commit to user
BAB II DASAR TEORI
2.1. Pengertian Umum
Kebutuhan akan kendaraan dalam kehidupan sehari-hari sangatlah tinggi, terutama untuk kepentingan transportasi. Kendaraan bukan lagi menjadi barang mewah karena semakin banyak orang yang menggunakannya. Banyak jenis kendaraan yang beredar luas di Indonesia, dan yang paling banyak adalah kendaraan bermotor.
Diantara jenis-jenis kendaraan bermotor, sepeda motor adalah jenis yang paling banyak diminati dan paling banyak penggunanya di Indonesia. Menurut data terakhir dari Korps Lalu Lintas Kepolisian Republik Indonesia (Korlantas Polri), selama 2014, jumlah sepeda motor bertambah sebanyak 6.07 juta unit atau tumbuh 4.6% dibandingkan dari tahun lalu. (http://www.cnnindonesia.com/, 2015)
Saat ini sumber tenaga yang digunakan untuk sepeda motor adalah bahan bakar minyak dan sepeda motor dengan sumber tenaga berasal dari energi listrik.
Sepeda listrik merupakan sebuah kendaraan yang sangat ramah lingkungan.
Kendaraan ini mampu beroperasi tanpa harus ada polusi yang dibuang ke lingkungan. Mesin penggerak sepeda motor ini adalah motor DC. Sumber tenaga yang biasa digunakan berasal dari sumber energi listrik yang terkandung di dalam baterai. Besarnya penggunaan energi listrik dapat diatur sesuai kebutuhan.
2.1.1.
Komponen Utama Sepeda Listrik
a. Rangka
Frame atau rangka pada sepeda listrik seperti juga rangka pada manusia atau hewan, salah satu fungsinya adalah sebagai tempat menempelnya komponen komponen sepeda motor. Umumnya mesin berada di dalam rangka ini, lengan ayun dan garpu depan tersambung dengan rangka melalui semacam persendian yang memungkinkan kedua komponen tersebut bergerak. Rangka sepeda motor
juga berfungsi melindungi komponen komponen sensitif sepeda motor saat terjadi benturan seperti terlihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Rangka
b. Motor DC
Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini berupa putaran. Motor DC memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Motor DC yang digunakan pada sepeda motor listrik terlihat seperti pada Gambar 2.2 di bawah ini.
Gambar 2.2 Motor DC
c. Controller
Contoller digunakan untuk mengatur seluruh sistem kelistrikan pada sepeda listrik, seperti pada gambar 2.3. Besarnya energi listrik yang disuplai ke dalam motor diatur oleh controller ini.
Gambar 2.3 Controller
Gambar 2.4 Sirkuit Controller
d. Baterai
Ini menjadi sumber daya untuk menggerakkan motor. Volt disesuaikan dengan spesifikasi motor. Semakin besar nilai ampere maka makin jauh daya jangkauannya. Baterai biasa disimpan dengan menggunakan dudukan di bagian belakangan, di frame tengah atau paling praktis di depan stang. Baterai yang cukup berat biasanya dipasang di belakang demi kestabilan & keseimbangan. Umumnya kit disertai baterai 10AH yang mana memberi daya jangkau antara 10 sampai 60 km per satu kali pengisian.
Dibedakan dari bentuknya, baterai ada yang berbentuk kotak seperti accu pada umumnya, ada juga yang berbentuk tabung seperti botol minuman
Sedang dari jenisnya, ada baterai LiFePO4, LiPo, Li-ion, accu kering & accu basah. Perbedaan LiPo & Li-ion adalah pada sisi elektrodanya. Yang pertama menggunakan Lithium Ferrophosphate, dan yang kedua menggunakan Lithium Cobalt Manganese. Keunggulan LiFePO4 adalah baterai dapat dicharge kapan saja, lebih tidak rewel, memiliki umur lebih panjang dan proses charging lebih cepat. Tentu beberapa keunggulan ini harus ditukar dengan dana yang lebih besar.
Gambar 2.5 Baterai Lithium Cobalt dan Lead-Acid
e. Kendali (Pengatur Kecepatan)
Alat untuk pengatur kecepatan ini ada 2 macam, yaitu throttle control yg mengatur gas dari stang sepeda atau pedal assist system (PAS) yang mengaktifkan motor lewat kaki. Tetapi umumnya orang memilih kendali lewat throttle control. Juga terdapat sebuah indikator baterai yang dapat dipasang di stang. Terlihat pada gambar 2.6 di bawah ini.
Gambar 2.6 Throttle Control
2.2. Sistem Kelistrikan
Sistem kelistrikan adalah instalasi dari berbagai rangkaian pada kendaraan.
Rangkaian sistem kelistrikan tersebut, antara lain sistem penerangan lampu, motor listrik dan aksesoris.
Fungsi sistem kelistrikan adalah sebagai pengatur semua instrumen kelistrikan yang terdapat pada sepeda listrik. Selain itu, juga untuk memberikan indikator pada pengendara contoh lampu tanda kapasitas baterai masih banyak atau sudah habis dan lain-lain.
2.3. Motor Listrik
Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah dinamo listrik menjadi dinamo mekanik. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin). Motor listrik kadangkala disebut
“kuda kerja” nya dinamo sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di dinamo.
2.3.1 Cara Kerja Motor Listrik
a. Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya
b. Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran.
c. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torque untuk memutar kumparan.
d. Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.
Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/
torque sesuai dengan kecepatan yang diperlukan.
2.3.2 Jenis-Jenis Motor Listrik
Jenis-jenis motor listrik dapat dilihat seperti gambar bagan berikut.
Gambar 2.7 Jenis – Jenis Motor Listrik.
2.3.3 Mesin Arus Searah
Mesin arus searah dapat berupa generator DC atau motor DC.
Generator DC alat yang mengubah dynamo mekanik menjadi dinamo listrik DC.
Motor DC alat yang mengubah dynamo listrik DC menjadi dinamo mekanik putaran. Sebuah motor DC yang memiliki tiga komponen utama, antara lain sebagai berikut.
a. Kutub medan. Secara sederhana digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis dinamo membesar melintasi bukan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih dynamo.
Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan.
b. Dinamo. Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi dinamo magnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub- kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo.
c . Commutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor
DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dynamo. Commutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya.
Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan:
a. Meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan b. Menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.
Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya.
Motor DC juga lebih mahal dibanding motor AC.
2.3.4 Jenis Motor DC
Berdasarkan macamnya, Motor DC terdiri dari Motor DC daya terpisah dan Motor DC daya sendiri.
a. Motor DC sumber daya terpisah/Separately Excited, Jika arus medan dipasok dari sumber terpisah maka disebut motor DC sumber daya terpisah (separately excited).
b. Motor DC sumber daya sendiri/Self Excited, Pada jenis motor DC sumber daya sendiri di bagi menjadi tiga tipe sebagi berikut:
1. Motor DC Tipe Shunt
Pada motor shunt, gulungan medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan gulungan dinamo. Oleh karena itu total arus dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo. Karakter kecepatan motor DC tipe shunt adalah:
• Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torque tertentu setelah kecepatannya berkurang) dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin.
• Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah).
2. Motor DC Tipe Seri
Dalam motor seri, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo. Oleh karena itu, arus medan sama dengan arus dinamo. Karakter kecepatan dari motor DC tipe seri adalah:
• Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM.
• Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban sebab motor akan mempercepat tanpa terkendali.
3. Motor DC Tipe Kompon/Gabungan Motor Kompon DC merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada motor kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri dengan gulungan dinamo. Sehingga, motor kompon memiliki torsi penyalaan awal yang bagus dan kecepatan yang stabil. Karakter dari motor DC tipe kompon/gabungan ini adalah, makin tinggi persentase penggabungan (yakni persentase gulungan medan yang dihubungkan secara seri), makin tinggi pula torsi penyalaan awal yang dapat ditangani oleh motor ini.
2.4 Baterai
2.4.1 Baterai Lithium
Baterai Lithium adalah salah satu dari tipe baterai rechargeable. Lithium bergerak dari anoda (kutub positif) ke katoda (kutub negatif) saat di gunakan.
Lithium sedikit bergerak kembali dari katoda ke anoda saat dilakukan proses charging. Baterai jenis ini bayak di gunakan pada peralatan elektronik.
Kepopuleran baterai ini dikarenakan beberapa alasan, seperti baterai jenis ini portable, dengan ratio energy banding berat yang baik dan lain sebagainya.
Baterai litium tanpa cairan sebagai bahannya, pertama kali dikembangkan oleh ilmuwan Jepang Yoshi no Akira yang memadukan karbon litium dan polimer sebagai anoda.Dan di tahun 1991 untuk pertama kalinya baterai litium diproduksi secara missal oleh Sony Corp berkerja sama dengan Asahi Kasei Corp.Sejak saat itu dan hingga saat ini, baterai litium terus berkembang pesat terutama sebagai sumber energi pada hp dan komputer.
2.4.2. Prinsip Kerja Baterai Lithium
Jika anoda dan katoda dihubungkan maka elektron mengalir dari anoda menuju katoda, bersamaan dengan itu listrik pun mengalir. Pada bagian dalam baterai, terjadi proses pelepasan ion lithium pada anoda untuk kemudian ion tersebut berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Pada katoda bilangan oksidasi kobalt berubah dari 4 menjadi 3 karena masuknya elektron dan ion lithium dari anoda. Sedangkan proses recharging atau pengisian ulang, berkebalikan dengan proses ini.
Gambar 2.8 Prinsip Kerja Baterai Lithium
Lithium merupakan ion ringan yang menyimpan nilai elektron paling tinggi. Lithium memiliki nilai potensial standar paling negatif (-3.0 V), paling ringan (berat atom:6.94 g), sehingga bila dipakai untuk anoda dapat menghasilkan kapasitas energi yang tinggi.
2.4.3 Keunggulan dan Kekurangan Baterai Lithium
Baterai lithium begitu populer karena mereka memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan kompetitor nya. Keunggulan tersebut antara lain:
a. Lebih ringan. Elektroda baterai lithium terbuat dari lithium yang ringan dan karbon. Lithium adalah elemen yang sangat reaktif, artinya dia banyak energi yang bisa disimpan dalam ikatan atomnya.
b. Lebih bertenaga. Satu kilogram baterai lithium bisa menampung 150 watt- jam, sementara satu kilogram baterai NiMH (nickel-metal hydride) hanya bisa menampung 100 watt-jam.
c. Lebih kuat. Sebuah baterai lithium hanya kehilangan 5% isinya setiap bulan, dibandingkan dengan baterai NiMH yang kehilangan 20% isinya per bulan.
d. Lebih awet. Baterai lithium bisa menangani ratusan kali siklus isi / kuras (charge/discharge).
e. Tidak ada efek memory, itu artinya baterai tidak harus benar-benar kosong untuk melakukan isi ulang.
Di balik setiap kelebihan, pasti tersimpan kelemahan. Berikut beberapa kelemahan yang dimiliki baterai lithium:
a. Baterai lithium mulai terdegradasi sejak meninggalkan pabrik. Baterai ini hanya kuat bertahan dua sampai tiga tahun, sejak tanggal perakitan, tidak peduli apakah Anda menggunakannya atau tidak.
b. Baterai lithium sangat sensitif terhadap suhu tinggi. Suhu yang tinggi menyebabkan baterai ini terdegradasi lebih cepat daripada seharusnya.
c. Usia baterai akan tamat, jika baterai digunakan sampai benar-benar kosong.
d. Satu set baterai lithium memiliki komputer onboard untuk mengaturnya. Hal ini membuat harga baterai menjadi lebih mahal.
e. Terdapat peluang kecil, apabila proses pengepakannya buruk, baterai akan meledak dan terbakar.
2.4.4 Baterai Lead-Acid
Baterai Lead-acid terdiri dari dua tipe besar: batere pemicu seperti yang ada di mobil Anda dan dirancang untuk lonjakan daya singkat; dan batere bersiklus panjang yang memberikan daya yang lebih rendah, dan digunakan di kapal, mobil golf, dan sebagai daya cadangan di berbagai gadget. Baterai lead acid dapat dikelompokkan menjadi Liquid Vented dan Sealed (VRLA - Valve Regulated Lead Acid)
2.4.5. Jenis – Jenis Baterai Lead Acid
1. Liquid vented (aki dengan katup pengisian ulang cairan):
Liquid vented yang terbuat dari lempengan positif dan negatif dari paduan timah yang ditempatkan dalam larutan elektrolit dan air asam sulfuric. Baterai lead-acid yang terdiri dari 6 individu 2-sel volt. Baterai ini dirancang untuk memberikan arus listrik yang besar hanya beberapa saat, kemudian harus dicharging. (contoh pada saat starter mobil). Jadi baterai Liquid Vented tidak cocok untuk sistem solar cell. Pada saat mendekati full charge, hidrogen dihasilkan dan menguap dari baterai, mengakibatkan air baterai jenis ini berkurang. Untuk maintenance, baterai jenis ini harus dimonitor.
2. Baterai sealed lead-acid (VRLA).
Tidak seperti baterai liquid vented, baterai ini tidak memiliki caps/ katup, tidak ada akses ke elektrolit dan total sealed. Dengan demikian baterai jenis ini tidak memerlukan maintenance. Umumnya baterai deep cycle dapat discharge sampai dengan 80% kapasitas baterai. Dengan perencanaan kapasitas dan maintenance yang baik, baterai jenis ini dapat bertahan selama kurang lebih 10 tahun.
2.4.6 Prinsip Kerja Baterai Lead-Acid
Oksigen (O) pada pelat positif terlepas karena bereaksi/bersenyawa/bergabung dengan hidrogen (H) pada cairan elektrolit yang secara perlahan-lahan keduanya bergabung/berubah menjadi air (H20).
Asam (SO4) pada cairan elektrolit bergabung dengan timah (Pb) di pelat positif maupun pelat negatif sehigga menempel dikedua pelat tersebut. Reaksi ini akan berlangsung terus sampai isi (tenaga baterai) habis alias dalam keadaan discharge. Pada saat baterai dalam keadaan discharge maka hampir semua asam melekat pada pelat-pelat dalam sel sehingga cairan eletrolit konsentrasinya sangat rendah dan hampir melulu hanya terdiri dari air (H2O), akibatnya berat jenis cairan menurun menjadi sekitar 1,1 kg/dm3 dan ini mendekati berat jenis air yang 1 kg/dm3. Sedangkan baterai yang masih berkapasitas penuh berat jenisnya sekitar 1,285 kg/dm3.
Gambar 2.9 Prinsip Kerja Baterai Lead-Acid
2.4.7 Keunggulan dan Kekurangan Baterai Lead Acid
Baterai lead acid begitu populer karena mereka memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan kompetitornya. Keunggulan tersebut antara lain:
a. Tingkat bahayanya lebih sedikit dibandingkan dengan jenis lainnya, karena reaksi kimianya terjadi dalam temperatur ruangan.
b. Dapat diandalkan dan harganya juga relatif murah.
c. Mudah didapatkan.
Di balik setiap kelebihan, pasti tersimpan kelemahan. Berikut beberapa kelemahan yang dimiliki baterai lead acid :
a. Energinya sekitar 40Wh/kgf, lebih rendah dari yang lainnya.
b. Umurnya kurang tahan lama dan memerlukan waktu pengirisan kembali yang lebih lama.
c. Massa yang lebih berat.
2.5 Kecepatan
Untuk menghitung kecepatan gerak benda dapat deselesaikan dengan cara jarak tempuh berbanding terbalik dengan waktu, seperti rumus dibawah ini:
V = ... (2.1)
dimana,
v = kecepatan (m/s) s = jarak tempuh (m) t = waktu (s)
2.6 Torsi
Torsi motor didefinisikan sebagai aksi dari suatu gaya pada motor yang dapat mempengaruhi beban untuk ikut bergerak. Ketika sumber tegangan dihubungkan pada brush (sikat) motor, maka arus yang mengalir masuk ke kutub positif brush, melalui komutator dan kumparan armatur, serta keluar melalui daerah kutub negative dari brush. Sedangkan torsi pada motor dc merupakan pembagian dari daya (P) dibagi dengan kecepatan sudut motor dalam bentuk radian (ω). Oleh karena itu diperoleh persamaan torsi (T) sebagai berikut:
T
=...
(2.2)Dimana,
T = torsi (Nm) P = daya (Watt) ω = kecepatan sudut (Rad/s)
2.7 Daya
Daya dilambangkan oleh huruf (P) dalam persamaan listrik.Pada rangkaian arus DC, daya listrik sesaat dihitung menggunakan Hukum Joule, sesuai nama fisikawan Britania James Joule, yang pertama kali menunjukkan bahwa energy listrik dapat berubah menjadi energi mekanik, dan sebaliknya.
P = V . I ...
(2.3) Dimana:P = Daya ( Watt)
V = Tegangan (Volt) I = Arus (Ampere)
2.8 Momen Inersia
Momen inersia (Satuan SI : kg m²) adalah ukuran kelembaman suatu
benda untuk berotasi terhadap porosnya. Besaran ini adalah analog rotasi dari pada massa. Dibawah ini merupakan rumus dari momen inersia:
Ir = ½ m (R² + r²) ...
(2.4) Dimana:Ir = Momen inersia (Kg m²) M = Massa Motor (Kg) R = Jari – jari luar (m) r = Jari – jari dalam (m)
2.9 Arus
Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang disebabkan oleh pergerakan elektron-elektron, mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu. Dibawah ini merupakan rumus dari arus listrik:
I
=...
(2.5)Dimana:
I = Arus listrik (Ampere) V = Tegangan Listrik (Volt) R = Hambatan (Ohm)
