ANALISA BALANCING BMS (BATTERY MANAGEMENT SYSTEM) PADA PENGISIAN BATERAI LITHIUM-ION TIPE INR 18650 DENGAN METODE CUT OFF

## Yusuf Nurul Hilal
Fakultas Teknik , Program Studi Teknik Elektro Universitas Semarang Email: yusuf@usm.ac.id

## Puri Muliandhi
Fakultas Teknik , Program Studi Teknik Elektro Universitas Semarang Email: puri.usm@usm.ac.id

## Elfira Nureza Ardina
Fakultas Teknik , Program Studi Teknik Elektro Universitas Semarang Email: elfira_na@usm.ac.id

## ABSTRAK
Baterai lithium-ion merupakan  salah  satu  jenis  baterai  yang  banyak  digunakan pada kendaraan listrik maupun perangkat elektronik dimasa kini, karena memiliki performa yang  baik  dengan  densitas  energi  lebih  tinggi  dan  umur  pakai  panjang.  Penelitian  ini menggunakan baterai dengan jenis lithium-ion tipe INR 18650 3.7V 2500mAh dengan bahan lithium nickel cobalt aluminum oxide (LiNiCoAlO2). Jumlah baterai adalah 15 sel,  dengan  total  kapasitas    yang  terpasang  pada  BMS  sebesar  11.1V 1250  mAh.  Lama waktu  pengisian  baterai  dari  kondisi low  voltage (8.8V)  sampai  kondis high  voltage (12.8V) memakan waktu selama 7 jam, dengan tegangan input 12V.
Sistem  cut  off  low  voltage  dan  high  voltage  berhasil  dilakukan  BMS,  dengan sistem proteksi yang memutus aliran pengisian ketika baterai sudah mencapai kondisi high yaitu 4.2V, dan memutus aliran  pengurasan  ketika  baterai berada  pada  kondisi low yaitu 2.8V. Sistem  balancing BMS berhasil melakukan penyeimbangan tegangan pada semua sel  baterai  ketika  dilakukan  pengisian,  hal  tersebut  dibuktikan  dengan  pengukuran menggunakan  multimeter  kepada  15  sel  baterai dalam  kondisi penuh  yaitu  mengasilkan pembacaan tegangan sebesar 4.2V.
Kata kunci:  balancing , lithium-ion , 18650, BMS, cut  off

## ABSTRACT
Lithium-ion  battery  is  a  type  of  battery  that  is  widely  used  in  electric  vehicles  and electronic devices today, because it  has good performance with  higher energy density and long service life. This study  used a  lithium-ion battery type INR 18650 3.7V 2500mAh with lithium nickel cobalt  aluminum  oxide (LiNiCoAlO2). The  number of batteriesis  15  cells, with  a  total capacity installed on the BMS of 11.1V  12500mAh. The battery charging time from low voltage (8.8V) to high voltage (12.8V) takes 7 hours, with an input voltage of 12V.
The low voltage and high voltage cut off system was successfully carried  out  by  BMS, with  a  protection system  that  cuts  off the  charging flow when the  battery reaches  a  high
condition, which  is  4.2V,  and cutsoff the drain flow when the battery is in a  low condition, which is 2.8V. The BMS balancing system has  succeeded  in  balancing  the  voltage  on  all battery  cells  when  charging,  this  is  evidenced  by  measurements using a multimeter on 15 battery cells in full condition, which results in a voltage reading of 4.2V.
Keywords: balancing , lithium-ion , 18650, BMS, cut  off

## 1. PENDAHULUAN
Baterai  adalah  suatu  sel  elektrokimia  yang  mengubah  dari  energi  kimia  menjadi energi  listrik.  Baterai  dengan  bahan lithium-ion adalah  jenis  baterai  sekunder  atau rechargeable battery , yaitu salah satu jenis baterai yang dapat  diisi ulang dan merupakan baterai yang ramah lingkunga n karena tidak mengandung bahan berbahaya seperti baterai- baterai  yang  berkembang  lebih  da  hulu  seperti  baterai  NI-Cd  dan  Ni-MH.  Selain  itu baterai dengan bahan lithium-ion lebih awet dan bisa bertahan kurang lebih 10 tahun [ 1 ]. Hal  inilah  yang  menyebabkan  baterai lithium-ion banyak  digunakan  pada  perangkat elektronik jaman sekarang.
Baterai lithium-ion merupakan  salah  satu  jenis  baterai  yang  banyak  digunakan pada  kendaraan  listrik  maupun  perangkat  elektronik  dimasa  kini. Elektrode aktif  pada baterai lithium-  ion merupakan lithium  metal  oxide untuk  electrode  positif  sedangkan carbon pada  elektrode  negatif.  Material  ini  menganut  arus  kolektor  logam  dengan bahan  pengikat,  biasanya  berupa  polivinilidena  flourida  (PVDF)  atau kopolimer poliviniliden fluorida-hexafluoropropylene (PVDF- HFP),  dan penencer kondukif [ 2 ]. Perangkat  elektronik  dengan  penggunaan  baterai  tentunya  melalui  proses  pengisian arus  listrik  terlebih  dahulu,  agar  baterai  tersebut  dapat  digunakan.  Proses  pengisian baterai  adalah  salah  satu  proses  yang  perlu  diperhatikan  karena  memberikan  dampak penting  terhadap  keseha  tan  da  n  kinerja  baterai  itu  sendiri.  Tujuan  penggunaan rangkaian BMS ( battery  management  system ) adalah menjaga  keamanan baterai untuk dapat digunakan pada perangkat  elektronik, meski bekerja pada tegangan tinggi [ 3 ]. Kerusakan  pada  baterai  biasanya  disebabkan  karena  penggunaan  yang  tidak  ideal dan  baterai  tidak  dilengkapi  sistem  proteksi,  sehingga  baterai  tetap  beroperasi  meskipun dalam  kondisi over-voltage , over-current dan over-heat ketika  proses charging atau pengisian, hal inilah yang dapat  menyebabkan kinerja baterai tidak maksimal dan jangka pemakaian  yang  pendek  [ 4 ].  Maka  akan  dilakukan  penelitian  mengenai  pengaruh sistem  BMS  metode cut  off terhadap balancing baterai  18650  ketika  dilakukan pengisian arus listrik.
BMS  adalah  sebuah  komponen  elektronik  atau  alat  yang  berfungsi  untuk  mema najemen  pengisian sel baterai, terutama baterai jenis Lithium (Li-Ion, Li-Po, LifePo4, dll) mulai dari proses charging, discharging hingga fungsi proteksi agar baterai tetap memiliki kinerja  yang  masksimal.  Selain  itu  sistem  Manajemen  Baterai  (BMS)  mempunyai peranan  sangat  penting  dalam  sebuah  perangkat  elektronik,  terutama  dalam  bagian pemantauan  pengisian  baterai,  agar  baterai  bisa  aman  dan tahan lama ketika  digunakan dalam suhu tinggi maupun tegangan tinggi [ 5 ].
Saat  proses  pengisian  pada  baterai lithium ,  kemungkinan  besar  terjadi  satu  sel  yang terisi penuh terlebih  dahulu, sedangkan sel yang lain  belum  penuh, dan proses  pengisian tetap  berlanjut.  Hal  tersebut  dapat  menyebabkan  elektroda  pada  baterai  mengalami kerusakan  dan  mempengaruhi  usia  baterai.  Maka  dari  itu  BMS  dirancang  untuk  dapat memastikan  setiap  sel  baterai  dapat  terisi  dengan  penuh  secara  bersamaan  sampai proses  pengisian  selesai,  hal  tersebut  yang  dinamakan  proses balancing .  Sedangkan komponen  yang  bertugas  dalam  menyeimbangkan  antar  sel  baterai  adalah  resistor  dan
transistor [ 6 ]. Proses pengisian atau charging yang dilakukan pada baterai menggunakan sistem balancing, fungsi  dari  sistem  ini  adalah  untuk  memantau  dan  mengatur  kinerja  baterai sehingga menghasilkan kinerja yang efektif, efisien dan tahan  lama, sistem balancing juga diperlukan  untuk  mencegah  baterai  dari  kegagalan  sistem,  yaitu  salah  satu  gangguan yang biasanya terjadi pada baterai multisel dan menyebabkan ketidakseimbangan tegangan [ 7 ].

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Metode  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  melakukan  pengamatan  secara langsung dan melakukan penghitungan hasil pengukuran dari percobaan pengujian  dimana baterai  dikosongkan  dan diisi sampai batas tegangan yang ditentukan  oleh  BMS, kemudian dilakukan  pengukuran  tegangan  menggunakan  multimeter  untuk  setiap  selnya.  Pada Gambar  1  memperlihatkan wiring diagram  rangkaian  keseluruhan  penelitian  yang dilakukan  dan  pada  Gambar  2  menunjukkan  flowchart  tahapan  penelitian  yang dilakukan.
Gambar  1.  Wiring  Diagram  Rangkaian  Keseluruhan  Penelitian

## Gambar 2. Flowchart  Tahapan Penelitian
Langkah-langkah penelitian:
1. Studi literatur adalah mencari artikel atau jurnal terdahulu dengan topik yang  sama kemudian diulas hasil dari artikel atau jurnal tersebut.
2. Perancangan dan perakitan hardware.
3. Pengambilan data tegangan secara langsung pada setiap sel baterai dalam  kondisi low voltage dan high voltage.
4. Data tegangan yang diperoleh kemudian dianalisa, apakah sistem cutoff dan sistem balancing pada BMS dapat bekerja dengan efektif atau tidak.
5. Kesimpulan  pada  analisa  data  ini  adalah  nilai  tegangan  yang  didapatkan  pada semua  sel  baterai  menunjukkan  efektivitas  kinerja  dari  BMS  ketika  dilakukan pengisian pada baterai.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1. Hasil Data Pengamatan
Setelah  dilakukan  pengujian  dan  pengamatan  secara  langsung  didapatkan  data tegangan output BMS  ketika low  voltage adalah  sebesar  8.8V  sedangkan  ketika high voltage adalah sebesar 12.8V. Kemudian pada Tabel 1 menunjukkan hasil pengukuran pada setiap sel  baterai yang terpasang dalam keadaan low voltage dan high voltage.
Tabel  1. Data  Hasil  Pengamatan Sel Baterai Grup Low Voltage (volt) High Voltage (volt) 1 A 3.2 4.2 2 A 3.2 4.2 3 A 3.2 4.2 4 A 3.2 4.2 5 A 3.2 4.2 6 B 3.1 4.2 7 B 3.1 4.2 8 B 3.1 4.2 9 B 3.1 4.2 10 B 3.1 4.2 11 C 2.8 4.2 12 C 2.8 4.2 13 C 2.8 4.2 14 C 2.8 4.2 15 C 2.8 4.2 3.2. Pembahasan
Baterai tersusun secara seri dan paralel pada  BMS, dengan kapasitas total baterai yang  terpasang  adalah  V  =  11.1V  dan  I  =  12500mAh.  Dengan  spesifikasi  sel  1-15 berkapasitas  tegangan  =  3.7V   dan  arus  =  2500mAh,  sel  1-5  (grup  A)  tersusun  secara paralel,  sel  6-10  (grup  B)  tersusun  secara  paralel,  sel  11-15  (grup  C)  tersusun  secara paralel dan  Grup A, B  dan C tersusun secara seri.
Pengisian  baterai dilakukan mulai tegangan cut off low pada  BMS yaitu 8.8V sampai cut off high pada tegangan 12.8V. Ketika proses pengisian berlangsung, bisa dihitung lama waktu yang diperlukan dengan  kapasitas baterai 12500mAh = 12.5Ah, charger =  12V 2A.
ℎ = 𝐴ℎ (𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑖) 𝐴 (𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒𝑟) = 12,5 2 = 6,25 𝑗𝑎𝑚 (1) Keterangan: h = Lama  waktu pengisian baterai Ah
= Total kapasitas baterai
A = Arus pengisian  baterai Dari hasil yang didapatkan antara perhitungan menggunakan rumus 1 dan pengujia n sebenarnya, ternyata mengalami perbedaan lama waktu dalam pengisian. Hasil perhitungan menunjukkan  waktu  selama  6.25  jam,  sedangkan  hasil  dari  percobaan  yang  dilakukan adalah  7  jam.  Hal  tersebut  dipengaruhi  oleh  suhu  trafo  dan  dioda  yang  panas  ketika dilakukan pengisian dalam jangka waktu lama, sehingga  performa power supply menurun. Ketika  dilakukan  pengisian  dari power  supply melalui  BMS  kemudian  menuju baterai lithium-ion tipe  INR,  mendapatkan  hasil  yang  baik  dan  sesuai  yang  diharapkan. Hal  tersebut  bisa  dilihat  dari  hasil  pengamatan  Tabel  1,  yaitu  BMS  berhasil  melakukan cut off low dan high pada semua sel baterai sebelum  mencapai  batas  maksimal yaitu 4.3V dan batas  minimal yaitu 2.6V. Hal tersebut membuktikan sistem cut off tegangan BMS dapat bekerja dengan baik terhadap baterai lithium-ion tipe INR.
Setelah dilakukan proses pengisian baterai selama 7 jam dan kondisi penuh, yaitu ditandai  sistem  proteksi over  voltage dan over  current yang  memutus  laju pengisian  daya da  ri power  supply menuju  baterai.  Kemudian  dilakukan  pelepasan  BMS  dari  baterai, setelah  itu  baterai  di  ukur  satu  per  satu  menggunakan  multimeter.  Hasil  pengukuran dapat dilihat pada Tabel  1, dari  hasil tabel pengamatan  menunjukkan  semua  sel baterai dalam  kondisi  penuh  dengan  tegangan  yang  sama  yaitu  sebesar  4.2V.  Hal  tersebut membuktikan  sistem bal anci ng dalam  BMS  bekerja  dengan  baik,  yaitu  mengandalkan kinerja  transistor  dan  resistor  sebagai  penyeimbang tegangan  yang menuju  ke  semua  sel baterai.

## 4. KESIMPULAN
Dari  hasil  penelitian  yang  telah  dilakukan  dapat  diambil    kesimpulan  bahwa penelitian  ini  menggunakan  baterai  dengan  jenis lithium-ion tipe  INR  18650  3.7V 2500mAh,  tipe  INR  pada  baterai  menunjukkan  bahan  yang  dipakai  dalam  pembuatan  sel baterai  tersebut,  yaitu  menggunakan Lithium  nickel  cobalt  aluminum  oxide (LiNiCoAlO2) atau  bisa juga disebut NCA. Kemudian jumlah baterai yang digunakan sebanyak  15  buah,  sehingga  total  kapasitas  yang  terpasang  pada  BMS  sebesar  11.1V 12500mAh.
Power  supply menggunakan  tegangan  12V  2A,  kemudian  lama  waktu  pengisian baterai  dari  kondisi  lemah  ( low  voltage) 8.8V  sampai  kondisi  penuh  ( high  voltage) 12.8V, memakan waktu selama 7 jam. Sistem cut off low voltage dan high voltage berhasil dilakukan  BMS,  dengan  sistem  proteksi  yang  memutus  aliran  pengisian  ketika  baterai sudah mencapai kondisi high yaitu  4.2V,  dan  memutus  aliran  pengurasan ketika  baterai berada  pada  kondisi low yaitu  2.8V.  Sistem balancing BMS  berhasil  melakukan penyeimbangan  tegangan  pada  semua  sel  baterai  ketika  dilakukan  pengisian,  hal tersebut dibuktikan dengan pengukuran menggunakan multimeter kepada 15 sel baterai dalam kondisi penuh yaitu mengasilkan pembacaan tegangan sebesar 4.2V.
Dengan demikian  berdasarkan  penelitian  yang  dilakukan  dapat  diambil kesimpulan akhir  bahwa  penggunaan  BMS sebagai sistem balancing dan cut  off untuk baterai lithium-ion tipe  INR  18650  ketika  dilakukan  pengisian mendapatkan  hasil yang memuaskan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] F.  A.  Perdana,  “Baterai  Lithium,” INKUIRI  J.  Pendidik.  IPA ,  vol.  9,  no.  2,  p.  113, 2021, doi: 10.20961/inkuiri.v9i2.50082 .
[2] D.  F.  Arfianto,  D.  Fahmi, and D.  A.  Asfani,  “Pemantauan, Proteksi,  dan Ekualisasi Batera  i  Lithium-Ion  Tersusun  Seri  Menggunakan  Konverter  Buck-Boost  dan  LC Seri  dengan Kontrol Synchronous Phase SHift,” J. Tek. ITS , vol. 5, no. 2, 2016, doi: 10.12962/j23373539.v5i2.16053 .
[3] A.  Hauser  and  R.  Kuhn, High-voltage  battery  management  systems  (BMS)  for electric vehicles . Elsevier  Ltd., 2015. doi: 10.1016/B978 -1-78242-377-5.00011-X .
[4] P.  Ningrum,  N.  A.  Windarko,  and  S.  Suhariningsih,  “Battery  Management  System (BMS)  Dengan  State  Of  Charge  (SOC)  Metode  Modified  Coulomb  Counting,” INOVTEK - Seri Elektro , vol. 1, no. 1, p. 1, 2019, doi: 10.35314/ise.v1i1.1022 .
[5] R.  Sreedhar  and  K.  Karunanithi,  “Design,  simulation  analysis  of  universal  battery management  system  for  EV  applications,” Mater.  Today  Proc. ,  no.  xxxx, 2021,  doi:
10.1016/j.matpr.2020.12.136 .
[6] P. L. D. Prihananto, M. Facta, and S. Sudjadi, “Perancangan Cut Off Sebagai Pemutus Tegangan  Dan  Arus  Sistem  Charging  Baterai,” Transient ,  vol.  7,  no.  4,  p.  911, 2019, doi: 10.14710/transient.7.4.911-817 .
[7] E.  Loniza,  J.  Andriano  Situmorang,  and  A.  Imam  Cahyadi,  “Cell  Balancing  On Three-  Cell  Lithium  Polymer  Batteries  Connected  In  Series,” J.  Electr.  Technol. UMY ,  vol. 1,  no. 3, pp. 135–142, 2017, doi: 10.18196/jet.1318 .