Baterai traksi dan pengisian: sel litium dan asam timbal, kapasitas dan energi, keadaan muatan, sistem manajemen baterai, pengisian AC dan DC, dan ruang pengisian

Sebuah laundry rumah sakit memakai tiga forklift listrik berbaterai asam timbal 48 V di gudangnya, dan dua troli tarik berbaterai litium untuk mengantar linen ke gedung rawat inap. Ketika baru, satu forklift kuat bekerja satu sif penuh; dua tahun kemudian, forklift yang sama melambat saat mengangkat palet dan berhenti sebelum makan siang. Operator terbiasa mengisinya sebentar-sebentar setiap ada jeda, menambah air aki sebelum mengisi, dan mencabut steker ketika pengisi masih menyala. Ketiga pengisi berdiri di ruang simpan tertutup di samping rak linen bersih, tanpa kipas buang. Pada saat yang sama, salah satu troli litium tidak mau diisi lagi setelah dibiarkan hampir kosong selama libur panjang.

Teknisi listrik menemukan beberapa sel dengan elektrolit di bawah batas dan berat jenis jauh lebih rendah dari sel lain, air aki yang meluap setelah pengisian, dan bau asam di ruang simpan. Troli litium dikunci sistem manajemen baterainya karena tegangan selnya turun di bawah batas aman. Bab ini menjelaskan cara kerja, pengisian, dan perawatan baterai traksi dari sisi teknisi dan pengelola armada, bukan cara membongkar atau memperbaikinya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas baterai traksi forklift, troli, dan kendaraan listrik sampai kendaraan niaga ringan. Membuka pak baterai, mengganti sel atau modul, dan bekerja pada konduktor tegangan tinggi kendaraan tidak dibahas dan hanya dikerjakan orang yang berwenang menurut manual pabrik. Gambaran aliran energi dan keselamatan dasar baterai kendaraan ada di Bab 1 dan Bab 2; reaksi sel galvanik, elektrolisis, dan hukum Faraday di Bab 18 · Kimia; ventilasi ruang di Bab 16 · Bangunan & Fasilitas; proteksi kebakaran di Bab 17 · Bangunan & Fasilitas; bahan kimia dan APD di Bab 6 · Keselamatan dan Bab 5 · Keselamatan; kerja aman dan penguncian energi di Bab 76 · Kelistrikan & Kendali; dan komunikasi data perangkat di Bab 5 · Komputasional. Sumbernya adalah narasi Teknik Elektro, narasi Kimia, narasi Otomotif, dan narasi Satuan dan Pengukuran, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Angka untuk baterai tertentu diambil dari pelat nama dan manual pabrik; angka umum ditandai nilai literatur umum; angka contoh adalah angka latihan.

Sel, modul, dan pak

Satuan terkecil baterai adalah sel: dua elektrode dalam elektrolit yang menghasilkan tegangan dari reaksi redoks, seperti di Bab 18 · Kimia. Buku elektronika dasar dalam narasi Teknik Elektro mencatat bahwa baterai adalah sekelompok sel yang dirangkai seri atau paralel. Rangkaian seri menjumlahkan tegangan, dan rangkaian paralel menjumlahkan kapasitas:

dengan $n_s$ jumlah sel seri dan $n_p$ jumlah untai paralel. Tegangan nominal satu sel bergantung pada kimianya (nilai literatur umum): sekitar 2,0 V untuk asam timbal, sekitar 3,2 V untuk litium besi fosfat, dan sekitar 3,6 sampai 3,7 V untuk litium berbasis nikel. Pak 48 V asam timbal berisi 24 sel, sedangkan pak 48 V litium besi fosfat berisi 15 atau 16 sel.

Sel litium dikelompokkan menjadi modul, dan modul dirangkai menjadi pak bersama sensor, kabel, sekring, kontaktor, sistem manajemen baterai, dan pendinginan. Pak asam timbal forklift biasanya berupa sel-sel besar dalam satu bak baja yang dihubungkan dengan konektor antarsel. Karena arus mengalir melalui semua sel seri, sel yang paling lemah menentukan kemampuan seluruh untai.

Asam timbal dan litium

Baterai asam timbal memakai pelat timbal dan timbal dioksida dalam larutan asam sulfat. Buku elektronika dasar mencatat bahwa bila diperlukan arus beban yang besar, sel asam timbal adalah jenis yang paling banyak dipakai, dan memang baterai ini lama menjadi pilihan forklift karena murah, tahan arus besar, dan beratnya berguna sebagai pemberat penyeimbang. Kelemahannya (nilai literatur umum): energi per kilogram rendah, pengisian lama, perlu istirahat pendinginan, perlu penambahan air pada jenis basah, dan melepaskan hidrogen saat pengisian. Jenis tertutup berkatup tidak perlu ditambah air tetapi lebih peka terhadap pengisian berlebih dan panas.

Baterai litium ion memindahkan ion litium di antara dua elektrode selama pengisian dan pengosongan (nilai literatur umum). Jenis litium besi fosfat banyak dipakai pada forklift, troli, dan bus karena stabil secara termal dan berumur siklus panjang. Jenis berbasis nikel menyimpan energi lebih banyak per kilogram dan banyak dipakai pada mobil. Baterai litium dapat diisi cepat dan sebentar-sebentar, tidak perlu ditambah air, dan hampir tidak bergas pada pemakaian normal. Sebagai gantinya, setiap sel harus dijaga dalam jendela tegangan dan suhu yang sempit oleh sistem manajemen baterai, karena sel yang diisi berlebih, dikosongkan terlalu dalam, rusak mekanis, atau terlalu panas dapat masuk ke reaksi termal tak terkendali, yaitu pemanasan sendiri yang menyebar dari sel ke sel.

Narasi Kimia juga mencatat bahwa sel bahan bakar memperoleh bahan bakarnya dari luar, sedangkan baterai isi ulang menyimpan sumber energinya di dalam. Sebagian forklift memakai sel bahan bakar hidrogen; jenis itu tidak dibahas di bab ini.

Kapasitas, energi, dan laju pengosongan

Kapasitas baterai dinyatakan dalam ampere-jam (Ah), yaitu muatan yang dapat dialirkan dari penuh sampai tegangan akhir yang ditetapkan. Energi dinyatakan dalam watt-jam (Wh) atau kilowatt-jam (kWh):

Dua baterai berkapasitas sama tidak menyimpan energi yang sama bila tegangannya berbeda: 200 Ah pada 24 V menyimpan separuh energi 200 Ah pada 48 V.

Kapasitas bergantung pada laju pengosongan. Narasi Otomotif mengutip buku soal teknik listrik bahwa kapasitas ampere-jam baterai industri didasarkan pada laju pengosongan dalam jam tertentu. Baterai traksi asam timbal umumnya dinilai pada laju 5 jam, ditulis C5 (nilai literatur umum): baterai 600 Ah C5 memberi 600 Ah bila dikosongkan dengan 120 A selama 5 jam. Pada arus yang lebih besar, kapasitas yang dapat diambil dari asam timbal turun. Hubungan empiris Peukert menyatakan hal itu:

dengan $t$ waktu sampai kosong pada arus $I$, $C$ kapasitas pada laju $H$ jam, dan $k$ eksponen Peukert, sekitar 1,1 sampai 1,3 untuk asam timbal dan mendekati 1 untuk litium (nilai literatur umum). Laju C menyatakan arus relatif terhadap kapasitas: 1C pada baterai 200 Ah adalah 200 A, dan 0,2C adalah 40 A.

Keadaan muatan dan kedalaman pengosongan

Keadaan muatan menyatakan sisa muatan dalam persen kapasitas; kedalaman pengosongan adalah kebalikannya, yaitu bagian kapasitas yang sudah diambil. Baterai traksi asam timbal sebaiknya tidak dikosongkan lebih dari sekitar 80 persen kapasitas (nilai literatur umum), karena pengosongan yang lebih dalam cepat memperpendek umurnya. Buku soal teknik listrik dalam narasi Teknik Elektro menanyakan akibat bila sel asam timbal dikosongkan di bawah 1,8 V dan bila berat jenis elektrolit melebihi 1,23, dua batas yang menunjukkan bahwa sel asam timbal punya jendela kerja yang sempit.

Pada baterai asam timbal basah, keadaan muatan dapat diperkirakan dari berat jenis elektrolit, karena asam sulfat terpakai menjadi timbal sulfat selama pengosongan. Untuk baterai traksi, berat jenis penuh sekitar 1,28 dan kosong sekitar 1,12 pada suhu acuan (nilai literatur umum; nilai pabrik berbeda-beda), dan hubungan di antaranya hampir lurus. Tegangan rangkaian terbuka setelah istirahat beberapa jam juga mengikuti berat jenis.

Pada litium, terutama litium besi fosfat, tegangan sel hampir datar di sebagian besar rentang muatan. Sistem manajemen baterai menaksir muatan dengan penghitungan muatan, yaitu mengintegralkan arus masuk dan keluar, lalu mengoreksinya pada titik penuh dan kosong. Bila baterai jarang diisi penuh, taksirannya bergeser, dan panel dapat menunjukkan 30 persen ketika baterai sebenarnya hampir kosong.

Resistans dalam, panas, dan umur baterai

Setiap sel punya resistans dalam. Ketika arus mengalir, tegangan terminal turun di bawah tegangan rangkaian terbuka:

dan sebagian energi berubah menjadi panas di dalam sel:

Resistans dalam naik ketika baterai menua, dingin, hampir kosong, atau tersulfatasi. Akibatnya, tegangan turun lebih dalam saat beban besar, seperti saat forklift mengangkat palet, dan pengendali membatasi daya ketika tegangan mencapai batas bawah. Itulah sebabnya baterai tua sering masih bertegangan baik saat diam, tetapi melemah begitu dibebani. Sambungan antarsel yang kendur atau berkarat menambah panas di satu titik dan dapat melelehkan konektor.

Kesehatan baterai menyatakan kapasitas saat ini terhadap kapasitas baru; baterai traksi sering dianggap mencapai akhir umur ketika kesehatannya turun ke sekitar 70 sampai 80 persen (nilai literatur umum). Umur siklus bergantung kuat pada kedalaman pengosongan: baterai yang dikosongkan dangkal menempuh lebih banyak siklus daripada yang dikosongkan dalam. Suhu juga menentukan; sebagai aturan kasar, umur kalender baterai dapat turun kira-kira separuh untuk setiap kenaikan suhu kerja rata-rata sekitar 10 K di atas 25 °C (nilai literatur umum).

Penuaan asam timbal terutama berupa sulfatasi, yaitu kristal timbal sulfat yang mengeras bila baterai dibiarkan kosong atau tidak pernah diisi penuh, serta korosi kisi pelat. Penuaan litium berupa kehilangan litium aktif dan kenaikan resistans dalam, dipercepat oleh suhu tinggi dan penyimpanan lama dalam keadaan penuh. Sel dalam satu untai tidak menua sama cepat, sehingga sel terlemah makin tertinggal dan membatasi seluruh pak.

Sistem manajemen baterai

Sistem manajemen baterai mengukur tegangan setiap sel atau kelompok sel, suhu di beberapa titik, dan arus pak, lalu menghitung keadaan muatan dan kesehatan, seperti yang diringkas Bab 2. Fungsi utamanya (nilai literatur umum):

1. Perlindungan: membuka kontaktor atau meminta pengurangan arus bila tegangan sel, suhu, atau arus keluar dari jendela aman.
2. Penyeimbangan: menyamakan muatan sel. Penyeimbangan pasif membuang kelebihan muatan sel tertinggi lewat resistor kecil; penyeimbangan aktif memindahkan muatan antarsel.
3. Komunikasi: memberi tahu pengisi arus dan tegangan yang diizinkan, dan memberi tahu pengendali kendaraan batas daya yang boleh diambil, biasanya lewat bus data seperti di Bab 5 · Komputasional.
4. Pencatatan: menyimpan kejadian galat, suhu tertinggi, dan jumlah siklus untuk diagnosis.

Penguncian karena tegangan sel terlalu rendah, seperti pada troli di kasus pembuka, menandakan sel mungkin sudah rusak di dalam. Baterai itu tidak dipaksa diisi dengan pengisi lain atau dengan melompati sistem manajemen baterai; pemulihannya mengikuti prosedur pabrik.

Pengisian baterai asam timbal

Narasi Kimia mengutip buku elektronika dasar bahwa membalik arus untuk membentuk kembali pelat berarti mengisi sel, dan bahwa tegangan pengisian harus lebih besar daripada GGL baterai; narasi yang sama mencatat bahwa pengisian baterai dilakukan dengan penyearah. Pengisi baterai traksi asam timbal mengisi dalam beberapa tahap (nilai literatur umum):

1. Arus tetap: arus besar sampai tegangan per sel mencapai sekitar 2,35 sampai 2,4 V.
2. Tahap gas: arus diturunkan sementara tegangan naik ke sekitar 2,5 sampai 2,6 V per sel. Pada tahap ini air mulai terurai menjadi hidrogen dan oksigen, dan gelembungnya mengaduk elektrolit.
3. Ekualisasi: pengisian lanjutan yang terkendali, misalnya seminggu sekali, agar semua sel mencapai penuh dan berat jenisnya sama.

Pengisian asam timbal tidak efisien sempurna. Buku dasar teknik listrik dalam narasi Teknik Elektro menyebut efisiensi baterai asam timbal 85 persen, sehingga muatan yang dimasukkan harus sekitar 1,1 sampai 1,2 kali muatan yang dikeluarkan, disebut faktor pengisian (nilai literatur umum). Pengisian penuh biasanya memakan 8 jam, ditambah waktu istirahat agar baterai dingin.

Pengisian sebentar-sebentar seperti di kasus pembuka merugikan asam timbal basah: setiap pengisian dihitung sebagai siklus, baterai jarang penuh sehingga sulfatasi tumbuh, elektrolit tidak teraduk, dan suhu naik karena tidak pernah istirahat. Jadwal yang lebih baik adalah satu pengisian penuh per hari, dengan baterai cadangan bila pekerjaan menuntut lebih.

Pengisian baterai litium

Baterai litium diisi dengan pola arus tetap lalu tegangan tetap (nilai literatur umum). Pengisi memberi arus tetap sampai tegangan sel mencapai batas atasnya, sekitar 3,6 V untuk litium besi fosfat dan sekitar 4,2 V untuk jenis berbasis nikel, lalu menahan tegangan itu sampai arus turun ke nilai akhir. Tidak ada tahap gas, ekualisasi, atau pengisian apung. Penyeimbangan terjadi di ujung pengisian, sehingga baterai litium perlu sesekali diisi penuh.

Litium boleh diisi sebentar-sebentar selama arus dan suhu dalam batas. Pengisian di bawah sekitar 0 °C merusak sel karena litium mengendap sebagai logam (nilai literatur umum), yang relevan untuk gudang beku; pengisian sel yang panas juga dibatasi. Pengisi harus cocok dengan baterainya dan berkomunikasi dengan sistem manajemen baterai; pengisi asam timbal tidak boleh dipakai untuk baterai litium walaupun tegangan nominalnya sama.

Pengisian kendaraan: AC dan DC

Mobil dan kendaraan niaga listrik diisi dengan dua cara (nilai literatur umum):

1. Pengisian AC: kendaraan menerima listrik bolak-balik, dan pengisi di dalam kendaraan menyearahkannya. Dayanya dibatasi oleh sambungan listrik dan oleh pengisi di dalam kendaraan, biasanya 3,7 sampai 22 kW. Daya satu fasa adalah $P = V\,I$, dan daya tiga fasa seimbang adalah $P = \sqrt{3}\,V_\text{LL}\,I$.
2. Pengisian DC: pengisi di luar kendaraan menyearahkan listrik dan memasukkan arus searah langsung ke baterai, dengan daya puluhan sampai ratusan kilowatt. Pengisi dan sistem manajemen baterai terus berkomunikasi untuk menentukan arus. Daya pengisian DC turun ketika keadaan muatan tinggi atau baterai panas, sehingga pengisian dari 80 ke 100 persen dapat memakan waktu hampir sama dengan dari 20 ke 80 persen.

Nama sistem konektor seperti Type 2, CCS, CHAdeMO, dan GB/T boleh dicatat untuk mencocokkan kendaraan dengan pengisi; rincian tegangan, arus, dan protokolnya diambil dari dokumen pabrik dan standar. Pengisi dinding armada dipasang pada sirkuit tersendiri dengan proteksi yang sesuai oleh instalatir berwenang. Kabel terlindas, konektor terbakar, dan pengisi pada stopkontak biasa dengan kabel sambungan adalah penyebab umum panas berlebih.

Ruang pengisian, hidrogen, dan kebakaran

Buku listrik dan magnet dalam narasi Teknik Elektro mencatat bahwa hidrogen dapat terbentuk ketika baterai diisi berlebih atau dikosongkan berlebih. Pada asam timbal basah, tahap gas di ujung pengisian selalu melepaskan hidrogen dan oksigen. Hukum Faraday di Bab 18 · Kimia memberi jumlahnya: setiap ampere-jam arus gas per sel menghasilkan sekitar 0,42 L hidrogen pada 0 °C, atau sekitar 0,46 L pada 25 °C. Hidrogen sangat ringan, berkumpul di bawah plafon, dan mudah menyala di udara mulai sekitar 4 persen volume (nilai literatur umum). Satu percikan dari steker yang dicabut ketika pengisi masih mengalirkan arus, atau dari sakelar lampu biasa di plafon, cukup untuk menyalakannya.

Karena itu ruang pengisian asam timbal memerlukan (nilai literatur umum; rancangan mengikuti standar dan perencana yang berwenang):

1. Ventilasi yang cukup untuk menjaga hidrogen jauh di bawah batas nyalanya, dengan lubang buang di titik tertinggi ruang, seperti prinsip ventilasi di Bab 16 · Bangunan & Fasilitas.
2. Larangan api terbuka dan merokok, perlengkapan listrik yang sesuai, dan pengisi dimatikan sebelum steker dicabut.
3. Pencuci mata dan air untuk percikan asam, sarung tangan dan pelindung muka untuk menambah air dan memeriksa berat jenis, serta bahan penetral tumpahan, seperti Bab 6 · Keselamatan dan Bab 5 · Keselamatan.
4. Lantai tahan asam dan jarak dari bahan mudah terbakar.

Sel litium yang rusak dapat mengeluarkan asap beracun dan mudah terbakar, lalu menyala dan menyulut sel di sebelahnya. Area pengisian litium dijauhkan dari rak linen dan bahan mudah terbakar, diawasi detektor, dan direncanakan bersama pengelola proteksi kebakaran menurut Bab 17 · Bangunan & Fasilitas. Ruang simpan linen bersih di kasus pembuka keliru untuk kedua jenis baterai: muatan apinya besar, tanpa ventilasi, dan tanpa pengawasan.

Perawatan dan penyimpanan

Perawatan baterai asam timbal basah (nilai literatur umum):

1. Tambah air suling setelah pengisian penuh, karena elektrolit naik selama pengisian; air yang ditambahkan sebelumnya meluap membawa asam ke atas pak dan menyebabkan arus bocor dan korosi. Bila pelat sudah terlihat, tambahkan secukupnya sampai pelat terendam.
2. Ukur berat jenis setiap sel secara berkala dengan hidrometer, setelah pengisian penuh dan istirahat, lalu catat. Sel yang jauh lebih rendah dari sel lain menunjuk sel lemah atau hubung singkat di dalamnya.
3. Jaga pak tetap bersih dan kering; bersihkan tumpahan asam, periksa konektor antarsel dari kendur, korosi, dan bekas panas.
4. Catat pemakaian, pengisian, berat jenis, dan suhu, agar penurunan terlihat sebelum forklift berhenti di tengah sif.

Baterai yang disimpan kehilangan muatan karena pelepasan muatan sendiri dan arus siaga sistem manajemen baterai dan pengendali. Buku elektronika dasar dalam narasi Satuan dan Pengukuran mengingatkan bahwa baterai alat harus dilepaskan bila alat disimpan cukup lama; prinsip yang sama berlaku untuk kendaraan. Asam timbal disimpan penuh dan diisi ulang berkala. Litium disimpan pada muatan menengah, sekitar 40 sampai 60 persen, dengan pemutus pak dibuka bila manual mengizinkan, dan diperiksa setiap bulan (nilai literatur umum). Troli di kasus pembuka dibiarkan hampir kosong, sehingga arus siaga menurunkan selnya di bawah batas aman.

Contoh kerja

Contoh 1: energi pak asam timbal. Pak forklift 48 V berisi 24 sel dengan kapasitas 600 Ah C5. Energinya $48 \times 600 = 28.800$ Wh, yaitu 28,8 kWh. Dengan batas kedalaman pengosongan 80 persen, energi yang boleh dipakai sekitar $0{,}8 \times 28{,}8 = 23{,}0$ kWh per sif.

Contoh 2: susunan pak litium. Sel litium besi fosfat 3,2 V 100 Ah disusun 15 seri dan 2 paralel. Tegangan pak $15 \times 3{,}2 = 48$ V, kapasitas $2 \times 100 = 200$ Ah, dan energi $48 \times 200 = 9.600$ Wh, yaitu 9,6 kWh, dari 30 sel.

Contoh 3: pengaruh arus besar pada asam timbal. Untuk baterai 600 Ah C5 dengan eksponen Peukert 1,25 (angka latihan), pengosongan dengan 200 A berlangsung $t = 5 \times (600/(200 \times 5))^{1{,}25} = 5 \times 0{,}6^{1{,}25} = 5 \times 0{,}528 = 2{,}64$ jam. Muatan yang diambil $200 \times 2{,}64 = 528$ Ah, sekitar 88 persen kapasitas pelat nama.

Contoh 4: keadaan muatan dari berat jenis. Dengan berat jenis penuh 1,28 dan kosong 1,12 (angka latihan dari nilai literatur umum), sel yang terbaca 1,20 berada pada sekitar $(1{,}20 - 1{,}12)/(1{,}28 - 1{,}12) = 0{,}08/0{,}16 = 0{,}50$, yaitu 50 persen. Bila setelah pengisian penuh 23 sel terbaca 1,27 sampai 1,28 dan satu sel 1,15, sel itu lemah atau terhubung singkat di dalam.

Contoh 5: resistans dalam dan batas tegangan. Pak 48 V terbaca 50,4 V saat diam dan 46,4 V ketika forklift mengangkat palet dengan arus 200 A. Resistans dalam $(50{,}4 - 46{,}4)/200 = 0{,}020$ $\Omega$, dan panas di pak $200^2 \times 0{,}020 = 800$ W. Bila resistansnya naik menjadi 0,035 $\Omega$ karena menua, tegangan saat mengangkat turun $200 \times 0{,}035 = 7{,}0$ V menjadi 43,4 V, dekat batas putus pengendali 42 V, yaitu 1,75 V per sel (angka latihan). Saat baterai hampir kosong, forklift berhenti mengangkat walaupun masih dapat berjalan.

Contoh 6: waktu pengisian asam timbal. Baterai yang dikosongkan 480 Ah diisi dengan faktor pengisian 1,15, sehingga perlu $480 \times 1{,}15 = 552$ Ah. Dengan arus rata-rata pengisi 75 A, pengisian memakan $552/75 = 7{,}4$ jam. Pengisian 30 menit pada jam makan siang hanya memasukkan sekitar $75 \times 0{,}5 = 37{,}5$ Ah, kurang dari 7 persen dari yang diperlukan.

Contoh 7: hidrogen di ruang pengisian. Pada tahap gas, satu baterai 24 sel menerima arus gas 6 A selama 2 jam (angka latihan). Hidrogen yang terbentuk $24 \times 6 \times 2 \times 0{,}46 = 132$ L. Untuk menjaga kadar rata-rata di bawah 1 persen, seperempat batas nyala bawah (angka latihan), diperlukan udara $132/0{,}01 = 13.200$ L dalam 2 jam, yaitu sekitar 6,6 m³/jam per baterai, atau sekitar 20 m³/jam untuk tiga forklift. Tanpa ventilasi, 396 L hidrogen dalam ruang 30 m³ memberi rata-rata 1,3 persen, dan di bawah plafon jauh lebih tinggi.

Contoh 8: pengisian mobil boks listrik. Mobil boks dengan baterai berkapasitas pakai 50 kWh diisi dari 20 ke 80 persen, yaitu 30 kWh ke baterai. Dengan pengisian AC 7,4 kW dan efisiensi pengisian 90 persen (angka latihan), energi dari jaringan $30/0{,}9 = 33{,}3$ kWh dan waktunya $33{,}3/7{,}4 = 4{,}5$ jam. Dengan pengisian DC berdaya rata-rata 40 kW di baterai, waktunya $30/40 = 0{,}75$ jam, yaitu 45 menit.

Contoh 9: arus siaga selama libur. Pak troli litium 200 Ah ditinggal pada keadaan muatan 10 persen, yaitu 20 Ah, selama 90 hari. Arus siaga sistem manajemen baterai dan pengendali 10 mA (angka latihan) mengambil $0{,}010 \times 24 \times 90 = 21{,}6$ Ah, lebih dari sisa muatannya, belum termasuk pelepasan muatan sendiri. Sel turun di bawah batas aman dan sistem manajemen baterai mengunci pengisian. Disimpan pada 50 persen, yaitu 100 Ah, pak yang sama masih menyisakan sekitar 78 Ah.

Kondisi berhenti

Hentikan pengisian atau pemakaian, jauhkan orang, dan serahkan kepada petugas yang berwenang bila:

1. Baterai mengeluarkan asap, desis, bau menyengat, atau terlalu panas disentuh, atau pak litium menggembung; ikuti rencana tanggap darurat dan Bab 17 · Bangunan & Fasilitas.
2. Elektrolit tumpah atau memercik ke kulit atau mata; bilas dengan air yang banyak dan ikuti lembar data keselamatan.
3. Kipas buang ruang pengisian asam timbal mati atau ruang berbau asam kuat.
4. Kabel, steker, atau konektor antarsel berubah warna, meleleh, atau panas.
5. Sistem manajemen baterai atau kendaraan menunjukkan galat sel, suhu, atau isolasi yang belum ditangani menurut prosedur.
6. Pak litium pernah jatuh, tertusuk, tertimpa, atau terendam air; karantinakan di tempat terbuka yang jauh dari bahan mudah terbakar sampai diperiksa.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Ampere-jam sama dengan energi." Energi adalah ampere-jam dikalikan tegangan.
2. "Kapasitas di pelat nama tersedia pada arus berapa pun." Pada asam timbal, kapasitas yang dapat diambil turun pada arus besar.
3. "Mengisi sebentar-sebentar selalu baik." Untuk asam timbal basah, pengisian parsial berulang memperpendek umur; untuk litium boleh selama dalam batas.
4. "Air aki ditambah sebelum mengisi." Air ditambah setelah pengisian penuh, kecuali pelat sudah terlihat.
5. "Tegangan diam menunjukkan sisa muatan pada semua baterai." Tegangan litium besi fosfat hampir datar; sisa muatan ditaksir dari penghitungan muatan.
6. "Baterai litium tidak perlu diperhatikan soal kebakaran karena tidak bergas." Sel litium yang rusak dapat terbakar hebat dan menyebar.
7. "Sistem manajemen baterai melindungi dari semua kesalahan." Ia tidak memperbaiki pengisi yang salah, kerusakan mekanis, atau ruang pengisian yang buruk.
8. "Pengisi apa saja boleh asal tegangannya sama." Profil pengisian asam timbal dan litium berbeda, dan pengisi litium harus berkomunikasi dengan sistem manajemen baterai.

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 dan Bab 2 memberi aliran energi dan keselamatan dasar baterai kendaraan, Bab 18 · Kimia reaksi sel dan hukum Faraday, Bab 16 · Bangunan & Fasilitas ventilasi, Bab 17 · Bangunan & Fasilitas proteksi kebakaran, Bab 6 · Keselamatan dan Bab 5 · Keselamatan bahan kimia dan APD, Bab 76 · Kelistrikan & Kendali kerja aman, dan Bab 5 · Komputasional komunikasi data. Bab berikutnya di rak ini membahas motor traksi dan inverter, yang mengubah energi baterai menjadi torsi di roda.

Latihan dan pembahasan

1. Pak 80 V asam timbal berisi 40 sel dengan kapasitas 700 Ah. Berapa energinya, dan berapa yang boleh dipakai pada kedalaman pengosongan 80 persen?
2. Sel litium besi fosfat 3,2 V 100 Ah akan disusun menjadi pak sekitar 48 V dan 300 Ah. Berapa sel seri dan untai paralel yang diperlukan, dan berapa energinya?
3. Berat jenis penuh 1,28 dan kosong 1,12. Sel terbaca 1,24. Berapa keadaan muatannya?
4. Pak terbaca 50,4 V saat diam dan 47,4 V pada 150 A. Berapa resistans dalam dan panas di pak?
5. Baterai dikosongkan 400 Ah dan diisi dengan faktor pengisian 1,15 dan arus rata-rata 60 A. Berapa lama pengisiannya?
6. Mobil boks perlu menambah 24 kWh ke baterai dengan pengisian AC 7,4 kW dan efisiensi 90 persen. Berapa energi dari jaringan dan berapa lama?

Kunci jawaban beralasan

1. Energi $80 \times 700 = 56.000$ Wh, yaitu 56 kWh. Pada kedalaman pengosongan 80 persen, yang boleh dipakai $0{,}8 \times 56 = 44{,}8$ kWh. Ke-40 sel sesuai dengan 2,0 V per sel.
2. Seri $48/3{,}2 = 15$ sel dan paralel $300/100 = 3$ untai, total 45 sel. Energinya $48 \times 300 = 14.400$ Wh, yaitu 14,4 kWh, sama dengan $45 \times 3{,}2 \times 100$ Wh, sehingga hitungannya konsisten.
3. $(1{,}24 - 1{,}12)/(1{,}28 - 1{,}12) = 0{,}12/0{,}16 = 0{,}75$, yaitu sekitar 75 persen. Hasil ini perkiraan, karena hubungan berat jenis dan muatan hanya hampir lurus dan bergantung pada suhu.
4. $R = (50{,}4 - 47{,}4)/150 = 0{,}020$ $\Omega$, dan panas $150^2 \times 0{,}020 = 450$ W. Panas itu naik dengan kuadrat arus, sehingga pada 300 A menjadi empat kali lipat, 1.800 W.
5. Muatan yang diperlukan $400 \times 1{,}15 = 460$ Ah, dan waktunya $460/60 = 7{,}7$ jam, belum termasuk istirahat pendinginan. Satu pengisian penuh per hari lebih baik daripada beberapa pengisian singkat.
6. Energi dari jaringan $24/0{,}9 = 26{,}7$ kWh, dan waktunya $26{,}7/7{,}4 = 3{,}6$ jam. Bila sambungan listrik di garasi hanya 16 A satu fasa, yaitu $230 \times 16 = 3{,}7$ kW, waktunya sekitar dua kali lipat.

Referensi