Die Hartnäckigkeit eines Ingenieurs: Wie Andrew Frank seinen Plug-in-Hybrid perfektionierte

Das moderne Konzept des Plug-in-Hybrid trägt einen einzigen Namen: Andrew Alfonso Frank. Frank, emeritierter Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrt an der UC Davis, arbeitete ab 1971 an netzladbaren Hybridfahrzeugen, gab dieser Fahrzeugklasse ihren heutigen Namen und gründete eine Ingenieursschule, die hunderte seiner Studenten in die Automobilindustrie brachte. Seine Geschichte verläuft nicht neben den beiden Namen, die als Väter des Hybridfahrzeugs gelten, sondern auf einer völlig eigenen Linie.

Wer hat den Plug-in-Hybrid erfunden: Franks Pionieranspruch und seine Grenzen

Die Antwort auf diese Frage hängt davon ab, woran das Fahrzeug definiert wird. Der hybride elektrische Antrieb selbst ist viel älter; schon früh, 1915, wurde das Hybridmodell von Woods Motor Vehicle zum Verkauf angeboten. Frank führt an, warum dieses frühe Beispiel sich nicht durchsetzte, mit einer praktischen Begründung: es war damals teuer und es gab keine Komponenten, die seine Kosten gesenkt hätten. Wenn wir hingegen im modernen Sinne von einem Konzept sprechen, das an der Steckdose zu Hause geladen wird, bei leerer Batterie automatisch zum Verbrennungsmotor übergeht und für den Alltag geeignet ist, positionieren die Quellen Frank eindeutig als Pionier; er wird als der Vater des modernen Plug-in-Hybrids bezeichnet und ist auch die Person, die den Begriff Plug-in Hybrid Electric Vehicle, also PHEV, geprägt hat.

Auch die technische Definition dieses Pionieranspruchs ist klar: Ein Plug-in-Hybrid ist ein Fahrzeug, das mit seiner wiederaufladbaren Batterie den Elektromotor antreibt und automatisch auf den Benzinmotor umschaltet, wenn die Batterieenergie erschöpft ist. Genau hier liegt der Unterschied zu den ersten modernen Hybriden, die Ende 1999 auf den Markt kamen. Honda Insight und Toyota Prius luden die Batterie ausschließlich mit Bremsenergie; ein Ladekabel zum Einstecken gab es nicht. Bei Franks Ansatz war die Netzverbindung der Ausgangspunkt des Designs, kein später hinzugefügtes Merkmal.

Eine Unklarheit muss von vornherein angemerkt werden: Die Geschichte des ersten Plug-in-Hybrids wird in den Quellen unterschiedlich dargestellt. Eine Darstellung verlegt den Entwicklungsbeginn nach Wisconsin ins Jahr 1971, die andere ins Jahr 1972 und zur UC Davis. Diese Datierungsunterschiede resultieren aus einem gestuften Entwicklungsprozess anstelle eines einzelnen Fahrzeugs und stellen Franks Pionierrolle nicht in Frage; sie sind lediglich eine Verschiebung darin, wie definiert wird, in welchem Jahr das erste Fahrzeug betriebsbereit wurde.

Die Ausbildung des Ingenieurs: von der Luftfahrt zum Automobil

Franks Hintergrund ist keine klassische Automobilkarriere. Er erhielt an der UC Berkeley 1955 seinen Bachelor in Maschinenbau und 1958 seinen Master; anschließend wandte er sich an der USC der Elektrotechnik zu und schloss 1965 seinen Master und 1968 seine Promotion ab. Diese doppelte Expertise - Mechanik und Elektrotechnik - bildete das Fundament seines Ansatzes für den Hybridantrieb.

Von 1955 bis 1968 arbeitete er bei North American Aviation und anschließend bei North American-Rockwell. Seine Aufgabenliste ist beeindruckend: das Hyperschall-Forschungsflugzeug X-15, Hubschrauber-Stabilisierungssysteme, das Apollo-Programm und das Interkontinentalraketen-Programm Minuteman. 1969 wechselte er ins akademische Leben; von 1969 bis 1985 war er an der University of Wisconsin und von 1985 bis 2006 an der UC Davis als Fakultätsmitglied tätig. Er baute also sein erstes Hybridfahrzeug als zweifach ausgebildeter Ingenieur, nachdem er ein Luftfahrtunternehmen verlassen hatte.

Ab 1971: erste Fahrzeuge und das Problem fehlender Komponenten

Frank baute 1971 in Wisconsin-Madison mit seinen Studenten von Grund auf sein erstes Hybrid-Elektrofahrzeug. Dieses Fahrzeug war der einzige Hybrid, der an der URBAN CAR Competition 1972 teilnahm. In der eigenen Darstellung der UC Davis heißt es, Frank habe 1972 höchstwahrscheinlich das erste Plug-in-Hybrid-Auto entwickelt; sein gesetztes Ziel war nach den Maßstäben dieser Zeit außergewöhnlich: 100 Meilen pro Gallone und Beschleunigung von 0 auf 60 mph in 6 Sekunden. Effizienz und Leistung in einem Paket anzubieten - das ist bis heute der Leitsatz der Hybridtechnik.

Warum ging der Plug-in-Hybrid in den 1970er Jahren nicht in Serienproduktion? Franks eigene Einschätzung verortet das Problem auf Komponentenebene: zu dieser Zeit waren die richtigen Batterie-, Getriebe- und Motortechnologien nicht verfügbar. Um die Ziele eines Serienfahrzeugs zu erreichen, hätten diese Komponenten von Grund auf und zweckgerichtet entwickelt werden müssen. Das ist eine Diagnose, die der Ingenieursperspektive treu bleibt und die Frühzeitigkeit des Konzepts nicht als Mangel an Genie, sondern als ein Problem der Lieferkette erklärt.

Dennoch verliefen die 1970er und 1980er Jahre nicht ergebnislos. 1979 entwickelte er mit seinen Studenten einen schwungmassenbasierten Hybrid: eine Ford-Pinto-Umrüstung mit stufenlosem Getriebe, also mit CVT. Dieses Projekt trug die ersten konkreten Merkmale der von Frank bevorzugten Architektur.

Team FATE und die Davis-Jahre: messbare Ergebnisse

An der UC Davis baute Franks Team unter seiner Leitung unter dem Namen Team FATE über Jahre hinweg nacheinander Proof-of-Concept-Fahrzeuge. Bis 2004 wurden insgesamt sieben Versuchsfahrzeuge hergestellt. Jedes dieser Fahrzeuge testete einen Aspekt des Plug-in-Hybrid-Konzepts:

• Side F/X: 1991 ein Weltrekord mit 3313 mpg auf einer Gallone Benzin; nach Franks Aussage eine Strecke, mit der man mit einer einzigen Gallone von San Francisco nach New York fahren könnte.
• Shamu: im selben Jahr ein Weltrekord von 2200 mpg mit dem Methanol-Kraftstoff M85.
• Ein PHEV aus dem Jahr 1991: eine elektrische Reichweite von 40 Meilen mit Blei-Säure-Batterien.
• Ende der 1990er Jahre: eine elektrische Reichweite von 60 Meilen mit Nickel-Metallhydrid-Batterie - eine Schwelle, die seine Studenten als gewaltigen Erfolg betrachteten.
• 1992-1993: eine Plug-in-Hybrid-Demonstration mit 72 mpg, nahe am Ziel von 80 Meilen pro Gallone des PNGV-Programms.
• 1996: eine PHEV-Umrüstung auf Basis des Ford Taurus; Auf der Fahrt von Detroit nach Washington DC wurde ein Wert von 68 mpg erreicht.

Ende der 1990er Jahre beauftragte GM Frank mit der Umwandlung eines EV1 -Elektroautos in ein Plug-in-Hybridfahrzeug; Archivunterlagen zeigen, dass dieses EV1-Prototyp-Hybridisierungsprojekt 2001 eine bedeutende Förderung erhielt. Das Projekt war ein konkreter Schritt, bei dem Franks Konzept in der Hardware eines großen Herstellers getestet wurde - bekanntlich führte es leider nicht zu Produktionsplänen dieser Ära, doch die genaue Geschichte der endgültigen Einstellung ist im Archivmaterial nicht ausführlich dokumentiert.

Franks Architektur: warum setzte er sich für den Parallelhybrid ein?

Franks bevorzugte Konfiguration besteht aus vier Komponenten: Elektromotor, Verbrennungsmotor, mechanisches CVT und Hochleistungsbatterie. Dies ist die Anordnung, die heute unter dem Namen Parallelhybrid bekannt ist. Während bei Serienhybriden der Motor nur einen Generator antreibt, können bei der parallelen Architektur beide Kraftquellen direkt zu den Rädern beitragen; Frank verteidigte diese Struktur mit messbaren Vorteilen in Bezug auf mechanische Effizienz und Bauteilgröße.

Seine Vision reichte über das Fahrzeug hinaus. Ein vom Netz geladenes Fahrzeug könnte im Stand Energie ins Netz zurückspeisen; das Konzept Vehicle-to-Grid und das Szenario Vehicle-to-House, bei dem das Haus versorgt wird, waren Aspekte, die in Franks Projekten schon früh betont wurden. Auch seine eigene Definition seines Ziels ist bemerkenswert: Das endgültige Ziel war kein reines Elektroauto, sondern ein Fahrzeug, das etwa ein Zehntel des Verbrauchs mit Flüssigkraftstoff und den Rest mit solar erzeugtem Strom deckt. Dies ist eine deutlich andere Ingenieursentscheidung als die heutige batterieelektrisch geprägte Erzählung.

Die Wirkung: Patente, Studenten und Arbeiten, die ein Forschungszentrum auslösten

Franks Produktion beschränkt sich nicht nur auf Prototypen. Er besitzt mehr als 35 Patente; davon gehören 12 der UC Davis, und die Zahl der PHEV-Patente nähert sich 50 an. Ein konkretes Beispiel ist das Patent von 1998 zur Charge-Depletion-Steuerung für Hybridfahrzeuge - die Kernsteuerungsstrategie des Plug-in-Hybrids.

Seine Studenten sind vielleicht der sichtbarste Teil dieses Erbes. Hunderte von ihnen gingen in die Automobilindustrie; manche arbeiteten an der Entwicklung des Chevrolet Volt, eines der ersten serienmäßig produzierten Plug-in-Hybride. Frank selbst wurde am 21. Dezember 2010 einer der ersten Besitzer eines Volt - zu sehen, wie sich das Konzept, das er jahrelang verteidigt hatte, in ein kommerzielles Produkt verwandelte, ist für einen Ingenieur ein seltener Abschluss.

Die sieben Prototypfahrzeuge von Team FATE trugen dazu bei, dass die kalifornische Emissionsgesetzgebung ihre Ziele für Null-Emissions-Fahrzeuge so änderte, dass Plug-in-Hybride einbezogen wurden. 2006 gründete Frank das Unternehmen Efficient Drivetrains Inc.; das UC-Davis-Patent wurde an dieses Unternehmen lizenziert. Im selben Jahr, 2007, wurde das Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center innerhalb der Verkehrsforschung von UC Davis gegründet und startete die ersten Verbraucherstudien; 2010 wurde es in PH&EV Research Center umbenannt.

Noch eine verdiente Anmerkung: Als der Markt Ende 1999 die ersten modernen Hybride sah - obwohl diese mit Bremsenergie geladen wurden - war diese Entwicklung für Frank eine Bestätigung, ein Moment der Rechtfertigung. Das Konzept war richtig; nur Timing und Komponenten warteten noch auf es.

Ein Ingenieur, der selbst im Alter noch zeichnet: Vermächtnis und Archiv

Frank erreichte am 24. September 2023 sein 90. Lebensjahr; obwohl er in einem Pflegeheim lebt, schreibt er weiterhin technische Artikel und unterstützt Plug-in-Hybrid-Interessenverbände. Diese Hartnäckigkeit ist die wörtliche Bedeutung des Wortes im Artikelstitel: Weder Projektabbrüche noch das Alter konnten ihn aufhalten.

Sein Vermächtnis wird inzwischen institutionalisiert. In der Shields-Bibliothek der UC Davis wird eine Forschungssammlung zu Plug-in-Elektrofahrzeugen mit den Archiven von Frank und Felix Kramer, einer der führenden Persönlichkeiten der Plug-in-Hybrid-Bewegung, eingerichtet. Die Sammlung, die den Zeitraum 1978-2012 umfasst und neun lineare Fuß umfasst, soll bis Ende 2024 für Forscher zugänglich sein; auch eine Ausstellung in der Bibliothekseingangshalle ist geplant.

Inzwischen bestätigt auch die heutige Diskussion über Langstrecken-Plug-in-Hybride Franks Vision: Diese Fahrzeuge bieten einen ähnlichen Emissionsvorteil wie batterieelektrische Fahrzeuge, verbrauchen dabei etwa viermal weniger kritische Mineralien und belasten das Stromnetz weniger. Dass eine fünfzigjährige ingenieurstechnische Behauptung mit messbaren Argumenten weiterhin aktuell ist, ist die beste Zusammenfassung von Franks Pionierarbeit.

Quellen

• 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)