Metode Pengisian Baterai Asam Timbal¶

Baterai asam-timbal menyimpan energi kimia dan energi ini diubah menjadi energi listrik kapan pun dibutuhkan. Konversi energi dari reaksi kimia hingga menghasilkan listrik dikenal dengan istilah pengisian, hal ini karena selama pengisian terjadi reaksi kimia dan reaksi kimia ini digunakan untuk menyimpan energi listrik. Setelah pengisian selesai maka listrik akan tersimpan didalam baterai. Dan bila energi listrik berubah menjadi energi kimia maka itu dikenal sebagai pemakaian baterai (pengosongan baterai, atau discharge). Proses pengosongan baterai adalah reaksi terbalik dari proses pengisian, maka selama baterai melepas energi listrik, reaksi kimia terjadi didalam baterai. Selama proses pengisian, arus mengalir ke dalam baterai karena perubahan kimiawi. Baterai asam-timbal secara umum menggunakan tiga jenis metode pengisian yaitu pengisian tegangan konstan, pengisian arus konstan dan pengisian kombinasi tegangan konstan arus konstan dengan atau tanpa rangkaian smart charging.

Pahami Arus dan Tegangan

Sebaiknya pahami terlebih dahulu perbedaan arus dan tegangan, karena bahasa materi kali ini menganggap Anda sudah menguasai materi tentang arus dan tegangan.

Tegangan Ideal Pengisian Baterai¶

Kapasitas baterai akan menurun seiring penggunaan listrik pada beban kelistrikan terutama pada kendaraan. Ketika kapasitas baterai menurun, maka harus dilakukan pengisian muatan menggunakan sumber listrik DC atau sering disebut charger. Pengisi baterai harus memasok tegangan yang sesuai dengan kebutuhan baterai, namun tidak boleh terlalu tinggi atau terlalu rendah dari tegangan yang dihasilkan baterai. Pada baterai asam-timbal besarnya tegangan pengisi baterai ditetapkan antara 13,2 - 14,7 Volt untuk baterai umum 12 Volt. Atau ada juga yang menetapkan bahwa tegangan pengisi baterai minimal harus lebih 1 Volt dari tegangan baterai yang akan di isi muatan. Misal, jika tegangan baterai 10 Volt maka pengisi baterai harus minimal 11 Volt dan seterusnya.

Jika tegangan sumber listrik DC terlalu tinggi maka akan meng-elektrolisis air didalam sel baterai, ditandai dengan munculnya gelembung-gelembung udara yang berisi gas hidrogen dan oksigen dengan jumlah berlebihan. Proses elektrolis ini akan menghancurkan sel-sel baterai sehingga memperpendek umur baterai. Jika tegangan sumber listrik DC terlalu rendah maka baterai tidak akan terisi.

Pengisian Tegangan Konstan¶

Metode pengisian tegangan konstan disebut juga Constant Voltage Charging yang kemudian di singkat menjadi CV atau Constant Voltage. Istilah CV atau Constant Voltage juga biasa digunakan untuk menjelaskan jenis dari sumber catu daya.

Metode pengisian tegangan konstan merupakan metode pengisian baterai asam-timbal yang paling umum. Metode ini mampu mengurangi waktu pengisian dan meningkatkan kapasitas hingga 20%. Tetapi metode ini dapat mengurangi efisiensi baterai sekitar 10%.

Pada metode ini, tegangan pengisian di jaga agar tetap konstan selama proses pengisian. Arus pengisian akan tinggi di awal proses pengisian pada saat baterai dalam kondisi kosong. Arus secara bertahap turun saat baterai telah mengambil muatan dari catu daya (charger) yang mengakibatkan peningkatan arus balik.

Grafik Pengisian Daya Baterai Tegangan Konstan

Keuntungan pengisian pada tegangan konstan adalah memungkinkan sel dengan kapasitas berbeda dan pada tingkat pengosongan yang berbeda untuk diisi muatan. Arus pengisian yang besar pada awal pengisian memiliki durasi yang relatif singkat dan tidak akan merusak sel.

Pada akhir pengisian, arus pengisian turun menjadi hampir nol karena tegangan baterai menjadi hampir sama dengan tegangan catu daya (charger).

Baterai dapat dibiarkan terhubung ke catu daya (charger) sampai siap digunakan dan akan tetap terjaga pada "tegangan mengambang" (float voltage), hal ini bertujuan untuk mengimbangi pengosongan normal baterai yang terjadi pada dirinya sendiri.

Merangkai pengisian daya baterai tegangan konstan lebih dari satu baterai

Metode pengisian tegangan konstan memungkinkan pengisian yang cepat dan cocok untuk jenis baterai asam-timbal, tetapi tidak cocok untuk baterai jenis Nickel Metal Hydride (Ni-MH) atau Lithium-Ion (Li-ion).

Pengisian Arus Konstan¶

Metode pengisian arus konstan disebut juga Constant Current Charging yang kemudian di singkat menjadi CC atau Constant Current. Metode pengisian baterai arus konstan jarang digunakan pada charger baterai asam timbal, walau terkadang digunakan pada kasus tertentu. Pada metode pengisian ini baterai dihubungkan secara seri sehingga membentuk kelompok dan setiap kelompok di isi dari sumber listrik DC yang dibebani rheostat (tahanan listrik varibel). Jumlah yang akan di isi pada setiap kelompok tergantung pada tegangan sirkuit pengisian yang tidak boleh kurang dari 2,7 Volt per sel. Pengisian baterai arus konstan biasanya digunakan untuk melakukan pengisian baterai yang lebih dari satu.

Grafik Pengisian Daya Baterai Arus Konstan

Arus pengisian tetap konstan selama periode pengisian dengan mengurangi resistansi pada sirkuit saat tegangan baterai naik. Untuk menghindari produksi gas yang berlebihan atau panas yang berlebihan (overheating), proses pengisian dilakukan dalam dua tahapan. Pada saat awal pengisian arus dialirkan lebih tinggi dan ketika mendekati tingkat pengisian akhir arus harus diturunkan.

Pada metode ini arus pengisian ditetapkan kira-kira seperdelapan atau 10% dari rating ampere-nya. Tegangan berlebih dari sumber listrik akan diserap oleh resistansi rangkaian seri. Kelompok baterai yang akan di isi harus terhubung dengan baik sehingga resistansi rangkaian seri akan mengkonsumsi energi sesedikit mungkin.

Kelompok baterai yang akan di isi ulang harus memiliki kapasitas yang sama. Jika baterai memiliki kapasitas yang berbeda, maka arus pengisian harus ditetapkan sesuai dengan kapasitas baterai yang terkecil.

Merangkai pengisian daya baterai arus konstan lebih dari satu baterai

Dalam proses pengisian dengan metode arus konstan, arus hampir konstan selama proses pengisian berlangsung. Metode ini membutuhkan waktu yang lebih lama untuk mengisi baterai hingga penuh dan menjelang akhir proses pengisian, menimbulkan bahaya karena daya pengisian yang berlebihan jika perawatan tidak dilakukan. Baterai harus segera di lepas dari charger setelah pengisian selesai, atau dapat menggunakan pengatur waktu yang sudah ditetapkan sesuai dengan lamanya waktu pengisian baterai.

Metode pengisian arus konstan sangat cocok digunakan untuk mengisi daya baterai jenis Ni-MH (Nickel Metal Hydride).

Pengisian Tegangan Konstan Arus Konstan¶

Metode pengisian baterai ini merupakan metode yang sedang populer. Pengisian muatan baterai metode Constant Voltage Constant Current kemudin di singkat CVCC adalah kombinasi dari dua metode yang sudah dibahas di atas. Sumber daya listrik DC membatasi jumlah arus ke tingkat yang telah ditentukan sebelumnya hingga baterai mencapai tingkat tegangan yang telah ditentukan. Selama proses pengisian, arus dan tegangan dari charger harus ditetapkan terlebih dahulu sebelum melakukan pengisian baterai. Arus kemudian berkurang saat baterai terisi penuh. Metode pengisian ini memungkinkan pengisian cepat tanpa resiko pengisian berlebih (overcharging) dan metode ini sangat cocok untuk berbagai jenis baterai.

Grafik Pengisian Daya Baterai Tegangan Konstan Arus Konstan

Menghitung Waktu dan Arus Pengisian Baterai¶

Besarnya arus charger sangat mempengaruhi kecepatan pengisian muatan baterai. Semakin besar arus charger maka semakin cepat pula waktu yang diperlukan untuk mengisi kembali baterai hingga penuh. Namun, semakin besar arus dan semakin cepat pengisian akan memperpendek umur baterai.

Pada kendaraan, tegangan mengambang baterai yang sehat adalah sekitar 12,3 – 12,6 Volt. Ketika baterai digunakan oleh sistem kelistrikan kendaraan (selain motor starter), tegangan baterai jatuh pada kisaran minimum yaitu 12,3 Volt, jika kurang dari nilai tersebut, kapasitas dan umur baterai sudah menurun, artinya listrik dari baterai akan cepat habis dan dalam beberapa hari kemudian baterai akan rusak. Ketika menggunakan motor starter, tegangan jatuh baterai minimal pada kisaran 11,5 Volt.

Tegangan Mengambang Baterai

Tegangan mengambang atau float voltage adalah tegangan yang diukur pada terminal baterai ketika baterai digunakan pada kebutuhan yang sangat minim (sleep-mode) atau bahkan tidak digunakan sama sekali. Float voltage lebih mengarah pada tegangan baterai ketika terlepas dari rangkaian kelistrikan.

Tegangan charger baterai asam-timbal pada umumnya sudah ditetapkan pada kisaran 13,2 - 14,7 Volt. Nilai ini sudah menjadi ketetapan umum dan berlaku pada hampir semua charger baterai yang beredar dipasaran. Namun arus pengisian biasanya ditetapkan sesuai dengan kebutuhan waktu pengisian, sehingga menentukan arus pengisian membuat lama waktu pengisian ditetapkan dalam dua cara, yaitu:

Pengisian Lambat¶

Proses pengisian baterai lambat merupakan cara yang paling aman bagi baterai dan sangat direkomendasikan karena dapat memperpanjang umur baterai. Sehingga pengisian lambat biasanya disebut dengan pengisian normal. Besarnya arus pada pengisian lambat ditetapkan sebesar 10% dari rating/kapasitas baterai.

Untuk memudahkan menghitung waktu atau arus pengisian maka ada beberapa notasi dan satuan yang digunakan, diantaranya:

Waktu dengan satuan Jam atau Hour
Kapasitas baterai dengan satuan Ampere-hour (Ah) atau Ampere-jam
Arus dengan satuan Ampere (A)

Misal, ada sebuah baterai asam-timbal 12 Volt dengan kapasitas 70 Ah, maka untuk menghitung arus pengisian digunakan rumus dibawah ini:

Menghitung Arus Pengisian

\[ \begin{align*} &\text{Arus Pengisian}={\text{Kapasitas Baterai}}\times{10\%}\\ &\text{Arus Pengisian}={70Ah}\times{10\%}\\ &\text{Arus Pengisian}={7A} \end{align*} \]

Dari hasil perhitungan diatas dapat diketahui bahwa besarnya arus charger yang digunakan untuk mengisi baterai dengan kapasitas 70 Ah adalah sebesar 7 Ampere untuk pengisian lambat.

Sedangkan untuk mengetahui lamanya waktu pengisian jika menggunakan charger dengan arus sebesar 7 Ampere, maka digunakan rumus dibawah ini:

Menghitung Waktu Pengisian

\[ \begin{align*} &\text{Waktu Pengisian Baterai Ideal}=\frac{\text{Kapasitas Baterai}}{\text{Arus Pengisian}}\\ &\text{Waktu Pengisian Baterai Ideal}=\frac{70Ah}{7A}\\ &\text{Waktu Pengisian Baterai Ideal}={10h} \end{align*} \]

Dari hasil perhitungan diatas dapat diketahui bahwa lamanya waktu pengisian baterai dengan kapasitas 70Ah dan dengan arus pengisian 7A adalah 10h atau 10 jam. Namun, waktu 10 jam ini adalah waktu ideal. Pada kenyataannya karena beberapa faktor, waktu yang diperlukan untuk mengisi baterai akan lebih lama dari waktu ideal. Beberapa catatan penelitian memperkirakan tingkat inefisiensi waktu pengisian antara 10% - 40% dari waktu idealnya.

Lalu, berapa lama waktu pengisian baterai jika inefisiensi pengisian ditetapkan 40%? Maka untuk mengetahuinya gunakan rumus dibawah ini:

Menghitung Inefisiensi Pengisian 40%

\[ \begin{align*} &\text{Kapasitas Inefisien}={\text{Kapasitas Baterai}}\times{40\%}\\ &\text{Kapasitas Inefisien}={70Ah}\times{40\%}\\ &\text{Kapasitas Inefisien}={28Ah} \end{align*} \]

Setelah diketahui kapasitas (tambahan) inefisien sebesar 28Ah maka gunakan rumus berikut untuk melanjutkannya:

Menghitung Kapasitas Total

\[ \begin{align*} &\text{Kapasitas Total}=\text{Kapasitas Baterai} + \text{Kapasitas Inefisien}\\ &\text{Kapasitas Total}={70Ah} + {28Ah}\\ &\text{Kapasitas Total}={98Ah} \end{align*} \]

Kapasitas total baterai setelah dilakukan penambahan 40% akan diperoleh 98Ah. Maka, waktu yang diperlukan untuk melakukan pengisian baterai setelah ditambah inefisiensi pengisian sebesar 40% adalah sebagai berikut:

Menghitung Waktu Total Pengisian

\[ \begin{align*} &\text{Waktu Total Pengisian Baterai}=\frac{\text{Kapasitas Baterai Total}}{\text{Arus Pengisian}}\\ &\text{Waktu Total Pengisian Baterai}=\frac{98Ah}{7A}\\ &\text{Waktu Total Pengisian Baterai}={14h} \end{align*} \]

Maka akan diketahui, lama waktu total (waktu ideal dan waktu tidak efisien) yang diperlukan untuk mengisi baterai dengan kapasitas 70Ah, dengan arus pengisian 7A adalah selama 14h atau 14 jam.

Atau selesaikan perhitungan waktu total dari waktu ideal (10 jam) dengan inefisiensi 40% menggunakan rumus berikut ini:

Menghitung Waktu Inefisien 40%

\[ \begin{align*} &\text{Waktu Inefisien Pengisian Baterai}={\text{Waktu Pengisian Baterai Ideal}}\times{40\%}\\ &\text{Waktu Inefisien Pengisian Baterai}={10h}\times{40\%}\\ &\text{Waktu Inefisien Pengisian Baterai}=4h \end{align*} \]

Lalu jumlahkan waktu tambahan dengan waktu ideal pengisian baterai dengan rumus dibawah ini:

Menghitung Waktu Total Pengisian

\[ \begin{align*} &\text{Waktu Total Pengisian Baterai}=\text{Waktu Pengisian Baterai Ideal} + \text{Waktu Inefisien Pengisian Baterai}\\ &\text{Waktu Total Pengisian Baterai}={10h} + {4h}\\ &\text{Waktu Total Pengisian Baterai}=14h \end{align*} \]

Dari hasil perhitungan diatas dapat diambil kesimpulan bahwa lamanya waktu pengisian lambat pada baterai dengan kapasitas berapapun akan dibutuhkan waktu sekitar 12 - 14 jam jika menggunakan arus pengisian sebesar 10% dari kapasitas baterai dan inefisiensi pengisian antara 10% - 40%.

Pengisian Cepat¶

Pengisian cepat merupakan cara pengisian yang harus dihindari kecuali karena waktu yang tersedia untuk melakukan pengisian ulang baterai sangat terbatas. Hal ini karena pengisian cepat akan memperpendek umur baterai. Walaupun demikian, charger modern mampu mengatasi efek buruk dari pengisian cepat dengan menggunakan smart charging. Smart Charger dapat memantau tegangan, suhu atau waktu pengisian baterai untuk menentukan arus pengisian yang optimal dan untuk menghentikan pengisian. Smart Charger merupakan kombinasi dari pengisian arus konstan, tegangan konstan, pengisian lambat dan pengisian cepat yang diatur metode dan waktu pengisiannya sesuai dengan kondisi dan kebutuhan baterai.

Pengisian cepat diidentikan dengan charger manual yang besarnya arus dapat diatur sesuai keinginan. Lalu berapa besarnya arus pengisian cepat? Biasanya ditentukan sebesar 40% dari rating baterai atau kapasitas baterai. Nilai 40% merupakan arus yang aman bagi baterai, karena jika besarnya arus yang digunakan melebihi 40% dari kapasitas baterai, maka baterai akan mengalami kerusakan.

Sebagai contoh, misalkan ada sebuah baterai dengan kapasitas 120Ah, kemudian akan dilakukan pengisian cepat maka besarnya arus dapat dihitung menggunakan rumus dibawah ini:

Menghitung Arus Pengisian Cepat

\[ \begin{align*} &\text{Arus Pengisian Cepat}={\text{Kapasitas Baterai}}\times{40\%}\\ &\text{Arus Pengisian Cepat}={120Ah}\times{40\%}\\ &\text{Arus Pengisian Cepat}=48A \end{align*} \]

Dari hasil perhitungan diatas, maka dapat diketahui bahwa besarnya arus pengisian cepat adalah 48A untuk baterai dengan kapasitas 120Ah. Lalu berapa waktu yang dibutuhkan? Gunakan perhitungan dibawah ini:

Menghitung Waktu Pengisian Cepat

\[ \begin{align*} &\text{Waktu Pengisian Baterai Ideal}=\frac{\text{Kapasitas Baterai}}{\text{Arus Pengisian Cepat}}\\ &\text{Waktu Pengisian Baterai Ideal}=\frac{120Ah}{48A}\\ &\text{Waktu Pengisian Baterai Ideal}={2,5h} \end{align*} \]

Maka dapat diketahui bawah waktu yang dibutuhkan untuk pengisian cepat baterai dengan kapasitas 120Ah dan dengan arus pengisian sebesar 48A adalah sekitar 2,5 jam. Lalu bagaimana jika ada inefisiensi pengisian sebesar 20%?

Menghitung Waktu Inefisien 20%

\[ \begin{align*} &\text{Waktu Inefisien Pengisian Baterai}={\text{Waktu Pengisian Baterai Ideal}}\times{20\%}\\ &\text{Waktu Inefisien Pengisian Baterai}={2,5h}\times{20\%}\\ &\text{Waktu Inefisien Pengisian Baterai}=0,5h\\ \\ &\text{Waktu Total Pengisian Baterai}=\text{Waktu Pengisian Baterai Ideal} + \text{Waktu Inefisien Pengisian Baterai}\\ &\text{Waktu Total Pengisian Baterai}={2,5h} + {0,5h}\\ &\text{Waktu Total Pengisian Baterai}=3h \end{align*} \]

Hanya diperlukan waktu selama 3 jam untuk mengisi baterai berkapasitas 120Ah, arus pengisian 48A dan inefisiensi pengisian sebesar 20%.

Dari hasil perhitungan diatas dapat diambil kesimpulan bahwa lamanya waktu pengisian cepat pada baterai dengan kapasitas berapapun akan dibutuhkan waktu sekitar 2 - 4 jam jika menggunakan arus pengisian sebesar 40% dari kapasitas baterai dan inefisiensi pengisian antara 10% - 40%.

Daftar Pustaka¶

Pembaharuan Terakhir: 18 November 2020 08:29:02