Oleh  karena  itu PWM yang diberikan memiliki Duty cycle 0%. Saat baterai mencapai titik minimum,
As=42000,  arus  kebeban  akan  mengalir  karena kontrol membaca energi yang tersimpan baterai telah  cukup  untuk  dibebani.  Dalam  kajian kapasitas  baterai  pada  titik  minimum  diatur 11.67%.  Apabila  energi  yang  tersimpan  baterai berada  dibawah  titik  minimum  tersebut,  maka beban  apapun  yang  dihubungkan  tidak  akan hidup hingga titik minimum baterai terpenuhi.
Gambar  10.  Kurva  Arus  pengisian,  arus  input, dan arus output terhadap waktu
Pada  Gambar  10  menunjukkan  kurva hubungan arus pengisian ( charging ), arus input, dan  arus  output  terhadap  waktu.  Dari  gambar dapat  dilihat  bahwa  selama  baterai  dibawah kapasitas minimumnya maka arus charging akan sama  dengan  arus  input.  Hal  ini  dikarenakan tidak  ada  arus  yang  mengalir  kebeban.  Setelah baterai  mencapai  titik  minimumnya  untuk dibebani pada menit ke-135, arus menuju beban akan  mengalir.  Arus charging mengalami penurunan  secara  signifikan  karena  beban dinaikkan  sehingga  baterai  menjadi  sumber tambahan.  Baterai  menjadi  sumber  tambahan
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0 10 20 30 40 50 60 70 80 A r u s P e lu a h a n (A ) Waktu (Menit) Waktu  Peluahan 39000 39500 40000 40500 41000 41500 42000 42500 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 A s (A m p e r e -S e c o n d ) Waktu (Menit) As vs Waktu -1 0 1 2 3 4 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 A r u s (A m p e r e ) Waktu (Menit) Icharging, Iinput, Ioutput vs Time I input I charging I output
dilihat  dari  nilai  arus charging yang  bernilai negatif  yang  menandakan  baterai  mengalami discharging .  Pada  menit  ke-200  baterai  berada sedikit  dibawah  titik  minimumnya  sehingga kontrol  langsung  menghentikan  arus  yang mengalir kebeban sehingga arus input sepenuhnya menjadi arus charging .
Berdasarkan  rangkaian  ekivalen  baterai, baterai  memiliki  rugi-rugi.  Rugi-rugi  yang terjadi  diakibatkan  adanya  tahanan  dalam  pada baterai. Nilai tahanan dalam pada baterai dapat dicari  menggunakan  metoda aftercharging [6]. Baterai yang digunakan pada kajian ini memiliki nilai tahanan dalam 0,79 Ω setiap baterainya.

## 5. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  percobaan  dan  analisis yang  telah  dilakukan  pada  penelitian  ini  maka dapat diambil kesimpulan berikut ini:
1. Pengaturan  arus  pengisian  dan  peluahan dapat telah berhasil dilakukan dengan batuan menggunakan metoda As ( Ampere second ).
2. Energi  yang  tersimpan  pada  baterai  dapat dijaga agar tidak melebihi kapasitas maksimalnya 50 Ah (180000 As).
3. Titik minimum kapasitas baterai dapat diatur sesuai keinginan. Pada kajian ini menggunakan  titik  minimum  11.67%  dari kapasitas baterai 50 Ah yaitu 5.835 Ah.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Refdinal Nazir, Pengembangan Teknologi PLTPH  Dalam  Upaya  Meningkatkan
Daya  Gunanya  Sebagai  Sumber  Energi Listrik  Rumah  Tangga ,  Proceeding  of National Seminar on Applied Technology,  Science,  and  Arts  (1 st
APTECS), pp. 1114-1118 (2009).
[2] Alief  P.  B.  S,  Dedet  C.  R,  dan  Heri  S.,
Monitoring  Kinerja  Baterai  Berbasis Timbal untuk Sistem Photovoltaic ,
Jurusan  Teknik  Elektro,  ITS.  Surabaya (2013). [3] Sunariaman, Perancangan Sistem Proteksi  untuk  Menghindari  Kelebihan Kapasitas Baterai Menggunakan
Mikrokontroler  ATMEGA  128 ,  Tugas
Akhir  Jurusan  Teknik  Elektro  UNAND, Padang (2013).
[4] Putra,  Hermawan  Permana.  “Studi Karakteristik  Pelepasan  Muatan  Baterai Lead  Acid  terhadap  Variasi  Beban RLC”.Tugas  Akhir  Jurusan  Teknik Elektro. UI. Depok (2010).
[5] Guo,  Shen.  “The  Application  of  Genetic Algorithms  to  Parameter  Estimation  in Lead-Acid  Battery  Equivalent  Circuit Models”.  University  of  Birmingham (2010).
[6] M.  Coleman,  C.  K.  Lee,  dan  W.  G. Hurley. “ An Improved Battery Characterization  Method  Using  a  Two- Pulse  Load  Test ”.  IEEE  Trans.  Energy
Convertion, vol. 23, no. 2 (2008).
[7] Atsushi Tanaami & Masayuki Morimoto, “ On-line  Estimation  of  SOH  for  Lead- Acid  Battery ”,  PEDS,    pp.1552-1555 (2009).

## Biodata Penulis
Mochammad  Rismansyah ,  lahir  di  Jakarta Indonesia, memperoleh gelar S1 jurusan Teknik Elektro Universitas Andalas pada Tahun 2014, dan saat ini bekerja di PT. PLN Pusat di Jakarta.