L'obstination d'un ingénieur : Comment Andrew Frank a-t-il perfectionné l'hybride rechargeable ?

Porte le concept moderne du plug-in hybride sous un seul nom : Andrew Alfonso Frank. Professeur émérite de génie mécanique et aérospatial à UC Davis, Frank a travaillé à partir de 1971 sur des véhicules hybrides rechargeables sur le réseau électrique, a donné à cette classe de véhicules son nom actuel et a fondé une école d'ingénierie qui a amené des centaines de ses étudiants dans l'industrie automobile. Son histoire avance sur une trajectoire entièrement à part, aux côtés mais sans se confondre avec les deux noms considérés comme les pères de la voiture hybride.

Qui a inventé le plug-in hybride : la revendication de primauté de Frank et ses limites

La réponse à cette question dépend de la manière dont le véhicule est défini. La traction hybride électrique elle-même est bien plus ancienne ; dès 1915, le modèle hybride de Woods Motor Vehicle avait été mis en vente. Frank attribue l'échec de ce premier exemple à une raison pratique : à l'époque, il était cher et aucun composant ne permettait d'en réduire le coût. En revanche, lorsqu'on parle d'un concept au sens moderne - rechargé sur une prise domestique, passant automatiquement au moteur à combustion interne une fois la batterie épuisée et adapté à un usage quotidien -, les sources positionnent clairement Frank comme pionnier ; il est qualifié de père du plug-in hybride moderne et c'est lui qui a également forgé le terme Plug-in Hybrid Electric Vehicle, ou PHEV.

La définition technique de cette primauté est également claire : le plug-in hybride est un véhicule dont la batterie rechargeable alimente le moteur électrique et qui bascule automatiquement sur le moteur essence lorsque l'énergie de la batterie est épuisée. C'est précisément là que se situe la différence avec les premiers hybrides modernes lancés fin 1999. La Honda Insight et la Toyota Prius ne rechargeaient la batterie qu'avec l'énergie de freinage ; il n'y avait pas de câble de charge à brancher. Dans l'approche de Frank, la connexion au réseau était le point de départ de la conception, non une caractéristique ajoutée après coup.

Une ambiguïté doit également être notée d'emblée : l'histoire du premier plug-in hybride varie selon les sources. L'un des récits situe le début du développement en 1971 dans le Wisconsin, l'autre en 1972 à UC Davis. Cet écart de datation provient d'un processus de développement progressif plutôt que d'un véhicule unique et ne remet pas en cause la primauté de Frank ; il s'agit seulement d'un glissement quant à la manière dont l'année de mise en fonctionnement du premier véhicule d'exemple a été définie.

La formation de l'ingénieur : de l'aérospatial à l'automobile

Le parcours de Frank n'est pas une carrière automobile classique. Il a obtenu sa licence en génie mécanique en 1955 à UC Berkeley, puis son master en 1958 ; il a ensuite s'est orienté vers le génie électrique à l'USC, où il a obtenu son master en 1965 et son doctorat en 1968. Cette double expertise - mécanique et électrique - a constitué le fondement de son approche de la propulsion hybride.

De 1955 à 1968, il a travaillé chez North American Aviation, puis au sein de North American-Rockwell. Sa liste de missions est impressionnante : l'avion de recherche hypersonique X-15, les systèmes de stabilisation d'hélicoptères, le programme Apollo et le programme de missile balistique intercontinental Minuteman. En 1969, il est passé à la vie académique ; de 1969 à 1985, il a été membre de la faculté de l'University of Wisconsin, puis de 1985 à 2006 à UC Davis. Ainsi, il a construit son premier véhicule hybride en tant qu'ingénieur aux doubles compétences, après avoir quitté une société aéronautique.

À partir de 1971 : les premiers véhicules et le problème des composants manquants

En 1971, Frank a construit de zéro, à Wisconsin-Madison, avec ses étudiants, son premier véhicule hybride électrique. Ce véhicule fut le seul hybride à participer à la URBAN CAR Competition de 1972. Selon le récit de UC Davis lui-même, Frank a probablement développé en 1972 la première automobile hybride rechargeable ; l'objectif qu'il s'était fixé était extraordinaire selon les critères de l'époque : 100 miles par gallon et une accélération de 0 à 60 mph en 6 secondes. Allier efficacité et performance dans un même package, voilà qui est encore aujourd'hui la phrase de définition de l'ingénierie hybride.

Mais pourquoi l'hybride rechargeable n'a-t-il pas pu passer à la production de série dans les années 1970 ? L'évaluation de Frank lui-même pose le problème au niveau des composants : à l'époque, les bonnes technologies de batterie, de transmission et de moteur n'existaient pas. Pour atteindre les objectifs d'un véhicule automobile de production, ces composants devaient être conçus de zéro, de manière adaptée à leur fonction. C'est un diagnostic fidèle au point de vue de l'ingénieur, qui explique la précocité du concept non pas comme un manque de génie, mais comme un problème de chaîne d'approvisionnement.

Pourtant, les années 1970 et 1980 ne furent pas stériles. En 1979, il a développé avec ses étudiants un hybride à volant d'inertie : une conversion d'une Ford Pinto avec transmission à variation continue, c'est-à-dire avec CVT. Ce projet portait les premiers signes concrets de l'architecture privilégiée par Frank.

Team FATE et les années Davis : des résultats mesurables

À UC Davis, l'équipe dirigée par Frank, sous le nom de Team FATE, a construit année après année une succession de véhicules de démonstration. Jusqu'en 2004, sept véhicules de démonstration avaient été produits au total. Chacun de ces véhicules a testé un aspect du concept d'hybride rechargeable :

• Side F/X : en 1991, un record du monde avec 3313 mpg avec un gallon d'essence ; selon les termes de Frank, la distance permettant d'aller de San Francisco à New York avec un seul gallon.
• Shamu : la même année, un record du monde avec 2200 mpg au carburant méthanol M85.
• Un PHEV datant de 1991 : une autonomie électrique de 40 miles avec des batteries plomb-acide.
• Fin des années 1990 : une autonomie électrique de 60 miles avec une batterie nickel-métal hydrure - le seuil que ses étudiants considéraient comme une réussite majeure.
• 1992-1993 : une démonstration d'hybride rechargeable atteignant 72 mpg, proche de l'objectif de 80 miles par gallon du programme PNGV.
• 1996 : une conversion PHEV basée sur une Ford Taurus ; Lors du voyage de Detroit à Washington DC, une valeur de 68 mpg a été atteinte.

À la fin des années 1990, GM a contracté Frank pour convertir une EV1, voiture électrique, en hybride rechargeable ; les archives montrent que ce prototype EV1 a reçu un financement important en 2001 pour son hybride. Le projet représentait une étape concrète où le concept de Frank était testé sur le matériel d'un grand constructeur - malheureusement, il est connu qu'il ne s'est pas transformé en plans de production de l'époque, mais l'histoire complète de son annulation n'est pas documentée en détail dans les archives.

L'architecture de Frank : pourquoi défendait-il l'hybride parallèle ?

La configuration préférée de Frank se compose de quatre composants : moteur électrique, moteur à combustion interne, CVT mécanique et batterie à haute capacité. C'est le dispositif connu aujourd'hui sous le nom d'hybride parallèle. Dans les hybrides en série, le moteur ne fait que tourner un générateur, tandis que dans l'architecture parallèle, les deux sources d'énergie peuvent contribuer directement aux roues ; Frank a défendu cette structure avec des avantages mesurables en termes d'efficacité mécanique et de taille des composants.

Sa vision allait au-delà du véhicule. Un véhicule rechargé depuis le réseau pouvait restituer de l'énergie au réseau lorsqu'il était garé ; le concept de vehicle-to-grid et le scénario de vehicle-to-house alimentant la maison sont des aspects soulignés dès le début dans les projets de Frank. Sa propre définition de son objectif est remarquable : le but final n'était pas un véhicule purement électrique, mais un véhicule couvrant environ un dixième de la consommation avec du carburant liquide et le reste avec de l'électricité d'origine solaire. C'est un choix d'ingénierie clairement différent du récit actuel centré sur les batteries électriques.

Son impact : des brevets, des étudiants et des travaux ayant déclenché un centre de recherche

La production de Frank ne se limite pas aux prototypes. Il est titulaire de plus de 35 brevets ; dont 12 appartiennent à UC Davis et le nombre de brevets PHEV approche 50. Un exemple concret est le brevet de 1998 relatif à une méthode de contrôle de l'épuisement de charge pour les véhicules hybrides - la stratégie de contrôle fondamentale de l'hybride rechargeable.

Ses étudiants sont peut-être la partie la plus visible de cet héritage. Des centaines d'entre eux sont entrés dans l'industrie automobile ; certains ont travaillé sur la conception de la Chevrolet Volt, l'un des premiers hybrides rechargeables produits en série. Frank lui-même est devenu l'un des premiers propriétaires de la Volt le 21 décembre 2010 - voir le concept qu'il défendait depuis des années se transformer en produit commercial dans son propre garage est une conclusion rare pour un ingénieur.

Les sept véhicules de preuve de concept de Team FATE ont influencé la modification des objectifs de zéro émission de la réglementation californienne afin d'y inclure les hybrides rechargeables. En 2006, Frank fonda Efficient Drivetrains Inc., une société à laquelle le brevet de UC Davis fut concédé sous licence. La même année, en 2007, le Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center fut créé au sein des recherches sur les transports de UC Davis et lança les premières études auprès des consommateurs ; en 2010, il fut rebaptisé PH&EV Research Center.

Une note bien méritée encore : lorsque le marché vit ses premiers hybrides modernes fin 1999 - même s'ils se rechargeaient grâce à l'énergie de freinage - ce développement fut pour Frank une validation, un moment de justification. Le concept était juste ; seuls le calendrier et les composants l'attendaient.

Un ingénieur qui dessine même dans sa vieillesse : l'héritage et les archives

Frank a atteint l'âge de 90 ans le 24 septembre 2023 ; bien qu'il vive dans une maison de retraite, il continue d'écrire des articles techniques et de soutenir les coalitions de plaidoyer pour les hybrides rechargeables. Cette obstination est l'illustration exacte du mot du titre de l'article : ni les annulations de projets ni l'âge n'ont pu l'arrêter.

Son héritage s'institutionnalise désormais. À la bibliothèque Shields de UC Davis, une collection de recherche sur les véhicules électriques rechargeables est en cours de constitution avec les archives léguées par Frank et Felix Kramer, l'une des figures de proue du plaidoyer pour l'hybride rechargeable. Étalée sur la période 1978-2012 et d'un volume de neuf pieds linéaires, la collection devait être ouverte aux chercheurs d'ici la fin 2024 ; une exposition dans le hall de la bibliothèque est également à l'étude.

Par ailleurs, la place des hybrides rechargeables à longue autonomie dans le débat actuel confirme la vision de Frank : ces véhicules offrent un avantage en émissions comparable aux véhicules électriques à batterie tout en consommant environ quatre fois moins de minéraux critiques et en sollicitant moins le réseau. Le fait qu'une revendication d'ingénierie vieille de cinquante ans reste toujours d'actualité avec des arguments mesurables est le meilleur résumé du pionnier qu'a été Frank.

Sources

• Dans les « Electrifying 100 » : le professeur Andy Frank reconnu comme « père de l'hybride rechargeable »
• Shields abritera les archives des véhicules électriques rechargeables
• Andrew A. Frank
• Collection de recherche Plug-In Hybrid Electric Vehicle, 1978-2012
• Dr. Andrew Frank - EAA-PHEV
• Biographie – Frank, Andrew (UC Davis)