JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
Perancangan Electric Energy Recovery System Pada Sepeda Listrik Andhika Iffasalam dan Prof. Ir. I Nyoman Sutantra M.Sc PhD Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak— Pada dunia otomotif, konsumsi energi paling besar yaitu pada pengereman. Dimana ketika sebuah kendaraan masih melaju dengan kecepatan tertentu, disaat pengereman justru kendaraan melambat atau berhenti. Pada perancangan ini dilakukan perancangan Elektrik Energy Recovery System (EERS) pada sepeda listrik. nya ialah untuk menambah kapasitas accu dan membantu mengurangi kecepatan saat melaju pada kemiringan jalan dan ketinggian tertentu. Untuk pengurangan kecepatannya di variasikan menjadi 30%, 40% dan 50%. Untuk energi yang digunakan nantinya divariasi menjadi 20km/jam, 30 km/jam,dan 40 km/jam Kata Kunci— Sepeda Listrik, Pengereman, Energy potensial, Energy Recovery PENDAHULUAN
M
INYAK bumi merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui. Karena jumlahnya yang terbatas maka sekarang ini ilmu pendidikan mencari cara lain untuk menciptakan penghasil energi. Adapun ditinjau lebih jauh, penggunaan energy minyak bumi masih lebih mahal dari penggunaan energy listrik, selanjutnya seiring dengan berkembangnya teknologi otomotif yang begitu pesat saat ini, maka tercipta teknologi EERS (Elektrik Energi Recovery system). Teknologi ini berupa perangkat yang berfungsi sebagai pengganti salah satu piranti pengereman dan dimanfaatkan untuk mengisi tegangan ulang pada kendaraan.. Prinsipnya teknologi EERS ini mengganti energy mekanik yang terbuang saat pengereman menjadi energy listrik yang disimpan pada baterai, Selain itu piranti ini berfungsi mengoptimalkan waktu yang dipakai untuk pengisian tegangan pada baterai. Dengan piranti yang digunakan pada kendaraan ini diharapkan mendapatkan nilai efisiensi yang mendekati 100%. Efisiensi ini berkaitan dengan waktu yang dibutuhkan untuk pengereman sesuai dengan kondisi riil. Selanjutnya pada tugas akhir ini akan dianalisa dan dikembangkan teknologi EERS pada sepeda listrik yang bertujuan untuk menyimpan energy yang terbuang saat pengereman pada kondisi riil. I. METODE PENELITIAN Perancangan EERS ini terlebih dahulu mempelajari tentang prinsip kerja dari teknologi KERS dan sepeda listrik. KERS merupakan pemanen Energi yang digunakan untuk menghasilkan energi kinetic. Dimana energi tersebut digunakan untuk akselerasi awal. Untuk sepeda listrik sendiri menggunakan sepeda listrik yang ada di pasaran. Kendaraan
tersebut digunakan untuk mengetahui tata letak dan posisi yang tepat untuk perancangan disain EERS. Dengan mempelajari design awal milik VEDC Malang. Maka dari design tersebut ditemukan beberapa kekurangan yang harus diperbaiki. Seperti; [1]masih banyaknya slip, [2] posisi dan tata letak yang kurang ergonomis. Setelah mempelajari literature-literatur diatas maka dapat dicari energi. Metode eksperimen yang dilakukan dengan cara mencari jalan dengan permukaan miring. Pengukuran jarak dan kemiringan juga dilakukan guna mengetahui nilai ketinggian. Dari nilai ketinggian dan masa pada kendaraan didapat nilai energi potensial. energi kinetic dicari dengan menggunakan kecepatan dan massa kendaraan. Kecepatan kendaraan tersebut dapat dicari menggunakan speedo meter. Untuk dapat mengetahui energi listrik yang diserap maka energi potensial yang didapat dikurangi dengan energi kinetik. Pengurangan kecepatan juga dilakukan dengan memasukkan beberapa variasi pengereman yaitu; 30%, 40%, dan 50%. Tujuan dari pengurangan kecepatan ini untuk mengetahui perubahan energi kinetic menjadi energi listrik. Pemanfaatan energi listrik yang didapat digunakan untuk berjalan dengan beberapa kecepatan variasi 20km/jam, 30km/jam, dan 40km/jam selama satu jam. Jalan yang ditempuh nantinya merupakan jalan datar dan tanpa hambatan.
II. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil dari percobaan yang dilakukan untuk mendapatkan nilai ketinggian dapat dilihat pada tabel no. 1 Tabel 1.
no 1 2 3 4
Jarak Sudut Berat Pengendara Kecepatan (m) (kg) (kg) (km/jam) 31 7 98 60 28 31 7 98 60 30 31 7 98 60 27 18.24 13 98 60 30
5
18.24
13
98
60
31
6 7
31 31
13 13
98 98
60 60
34 40
Setelah nilai dari jarak, sudut, dan kecepatan diketahui. Maka dapat dicari nilai ketinggian dengan menggunakan rumus berikut:
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 h = r. sin (sudut) = 31 m. sin 13 h = 6,97 m Energi potensial menggunakan perhitungan rumus sebagai berikut: EP = m. g. h = 158 kg. 9.8 m /s2 . 6,97m = 10792.35 kg.m2/s2 = 10792.35 joule Sedangkan untuk energi kinetik yang didapat secara simulasi diolah menggunakan rumus (2.4): EK = ½. m. v2 = ½ . 158 kg. (40km/jam)2 = ½. 158kg. (11.11m/s)2 = 9751.14 Nm = 9751.14 joule
2 EL = 0.289225 Wh (Watt-Hour) Salah satu syarat untuk mendapatkan nilai transformasi energi yang besar maka: [1] nilai h harus lebih besar [2] nilai v atau kecepatan harus lebih kecil. Dalam hal ini kecepatan kendaraan diperlambat atau dikurangi. besarnya pengurangan kecepatan kendaraan tersebut adalah 30% seperti pada tabel berikut: Tabel 3
Tabel 2
Untuk kecepatan teori dapat digunakan rumus energi kinetic dan potensial, dimana: EP = EK m. g. h = ½. m . v2 g.h = ½. v2 v2 = 2.g.h v2 = 2. 9,8 m/s2.6.97m v = 11.688 m/s Dimana nlai dari kecepatan riil lebih kecil dari kecepatan yang dicari secara teoritis. Hal itu berarti ada sebagian energi kinetic yang berubah menjadi energi yang tidak terpakai. Untuk mengetahui besaran energi tersebut maka: EL= m. g. h – ½. m.(v*)2 EL = 10792.35 kg.m2/s2 – 9751.14 kg.m2/s2 EL = 1041.21 Nm
Dari tabel diketahui nilai kemiringan, ketinggian, massa, dan kecepatan awal. Kemudian nilai kecepatan awal yang ada dikurangi nilai 30 persen. Untuk mencari nilai energi listrik yang diserap maka perhitungan yang dilakukan adalah:
EL 1 = m. g. h – ½. m.(v*)2 EL 1 = 158kg. 9.8m/s2. 3,72m – ½. 158kg.(5,444m/s)2 EL 1 = 5760.048 kg.m2/s2 – 2341.72 kg.m2/s2 EL 1 = 3418.33 kg.m2/s2 EL 1 = 3418.33 joule EL 1 = 0.949613 watt-hour
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
Nilai tersebut merupakan energi yang dihasilkan dari penurunan dengan jarak 31 meter. Kemiringan 7 derajat dan kecepatan yang dikurangi 30%. Untuk mengetahui penggunaan energinya dengan variasi kecepatan 20km/jam, 30km/jam,dan 40km/jam. Maka contohkan perhitungan sebagai berikut: EK 20 = ½.m.v2 EK 20 = ½. 158kg. (5.55m/s)2 EK 20 = 2433.298 kg. m2 /s2 Jika kendaraan digunakan selama 1 jam berarti: 0.676 watthour. Sedangkan untuk penggunaan kendaraan pada kecepatan 30 km/jam, perhitungan penggunaan energinya adalah sebagai berikut: EK 30 = ½.m.v2 EK 30 = ½. 158kg. (8.33m/s)2 EK 30 = 5481.7 kg. m2/s2 Jadi energi dibutuhkan selama 1 jam berjalan adalah: 1.5228 watt-hour. Jika kendaraan dengan bobot yang sama dijalankan dengan kecepatan 40 km/jam maka dengan menggunakan persamaan dari (2.4) didapat perhitungan sebagai berikut: EK 40 = ½.m.v2 EK 40 = ½. 158kg. (11,11m/s)2 EK 40 = 5751.1 kg. m2/s2 Jadi energi yang dibutuhkan selama satu jam menjadi: 2.7089 watt-hour Untuk mengetahui lama waktu pengisian yang dibutuhkan untuk perjalanan 20km/jam selama satu jam perjalanan tanpa hambatan maka:
3
Untuk penggunaan kecepatan 40km/jam maka didapat perhitungan:
Roda gigi dimulai penghitungan mulai dari roda belakang, penghubung, dan gearbox. Terlebih dahulu diketahui kecepatan maksimal pada kendaraan guna perhitungan putaran roda. V = 40 km/jam . 1jam/3600s . 1.103/1km V = 11.11 m /s R =16/2 inchi
Dari putaran gir belakang ditransfer menuju gir depan dengan perhitungan sebagai berikut: Gir depan : 33 mata Gir belakang : 20 mata Sedangkan untuk 30km/jam didapat jarak tempuh dan lama waktu sebagai berikut:
2 N2
1
Jika kecepatannya diubah menjadi fungsi jarak maka:
Gambar 1 gir belakang dan depan
Putaran tersebut menghasilkan 348.11rpm. dari putaran 348 rpm ditransfer menggunakan gir dan rantai Menggunakan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 ukuran gir dengan ukuran yang sama. Dari putaran tersebut dinaikkan lagi putarannya menggunakan gearbox dengan persamaan sebagai berikut: • 348 rpm dengan velocity rasio 3 Maka dengan jumlah gigi 60 mata Dan yang digerakkan 20 mata N t1 = P x d 60 = 16 x d d = 3.75 inch = 93.75 mm
4
Gambar 4 gearbox dan alternator
Dari design tersebut nantinya akan di aplikasikan ke dalam gear box sepeda listrik. Hal ini bertujuan untuk penerapannya yang sesuai:
1 2
Gambar 2 gigi rasio 1 dan 2
Setelah putaran masuk pada rasio pertama dan keluar pada gigi rasio kedua dengan kecepatan 1044 rpm. Karena putaran belum memenuhi putaran maka dinaikkan lagi menggunakan rasio 3 dan 4 dengan perhitungan sebagai berikut:
3 4 Gambar 3 gir 3 dan gir 4
Tegan gan maksimal yang terjadi akibat pembebanan pada profil gigi cycloid dan tegangan maksimal yang terjadi pada profil gigi involute kemudian diplot menjadi suatu grafik.
gambar 5 aplikasi girbox pada sepeda listrik
Dimensi penerapan girbox memiliki ukuran dimensi sebagai berikut: Panjang : 22.6cm Lebar dengan alternator : 22.8cm Tinggi : 12.5cm Sehingga, volume total ruang yang dibutuhkan untuk meletakkan perangkat ini adalah: Panjang* lebar* tinggi= volume perangkat 22.6* 22.8* 12.5= 6441cm3: Dimana batasan dari ruang yang disediakan: 27000cm3. Maka masih tersisa ruang : 20559cm3. Untuk pemilihan komponen pendukung mengikuti dengan kemampuan dan ukuran bentuk komponen agar tetap kompak pada saat pemasangan. Untuk akumulator menggunakan: Untuk penambahan accu atau batterai, masih menggunakan tipe dan spesifikasi dari bawaan sepeda listrik. Akan tetapi penambahan yang dilakukan tidak sebanyak penggunaan dari aslinya yang berjumlah empat buah. Penjumlahan aki hanya berjumlah satu dengan spesifikasi sebagai berikut: Ukuran; P*L*T : 12cm*8.5cm*12.5cm Type : kering Tegangan :12 volt Arus :12 ampere
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
5 [5] [6] [7]
gambar 6 akumulator
Alternator yang digunakan merupakan alternator milik mobil. Arus yang dihasilkan tidak merusak battrai atau accu, maka digunakan alternator dengan spesifikasi berikut: Ukuran; Diameter : 12cm Panjang : 11.5cm Tegangan : 12 volt Arus : 55 ampere
gambar 7 akumulator
III. KESIMPULAN Dari hasil penelitian didapatkan kesimpulan bahwa dengan mengurangi kecepatan 30% dari kecepatan awal 28 km/jam menjadi 19.6 km/jam maka energi yang dapat diserap adalah 3418.33 joule-meter. Jarak tersebut didapat dari jarak 31 meter. untuk menggunakan kendaraan pada perkotaan dengan kecepatan untuk rancangan girboxnya didapat gir rantai ukuran 20-33 dengan gir penghubung 20 mata, gir rasio 1 dan 2 berukuran 60 dan 20. Untuk gir rasio 3 dan 4 berukuran 60 dan 20. Untuk desain perangkat gearbox EERS didapat dimensi 22.6cm x 22.8 x 12.5 =6441 cm3. DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4]
Nyoman sutantra, sampurno B.,”Teknologi Otomotif”, edisi kedua, Surabaya, Desember 2009. Briggs&Stratton. “Alternator Spesifications”, june 2011 Deutchman, D. Aaron, ”Machine Design”, Collier Macmillan International Editions, Newyork 1975. Wulandari, Diah. “Studi Pemanfaatan Teknologi Kinetic Eenergy Recovery System Pada Sepeda Motor Untuk Meningkatkan Akselerasi”, thesis Jurusan Teknik Mesin S-2 FTI-ITS, 2010.
Zuhal.”Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, Gramedia, Jakarta, 1988. Wibowo.”Rancang Bangun Sistem Transmisi Pada Sepeda Motor”,non degree Teknik Mesin D-3 FTI ITS, 2010. Irasari, Puji.”Experiment And Analysis of Car Alternator For Wind Turbine Application”, Journal of Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology, Vol. 02, no 1, 2011
