JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 1 Studi Eksperimen Kinerja Traksi Kendaraan Hybrid Sapujagad Dimaz Gesang Billy Christanyo dan I Nyoman Sutantra Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia E-mail: tantra@me.its.ac.id Abstrak Bahan bakar fosil, khususnya bensin merupakan sumber daya yang tidak dapat diperbaharui. Menurut data APEC, cadangan minyak bumi di dunia per 2014 hanya tinggal sedikit lagi dan semakin bertambah tahun, konsumsi bahan bakar fosil tersebut semakin cepat. Atas dasar tersebut perlu adanya teknologi yang membuat sebuah kendaraan bisa meminimalkan konsumsi bahan bakar. Perlu adanya teknologi kendaraan yang irit bahan bakar namun memiliki performa yang baik. Maka dari itu ditemukanlah teknologi kendaraan hybrid berbasis dua sumber tenaga dengan jenis hybrid seri yang diterapkan pada mobil Sapujagad. Perlu dilakukan analisa untuk memanajemen energi pada mobil Sapujagad karena menggunakan dua sumber tenaga penggerak. Sebagai kendaraan hybrid seri, Sapujagad mempunyai empat mode berkendara, yaitu mode berkendara hybrid, full electric, engine only dan juga charging. Agar dalam pengoperasiannya dapat memaksimalkan daya dan mengurangi kerugian daya dari dua sumber tenaga penggerak. Perlu dilakukan pengujian torsi,gaya dorong dan juga percepatan dari keempat mode berkendara. Kata Kunci : drag force, gaya dorong, manajemen energi, mode berkendara, Sapujagad. I. PENDAHULUAN erkembangan dunia industri otomotif dan teknologi Pmengalami kemajuan yang sangat pesat. Berbagai macam teknologi telah ditemukan dalam upaya memberikan kendaraan dengan kondisi terbaik untuk masyarakat. Salah satu bagian yang mengalami perkembangan adalah bagian sumber penggerak. Sumber penggerak merupakan sistem yang menghasilkan tenaga untuk menggerakkan kendaraan melalui bagian transmisi. Transmisi merupakan sistem yang menyalurkan tenaga dari sumber penggerak hingga sampai ke roda. Kendaraan yang menggabungkan dua sumber tenaga penggerak adalah kendaraan hybrid. Hybrid adalah sebuah ssistem dengan menggunakan dua atau lebih sumber tenaga penggerak. Hybrid yang banyak digunakan saat ini adalah hybrid listrik dengan menggunakan baterai kimia. Sistem pengisian pada baterai pun bermacam-macam, ada yang menggunakan sistem pengisian langsung, ada pula yang menggunakan KERS (Kinetic Energy Recovery System), bahkan ada yang menggunakan solar cell untuk memperoleh energi surya yang kemudian disimpan pada baterai. Kapasitas baterai yang digunakan pada kendaraan hybrid listrik bervariasi, mulai dari 200 Wh sampai dengan 800 Wh. Kapasitas baterai tersebut masih terbilang cukup rendah untuk memenuhi kebutuhan manusia dalam menjalankan aktivitasnya. Sapujagad merupakan kendaraan hybrid seri yang dibuat oleh mahasiswa Teknik Mesin ITS. Oleh karena itu perlu dilakukan analisa terhadap Sapujagad. Analisa yang dilakukan bertujuan untuk mengoptimasikan kendaraan terhadap kondisi jalan. Dengan mengetahui kondisi jalan serta karakteristik kendaraan maka dapat dilakukan pengujian. Kemudian dianalisa bagaimana metode berkendara dalam kondisi jalan dan kecepatan t ertentu untuk mendapatkan hasil yang paling optimal. Pada tugas akhir kali ini akan dilakukan analisis mode berkendara kendaraan hybrid seri beroda tiga yang menggabungkan mesin dengan bahan bakar bensin dan motor listrik sebagai penggerak. Sehingga mampu menghasilkan kendaraan hemat energi dan ramah lingkungan. II. METODOLOGI PENELITIAN Tahapan pelaksanaan penelitian ini sebagai Tahap pertama adalah studi literatur tentang teori kendaraan hybrid. Tahap kedua adalah observasi lapangan tujuannya untuk mendapatkan spesifikasi kendaraan Sapujagad. Tahap ketiga adalah identifikasi permasalahan, hal ini mencakup gaya dorong kendaraan dan juga percepatan kendaraan untuk keempat macam mode berkendara. Tahap keempat adalah pengujian performa Sapujagad, tujuannya untuk mendapatkan torsi, gaya dorong dan juga percepatan. Pengujian performa Sapujagad ini terdapat empat macam mode berkendara yaitu hybrid, full electric, engine only dan charging. Untuk pengujian performa Sapujagad dilakukan tahapan sebagai Menyiapkan bahan pengujian berupa kendaraan Sapujagad dengan kondisi sesuai hasil pembuatan. Mencari torsi dengan uji chassis waterbrake dynamometer dengan keempat macam mode berkendara, yakni hybrid, full electric, engine only dan charging. Hasil uji chassis waterbrake dynamometer diolah menjadi nilai gaya dorong sebagai fungsi dari kecepatan kendaraan. Mencari nilai percepatan tiap perubahan kecepatan dengan interval 10 km/jam mulai dari kecepatan 0 sampai 50 km/jam. Membandingkan data yang telah diolah, yaitu gaya dorong dan percepatan. Serta dilakukan analisa mode berkendara apa yang sesuai untuk kecepatan tertentu.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 2 A. Studi Literatur Teori Kendaraan Hybrid Kendaraan hybrid Kendaraan hybrid adalah kendaraan yang menggunakan dua sumber tenaga penggerak atau lebih. Sumber tenaga yang dipakai oleh kendaraan hybrid antara lain solar,electric dan fuell cell. Sumber tenaga yang dipakai untuk kendaraan hybrid adalah listrik(electric). Alasan pemakaian sumber tenaga listrik ini karena sangat mudah dalam pengaplikasiannya yaitu dengan menggabungkan baterai dan motor pembakaran dalam. Klasifikasi kendaraan hybrid berdasarkan drivetrain Apabila dilihat dari skema aliran daya untuk menggerakkan kendaraan, sistem hybrid dibagi menjadi tiga, yakni sitem hybrid paralel, seri dan seri-paralel. Pada penelitian ini yang dibahas adalah hybrid seri dan paralel. Hybrid seri Hybrid seri adalah konfigurasi hybrid paling sederhana. Pada hybrid seri, hanya motor listrik yang menggerakkan roda. Motor listrik menerima tenaga listrik dari baterai atau generator yang digerakkan oleh engine-generator. Engine generator yang digunakan biasanya berkapasitas kecil dan dihubungkan secara seri karena hanya digunakan untuk menambah jarak tempuh berkendara. Hal ini dilakukan untuk memperoleh kebutuhan t enaga yang besar sehingga ukuran baterai dan motor lebih besar. Akibatnya, biaya hybrid seri lebih mahal dibandingkan hybrid paralel. Di samping itu, sistem seri ini juga tidak memerlukan kopling dan transmisi agar mobil bisa bekerja pada berbagai kondisi kerja. Engine-generator. Skema hybrid seri dapat dilihat pada gtambar 1 Gambar 2. Skema hybrid paralel [1] Dengan menggunakan teori tentang hybrid, maka akan dilakukan analisa tentang gaya dorong dan percepatan kendaraan hybrid. B. Pola Operasi Pada kendaraan hybrid seri, sistem engine atau generator terpisah dari roda penggerak. Torsi dan putaran engine tidak tergantung oleh kecepatan kendaraan dan kebutuhan torsi untuk menggerakkan kendaraan, maka engine dapat dioperasikan pada setiap titik pada grafik kecepatan-torsi. Umumnya, Mesin harus dikendalikan di sedemikian rupa bahwa itu selalu beroperasi di wilayah operasi yang optimal,dimana konsumsi bahan bakar dan emisi engine yang diminimalkan. Adapun mode berkendara pada Sapujagad sebagai berikut [1] : 1. Mode berkendara hybrid Ketika membutuhkan tenaga yang besar, baik mesingenerator maupun perangkat penyimpanan energi, juga disebut Power Peak Source(PPS), menyalurkan tenaga ke motor listrik. Mode berkendara hybrid dapat dilihat pada gambar 3 Gambar 1. Skema hybrid seri [1] Hybrid paralel Pada hybrid paralel engine-generator dan motor listrik langsung menggerakkan roda. Tambahan pengendali dan transmisi memungkinkan komponen bekerja secara bersama-sama. Hybrid paralel dapat menggunakan baterai yang lebih kecil karena sebagian tenaga dibantu oleh engine. Ketika kebutuhan tenaga tidak terlalu besar, hybrid paralel memanfaatkan tenaga engine guna memutar generator untuk mengisi baterai atau digunakan sebagai charger tambahan. baru bekerja bila energi pada baterai habis. Skema hybrid paralel dapat dilihat pada gambar 2 Gambar 3. Mode berkendara hybrid Mode berkendara hybrid dapat dinyatakan persamaan pada P demand = P e/g + P pps (2.1) Dimana, P demand adalah daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan kendaraan, dalam satuan Watt. P e/g adalah daya yang dihasilkan generator atau engine, dalam satuan Watt. P pps adalah daya yang dihasilkan oleh PPS(baterai), dalam Watt. 2. Mode berkendara full electric Hanya menggunakan PPS untuk menggerakkan motor listrik. Dapat dikatakan bahwa PPS yang memenuhi kebutuhan daya P demand. Mode berkendara full electric dapat dilihat pada gambar 4
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 3 Gambar 4. Mode berkendara full electric Mode berkendara full electric dapat dinyatakan sebagai P demand = P pps (2.2) 3. Mode berkendara engine only Kendaraan akan menggunakan mode ini apabila P e/g sama dengan atau lebih besar dari P demand. Mode berkendara engine only dapat dilihat pada gambar 5 Adapun gaya gaya yang bekerja pada kendaraan sebagai 1. Gaya Dorong(Ft) F t adalah gaya dorong adalah gaya yang bekerja berlawanan dengan arah gerak gaya hambat kendaraan, gaya dorong ini dihasilkan dari daya yang dihasilkan oleh kendaraan melalui sistem transmisi sehingga roda bisa bergerak.. Dalam penelitian ini gaya dorong diperoleh dari hasil pengujian chassis waterbrake dynamometer. Skema aliran daya motor listrik ke roda penggerak u ntuk memperoleh gaya dorong dapat dilihat pada gambar 8 [3] P m Motor Listrik ηt T m Drivetrain Tr Gambar 8. Skema aliran daya motor listrik ke roda penggerak Gaya dorong ini dapat dirumuskan sebagai Gambar 5. Mode berkendara engine only Mode berkendara engine onlyi dapat dinyatakan sebagai P demand = P e/g (2.3) 4. Mode berkendara charging Kendaraan akan menggunakan mode ini apabila SOC baterai berada di SOCmin, SOC min ini mengindikasikan kondisi voltase baterai s aat ini berada dibawah voltase yang digunakan untuk menggerakkan kendaraan. Sehingga daya dari engine generator digunakan untuk menggerakkan kendaraan dan juga mengisi baterai. Mode berkendara charging dapat dilihat pada gambar 6 Gambar 6. Mode berkendara charging Mode berkendara charging dapat dinyatakan sebagai P demand = P e/g P pps (2.4) C. Dinamika Kendaraan Gaya gaya yang bekerja pada sebuah kendaraan yang sejajar dengan arah akselerasi kendaraan dapat dijabarkan dalam gambar 7 F t = T r.i t.i g.η t (2.5) r Dimana: F t : gaya dorong kendaraan, dalam satuan Newton T r : torsi roda penggerak, dalam satuan Newton meter i t : rasio transmisi i g : rasio final drive η t : efisiensi transmisi, dalam satuan persen r : ja ri jari dinamik roda penggerak kendaraan, dalam satuan meter 2. Gaya Hambat Gaya hambat pada kendaraan adalah gaya gaya yang melawan arah dari perpindahan kendaraan. Gaya hamabt kendaraan dibagi menjadi tiga, yaitu gaya hambat udara(r a ), gaya hambat rolling(r r ) dan gaya inersia(f i ). 2.1 Gaya hambat udara(r a ) Gaya hambat udara ini dipengaruhi oleh massa jenis udara(ρ udara ), luasan frontal area(a f ), coefficient of drag(c D ) dan kecepatan kendaraan(v). Gaya hambat udara dapat dirumuskan dalam persamaan R a =½.ρ udara.c D. A f.v 2 (2.6) Dimana: R a : gaya hambat udara, dalam satuan Newton ρ udara : massa jenis udara, dalam satuan kg/m 3 C D : coefficient of drag A f : luasan frontal area, dalam satuan m 2 V : kecepatan kendaraan, dalam satuan m/s 2.2 Gaya hambat rolling(r r ) Gaya hambat rolling ini diakibatkan oleh gesekan ban dengan jalan. Besarnya gaya hambat ini dipengaruhi oleh coefficient of rolling resistance(c r ), massa kendaraan(m) dan percepatan gravitasi(g). Gaya hambat rolling dapat dirumuskan sebagai Gambar 7. Dinamika Kendaraan Sapujagad [2] R r =C r.m.g (2.7)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 4 Dimana : R r : gaya hambat rolling,dalam satuan Newton C r : coefficient of rolling resistance m : massa kendaraan, dalam satuan kilogram g : percepatan gravitasi, dalam satuan m/s 2 2.3 Gaya Inersia(F i ) Akselerasi memiliki pengaruh besar pada performa kendaraan. Untuk melakukan akselerasi, diperlukan gaya lebih karena harus melawan gaya inersia kendaraan. Gaya inersia karena akselerasi ini dipengaruhi oleh besar akselerasi (a) dan massa kendaraan(m). Gaya inersia dapat dirumuskan sebagai F i =m.a (2.8) Dimana : F i : gaya inersia, dalam satuan Newton m : massa kendaraan, dalam satuan kilogram a : percepatan kendaraan, dalam satuan m/s 2 D. Spesifikasi Sistem Hybrid Sapujagad Sapujagad merupakan mobil beroda tiga yang dirancang dan dibuat oleh mahasiswa teknik Mesin ITS. Mobil ini telah menggunakan teknologi hybrid seri, yaitu motor listrik sebagai penggerak utama dan generator sebagai support untuk menempuh daya jelajah kendaraan. Adapun spesifikasi sistem hybrid Sapujagad dapat dilihat pada tabel 1. Tabel 1. Spesifikasi Sistem Hybrid Sapujagad Engine-generator Power(Continuous)Output 2200W Baterai Merek Panasonic Tipe VRLA Voltase 48 V Discharge 0,4C 3C Kapasitas 75 Ah SOCmax(80%) 13.5V SOCmin(30%) 11.5V Brushless DC Motor Voltase 48 V Daya rata rata 10 kw Putaran 2000-5000 rpm Setelah didapatkan rancangan spesifikasi s istem hybrid Sapujagad, maka selanjutnya menentukan mode berkendara. Adapun mode berkendara pada Sapujagad yang dianalisis pada penelitian ini ada 4 macam, yaitu mode berkendara hybrid, mode berkendara full electric dan mode berkendara charging. E. Skema pengujian torsi, gaya dorong dan percepatan kendaraan sebagai fungsi kecepatan kendaraan 1. Skema pengujian torsi kendaraan Awalnya kendaraan harus di set pada chassis waterbrake dynamometer. Kendaraan harus diikat dengan sabuk pengaman agar tidak mengalami guncangan dan pergeseran saat pengujian. Selanjutnya diukur rasio antara silinder chassis waterbrake dynamometer dengan silinder pembantu mesin kendaraan. Chassis waterbrake dynamometer dinyalakan dan parameter rasio kedua silinder dimasukkan. Rasio ini dimasukkan agar hasil pengukuran langsung keluar berupa torsi dari motor listrik dan bukan dari silinder chassis waterbrake dynamometer. Kemudian throttle dibuka seratus persen dan tinggal menunggu output dari alat chassis waterbrake dynamometer berupa torsi motor listrik sebagai putaran dari motor itu sendiri. Skema pengujian torsi kendaraan dapat dilihat pada gambar 9. Gambar 9. Skema pengujian torsi sebagai fungsi putaran motor listrik 2. Skema pengujian gaya dorong kendaraan. Awalnya kendaraan harus di set pada chassis waterbrake dynamometer. Kendaraan harus diikat dengan sabuk pengaman agar tidak mengalami guncangan dan pergeseran saat pengujian. Selanjutnya diukur rasio antara silinder chassis waterbrake dynamometer dengan roda kendaraan. Chassis waterbrake dynamometer dinyalakan dan parameter rasio antara roda dan silinder dimasukkan. Rasio ini dimasukkan agar hasil pengukuran langsung keluar berupa torsi dari roda dan bukan dari silinder chassis waterbrake dynamometer. Kemudian throttle dibuka seratus persen dan tinggal menunggu output dari chassis waterbrake dynamometer berupa torsi roda sebagai putaran dari roda itu sendiri. Selanjutnya torsi ini dikonversi menjadi gaya dorong dan putaran roda dikonversi sebagai kecepatan kendaraan. Skema pengujian gaya dorong kendaraan bisa dilihat pada gambar 10. Gambar 10. Skema pengujian gaya dorong kendaraan sebagai fungsi kendaraan. 3. Skema pengujian percepatan kendaraan sebagai Awalnya kendaraan harus di set pada alat chassis waterbrake dynamometer. Kendaraan harus diikat dengan sabuk pengaman agar tidak mengalami guncangan dan pergeseran saat pengujian. Selanjutnya diukur rasio antara silinder alat chassis waterbrake dynamometer dengan roda kendaraan. Alat chassis waterbrake dynamometer dinyalakan dan parameter rasio antara roda dan silinder dimasukkan. Kemudian throttle dibuka seratus persen dan tinggal menunggu output dari alat chassis waterbrake dynamometer berupa waktu yang dibutuhkan ditiap interval kecepatan dari 0
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 5 sampai 50 km/jam. Setelah data waktu berhasil didapatkan maka bisa dihitung percepatan yang dibutuhkan kendaraan pada tiap interval kecepatan. Skema pengujian percepatan kendaraan bisa dilihat pada gambar 11. Gambar 11. Skema pengujian percepatan kendaraan III. HASIL DAN DISKUSI A. Analisis Torsi Nilai torsi untuk tiap putaran dapat dilihat pada gambar Gambar 13. Grafik perbandingan gaya dorong keempat macam mode berkendara Dari grafik diatas tampak perubahan nilai gaya dorong untuk kecepatan kendaraan 10 k m/jam hingga 40 k m/jam. Nilai gaya dorong tampak naik hingga nilai maksimum. Dengan nilai gaya dorong maksimum masing-masing untuk mode berkendara hybrid aktual sebesar 514,89 N, untuk mode berkendara full electric aktual sebesar 504,06 N, untuk mode berkendara engine only aktual sebesar 356,09 N, serta untuk mode berkendara charging aktual 323,01 N. Secara umum nilai gaya dorong cenderung mengalami kenaikan seiring bertambahnya kecepatan kendaraan. Hal ini mengindikasikan bahwa seiring bertambahnya kecepatan kendaraan diperlukan gaya dorong yang besar pula. C. Analisis Percepatan Nilai percepatan u ntuk tiap kecepatan kendaraan dapat dilihat pada gambar Gambar 14. Grafik perbandingan percepatan aktual dengan percepatan teoritis keempat mode berkendara Gambar 12. Grafik perbandingan torsi keempat macam mode berkendara Dari grafik diatas tampak perubahan nilai torsi untuk putaran motor 400 rpm hingga 1600 rpm. Nilai torsi tampak naik hingga nilai maksimum. Dengan nilai torsi maksimum masing-masing untuk mode berkendara hybrid aktual sebesar 42,8 Nm, untuk mode berkendara full electric aktual sebesar 41,9 Nm, untuk mode berkendara engine only aktual sebesar 29,6 Nm, serta untuk mode berkendara charging aktual 26,8 Nm. Secara umum nilai torsi cenderung mengalami kenaikan seiring bertambahnya putaran motor. B. Analisis Gaya Dorong Nilai gaya dorong untuk tiap kecepatan kendaraan dapat dilihat pada gambar Dari grafik diatas tampak perubahan nilai percepatan untuk kecepatan kendaraan 10 k m/jam hingga 40 k m/jam. Nilai percepatan t ampak turun hingga nilai minimumnya. Dengan nilai percepatan maksimum masing-masing untuk mode berkendara hybrid aktual sebesar 4 m/s 2, untuk mode berkendara full electric aktual sebesar 3,5 m/s 2, untuk mode berkendara engine only aktual sebesar 3,1 m/s 2, serta untuk mode berkendara charging aktual 3,05 m/s 2. Secara umum nilai percepatan cenderung mengalami penurunan seiring bertambahnya kecepatan kendaraan. Hal ini mengindisikan masing-masing mode berkendara memiliki batas kecepatan maksimum yang dapat dicapai. IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari analisis yang telah dilakukan dalam penelitian ini, dapat diambil beberapa kesimpulan, antara lain: 1. Gaya dorong yang dihasilkan oleh mode berkendara hybrid memiliki karakteristik yang lebih baik dari kedua mode berkendara lainnya jika dilihat dari peningkatan gaya dorong. Gaya dorong mode berkendara hybrid mampu bertahan pada kondisi maksimal sampai pada kecepatan 40 k m/jam dan lebih baik jika dibandingkan dengan ketiga mode berkendara lainnya yang hanya mampu bertahan pada kondisi maksimal pada kecepatan 30 km/jam. 2. Percepatan yang dihasilkan oleh mode berkendara hybrid mampu dipertahankan dalam nilai maksimal sampai pada kecepatan 40 k m/jam sementara untuk
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: 2301-9271 6 percepatan yang dihasilkan oleh kedua mode berkendara lainnya hanya bisa bertahan pada kondisi maksimal pada kecepatan 30 km/jam. Dari beberapa parameter yang memiliki karakteristik yang serupa maka bisa dikatakan mode berkendara hybrid lebih efektif dibandingkan dengan full electric, engine only dan charging. 3. Berdasarkan Ft, untuk kecepatan dibawah 20 km/jam menggunakan mode berkendara full electric.sedangkan untuk kecepatan diatas 20 km/jam menggunakan mode berkendara hybrid. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis D.G.B.C mengucapkan terima kasih kepada Keluarga, Tim HyVI Sapujagad, ITS Team-Sapuangin 2012, Sapuangin Speed Team, Pak Mardi serta karyawan P.T. Maruline Maju Utama atas bantuan selama proses manufacturing, P.T. PDAM Surya Sembada selaku sponsor penelitian ini, Rekan LBMM, Rekan SMRM, Dosen serta Karyawan Teknik Mesin ITS, serta semua pihak yang telah membantu penulis dalam pelaksanaan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Ehsani, Mehrdad., Gao, Yimin., Gay, Sebastien E., and Emadi, Ali., Modern Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory and Design, CRC Press LLC, Florida, 2005. [2] Kusuma, Bagus R, 2014. Perencanaan Layout dan Analisis Stabilitas pada kendaraan Hybrid Roda Tiga HyVi Sapujagad. [3] Sutantra, N. & Sampurno, B., 2010, Teknologi Otomotif Edisi kedua, Surabaya: Guna Widya.