Simulasi Interaktif untuk Pengajaran Pengaruh Manajemen Daya pada Konsumsi Energi Total

M.A. Samonig, G. Stojcic, S. Hecht, P. Nussbaumer, T.M. Wolbank Department of Energy Systems and Electrical Drives

Vienna University of Technology

Vienna, Austria

URL: http://www.ieam.tuwien.ac.at/forschung/sustener/

Diterjemahkan oleh: Nama : Ester Nugraheny Natalia Purba NPM : 1206243085 Mata Kuliah : Topik Khusus Tenaga Listrik

Abstrak Penggunaan energi berkelanjutan adalah kunci untuk pemecahan masalah lingkungan di masa depan. Tujuan proyek energi berkelanjutan adalah untuk memodernisasi pelatihan jurusan energi listrik berkelanjutan dengan mendorong munculnya metode baru dalam pendidikan dan perusahaan. Makalah ini menunjukkan proyek manajemen modul energi berkelanjutan pada mobil listrik hibrid. Dengan meningkatnya permintaan terhadap kendaraan listrik hibrid (HEV: Hybrid Electric Vehicle), mendukung terjadinya peningkatan pelatihan dan pendidikan insinyur yang berkualifikasi di bidang ini. Disamping itu, kunci dari bidang ini adalah pengembangan

dan desain dari komponen HEV yang berbeda serta efisiensi keseluruhan sistem. Untuk dapat mengembangkan kemampuan dan efisiensi HEV, diperlukan pengertian terhadap aliran daya dari satu komponen ke komponen yang lain. Pengajaran melalui media online memungkinkan masalah teknik pengajaran menjadi lebih mudah dipahami dan diterima. Oleh sebab itu sebuah simulasi interaktif dikembangkan untuk mempelajari aliran daya HEV. Dengan MATLAB/SIMULINK model HEV akan menunjukkan konfigurasi HEV dan analisis efisiensi untuk siklus spesifik penggerak.

Kata kunci Mobil listrik, hibrid, simulasi, aliran daya, efisiensi, pengajaran.

I. PENDAHULUAN

Sektor transportasi secara kuat dipengaruhi oleh ketersediaan sumber daya energi primer seperti minyak. Prediksi menunjukkan minyak akan mengalami kelangkaan pada dekade depan. Jaringan transportasi berbasis produksi minyak dan berasal dari produk minyak akan tidak lagi terjangkau. Lebih jauh lagi, limbah sumber daya dan polusi lingkungan menjadi masalah yang harus dipikirkan. Jadi pengurangan konsumsi minyak dan peningkatan efisiensi sangat mendesak dari dua sisi. Pengembangan dan perbaikan teknologi mutlak dilakukan untuk menyelesaikan masalah ini. Berdasarkan masalah ini, solusinya dapat ditemukan dengan mengurangi/mengganti transportasi berbasis minyak. Di sisi lain, jaringan distribusi daya dari bahan bakar fosil tidak dapat diabaikan. Transisi dari tansportasi minyak ke non minyak harus dilakukan secara perlahan-lahan dan berurutan. Dalam hal ini, teknologi kendaraan baru harus ,e,enuhi permintaan sejumlah poin. Saat ini teknologi tersebut dapat ditemukan pada HEV. HEV adalah sebuah bentuk teknologi yang mampu memenuhi kebutuhan dasar kendaraan, yakni: kecepatan dan kenyamanan individu dan irit sumber daya.

Sangat jelas bahwa riset ini harus ditingkatkan. Para insinyur dan mahasiswa dalam bidang ini harus termotivasi dan terdidik. Untuk meningkatkan minat dan kualitas pengajaran dibutuhkan pendukung dari teknologi informasi dan komunikasi modern. Masalah teknis yang kompleks dapat dijelaskan dalam cara yang mudah dan sederhana. Makalah ini menyajikan alat simulasi yang interaktif dan mendukung penyelesaian isu ini. Dalam tahapan pertama, permodelan berbasis MATLAB/Simulink dikembangkan untuk manajemen daya pada HEV. Setelah itu model akan ditransformasikan ke dalam bahasa pemrograman untuk memampukan penggunaan E-learning yang disediakan oleh proyek SustEner.

II. OBJEK PENGAJARAN DAN PERMINTAAN

Modul pembelajaran dialamatkan untuk grup spesifik dari insinyur dan calon insinyur. Target grup ini terdiri dari para insinyur dan mahasiswa yang tergabung dalam bidang e-mobility dan pelatihan aplikasi desain dalam HEV. Alat yang ada digunakan sebagai web browser berbasis program dan aplikasi.

Pengguna diarahkan melalui berbagai langkah yang berbeda baik kondisinya maupun konfigurasi simulasinya. Simulasi ditampilkan melalui simulasi longutudinal pergerakan siklus kendaraan. Fokus dari alat ini adalah untuk memberikan jumlah konsumsi daya dan efisiensi total dari parameter kendaraan yang telah dikonfigurasikan.

Faktor kunci yang dapat ditetapkan oleh operator berdasarkan alat ini dapat dideskripsikan sebagai berikut:

Konfigurasi kendaraan: rating daya dari pembakaran mesin internaldan mesin elektrik; konfigurasi ukuran penyimpanan baterai dan massa kendaraan. Menentukan strategi distribusi energi, melingkupi semua kendaraan listrik ke dalam mobil konvensional dengan pembakaran mesin.

Siklus penggerak: menentukan siklus penggerak seperti melalui New

European Driving Cycle (NEDC), dan manipulasi siklus penggerak. Tentukan siklus penggerak sendiri dengan persentase jalanan kota.

Kondisi ambien: memungkinkan berbagai macam bantuan sistem seperti: pendingin ruangan cahaya, hiburan, dan lain-lain. Merupakan representasi dari kebutuhan pengguna mobil.

Fokus pembelajaran modul ini terletak pada presentasi distribusi energi antara komponen kendaraan, bukan kepada fungsi tiap komponen secara individual. Dengan kemungkinan bahwa para siswa dapat memahami interaksi tiap komponen dalam keseluruhan sistem. Jadi tujuan pengajaran dapat didefinisikan sebagai:

Meningkatkan pengetahuan mengenai pengaruh hibridisasi dan efisiensi sistem. Efisiensi puncak sering disebut sebagai parameter dominan pada teknologi penggerak. Meskipun demikian, angka yang diperoleh pada operasi sering didefinisikan sebagai konsumsi energi saat beban parsial. Pada kasus seperti itu, konsumsi daya dapat melebihi permintaan daya kendaraan. Dengan membandingkan konfigurasi HEV dengan kendaraan konvensional, kita dapat mengerti efisiensi maksimun dan konsumsi bahan bakar.

Berdasarkan komponen tambahan dari penggerak HEV (seperti motor listrik dan baterai penyimpan) maka massa kendaraan juga akan bertambah. Sehingga rating daya dari mesin listrik dapat berubah ubah dan kapasitas baterai menjadi tidak rasional. Para siswa diharapkan mampu untuk mengatur rating daya dari HEV dan menentukan permintaan jarak penggerak dengan komponen yang tersedia.

Memperkirakan dampak ekologi dari mobilitas personal. Dengan membandingkan konsumsi total dan emisi CO2 dapat diketahui siklus penggerak berdasarkan situasi yang berbeda.

III. SIMULASI KENDARAAN LISTRIK HIBRID A. Kendaraan listrik hibrid dasar

Pada mobil listrik diperlukan gaya penggerak yang dihasilkan dari kombinasi pembakaran mesin internal (ICE) dan EM. Pandangan general dari komponen utama HEV digambarkan pada gambar 1.

Tujuan utama konfigurasi paralel EM adalah untuk membuat ICE tetap bekerja pada efisiensi pembakaran optimalnya. Tujuannya adalah untuk mengurangi konsumsi bahan bakar dan emisi polutan serta memperbaiki efisiensi seluruh sistem.

Gambar 1. Contoh penggerak hybrid

Kendaraan konvensional dan daya dengan ICE biasanya 10 kali kurang tepat dalam menentukan performa mesin yang diinginkan. Hal ini menyebabkan kerugian yang membuat ICE biasanya beroperasi dengan kondisi beban parsial dan tidak bekerja pada titik operasi optimumnya. Sebagai hasil, konsumsi daya sistem kendaraan pada pemanas, pendingin ruangan, power steering, audio, dan cahaya menjadi lebih tinggi daripada kondisi aktualnya. Ditambah lagi efisiensi penggerak secara drastis berkurang saat beban parsial. Meskipun demikian, publik biasanya hanya mendiskusikan puncak efisiensi sehingga terkadang membuat perkiraan operasi tidak dapat ditemui pada kondisi praktiknya. Dalam pandangan ini, kuncinya adalah HEV dapat mendistribusikan daya sebagai cara untuk menjaga nilai efisiensi setinggi mungkin.

Dalam situasi kemacetan kota, kecepatan rata-rata kendaraan adalah 20km/jam. Sehingga sangat jelas bahwa daya yang diperlukan adalah bagian dari daya kendaraan konvensional. Dengan mengoperasikan titik pengaturan ICE melalui EM, kerugian ini dapat dikurangi. Tingkat optimal hibridisasi setara dengan strategi pembagian beban dan penyimpanan energi listrik untuk efisiensi total. Nilai ini

bergantung pada siklus penggerak dan parameter kendaraan. Distribusi daya diatur dengan stategi pengaturan dan manajemen daya dari HEV. Tujuan dari manajemen daya ini adalah untuk mendistribusikan permintaan torsi dari performa penggerak, antara sumber daya yang berbeda dan menjaga efisiensi pada tingkat maksimum. Pengetahuan mengenai prosedur memungkinkan pengembangan lebih lanjut di area ini.

B. Mode Operasi HEV dapat dioperasikan dengan berbagai mode yang berbeda. Disamping

mode hibrid dengan kombinasi kerja ICE dan EM, mode elektrik dan mode konvensional juga memungkinkan. Pada modul saat ini, mode operasi dapat ditetapkan sebagai berikut; pada langkah pertama, kendaraan dapat dikonfigurasikan sebagai mobil konvensional dimana ICE hanya digunakan untuk tenaga penggerak. Hasilnya menunjukkan bahwa konsumsi bahan bakar dan emisi dapat digunakan sebagai perbandingan. Kemungkinan lain yang diberikan dari model ini adalah konfigurasi kendaraan yang dapat diasumsikan sebagai mobil listrik murni. Meskipun demikian, parameter kendaraan harus dapat diadaptasi pada skenario dunia nyata. Sebagai contoh, berat kendaraan harus ditingkatkan sebagai perbandingan kendaraan konvensional untuk daya yang sama. Pada akhirnya, kendaraan dapat dikonfigurasikan sebagai HEV. Dua strategi utama yang dapat diatur adalah efisiensi dan konsumsi bahan bakar ICE. Operasi dari HEV ini dikenal dengan kombinasi kerja ICE dan HEV. Meskipun demikian, ada beberapa titik dimana mode listrik murni atau konvensional murni dapat digunakan. Dua titik operasi tipikal diberikan pada kecepatan tinggi dan rendah. Pada kecepatan tinggi, diperlukan penggunaan EM saja. Sebaliknya pada kecepatan tinggi, operasi ICE lebih efisien daripada operasi elektrik. Pada akhirnya, siswa harus dapat memutuskan kriteria yang sesuai untuk meningkatkan efisiensi optimum dan konsumsi bahan bakar.

C. Simulasi komponen kendaraan Pada simulasi, sebuah model disimulasikan berbasis sistem paralel hibrid.

EM dengan elektronika daya dan penyimpanan baterai dapat ditukar on dan offnya. ICE dan EM dalam keadaan tidak terkopel, dan kendaraan dapat ddioperasikan secara konvensional (ICE saja), maupun secara elektrik dan campuran (operasi hibrid). Daya keluaran pada ICE dan EM dapar disuperposisi secara mekanik dengan penambahan

kecepatan, kopel langsung, atau daya tarik tambahan dari pemisahan ICE dan EM yang bekerja pada sumbu yang berbeda. Keuntungan utama dari konfigurasi paralel adalah kedua perangkat dapat didesain lebih kecil dari daya maksimun yang dibutuhkan saat penambahan daya dan torsi. Jadi, komponen penggerak dapat didesain lebih efisien. Lebih lanjut lagi, EM dapat dioperasikan sebagai motor maupun generator. Aliran daya dari sistem elektrik dapat ditentukan dari transfer energi antara baterai peenyimpan, inverter, dan motor/generator listrik. Sehingga sistem yang kompleks dapat dibuat secara mudah dan dapat dimengerti oleh pengguna yang tidak familiar dengan sistem hibrid.

Pada bagian di bawah ini terdapat deskripsi singkat mengenai komponen utama. Seperti yang telah dibicarakan sebelumnya, modul ini berfokus pada distribusi daya. Deskripsi mengenai model komponen disajikan dalam pandangan global.

Mesin pembakaran internal (Internal Combustion Engine) ICE adalah komponen utama pada HEV. Komponen ini berfungsi sebagai

unit konversi energi. Energi disimpan dalam bahan bakar (bensin, diesel, dan gas alam) kemudian dikonversikan melalui pembakaran menjadi energi kinetik.

Paramerer input yang dibutuhkan adalah kecepatan sudut n, dan torsi M. Sebagai output, yaitu daya P. Di sisi yang lain, konsumsi bahan bakar dan emisi adalah parameter utama pada penyelidikan efisiensi. Parameter ini dilihat melalui konsumsi bahan bakar dan jejak emisi yang bergantung pada kecepatan sudut dan torsi. Kecepatan maksimum adalah parameter tunggal ketika torsi maksimum dan kecepatan mesin. Pada gambar 2, ICE dipresentasikan dengan dengan parameter utama dalam blok diagram.

Gambar 2. Blok diagram ICE

Mesin Listrik (electric machine) Motor listik adalah pengubag energi dari energi listrik menjadi energi

kinetik. Pengaturan operasi EM adalah:

Mengkontersikan energi listrik yang disimpan dalam baterai menjadi daya mesin untuk menggerakkan kendaraan.

Mengubah energi mekanik dari pembakaran internal menjadi energi listri untuk pengisian daya baterai.

Memperbaiki daya mekanik dari pengereman untuk pengisian daya baterai.

Parameter input dari EM sama dengan ICE yakni kecepatan dan torsi. Di sisi lain, daya mekanik dan efisiensi mesin adalah parameter output. Efisiensi bergantung pada kecepatan mesin dan torsi. EM tidak secara spesifik disebutkan sebagai mesin DC, mesin sinkron atau induksi. Konfigurasi inverter termasuk dalam efisiensi EM.

Baterai Penyimpan

Baterai menyediakan penyimpanan energi listrik. Pada HEV, ketentuan penggunaan baterai penyimpan adalah daya tinggi dan kerapatan energi, massa rendah, siklus hidup yang panjang, serta biaya murah.

Berdasarkan siklus pergerakan dan performa kendaraan, daya dihasilkan dari EM. EM menyediakan parameter input dari baterai penyimpan. Status baterai dilihat dari status pengisian daya SOC. Parameter penentunya adalah tegangan nominal V, kapasitas baterai Cap, dan range penggunaan RoU dalam persen SOC. Dalam gambar 3, sistem penyimpan baterai disajikan dalam blok diagram.

Gambar 3. Blok diagram

baterai penyimpan

Gearbox

Gearbox adalah gabungan antara gir-gir yang diatur sedemikian rupa sehingga dapat meningkatkan torsi mesin. Tujuan utama dari gearbox adalah adaptasi antara mesin dan karakteristik torsi mesin dan kendaraan.

Parameter input dan outputnya secara berurutan yaitu kecepatan input/torsi dan kecepatan output. Rasio gear adalah jumlah gir yang dapat dipilih secara manual maupun otomatis. Relasi antara input dan output adalah:

Keseluruhan sistem

Dalam gambar 4 menunjukkan bahwa diagram aliran daya keseluruhan sistem direpresentasikan dalam blok diagram. Variabel model input adalah percepatan dan kecepatan yang diperlukan saat titik aktual siklus pergerakan. Melalui kemiringan jalan, resistansi, dan parameter lainnya (berat kendaraan, aerodinamis, dll), kita dapat menentukan gaya pada roda dan dikalkulasikan secara konstan pada waktu yang singkat. Menurut parameter daya (jari-jari roda, rugi-rugi gearbox, gear ratio) torsi yang dibutuhkan dapat ditentukan dan pengambilan keputusan mengenai mode operasi dapat ditentukan.

Gambar 4. Aliran daya pada sistem paralel hibrid

IV. SIMULASI INTERAKTIF UNTUK APLIKASI ONLINE A. Implementasi Software

Dalam sistem hibrid, implementasi pertama untuk analisis dan pengujuian dilakukan dengan MATLAB/Simulink. Untuk memberi garansi bahwa program ini user firendly dan dapat memfasilitasi usaha belajar para siswa, persamaan model dan kendali diperlukan untuk diprogram ulang menggunakan bahasa pemrograman processing,js. Bahasa ini merupakan JavaScript dan berisi konten yang interaktif. Program ini berbasis kode java dan memungkinkan untuk menggunakan elemen HTML.

Pada akhirnya, desain proses menjadi target aplikasi yang dapat ditentukan oleh model internal HEV dan dapat mensimulasikan siklus penggerak dengan kemungkinan untk konfigurasi parameter sistem. Dalam menggunakan software ini,

siswa diharapkan dapat mengembangkan pengarug parameter dalam energi kendaraan secara seimbang dan dapat membandingkan berbagai konfigurasi kendaraan.

B. Pengunaan praktis dan Tujuan Pendidikan Bagian ini akan mengilustrasikan pentingnya pendekatan aplikatif dengan

pengguna untuk tujuan pendidikan. Sebagai tambahan, contoh analisis topik menunjukkan kemampuan software,

a. Komponen pemilihan dasar Ide dasarnya adalah menawarkan pengguna sebuah kemampuan interaktif yang tinggdan memberikan kemungkinan untuk pengaturan parameter model sesuai keinginan pribadi. Untuk pelatihan penggerak terdapat: ICE, EM dan penyimpanan energi seperti (tanki bahan bakar dan baterai). Komponen ini memberikan berat kendaraan yang bervariasi. Objek pendidikan : Pengguna diharapkan dapat berfokus pada:

Presentasi berbasis web

Pengalaman yang mudah untuk dipelajari Pengaturan jumlah pilihan Topik yang memungkinkan untuk dianalisis:

Apakah komponen dalam skala yang baik?

Bagaimana cara mempengaruhi jangka maksimum penggerak? Apakah kombinasi lebih baik daripada yang lain dengan aplikasi

spesifik di lapangan?

b. Spesifikasi siklus penggerak Dalam bidang operasi, disebutkan pada bagian sebelumnya, syang terkait dengan siklus penggerak spesifik, dikarakteristikkan dengan diagram pada gambar 5. Gambar tersebut menunjukkan ketergantungan antara kecepatan kendaraan, berat, dan percepatan. Pengguna dapat memilih dari siklus pengaturan atau menentukan sediri. Objek pendidikan Untuk mengurangi rintangan dan dapat digunakan oleh pengguna, terdapat beberapa adaptasi:

Kemungkinan start secara cepat (dengan pengaturan siklus penggerak dan pembagian beban)

Pengaturan grafis secara intuitif (lihat gambar 5) Pengajaran mengenai pentingnya pandangan menyeluruh untuk

sistem penggerak.

Topik yang dapat dianalisis:

Pengaruh konsumsi daya pada efisiensi HEV.

Analisis operasi beban parsial dengan aliran daya dari ICE dan EM

Kemampuan pengujian dari komponen terpilih dengan berbagai beban

Investigasi desain dan pengaruhnya terhadap level hibridisasi

c. Simulasi output Dalam gambar 6 dapat dilihat rekasi ketika simulasi dijalankan. Target (biru) dan aktual (merah): 1. Berat dalam waktu 2. Kecepatan dalam waktu

Elemen kokpit:

3. Arus pada kecepatan HEV

4. Arus pada kecepatan rasional ICE 5. Tampilan suhu 6. Pemanas/pendingin ruangan 7. Lampu

8. Pengaturan penggerak hibrid dengan sumber energi.

Gambar 6. Hasil output pada simulasi, garis biru merupakan siklus penggerak, garis merah menunjukkan nilai aktual. 1) berat 2)kecepatan berdasarkan waktu, 3)arus HEV, 4) arus ICE, 5)tampilan suhu, 6)pemanas. AC, 7)lampu, 8) hibrid drive train, 9)radio, 10)gearshift

V. KESIMPULAN

Pada simulasi modul ini diajarkan bagaimana manajemen daya HEV dan strategi pembagian beban. Berdasarkan sistem paralel hibrid, dapat didesain strategi konfigurasi pada berbagai siklus penggerak, dengan memperhatikan total energi yang diperlukan dan diagram energi dari berbagai komponen. Dalam menggunakan program ini, siswa dapat meningkatkan pengetahuan mengenai interaksi internal dan eksternal HEV. Sehingga kita dapat menentukan konsumsi daya dan efisiensi beban.

PENGHARGAAN Proyek ini didanai oleh European Commision. Publikasi ini menunjukkan dari pihak penulis dan komisi tidak bertanggungjawab terhadap informasi di dalamnya

Referensi

[1] Steg, Linda and Gifford, Robert.: Sustainable transportation and quality of life. Groningen : Elsevier - Journal of Transport Geography 13 (2005) 59-69, 2005. [2] Campbell, C. J.: World oil: reserves, production, politics and prices. s.l. :Elsevier - Norweian Petroleum Society Special Publications 6 (1996) 1-20, 1996.

[3] OECD.: Reducing transport greenhouse gas emissions: Trends & data 2010. s.l. : OECD International Transport Forum 2010, 2010.

[4] Chan, C.C. "The state of the art of electric and hybrid vehicles," Proceedings of the IEEE, vol.90, no.2, pp.247-275, Feb 2002. [5] P. Bauer, V. Fedak, V. Hajek, and I. Lampropoulos, Survey of distance laboratories in Power electronics, IEEE 39th Annual Power Electronics Specialists Conference, Rhodos, 2008, ISBN 978-1-4244-1668-4. [6] E-learning Distance Interactive Practical Education EDIPE, Pilot Project of the EU Leonardo da Vinci Vocational Training Programme. Project No CZ/06/B/F/PP-168022, duration 10/2006 - 09/2008, at http://www.powerweblab.com [7] F. Coito, L. Gomes, and A. Costa, Simulation, Emulation and Remote Experiments, Proceedings of the Workshop on using VR in Education, Lisboa, March 2007, pp. 99-110, ISBN 978-989-20-0715-1. [8] Proceedings of International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV07), Porto, Portugal, June 25-27, 2007,www.i-joe.org/ojs [9] A. Rojko, D. Hercog, and K. Jezernik, Advanced control course with teleoperation in the mechatronics study, 16th Int. Conf. on Electrical Drives and Power Electronics, EDPE 2007, The High Tatras, Sept. 2007

[10] V. Fedk, T. Balogh, P. Bauer, and S. Jusko, Virtual and Remote Experimentation in Motion Control, Int. Conference on mechatronics, AD University of Trencin, Faculty of

Mechatronics, May 2008, ISBN 978-80-8075-305-4 [11] Merker, Gnter P., et al.: Simulating combustion: simulation of combustion and pollutant formation for engine-development. s.l. :Springer, 2006.