سماجت یک مهندس: اندرو فرانک چگونه هیبرید پلاگین‌دار را کامل کرد؟

مفهوم مدرن پلاگین هیبرید را یک نام واحد بر دوش می‌کشد: اندرو آلفونسو فرانک فرانک، استاد بازنشسته مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه کالیفرنیا دیویس، از سال 1971 روی خودروهای هیبریدی قابل شارژ از شبکه برق کار کرد، به این رده از خودروها نام امروزی‌اش را داد و یک مدرسه مهندسی بنا نهاد که صدها دانشجوی او را به صنعت خودرو برد. داستان او نه در کنار دو نامی که پدر خودروی هیبریدی شمرده می‌شوند، بلکه در خطی کاملاً جداگانه پیش می‌رود.

پلاگین هیبرید را چه کسی اختراع کرد: ادعای پیشگامی فرانک و مرزهای آن

پاسخ این پرسش به آن بستگی دارد که خودرو بر اساس چه چیزی تعریف می‌شود. خودروی هیبریدی الکتریکی خود بسیار قدیمی‌تر است؛ به این زودی، در 1915، مدل هیبریدی شرکت Woods Motor Vehicle عرضه شده بود. فرانک دلیل موفق نشدن آن نمونه اولیه را به دلیلی عملی نسبت می‌دهد: در آن دوره گران بود و قطعه‌ای وجود نداشت که هزینه‌اش را کاهش دهد. اما وقتی در مفهوم مدرن، از خودرویی سخن می‌گوییم که از پریز خانه شارژ می‌شود، با پایان یافتن باتری به‌طور خودکار به موتور احتراق داخلی سوئیچ می‌کند و برای استفاده روزمره مناسب است، منابع فرانک را آشکارا پیشگام معرفی می‌کنند؛ به او پدر پلاگین هیبرید مدرن گفته می‌شود و کسی که اصطلاح Plug-in Hybrid Electric Vehicle یا PHEV را نیز ابداع کرد، اوست.

تعریف فنی این پیشگامی نیز روشن است: پلاگین هیبرید خودرویی است که با باتری قابل شارژ خود موتور الکتریکی را به حرکت درمی‌آورد و هنگام اتمام انرژی باتری، به‌طور خودکار به موتور بنزینی سوئیچ می‌کند. تفاوت با نخستین هیبریدهای مدرن که اواخر 1999 به بازار آمدند، دقیقاً همین‌جاست. Honda Insight و Toyota Prius باتری را تنها با انرژی ترمز شارژ می‌کردند؛ کابل شارژی برای وصل کردن به پریز وجود نداشت. در رویکرد فرانک، اتصال به شبکه نقطه شروع طراحی بود، نه ویژگی‌ای که بعداً اضافه شده باشد.

لازم است یکی از ابهام‌ها را از ابتدا یادآور شویم: تاریخ نخستین پلاگین هیبرید در منابع گوناگون ثبت شده است. یک روایت شروع توسعه را به سال 1971 و ویسکانسین می‌برد، روایت دیگر آن را به 1972 و UC Davis نسبت می‌دهد. این تفاوت در تاریخ‌گذاری ناشی از فرایند توسعه تدریجی است، نه یک خودروی واحد، و پیشگامی فرانک را زیر سؤال نمی‌برد؛ تنها یک جابه‌جایی در چگونگی تعریف اینکه نمونه اولیه در چه سالی به حالت کارآمد درآمده است.

شکل‌گیری مهندس: از هوافضا تا خودرو

پیشینه فرانک یک مسیر شغلی کلاسیک خودروسازی نیست. او در UC Berkeley در سال 1955 مدرک کارشناسی و در 1958 مدرک کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک گرفت؛ سپس به مهندسی برق در USC روی آورد و مدرک کارشناسی ارشد خود را در سال 1965 و دکترای خود را در سال 1968 به پایان رساند. این تخصص دوگانه - مکانیک و برق - پایه رویکرد او به پیشرانه هیبریدی را شکل داد.

از سال 1955 تا 1968 در شرکت North American Aviation و سپس در North American-Rockwell کار کرد. فهرست ماموریت‌ها چشمگیر بود: هواپیمای پژوهشی مافوق صوت X15، سامانه‌های پایدارسازی هلیکوپتر، پروژه آپولو و برنامه موشک بالستیک قاره‌پیما مینی‌من. در سال 1969 به دنیای دانشگاهی رفت؛ از سال 1969 تا 1985 در University of Wisconsin و از سال 1985 تا 2006 به عنوان عضو هیئت علمی در UC Davis خدمت کرد. یعنی نخستین خودروی هیبریدی خود را به عنوان یک مهندس دو رشته‌ای که از یک شرکت هوافضا بیرون آمده بود، ساخت.

از سال 1971: نخستین خودروها و مشکل قطعات ناقص

فرانک در سال 1971 در ویسکانسین-مدیسون همراه با دانشجویانش نخستین خودروی هیبریدی برقی خود را از صفر ساخت. این خودرو تنها هیبریدی بود که در مسابقه URBAN CAR Competition سال 1972 شرکت کرد. در روایت خود UC Davis نوشته شده که فرانک در سال 1972 احتمالاً نخستین خودروی هیبریدی پلاگین را توسعه داد؛ هدفی که برای آن تعیین کرده بود، با معیارهای آن دوران غیرعادی بود: 100 میل به ازای هر گالن و شتاب صفر تا 60 مایل بر ساعت در 6 ثانیه. ارائه بازدهی و عملکرد در یک بسته واحد، حتی امروز هم جمله تعریفی مهندسی هیبرید است.

اما چرا هیبریدی پلاگین در دهه 1970 به تولید انبوه نرسید؟ ارزیابی خود فرانک، مشکل را در سطح قطعات مطرح می‌کند: در آن دوران، فناوری‌های مناسب باتری، گیربکس و موتور وجود نداشتند. برای دستیابی به اهداف یک خودروی تولیدی، این قطعات باید از صفر و متناسب با هدف طراحی می‌شدند. این تشخیصی وفادار به دید مهندسی است که نوپایی بودن این مفهوم را نه به عنوان کمبود نبوغ، بلکه به عنوان یک مشکل زنجیره تامین توضیح می‌دهد.

با این حال، دهه‌های 1970 و 1980 خالی نگذشتند. در سال 1979 همراه با دانشجویانش یک هیبریدی مبتنی بر فلایویل توسعه داد: یک تبدیل Ford Pinto با گیربکس پیوسته متغیر، یعنی مجهز به CVT. این پروژه نخستین نشانه‌های ملموس معماری مورد علاقه فرانک را با خود داشت.

سال‌های Team FATE و دیویس: نتایج قابل اندازه‌گیری

در UC Davis، تیم به رهبری فرانک تحت نام Team FATE طی سال‌ها پشت سر هم خودروهای اثبات مفهوم ساخت. تا سال 2004 در مجموع هفت خودروی اثبات مفهوم تولید شده بود. هر یک از این خودروها جنبه‌ای از مفهوم هیبریدی پلاگین را آزمایش کرد:

• Side F/X: رکورد جهانی در سال 1991 با 3313 mpg با یک گالن بنزین؛ به تعبیر فرانک، مسافتی که با یک گالن می‌شد از سان فرانسیسکو تا نیویورک رفت.
• Shamu: رکورد جهانی 2200 mpg در همان سال با سوخت متانول M85.
• یک PHEV مربوط به سال 1991: برد الکتریکی 40 مایل با باتری‌های سرب-اسید.
• اواخر دهه 1990: برد الکتریکی 60 مایل با باتری نیکل-فلز هیدریدی - آستانه‌ای که دانشجویانش آن را موفقیتی عظیم می‌دانستند.
• 1992–1993: نمایش یک هیبریدی پلاگین با 72 mpg ، نزدیک به هدف 80 مایل به ازای هر گالن برنامه PNGV.
• 1996: یک تبدیل PHEV بر پایه Ford Taurus؛ در سفر از دیترویت تا واشنگتن دی‌سی به مقدار 68 مایل بر گالن دست یافت.

در اواخر دهه 1990 جنرال موتورز فرانک را برای تبدیل یک خودروی برقی EV1 به پلاگین هیبرید استخدام کرد؛ سوابق آرشیوی نشان می‌دهد که در سال 2001 برای هیبریدی‌سازی این نمونه اولیه EV1 بودجه قابل توجهی دریافت شد. این پروژه گامی ملموس بود که در آن مفهوم فرانک روی تجهیزات یک تولیدکننده بزرگ آزمایش شد - متاسفانه معلوم است که به برنامه‌های تولید آن دوره تبدیل نشد، اما داستان لغو کامل آن در مواد آرشیوی به طور دقیق مستند نشده است.

معماری فرانک: چرا از هیبرید موازی دفاع می‌کرد؟

پیکربندی مورد علاقه فرانک از چهار جزء تشکیل شده است: موتور برقی، موتور احتراق داخلی، CVT مکانیکی و باتری پرظرفیت. این همان آرایشی است که امروزه با نام هیبرید موازی شناخته می‌شود. در هیبریدهای سری، موتور فقط ژنراتور را می‌چرخاند، اما در معماری موازی هر دو منبع قدرت می‌توانند مستقیماً به چرخ‌ها کمک کنند؛ فرانک از این ساختار با مزایای قابل اندازه‌گیری از نظر بازدهی مکانیکی و اندازه قطعات دفاع می‌کرد.

چشم‌انداز او فراتر از خودرو بود. خودرویی که از شبکه شارژ می‌شد، می‌توانست در حالت پارک به شبکه انرژی بدهد؛ مفهوم vehicle-to-grid و سناریوی vehicle-to-house که خانه را تغذیه می‌کند، از همان اوایل در پروژه‌های فرانک مورد تاکید بود. تعریف خودش از هدفش هم جالب توجه است: هدف نهایی نه خودروی تمام‌برقی، بلکه خودرویی بود که حدود یک‌دهم مصرفش را با سوخت مایع و بقیه را با برقی خورشیدی تامین کند. این یک انتخاب مهندسی کاملاً متفاوت با روایت امروزیِ محوریت باتری-برقی است.

تاثیرگذاری: ثبت اختراع‌ها، دانشجویان و کارهایی که یک مرکز تحقیقاتی را برانگیختند

میراث فرانک فقط به نمونه‌های اولیه محدود نمی‌شود. صاحب بیش از 35 ثبت اختراع است؛ 12 مورد از آن‌ها متعلق به UC Davis است و تعداد ثبت اختراع‌های PHEV به حدود 50 نزدیک می‌شود. یکی از نمونه‌های ملموس، ثبت اختراع سال 1998 درباره روش کنترل تخلیه شارژ برای خودروهای هیبریدی است - استراتژی کنترلی هسته پلاگین هیبرید.

دانشجویانش شاید پیداترین بخش این میراث باشند. صدها نفر وارد صنعت خودرو شدند؛ برخی از آن‌ها در طراحی شورولت ولت، از نخستین پلاگین هیبریدهای تولید انبوه، کار کردند. خود فرانک هم در 21 دسامبر 2010 یکی از اولین دارندگان ولت شد - دیدن تبدیل مفهومی که سال‌ها از آن دفاع کرده بود به یک محصول تجاری، در گاراژ خودش، پایانی کم‌نظیر برای یک مهندس است.

هفت خودروی اثبات‌مفهوم تیم FATE بر تغییر مقررات انتشار کالیفرنیا تأثیر گذاشت تا اهداف خودروهای با انتشار صفر، خودروهای هیبریدی پلاگین‌دار را نیز در بر گیرد. فرانک در سال 2006 شرکت Efficient Drivetrains Inc. را بنیان نهاد؛ در همان سال، 2007، مرکز تحقیقات خودروهای هیبریدی پلاگینی (Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center) در چارچوب تحقیقات حمل‌ونقل دانشگاه UC Davis تأسیس شد و نخستین پژوهش‌های مصرف‌کنندگان را آغاز کرد؛ در سال 2010 نام خود را به PH&EV Research Center گسترش داد.

یک نکته برحق دیگر: وقتی بازار در پایان سال 1999 نخستین هیبریدهای مدرن را دید - هرچند با انرژی ترمز شارژ می‌شدند - این تحول برای فرانک لحظه‌ای تأییدآمیز و برحق‌انگاری بود. مفهوم درست بود؛ مفهوم درست بود؛

فقط زمان‌بندی و اجزای آن منتظرش بودند. مهندسی که حتی در سالمندی هم طراحی می‌کند:

فرانک در 24 سپتامبر 2023 نود ساله شد؛ با اینکه در خانه سالمندان زندگی می‌کند، همچنان به نوشتن مقالات فنی و حمایت از ائتلی‌های مدافع خودروهای هیبریدی پلاگین ادامه می‌دهد. این سرسختی، معنای دقیق واژه‌ای است که در عنوان مقاله آمده: این پشتکار، همان معنای واژه‌ای است که در عنوان مقاله آمده:

نه لغو پروژه‌ها جلویش را گرفته‌اند و نه کهولت سن. در کتابخانه UC Davis Shields، مجموعه‌ای پژوهشی درباره خودروهای الکتریکی پلاگینی با آرشیوهای اهدایی فرانک و فلیکس کرامر، از چهره‌های برجسته طرفداری از هیبریدهای پلاگین‌دار، در حال شکل‌گیری است. برنامه‌ریزی شده بود که این مجموعه که میان سال‌های 1978 تا 2012 را در بر می‌گیرد و نُه فوت خطی حجم دارد، تا پایان 2024 در اختیار پژوهشگران قرار گیرد؛ این مجموعه که میان سال‌های 1978 تا 2012 را در بر می‌گیرد و نُه فوت خطی حجم دارد، قرار بود تا پایان 2024 در دسترس پژوهشگران قرار گیرد؛

برگزاری یک نمایشگاه در لابی کتابخانه نیز در دستور کار است. از سوی دیگر، جایگاه هیبریدهای پلاگین‌دار با برد بلند در بحث امروز نیز گویای صحت چشم‌انداز فرانک است: این خودروها با ارائه مزیت انتشار مشابه خودروهای برقی باتری‌محور، حدود چهار برابر کمتر مواد معدنی بحرانی مصرف می‌کنند و بار کمتری بر شبکه برق تحمیل می‌کنند.

منابع

• در فهرست 'Electrifying 100': استاد اندی فرانک به عنوان 'پدر خودروی هیبریدی پلاگینی' شناخته شد
• Shields میزبان آرشیو خودروهای الکتریکی پلاگینی خواهد شد
• اندرو ای. فرانک
• مجموعه پژوهشی خودروهای هیبریدی پلاگینی، 1978-2012
• دکتر اندرو فرانک - EAA-PHEV
• زندگی‌نامه - فرانک، اندرو (UC Davis)