Pengujian Baterai¶

Masalah baterai memang cukup panjang untuk dijabarkan. Penelitian demi penelitian terus dilakukan untuk membuat baterai lebih tahan lama dan menghasilkan daya yang cukup besar. Berbagai bahan logam dan kimia dipadupadankan untuk menghasilkan kombinasi baterai yang memiliki daya besar, tahan lama namun tetap ramah lingkungan. Baterai Asam-Timbal merupakan baterai sekunder (isi ulang) yang pertama dicipatakan. Umurnya yang sudah hampir 150 tahun sejak Gaston Planté menciptakannya, telah melahirkan banyak sekali kemajuan dalam dunia penyimpanan daya listrik. Demikian juga dengan peralatan-peralatan uji daya baterai, semakin hari alat uji baterai semakin bervariasi, cepat, tepat, akurat dan murah.

Metode Pengujian Baterai¶

Selama 20 tahun terakhir, tiga metode dasar tes cepat baterai telah digunakan. Semua metode didasarkan pada resistansi, karakteristik yang mampu mengungkapkan kemampuan baterai untuk mengirimkan arus beban (load current). Resistansi internal memberikan informasi yang berguna dalam mendeteksi masalah dan menunjukkan kapan baterai harus diganti. Namun, baterai sering kali turun di bawah level kritis 80% yang ditetapkan oleh IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) sebelum kondisinya dapat dideteksi secara efektif. Dalam kondisi dibawah level kritis, resistansi saja tidak memberikan korelasi linier dengan kapasitas baterai. Sebaliknya, peningkatan resistansi sel berkaitan dengan usia.

Saat mengukur resistansi internal sel VRLA baru dari tahun produksi yang sama, besarnya resistansi dapat bervariasi sekitar 8% antar sel dan hal ini biasa terjadi. Proses pembuatan dan bahan yang digunakan untuk sel baterai berkontribusi pada perbedaan resistansi tersebut. Daripada mengandalkan pembacaan resistansi absolut, para penguji baterai dilapangan sebaiknya mengambil snapshot dari resistansi sel saat baterai terpasang dikendaraan dan kemudian mengukur perubahan halus resistansi internal seiring bertambahnya usia sel. Peningkatan resistansi sebesar 25% di atas garis dasar menunjukkan penurunan kinerja dari 100% menjadi sekitar 80%. Produsen baterai akan dengan mudah untuk melakukan penggantian baterai selama masa garansi jika resistansi internal meningkat hingga 50%.

Ada beberapa hal yang harus dipahami sebelum menganalisa metode pengujian baterai yang berbeda, yaitu tentang resistansi internal dan impedansi internal. Dua istilah yang sangat sering digunakan secara tidak tepat saat membahas tentang konduktivitas baterai.

Resistansi adalah murni resistif dan tidak memiliki reaktansi. Tidak ada pergeseran atau pertukaran fasa trailing karena tegangan dan arus berjalan berbarengan. Elemen pemanas adalah beban resistif murni. Elemen pemanas bekerja dengan baik pada arus searah (DC) maupun arus bolak-balik (AC). Sebagian besar beban listrik, termasuk baterai, mengandung komponen reaktansi. Bagian reaktif dari beban bervariasi dengan frekuensi. Misalnya, reaktansi kapasitif dari kapasitor berkurang dengan meningkatnya frekuensi. Kapasitor adalah isolator bagi arus searah DC dan tidak ada arus yang dapat melewatinya. Disisi lain, induktor bertindak sebaliknya dan reaktansinya meningkat dengan meningkatnya frekuensi. Baterai merupakan gabungan dari resistansi ohmik, reaktansi kapasitif dan reaktansi induktif. Istilah impedansi mewakili ketiga hal tersebut.

Baterai asam-timbal model Randle diatas menunjukan bahwa resistansi internal baterai terdiri dari resistansi ohmik murni, reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif. Sehingga baterai dapat digambarkan sebagai satu set elemen listrik. Ilustrasi gambar diatas merupakan model dasar baterai asam-timbal Randle yang terdiri dari resistor dan kapasitor (R1, R2 dan C). Reaktansi induktif biasanya dihilangkan karena perannya yang dapat diabaikan didalam baterai pada frekuensi rendah.

Penting untuk diketahui bahwa setiap metode pengujian baterai memberikan pembacaan resistansi internal yang berbeda saat diukur pada baterai yang sama. Tidak ada hasil bacaan yang benar atau salah. Misalnya, sel dapat menunjukan hasil pembacaan resistansi yang lebih tinggi ketika menggunakan metode beban DC dibandingkan dengan sinyal AC 1000 Hz. Ini hanya menyiratkan bahwa baterai berkinerja lebih baik pada sinyal AC daripada beban DC. Pabrikan baterai menerima semua variasi selama pembacaan dilakukan dengan menggunakan jenis instrumen pengujian yang sama.

1. Metode Beban DC¶

Metode Beban DC atau DC Load adalah metode pengujian baterai dengan melakukan pengukuran ohmik murni yang dihasilkan dari pembebanan DC. Ini merupakan salah satu metode pengujian baterai yang tertua dan paling andal. Alat instrumen memberikan beban pada baterai selama beberapa detik. Beban arus berkisar antara 25-70 ampere, tergantung kapasitas baterai. Penurunan tegangan yang terjadi pada saat pengukuran di bagi dengan arus akan menghasilkan nilai resitansi. Hasil pengukuran ini sangat akurat dan dapat dilakukan berulang kali. Para produsen pembuat alat dengan metode beban DC meng-klaim bahwa pembacaan resistansi internal ada pada kisaran 10 μΩ (mikro-ohm). Selama pengujian baterai, alat ukur akan menghasilkan panas sehingga dibutuhkan beberapa lembar pendingin untuk penggunaan berkelanjutan.

Metode pengujian baterai dengan beban DC memadukan R1 dan R2 dari model Randle menjadi satu resistor gabungan saja dan mengabaikan kapasitor. Sedangkan kapasitor atau C adalah komponen penting dari sebuah baterai yang mewakili 1,5 farad per kapasitas sel 100 Ah.

2. Metode Konduktansi AC¶

Metode Konduktansi AC atau AC Conductance adalah metode pengujian baterai dengan menyuntikkan sinyal AC ke dalam baterai untuk mengukur nilai perlambatan tegangan minimal akibat reaktansi. Metode pengujian baterai ini berbeda dengan metode beban DC. Jika metode pengujian beban DC menggunakan beban tertentu untuk menguras beberapa arus dari baterai. Metode Konduktansi AC justru sebaliknya, alat instrumen pengujian akan membangkitkan frekuensi tertentu dan menyuntikkan ke dalam baterai.

Frekuensi yang dihasilkan oleh instrumen penguji berkisar antara 80-100 Hz. Frekuensi ini dipilih untuk meminimalkan reaktansi. Saat dilakukan pengujian baterai, reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif akan bertemu, menghasilkan perlambatan tegangan minimal. Produsen peralatan konduktansi AC mengklaim pembacaan resistansi baterai hingga kisaran 50 μΩ (mikro-ohm). Metode konduktansi AC mendapatkan momentumnya pada kisaran tahun 1992 hal ini karena alat ujinya berukuran kecil dan tidak menghasilkan panas saat digunakan.

Metode pengujian baterai dengan konduktansi AC seakan tidak membedakan komponen individual (R1, R2, dan C) model Randle sehingga komponen tersebut tampak kabur. Teknologi frekuensi tunggal ini melihat komponen model Randle sebagai satu impedansi komplek, yang disebut modulus Z. Sebagian besar kontribusi hasil pengujian berasal dari konduktansi resistor pertama.

3. Metode Electro-chemical Impedance Spectroscopy¶

Dari namanya dapat ditebak bahwa metode ini merupakan metode pengujian baterai yang sangat komplek. Electro-chemical Impedance Spectroscopy atau dalam bahasa Indonesia kurang lebih diterjemahkan menjadi Spektroskopi Impedansi Elektrokimia atau sering disingkat EIS adalah metode pengukuran frekuensi domain yang dilakukan dengan menerapkan gangguan sinusoidal, seringkali berupa tegangan dengan jenis arus AC ke dalam baterai. Sederhananya, impedansi elektrokimia biasanya diukur dengan menerapkan potensial AC ke sel elektrokimia dan kemudian mengukur arus yang melalui sel.

Alat uji ini menyuntikkan 24 frekuensi eksitasi mulai dari 20-2000 Hertz ke dalam baterai. Sinyal sinusoidal diatur pada level 10mV per sel untuk tetap berada pada tegangan termal baterai asam-timbal. Hal ini memungkinkan pembacaan yang konsisten untuk baterai kecil dan besar.

Dengan spektroskopi impedansi multi-frekuensi, ketiga nilai resistansi model Randle dapat diukur dengan akurat. Proses yang ditetapkan mengevaluasi nuansa halus antara setiap frekuensi untuk memungkinkan analisis baterai yang mendalam.

R1, R2 dan C dapat diukur secara terpisah, memungkinkan estimasi konduktivitas dan kapasitas baterai dengan cepat, tepat dan akurat. Konsep EIS bukanlah hal baru. Di masa lalu, sistem EIS dihubungkan ke komputer khusus dan beragam peralatan laboratorium. Ahli elektrokimia terlatih akan mampu menafsirkan data yang sudah terkumpul. Kemajuan dalam analisis data mengotomatiskan proses ini dan prosesor sinyal berkecepatan tinggi menyusutkan teknologinya menjadi perangkat genggam.

Alat Uji Multi-frequency Electro-chemical Impedance Spectroscopy modern mampu memproses 40 juta transaksi dalam waktu 20 detik dan mampu membaca resistansi hingga level mikro-ohm yang sangat rendah. Alat uji ini juga mampu menampilkan data kapasitas baterai dalam Ah, konduktivitas (CCA) dan status pengisian daya. Namun, untuk saat ini alat uji EIS masih tergolong alat yang sangat mahal (pake banget!).

Prasyarat Pengujian Baterai¶

Secara umum alat apapun yang digunakan untuk melakukan pengujian baterai, ada prasyarat yang harus dipenuhi sebelum melakukan pengujian baterai, diantaranya:

• Pastikan bahwa baterai yang akan diuji sudah terisi penuh dengan SOC 100%. Jika tidak terisi penuh, maka lakukan proses pengisian muatan (charge) baterai terlebih dahulu. Setelah terisi penuh, diamkan beberapa saat dan pastikan bahwa minimal Open-Circuit Voltage pada kisaran 12,6 Volt.
• Tetapkan nilai CCA (Cold Cranking Amperage) baterai yang akan diuji. Hal ini karena pengujian beban biasanya menggunakan setengah dari nilai CCA yang ditetapkan menurut spesifikasi BCI (Battery Council International). Jadi, jika baterai memiliki kapasitas 600 CCA, maka beban akan ditetapkan sebesar 300 Ampere pada baterai.
• Pastikan bahwa terminal baterai dalam keadaan bersih dan terbebas dari korosi. Hal ini untuk memastikan bahwa terjadi koneksi yang baik antara baterai dengan alat uji. Koneksi yang buruk akan menciptakan percikan bunga api pada terminal baterai sehingga hasil pengujian menjadi tidak akurat.

Jenis Alat Penguji Baterai¶

Hasil pengujian baterai dengan metode berbeda dan atau alat uji yang berbeda bisa saja menghasilkan nilai yang berbeda pula. Namun hal tersebut bukanlah tentang benar dan salah dalam pengujian, tapi kembali kepada alat uji yang telah distandarisasi oleh produsen baterai. Atau memang sudah banyak direkomendasikan oleh para pengguna untuk melakukan pengujian baterai. Sebaiknya lakukan penelusuran lebih dulu untuk meyakinkan alat uji yang akan digunakan atau akan dibeli. Menggunakan alat uji yang tidak direkomendasikan akan menghasilkan pengujian yang terlampau jauh dari spesifikasi yang seharusnya. Hal ini akan cukup membingungkan untuk mengambil kesimpulan tentang tindakan selanjutnya terhadap baterai.

Dibawah ini ada beberapa alat uji baterai asam-timbal yang banyak digunakan, walaupun tidak menyebutkan merk dan tipe tertentu, minimal pengguna yang akan melakukan pengujian baterai memiliki gambaran tentang hasil pengujian baterai-nya.

1. Carbon Pile Battery Tester¶

Carbon Pile Battery Tester merupakan alat uji baterai yang paling tua, mudah dan cukup akurat. Sampai hari ini, alat uji Carbon Pile Battery Tester masih banyak digunakan, hal ini wajar karena kemudahan dalam penggunaannya dan cukup akurat hasil pengujiannya. Metode yang digunakan oleh Carbon Pile Battery Tester adalah metode DC Load.

Penggunaan nama Carbon Pile Battery Tester karena memang dibagian dalam terdiri dari Carbon Pile yang merupakan tumpukan piringan karbon sebagai beban arus pada saat pengujian baterai. Penurunan tegangan dan penggunaan arus kemudian dikalkulasi untuk menentukan kondisi baterai. Tumpukan piringan karbon diatur kerapatannya untuk mengatur beban (resistansi) dari alat tersebut dengan cara memutar tombol yang ada pada bagian depan alat. Semakin rapat tumpukan piringan karbon maka resistansi semakin kecil sehingga beban semakin besar, demikian pula sebaliknya. Semakin longgar kerapatan tumpukan piringan karbon semakin besar resistansinya dan semakin kecil beban arus yang dihasilkannya.

Tumpukan piringan karbon tersebut di fungsikan sebagai Rheostat atau Resistor yang nilai resistansinya variabel tergantung pengaturan kerapatan tumpukan piringan karbon tersebut. Dibawah ini video tentang Carbon Pile Battery Tester yang umum tersedia dipasaran.

2. Battery Load Tester¶

Battery Load Tester menggunakan metode pengujian DC Load yang secara prinsip hampir sama dengan Carbon Pile Battery Tester. Perbedaannya terletak pada jenis beban (rheostat) yang digunakan. Carbon Pile Battery Tester menggunakan resistor yang nilainya dapat diubah, sedangkan pada Battery Load Tester nilai tahanannya tidak bisa diubah.

Battery Load Tester sering disebut miniatur dari Carbon Pile Battery Tester, hal ini didasarakan dari penggunaan metode pengujian yang sama. Namun dari sisi komponen dan ukuran, kedua alat ini berbeda. Battery Load Tester dijual dengan dimensi kecil yang dapat digenggam, serta menggunakan elemen beban yang tidak dapat diubah nilai resistansinya. Sedangkan Carbon Pile Battery Tester dijual dengan dimensi berukuran cukup besar dan cukup berat, serta menggunakan tumpukan piringan karbon untuk mengubah nilai resistansinya.

Dibawah ini video tentang penggunaan Battery Load Tester yang cukup detail.

3. Battery Conductance Tester¶

Konduktansi menjelaskan tentang kemampuan baterai untuk menghantarkan arus. Berbagai data pengujian telah menunjukkan bahwa pada frekuensi rendah, konduktansi baterai merupakan indikator status kesehatan baterai yang menunjukkan korelasi linier dengan hasil uji kapasitas waktu-pengosongan baterai. Ini dapat digunakan sebagai prediktor yang andal dari akhir masa pakai baterai.

Metode yang digunakan oleh alat sejenis ini yaitu metode Konduktansi AC (AC Conductance). Yaitu dengan menyuntikan sinyal AC pada frekuensi tertentu. Walau memiliki beberapa kelemahan, namun peralatan uji baterai ini merupakan peralatan yang sedang ramai didiskusikan. Battery Conductance Tester memiliki banyak kelebihan sehingga tingkat popularitasnya terus naik. Salah satu hal yang membuat alat uji baterai ini menjadi perbincangan adalah dari sisi harga yang relatif murah jika dibandingkan alat uji yang sudah dibahas diatas. Dari sisi akurasi cukup lumayan tepat untuk membantu proses pengujian cepat baterai. Ukuran yang kecil segenggam tangan dan tidak menimbulkan panas pada alat walaupun digunakan untuk menguji baterai secara berulang.

Alat uji baterai jenis Conductance Tester juga dikenal dengan nama yang lebih familiar yaitu Battery Analyzer. Secara fungsi dan kinerja terlalu berlebihan jika merujuk pada nama Battery Analyzer. Penamaan Battery Analyzer diambil dari beberapa nilai hasil pengukuran yang ditampilkan, misal; internal resistance, CCA, SOC, SOH dan pada beberapa jenis di integrasikan thermal printer untuk mencetak hasil pengujian baterai. Sehingga muncullah penamaan Battery Analyzer.

Dibawah ini video penggunaan salah satu jenis Battery Analyzer yang tersedia dipasaran.

4. Battery Hydrometer Tester¶

Alat uji baterai yang satu ini telah ada sejak abad ke-3 sebelum masehi pada kisaran jaman Yunani Kuno. Kala itu, alat ini disebut baryllium. Terkait dengan hidrometer ada nama-nama dalam sejarah yang terlibat dengan hidrometer, seperti Abu Rayhan Muhammad bin Ahmad Al-Biruni, Abu al-Fath Abd al-Rahman Mansur al-Khazini, Galileo, Robert Boyle yang merupakan penemu nama "Hidrometer", dan beberapa nama lainnya.

Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kepadatan relatif dari cairan berdasarkan pada konsep daya apung. Alat ini biasanya dikalibrasi dan diukur dengan satu atau lebih skala seperti berat jenis (specific gravity). Specific Gravity atau berat jenis menjadi skala pengukuran yang umum digunakan oleh hidrometer sehingga alat ini dikenal juga dengan nama Specific Gravity Tester atau Penguji Berat Jenis.

Pada baterai hidrometer digunakan untuk menguji status pengisian (state of charge) daya sel baterai. Ini dilakukan dengan mengukur berat jenis elektrolit. Semakin besar konsentrasi asam sulfat, semakin padat elektrolitnya, semakin tinggi kerapatannya, dan semakin tinggi juga status pengisiannya. Baca selengkapnya tentang hidrometer...

5. Multimeter¶

Alat yang satu ini telah diketahui secara umum. Walaupun pada dasarnya tidak cukup untuk mengetahui kondisi baterai secara lengkap, namun bisa digunakan sebagai alat pendeteksi dini kondisi kesehatan baterai.

Penggunaan multimeter untuk memeriksa baterai pada dunia otomotif membutuhkan teknik khusus yang akan dibahas pada artikel terpisah. Namun cara penggunaan multimeter digital pernah dibahas pada artikel sebelumnya. Baca selengkapnya tentang multimeter...

6. Spectro Battery Tester¶

Spectro adalah nama merk dagang yang dikeluarkan perusahaan Cadex. Perusahaan Cadex merupakan produsen alat uji baterai yang menggunakan metode EIS. Diantara deretan merk dan tipe, Spectro™ CA-12 merupakan alat uji baterai yang paling terkenal. Hal ini karena Spectro benar-benar menggunakan metode EIS dalam melakukan pengujian baterai. Alat ini menyuntikan sinyal sinusoidal 20-2.000Hz pada 10mV per sel. Mampu memperkirakan kapasitas cadangan (RC), resistansi internal, dan CCA pada kisaran SoC 50–100%. Berbeda dengan alat uji lainnya yang akan menampilkan nilai salah jika nilai SoC-nya tidak sampai 100%.

Spectro membutuhkan waktu uji hanya sekitar 15 detik. Dilengkapi fitur auto-polarity dan over-voltage protection. Namu sayang, harganya dibanderol pada kisaran 1.150€ atau setara Rp. 19.000.000,-

Dibawah ini video tentang Spectro CA-12 Rapid Battery Tester.

Daftar Pustaka¶

• Randles circuit
• Electrical reactance
• Basics of Electrochemical Impedance Spectroscopy
• Why do Different Test Methods Provide Dissimilar Readings?
• Testing Batteries with a Carbon Pile Load Tester
• How to Use a Battery Tester
• Spectro CA-12 Battery Rapid-Tester
• Electrochemical Impedance Spectroscopy
• 4C4911 Battery Load Tester
• Are Battery Conductance Testers Worth It?
• FAQ Conductance Testing