Mobil konvensional, kelistrikan 12 volt: aki starter, alternator dan pengaturan tegangan, motor starter, sekring dan relai, arus parasit, uji aki, dan menyalakan dengan kabel jumper secara aman

Laundry sebuah rumah sakit memakai mobil boks bensin untuk mengantar linen ke gedung rawat inap dan dua klinik cabang, Senin sampai Sabtu. Beberapa bulan terakhir mobil itu hampir selalu gagal hidup pada Senin pagi: starter berputar lambat, lalu hanya berbunyi klik; pada hari lain normal. Setahun lalu mobil dipasangi pelacak armada dan kamera dasbor yang disambung langsung ke aki. Setiap Senin sopir meminjam aki minibus antar-jemput pasien dengan kabel jumper dan menjepit kabel hitam terakhir di kutub negatif aki yang tekor; pagi terakhir, aki itu berbau asam. Aki sudah diganti sekali, dan aki lama dinyatakan toko aki masih baik setelah diisi.

Pola "hanya Senin" adalah petunjuk: mobil yang dipakai jarak pendek dengan AC penuh jarang terisi penuh, lalu dua malam parkir dengan aksesori menyala menguras sisanya. Bab ini menjelaskan cara membaca aki, menguji pengisian, mencari arus yang menguras aki, dan memakai kabel jumper dengan aman.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sistem 12 volt mobil bensin dan diesel. Patokan tegangan istirahat dan aki 12 V kendaraan listrik ada di Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik; berat jenis, pengisian bertahap, dan hidrogen di ruang pengisian di Bab 7 tentang baterai traksi; pengaruh tegangan aki pada pengendali mesin di Bab 4 tentang sistem bahan bakar, pengapian, dan pengendali mesin; multimeter di Bab 15 · Kelistrikan & Kendali dan tang ampere di Bab 16 · Kelistrikan & Kendali; proteksi arus lebih di Bab 23 · Kelistrikan & Kendali; kelistrikan sepeda motor di Bab 14; dan pengubah DC-DC kendaraan hibrida dan listrik di Bab 22 tentang mobil listrik dan hibrida. Sistem 48 volt dan tegangan tinggi tidak dibahas. Patokan tegangan istirahat, kriteria uji beban, dan batas arus parasit di bab ini adalah patokan umum; nilai untuk kendaraan tertentu diambil dari manual pabrik kendaraan dan pabrik aki.

Sistem 12 volt di mobil

Aki adalah sumber daya utama mobil. Setelah mesin hidup, alternator memasok beban dan mengisi kembali aki, dan aki menjadi penyangga yang menutup kekurangan sesaat.

Arus kembali ke aki melalui bodi dan blok mesin, sehingga kabel pembumian sama pentingnya dengan kabel positif. Banyak pemilik mobil suatu saat mengalami gangguan listrik yang biasanya berujung aki tekor. Aki tekor biasanya ujung dari pengisian kurang, beban siaga besar, sambungan buruk, atau aki tua.

Aki starter: kimia, kapasitas, dan arus engkol dingin

Aki starter (starting battery) adalah baterai asam timbal 12 volt yang dirancang memberi arus sangat besar dalam waktu singkat untuk memutar motor starter. Baterai asam timbal adalah baterai sekunder yang umum dipakai pada mobil karena murah dan mampu memberi arus besar yang dibutuhkan motor starter, dan sel asam timbal paling banyak dipakai bila arus beban besar diperlukan. Setiap sel menghasilkan sekitar 2 V, dan enam sel dirangkai seri menjadi aki 12 V. Saat aki memberi arus, reaksi elektrodenya adalah:

$$\text{anode:}\quad \mathrm{Pb+HSO_4^{-}\longrightarrow PbSO_4+H^{+}+2e^{-}}$$$$\text{katode:}\quad \mathrm{PbO_2+HSO_4^{-}+3H^{+}+2e^{-}\longrightarrow PbSO_4+2H_2O}$$

Kedua elektrode menjadi timbal sulfat dan asam terpakai menjadi air, sehingga berat jenis elektrolit turun saat aki kosong, seperti di Bab 7 tentang baterai traksi. Elektrolitnya kaustik, dan aki bekas mengandung banyak timbal sehingga harus dibuang dengan benar; penanganan asam mengikuti Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.

Untuk aki starter, yang menentukan adalah kemampuan arus sesaat, bukan hanya kapasitas ampere-jam di Bab 7. Arus engkol dingin (cold cranking amps, CCA) adalah arus yang dapat diberikan aki 12 V yang penuh selama 30 detik pada −18 °C tanpa tegangannya turun di bawah 7,2 V, atau rata-rata 1,2 V per sel. Peringkat arus engkol pada 0 °C memberi angka lebih besar untuk aki yang sama, jadi aki pengganti dibandingkan dengan peringkat yang sama.

Kemampuan aki memberi arus turun pada suhu rendah, karena reaksi elektrode melambat ketika dingin, seperti di Bab 13 · Kimia tentang laju reaksi. Di Indonesia CCA tetap berguna untuk mencocokkan aki pengganti dengan spesifikasi pabrik, sedangkan panas ruang mesin mempercepat penuaan aki, sejalan dengan aturan kasar umur kalender di Bab 7.

Jenis yang lazim adalah aki basah, aki basah yang diperkuat (EFB), dan AGM yang elektrolitnya terserap serat kaca; mobil dengan fitur mati-hidup otomatis memakai EFB atau AGM, dan penggantinya harus sejenis.

Tegangan istirahat dan keadaan muatan

Tegangan istirahat (open-circuit voltage) adalah tegangan terminal aki yang sudah beberapa jam tidak dibebani dan tidak diisi. Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik memberi patokan kasar untuk aki asam timbal 12 V: sekitar 12,6 sampai 12,7 V penuh, sekitar 12,2 V setengah, dan sekitar 11,9 V atau kurang hampir kosong. Per sel, 12,6 V adalah $12{,}6/6 = 2{,}10$ V dan 11,9 V adalah $11{,}9/6 = 1{,}98$ V, sehingga selisih penuh dan hampir kosong hanya sekitar 0,1 V per sel. Tabel yang lebih rinci per 25 persen sering dikutip, tetapi tidak menggantikan lembar data: angka untuk aki tertentu, terutama AGM, dibaca dari lembar data pabrik aki.

Bacaan dapat menipu karena muatan permukaan sesaat setelah mesin dimatikan atau aki diisi, karena suhu, dan karena modul yang belum tidur; ukur setelah aki beristirahat beberapa jam. Tegangan istirahat menunjukkan keadaan muatan, bukan kemampuan aki: aki tua yang tersulfatasi dapat terbaca 12,6 V setelah diisi tetapi gagal saat dibebani karena resistans dalamnya tinggi, seperti di Bab 7. Aki tidak boleh diisi bila indikator hidrometernya berwarna kuning muda, tetapi arti warna indikator berbeda antarpabrik, jadi yang dipakai adalah keterangan pada label aki itu sendiri.

Uji aki: uji beban dan uji konduktans

Uji beban (load test) adalah pengujian kemampuan aki dengan menarik arus besar yang terkendali selama beberapa detik sambil mengukur tegangannya. Urutan dasarnya: aki dilepas dari mobil untuk uji beban, aki dibebani dengan tahanan karbon untuk memperoleh arus maksimum, dan bila uji beban gagal lagi, aki harus diganti. Kata "lagi" penting: aki yang belum penuh diisi dulu, lalu diuji ulang.

Kriteria klasik bengkel adalah beban setengah CCA selama 15 detik, dan tegangan tidak turun di bawah sekitar 9,6 V pada sekitar 21 °C. Kriteria ini dipakai di bab ini sebagai patokan latihan; kriteria untuk aki tertentu dari pabrik aki atau alat uji. Uji beban juga memberi taksiran resistans dalam:

$$R_\text{dalam} = \frac{V_\text{istirahat} - V_\text{beban}}{I_\text{beban}}$$

dengan $V$ dalam volt, $I_\text{beban}$ arus uji dalam ampere, dan $R_\text{dalam}$ dalam ohm (Contoh 4). Tahanan karbon menjadi panas dan klem dapat memercik, jadi pakai pelindung mata dan pasang serta lepas klem ketika alat mati.

Uji konduktans (conductance test) adalah pengujian elektronik yang menaksir kemampuan arus engkol aki dari tanggapannya terhadap sinyal listrik kecil, tanpa menarik arus besar. Sebuah laporan lapangan memberi contoh: penguji toko melakukan uji CCA dan tegangan rangkaian terbuka, dan hasilnya aki "seperti baru, hanya perlu diisi". Laporan itu contoh gejala: aki yang dikuras arus parasit tampak rusak padahal hanya kosong, seperti aki lama di kasus pembuka.

Alternator dan regulator tegangan

Alternator (alternator) adalah generator arus bolak-balik tiga fasa yang diputar mesin, dengan rotor berkumparan medan dan keluaran yang disearahkan jembatan dioda menjadi arus searah. Regulator tegangan (voltage regulator) adalah rangkaian yang menjaga tegangan keluaran alternator dengan mengatur arus medan rotor. Tegangan terminal alternator berubah bila bebannya berubah, dan putaran mesin juga berubah terus.

Pada banyak sistem pengisian, regulator adalah unit terpisah, ciri mobil lama; mobil modern memakai regulator di dalam alternator atau pengisian yang dikendalikan modul. Generator dan aki harus berpolaritas pembumian sama, syarat yang berlaku pula saat memasang aki dan kabel jumper.

Tegangan pengisian saat mesin hidup umumnya sekitar 13,5 sampai 14,5 V. Rentang itu tercantum dalam buletin servis satu pabrik yang diarsipkan regulator keselamatan jalan Amerika Serikat, dan rentang lain yang dipakai adalah 13,8 sampai 14,5 V, atau 13,5 sampai 14,8 V menurut suhu. Angka ini patokan umum, bukan standar; rentang untuk mobil tertentu dari manual pabrik. Pengisian pintar (smart charging) adalah pengisian yang tegangan alternatornya diatur modul kendaraan berdasarkan sensor arus aki. Mobil seperti itu dapat menurunkan tegangan di bawah 13 V ketika aki cukup penuh, jadi tegangan rendah sesaat belum tentu gangguan.

Regulator dianjurkan diperiksa dengan menaikkan putaran mesin dan menambah beban sistem. Tegangan di kutub aki yang turun di bawah tegangan istirahat saat lampu, kipas, dan AC menyala menunjuk alternator lemah, sabuk selip, atau sambungan buruk; tegangan yang terus naik jauh di atas rentang manual menunjuk regulator gagal.

Mobil boks yang sering berhenti dengan AC penuh jarang terisi penuh, padahal muatan untuk menstarter kecil (Contoh 2); yang menguras adalah beban saat diam dan arus siaga.

Motor starter, kabel utama, sekring, dan relai

Motor starter (starter motor) adalah motor arus searah dengan solenoid yang mendorong roda gigi pinion ke roda gila mesin sekaligus menutup kontak arus besar dari aki. Arusnya ratusan ampere, bergantung pada mesin, suhu, dan kekentalan oli, sehingga resistans kecil menimbulkan tegangan jatuh yang berarti:

$$\Delta V = I\,R$$

dengan $\Delta V$ tegangan jatuh dalam volt, $I$ arus dalam ampere, dan $R$ resistans kabel dan sambungan dalam ohm. Uji tegangan jatuh (voltage drop test) adalah pengukuran tegangan di antara dua ujung satu kabel atau sambungan ketika arus beban mengalir. Voltmeter dipasang dari kutub positif aki ke terminal starter, lalu dari kutub negatif aki ke blok mesin, saat mesin diengkol dengan bahan bakar atau pengapian dinonaktifkan menurut manual (Contoh 3).

Sebuah persyaratan keselamatan menyebut bahwa setiap konduktor keluaran aki yang tidak dibumikan harus memiliki pemutus atau sekring, kecuali konduktor utama dari aki ke motor starter. Persyaratan itu berasal dari aturan luar negeri, tetapi prinsipnya berguna: kabel starter umumnya tanpa sekring, sehingga harus terikat rapi, berselubung utuh, dan terlindung dari gesekan.

Sekring (fuse) adalah pengaman arus lebih yang elemennya melebur dan memutus sirkuit bila arus melewati batasnya. Sekring melindungi kabel, bukan beban, sama dengan prinsip koordinasi pengaman dan kabel di Bab 23 · Kelistrikan & Kendali tentang proteksi arus lebih. Pengganti harus berarus pengenal sama; sekring yang terus putus menunjuk hubung singkat atau beban berlebih.

Relai (relay) adalah sakelar yang kontaknya digerakkan kumparan elektromagnet, sehingga arus kecil dari sakelar atau modul dapat menyambung arus besar ke beban. Penomoran terminal relai otomotif yang umum menurut standar DIN 72552: 30 masukan dari aki, 85 dan 86 kumparan, 87 kontak normal terbuka, dan 87a kontak normal tertutup; penandaan kontak relai industri ada di Bab 46 · Kelistrikan & Kendali tentang komponen kendali. Relai yang buruk dapat membuat penyalaan berselang atau gagal, seperti dicatat Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik.

Arus parasit dan cara mengukurnya dengan aman

Arus parasit (parasitic draw) adalah arus yang tetap diambil dari aki ketika mobil dimatikan dan dikunci. Sumbernya modul, jam, alarm, penerima kunci jarak jauh, dan aksesori seperti pelacak dan kamera dasbor. Modul memerlukan waktu untuk tidur setelah pintu dikunci, sehingga arus yang diukur segera setelah kunci dicabut jauh lebih besar.

Batas arus parasit yang dianggap normal berbeda antarsumber, dari kurang dari 30 mA sampai puluhan miliampere. Angka arus parasit di contoh hanya untuk berlatih, bukan batas; batas untuk kendaraan tertentu dari manual servis. Waktu sampai aki terkuras ke batas yang masih aman untuk menstarter:

$$t = \frac{C_\text{boleh}}{I_\text{parasit}}$$

dengan $t$ dalam jam, $C_\text{boleh}$ muatan yang boleh diambil dalam ampere-jam, dan $I_\text{parasit}$ dalam ampere.

Cara mengukurnya:

1. Ampermeter seri di kutub negatif. Multimeter jangkauan ampere dipasang di antara kutub negatif dan kabelnya, seperti pengukuran arus seri di Bab 15 · Kelistrikan & Kendali tentang multimeter digital. Selama alat terpasang, mobil tidak distarter dan beban besar tidak dinyalakan, karena arusnya melampaui batas terminal alat. Bila modul bangun setiap suplai terputus, pasang kabel jembatan selama alat dipasang, lalu lepas dan tunggu modul tidur.
2. Tang ampere arus searah. Tang efek Hall yang sudah dinolkan dijepit pada kabel negatif aki, seperti di Bab 16 · Kelistrikan & Kendali tentang tang ampere, dengan rentang miliampere yang dijamin lembar datanya.
3. Mencabut sekring satu per satu sambil mengamati arus. Mencabut sekring dapat membangunkan modul, jadi tunggu lagi setiap langkah.
4. Tegangan jatuh di atas sekring. Tegangan milivolt di atas sekring yang terpasang dibagi resistans sekring dari tabel pabrik memberi arus sirkuitnya tanpa membuka apa pun (Contoh 6).

Sebuah laporan lapangan menunjukkan bahwa arus siaga bekerja diam-diam: pemilik sebuah mobil listrik mengira aki 12 V-nya terjaga tanpa campur tangan, dan memang begitu selama 21 bulan pertama.

Aki di kendaraan yang jarang dipakai

Kendaraan cadangan, mobil yang diparkir lama, dan mobil yang hanya dipakai jarak pendek memerlukan perlakuan aki tersendiri:

1. Catat tegangan istirahat seminggu sekali pada pagi hari dengan cara yang sama, supaya penurunan terlihat sebelum mobil mogok.
2. Sebelum libur panjang, hitung waktu kuras dari arus parasit terukur dengan rumus waktu kuras di atas (Latihan 1).
3. Pakai pengisi pemelihara yang sesuai jenis aki. Pengisi pemelihara (maintenance charger) adalah pengisi aki otomatis berarus kecil yang menahan aki tetap penuh tanpa mengisinya berlebih.
4. Bila manual mengizinkan, lepas kabel negatif atau pakai pemutus aki; melepas aki menghapus memori sebagian modul.
5. Pasang aksesori pada sirkuit yang mati saat kunci dicabut, dan matikan mode parkir kamera dasbor bila tidak diperlukan.

Aki yang sering dibiarkan setengah kosong tersulfatasi dan kehilangan kapasitas secara permanen, seperti di Bab 7, dan mengganti aki tanpa menghilangkan penyebabnya hanya memindahkan masalah ke aki baru.

Menyalakan dengan kabel jumper secara aman

Aki asam timbal melepaskan hidrogen, terutama ketika diisi atau dikosongkan berlebih, seperti dijelaskan di Bab 7 tentang baterai traksi. Hidrogen di sekitar lubang ventilasi aki dapat menyala oleh percikan, dan percikan muncul pada jepitan terakhir yang menutup rangkaian. Karena itu jepitan terakhir dipasang jauh dari aki. Urutannya:

1. Kabel merah ke kutub positif aki yang tekor.
2. Ujung lain kabel merah ke kutub positif aki yang baik.
3. Kabel hitam ke kutub negatif aki yang baik.
4. Ujung lain kabel hitam, terakhir, ke logam bersih tanpa cat di mesin mobil yang mogok, jauh dari aki, misalnya titik yang ditunjuk buku pedoman pemilik.

Kabel dilepas dengan urutan terbalik. Sebuah artikel tahun 1986 masih mengizinkan kutub negatif aki tekor sebagai titik terakhir; panduan yang lebih baru menolaknya karena hidrogen, dan bab ini mengikuti panduan yang lebih baru.

Prinsip lain: kedua sistem bertegangan nominal sama; aki yang retak, bocor, menggembung, atau berbau menyengat tidak dijumper; pakai pelindung mata; matikan lampu dan AC; jauhkan kabel dari kipas dan sabuk; dan bila ada sensor arus di kutub negatif aki, jepitan negatif dipasang di titik bodi yang ditunjuk pabrik. Mobil hibrida atau listrik hanya menjadi pemberi atau penerima jumper bila manualnya mengizinkan, seperti peran aki 12 V di Bab 22 tentang mobil listrik dan hibrida.

Penyala portabel disebut lebih aman bagi sopir yang bekerja sendirian, tetapi aki tetap diuji setelah mobil hidup. Sopir di kasus pembuka menjepit kutub aki tekor yang berbau asam dan mengulang jumper tanpa mencari penyebab.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Untuk kendaraan nyata, angka pembanding diambil dari manual pabrik kendaraan dan pabrik aki.

Contoh 1: kuras akhir pekan di kasus pembuka. Setelah modul tidur, arus parasit 310 mA: 30 mA dari mobil, 30 mA dari pelacak, dan 250 mA dari kamera dasbor dalam mode parkir. Dari Sabtu sore sampai Senin pagi, sekitar 40 jam, terambil $0{,}31 \times 40 = 12{,}4$ Ah. Aki 45 Ah yang hanya 60 persen penuh pada Sabtu, yaitu 27 Ah, tersisa $27 - 12{,}4 = 14{,}6$ Ah, sekitar 32 persen. Malam hari kerja, 12 jam, hanya mengambil 3,7 Ah. Tanpa mode parkir kamera, kuras akhir pekan $0{,}060 \times 40 = 2{,}4$ Ah, dan aki masih sekitar 55 persen pada Senin.

Contoh 2: muatan untuk menstarter. Starter menarik rata-rata 200 A selama 3 detik: $200 \times 3 = 600$ A·s, yaitu $600/3.600 = 0{,}17$ Ah, kurang dari 0,4 persen aki 45 Ah. Dengan surplus pengisian 5 A, muatan itu kembali dalam $600/5 = 120$ detik. Kuras akhir pekan di Contoh 1 sekitar 74 kali lebih besar.

Contoh 3: tegangan jatuh kabel starter. Saat diengkol pada 200 A, aki terbaca 10,2 V, kabel positif turun 0,3 V, dan sisi pembumian 0,9 V. Resistansnya $0{,}3/200 = 1{,}5$ mΩ dan $0{,}9/200 = 4{,}5$ mΩ, dan starter hanya menerima $10{,}2 - 0{,}3 - 0{,}9 = 9{,}0$ V. Dengan acuan 0,5 V per sisi, pembumian buruk. Setelah dibersihkan dan dikencangkan, pembumian turun 0,2 V, dan starter menerima 9,7 V.

Contoh 4: uji beban. Aki CCA 500 A yang penuh terbaca 12,6 V, lalu dibebani $500/2 = 250$ A selama 15 detik. Tegangan akhir 9,2 V, di bawah patokan 9,6 V, jadi aki diisi dan diuji sekali lagi; bila gagal lagi, aki diganti. Resistans dalamnya $(12{,}6 - 9{,}2)/250 = 0{,}0136$ Ω, sekitar 13,6 mΩ, dibanding 8,8 mΩ untuk aki baru sejenis yang terbaca 10,4 V.

Contoh 5: lampu tambahan. Dua lampu kerja 55 W untuk bongkar muat malam menarik $110/12 = 9{,}2$ A pada 12 V, dan sekitar 8,0 A pada 13,8 V. Lampu dipasang lewat relai dengan arus kumparan sekitar 0,15 A, sehingga sakelar dasbor hanya membawa arus kumparan. Sekring 15 A dipasang dekat sumber, dengan kabel yang mampu membawa arus itu.

Contoh 6: mencari sirkuit penyumbang. Resistans satu ukuran sekring menurut tabel alat ukur 3,0 mΩ. Tegangan di atas sekring sirkuit aksesori 0,6 mV, jadi arusnya $0{,}6/3{,}0 = 0{,}20$ A; sekring lain hanya 0,09 mV, yaitu 30 mA. Sirkuit aksesori, tempat kamera dasbor tersambung, adalah penyumbang terbesar.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada bengkel berwenang bila:

1. Aki menggembung, retak, bocor, sangat panas, atau berbau menyengat; jangan diisi, dijumper, atau diuji beban.
2. Kabel, terminal, atau kotak sekring meleleh, berasap, atau berubah warna, atau sekring yang sama putus lagi setelah diganti.
3. Tegangan pengisian terus naik jauh di atas rentang manual, atau aki mendidih saat mesin hidup.
4. Arus parasit tetap tinggi setelah semua aksesori tambahan dilepas.
5. Pekerjaan menyentuh kendaraan hibrida atau listrik, sistem 48 volt, atau sistem tegangan tinggi; ikuti Bab 9 tentang keselamatan tegangan tinggi kendaraan dan manual pabrik.
6. Elektrolit memercik ke mata atau kulit; bilas dengan air yang banyak dan ikuti lembar data keselamatan seperti di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab ini memakai patokan aki 12 V dari Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik, kimia asam timbal dan hidrogen dari Bab 7 tentang baterai traksi, pengukuran arus dari Bab 15 · Kelistrikan & Kendali tentang multimeter digital dan Bab 16 · Kelistrikan & Kendali tentang tang ampere, dan sekring dari Bab 23 · Kelistrikan & Kendali tentang proteksi arus lebih. Bab 14 membahas kelistrikan sepeda motor, Bab 22 aki 12 V kendaraan hibrida dan listrik, dan Bab 20 serta Bab 21 pendinginan, pelumasan, dan emisi mobil.

Latihan dan pembahasan

Referensi