La testarudez de un ingeniero: ¿Cómo perfeccionó Andrew Frank el híbrido enchufable?
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El concepto moderno del híbrido enchufable lleva un solo nombre: Andrew Alfonso Frank. Frank, profesor emérito de ingeniería mecánica y aeronáutica en UC Davis, trabajó desde 1971 en vehículos híbridos recargables desde la red eléctrica, dio a esta clase de vehículos su nombre actual y fundó una escuela de ingeniería que llevó a cientos de sus estudiantes a la industria del automóvil. Su historia no avanza junto a los dos nombres considerados los padres del vehículo híbrido, sino por una línea completamente aparte.
Aspectos destacados
- Frank construyó en 1971 en Wisconsin-Madison su primer vehículo híbrido eléctrico; su objetivo era 100 millas por galón y una aceleración de 0 a 60.
- Los vehículos del Team FATE establecieron en 1991 récords mundiales de 3313 mpg con gasolina y 2200 mpg con metanol.
- Frank es titular de más de 35 patentes; 12 de ellas pertenecen a UC Davis.
- El 21 de diciembre de 2010 figuró entre los primeros propietarios del Chevrolet Volt, uno de los primeros híbridos enchufables producidos en serie.
- En UC Davis se está creando una colección de investigación sobre vehículos eléctricos enchufables en torno a sus archivos.
Quién inventó el híbrido enchufable: La reivindicación de primacía de Frank y sus límites
La respuesta a la pregunta depende de cómo se defina el vehículo. La tracción híbrida eléctrica en sí misma es mucho más antigua; ya en 1915, el modelo híbrido de Woods Motor Vehicle había salido a la venta. Frank atribuye a una razón práctica el hecho de que este ejemplo temprano no tuviera éxito: en aquella época era caro y no existían componentes que redujeran su costo. Pero cuando hablamos de un concepto en el sentido moderno, cargado desde el enchufe de casa, que pasa automáticamente al motor de combustión interna al agotarse la batería y apto para el uso diario, las fuentes sitúan claramente a Frank como pionero; se le llama el padre del híbrido enchufable moderno y es él quien también acuñó el término Plug-in Hybrid Electric Vehicle, es decir, PHEV.
La definición técnica de esta primacía también es clara: un híbrido enchufable es un vehículo que, con su batería recargable, hace funcionar el motor eléctrico y pasa automáticamente al motor de gasolina cuando la energía de la batería se agota. Exactamente ahí está la diferencia con los primeros híbridos modernos que salieron al mercado a finales de 1999. El Honda Insight y el Toyota Prius cargaban la batería únicamente con la energía de frenado; no había un cable de carga que conectar a la red. En el enfoque de Frank, la conexión a la red eléctrica era el punto de partida del diseño, no una característica añadida después.
Conviene señalar desde el principio una ambigüedad: la historia del primer híbrido enchufable figura de manera diferente en las fuentes. Una narración sitúa el desarrollo en 1971 en Wisconsin, la otra en 1972 y en UC Davis. Esta diferencia de datación se debe a un proceso de desarrollo gradual en lugar de un único vehículo, y no cuestiona la primacía de Frank; es solo un desfase respecto a cómo se define en qué año el primer vehículo de ejemplo estuvo operativo.
La formación del ingeniero: de la aeronáutica al automóvil
El trasfondo de Frank no es una carrera automotriz clásica. Obtuvo en UC Berkeley su licenciatura en ingeniería mecánica en 1955 y su maestría en 1958; posteriormente se orientó hacia la ingeniería eléctrica en la USC y completó su maestría en 1965 y su doctorado en 1968. Esta doble especialización - mecánica y eléctrica - constituyó la base de su enfoque de la tracción híbrida.
Trabajó desde 1955 hasta 1968 en North American Aviation y posteriormente en North American-Rockwell. Su lista de tareas es impresionante: el avión de investigación hipersónica X-15, sistemas de estabilización de helicópteros, el Proyecto Apollo y el programa de misiles balísticos intercontinentales Minuteman. En 1969 pasó a la vida académica; fue miembro del profesorado en la University of Wisconsin de 1969 a 1985, y en UC Davis de 1985 a 2006. Es decir, construyó su primer vehículo híbrido como un ingeniero de doble formación que había salido de una empresa aeroespacial.
Desde 1971: los primeros vehículos y el problema de los componentes incompletos
Frank construyó en 1971, en Wisconsin–Madison y junto con sus estudiantes, su primer vehículo eléctrico híbrido desde cero. Este vehículo fue el único híbrido que participó en la URBAN CAR Competition de 1972. Según el propio relato de UC Davis, Frank desarrolló probablemente en 1972 el primer automóvil híbrido enchufable; la meta que se fijó era extraordinaria según los criterios de aquella época: 100 millas por galón y una aceleración de 0 a 60 millas por hora en 6 segundos. Ofrecer eficiencia y rendimiento en un mismo paquete es, aún hoy, la frase que define a la ingeniería híbrida.
¿Entonces por qué el híbrido enchufable no pasó a la producción en serie en los años 70? La propia evaluación de Frank plantea el problema a nivel de componentes: en aquella época no existían las tecnologías adecuadas de batería, transmisión y motor. Para alcanzar los objetivos de un automóvil de producción, estos componentes debían diseñarse desde cero y de forma específica para el propósito. Este diagnóstico, fiel a la perspectiva de la ingeniería, explica la precocidad del concepto no como una falta de genios, sino como un problema de cadena de suministro.
Aun así, los años setenta y ochenta no pasaron en vano. En 1979 desarrolló con sus estudiantes un híbrido basado en volante de inercia: una conversión de un Ford Pinto con transmisión continuamente variable, es decir, con CVT. Este proyecto llevaba las primeras señales concretas de la arquitectura preferida por Frank.
Team FATE y los años en Davis: resultados medibles
En UC Davis, el equipo dirigido por Frank, bajo el nombre de Team FATE, construyó año tras año vehículos de demostración uno tras otro. Hasta 2004 se habían producido un total de siete vehículos de demostración. Cada uno de estos vehículos puso a prueba un aspecto del concepto del híbrido enchufable:
- Side F/X: en 1991, un récord mundial con 3313 mpg con un solo galón de gasolina; según palabras de Frank, la distancia suficiente para ir de San Francisco a Nueva York con un solo galón.
- Shamu: ese mismo año, un récord mundial de 2200 mpg con combustible de metanol M85.
- Un PHEV de 1991: una autonomía eléctrica de 40 millas con baterías de plomo-ácido.
- Finales de los años noventa: una autonomía eléctrica de 60 millas con batería de níquel-metal hidruro - el umbral que sus estudiantes consideraban un logro colosal.
- 1992–1993: una demostración de híbrido enchufable que alcanzaba 72 mpg, cerca del objetivo de 80 millas por galón del programa PNGV.
- 1996: una conversión PHEV basada en un Ford Taurus; En el viaje de Detroit a Washington DC se alcanzó un valor de 68 mpg.
A finales de los años 90, GM contrató a Frank para convertir un automóvil eléctrico EV1 en un híbrido enchufable; los archivos muestran que en 2001 este prototipo del EV1 recibió una financiación importante para su hibridación. El proyecto fue un paso concreto en el que el concepto de Frank se probó en el hardware de un gran fabricante; lamentablemente, se sabe que no llegó a convertirse en planes de producción de esa época, aunque la historia completa de la cancelación no está documentada en detalle en el material del archivo.
| Vehículo | Año | Base | Característica destacada |
|---|---|---|---|
| Híbrido de volante de inercia | 1979 | Ford Pinto | Propulsión basada en volante de inercia con CVT |
| Side F/X | 1991 | - | Récord de 3313 mpg con gasolina |
| Shamu | 1991 | - | Récord de 2200 mpg con metanol M85 |
| Ford Taurus PHEV | 1996 | Ford Taurus | 68 mpg en el viaje Detroit–Washington |
| Sequoia | 2000 | Chevrolet Suburban | Arquitectura híbrida en paralelo |
| Yosemite | 2002 | Ford Explorer | Conversión a enchufable |
| Trinity | 2005 | Chevy Equinox (2006) | Tracción a 4 ruedas, 40 millas de autonomía eléctrica |
La arquitectura de Frank: ¿por qué defendía el híbrido en paralelo?
La configuración preferida por Frank consta de cuatro componentes: motor eléctrico, motor de combustión interna, CVT mecánica y batería de alta capacidad. Este es el esquema conocido hoy como híbrido en paralelo. En los híbridos en serie el motor solo mueve un generador, mientras que en la arquitectura en paralelo las dos fuentes de energía pueden contribuir directamente a las ruedas; Frank defendió esta estructura con ventajas medibles en eficiencia mecánica y tamaño de los componentes.
Su visión iba más allá del vehículo. Un vehículo cargado desde la red eléctrica podría devolver energía a la red mientras estaba estacionado; el concepto de vehicle-to-grid y el escenario de vehicle-to-house que alimenta la casa son aspectos destacados desde los inicios en los proyectos de Frank. Su propia definición del objetivo también es llamativa: el fin último no era un vehículo puramente eléctrico, sino uno que cubriera aproximadamente una décima parte de su consumo con combustible líquido y el resto con electricidad de origen solar. Esta es una elección de ingeniería claramente diferente del relato centrado en los vehículos eléctricos de batería actual.
Su impacto: patentes, estudiantes y trabajos que impulsaron un centro de investigación
La producción de Frank no se limita a los prototipos. Es titular de más de 35 patentes; 12 de ellas pertenecen a UC Davis y el número de patentes de PHEV ronda las 50. Un ejemplo concreto es la patente de 1998 sobre el método de control del agotamiento de la carga para vehículos híbridos, la estrategia de control central del híbrido enchufable.
Sus estudiantes son quizás la parte más visible de este legado. Cientos de ellos entraron en la industria del automóvil; algunos trabajaron en el diseño del Chevrolet Volt, uno de los primeros híbridos enchufables producidos en serie. El propio Frank se convirtió el 21 de diciembre de 2010 en uno de los primeros propietarios de un Volt; ver la conversión comercial de un concepto que había defendido durante años, en su propio garaje, es un cierre poco habitual para un ingeniero.
Los siete vehículos de prueba del Team FATE influyeron para que la normativa de emisiones de California modificara sus objetivos de vehículo de cero emisiones para incluir los híbridos enchufables. En 2006, Frank fundó la empresa Efficient Drivetrains Inc.; la patente de UC Davis se licenció a esta empresa. Ese mismo año, en 2007, se fundó el Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center dentro del ámbito de investigación de transporte de UC Davis y comenzó sus primeros estudios con consumidores; en 2010 amplió su nombre a PH&EV Research Center.
Otra nota merecedora de mención: cuando el mercado vio los primeros híbridos modernos a finales de 1999 -aunque se recargaran con la energía del frenado-, para Frank este avance fue una confirmación, un momento de reivindicación. El concepto era correcto; solo el momento y los componentes lo estaban esperando.
Un ingeniero que sigue dibujando incluso en la vejez: legado y archivo
Frank cumplió 90 años el 24 de septiembre de 2023; a pesar de vivir en una residencia de ancianos, sigue escribiendo artículos técnicos y apoyando coaliciones de defensa del híbrido enchufable. Esa obstinación es el fiel reflejo de la palabra del titular del artículo: ni las cancelaciones de proyectos ni la edad lo han detenido.
Su legado se está institucionalizando. En la biblioteca Shields de UC Davis se está estableciendo una colección de investigación sobre vehículos eléctricos enchufables con los archivos donados por Frank y Felix Kramer, una de las figuras destacadas de la defensa del híbrido enchufable. La colección, que abarca el período 1978-2012 y ocupa nueve pies lineales, está prevista que esté abierta a los investigadores para finales de 2024; también se contempla una exposición en el vestíbulo de la biblioteca.
Mientras tanto, el lugar de los híbridos enchufables de gran autonomía en el debate actual confirma la visión de Frank: estos vehículos ofrecen una ventaja en emisiones similar a la de los vehículos eléctricos de batería, consumen aproximadamente cuatro veces menos minerales críticos y someten a la red eléctrica a una carga menor. Que una apuesta de ingeniería de cincuenta años siga siendo relevante hoy con argumentos medibles es el mejor resumen del papel pionero de Frank.