L'ostinazione di un ingegnere: come Andrew Frank ha perfezionato l'ibrido plug-in?
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Il nome di una sola persona racchiude il concetto moderno della plug-in hybrid: Andrew Alfonso Frank. Frank, professore emerito di ingegneria meccanica e aerospaziale presso UC Davis, ha lavorato dal 1971 a veicoli ibridi ricaricabili dalla rete, ha dato a questa classe di veicoli il nome attuale e ha fondato una scuola di ingegneria che ha portato centinaia dei suoi studenti nell'industria automobilistica. La sua storia procede su una linea completamente separata, non accanto ai due nomi considerati i padri dell'auto ibrida.
In evidenza
- Frank ha costruito la sua prima auto ibrida elettrica nel 1971 a Wisconsin–Madison; il suo obiettivo era 100 miglia per gallone e un'accelerazione 0-60.
- I veicoli del Team FATE hanno stabilito nel 1991 il record mondiale di 3313 mpg a benzina e 2200 mpg a metanolo.
- Frank è titolare di più di 35 brevetti; di questi, 12 appartengono a UC Davis.
- Il 21 dicembre 2010 è stato tra i primi proprietari della Chevrolet Volt, una delle prime plug-in hybrid prodotte in serie.
- Presso UC Davis si sta costituendo una collezione di ricerca sui veicoli elettrici plug-in attorno ai suoi archivi.
Chi ha inventato la plug-in hybrid: la rivendicazione di primato di Frank e i suoi limiti
La risposta alla domanda dipende da come viene definito il veicolo. La trazione ibrida elettrica in sé è molto più antica; già nel 1915 il modello ibrido della Woods Motor Vehicle era stato messo in vendita. Frank attribuisce a una ragione pratica il motivo per cui quel primo esempio non ebbe successo: all'epoca era costosa e non esistevano componenti che ne avrebbero ridotto il costo. Quando parliamo invece di un concetto in senso moderno, caricato dalla presa di casa, che passa automaticamente al motore a combustione interna quando la batteria si esaurisce e adatto all'uso quotidiano, le fonti collocano chiaramente Frank come pioniere; viene chiamato il padre della plug-in hybrid moderna ed è la persona che ha anche coniato il termine Plug-in Hybrid Electric Vehicle, ovvero PHEV.
Anche la definizione tecnica di questo primato è chiara: una plug-in hybrid è un veicolo che, grazie alla sua batteria ricaricabile, aziona il motore elettrico e passa automaticamente al motore a benzina quando l'energia della batteria si esaurisce. È proprio qui la differenza rispetto alle prime ibride moderne messe sul mercato alla fine del 1999. La Honda Insight e la Toyota Prius caricavano la batteria solo con l'energia della frenata; non esisteva un cavo di ricarica da collegare alla presa. Nell'approccio di Frank il collegamento alla rete era il punto di partenza del progetto, non una caratteristica aggiunta in seguito.
Occorre notare fin dall'inizio un'ambiguità: la storia della prima plug-in hybrid è riportata in modo diverso nelle fonti. Una narrazione colloca lo sviluppo nel 1971 in Wisconsin, l'altra nel 1972 e presso UC Davis. Questa differenza di datazione deriva da un processo di sviluppo graduale piuttosto che da un singolo veicolo e non mette in dubbio il primato di Frank; è solo una questione di come viene definito l'anno in cui il primo veicolo esemplare divenne operativo.
La formazione dell'ingegnere: dall'aerospaziale all'automobile
Il background di Frank non è una classica carriera automobilistica. Ha conseguito la laurea in ingegneria meccanica presso UC Berkeley nel 1955 e il master nel 1958; successivamente si orientò verso l'ingegneria elettrica alla USC, completando il master nel 1965 e il dottorato nel 1968. Questa doppia competenza - meccanica ed elettrica - costituì il fondamento del suo approccio alla trazione ibrida.
Dal 1955 al 1968 lavorò presso la North American Aviation e poi all'interno della North American-Rockwell. L'elenco dei compiti è impressionante: l'aereo da ricerca ipersonico X-15, i sistemi di stabilizzazione per elicotteri, il Progetto Apollo e il programma del missile balistico intercontinentale Minuteman. Nel 1969 passò alla vita accademica; dal 1969 al 1985 fu membro della facoltà della University of Wisconsin e dal 1985 al 2006 della UC Davis. Quindi costruì la sua prima auto ibrida come ingegnere con una doppia formazione, uscito da un'azienda aerospaziale.
Dal 1971: i primi veicoli e il problema dei componenti mancanti
Frank, nel 1971 a Wisconsin-Madison, costruì da zero la sua prima auto elettrica ibrida insieme ai suoi studenti. Questo veicolo fu l'unico ibrido a partecipare alla URBAN CAR Competition del 1972. Secondo la stessa UC Davis, Frank sviluppò nel 1972 probabilmente la prima auto ibrida plug-in; l'obiettivo che si era posto era straordinario secondo i criteri dell'epoca: 100 miglia per gallone e accelerazione da 0 a 60 miglia orarie in 6 secondi. Unire efficienza e prestazioni nello stesso pacchetto è, ancora oggi, la frase che definisce l'ingegneria ibrida.
Ma perché l'ibrido plug-in non è passato alla produzione di serie negli anni '70? La valutazione dello stesso Frank inquadra il problema a livello di componenti: all'epoca non erano disponibili le tecnologie adeguate per batteria, trasmissione e motore. Per raggiungere gli obiettivi di un'auto di produzione, questi componenti dovevano essere progettati da zero in modo mirato allo scopo. Questa è una diagnosi fedele al punto di vista ingegneristico, che spiega la precocità del concetto non come una mancanza di geni, ma come un problema di catena di fornitura.
Tuttavia, gli anni '70 e '80 non furono anni vuoti. Nel 1979 sviluppò con i suoi studenti un ibrido basato sul volano: una conversione di una Ford Pinto con trasmissione a variazione continua, ovvero con CVT. Questo progetto portava i primi segni concreti dell'architettura preferita da Frank.
Team FATE e gli anni di Davis: risultati misurabili
Alla UC Davis, il team guidato da Frank, sotto il nome di Team FATE, costruì anno dopo anno una serie di veicoli dimostrativi. Fino al 2004 erano stati prodotti in totale sette veicoli dimostrativi. Ognuno di questi veicoli metteva alla prova un aspetto del concetto di ibrido plug-in:
- Side F/X: nel 1991, record mondiale con 3313 mpg con un gallone di benzina; come dichiarato da Frank, la distanza necessaria per andare da San Francisco a New York con un solo gallone.
- Shamu: lo stesso anno, record mondiale con 2200 mpg usando il combustibile metanolico M85.
- Una PHEV datata 1991: autonomia elettrica di 40 miglia con batterie al piombo-acido.
- Fine degli anni '90: autonomia elettrica di 60 miglia con batteria al nichel-metallo idruro - la soglia che i suoi studenti consideravano un successo enorme.
- 1992-1993: una dimostrazione di ibrido plug-in che raggiungeva 72 mpg, vicina all'obiettivo di 80 miglia per gallone del programma PNGV.
- 1996: una conversione PHEV basata su una Ford Taurus; Nel viaggio da Detroit a Washington DC è stato raggiunto un valore di 68 mpg.
Alla fine degli anni '90 GM ingaggiò Frank per convertire un' EV1, un'automobile elettrica, in un ibrido plug-in; i documenti d'archivio mostrano che nel 2001 questo prototipo EV1 ricevette finanziamenti importanti per l'ibridazione. Il progetto fu un passo concreto in cui il concetto di Frank venne testato sull'hardware di un grande produttore - purtroppo si sa che non si trasformò nei piani di produzione di quell'epoca, ma la storia completa della cancellazione non è documentata in dettaglio nel materiale d'archivio.
| Veicolo | Anno | Base | Caratteristica distintiva |
|---|---|---|---|
| Hybrid a volano | 1979 | Ford Pinto | Trasmissione basata su volano con CVT |
| Side F/X | 1991 | - | Record di 3313 mpg con benzina |
| Shamu | 1991 | - | Record di 2200 mpg con metanolo M85 |
| Ford Taurus PHEV | 1996 | Ford Taurus | 68 mpg, viaggio Detroit–Washington |
| Sequoia | 2000 | Chevrolet Suburban | Architettura hybrid in parallelo |
| Yosemite | 2002 | Ford Explorer | Conversione plug-in |
| Trinity | 2005 | Chevy Equinox (2006) | 4 ruote motrici, 40 miglia di autonomia elettrica |
L'architettura di Frank: perché sosteneva il hybrid in parallelo?
La configurazione preferita da Frank è composta da quattro componenti: motore elettrico, motore a combustione interna, CVT meccanico e batteria ad alta capacità. Questo è lo schema oggi noto con il nome di hybrid in parallelo. Negli hybrid in serie il motore fa girare solo il generatore, mentre nell'architettura in parallelo le due fonti di potenza possono contribuire direttamente alle ruote; Frank sostenne questa struttura con vantaggi misurabili in termini di efficienza meccanica e dimensioni dei componenti.
La sua visione andava oltre il veicolo. Un'auto ricaricata dalla rete elettrica poteva restituire energia alla rete quando era parcheggiata; il concetto di vehicle-to-grid e lo scenario vehicle-to-house che alimenta la casa sono aspetti evidenziati fin dagli esordi nei progetti di Frank. Anche la sua stessa definizione dell'obiettivo è notevole: lo scopo finale non era un veicolo puramente elettrico, ma un veicolo che coprisse circa un decimo del consumo con carburante liquido e il resto con elettricità di origine solare. Questa è una scelta ingegneristica chiaramente diversa dall'attuale narrazione centrata sulle batterie elettriche.
L'impatto: brevetti, studenti e lavori che hanno innescato un centro di ricerca
La produzione di Frank non si limita ai prototipi. È titolare di più di 35 brevetti; 12 di questi appartengono a UC Davis e il numero di brevetti PHEV si avvicina a 50. Un esempio concreto è il brevetto del 1998 relativo al metodo di controllo dell'esaurimento della carica per veicoli ibridi - la strategia di controllo centrale della plug-in hybrid.
I suoi studenti sono forse la parte più visibile di questa eredità. Centinaia di loro sono entrati nell'industria automobilistica; alcuni hanno lavorato alla progettazione della Chevrolet Volt, una delle prime plug-in hybrid prodotte in serie. Lo stesso Frank divenne uno dei primi proprietari della Volt il 21 dicembre 2010 - vedere nei propri garage la trasformazione in prodotto commerciale di un concetto difeso per anni è una conclusione rara per un ingegnere.
I sette veicoli dimostrativi del Team FATE influenzarono la modifica della normativa sulle emissioni della California, in modo che gli obiettivi sui veicoli a zero emissioni includessero i plug-in hybrid. Nel 2006 Frank fondò l'azienda Efficient Drivetrains Inc.; il brevetto della UC Davis fu concesso in licenza a questa società. Nello stesso anno, nel 2007, all'interno delle ricerche sui trasporti della UC Davis fu istituito il Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center, che avviò le prime ricerche sui consumatori; nel 2010 ampliò il proprio nome in PH&EV Research Center.
Un'ulteriore nota meritata: quando il mercato vide i primi ibridi moderni alla fine del 1999 - pur caricandosi con l'energia della frenata - per Frank questo sviluppo fu una conferma, un momento di giustificazione. Il concetto era corretto; erano solo i tempi e i componenti ad aspettarlo.
Un ingegnere che disegna anche nella vecchiaia: l'eredità e l'archivio
Frank ha raggiunto i 90 anni il 24 settembre 2023; nonostante viva in una casa di riposo, continua a scrivere articoli tecnici e a sostenere le coalizioni di difesa dei plug-in hybrid. Questa tenacia è la piena corrispondenza della parola nel titolo dell'articolo: né le cancellazioni di progetto né l'età sono riusciti a fermarlo.
Il suo lascito si sta ora istituzionalizzando. Nella Shields Library della UC Davis si sta creando una collezione di ricerca sui veicoli elettrici plug-in con gli archivi donati da Frank e da Felix Kramer, una delle figure di spicco della difesa dei plug-in hybrid. La collezione, che copre il periodo 1978-2012 e ha un volume di nove piedi lineari, era prevista per l'apertura ai ricercatori entro la fine del 2024; è in programma anche una mostra nella hall della biblioteca.
Nel frattempo, il ruolo degli attuali plug-in hybrid a lunga autonomia nel dibattito odierno conferma la visione di Frank: questi veicoli offrono un vantaggio in termini di emissioni simile a quello dei veicoli elettrici a batteria, consumando circa un quarto dei minerali critici e gravando meno sulla rete elettrica. Il fatto che una rivendicazione ingegneristica di cinquant'anni sia ancora al centro del dibattito con argomenti misurabili è la migliore sintesi del pionierismo di Frank.