Sepeda motor listrik, baterai dan pengisian: sel dan susunan seri-paralel, sistem manajemen baterai, pengisi daya, tukar baterai, pengisian di gedung dan bahaya kebakaran, penyimpanan, dan perawatan

Di sebuah rumah sakit, sekitar sepuluh staf datang dengan sepeda motor listrik yang baterainya dapat dilepas. Parkir basement tidak memiliki stopkontak, sehingga sebagian staf membawa baterai ke ruang ganti di basement dan mengisinya selama sif. Enam pengisi daya dicolokkan ke dua kabel rol yang bersambung ke satu stopkontak di dekat loker. Setelah sebulan, petugas kebersihan melaporkan stopkontak itu menghitam dan berbau plastik terbakar, dan steker salah satu kabel rol sudah berubah bentuk. Ruang ganti itu juga menjadi jalur menuju tangga darurat.

Manajemen meminta teknisi menjelaskan apa yang terjadi dan menyusun tempat serta aturan pengisian yang aman. Jawabannya memerlukan dua hal: memahami isi pak baterai dan pengisinya, dan memahami bagaimana pengisian di dalam gedung dapat memicu panas di instalasi dan kebakaran baterai.

Batas pembahasan

Bab ini membahas baterai dan pengisian sepeda motor listrik untuk teknisi fasilitas: sel dan kimianya, susunan seri-paralel, sistem manajemen baterai pada pak portabel, pengisi daya, tukar baterai, bahaya kebakaran, aturan tempat pengisian staf, penyimpanan, dan pak yang rusak atau terendam. Dasar sel litium, kapasitas, keadaan muatan, resistans dalam, pola pengisian arus tetap lalu tegangan tetap, dan penyimpanan dijelaskan di Bab 7; kelas tegangan, kebakaran baterai, dan kendaraan rusak atau terendam di Bab 9; proteksi kebakaran gedung di Bab 17 · Bangunan & Fasilitas; kotak kontak dan sirkit akhir di Bab 32 · Kelistrikan & Kendali; RCD di Bab 22 · Kelistrikan & Kendali; dan proteksi arus lebih di Bab 23 · Kelistrikan & Kendali. Arsitektur dan jangkauan sepeda motor listrik ada di Bab 16, dan pengisian mobil listrik di gedung di Bab 24.

Membuka pak, mengganti sel, dan memperbaiki pengisi atau sistem manajemen baterai tidak dibahas dan tidak dikerjakan teknisi fasilitas. Pemasangan sirkit baru dikerjakan instalatir berwenang. Angka contoh di bab ini hanya untuk berhitung.

Sel litium: bentuk dan kimia

Pada baterai litium ion, muatan mengalir ketika ion litium berpindah antara anoda grafit dan katoda oksida logam, dengan tegangan sel sekitar 3,7 V. Baterai ini populer karena dapat memberi arus besar, lebih ringan daripada jenis lain, tegangannya hampir tetap selama pengosongan, dan hanya perlahan kehilangan muatan saat disimpan.

Bentuk sel yang umum di pak sepeda motor:

• Sel silinder (cylindrical cell) adalah sel litium ion berselubung logam berbentuk tabung dengan kapasitas kecil per sel, sehingga pak memerlukan banyak sel yang dirangkai paralel.
• Sel prismatik (prismatic cell) adalah sel litium ion berbentuk kotak dengan kapasitas besar per sel, sehingga pak memerlukan lebih sedikit sel dan sambungan.

Kimia sel menentukan tegangan dan sifatnya. Nilai di bawah ini diambil dari Bab 7 tentang baterai traksi:

Batas tegangan akhir pengosongan dan arus terbesar sel ditetapkan pabrik sel dan tidak ditulis sebagai angka umum.

Susunan seri-paralel pak sepeda motor

Rumus tegangan dan kapasitas pak seri-paralel ada di Bab 7 tentang baterai traksi. Untuk menghitung isi pak dari lembar data, ditambahkan jumlah sel dan energinya:

$$N_\text{sel} = n_s\,n_p, \qquad E_\text{pak} = n_s\,V_\text{sel} \times n_p\,C_\text{sel} = N_\text{sel}\,V_\text{sel}\,C_\text{sel}$$

dengan $n_s$ jumlah sel seri, $n_p$ jumlah sel paralel di tiap kelompok, $V_\text{sel}$ tegangan nominal sel (V), $C_\text{sel}$ kapasitas sel (Ah), dan $E_\text{pak}$ energi pak (Wh). Susunan ditulis singkat sebagai "16s12p" untuk 16 seri dan 12 paralel. Tegangan sistem 48, 60, dan 72 V yang umum dijumpai adalah kebiasaan industri, bukan standar resmi. Susunan yang mungkin, dihitung dari tegangan sel di Bab 7:

Kolom terakhir diturunkan dari batas kelas A di Bab 9 tentang keselamatan tegangan tinggi kendaraan: pak 72 V nominal, yang penuh sekitar 84 V, melewati batas itu, sehingga konektor dan kabel dayanya diperlakukan dengan aturan tegangan tinggi. Penanda "48 V" atau "72 V" di pelat pak menunjuk kelas sistem, tetapi pemeriksaan dilakukan pada tegangan penuh. Sel terlemah dalam untai seri membatasi seluruh pak, seperti di Bab 7. Seiring waktu dapat terbentuk hubung singkat yang membuat sel tidak berguna, dan sel seperti itu menurunkan seluruh untai.

Sistem manajemen baterai pada pak portabel

Fungsi sistem manajemen baterai, yaitu perlindungan, penyeimbangan, komunikasi, dan pencatatan, dijelaskan di Bab 7 tentang baterai traksi. Pada pak sepeda motor yang dapat dilepas, sistem itu berada di dalam pak dan sering memutus pengisian dan pengosongan dengan sakelar MOSFET, bukan kontaktor. Pak yang dikunci karena tegangan sel terlalu rendah tidak dipaksa diisi dengan pengisi lain, seperti peringatan di Bab 7.

Teknisi yang menjalankan uji hubung singkat, pengisian berlebih, pengosongan berlebih, suhu tinggi, perangkat keselamatan listrik, atau penuaan sel litium harus melihat gerbang keselamatan wajib langsung di baris pelaksanaannya. Uji penyalahgunaan seperti itu adalah pekerjaan laboratorium, bukan pekerjaan teknisi gedung. Hanya personel terlatih yang boleh mengisi dan mengganti baterai forklift listrik; prinsip itu mendasari pengarahan singkat bagi staf sebelum memakai titik pengisian gedung.

Pengisi daya dan waktu pengisian

Pengisi daya portabel (portable charger) adalah perangkat terpisah dari kendaraan yang dicolokkan ke kotak kontak 230 V dan mengisi pak dengan pola arus tetap lalu tegangan tetap. Pengisi harus pasangan pak itu: tegangan akhir, kimia, dan konektornya sesuai, seperti ditegaskan di Bab 7. Waktu dan arus jala-jala diperkirakan dengan:

$$t \approx \frac{C\,(1 - s_0)}{I_\text{isi}} + t_\text{CV}, \qquad P_\text{AC} = \frac{V_\text{isi}\,I_\text{isi}}{\eta_\text{p}}, \qquad I_\text{AC} \approx \frac{P_\text{AC}}{230}$$

dengan $t$ waktu pengisian (jam), $C$ kapasitas pak (Ah), $s_0$ keadaan muatan awal (pecahan), $I_\text{isi}$ arus tahap arus tetap (A), $t_\text{CV}$ ekor tahap tegangan tetap (jam), $V_\text{isi}$ tegangan pak saat diisi (V), $\eta_\text{p}$ efisiensi pengisi, dan faktor daya pengisi dianggap mendekati 1. Satu pengisi kecil hanya menarik satu sampai dua ampere, tetapi menariknya terus-menerus berjam-jam, dan beberapa pengisi pada satu stopkontak menjumlahkan arusnya.

Panduan NFPA yang disebarkan dinas pemadam kebakaran di Amerika Serikat meminta pengisian pada suhu ruang dan menghindari pengisian di bawah 0 °C atau di atas 40 °C. Pengisi menjadi hangat saat bekerja; jangan menutupnya dengan kain, jok, atau tas.

Tukar baterai dan SPBKLU

Tukar baterai (battery swapping) adalah cara mengganti pak yang kosong dengan pak yang sudah terisi di stasiun penukaran, sehingga kendaraan tidak menunggu pengisian. Permen ESDM Nomor 1 Tahun 2023 mengatur infrastruktur pengisian listrik untuk kendaraan bermotor listrik berbasis baterai, yaitu stasiun pengisian kendaraan listrik umum (SPKLU), stasiun penukaran baterai kendaraan listrik umum (SPBKLU), dan instalasi pengisian pribadi. SPBKLU (public battery swapping station) adalah fasilitas umum tempat baterai kendaraan listrik yang kosong ditukar dengan baterai yang sudah terisi.

Penyelenggara SPBKLU memerlukan nomor identitas penukaran, baterai yang memenuhi ketentuan, aplikasi penukaran daring, dan mesin penukar; lokasi yang disarankan antara lain SPBU dan tempat parkir umum; dan penyediaan tahap awal ditugaskan kepada PLN. Kementerian Perindustrian dan BSN telah menyusun standar baterai kendaraan listrik, dan konsep standardisasi baterai sepeda motor listrik untuk tukar baterai disebut selesai pada 2024 dengan acuan regulasi PBB UN R136. Nomor SNI baterai tukar sepeda motor belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 18 Oktober 2026.

Bagi armada, tukar baterai memindahkan pengisian dan perawatan pak ke luar gedung. Yang diperiksa sebelum memilihnya: kecocokan kendaraan dengan sistem tukar, letak stasiun di rute, jam layanan, isi kontrak sewa pak, dan siapa yang menanggung pak yang rusak.

Pengisian di dalam gedung dan bahaya kebakaran

Panduan resmi dinas pemadam kebakaran Indonesia tentang pengisian sepeda motor listrik di gedung tidak ditemukan. Di Indonesia, ahli otomotif ITB menyarankan tidak mengisi di dalam rumah pada malam hari, memakai pengisi yang disetujui pabrik, tidak membiarkan konektor tersambung lama setelah penuh, dan memasang jaringan khusus untuk pengisian. Pabrik dalam negeri berpendapat pengisian di dalam ruangan tidak berbahaya bila dilakukan benar: pengisi rekomendasi, langsung ke kotak kontak dinding, tanpa kabel rol, dan kapasitas listrik diperiksa. Damkar Kota Malang menyebut baterai motor listrik yang sedang dirakit mengalami beban berlebih saat diisi di ruang praktikum politeknik, dan pada September 2024 kebakaran bengkel motor listrik di Malang bermula dari percikan pada baterai litium yang sedang diisi.

Sebagai contoh luar negeri, panduan NFPA yang disebarkan dinas pemadam kebakaran dan lembaga energi di Amerika Serikat memuat butir berikut:

1. Beli dan pakai hanya perangkat, baterai, dan pengisi yang tercantum (listed) oleh laboratorium uji yang diakui.
2. Colokkan pengisi langsung ke kotak kontak dinding, tidak ke stopkontak bertingkat atau kabel sambungan.
3. Isi satu perangkat atau baterai pada satu waktu.
4. Cabut setelah penuh; hindari pengisian semalaman atau tanpa diawasi.
5. Jangan mengisi atau menyimpan di pintu masuk atau jalur keluar.
6. Hentikan pengisian bila baterai retak, bocor, berbau, berubah warna, atau berubah bentuk.

Standar yang sering dirujuk adalah UL 2849 untuk sistem kelistrikan sepeda listrik, UL 2271 untuk pak baterai kendaraan listrik ringan, dan UL 2272 untuk perangkat mobilitas pribadi; sertifikat UL 2271 pada baterai saja tidak berarti seluruh kendaraan memenuhi UL 2849. Karena sumber Indonesia berbeda pendapat, bab ini mengikuti panduan NFPA dan proteksi kebakaran di Bab 17 · Bangunan & Fasilitas.

Pintu keluar kebakaran dan jalur penyelamatan harus selalu bertanda jelas dan bebas halangan, dan konduktor sirkit yang kelebihan beban dapat menimbulkan kebakaran. Pembagian kelas kebakaran menurut NFPA, yang juga dipakai Permenaker 04/MEN/1980, menempatkan logam mudah terbakar seperti kalium, litium, dan magnesium di kelas D. Pak litium ion hampir tidak berisi logam litium, sehingga APAR kelas D bukan jawaban untuknya; pak yang mengalami reaksi termal tak terkendali memerlukan pendinginan air dalam jumlah besar oleh pemadam kebakaran, seperti di Bab 9 tentang kebakaran baterai.

Aturan tempat pengisian staf

Aturan berikut menggabungkan panduan NFPA, Bab 32 · Kelistrikan & Kendali tentang kotak kontak, Bab 22 · Kelistrikan & Kendali tentang RCD, Bab 17 · Bangunan & Fasilitas tentang proteksi kebakaran, dan Bab 9 tentang kebakaran baterai; rancangan instalasi dan proteksi kebakarannya disetujui pengelola gedung dan dikerjakan pihak berwenang.

Jumlah kotak kontak per sirkit dan pemilihan pengaman mengikuti Bab 32 · Kelistrikan & Kendali tentang sirkit akhir dan Bab 23 · Kelistrikan & Kendali tentang proteksi arus lebih. Bab 32 · Kelistrikan & Kendali juga mengingatkan bahwa sambungan kendur memanaskan tanpa menarik arus lebih, sehingga MCB tidak memutus. Inilah penjelasan yang paling mungkin mengapa stopkontak di kasus pembuka menghitam walaupun pengamannya tidak pernah trip.

Penyimpanan, perawatan, dan pak rusak atau terendam

Penyimpanan litium pada muatan sekitar 40 sampai 60 persen, pemeriksaan bulanan, dan larangan mengisi di bawah sekitar 0 °C ada di Bab 7 tentang baterai traksi. Hal yang khas untuk pak sepeda motor yang dapat dilepas, selaras dengan panduan NFPA:

1. Pak dibawa dengan pegangannya dan tidak dijatuhkan; pak yang pernah jatuh keras diperiksa bengkel resmi sebelum diisi.
2. Konektor pak dan steker pengisi dibersihkan dari debu dan air, lalu diperiksa dari bekas panas, pin longgar, dan plastik yang berubah warna.
3. Pak yang pernah terendam banjir, penyok, menggelembung, bocor, atau berbau tidak diisi dan tidak dimasukkan ke gedung. Pak itu dikarantina di tempat terbuka yang jauh dari bahan mudah terbakar, seperti perlakuan kendaraan rusak di Bab 9, lalu diserahkan ke pabrik atau bengkel resmi.
4. Pak yang lama disimpan diperiksa tegangan dan keadaannya di panel atau indikator pak sebelum diisi.
5. Pak bekas dibuang mengikuti petunjuk pabrik dan ketentuan pengelolaan limbah yang berlaku, tidak bersama sampah biasa.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: waktu pengisian. Pak 30 Ah pada keadaan muatan 20 persen diisi pengisi 5 A. Tahap arus tetap memakan sekitar $30 \times (1 - 0{,}2)/5 = 4{,}8$ jam, ditambah ekor tegangan tetap sekitar 1 jam, jadi sekitar 5,8 jam. Pengisian dari kosong sampai penuh memakan lebih dari $30/5 = 6$ jam, sehingga pengisian selama satu sif kerja cukup, tetapi pengisian semalaman tanpa diawasi tidak diperlukan.

Contoh 2: arus jala-jala satu pengisi. Pengisi 5 A pada tegangan pak sekitar 67 V memberi $5 \times 67 = 335$ W. Dengan efisiensi 0,85, daya dari jala-jala $335/0{,}85 = 394$ W dan arusnya $394/230 = 1{,}7$ A.

Contoh 3: arus di stopkontak kasus pembuka. Enam pengisi seperti Contoh 2 menarik $6 \times 1{,}71 = 10{,}3$ A melalui satu stopkontak dan satu steker kabel rol, terus-menerus selama berjam-jam. Arus itu di bawah 16 A, sehingga MCB tidak memutus. Bila sepuluh staf mengisi bersamaan, arusnya $10 \times 1{,}71 = 17{,}1$ A, melebihi satu sirkit kotak kontak 16 A.

Contoh 4: panas di kontak yang buruk. Panas di satu sambungan adalah $P = I^2 R$. Bila resistans kontak steker kabel rol 0,05 $\Omega$, panasnya $10{,}3^2 \times 0{,}05 = 5{,}3$ W di titik sekecil ujung pin. Bila kontak memburuk menjadi 0,2 $\Omega$, panasnya $10{,}3^2 \times 0{,}2 = 21$ W, atau sekitar 148 Wh selama 7 jam pengisian. Panas sebesar itu di dalam plastik steker cukup untuk menghitamkan dan melelehkannya, sementara MCB tetap tidak memutus.

Contoh 5: merencanakan titik pengisian staf. Dua puluh empat staf masing-masing menempuh 20 km per hari dengan 35 Wh/km, sehingga perlu $20 \times 35 = 700$ Wh ke baterai atau $700/0{,}85 = 824$ Wh dari jala-jala, total $24 \times 0{,}824 = 19{,}8$ kWh per hari. Dengan pengisi 335 W, satu motor perlu $700/335 = 2{,}1$ jam, dibulatkan 2,5 jam bersama ekor dan pergantian. Delapan kotak kontak selama sif 8 jam menyediakan 64 slot-jam untuk 60 slot-jam yang diperlukan, cukup tetapi ketat. Delapan kotak kontak dibagi dua sirkit, masing-masing $4 \times 1{,}71 = 6{,}9$ A.

Contoh 6: tukar baterai untuk armada. Tiga sepeda motor rumah sakit masing-masing menempuh 50 km per hari dengan 40 Wh/km, yaitu 2.000 Wh. Bila pak tukar memberi 1,5 kWh energi pakai, setiap motor perlu $2.000/1.500 = 1{,}33$, dibulatkan dua kali tukar per hari, dan armada enam kali tukar. Mengisi 2.000 Wh di gedung dengan pengisi 335 W memerlukan sekitar 6 jam per motor; perbandingan ini, ditambah biaya sewa dan letak stasiun, menjadi dasar keputusan.

Kondisi berhenti

Hentikan pengisian, jauhkan orang, dan serahkan kepada petugas yang berwenang, pabrik, atau bengkel resmi bila:

1. Pak atau pengisi berasap, berdesis, berbau menyengat, terlalu panas disentuh, atau menggelembung; ikuti rencana tanggap darurat dan Bab 17 · Bangunan & Fasilitas tentang proteksi kebakaran.
2. Kotak kontak, steker, atau kabel menghitam, berubah bentuk, atau berbau plastik terbakar; matikan sirkitnya dan minta instalatir memeriksa.
3. Pak pernah terendam, jatuh keras, penyok, atau bocor.
4. Pengisi bukan pasangan pak, tidak berlabel, atau kabelnya rusak.
5. Pengisian dilakukan di jalur keluar, di ruang ganti, atau dengan kabel rol, dan belum dapat dipindahkan.
6. Sistem manajemen baterai mengunci pak atau panel menampilkan galat sel, suhu, atau pengisian.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab ini memakai dasar baterai dari Bab 7, keselamatan dan kebakaran baterai dari Bab 9, dan diagnosis pengisian serta pemeriksaan termal dari Bab 10. Instalasi titik pengisian mengikuti Bab 32 · Kelistrikan & Kendali tentang kotak kontak, Bab 22 · Kelistrikan & Kendali tentang RCD, Bab 23 · Kelistrikan & Kendali tentang proteksi arus lebih, dan Bab 17 · Bangunan & Fasilitas tentang proteksi kebakaran. Bab 16 menjelaskan arsitektur dan energi per kilometer, Bab 18 konversi sepeda motor bensin, dan Bab 24 pengisian mobil listrik di gedung.

Latihan dan pembahasan

Referensi