عناد مهندس: كيف قام أندرو فرانك بتطوير الهجين القابل للشحن إلى الكمال؟

الفكرة الحديثة للهجين القابل للشحن الخارجي تحمل اسمًا واحدًا: أندرو ألفونسو فرانك. فرانك، أستاذ فخري للهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران في جامعة كاليفورنيا في ديفيس، عمل منذ عام 1971 على مركبات هجينة قابلة للشحن من الشبكة الكهربائية، ومنح هذه الفئة من المركبات اسمها الحالي، وأسس مدرسة هندسية نقلت مئات طلابه إلى صناعة السيارات. تسير قصته على مسار منفصل تمامًا، لا بجانب الاسameين اللذين يُعتبران أبًا للسيارة الهجينة.

من اخترع الهجين القابل للشحن الخارجي: ادعاء فرانك للريادة وحدوده

الإجابة عن هذا السؤال تعتمد على الأساس الذي تُعرَّف به المركبة. الدفع الهجين الكهربائي بحد ذاته أقدم بكثير؛ ففي وقت مبكر يعود إلى عام 1915 كان طراز هجين من شركة Woods Motor Vehicle قد عُرض للبيع. يربط فرانك عدم نجاح هذا المثال المبكر بسبب عملي: كانت مكلفة في ذلك الوقت ولم تكن هناك مكونات قادرة على خفض تكلفتها. أما بالمعنى الحديث، عندما نتحدث عن مفهوم يُشحن من مقبس المنزل، ينتقل تلقائيًا إلى محرك الاحتراق الداخلي عند نفاد البطارية، ويناسب الاستخدام اليومي، فإن المصادر تضع فرانك بوضوح في موقع الرائد؛ يُطلق عليه أب الهجين القابل للشحن الخارجي الحديث، وهو أيضًا من صاغ مصطلح Plug-in Hybrid Electric Vehicle أي PHEV.

والتعريف الفني لهذه الريادة واضح أيضًا: الهجين القابل للشحن الخارجي هو مركبة تشغّل المحرك الكهربائي ببطاريتها القابلة للشحن، وتنتقل تلقائيًا إلى المحرك البنزيني عند استنفاد طاقة البطارية. وهنا بالضبط يكمن الفرق عن أول الهجن الحديثة التي ظهرت في الأسواق أواخر عام 1999. كانت هوندا إنسايت وتويوتا بريوس تشحنان البطارية بطاقة الكبح فقط؛ ولم يكن هناك كابل شحن يوصل بمقبس كهربائي. في نهج فرانك كان الاتصال بالشبكة الكهربائية نقطة البداية في التصميم، وليس ميزة تُضاف لاحقًا.

ومن الضروري الإشارة منذ البداية إلى نقطة غامضة: تاريخ أول هجين قابل للشحن الخارجي يظهر بشكل مختلف في المصادر. يسرد أحد الأقوال بداية التطوير عام 1971 في ويسكونسن، بينما يضعها قول آخر عام 1972 وفي جامعة كاليفورنيا في ديفيس. هذا الاختلاف في التأريخ ناتج عن عملية تطوير تدريجية بدلًا من مركبة واحدة، ولا يُثار بسببه شك في ريادة فرانك؛ بل هو مجرد اختلاف حول كيفية تحديد العام الذي أصبحت فيه أول مركبة نموذجية صالحة للعمل.

تكوين المهندس: من الطيران إلى السيارات

خلفية فرانك ليست مسيرة سيارات كلاسيكية. حصل على درجة البكالوريوس في الهندسة الميكانيكية من جامعة كاليفورنيا في بيركلي عام 1955، ودرجة الماجستير عام 1958؛ ثم التوجه إلى هندسة الكهرباء في جامعة Southern California، وأكمل درجة الماجستير عام 1965 والدكتوراه عام 1968. هذه الخبرة المزدوجة - الميكانيكا والكهرباء - شكلت أساس نهجه في الدفع الهجين.

عمل من عام 1955 إلى عام 1968 في شركة North American Aviation ثم في شركة North American-Rockwell. قائمة مهامه مثيرة للإعجاب: طائرة X15 البحثية فائقة السرعة، وأنظمة استقرار طائرات الهليكوبتر، ومشروع أبولو، وبرنامج صواريخ Minuteman الباليستية العابرة للقارات. انتقل إلى الحياة الأكاديمية عام 1969؛ عمل عضو هيئة تدريس في University of Wisconsin من عام 1969 إلى عام 1985، وفي UC Davis من عام 1985 إلى عام 2006. أي أنه بنى أول مركبة هجينة له بعد مغادرته شركة طيران، كمهندس متخصص في فرعين.

منذ عام 1971: أول المركبات ومشكلة المكونات الناقصة

بنى Frank عام 1971 في جامعة Wisconsin–Madison أول مركبته الكهربائية الهجينة من الصفر مع طلابه. كانت هذه المركبة الهجينة الوحيدة التي شاركت في مسابقة URBAN CAR Competition عام 1972. وفق رواية UC Davis نفسها، طوّر Frank عام 1972 على الأرجح أول سيارة هجينة قابلة للشحن الخارجي (plug-in)؛ والهدف الذي وضعه كان استثنائياً بمعايير ذلك العصر: 100 ميل لكل غالون وتسارع من 0 إلى 60 ميلاً/ساعة في 6 ثوانٍ. تقديم الكفاءة والأداء معاً في حزمة واحدة ما زال حتى اليوم العبارة التعريفية لهندسة المركبات الهجينة.

إذن لماذا لم تدخل السيارة الهجينة القابلة للشحن الخارجي (plug-in hybrid) خط الإنتاج الضخم في سبعينيات القرن العشرين؟ تقييم Frank نفسه يصوغ المشكلة على مستوى المكونات: ففي ذلك الوقت لم تكن تقنيات البطاريات وناقل الحركة والمحرك المناسبة متوفرة. ولتحقيق أهداف سيارة الإنتاج، كان لا بد من تصميم هذه المكونات من الصفر وبشكل ملائم للغرض. وهذا تشخيص وفي بم perspectives هندسية، يوضح أن مفهوم المركبة جاء مبكراً ليس بسبب نقص عبقرية، بل كمشكلة في سلسلة التوريد.

ومع ذلك، لم تمر عقدا السبعينيات والثمانينيات بلا جدوى. في عام 1979 طوّر مع طلابه مركبة هجينة قائمة على الحذافة: وهي تحويل لسيارة Ford Pinto مزودة بناقل حركة متغير باستمرار، أي CVT. حمل هذا المشروع أولى العلامات الملموسة للهندسة المعمارية التي فضّلها Frank.

فريق Team FATE وسنوات Davis: نتائج قابلة للقياس

في UC Davis، بنى الفريق بقيادة Frank، تحت اسم Team FATE، مركبات إثبات واحدة تلو الأخرى على مدار سنوات. وحتى عام 2004 كان قد أُنتج سبع مركبات إثبات في المجموع. كل واحدة من هذه المركبات اختبرت جانباً من مفهوم الهجين القابل للشحن الخارجي:

• Side F/X: رقم قياسي عالمي عام 1991 بـ 3313 mpg لكل غالون بنزين؛ وبعبارة Frank، المسافة الكافية للسفر من San Francisco إلى New York بغالون واحد.
• Shamu: في العام نفسه، رقم قياسي عالمي بـ 2200 mpg باستخدام وقود الميثانول M85.
• مركبة PHEV من عام 1991: مدى كهربائي 40 ميلاً ببطاريات الرصاص الحمضية.
• نهاية التسعينيات: مدى كهربائي 60 ميلاً ببطارية النيكل-هيدريد المعدني - عتبة اعتبرها طلابه إنجازاً هائلاً.
• 1992–1993: عرض لمركبة هجينة قابلة للشحن الخارجي حققت 72 mpg ، قريبة من هدف برنامج PNGV البالغ 80 ميلاً للغالون.
• 1996: تحويل PHEV قائم على سيارة Ford Taurus؛ في الرحلة التي قام بها من ديترويت إلى واشنطن العاصمة، بلغت القيمة 68 mpg.

في أواخر التسعينيات، تعاقدت GM مع Frank للعمل على تحويل EV1 ، وهي سيارة كهربائية، إلى هجينة قابلة للشحن الخارجي؛ وتشير سجلات الأرشيف إلى أن نموذج EV1 الأولي هذا حصل على تمويل كبير في عام 2001 بهدف تحويله إلى هجين. كان المشروع خطوة ملموسة حيث تم اختبار مفهوم فرانك على عتاد أحد كبار المصنعين - للأسف يُعرف أنه لم يتحول إلى خطط إنتاج في تلك الفترة، غير أن قصة الإلغاء الكاملة غير موثقة بالتفصيل في مواد الأرشيف.

بنية فرانك: لماذا دافع عن الهجين المتوازي؟

يتكون التكوين الذي فضّله فرانك من أربعة مكونات: محرك كهربائي، ومحرك احتراق داخلي، وناقل حركة متغير مستمر (CVT) ميكانيكي، وبطارية عالية السعة. هذا هو النظام المعروف اليوم باسم الهجين المتوازي. في الهجين التسلسلي يدير المحرك المولّد فقط، بينما في البنية المتوازية يمكن لمصدرَي الطاقة كليهما المساهمة مباشرة في تحريك العجلات؛ دافع فرانك عن هذا الهيكل بمزايا قابلة للقياس من حيث الكفاءة الميكانيكية وأحجام المكونات.

كانت رؤيته تمتد إلى ما هو أبعد من المركبة نفسها. المركبة التي تُشحن من الشبكة الكهربائية كانت قادرة على إعادة الطاقة إلى الشبكة أثناء التوقف عن العمل؛ وكان مفهوم vehicle-to-grid وسيناريو vehicle-to-house الذي يغذي المنزل من الجوانب التي شوّد عليها في مشاريع فرانك منذ المراحل المبكرة. وتجدر الإشارة أيضاً إلى تعريفه الخاص بهدفه: الغاية النهائية ليست مركبة كهربائية خالصة، بل مركبة تغطي ما يقارب عُشر الاستهلاك بالوقود السائل والباقي بالكهرباء المولدة من الطاقة الشمسية. هذا اختيار هندسي يختلف بوضوح عن السرد المتمركز حول المركبات الكهربائية بالبطاريات اليوم.

الأثر: براءات اختراع، وطلاب، وأعمال أشعلت مركزاً بحثياً

إنتاج فرانك لا يقتصر على النماذج الأولية فحسب. فهو مالك أكثر من 35 براءة اختراع؛ منها 12 مملوكة لجامعة UC Davis، ويقترب عدد براءات اختراع PHEV من 50. ومن الأمثلة الملموسة براءة الاختراع لعام 1998 المتعلقة بطريقة التحكم في نفاد الشحن للمركبات الهجينة - وهي استراتيجية التحكم الأساسية في الهجين القابل للشحن.

طلابه ربما هم الجزء الأكثر وضوحاً من هذا الإرث. فدخل مئات منهم إلى صناعة السيارات؛ وعمل بعضهم في تصميم Chevrolet Volt من أولى الهجن القابلة للشحن ذات الإنتاج التسلسلي. وصار فرانك نفسه في 21 ديسمبر 2010 واحداً من أوائل مالكي Volt - ورؤية المفهوم الذي دافع عنه لسنوات يتحول إلى منتج تجاري في مرآبه الخاصة كانت خاتمة نادرة لمهندس.

أثّرت أدوات الإثبات السبع لفريق FATE في تعديل تشريع انبعاثات كاليفورنيا لأهداف المركبات ذات الانبعاثات الصفرية بحيث تشمل الهجينة القابلة للشحن. في عام 2006 أسس فرانك شركة Efficient Drivetrains Inc. وتم ترخيص براءة اختراع UC Davis لهذه الشركة. في العام نفسه، عام 2007، تأسس مركز أبحاث المركبات الهجينة الكهربائية القابلة للشحن ضمن أبحاث النقل في UC Davis وبدأ أول أبحاثه للمستهلكين؛ وفي عام 2010 وسّع اسمه ليصبح PH&EV Research Center.

وملاحظة جديرة بالذكر: عندما شهد السوق أولى الهجينات الحديثة في نهاية عام 1999 - رغم أنها كانت تُشحن بطاقة الفرامل - كان هذا التطور بالنسبة لفرانك لحظة تأكيد وتبرير. المفهوم كان صحيحاً؛ فقط التوقيت والمكونات كانا ينتظرانه.

مهندس لا يزال يرسم حتى في شيخوخته: الإرث والأرشيف

بلغ فرانك عامه التسعين في 24 سبتمبر 2023؛ وقد استمر، على الرغم من إقامته في دار رعاية، في كتابة الأوراق التقنية ودعم التحالفات الدعوية للسيارات الهجينة القابلة للشحن الخارجي. هذا العناد هو المعنى الحرفي للكلمة في عنوان المقال: فلا إلغاء المشاريع ولا الشيخوخة ما أوقفاه.

إرثه أصبح الآن يتحول إلى مؤسسة رسمية. في مكتبة Shields بجامعة UC Davis، يُقام مجموعة أبحاث المركبات الكهربائية القابلة للشحن بأرشيفات تبرع بها فرانك وفيليكس كريمر، أحد أبرز أسماء الدعوة للهجينات القابلة للشحن. المجموعة الممتدة بين عامي 1978 و2012 وبحجم تسعة أقدام خطية، خُطط لفتحها للباحثين اعتباراً من نهاية عام 2024؛ كما أن معرضاً في بهو المكتبة مطروح علىجدول الأعمال أيضاً.

وفي هذه الأثناء، فإن مكانة الهجينات القابلة للشحن بعيدة المدى في النقاش اليوم تؤكد رؤية فرانك: فهذه المركبات تقدم ميزة انبعاثات مماثلة للمركبات الكهربائية بالبطارية، بينما تستهلك أربعة أضعاف تقريباً أقل من المعادن الحرجة وتضغط على الشبكة بدرجة أقل. استمرار مطالبة هندسية عمرها خمسون عاماً في صدارة النقاش بحجج قابلة للقياس هو الخلاصة الأفضل لريادة فرانك.

المصادر

• In the 'Electrifying 100': Professor Andy Frank Recognized as 'Father of the Plug-In Hybrid'
• Shields to house archive of plug-in EVs
• Andrew A. Frank
• Plug-In Hybrid Electric Vehicle Research Collection, 1978-2012
• Dr. Andrew Frank - EAA-PHEV
• Biography – Frank, Andrew (UC Davis)