Egy mérnök kitartása: Hogyan tökéletesítette Andrew Frank a plug-in hibridet?
Az oldal megosztása
A plug-in hibrid modern fogalmát egyetlen név őrzi: Andrew Alfonso Frank. Frank, a UC Davis emeritus gépész- és repülőmérnök professzora 1971-től foglalkozott hálózatról tölthető hibrid járművekkel, ő adta ennek a járműosztálynak a mai nevét, és olyan mérnöki iskolát alapított, amely több száz diákját juttatta el az autóiparba. Az ő története nem a hibrid jármű atyjának tekintett két név mellett, hanem egy teljesen külön vonalon halad.
A lényegek
- Frank 1971-ben építette meg első hibrid elektromos járművét Wisconsin–Madisonban; a célja a 100 mérföl gallononkénti fogyás és 0–60 gyorsulás volt.
- A Team FATE járművei 1991-ben világrekordot döntöttek: benzin mellett 3313 mpg-t, metanol mellett 2200 mpg-t értek el.
- Frank 35-nél több szabadalom tulajdonosa; Ezek közül 12 a UC Davis-hez tartozik.
- A 2010. december 21-én sorozatgyártásba került első plug-in hibridek egyike, a Chevrolet Volt első tulajdonosai között volt.
- A UC Davis-en az archívuma körül egy plug-in elektromos jármű kutatási gyűjtemény jön létre.
Ki találta fel a plug-in hibridet: Frank elsőbbségi igénye és annak határai
A kérdésre adott válasz attól függ, hogy a jármű milyen szempont szerint van definiálva. Maga a hibrid elektromos hajtás sokkal régebbi; már 1915-ben is elérhető volt a Woods Motor Vehicle hibrid modellje. Frank azt, hogy ez a korai példa miért nem volt sikeres, gyakorlati okokra vezeti vissza: akkoriban drága volt, és nem létezett olyan alkatrész, amely csökkentette volna a költségeit. A modern értelemben vett, otthoni aljzatról tölthető, akkumulátor kimerülésekor automatikusan belső égésű motorra átváltó és a mindennapi használatra alkalmas fogalomról beszélve a források egyértelműen úttörőként pozicionálják Franket; az ő nevéhez kötik a modern plug-in hibrid atyja címet, és ő az, aki a Plug-in Hybrid Electric Vehicle, azaz a PHEV kifejezést is megalkotta.
Ennek az úttörő szerepnek a technikai definíciója is egyértelmű: a plug-in hibrid olyan jármű, amely tölthető akkumulátorával működteti az elektromotort, és amikor az akkumulátor energiája kimerül, automatikusan átvált a benzinmotorra. Éppen itt van a különbség az 1999 végén piacra került első modern hibridekhez képest. A Honda Insight és a Toyota Prius az akkumulátort kizárólag a fékenergiával töltötte; csatlakoztatható töltőkábel nem volt. Frank megközelítésében a hálózati csatlakozás a tervezés kiindulópontja volt, nem pedig később hozzáadott funkció.
Egy bizonytalanságot érdemes elején megjegyezni: az első plug-in hibrid története a forrásokban eltérően szerepel. Az egyik elbeszélés a fejlesztést 1971-be, Wisconsinhoz, a másik 1972-be és a UC Davis-hez helyezi. Ez a dátumkülönbség abból fakad, hogy nem egyetlen járműről, hanem fokozatos fejlesztési folyamatról van szó, és nem vonja kétségbe Frank elsőbbségét; csupán arról egy csúszás, hogy az első példány jármű melyik évben vált működőkéessé, hogyan van meghatározva.
A mérnök képzése: a repüléstől az autóig
Frank háttére nem klasszikus autóipari karrier. A UC Berkeley-n 1955-ben szerzett gépészmérnöki alapképzést, 1958-ban pedig mesterképzést; ezután az USC-n villamosmérnökségre váltott, és 1965-ben mesterszakos, 1968-ban pedig doktori diplomáját szerezte meg. Ez a kettős szakértelem - mechanika és villamosság - képezte hibrid hajtásmegközelítésének alapját.
1955-től 1968-ig a North American Aviation, majd utódként a North American-Rockwell alkalmazásában dolgozott. A feladatlista lenyűgöző: X15 hiperszonikus kísérleti repülőgép, helikopter-stabilizációs rendszerek, az Apollo-program és a Minuteman interkontinentális ballisztikus rakétaprogram. 1969-ben tért át az egyetemi életre; 1969-től 1985-ig a University of Wisconsin, majd 1985-től 2006-ig a UC Davis oktatójaként dolgozott. Tehát első hibrid járművét egy repülőgépgyártó cégből kilépett, kettős szakirányú mérnökként építette meg.
1971-től: az első járművek és a hiányzó alkatrészek problémája
Frank 1971-ben Wisconsin–Madisonban diákjaival együtt a nulláról építette meg első hibrid elektromos járművét. Ez a jármű volt az egyetlen hibrid, amely részt vett az 1972-es URBAN CAR Competition versenyen. A UC Davis saját beszámolója szerint Frank 1972-ben valószínűleg az első plug-in hibrid autót fejlesztette ki; az általa kitűzött cél az adott kor mércéjével mérve is rendkívüli volt: 100 mérföld gallononként és 0-60 mph gyorsulás 6 másodperc alatt. A hatékonyság és a teljesítmény együttes kínálása ugyanabban a csomagban még ma is a hibridmérnökség meghatározó mondata.
De miért nem tudott a plug-in hibrid az 1970-es években sorozatgyártásba kerülni? Frank saját értékelése az alkatrész szintjén rakta fel a problémát: akkoriban nem álltak rendelkezésre a megfelelő akkumulátor-, sebességváltó- és motortechnológiák. A sorozatgyártású autó céljainak eléréséhez ezeket az alkatrészeket a nulláról, célirányosan kellett volna megtervezni. Ez a diagnózis hűen mérnöki szemléletű: a koncepció koraisát nem tehetségghiányként, hanem ellátási lánc problémájaként magyarázza.
Mégis az 1970-es és 1980-as évek sem telt el üresen. 1979-ben diákjaival lendkerék alapú hibridet fejlesztett ki: egy folyamatosan változó áttételű, azaz CVT-s Ford Pinto átalakítást. Ez a projekt hordozta Frank által preferált architektúra első kézzelfogható jeleit.
A Team FATE és a Davis évek: mérhető eredmények
A UC Davis-en Frank vezetésével a csapat Team FATE néven éveken át egymás után építette a demonstrációs járműveket. 2004-ig összesen hét demonstrációs jármű készült el. Ezek közül minden jármű a plug-in hibrid koncepciójának egy-egy aspektusát tesztelte:
- Side F/X: 1991-ben világrekord 3313 mpg egy gallon benzinrel; Frank megfogalmazásában ez az a távolság, amennyit egyetlen gallonnal San Franciscóból New Yorkig meg lehetne tenni.
- Shamu: ugyanabban az évben M85 metanol üzemanyaggal 2200 mpg világrekord.
- Egy 1991-es PHEV: ólom-sav akkumulátorokkal 40 mérföld elektromos hatótávolság.
- Az 1990-es évek vége: nikkel-fémhidrid akkumulátorral 60 mérföld elektromos hatótávolság - ez volt az a küszöb, amelyet diákjai hatalmas sikernek tartottak.
- 1992-1993: Egy plug-in hibrid demonstráció, amely 72 mpg -t ért el, megközelítve a PNGV program gallononkénti 80 mérföldes célját.
- 1996: Egy Ford Taurus alapú PHEV átalakítás; Detroittől Washington DC-ig tartó út során 68 mpg értéket ért el.
A kilencvenes évek végén a GM megbízta Franket azzal, hogy EV1 villanyautóját plug-in hibridgé alakítsa át; a levéltári feljegyzések szerint 2001-ben jelentős forrást kaptak ennek az EV1-prototípusnak a hibridizálására. A projekt kézzelfogható lépés volt, amelyben Frank koncepcióját egy nagy gyártó hardverén tesztelték - sajnos arról ismert, hogy nem vált az akkori gyártási tervekké, azonban a teljes törlés történetét a levéltári anyagban nem dokumentálták részletesen.
| Jármű | Év | Alap | Kiemelt jellemző |
|---|---|---|---|
| Rendkerék-hibrid | 1979 | Ford Pinto | Rendkerék alapú hajtás CVT-vel |
| Side F/X | 1991 | - | 3313 mpg rekord benzinnel |
| Shamu | 1991 | - | 2200 mpg rekord M85 metanollal |
| Ford Taurus PHEV | 1996 | Ford Taurus | 68 mpg, Detroit-Washington út |
| Sequoia | 2000 | Chevrolet Suburban | Párhuzamos hibrid architektúra |
| Yosemite | 2002 | Ford Explorer | Plug-in átalakítás |
| Trinity | 2005 | Chevy Equinox (2006) | 4 hajtás, 40 mérföld elektromos hatótáv |
Frank architektúrája: miért pártolta a párhuzamos hibridet?
Frank által preferált konfiguráció négy komponensből áll: elektromotor, belső égésű motor, mechanikus CVT és nagy kapacitású akkumulátor. Ez a ma párhuzamos hibridként ismert elrendezés. Soros hibridekben a motor csak a generátort forgatja, míg a párhuzamos architektúrában mindkét erőforrás közvetlenül hozzájárulhat a kerekekhez; Frank ezt a felépítést mérhető előnyökkel támogatta a mechanikai hatékonyság és az alkatrészméret szempontjából.
A víziója túlnyúlt a járművön. A hálózatból töltött jármű parkolás közben energiát adhatott volna vissza a hálózatnak; a vehicle-to-grid koncepció és az otthont ellátó vehicle-to-house forgatókönyv Frank projektjeiben a korai időszaktól kezdve hangsúlyozott irányok voltak. A céljáról alkotott saját meghatározása is figyelemre méltó: a végső cél nem a tiszta elektromos jármű volt, hanem egy olyan jármű, amely fogyasztásának körülbelül egytizedét folyékony üzemanyaggal, a többit napenergiából származó villamos energiával fedezi. Ez nyilvánvalóan eltérő mérnöki választás a mai akkumulátor-elektromos központú narratívától.
A hatás: szabadalmak, diákok és egy kutatóközpontot elindító munkák
Frank termelése nem korlátozódik a prototípusokra. 35-nél több szabadalom tulajdonosa; ezek közül 12 a UC Davis tulajdona, és a PHEV-szabadalmak száma megközelíti az 50-et. Az egyik kézzelfogható példa az 1998-ból származó, hibrid járművek töltésmerülés-vezérlési módszerére vonatkozó szabadalom - a plug-in hibrid alapvető vezérlési stratégiája.
Diákjai talán ennek az örökségnek a leglátványosabb része. Százan léptek be az autóiparba; néhányan az első sorozatgyártású plug-in hibridek, a Chevrolet Volt tervezésén dolgoztak. Frank maga is 2010. december 21-én a Volt első tulajdonosai közé tartozott - hogy évekig védett koncepciója kereskedelmi termék lett, és ezt a saját garázsában láthatta, ritka lezárás egy mérnök számára.
A Team FATE hét bizonyító-járműve hozzájárult ahhoz, hogy a kaliforniai kibocsátási szabályozás nulla kibocsátású járművre vonatkozó céljai a plug-in hibridekre is kiterjedjenek. 2006-ban Frank megalapította az Efficient Drivetrains Inc. vállalatot; az UC Davis szabadalmát ehhez a céges licencelték. Ugyanabban az évben, 2007-ben az UC Davis közlekedéskutatási keretén belül létrejött a Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center, és elindította az első fogyasztói kutatásokat; 2010-ben a nevét PH&EV Research Center-ra bővítette.
Még egy kiérdemelt megjegyzés: amikor a piac 1999 végén megpillantotta az első modern hibrideket - még ha fékenergiából töltöttek is -, Frank számára ez az esemény egy megerősítés, egy igazolás pillanata volt. A koncepció helyes volt; csak az időzítésére és az alkatrészeire várt.
Még idős korában is rajzoló mérnök: örökség és archívum
Frank 2023. szeptember 24-én töltötte be a 90. életévét; bár ápolási otthonban él, továbbra is ír technikai cikkeket, és támogatja a plug-in hibrid képviseleti koalíciókat. Ez a makacsság a cikk címében szereplő szó tökéletes megfelelője: sem a projektlemondások, sem az életkor nem állította meg.
Öröksége mára intézményesül. Az UC Davis Shields Könyvtárában létrejön egy plug-in elektromos jármű kutatási gyűjtemény Franknek, valamint a plug-in hibrid képviselet vezető alakjának, Felix Kramernek az adományaiból. Az 1978 és 2012 közé eső, kilenc lineáris láb terjedelmű gyűjteményt 2024 végéig tervezték megnyitni a kutatók előtt; a könyvtár előcsarnokában egy kiállítás is szóba került.
Eközben a ma hosszú hatótávolságú plug-in hibridekről folyó vita is Frank vízióját igazolja: e járművek az akkumulátoros elektromos járművekhez hasonló kibocsátási előnyt kínálnak, miközben körülbelül négyszer kevesebb kritikus nyersanyagot fogyasztanak, és kisebb terhet rónak a hálózatra. Hogy egy ötven éves mérnöki állítás mérhető érvekkel máig napirenden van, Frank úttörő munkájának legjobb összefoglalója.