Mobil listrik dan hibrida, arsitektur: listrik baterai, hibrida seri, paralel, dan pembagi daya, hibrida colok, penambah jarak, sel bahan bakar, aki 12 volt dan pengubah DC-DC, dan aliran daya

Sebuah hotel di dekat bandara memiliki dua minibus diesel tua untuk antar-jemput tamu, dan manajemen menerima tiga penawaran pengganti: minibus hibrida, hibrida colok, dan listrik penuh. Sopir senior bertanya apakah hibrida harus dicas setiap malam, bagian keuangan bertanya apakah mobil listrik masih perlu ganti oli, dan bagian layanan tamu ingin menyediakan kopi panas di dalam mobil. Pada uji coba dengan unit hibrida pinjaman, seorang sopir memasang inverter 1,5 kW ke soket 12 V untuk mesin kopi dan membiarkannya menyala saat menunggu tamu dengan mobil dimatikan. Esok paginya mobil tidak mau siap jalan walaupun tangkinya penuh.

Ketiga penawaran memakai kata "listrik", tetapi cara kerjanya berbeda. Bab ini mengurai perbedaan itu supaya pilihan kendaraan, kebiasaan sopir, dan rencana perawatan cocok dengan arsitekturnya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas klasifikasi arsitektur, komponen utama dan aliran daya, aki 12 volt dan pengubah DC-DC, dan akibatnya bagi perawatan armada. Aliran energi dan regenerasi sebagai konsep ada di Bab 1; ringkasan baterai, motor traksi, dan keselamatan tegangan tinggi di Bab 2. Baterai traksi, sistem manajemen baterai, dan pengisian AC dan DC dibahas di Bab 7; motor traksi, inverter, dan pengereman regeneratif di Bab 8; kelas tegangan, bagian sistem tegangan tinggi, dan kebakaran baterai di Bab 9; diagnosis, termasuk baterai 12 V yang lemah, di Bab 10. Aki starter dan kelistrikan 12 volt mobil konvensional dibahas di Bab 19; manajemen termal di Bab 23 dan pengisian di hotel dan gedung di Bab 24.

Angka spesifikasi kendaraan tertentu, seperti kapasitas pengubah DC-DC atau interval servis, diambil dari manual pabrik. Pekerjaan pada bagian bertegangan tinggi berada di luar wewenang teknisi umum dan mengikuti Bab 9 tentang peran dan kompetensi.

Tiga pertanyaan untuk mengelompokkan arsitektur

Setiap arsitektur dapat dibaca dengan tiga pertanyaan:

1. Apa yang memutar roda? Motor listrik saja, mesin saja, atau keduanya.
2. Dari mana energinya? Bahan bakar cair di tangki, listrik di baterai traksi, atau hidrogen di tangki bertekanan.
3. Apakah baterainya diisi dari jaringan listrik? Bila ya, kendaraan memerlukan rencana pengisian seperti di Bab 24 tentang pengisian di hotel dan gedung.

Kendaraan listrik baterai

Kendaraan listrik baterai (battery electric vehicle, BEV) adalah mobil yang digerakkan motor listrik dengan energi dari pak baterai traksi yang diisi dari stopkontak atau peralatan pengisian. Menurut pusat data bahan bakar alternatif Departemen Energi Amerika Serikat (AFDC), motor listrik menggantikan mesin pembakaran, dan kendaraan ini tidak memiliki sistem bahan bakar berupa pompa, saluran, dan tangki. AFDC mendaftar komponen utamanya: pengisi di dalam kendaraan yang mengubah AC menjadi DC untuk mengisi pak traksi, pengendali elektronika daya yang mengatur aliran energi serta putaran dan torsi motor, pak baterai traksi yang menyimpan listrik, pengubah DC-DC, dan baterai bantu bertegangan rendah.

Pak traksi mobil umumnya bertegangan 300 sampai 450 V, dan sebagian kendaraan baru sekitar 800 V, seperti dicatat Bab 9 tentang kelas tegangan. Rantai inverter, motor, dan reduksi mencapai sekitar 85 sampai 90 persen pada titik kerja yang baik menurut Bab 8 tentang motor traksi dan inverter, jauh di atas mesin pembakaran. Kendaraan listrik baterai umumnya memakai satu reduksi tetap, bukan transmisi bertingkat, juga menurut Bab 8.

Hibrida seri, paralel, dan pembagi daya

Kendaraan hibrida (hybrid electric vehicle, HEV) adalah kendaraan yang memakai mesin pembakaran dan penggerak listrik bersama baterai traksi kecil yang diisi oleh mesin dan pengereman regeneratif, bukan dari jaringan listrik. Cara mesin dan motor berbagi tugas menentukan jenisnya:

• Hibrida seri (series hybrid) adalah hibrida yang mesinnya hanya membangkitkan listrik lewat generator untuk baterai atau motor traksi, sedangkan roda digerakkan motor listrik saja.
• Hibrida paralel (parallel hybrid) adalah hibrida yang mesinnya dapat memutar roda langsung, dibantu atau digantikan motor listrik. Susunan ini cocok untuk jalan tol.
• Hibrida pembagi daya (power-split atau series-parallel hybrid) adalah hibrida yang dapat bekerja seperti hibrida seri di kota dan seperti hibrida paralel di jalan cepat. Pembagian daya mesin ke roda dan ke generator biasanya dilakukan perangkat roda gigi planet, jenis roda gigi yang juga dipakai transmisi otomatis di Bab 5 tentang transmisi dan penggerak.

Pada hibrida seri, daya mesin selalu diubah menjadi listrik lalu kembali menjadi gerak; pada hibrida paralel, daya mesin langsung lewat transmisi. Di kota, hibrida seri dapat menjalankan mesin di titik kerja terbaiknya atau mematikannya, sedangkan mesin paralel pada beban ringan bekerja jauh dari titik terbaiknya (Contoh 4). Hibrida pertama umumnya berkonfigurasi seri. Semua jenis hibrida memakai pengereman regeneratif, yang juga mengurangi keausan rem dan debu partikel halusnya.

Hibrida colok, penambah jarak, dan hibrida ringan

Hibrida colok (plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) adalah hibrida yang baterainya lebih besar dan dapat diisi dari jaringan listrik. Menurut AFDC, kendaraan ini memakai motor listrik dan mesin bensin, biasanya berjalan dengan listrik sampai baterainya hampir habis, lalu otomatis beralih ke mesin. Hibrida colok yang tidak pernah dicolokkan bekerja sebagai hibrida biasa yang membawa baterai lebih berat, sehingga manfaatnya bergantung pada disiplin pengisian.

Kendaraan penambah jarak (range-extended electric vehicle, REEV) adalah kendaraan listrik berbaterai besar yang dapat diisi dari jaringan dan membawa mesin kecil yang hanya membangkitkan listrik. Secara arsitektur, kendaraan ini adalah hibrida seri dengan baterai besar.

Hibrida ringan (mild hybrid) adalah mobil bermesin dengan sistem 48 V dan motor-generator kecil yang membantu mesin dan menyalakannya ulang, tetapi tidak dapat berjalan lama dengan listrik saja. Hibrida ringan dirawat hampir seperti mobil konvensional di Bab 19 tentang kelistrikan 12 volt, ditambah sistem 48 V menurut manual.

Kendaraan sel bahan bakar

Sel bahan bakar (fuel cell) adalah sel galvanik yang terus-menerus dipasok bahan bakar, paling sering hidrogen atau metana, bersama oksidator. Reaksi redoksnya sama dengan pembakaran tetapi berlangsung lewat elektrokimia berkatalis yang jauh lebih efisien, dan sel hidrogen yang umum memakai elektrode grafit berkatalis platina:

$$\text{anode: } 2\,\text{H}_2 \rightarrow 4\,\text{H}^+ + 4\,e^- \qquad \text{katode: } \text{O}_2 + 4\,\text{H}^+ + 4\,e^- \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} \qquad E_\text{sel} \approx 1{,}2 \text{ V}$$

dengan $e^-$ elektron yang mengalir lewat rangkaian luar dan $E_\text{sel}$ tegangan sel (V). Baterai habis karena pereaksinya terbatas, sedangkan sel bahan bakar terus bekerja selama pereaksi dipasok dan produknya dibuang.

Kendaraan sel bahan bakar (fuel cell electric vehicle, FCEV) adalah kendaraan listrik yang listriknya dibangkitkan tumpukan sel bahan bakar hidrogen di dalam kendaraan, dengan baterai sebagai penyangga daya. Kendaraan ini memerlukan pengubah DC-DC untuk mencocokkan tegangan tumpukan dengan pak baterai. Hidrogen menyala di udara mulai sekitar 4 persen volume menurut Bab 7 tentang ruang pengisian, sehingga kebocoran hidrogen adalah keadaan darurat.

Efisiensi energi sel bahan bakar sekitar 50 sampai 75 persen, dibanding sekitar 20 sampai 25 persen untuk mesin pembakaran dengan reaksi redoks yang sama. Mesin bensin mobil modern berefisiensi sekitar 30 persen, dan Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam mencatat sekitar 30 sampai 40 persen pada titik kerja terbaik. Angka rendah mewakili pemakaian rata-rata, angka tinggi titik kerja terbaik. Prototipe kendaraan pribadi sudah ada, tetapi teknologinya masih relatif belum matang; ketersediaan pengisian hidrogen di Indonesia belum dapat dipastikan.

Aki 12 volt dan pengubah DC-DC

Pengubah DC-DC (DC/DC converter) adalah elektronika daya yang mengubah arus searah bertegangan tinggi dari pak traksi menjadi arus searah bertegangan rendah untuk aksesori dan untuk mengisi baterai bantu. Baterai bantu, yaitu aki 12 V, memberi listrik untuk menghidupkan mobil sebelum baterai traksi tersambung dan memasok aksesori. Aki asam timbal mobil terdiri atas enam sel 2 V seri.

Urutan siap jalan: aki 12 V membangunkan modul kendali, modul menutup kontaktor pak traksi, lalu pengubah DC-DC memasok jaringan 12 V. Menurut Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik, pengubah DC-DC mengisi aki hanya ketika kendaraan siap jalan atau sedang diisi, sehingga aki yang lemah membuat mobil gagal siap jalan walaupun baterai traksinya penuh. Banyak hibrida memutar mesinnya dengan motor-generator bertegangan tinggi, bukan motor starter 12 V, tetapi aki 12 V tetap diperlukan untuk menutup kontaktor.

Laporan pengguna di forum tentang inverter 12 V di mobil hibrida menyebut bahwa menyambung inverter ke 12 V "akan membunuh baterai bantu dalam waktu singkat" bila dipakai pada 1,5 sampai 2 kW, dan bahwa kendaraan perlu memasok sekitar 62 A ke inverter selama kendaraan hidup. Kutipan ini laporan lapangan, bukan patokan (Contoh 1 dan 2). Kapasitas pengubah DC-DC terbatas menurut desain pabrik, dan aki 12 V tidak dirancang memasok beban kilowatt saat kendaraan mati. Beban tambahan dihitung terhadap kapasitas di manual, dipasang di titik yang diizinkan pabrik, dan tidak menyala ketika kendaraan tidak siap jalan. Uji aki dan cara menyalakan dengan kabel jumper dibahas di Bab 19 tentang kelistrikan 12 volt; pada mobil listrik dan hibrida, titik sambung jumper hanya yang ditunjuk manual.

Aliran daya menurut mode

Tabel berikut merangkum mode umum; pola rinci setiap kendaraan, termasuk kapan mesin hidup, ada di manual pabrik.

Hibrida colok dibangun di atas salah satu susunan mekanis di tabel dan, menurut AFDC, berjalan dengan listrik sampai muatannya hampir habis. Batas daya regenerasi oleh baterai yang penuh atau dingin dan pembagian dengan rem gesek dijelaskan di Bab 8 tentang motor traksi dan pengereman regeneratif.

Arti bagi perawatan armada

Interval dan prosedur perawatan diambil dari manual pabrik.

Rem gesek yang jarang bekerja dapat berkarat dan macet, seperti diingatkan Bab 8 tentang pengereman regeneratif dan Bab 6 tentang rem, sehingga tetap diperiksa. Mesin hibrida colok yang jarang hidup tetap dirawat berdasarkan waktu menurut manual, karena oli dan bahan bakar menua walaupun jaraknya kecil. Kompresor AC listrik termasuk sistem tegangan tinggi menurut Bab 9 tentang keselamatan tegangan tinggi, sehingga servis AC-nya dibahas tersendiri di Bab 23 tentang manajemen termal. Bagi hotel, keputusan juga memuat kebiasaan: siapa yang mencolokkan kendaraan setiap malam, siapa yang mencatat data kendaraan seperti di Bab 10 tentang diagnosis, dan bengkel mana yang berwenang menangani sistem tegangan tinggi.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: kasus forum dan inverter 1,5 kW. Angka forum, 62 A pada 12 V, setara $62 \times 12 = 744$ W, cocok dengan inverter sekitar 750 W. Inverter 1,5 kW di kasus pembuka, dengan efisiensi inverter 0,90, menarik $1.500/0{,}90 = 1.667$ W, yaitu $1.667/12 = 139$ A dari aki 12 V, atau sekitar 119 A pada 14 V bila pengubah DC-DC bekerja. Angka ini dibandingkan dengan kapasitas pengubah DC-DC di manual.

Contoh 2: aki 12 V terkuras saat mobil mati. Ketika mobil tidak siap jalan, pengubah DC-DC tidak bekerja dan seluruh 139 A diambil dari aki. Aki 45 Ah yang boleh diambil kira-kira separuhnya, 22,5 Ah, sebelum tegangannya terlalu rendah untuk membangunkan modul bertahan $22{,}5/139 = 0{,}16$ jam, sekitar 10 menit. Pada arus sebesar itu kapasitas yang tersedia lebih kecil lagi, seperti dijelaskan Bab 7 tentang kapasitas dan laju pengosongan baterai. Mesin kopi yang menyala setengah jam cukup untuk membuat mobil gagal siap jalan.

Contoh 3: jarak listrik hibrida colok. Hibrida colok dengan energi baterai pakai 13 kWh dan konsumsi 0,18 kWh/km menempuh $13/0{,}18 = 72$ km dengan listrik. Rute bandara pergi-pulang 90 km berarti sekitar 72 km listrik dan 18 km dengan mesin. Bila minibus menjalani dua rute per hari tanpa pengisian di antaranya, porsi listriknya $72/180 = 40$ persen.

Contoh 4: efisiensi seri dan paralel di jalan cepat. Mesin pada titik kerja yang baik berefisiensi 0,35, dalam rentang Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam. Pada hibrida seri, daya mesin melewati generator 0,94, elektronika generator 0,97, inverter motor 0,97, motor 0,94, dan reduksi 0,97, sehingga jalur listriknya $0{,}94 \times 0{,}97 \times 0{,}97 \times 0{,}94 \times 0{,}97 = 0{,}81$ dan totalnya $0{,}35 \times 0{,}81 = 0{,}28$. Pada hibrida paralel, mesin langsung lewat transmisi 0,95: $0{,}35 \times 0{,}95 = 0{,}33$. Di kota hasilnya berbalik bila mesin paralel memutar roda pada beban ringan dengan efisiensi 0,20: $0{,}20 \times 0{,}95 = 0{,}19$. Karena itu pembagi daya memilih cara seri di kota dan cara paralel di jalan cepat.

Contoh 5: energi harian minibus listrik. Minibus listrik menjalani dua rute bandara, 180 km per hari, dengan konsumsi 0,22 kWh/km. Energi hariannya $180 \times 0{,}22 = 39{,}6$ kWh. Bila hotel ingin cadangan 20 persen dari energi pakai, energi pakai baterai paling kecil $39{,}6/0{,}8 = 49{,}5$ kWh. Pengisian malam dengan pengisi AC 7,4 kW dan efisiensi 0,9 memakan $39{,}6/(7{,}4 \times 0{,}9) = 5{,}9$ jam; perencanaan titik pengisiannya ada di Bab 24 tentang pengisian di hotel dan gedung.

Contoh 6: memilih arsitektur untuk dua rute. Rute A antar-jemput bandara 180 km per hari, sebagian besar jalan tol; rute B antar-jemput kota 60 km per hari dengan banyak berhenti. Hibrida colok Contoh 3 menempuh seluruh rute B dengan listrik karena 60 km kurang dari 72 km, tetapi hanya 40 persen rute A. Hibrida biasa cocok untuk rute B karena regenerasi dan mesin mati saat berhenti, tanpa titik pengisian. Minibus listrik dengan energi pakai 49,5 kWh menjangkau $49{,}5/0{,}22 = 225$ km, cukup untuk kedua rute bila diisi setiap malam. Kapasitas listrik parkir untuk pengisian dibahas di Bab 24.

Kondisi berhenti

Pada keadaan berikut, pekerjaan atau pemakaian kendaraan dihentikan. Yang mengambil alih adalah pihak yang disebut di butir itu; bila butir tidak menyebutnya, keputusan berikutnya diambil bengkel berwenang.

1. Pekerjaan yang membuka, melepas, atau mengukur kabel oranye, pak traksi, inverter, pengubah DC-DC, atau kompresor AC listrik dihentikan dan diserahkan kepada orang berwenang menurut Bab 9 tentang peran dan kompetensi.
2. Peralatan tambahan di jaringan 12 V yang tidak tercantum di manual ditahan sampai kapasitas pengubah DC-DC dan titik sambungnya dipastikan dari pabrik atau bengkel resmi.
3. Mobil gagal siap jalan walaupun baterai traksi penuh: periksa aki 12 V menurut Bab 10 tentang diagnosis dan Bab 19 tentang uji aki; jangan menyambung kabel jumper ke titik yang tidak ditunjuk manual.
4. Peringatan sistem hibrida, isolasi, atau suhu baterai menyala: kendaraan tidak dipakai mengangkut tamu sampai diperiksa bengkel berwenang.
5. Kendaraan sel bahan bakar dengan peringatan sistem hidrogen, bunyi desis, atau tangki rusak: jauhkan orang dan sumber nyala, jangan menyalakan kendaraan, dan hubungi layanan darurat pabrik dan pemadam kebakaran.
6. Kendaraan listrik atau hibrida yang tertabrak di bagian bawah atau terendam banjir diperlakukan sebagai kendaraan rusak menurut Bab 9 tentang keselamatan tegangan tinggi.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 tentang aliran energi kendaraan memberi kerangka tabel mode di sini. Bab 7 tentang baterai traksi, Bab 8 tentang motor dan inverter, dan Bab 9 tentang keselamatan tegangan tinggi menjelaskan komponen yang di sini hanya disebut perannya. Bab 10 tentang diagnosis memakai rantai aki 12 V, kontaktor, dan pengubah DC-DC. Bab 19 tentang kelistrikan 12 volt memberi uji aki dan cara menyalakan dengan kabel jumper. Bab 23 tentang manajemen termal dan Bab 24 tentang pengisian di hotel dan gedung melanjutkan bab ini.

Latihan dan pembahasan

Referensi