Kegigihan Seorang Insinyur: Bagaimana Andrew Frank Menyempurnakan Hybrid Plug-in?

Membawa konsep modern plug-in hybrid dalam satu nama: Andrew Alfonso Frank. Frank, profesor emeritus teknik mesin dan kedirgantaraan di UC Davis, telah bekerja pada kendaraan hibrit yang dapat diisi daya dari jaringan listrik sejak 1971, memberi nama sekarang pada kelas kendaraan ini, dan mendirikan sekolah teknik yang membawa ratusan muridnya ke industri otomotif. Kisahnya tidak berjalan berdampingan dengan dua nama yang dianggap sebagai bapak kendaraan hibrit, melainkan di jalur yang benar-benar terpisah.

Siapa yang menciptakan plug-in hybrid: Klaim kepemimpinan Frank dan batasnya

Jawaban atas pertanyaan ini bergantung pada bagaimana kendaraan tersebut didefinisikan. Penggerak hibrit elektrik itu sendiri jauh lebih tua; Sedini tahun 1915, model hibrit Woods Motor Vehicle telah ditawarkan untuk dijual. Frank mengaitkan alasan praktis mengapa contoh awal ini tidak berhasil: pada saat itu harganya mahal dan tidak ada komponen yang dapat menurunkan biayanya. Namun ketika kita berbicara dalam pengertian modern - konsep yang diisi daya dari colokan rumah, secara otomatis beralih ke mesin pembakaran internal ketika baterai habis, dan cocok untuk penggunaan sehari-hari - sumber-sumber secara jelas menempatkan Frank sebagai perintis; ia disebut sebagai bapak plug-in hybrid modern dan ia adalah orang yang juga menciptakan istilah Plug-in Hybrid Electric Vehicle, yaitu PHEV.

Definisi teknis dari kepemimpinan ini juga jelas: plug-in hybrid adalah kendaraan yang menjalankan motor listrik dengan baterai yang dapat diisi ulang, dan secara otomatis beralih ke mesin bensin ketika energi baterai habis. Perbedaan dengan hibrit modern pertama yang diluncurkan pada akhir tahun 1999 tepat di sini. Honda Insight dan Toyota Prius hanya mengisi baterai dengan energi pengereman; tidak ada kabel pengisi daya yang dicolokkan. Dalam pendekatan Frank, koneksi ke jaringan listrik adalah titik awal desain, bukan fitur yang ditambahkan kemudian.

Ada satu ketidakjelasan yang perlu dicatat sejak awal: sejarah plug-in hybrid pertama berbeda-beda di berbagai sumber. Satu narasi menempatkan perkembangannya di Wisconsin pada tahun 1971, yang lain di tahun 1972 dan di UC Davis. Perbedaan penanggalan ini berasal dari proses pengembangan bertahap, bukan dari satu kendaraan tunggal, dan tidak meragukan peran perintis Frank; hanya saja ada pergeseran tentang bagaimana tahun ketika contoh kendaraan pertama menjadi fungsional ditentukan.

Latar belakang pendidikan insinyur: dari kedirgantaraan ke otomotif

Latar belakang Frank bukanlah karier otomotif klasik. Ia meraih gelar sarjana teknik mesin di UC Berkeley pada tahun 1955 dan gelar magister pada tahun 1958; kemudian beralih ke teknik elektro di USC dan menyelesaikan gelar magisternya pada 1965 serta doktoranya pada 1968. Keahlian ganda ini - mekanik dan elektrik - menjadi fondasi pendekatannya pada penggerak hibrida.

Dari 1955 hingga 1968 ia bekerja di North American Aviation dan kemudian di North American-Rockwell. Daftar tugasnya mengesankan: Pesawat riset hipersonik X15, sistem stabilisasi helikopter, Proyek Apollo, dan program rudal balistik antarbenua Minuteman. Pada 1969 ia beralih ke dunia akademik; Dari 1969 hingga 1985 ia menjadi anggota fakultas di University of Wisconsin, dan dari 1985 hingga 2006 di UC Davis. Jadi ia membangun kendaraan hibrida pertamanya sebagai seorang insinyur dengan dua bidang keahlian yang keluar dari sebuah perusahaan penerbangan.

Sejak 1971: kendaraan-kendaraan pertama dan masalah komponen yang belum lengkap

Pada 1971, Frank di Wisconsin-Madison membangun kendaraan listrik hibrida pertamanya dari nol bersama para mahasiswanya. Kendaraan ini menjadi satu-satunya hibrida yang berpartisipasi dalam URBAN CAR Competition 1972. Dalam catatannya sendiri, UC Davis menuliskan bahwa Frank pada 1972 kemungkinan besar mengembangkan mobil plug-in hibrida pertama; target yang ia tetapkan luar biasa menurut ukuran zamannya: 100 mil per galon dan akselerasi 0-60 mil/jam dalam 6 detik. Menawarkan efisiensi dan performansi dalam satu paket, bahkan hari ini masih merupakan kalimat definisi dari rekayasa hibrida.

Lalu mengapa plug-in hibrida tidak bisa masuk produksi massal pada era 1970-an? Penilaian Frank sendiri membingkai masalahnya pada level komponen: pada masa itu teknologi baterai, transmisi, dan motor yang tepat belum tersedia. Untuk mencapai target mobil produksi, komponen-komponen ini harus dirancang dari nol dan sesuai tujuan. Ini adalah diagnosis yang setia pada sudut pandang rekayasa, yang menjelaskan keterbelakangan konsep itu bukan sebagai kurangnya jenius, melainkan sebagai masalah rantai pasok.

Namun era 1970-an dan 1980-an tidak berlalu tanpa hasil. Pada 1979 ia mengembangkan hibrida berbasis flywheel bersama para mahasiswanya: sebuah konversi Ford Pinto dengan transmisi variabel kontinu, yaitu CVT. Proyek ini membawa tanda-tanda awal dari arsitektur yang dipilih Frank.

Tahun-tahun Team FATE dan Davis: hasil-hasil yang terukur

Di UC Davis, tim yang dipimpin Frank, dengan nama Team FATE, membangun kendaraan-kendaraan pembuktian satu demi satu selama bertahun-tahun. Hingga 2004, total tujuh kendaraan pembuktian telah diproduksi. Setiap kendaraan ini menguji satu aspek dari konsep plug-in hibrida:

• Side F/X: rekor dunia pada 1991 dengan 3313 mpg per galon bensin; menurut pernyataan Frank, jarak yang bisa ditempuh dari San Francisco ke New York dengan satu galon.
• Shamu: rekor dunia 2200 mpg pada tahun yang sama dengan bahan bakar metanol M85.
• Sebuah PHEV bertahun 1991: jangkauan listrik 40 mil dengan baterai timbal-asam.
• Akhir era 1990-an: jangkauan listrik 60 mil dengan baterai nikel-metal hidrida - ambang batas yang dianggap pencapaian luar biasa oleh mahasiswa-mahasiswanya.
• 1992-1993: sebuah demonstrasi plug-in hibrida yang mencapai 72 mpg, mendekati target 80 mil per galon dari program PNGV.
• 1996: sebuah konversi PHEV berbasis Ford Taurus; Dalam perjalanan dari Detroit ke Washington DC, dicapai nilai 68 mpg.

Pada akhir 1990-an, GM mengontrak Frank untuk mengubah sebuah mobil listrik EV1 menjadi plug-in hybrid; catatan arsip menunjukkan bahwa pada tahun 2001 prototip EV1 ini menerima pendanaan signifikan untuk proses hibridisasi. Proyek ini merupakan langkah nyata di mana konsep Frank diuji pada perangkat keras sebuah produsen besar - sayangnya diketahui tidak berlanjut menjadi rencana produksi pada masa itu, namun kisah pembatalan lengkapnya tidak terdokumentasi secara rinci dalam materi arsip.

Arsitektur Frank: mengapa memperjuangkan hibrit paralel?

Konfigurasi yang dipilih Frank terdiri dari empat komponen: motor listrik, mesin pembakaran dalam, CVT mekanis, dan baterai berkapasitas tinggi. Inilah susunan yang kini dikenal dengan nama hibrit paralel. Pada hibrit seri, mesin hanya memutar generator, sedangkan pada arsitektur paralel kedua sumber daya dapat berkontribusi langsung ke roda; Frank memperjuangkan struktur ini dengan keunggulan yang terukur dari segi efisiensi mekanis dan ukuran komponen.

Visinya melampaui sekadar kendaraan. Kendaraan yang diisi daya dari jaringan listrik dapat mengembalikan energi ke jaringan saat diparkir; konsep vehicle-to-grid dan skenario vehicle-to-house yang menyuplai rumah adalah aspek yang ditekankan sejak awal dalam proyek-proyek Frank. Definisinya sendiri tentang tujuannya juga menarik perhatian: tujuan akhirnya bukan kendaraan listrik murni, melainkan kendaraan yang memenuhi sekitar sepuluh persen konsumsi dengan bahan bakar cair dan sisanya dengan listrik bersumber matahari. Ini adalah pilihan rekayasa yang jelas berbeda dari narasi sentris baterai-listrik masa kini.

Dampaknya: paten, mahasiswa, dan karya yang memicu berdirinya sebuah pusat penelitian

Produksi Frank tidak terbatas pada prototipe saja. Ia pemilik lebih dari 35 paten; 12 di antaranya milik UC Davis dan jumlah paten PHEV mendekati angka 50. Salah satu contoh nyata adalah paten tahun 1998 mengenai metode kontrol charge depletion untuk kendaraan hibrid - strategi kontrol inti dari plug-in hybrid.

Para mahasiswanya mungkin adalah bagian paling terlihat dari warisan ini. Ratusan dari mereka masuk ke industri otomobil; beberapa di antaranya terlibat dalam desain Chevrolet Volt, salah satu plug-in hybrid produksi massal pertama. Frank sendiri menjadi salah satu pemilik pertama Volt pada 21 Desember 2010 - menyaksikan konsep yang ia perjuangkan selama bertahun-tahun berubah menjadi produk komersial di garajinya sendiri adalah penutup yang langka bagi seorang insinyur.

Tujuh kendaraan bukti Tim FATE memengaruhi perubahan peraturan emisi California agar target kendaraan zero-emission mencakup plug-in hybrid. Pada 2006, Frank mendirikan perusahaan Efficient Drivetrains Inc.; paten UC Diludisensikan kepada perusahaan tersebut. Pada tahun yang sama, 2007, Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center didirikan di bawah naungan riset transportasi UC Davis dan memulai penelitian konsumen pertama; pada 2010 namanya diperluas menjadi PH&EV Research Center.

Satu catatan yang pantas lagi: ketika pasar melihat hybrid modern pertama pada akhir 1999 - meski diisi daya dengan energi pengereman - bagi Frank perkembangan itu merupakan sebuah validasi, momen pembenaran. Konsepnya memang benar; hanya waktunya dan komponennya yang belum mendukung.

Seorang insinyur yang tetap menggambar bahkan di usia senja: warisan dan arsip

Frank mencapai usia 90 tahun pada 24 September 2023; meski tinggal di panti jompo, ia terus menulis makalah teknis dan mendukung koalisi advokasi plug-in hybrid. Ketangguhan ini persis seperti makna kata dalam judul artikelnya: tidak ada pembatalan proyek ataupun usia yang mampu menghentikannya.

Warisannya kini sedang dilembagakan. Di Perpustakaan Shields UC Davis, sebuah koleksi riset kendaraan listrik plug-in sedang dibentuk dengan arsip-arsip yang disumbangkan Frank dan Felix Kramer, salah satu tokoh utama advokasi plug-in hybrid. Koleksi yang membentang sepanjang 1978-2012 dengan volume sembilan linear feet ini direncanakan dibuka bagi para peneliti pada akhir 2024; sebuah pameran di lobi perpustakaan juga sedang digarap.

Sementara itu, posisi plug-in hybrid jarak jauh dalam perdebatan saat ini pun mengonfirmasi visi Frank: kendaraan-kendaraan ini menawarkan keunggulan emisi serupa kendaraan listrik baterai sambil mengonsumsi sekitar empat kali lebih sedikit mineral kritis dan memberi beban lebih kecil pada jaringan listrik. Bahwa klaim rekayasa berusia lima puluh tahun masih relevan hingga kini dengan argumen yang terukur adalah ringkasan terbaik dari perintisannya Frank.

Sumber

• 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)