Ketika Gaston Planté menciptakan baterai isi ulang pada tahun 1859, sistem penyimpanan energi baru mulai muncul. Dunia digital telah turut campur untuk membuat baterai elektrokimia menjadi “smart” dengan menambah jendela tembus pandang guna menghilangkan opasitasnya dan mengungkapkan status fungsinya.
“smart” battery dipuji sebagai keajaiban teknik saat diperkenalkan oleh Intel dan Duracell pada tahun 1994. Inti dari baterai “smart” ini adalah sistem bus manajemen atau SMBus yang melacak keadaan pengisian daya (SoC) dan menangkap data kinerja. SMBus juga mengintegrasikan sistem manajemen baterai (BMS) untuk memastikan operasi aman dari baterai Li-ion dengan membatasi tegangan berlebih dan mencegah penarikan arus tinggi.
Berbeda dengan baterai biasa di mana pengisi daya memegang kendali, baterai “smart“menjadi tuan yang mengatur fungsi pengisian daya dalam pengisi daya Level 2. Sebagai pengendali utama, baterai “smart“memungkinkan pengisian daya untuk kimia baterai di masa depan yang algoritma pengisiannya belum ada saat ini. Level 3 adalah pengisi daya hibrida yang mengakomodasi baterai dengan SMBus serta baterai biasa. Sistem ini lebih disukai karena pengisi daya mengambil alih jika komunikasi SMBus gagal. Pengisi daya Level 1 hanya mendukung kimia tunggal dan telah dihentikan.
Untuk menjaga akurasi SoC, baterai “smart” memerlukan kalibrasi berkala. Jika kalibrasi tidak tersedia, produsen perangkat menyarankan untuk sesekali melakukan pelepasan daya penuh pada perangkat. Ini mengatur ulang flag pelepasan, diikuti oleh flag pengisian daya ketika pengisian penuh, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 1. Kalibrasi dengan demikian menetapkan garis linier antara penuh dan kosong untuk mengukur SoC.
Gambar 1: Kalibrasi menetapkan flag pengisian penuh dan kosong (source)
Seiring waktu, garis tersebut akan kabur lagi dan membutuhkan kalibrasi ulang. Produsen perangkat menyarankan untuk mengkalibrasi baterai “smart” setiap tiga bulan atau setelah 40 pelepasan sebagian. Kesalahan kalibrasi dicatat oleh metrik Max Error. Angka 1 mencerminkan baterai yang dikalibrasi dengan baik; angka yang lebih tinggi menunjukkan kebutuhan untuk layanan.
Siklus kalibrasi pengisian-pelepas-pengisian daya seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1 tidak memperbaiki kehilangan kapasitas. Meskipun pengukur SoC menunjukkan 100%, baterai yang terisi penuh dengan kapasitas yang dapat digunakan sebesar 50% hanya akan memberikan setengah dari waktu operasi yang ditentukan. Seiring memudarnya baterai, kemampuan penyimpan energi menyusut yang disimulasikan oleh Gambar 2 dengan menambahkan batuan.
Gambar 2: Batu melambangkan kehilangan kapasitas (source)
Baterai juga harus memiliki resistensi internal rendah (Ri) untuk mengirim daya. Meskipun kehilangan kapasitas dan peningkatan Ri tidak berkorelasi, waktu operasi yang diantisipasi hanya dapat diberikan jika Ri sesuai dengan spesifikasi. Kapasitas adalah indikator kesehatan utama, nilai yang dalam banyak kasus mengatur akhir masa pakai ketika turun di bawah 80%. Peningkatan Ri yang tinggi sebagai bagian dari siklus dan penuaan kurang umum.
Pelacakan Impedansi Baterai “smart” modern juga mengungkapkan kapasitas yang dapat digunakan yang ditunjukkan dalam Kapasitas Pengisian Penuh (FCC). Saat baru, FCC baterai “smart” setara dengan kapasitas desain sebesar 100%. Namun, seiring memudarnya baterai, persentase kapasitas yang dapat digunakan menurun. FCC dapat dibaca dengan Smart Bus Reader yang mencerminkan “kapasitas digital” baterai.
Seberapa baik kapasitas yang dapat digunakan melacak FCC? Laboratorium Cadex menemukan ketidakcocokan akurasi lebih dari 5% pada sepertiga dari baterai “smart” random yang diuji. Ini menjelaskan mengapa pengguna mengalami pemadaman mendadak ketika sebelumnya tampilan menunjukan SoC 20%. Meskipun ada anomali ini, baterai “smart” menyediakan informasi berharga; kalibrasi yang sering mempertahankan akurasi.
Kapasitas yang dapat digunakan pada baterai “smart” modern bisa terbaca dengan Pelacakan Impedansi. Baterai dengan Pelacakan Impedansi menghitung coulomb yang masuk dan keluar selama pengisian dan pelepasan. Analogi ini seperti gelas yang berisi cairan sebesar 20% yang diisi hingga 100% sambil mengukur energi yang masuk. Kapasitas sisa ditambah muatan yang ditambahkan mengungkapkan kapasitas yang dapat digunakan sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 3.
Gambar 3: Kapasitas adalah jumlah muatan residual ditambah energi yang ditambahkan (source)
Estimasi kapasitas oleh Pelacakan Impedansi mengharuskan penilaian muatan yang tersisa (isian lama) sebelum pengisian. Baterai “smart” melakukannya dengan mengukur tegangan sirkuit terbuka (OCV), nilai yang dibandingkan dengan kurva referensi yang mencocokkan kimia baterai.
Karena pengadukan setelah pengisian dan pelepasan, periode istirahat diperlukan untuk mencapai keseimbangan tegangan demi memungkinkan estimasi SoC. Sebagai contoh, setelah pengisian memerlukan istirahat minimal dua jam; setelah pelepasan memerlukan istirahat lima jam. Sistem juga menambahkan kompensasi suhu karena dingin dan panas mempengaruhi tegangan sel.
Meskipun ada tindakan pencegahan ini, FCC kehilangan akurasi. Kalibrasi baterai “smart” dengan Pelacakan Impedansi membutuhkan periode istirahat, layanan ini paling baik dilakukan dengan alat penganalisis baterai. Kalibrasi formal ini juga mengatur ulang Max Error, fungsi yang tidak dapat dilakukan hanya dengan siklus penuh. Pengujian baterai pada penganalisis juga menunjukkan kapasitas yang benar-benar dapat digunakan dengan Ri untuk memverifikasi keadaan kesehatan (SoH).
Semua baterai harus dilayani dengan penganalisis baterai sebelum penggantian. Beberapa baterai “smart” gagal karena cacat digital yang mungkin dapat dikoreksi oleh penganalisis. Untuk hasil terbaik, kalibrasi harus diulang karena beberapa jenis baterai “smart” hanya mengoreksi pembacaan dengan persentase poin yang terbatas.
Mengkalibrasi Baterai Kendaraan Listrik (EV) BMS dalam kendaraan listrik (EV) bekerja mirip dengan baterai “smart” , tetapi di sini pengemudi dibebaskan dari kalibrasi. Kita bertanya: “Mengapa baterai “smart” saya memerlukan kalibrasi sementara EV bebas?” Jawabannya terletak pada kalibrasi otomatis yang berlaku untuk baterai EV dan baterai “smart” yang menggunakan Pelacakan Impedansi.
Gambar 4: Titik Orientasi SoC diatur dan disesuaikan dengan kesempatan (source)
Kalibrasi otomatis mengatur Titik Orientasi SoC (SoC-OP) seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4. Ini terjadi ketika baterai mencapai keseimbangan setelah pengisian atau pelepasan. Menambah atau mengurangi coulomb antara titik-titik ini memungkinkan penilaian kapasitas penyimpanan energi dan membuat penyesuaian seiring memudarnya baterai sebagai bagian dari kalibrasi otomatis. Hasil terbaik diperoleh ketika SoC-OP berjauhan. Setiap BMS memiliki mekanisme sendiri yang tidak diungkapkan.
EV menggunakan prinsip serupa, metode yang juga dapat diperbaiki dengan penjadwalan cerdas antara penggunaan dan pengisian oleh pemilik kendaraan. Karena kurva pelepasan yang datar baterai Li-ion pada rentang SoC sedang, lokasi SoC-OP terbaik berada di bawah 30% dan di atas 70% SoC. LiFePO (LFP) dalam keluarga baterai lithium memiliki kurva pertengahan yang sangat datar, tetapi NMC yang lebih populer memiliki kemiringan pengisian yang terukur. Dengan mengetahui karakteristik ini, sebuah baterai EV dapat dikalibrasi tanpa alat dengan mengikuti prosedur ini:
- Lakukan pelepasan mendalam dengan mengemudi lebih jauh. Hati-hati saat berada pada kondisi SoC rendah karena indikasi jangkauan kendaraan bisa meleset hingga 30%. SoC rendah ekstrim terlihat ketika akselerasi menjadi lamban. Jangan mengemudi lebih jauh karena baterai masuk ke mode stres tinggi dan pengemudi bisa terdampar.
- Pada SoC rendah, biarkan baterai beristirahat selama 4 hingga 6 jam sebelum memulai pengisian daya. Pastikan mobil dalam mode ‘deep-sleep’ dengan menonaktifkan semua beban tambahan.
- Setelah waktu yang dialokasikan, isi daya baterai hingga antara 80% hingga 100%. Hindari pengisian ultra-cepat karena ini menambah stres. Pengisi daya EV Level 1 dan 2 bekerja terbaik.
- Setelah pengisian, biarkan istirahat 2 hingga 4 jam tanpa beban pada baterai. Semua pengisi daya Li-ion memberikan pengisian tambahan yang akan mengganggu istirahat. Istirahat dalam mode deep-sleep