Sepeda motor listrik: arsitektur, motor di roda dan motor tengah, pengendali motor, pedal gas elektronik, pengereman regeneratif, energi per kilometer, dan jangkauan

Sebuah hotel dengan tiga cabang di satu kota memakai dua sepeda motor bensin untuk mengantar dokumen, linen cadangan, dan suku cadang kecil antarcabang. Manajemen ingin menggantinya dengan sepeda motor listrik. Brosur pabrik menyebut jangkauan 60 km sekali isi. Catatan odometer sebulan menunjukkan rute harian rata-rata 40 km, termasuk tanjakan panjang menuju cabang di perbukitan, dan kendaraan hampir selalu membawa muatan. Bagian pembelian bertanya kepada teknisi: apakah satu kali pengisian cukup untuk satu hari, dan apa yang harus disiapkan di gedung?

Brosur saja tidak cukup untuk menjawabnya. Jangkauan adalah energi baterai yang dapat dipakai dibagi energi per kilometer di rute itu, dan energi per kilometer berubah besar karena tanjakan, muatan, kecepatan, dan cara berkendara. Bab ini menjelaskan bagian sepeda motor listrik, cara motor dan pengendalinya bekerja, dan cara menghitung kebutuhan energi rute sebelum membeli.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sepeda motor listrik roda dua untuk armada operasional: arsitektur, motor di roda dan motor tengah, motor BLDC dan sensor posisi, pengendali motor, pedal gas elektronik dan interlock, pengereman regeneratif, energi per kilometer, jangkauan, dan kelas tegangan. Aliran energi kendaraan dijelaskan di Bab 1; daya, torsi, dan energi gerak di Bab 2; komutasi elektronik dan sensor Hall motor BLDC di Bab 45 · Kelistrikan & Kendali; rumus gaya hambat kendaraan di Bab 5; sel, kapasitas, dan sistem manajemen baterai di Bab 7; inverter, PWM, dan batas regenerasi di Bab 8; kelas tegangan dan keselamatan tegangan tinggi di Bab 9; dan urutan diagnosis kendaraan listrik di Bab 10. Baterai dan pengisian sepeda motor listrik ada di Bab 17, dan konversi sepeda motor bensin ke listrik di Bab 18.

Membuka pak baterai, pengendali, atau motor, dan bekerja pada kabel daya tidak dibahas; pekerjaan itu milik bengkel resmi menurut manual pabrik. Angka untuk satu kendaraan diambil dari manual pabrik; angka contoh di bab ini hanya untuk berhitung.

Arsitektur sepeda motor listrik

Sepeda motor listrik (electric motorcycle) adalah sepeda motor yang digerakkan motor listrik dengan energi dari pak baterai yang dibawa kendaraan. Susunan yang umum dijumpai:

Ketika kapasitas dan kerapatan energi baterai naik, pemantauan dan pengendalian yang canggih menjadi penting untuk mencegah panas berlebih, menjaga pengisian yang seimbang, dan memperpanjang umur pakai.

Di Indonesia, PM 45 Tahun 2020 tentang kendaraan tertentu dengan penggerak motor listrik mengatur sepeda listrik. Sepeda listrik (electric bicycle) adalah kendaraan tertentu beroda dua dengan penggerak motor listrik yang menurut PM 45 Tahun 2020 dibatasi kecepatan paling tinggi 25 km/jam. Sepeda listrik juga wajib memiliki lampu utama, reflektor, rem, dan klakson; penggunanya berhelm dan berusia paling rendah 12 tahun; dayanya dilarang dimodifikasi untuk menambah kecepatan; dan kendaraannya dioperasikan di lajur khusus atau kawasan tertentu. Sepeda motor listrik yang lebih cepat termasuk kendaraan bermotor yang diregistrasi; batas daya dan kecepatan resmi antara keduanya belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 18 Oktober 2026. Pada akhir 2022 terdapat sekitar 32.000 sepeda motor listrik di antara sekitar 125 juta sepeda motor di Indonesia.

Motor di roda dan motor tengah

Motor di roda (hub motor) adalah motor listrik yang rotornya menyatu dengan velg roda sehingga memutar roda langsung tanpa rantai atau sabuk. Motor tengah (mid-drive motor) adalah motor listrik yang dipasang di rangka dan memutar roda belakang melalui reduksi rantai, sabuk, atau roda gigi. Hubungan torsi dan putaran keduanya:

$$T_\text{motor} = \frac{F\,r}{i\,\eta_\text{red}}, \qquad n_\text{roda} = \frac{60\,v}{2\pi r}, \qquad n_\text{motor} = i\,n_\text{roda}$$

dengan $T_\text{motor}$ torsi motor (N·m), $F$ gaya dorong di ban (N), $r$ jari-jari roda (m), $i$ rasio reduksi, $\eta_\text{red}$ efisiensi reduksi, $v$ kecepatan (m/s), dan $n$ putaran (rpm). Pada motor di roda, $i = 1$ dan $\eta_\text{red} = 1$.

Motor spindel berputaran tinggi bertorsi kecil, sedangkan motor di roda bertorsi besar pada putaran rendah. Perbandingan motor di roda dan motor tengah:

Rantai motor tengah mulur karena aus pin dan bus, seperti dibahas di Bab 6 · Mekanikal & Mekatronika tentang rantai rol, dan perawatan rantai dan gir sepeda motor ada di Bab 13. Motor di roda menanjak dengan arus besar pada putaran rendah, sehingga lebih cepat panas di tanjakan panjang bermuatan.

Motor BLDC, sensor posisi, dan pengendali motor

Motor sepeda motor listrik umumnya motor magnet permanen tiga fasa, BLDC atau PMSM, yang komutasinya elektronik seperti di Bab 45 · Kelistrikan & Kendali tentang motor BLDC. Pada jenis bersensor, tiga sensor Hall membaca posisi kutub rotor. Sensor itu memanfaatkan efek Hall: medan magnet rotor membelokkan pembawa muatan di keping semikonduktor, dan tegangan kecil yang timbul diubah menjadi sinyal tinggi atau rendah. Jenis tanpa sensor membaca GGL lawan dan perlu urutan asut khusus, seperti dijelaskan di Bab 45 · Kelistrikan & Kendali. Gejala sensor Hall atau kabelnya terganggu: motor tersentak, bergetar, atau tidak mau berangkat dari diam, tetapi berjalan normal setelah didorong.

Pengendali motor (motor controller) adalah perangkat elektronika daya yang mengubah arus searah pak baterai menjadi arus tiga fasa yang diatur untuk motor, sesuai permintaan pedal gas dan batas perlindungannya. Pada tegangan sepeda motor listrik, jembatan tiga fasanya umumnya memakai MOSFET, dengan PWM seperti di Bab 8 tentang inverter. Pengendali membatasi arus baterai, arus fasa, suhu pengendali dan motor, dan tegangan pak terendah. Rugi diabaikan, daya di kedua sisi pengendali kira-kira sama, dan tegangan rata-rata fasa adalah $D\,V_\text{pak}$ seperti di Bab 8:

$$V_\text{pak}\,I_\text{pak} \approx D\,V_\text{pak}\,I_\text{fasa} \quad\Rightarrow\quad I_\text{fasa} \approx \frac{I_\text{pak}}{D}$$

dengan $I_\text{pak}$ arus baterai (A), $I_\text{fasa}$ arus fasa motor (A), dan $D$ siklus kerja PWM antara 0 dan 1. Pada putaran rendah, $D$ kecil, sehingga arus fasa dapat beberapa kali arus baterai walaupun daya kecil. Karena torsi sebanding arus fasa, berangkat pelan di tanjakan bermuatan memanaskan motor dan pengendali tanpa menguras banyak energi.

Ketika suhu mendekati batas, pengendali menurunkan daya, seperti penurunan daya karena suhu di Bab 8. Keluhan "motor mati sendiri di tanjakan" sering berasal dari perlindungan ini atau dari tegangan pak yang turun di bawah batas saat arus besar, bukan dari baterai kosong. Catat suhu, keadaan muatan, kode galat, dan kondisi rute seperti urutan diagnosis di Bab 10.

Pedal gas elektronik, interlock, dan sistem 12 V

Pedal gas elektronik (electronic throttle) adalah grip putar pada setang yang mengirim sinyal tegangan ke pengendali sebagai permintaan torsi, tanpa kabel gas mekanis. Di dalamnya biasanya ada sensor Hall dan magnet yang ikut berputar. Rentang tegangan sinyal berbeda antarproduk dan diambil dari manual pabrik. Pengendali umumnya menolak berjalan bila gas sudah terbuka ketika kunci dinyalakan, dan mode berkendara membatasi arus atau kecepatan.

Sepeda motor listrik yang menyala tidak bersuara, sehingga interlock penting: sakelar standar samping mencegah motor berjalan saat standar turun, dan sakelar tuas rem memutus permintaan gas. Staf armada mematikan kunci sebelum turun, karena gas yang tersentuh dapat membuat kendaraan melompat.

Lampu, klakson, panel, dan kumparan kontaktor dicatu 12 V dari pengubah DC-DC; sebagian kendaraan juga membawa aki 12 V kecil. Aki dan kelistrikan 12 V sepeda motor dibahas di Bab 14, dan gangguan 12 V yang menimbulkan banyak kode galat di Bab 10.

Pengereman regeneratif pada sepeda motor

Batas regenerasi di Bab 8 berlaku juga di sini: baterai penuh atau dingin, batas arus dan suhu motor, kecepatan rendah, dan kestabilan. Pengereman regeneratif dapat mengurangi keausan rem dan debu partikulat halus, dan Bab 2 tentang pengereman kendaraan listrik menegaskan bahwa regenerasi tidak menggantikan rem gesek.

Ciri khas sepeda motor mengikuti perpindahan beban saat mengerem yang dibahas di Bab 15 tentang rem sepeda motor: motor biasanya hanya memutar roda belakang, sedangkan saat mengerem beban berpindah ke roda depan. Roda belakang hanya dapat memberi sebagian kecil gaya pengereman sebelum tergelincir, sehingga energi yang dapat dipulihkan kecil dan rem depan tetap rem utama. Regenerasi yang kuat di jalan basah dapat membuat roda belakang selip. Sebagian skuter mengaktifkan regenerasi saat gas dilepas, sebagian lagi saat tuas rem disentuh. Pada pagi hari, setelah pengisian penuh, regenerasi melemah, dan pengendara merasakan kendaraan "lebih licin" di turunan.

Energi per kilometer dari gaya hambat

Energi per kilometer (energy consumption per kilometre) adalah energi yang diambil dari baterai untuk menempuh satu kilometer, biasanya dinyatakan dalam watt-jam per kilometer. Gaya hambat pada kecepatan tetap memakai rumus Bab 5 tentang gaya dorong di roda, digabung untuk tanjakan:

$$F = m\,g\,(C_{rr}\cos\theta + \sin\theta) + \tfrac{1}{2}\,\rho\,C_d A\,v^2$$

dengan $m$ massa kendaraan, pengendara, dan muatan (kg), $g = 9{,}81$ m/s², $C_{rr}$ koefisien hambatan gelinding, $\theta$ sudut tanjakan, $\rho$ massa jenis udara (kg/m³), $C_d A$ hasil kali koefisien hambat dan luas depan (m²), dan $v$ kecepatan (m/s). Karena 1 Wh sama dengan 3.600 J, gaya dalam newton langsung memberi energi per kilometer di roda:

$$e_\text{roda} = \frac{F \times 1.000}{3.600} = \frac{F}{3{,}6}, \qquad e_\text{baterai} = \frac{e_\text{roda}}{\eta}$$

dengan $e$ dalam Wh/km dan $\eta$ efisiensi rantai dari baterai ke roda. Untuk sepeda motor kecil dipakai $C_{rr} = 0{,}015$, ujung atas rentang Bab 5, $C_d A = 0{,}6$ m², dan $\eta = 0{,}75$; ketiganya angka contoh untuk berhitung.

Ukuran nyata datang dari studi universitas di Ekuador pada sepeda motor listrik berpak litium 60 V 30 Ah di rute 25,8 km. Konsumsinya sekitar 41,3 Wh/km di jalan datar, sekitar 97,7 Wh/km di tanjakan 12 persen, dan mendekati nol di turunan. Hitungan di Contoh 2 mendekati angka tanjakan itu; angka datarnya jauh di atas hitungan kecepatan tetap, karena lalu lintas nyata penuh percepatan dan pengereman. Tegangan pak tidak menentukan energi per kilometer; yang menentukan adalah massa, medan, kecepatan, dan pola berhenti-jalan.

Jangkauan: klaim pabrik dan pemakaian nyata

Jangkauan dihitung seperti di Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik:

$$d = \frac{E_\text{pakai}}{e_\text{baterai}}, \qquad E_\text{pakai} = V_\text{nom}\,C\,f$$

dengan $d$ jangkauan (km), $V_\text{nom}$ tegangan nominal pak (V), $C$ kapasitas (Ah), dan $f$ bagian kapasitas yang dapat dipakai. Studi Ekuador memperkirakan jangkauan campuran 29,8 km, sekitar separuh dari 60 km di spesifikasi pabrik.

Klaim pabrik biasanya diperoleh pada kondisi yang menguntungkan, seperti pengendara ringan, jalan datar, kecepatan sedang yang tetap, baterai baru, dan seluruh kapasitas terpakai; cara uji klaim untuk satu produk ditanyakan ke pabrik. Di armada, jangkauan berkurang karena muatan, tanjakan, berhenti-jalan, kecepatan tinggi (hambatan udara naik dengan kuadrat kecepatan), angin, tekanan ban kurang seperti di Bab 15 tentang ban, baterai dingin atau menua seperti di Bab 7 tentang baterai traksi, dan cadangan yang sengaja disisakan.

Cara menilai yang dianjurkan:

1. Ukur rute nyata: jarak per segmen dan panjang tanjakan.
2. Uji coba kendaraan sejenis selama beberapa hari di rute itu, dengan muatan biasa, dan ukur energi pengisian dengan kWh meter di stopkontak (Contoh 6).
3. Pakai energi per kilometer hari terburuk, bukan rata-rata brosur.
4. Sisakan cadangan sekitar 20 persen, dan hitung juga dengan kapasitas setelah baterai menua.
5. Bila tidak cukup, pilih pak lebih besar, pak kedua, pengisian siang, atau layanan tukar baterai seperti di Bab 17.

Kelas tegangan dan bahaya

Tegangan sistem yang umum dijumpai pada sepeda motor listrik sekitar 48, 60, dan 72 V. Angka ini kebiasaan industri, bukan standar resmi; sumber resmi Indonesia yang menetapkannya tidak ditemukan. Bab 9 tentang keselamatan tegangan tinggi kendaraan memberi batas kelas A sampai sekitar 60 V DC. Dengan sel litium berbasis nikel sekitar 3,7 V nominal dan 4,2 V penuh menurut Bab 7 tentang baterai traksi, pak 13 seri bertegangan 48,1 V nominal dan 54,6 V penuh, pak 16 seri 59,2 V dan 67,2 V, dan pak 20 seri 74 V dan 84 V.

Dari Bab 7 dan Bab 9, pak 72 V nominal, yang penuh sekitar 84 V, melewati batas kelas A, dan pak 60 V yang penuh juga melewatinya, sedangkan pak 48 V tetap di bawahnya. Pak di atas batas itu diperlakukan dengan aturan tegangan tinggi di Bab 9. Pak 48 V pun berbahaya: arus hubung singkatnya sangat besar, dan kunci pas atau cincin yang menjembatani kutub dapat meleleh dan membakar, seperti kasus di Bab 9.

Teknisi fasilitas memeriksa dari luar (ban, rem, lampu, kabel terjepit, bekas panas di konektor pengisian) dan mengatur pengisian di gedung; membuka pak, pengendali, atau motor adalah pekerjaan bengkel resmi.

Contoh kerja

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

Contoh 1: energi per kilometer di jalan datar. Massa total 180 kg, $C_{rr} = 0{,}015$, $C_d A = 0{,}6$ m², $\rho = 1{,}2$ kg/m³, dan kecepatan 30 km/jam, yaitu 8,33 m/s. $F_\text{gel} = 0{,}015 \times 180 \times 9{,}81 = 26{,}5$ N dan $F_\text{udara} = 0{,}5 \times 1{,}2 \times 0{,}6 \times 8{,}33^2 = 25{,}0$ N, sehingga $F = 51{,}5$ N. Energi di roda $51{,}5/3{,}6 = 14{,}3$ Wh/km, dan dari baterai $14{,}3/0{,}75 = 19{,}1$ Wh/km. Daya di roda hanya $51{,}5 \times 8{,}33 = 429$ W.

Contoh 2: tanjakan 12 persen. Pada kemiringan 12 persen, $\theta = \arctan 0{,}12$, $\sin\theta = 0{,}119$ dan $\cos\theta = 0{,}993$. $F = 180 \times 9{,}81 \times (0{,}015 \times 0{,}993 + 0{,}119) + 25{,}0 = 26{,}3 + 210{,}4 + 25{,}0 = 261{,}7$ N. Energi di roda $261{,}7/3{,}6 = 72{,}7$ Wh/km, dan dari baterai $72{,}7/0{,}75 = 96{,}9$ Wh/km, kurang dari 1 persen di bawah 97,7 Wh/km studi Ekuador. Daya di roda $261{,}7 \times 8{,}33 = 2{,}18$ kW, lima kali daya di jalan datar.

Contoh 3: berhenti-jalan. Mempercepat 180 kg ke 30 km/jam memerlukan $E_k = 0{,}5 \times 180 \times 8{,}33^2 = 6.250$ J, yaitu 1,74 Wh di roda atau $1{,}74/0{,}75 = 2{,}31$ Wh dari baterai. Sepuluh kali percepatan per kilometer di lalu lintas padat, tanpa regenerasi, menambah 23,1 Wh/km, sehingga totalnya $19{,}1 + 23{,}1 = 42{,}2$ Wh/km. Berhenti-jalan dapat menjelaskan sebagian besar selisih Contoh 1 dengan 41,3 Wh/km terukur.

Contoh 4: energi yang dipulihkan regenerasi. Dari 40 km/jam, yaitu 11,11 m/s, $E_k = 0{,}5 \times 180 \times 11{,}11^2 = 11.111$ J, yaitu 3,09 Wh. Bila roda belakang mengambil 30 persen pengereman dan efisiensi kembali ke baterai 0,7, yang pulih $3{,}09 \times 0{,}3 \times 0{,}7 = 0{,}65$ Wh. Mempercepat kembali ke 40 km/jam mengambil $3{,}09/0{,}75 = 4{,}12$ Wh dari baterai, sehingga regenerasi hanya mengembalikan sekitar 16 persennya.

Contoh 5: rute antarcabang hotel. Rute 40 km per hari terdiri atas 32 km jalan kota, 4 km tanjakan sekitar 12 persen, dan 4 km turunan. Pak 60 V 30 Ah seperti pada studi Ekuador menyimpan $60 \times 30 = 1.800$ Wh, dan dengan 90 persen terpakai energi pakainya 1.620 Wh. Dengan angka studi Ekuador, energinya $32 \times 41{,}3 + 4 \times 97{,}7 + 4 \times 0 = 1.321{,}6 + 390{,}8 = 1.712$ Wh, lebih dari 1.620 Wh energi pakai pak itu. Dengan cadangan 20 persen, diperlukan $1.712 \times 1{,}2 = 2.055$ Wh energi pakai, atau $2.055/0{,}9 = 2.283$ Wh nominal, sekitar 38 Ah pada 60 V. Kendaraan seperti di brosur tidak cukup untuk sehari tanpa pengisian siang atau pak kedua, sampai uji coba di rute membuktikan sebaliknya; titik pengisiannya disiapkan menurut Bab 17 tentang baterai dan pengisian.

Contoh 6: mengukur energi per kilometer di armada. Pengisian sebuah sepeda motor uji setelah menempuh 40 km tercatat 1,9 kWh di kWh meter stopkontak. Dengan efisiensi pengisi 0,85, energi yang masuk baterai $1.900 \times 0{,}85 = 1.615$ Wh, sehingga energi per kilometer dari baterai $1.615/40 = 40{,}4$ Wh/km, dan dari jala-jala $1.900/40 = 47{,}5$ Wh/km. Angka jala-jala dipakai untuk biaya listrik, angka baterai untuk jangkauan.

Kondisi berhenti

Hentikan pemakaian atau pekerjaan, amankan kendaraan, dan serahkan ke bengkel resmi atau pabrik bila:

1. Pak, pengendali, atau motor berasap, berbau hangus, berdesis, atau terlalu panas disentuh; jauhkan orang dan ikuti Bab 9 tentang keselamatan tegangan tinggi kendaraan.
2. Kendaraan terendam sampai pak atau pengendali di bawah air, jatuh keras, atau tertabrak di area pak.
3. Panel menampilkan galat isolasi, galat sel, atau galat suhu yang belum ditangani menurut manual.
4. Kabel daya, konektor pak, atau terminal pengendali terlihat meleleh, berubah warna, terjepit, atau tergores sampai isolasinya terbuka.
5. Kendaraan bergerak sendiri, gas tidak kembali, atau interlock standar samping dan tuas rem tidak bekerja.
6. Rem depan atau belakang melemah; regenerasi tidak boleh dijadikan alasan menunda perbaikan rem gesek.
7. Pekerjaan memerlukan pembukaan pak, pengendali, motor, atau pengukuran pada kabel daya.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Dasar bab ini ada di Bab 1 dan Bab 2 tentang aliran energi kendaraan, Bab 45 · Kelistrikan & Kendali tentang komutasi BLDC, Bab 5 tentang gaya hambat, dan Bab 7 sampai Bab 10 tentang baterai traksi, inverter, keselamatan tegangan tinggi, dan diagnosis. Rantai ada di Bab 6 · Mekanikal & Mekatronika tentang sabuk dan rantai dan Bab 13 tentang penggerak sepeda motor, kelistrikan 12 V di Bab 14 tentang kelistrikan sepeda motor, dan rem sepeda motor di Bab 15. Bab 17 melanjutkan dengan baterai dan pengisian, dan Bab 18 dengan konversi sepeda motor bensin.

Latihan dan pembahasan

Referensi