BAB III PERANCANGAN SISTEM PROPULSI HYBRID UNTUK UAV

Transkripsi

1 BAB III PERANCANGAN SISTEM PROPULSI HYBRID UNTUK UAV 3.1 Mesin Hybrid untuk UAV Definisi Umum Hybrid system adalah tipe powertrain yang menggunakan kombinasi dua tipe gaya penggerak, yakni internal combustion engine (mesin piston) dan motor listrik (ref. [4]). Sistem ini memiliki karakter dan keunggulan dua tipe gaya penggerak itu pada suatu kondisi pengendaraan tertentu. Prinsip dasar dari sistem ini adalah memaksimalkan kekuatan masing-masing gaya penggerak sekaligus melengkapi kekurangannya. Dengan demikian, dapat mencapai tingkat responsi yang tinggi, kinerja dinamis, dan pengurangan secara dramatis dalam konsumsi bahan bakar dan emisi gas buang. Prinsip Kerja Hybrid System (ref. [6]) (1) Suplai dari daya listrik dari baterai HV (Hybrid Vehicle) ke MG-B (Motor Generator-B) menyediakan gaya gerak untuk shaft untuk memutar propeller. BATTER Y inverter MG-A PISTON ENGINE PLANETARY GEAR MG-B Connecting rod assembly Gambar 5. Diagram alir transmisi (1) 27

2 (2) Ketika propeller telah digerakkan oleh mesin via planetary gear, MG-A (Motor Generator-A) diputar oleh mesin via planetary gear guna menyuplai ke pembangkit lisrik untuk MG-B. BATTERY inverter MG-A PISTON ENGINE PLANETARY GEAR MG-B Connecting rod assembly Gambar 6. Diagram alir transmisi (2) (3) MG-A diputar oleh mesin via planetary gear, untuk mengisi baterai HV. BATTERY inverter MG-A PISTON ENGINE PLANETARY GEAR MG-B Connecting rod assembly Gambar 7. Diagram alir transmisi (3) 28

3 (4) Pada saat terbang, energi kinetik dari propeller ditangkap kembali dan dikonversikan menjadi energi listrik dan digunakan untuk mengisi baterai HV melalui MG-B. BATTERY inverter MG-A PISTON ENGINE MG-B PLANETAR Y GEAR Connecting rod assembly Gambar 8. Diagram alir transmisi (4) Suatu unit electronic control HV digunakan di antara mode-mode diatas sesuai dengan kondisi terbang. Ketika SOC (State of Charge = keadaan pengisian) baterai HV rendah, baterai HV diisi oleh mesin dengan memutar MG-B. 3.2 Komponen Mesin Hybrid Transaxle Hybrid Umum Ketika sistem ini memadukan dan mengoperasikan dengan efisien dua tipe gaya gerak, mesin dan MG-B, secara berurutan pada suatu kondisi terbang tertentu, gaya gerak dasar diberikan oleh mesin. Gaya gerak mesin dibagi ke dalam dua area; gaya gerak digunakan pada shaft dengan unit planetary gear pada transaxle hybrid, dan gaya gerak untuk mengoperasikan MG-A sebagai generator. Transaxle hybrid terdiri dari MG-A,MG-B, dan unit planetary gear. Mesin, MG-A, MG-B dihubungkan via unit planetary gear secara mekanik.. 29

4 MG-B dan gear untuk shaft propeller digabungkan via connecting rod dan gear. Power Storage System Fungsi power storage system adalah mengoperasikan MG-B seperti generator ketika pesawat sedang dalam keadaan terbang melayang (gliding flight) atau kondisi mesin idle dan menyimpan tenaga listrik dalam baterai HV. FUNGSI KOMPONEN UTAMA Transaxle Baterai HV Item MG-A MG-B Inverter Assembly Planetary Unit Gear Boost Converter DC-DC Converter A/C Inverter Electronic Control Unit ECU Mesin (optional) ECU Baterai (optional) ECU Skid Control (optional) Sensor Posisi Throttle Akselerator Garis Besar MG-A yang diputar oleh mesin, menghasilkan listrik voltase tinggi untuk mengoperasikan MG-B atau mengisi baterai HV. Bisa juga berfungsi sebagai starter. Digerakkan oleh daya listrik dari MG-A atau baterai HV, dan membangkitkan gaya gerak untuk shaft propeller Selama gliding flight, atau saat mesin dalam kondisi idle, MG-B membangkitkan listrik untuk mengisi kembali baterai HV. Mendistribusikan gaya gerak mesin yang sesuai untuk memutar shaft propeller secara langsung. Menyediakan gaya listrik untuk MG-B saat awal pengoperasian, akselerasi dan terbang menanjak (climb). Menggerakkan pengisian kembali selama gliding (terbang layang) maupun cruise dengan tenaga dari mesin/putaran propeller. Alat yang mengubah voltase tinggi DC (baterai HV) menjadi AC (MG- A dan MG-B) dan sebaliknya (mengubah AC menjadi DC). Menguatkan voltase maksimum baterai HV. Menurunkan voltase maksimum DC dan juga untuk menyuplai baterai tambahan (bila dibutuhkan). Merubah voltase minimal DC baterai HV menjadi AC dan memberikan power untuk mengoperasikan kompresor inverter listrik sistem A/C. Informasi dari masing-masing sensor sama seperti ECU diterima, dan berdasarkan pada momen dan daya keluaran yang diperlukan akan dihitung. ECU HV mengirimkan hasil perhitungan itu ke ECU mesin, inverter assembly, ECU baterai, dan ECU skid control. Mengaktifkan ETCS-i/Electronic Throttle Control System-intelligent dalam sesuai dengan target putaran mesin dan gaya gerak mesin yang diperlukan untuk diterima dari ECU HV. Mengamati kondisi pengisisan baterai HV. Mengamati rem regeneratif yang dipengaruhi oleh MG-B Mengubah sudut akselerator menjadi sinyal elektrik dan mengeluarkannya ke ECU HV. Tabel 4. List Komponen Utama 30

5 Daftar komponen-komponen pada tabel di atas mengacu pada daftar komponen yang terdapat pada referensi [6]. Beberapa komponen unik yang tersaji pada tabel di atas hanya tersedia di pasaran sebagai komponen terlisensi khusus untuk perakitan produk Toyota, namun masih mungkin ditemukan komponen-komponen dengan fungsi serupa untuk sistem propulsi hybrid yang akan coba dirancang pada Tugas Akhir ini. 3.3 Cara Kerja Sistem Umum Menggunakan dua tipe gaya gerak yang disediakan oleh mesin dan MG-B, dan menggunakan MG-A sebagai generator. Sistem secara optimal mengkombinasikan gaya tersebut sesuai dengan variasi kondisi terbang. Electronic control unit tetap memonitor kondisi SOC, temperatur baterai, temperatur air dan kondisi beban listrik. Jika terdapat salah satu dari itemitem yang dipantau mengalami kegagalan muntuk memenuhi persyaratan electronic control unit akan menghidupkan mesin untuk menjalankan MG- A, dan kemudian mengisi baterai HV. Sistem menggerakkan propeller sebagai penghasil gaya dorong dengan mengoptimalkan kombinasi dari kerja mesin, MG-A dan MG-B sesuai dengan kondisi terbang di bawah ini : Gambar 9. Typical Flight Profile (A) (B) (C) (D) : Engine start : Warm up and take off : Climb : Cruise (E) (F) (G) : Cruise dengan throttle penuh : Glide : Landing 31

6 Engine Start / (A) Pada saat starting engine pesawat, mesin tidak akan hidup jika tidak ditemukan temperatur air, kondisi SOC, temperatur baterai dan kondisi beban listrik yang tepat. Pada status ini, mesin, MG-A, dan MG-B semuanya akan berhenti. Menghidupkan Mesin Ketika pesawat mulai berjalan dan akan melakukan take-off, pengoperasian hanya ditenagai oleh mesin. Pada saat ini, MG-B tidak menyala, dan MG-A berputar pada arah berlawanan tanpa menghasilkan listrik. Warm-up and Take-off / (B) Ketika pesawat mulai berjalan dan akan melakukan take-off, pengoperasian hanya ditenagai oleh mesin piston. Gaya gerak mesin dibagi oleh planetary gear. Bagian dari gaya gerak ini di-output secara langsung, dan gaya gerak yang tersisa digunakan untuk membangkitkan listrik melalui MG-A. Dengan menggunakan saluran listrik dari inverter, gaya listrik ini dikirimkan ke MG-B untuk di-output sebagai gaya gerak MG-B. Pada saat ini, MG-B tidak menyala, dan MG-A berputar pada arah berlawanan tanpa menghasilkan listrik. Climb / (C) Ketika pesawat berada dalam akselerasi perlahan dengan mesin, gaya gerak mesin dibagi oleh planetary gear. Bagian dari gaya gerak ini dioutput secara langsung, dan gaya gerak yang tersisa digunakan untuk membangkitkan listrik melalui MG-A (supply energi untuk motor listrik). Cruise / (D) Ketika pesawat dalam kondisi cruise stationer, dengan kecepatan cruise normal, gaya gerak mesin dibagi oleh planetary gear. Mesin piston bisa dalam keadaan hidup ataupun dalam keadaa mati, karena gaya gerak yang 32

7 digunakan untuk memutar shaft propeller sepenuhnya diambil dari motor listrik. Cruise dengan Throttle Penuh / (E) Ketika kecepatan pesawat berpindah dari kecepatan cruise normal ke kecepatan throttle penuh, maka planetary gear akan mengambil supply tenaga untuk memutar shaft propeller dari mesin piston, dan sistem akan menambahkan gaya listrik dari baterai HV untuk gaya gerak MG-B. Glide / (F) Terbang layang dengan modus 1 Ketika pesawat dioperasikan dengan modus 1, maka mesin piston akan dalam kondisi off selama terbang layang ini, dan gaya gerak menjadi nol. Pada saat ini, putaran propeller akan menggerakkan MG-B, yang menyebabkan MG-B bekerja sebagai generator dan mengisi baterai HV. Jika pesawat mengurangi kecepatan dari kecepatan yang lebih tinggi, maka mesin akan menjaga kecepatan yang telah ditetapkan tanpa berhenti, untuk melindungi unit planetary gear. Terbang layang dengan modus 2 Ketika pesawat beroperasi dengan modus 2, maka shaft propeller akan menggerakkan MG-B, sehingga menyebabkan MG-B bekerja sebagai generator, mengisi baterai HV dan menyuplai daya listrik untuk MG-A. Maka MG-A akan menjaga kecepatan mesin. Pada saat ini, supply bahan bakar untuk mesin dihentikan. Landing / (G) Pengendaraan dengan MG-B Ketika pesawat memasuki kondisi terbang landing, operasi gaya dorong pesawat hanya ditenagai oleh MG-B. Pada saat ini, MG-B berputar pada arah berlawanan, mesin piston tetap berhenti dan MG-A berputar pada arah berlawanan tanpa menghasilkan listrik. 33

8 Selama Pengereman (braking) Saat pesawat mengurangi kecepatan, ECU menghitung gaya untuk deselerasi yang diperlukan dan mengirimkan sinyal ke ECU HV. Setelah menerima sinyal ini, ECU HV meningkatkan gaya dalam range yang sesuai dengan kebutuhan (sepanjang ground run distance). Hasilnya adalah MG-B akan dikontrol untuk menghasilkan listrik dalam jumlah besar. 3.4 Konstruksi Komponen Utama 1. MG-A dan MG-B Baik MG-A (Motor Generator-A) dan MG-B (Motor Generator-B) adalah tipe magnet synchronous permanen arus arus bolak-balik yang kompak, ringan dan sangat efisien. Bertindak sebagai sumber gaya gerak tambahan yang menyediakan bantuan power untuk mesin selama diperlukan, motor listrik membantu pesawat mencapai kinerja dinamis. Ketika gliding flight, MG-B mengubah energi kinetik putaran propeller menjadi energi listrik, yang kemudian disimpan dalam baterai HV. MG-A mengisi baterai HV dan memberikan daya listrik untuk menjalankan MG-B. Kemudian dengan mengatur jumlah daya listrik yang dihasilkan (yang meragamkan rpm generator), secara efektif MG-A mengontrol kelanjutan variabel fungsi transmisi transaxle. MG-A juga bertindak sebagai starter untuk menghidupkan mesin. Spesifikasi MG-A Item Model Tipe Motor Magnet Permanen Fungsi Pembangkit, Starter Mesin Voltase Maksimum [V] AC 500 Sistem Pendingin Air cooling Tabel 5. Motor Generator A Specification Tabel di atas berisi perkiraan spesifikasi Motor Generator-A yang dibutuhkan untuk mendukung mekanisme pembangkitan gaya pada sistem propulsi hybrid yang akan dirancang, mengacu pada ref. [6]. 34

9 Spesifikasi MG-B Item Model Tipe Motor Magnet Permanen Fungsi Pembangkit, Roda Penggerak Voltase Maksimum [V] AC 500 Output Maksimum kw (hp)/rpm 15 (20) / ~ Momen Maksimum N.m (kgf.m)/rpm 300 (30.59) / 0 ~ 5000 Sistem Pendingin Air cooling Tabel 6. Motor Generator B Specification Tabel di atas berisi perkiraan spesifikasi Motor Generator-B yang dibutuhkan untuk mendukung mekanisme pembangkitan gaya pada sistem propulsi hybrid yang akan dirancang, mengacu pada ref. [6]. Motor Magnet Permanen Motor-motor permanen magnet AC terdiri dari komponen magnet pada bagian rotornya dan bagian statornya terdiri dari kumparan-kumparan seperti yang terdapat pada motor induksi. Motor magnet permanen bisa merupakan tipe surface-mounted atau berupa sisipan magnet-magnet di dalam rotor yang terletak pada bagian dalam (interior) motor magnet permanen. Motor magnet permanen digerakkan oleh sebuah six-switch inverter dengan mekanisme seperti pada motor induksi namun dengan pengontrolan yang lebih sederhana daripada motor induksi. Penggunaan magnet dengan massa jenis yang rendah pada bagian belakang motor ini menghasilkan kekuatan jenis (power density) yang tinggi, namun faktor harga yang mahal dari jenis magnet ini menjadi kelemahan dari tipe motor ini. Ketika arus bolak-balik 3-fase melewati rangkaian stator-coil 3-phase, medan magnet rotasional dihasilkan dalam motor elektrik. Dengan mengontrol medan magnet rotasional ini sesuai dengan posisi dan kecepatan putaran rotor, magnet permanen yang terdapat dalam rotor menjadi tertarik oleh putaran medan magnet, kemudian membangkitkan momen. 35

10 Momen yang dibangkitkan adalah untuk semua tujuan praktis yang sebanding dengan jumlah arus dan kecepatan rotasi yang dikontrol oleh frekuensi arus bolak-balik. Selanjutnya, momen dengan tingkat tinggi, untuk kecepatan tinggi, dapat dihasilkan secara efisien dengan pengontrolan medan lingkaran magnet dan sudut magnet rotor yang tepat. 2. Inverter Assembly Umum Inverter mengubah arus searah voltase tinggi baterai HV menjadi arus bolak-balik 3 fase untuk menjalankan MG-A dan MG-B. Aktivasi power transistor dikontrol oleh electronic control unit. Selanjutnya inverter memindahkan informasi yang diperlukan untuk mengontrol arus, seperti output ampere atau voltase ke ECU HV. Bersamaan dengan MG-A dan MG-B, inverter didinginkan oleh sistem pendingin udara (air cooling). Pada saat terjadi kerusakan/impact pada pesawat, sensor circuit breaker yang dipasang pada inverter, akan mendeteksi sinyal tersebut untuk menghentikan sistem. 3. Baterai HV Umum Memakai baterai sealed nickel-metal hydride (Ni-MH) untuk baterai HV. Baterai HV ini memiliki kerapatan power tinggi, ringan dan tahan lama. Baterai HV terdiri dari 54 sel ({1.2V 6 sel} 9 modul) dengan nominal voltase 64.8V Konfigurasi baterai yang padat dan ringan akan dicapai melalui perbaikan internal. Untuk memastikan kinerja baterai HV mengingat bahwa panas yang dihasilkan pada baterai HV selama pengisian dan pengosongan, maka ECU baterai akan mengontrol kerja cooling air system. 36

11 Gambar 10. NiMH battery NiMH Battery Specification NiMH Battery Module Unit 9 NiMH Battery Module Voltage [V] 7.2 NiMH Battery Module Dimension [mm]/[inch] / NiMH Battery Module Weight [g]/[lbs] 1040 / 2.3 NiMH Battery Spesific Power [Watt/kg] NiMH Battery Spesific Energy [Watt.hour/kg] Tabel 7. NiMH Battery Specification Spesifikasi dari baterai yang tertera di dalam tabel diatas didapat dari hasil perbandingan dengan spesifikasi baterai NiMH yang telah digunakan pada Toyota-Prius (ref. [6]). 4. Kabel Power Kabel power merupakan kabel voltase tinggi, dan memiliki ampere tinggi yang menghubungkan baterai HV dengan inverter, inverter dengan MG-A dan MG-B, dan inverter dengan kompresor A/C. Dimulai dari konektor pada bagian kiri depan baterai HV dan menghubungkan inverter dalam kompartemen mesin. 37

12 3.5 Komponen Khusus Transaxle Penjelasan Transaxle terdiri dari MG-B (Motor Generator-B) untuk menggerakkan shaft propeller dan MG-A (Motor Generator-A) untuk membangkitkan tenaga listrik, transaxle hybrid ini menggunakan mekanisme continously variable transmission dengan unit planetary gear yang dapat mencapai kinerja optimum. Unit Transaxle 1. Umum Unit transaxle terdiri dari transaxle damper, MG-A, MG-B, unit planetary gear dan unit reduksi (terdiri dari silent chain, counter drive gear, counter driven gear, final drive pinion gear, dan final drive ring gear). Unit planetary gear, MG-A, MG-B, transaxle damper, dan chain driven sprocket ditempatkan secara koaksial dan gaya gerak dikirimkan dari chain drive sprocket ke unit reduksi melalui silent chain. 2. Unit Planetary Gear Output power mesin, yang dikirimkan melalui unit planetary gear, dibagi menjadi gaya gerak yang diarahkan pada shaft propeller dan gaya gerak untuk MG-A untuk membangkitkan listrik. Unit planetary gear ini terletak pada bagian tengah dari unit power split device. Komponen ini memungkinkan sitem propulsi hybrid untuk menggerakkan shaft propeller menggunakan gaya gerak dari konversi energi yang dihasilkan oleh mesin piston (konversi gaya tekan dan thermal ke gaya mekanik) atau gaya gerak dari konversi energi yang dihasilkan oleh motor listrik (konversi gaya listrik dan magnet ke gaya mekanik/ torsi) maupun kombinasi antara keduanya. Output power mesin, yang dikirimkan melalui unit planetary gear, dibagi menjadi gaya gerak yang diarahkan pada shaft propeller dan gaya gerak untuk MG-A untuk membangkitkan listrik. 38

13 Sebagai bagian dari unit planetary gear, sun gear dihubungkan pada MG- A, ring gear dihubungkan pada MG-B, dan carrier dihubungkan ke shaft mesin. Gaya gerak dikirimkan melalui rantai ke counter drive gear. Item Hubungan Sun Gear MG-A Ring Gear MG-B Carrier Output Shaft Mesin Tabel 8. Unit Planetary Gear Tabel diatas berisi perkiraan spesifikasi komponen dan mekanisme hubungan yang terdapat pada unit planetary gear yang dibutuhkan untuk mendukung mekanisme pembangkitan gaya pada sistem propulsi hybrid yang akan dirancang, mengacu pada referensi [6]. 3. MG-A dan MG-B MG-A dan MG-B ditempatkan secara koaksial pada setiap ujung dari unit planetary gear. MG-A berhubungan dengan unit planetary gear, dan MG-B dihubungkan ke ring gear. 4. Unit Reduksi Unit reduksi terdiri dari silent chain, counter gear, dan final gear. Sistem Shift Control 1. Umum Perangkat switch elektronik yang terdapat pada sistem shift control ini adalah suatu perangkat yang berfungsi mengubah konfigurasi sirkuit elektrik sesuai dengan kondisi pengoperasian yang terjadi atau yang diinginkan secara on-off atu sebaliknya secara kontinyu. Sensor posisi shift yang terdapat dalam transmission shift assembly mendeteksi posisi shift throttle dan mengirimkan sinyal yang sesuai ke ECU HV. ECU HV mengontrol putaran mesin, MG-A, dan MG-B guna menghasilkan rasio gear yang optimal. 39

14 3.6 Konfigurasi Sistem Complete System Configuration Gambar 11. System Configuration Pada sketsa konfigurasi sistem di atas terlihat strukturisasi komponen-komponen penyusun utama yang dikelompokkan dalam beberapa sub-sistem komponen (diwakili dengan kotak berwarna abu-abu). Tanda dan arah panah menunjukkan hubungan dari komponen-komponen tersebut serta mekanisme pembangkitan gaya yang berujung dengan dihasilkannya power output untuk menggerakkan propeller. 40

15 3.6.2 Hybrid Vehicle Control System Flow Gambar 12. Hybrid Vehicle Control System Flow 1. Sinyal kendali untuk membangkitkan kerja dari mesin piston. 2. Sinyal kendali untuk membangkitkan kerja dari mesin piston. 3. Mengatur sinyal untuk sistem baterai sebagai sumber energi dari sistem motor listrik. 4. Sinyal dari status baterai (kebocoran, kapasitas, arus, temperatur, dsb.). 5. Sinyal pendeteksi kondisi throttle (pengendalian). 6. Sinyal pengendali inverter. 7. Sinyal dari nilai-nilai output luar (transmisi, dsb.). 8. Kapasitas baterai yang tersisa. 9. Sinyal power yang telah digunakan. 10. Sinyal pengendali motor listrik. (ref. [8]) Gambar serta keterangan diatas menunjukkan mekanisme aliran kendali yang terjadi di dalam sistem kendali pada kendaraan hybrid. 41