KENDARAAN HIBRID RETROFIT: PENGANTAR KENDALI DISTRIBUSI DAYA. Estiko Rijanto

Transkripsi

1 KENDARAAN HIBRID RETROFIT: PENGANTAR KENDALI DISTRIBUSI DAYA Estiko Rijanto Pusat Penelitian Tenaa Listrik dan Mekatronika, LIPI Koplek LIPI, Jl. Cisitu No.21/154 D, Bandun INTISARI Kendaraan Hibrid Retrofit: Penantar Kendali Distribusi Daya. Keacetan lalu lintas yan terjadi di kota-kota enakibatkan peborosan eneri dan eninkatkan polusi udara akibat eisi as buan kendaraan yan eakai esin otor bakar baik itu berbahan bakar bensin aupun solar. Untuk eberikan solusi penheatan eneri dan ereduksi polusi, penulis enusulkan rancan banun kendaraan hibrid retrofit. Pada akalah ini dilaporkan review tentan teknoloi kendaraan hibrid, dan diusulkan kendaraan hibrid retrofit eakai ekanise hibrid paralel. Dijelaskan jua tentan penantar stratei kendali distribusi daya yan diunakan. Kata kunci: kendaraan hibrid, retrofit, ekanise hibrid paralel, kendali distribusi daya. ABSTRACT Retrofit Hybrid Car: Introduction of Power Split Control. Traffic ja which happens in alost every bi city leads to a waste of enery, and raise air pollution due to as eission of the internal cobustion enine. In order to ive an alternative solution for enery savin and reduction of polusion, the author proposes a desin of retrofit hybrid cars. In this paper, a review of hybrid car technoloy is described and a parallel hybrid echanis is proposed to realize the proposed retrofit hybrid car. An introduction of power split control used in the parallel hybrid echanis is also addressed. Key word: hybrid car, retrofit, parallel hybrid echanis, power split control 94

2 1. PENDAHULUAN Tea dunia yan enjadi drivin force penebanan teknoloi otootif adalah raah linkunan dan heat eneri. Berdasarkan anatoi otootif dan funsifunsi eleen yan enyusunnya [1], aka pendekatan yan dapat ditepuh dala keiatan penelitian dan penebanan untuk enciptakan otootif denan teknoloi baru dala ranka senantiasa eninkatkan derajat raah linkunan dan heat eneri ada 3 yaitu: (1) penelitian dan penebanan teknoloi penerak, (2) aterial yan kuat, rinan dan dapat didaur-ulan, (3) teknik kendali/anajeen penoperasian otootif sesuai denan drivin ode. Dilain pihak, pendekatan alternatif adalah eodifikasi kendaraan-kendaraan yan telah ada. Pendekatan odifikasi ini cocok untuk eecahkan asalah-asalah yan harus diselesaikan dala janka pendek denan liitasi terbatasnya suber daya. M.Ichwan elaporkan teknik-teknik odifikasi siste penerak ula untuk enheat BBM yaitu: peninkatan tekanan udara asuk ke ruan bakar, pendininan udara asuk ruan bakar, penunaan katalisator BBM, penunaan electronic as booster, penunaan anetic resonance ionizer, dan peanas BBM, diana disipulkan bahwa keunkinan penheatan BBM yan pasti dapat dicapai elalui cara odifikasi denan eanfaatkan berbaai variasi kobinasi teknik odifikasi tersebut berkisar diantara 55,6% - 46,8% [2]. Anka yan fantastis, naun perlu dilakukan penelitian tentan efek yan unkin buruk bai esin, isalnya karena terjadi karaelisasi yan enepel di saluran bahan bakar dan lain-lain. Makalah ini enusulkan pendekatan kendaraan hibrid retrofit, yaitu elakukan retrofit kendaraan esin denan enabahkan otor listrik dan enendalikan distribusi daya untuk enurani eisi as buan. Pendekatan ini diyakini cocok denan situasi tertentu diana penelitian dan penebanan teknoloi otootif raah linkunan dan heat eneri harus terus dilaksanakan denan suber dana yan terbatas, karena proses pebuatan kendaraan hibrid retrofit akan enakuulasi penetahuan dan teknoloi sehina ebuka peluan untuk keiatan yan inventif dan inovatif. 95

3 Makalah ini terdiri dari 5 bab, diana bab 1 tentan pendahuluan, bab 2 ebahas tentan teknoloi kendaraan hibrid, bab 3 enuraikan tentan struktur ekanik kendaraan hibrid retrofit yan diusulkan, bab 4 enjelaskan tentan penantar stratei kendali yan dapat diunakan, dan bab 5 tentan kesipulan dan diskusi. 2. TEKNOLOGI KENDARAAN HIBRID Kendaraan hibrid pada akalah ini didefinisikan sebaai sebuah kendaraan yan eiliki suber penerak 2 jenis atau lebih. Pada akalah ini hanya dibahas kendaraan hibrid yan eiliki suber penerak berupa kobinasi antara ICE (Internal Cobustion Enine) dan EM (Electrical Motor). Kendaraan hibrid uncul karena otifasi untuk enabunkan keunulan-keunulan ICE dan EM, dan enkopensasi keleahan-keleahan ICE dan EM, dala ranka ewujudkan kendaraan yan raah linkunan dan heat eneri. Gabar 1 di bawah ini enilustrasikan posisi dan area keunaan kendaraan hibrid dibandinkan denan jenis kendaraan eneri bersih yan lain [3]. Pendek Jarak Tepuh Panjan Rinan, Kecil Mobil listrik Kendaraan Hibrid Menenah Mobil CNG (Di area yan punya stasiun penyuplai CNG) Kendaraan Metanol Kendaraan LPG (substitusi diesel) Truck, Bus Gabar 1. Posisi Dan Area Keunaan Kendaraan Eneri Bersih. Gabar 1 enjelaskan bahwa kendaraan hibrid dapat diunakan untuk kendaraan jarak tepuh yan pendek aupun panjan, baik untuk jenis kendaraan rinan dan kecil, enenah aupun kendaraan besar/berat seperti truck dan bus. Kendaraan hibrid enarik perhatian karena posisi dan area keunaannya yan unul, naun baru pada 96

4 tahun 1995 kendaraan hibrid pertaa kali asuk pasar yaitu HIMR (bus, truck) produksi Hino, Jepan. Dan baru pada tahun 1997 untuk pertaa kalinya sebuah sedan hibrid diproduksi secara asal dan dipasarkan di dunia, yaitu sedan Prius produksi Toyota Motor Copany, Jepan. Salah satu hal yan enjadi asalah sebelunya adalah bahwa torsi dicatu oleh kobinasi antara esin dan otor listrik yan enyebabkan sulit untuk dikendalikan, dan denan level teknoloi yan ada sebelunya efisiensinya enjadi kecil. Berdasarkan ekanise penerak yan diilikinya, kendaraan hibrid dapat diolonkan enjadi 3 yaitu [4]: 1) Kendaraan hibrid seri (otor listrik + (enine+enerator) + battery, otor listrik + fuel cell +battery). 2) Kendaraan hibrid paralel. 3) Kendaraan hibrid seri-paralel. Pada kendaraan hibrid seri, roda dierakkan oleh otor listrik yan ana enerinya dicatu oleh enerator yan dierakkan oleh esin dan oleh battery. Selain itu, kobinasi yan unkin adalah eneri otor listrik dicatu oleh fuel cell dan battery. Pada kendaraan hibrid paralel, roda dierakkan oleh kobinasi antara esin dan otor listrik. Gabar 2 enunjukkan perpindahan eneri pada kendaraan hibrid paralel. ICE Motor- Generator Transisi Roda Battery Clutch Inverter/ Converter Eneri ekanik Eneri listrik Gabar 2. Perpindahan Eneri Pada Kendaraan Hibrid Paralel Ciri-ciri ekanise hibrid paralel adalah sebaai berikut: 1. Oleh karena otor-enerator dapat dikoneksi ke roda ila di dala esin, aka odifikasi kendaraan yan sudah ada enjadi kendaraan hibrid relatif udah dilakukan. 2. Oleh karena cukup 1 buah otor-enerator, aka siste elektriknya relatif sederhana. Tetapi diperlukan clutch sehina struktur ekaniknya relatif 97

5 kopleks. Mesin terkoneksi secara ekanik denan roda sehina eerlukan differential ear. 3. Jika terjadi kerusakan pada siste elektrik, kendaraan dapat dioperasikan hanya enunakan esin sehina eninkatkan kehandalan kendaraan. Pada kendaraan hibrid seri-paralel, roda dierakkan oleh kobinasi antara esin dan otor listrik. Perbedaan denan kendaraan hibrid paralel adalah bahwa kendaraan hibrid seri-paralel eiliki otor dan enerator yan terpisah. Gabar 3 enunjukkan perpindahan eneri pada kendaraan hibrid seri-paralel. n 1 n 3 ICE Motor Transisi Roda n 2 Eneri ekanik Generator Inverter/ Converter Battery Eneri listrik Gabar 3. Perpindahan Eneri Pada Kendaraan Hibrid Seri-Paralel Contoh yan ditunjukkan pada abar 3 enunakan planetary ear untuk endistribusi daya esin secara bersaan ke enerator (daya listrik), dan ke otor dan roda (daya ekanik), sehina dapat elakukan charin selaa kendaraan elaju. Pada saat kendaraan ulai berjalan dari keadaan dia, dan pada saat kendaraan elaju enankut beban yan rinan, dapat bererak hanya denan enunakan otor. Oleh karena itu esin tidak perlu dijalankan pada area daya rendah diana efisiensi esin rendah. Mesin dapat dioperasikan pada titik optiu, atau esin dapat diatikan pada saat idlein untuk eninkatkan efisiensi dan enurani eisi as buan. Gabar 4 enunjukkan contoh struktur ekanik ekanise penerak kendaraan hibrid seri-paralel [5]. (a) (b) Gabar 4. Struktur Mekanik Mekanise Penerak Hibrid Seri-Paralel [5]. 98

6 Mekanise distribusi daya yan diunakan pada abar 4 berfunsi sebaai Electrical CVT (Continuous Velocity Transision) yan dapat enatur (enendalikan) secara kontinyu kecepatan putar Internal Cobustion Enine (ICE), Generator (G), dan Electrical Motor (EM). Hubunan antara kecepatan putar asinasin eleen ini terikat pada persaaan berikut ini. K n + K n = ( K + K ) n (1) diana: n e elabankan kecepatan putar ICE (planetary carrier), n elabankan e kecepatan putar otor, n elabankan kecepatan putar enerator, K adalah julah ii rin ear (subu otor), dan K adalah julah ii sun ear (enerator). Dari persaaan ini diketahui bahwa pada saat kendaraan elaju, kecepatan putar ICE dapat diatur aar selalu berada pada area yan efisiensinya tini denan cara enatur kecepatan putar enerator, terlepas dari nilai kecepatan putar otor. 3.KENDARAAN HIBRID RETROFIT Makalah ini enusulkan pebuatan kendaraan hibrid retrofit yan eiliki ekanise hibrid paralel karena alasan keudahan elakukan odifikasi. Jenis kendaraan yan dipilih untuk diretrofit asih dala pertibanan. Konfiurasi ekanik ekanise penerak yan diusulkan ditunjukkan pada abar 5. ICE ice λ n t ( ) Transisi λ b λ f Differential Gear w Motor-Generator e Belt Roda Gabar 5. Konfiurasi Kendaraan Hibrid Retrofit Yan Diusulkan. Motor-Generator dikoneksi ke subu penerak enunakan pulley-belt diana rasio ear-pulley-nya konstan. Koneksi ini berada di subu keluaran transisi (terletak di antara transisi dan differential ear). Oleh karena itu, pilihan rasio ear transisi hanya epenaruhi secara lansun titik operasi ICE (, ). Berdasarkan sinyal ice ωice 99

7 koando dari supervisory controller, ECU enine controller enontrol ICE aar eproduksi torsi ice yan diasukkan ke transisi. Motor-Generator yan diunakan adalah otor listrik yan dapat berfunsi sebaai otor dan enerator. Motor-Generator ini dikontrol enunakan ECU aar torsinya ( e ) senilai denan sinyal koando dari supervisory controller. Transisi dikontrol enunakan ECU aar dapat diinterasikan ke supervisory controller. Torsi yan enerakkan rodaroda w dapat diekspresikan sebaai berikut. ( λt ice ) + λb e ) f w = ( n ) λ (2) diana: λ t ( n ) adalah rasio ear transisi sebaai funsi dari julah ii ear n, λ b adalah rasio ear-pulley antara subu otor dan subu penerak, dan λ f adalah rasio ear pada differential ear. Pada persaaan (2) paraeter efisiensi tidak diasukkan denan tujuan untuk kejelasan penulisan saja. 4.KENDALI DISTRIBUSI DAYA Untuk ewujudkan tujuan enaikkan derajat raah linkunan dan heat eneri, aka ekanise distribusi power pada kendaraan hibrid retrofit yan diusulkan perlu dikendalikan. Esensi dari kendali distribusi daya ini adalah enentukan distribusi daya yan optiu antara ICE dan MG untuk eenuhi kebutuhan daya kendaraan dala enerakkan roda-roda. Setiap saat dan untuk setiap kecepatan kendaraan, supervisory kontroler harus enentukan daya yan dicatu oleh ICE, daya yan dicatu oleh MG, dan rasio ear transisi. Pada akalah ini, yan diaksud distribusi daya yan optiu adalah distribusi daya yan einialkan konsusi bahan bakar. Untuk enjain kontinuitas beroperasinya siste hibrid, state of chare (SOC) dari battery perlu dikendalikan aar selalu berada di antara batas iniu dan batas aksiu yan dikehendaki. Oleh karena itu, batasan (constraint) yan harus dipenuhi dala eecahkan optiasi ini adalah: 1. Daya roda yan dikehendaki oleh peneudi harus selalu dapat diwujudkan sapai batas tertentu batasan ekanik. 100

8 2. State of chare dari battery harus selalu berada di antara nilai iniu dan aksiu yan ditentukan batasan SOC. Daya yan dikehendaki oleh peneudi ditentukan nilainya oleh posisi pedal as peneudi. Dari persaaan (2) diketahui bahwa untuk elakukan optiasi distribusi daya hanya satu torsi dan rasio ear transisi ( n ) yan perlu dioptiasi. Pada akalah ini torsi yan diasud adalah torsi otor listrik e. Nilai torsi otor listrik ini dapat positif (otor enerakkan subu) atau neatif (enerator e-chare battery). Secara ateatis asalah ini dapat diekspresikan sebaai berikut. Min & f ( t) { ( t), n ( t) } e diana & (t) elabankan laju alir bahan bakar. f (3) 5.KESIMPULAN DAN DISKUSI Kesipulan. 1. Pada akalah ini telah disapaikan review tentan teknoloi kendaraan hibrid yan eliputi ekanise hibrid seri, ekanise hibrid paralel, dan ekanise hibrid seri-paralel. Mekanise hibrid paralel lebih handal daripada ekanise hibrid seri, sedankan ekanise hibrid seri-paralel lebih efisien daripada ekanise hibrid paralel. 2. Pada akalah ini telah diusulkan ekanise hibrid paralel untuk ebuat kendaraan hibrid retrofit, karena ekanise jenis ini lebih udah diwujudkan untuk retrofit. 3. Penantar kendali distribusi daya telah dijelaskan secara kualitatif, dan forulasi asalah optiasi telah disapaikan enunakan deskripsi ateatis. Diskusi. Masalah optiasi yan telah diforulasikan selanjutnya akan dipecahkan enunakan etoda optiasi yan akan dibuat, dan akan dipilih jenis/erek kendaraan yan akan diretrofit sehina diketahui paraeter-paraeter yan diperlukan untuk elakukan siulasi. 101

9 REFERENSI [1] Estiko Rijanto, Aplikasi Teknoloi Mekatronika Pada Otootif: Motor Bakar dan Motor Hibrid, Majalah Berita IPTEK Penebanan Mobil Listrik Peluan, Tantanan dan Harapan, pp , Tahun ke-43, No.3, LIPI, Jakarta, [2] Mochaad Ichwan, Modifikasi Siste Penerak Mula Kendaraan Berotor Yan Beredar Di Masyarakat: Alternatif Solusi Menheat BBM, Kasus: Multi Purpose Vehicle Berotor Diesel, Majalah Berita IPTEK Penebanan Mobil Listrik Peluan, Tantanan dan Harapan, pp , Tahun ke-43, No.3, LIPI, Jakarta, [3] Coittee of Electrical Vehicle Hand Book, Electrical Vehicle Hand Book (in Japanese), Maruzen Publisher, Tokyo, [4] Coittee of Electrical Car Power Train Syste, State of the Art of Electrical Car (in Japanese), Oh-sha Publisher, Tokyo, [5] Yoshiro Ikari, Hibrid Car Era (in Japanese), Kojinsha, Tokyo,