Perancangan electric energy recovery system pada

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