한 엔지니어의 고집: 앤드류 프랭크는 어떻게 플러그인 하이브리드를 완성했는가?

플러그인 하이브리드라는 현대적 개념을 한 사람의 이름이 품고 있습니다: Andrew Alfonso Frank. UC Davis의 기계·항공공학 명예교수인 Frank는 1971년부터 전력망에서 충전 가능한 하이브리드 차량을 연구했고, 이 차급에 오늘날의 이름을 붙였으며, 수많은 제자들을 자동차 산업으로 배출한 공학 학파를 세웠습니다. 그의 이야기는 하이브리드 차량의 아버지로 꼽히는 두 이름과 나란히 있기보다는, 완전히 별개의 계보 위에서 이어집니다.

플러그인 하이브리드를 발명한 사람은 누구인가: Frank의 개척 주장과 그 한계

이 질문에 대한 답은 차량이 무엇을 기준으로 정의되느냐에 달려 있습니다. 하이브리드 전기 구동 그 자체는 훨씬 오래되었으며, 1915년이라는 이른 시기에 이미 Woods Motor Vehicle의 하이브리드 모델이 판매에 나왔습니다. Frank는 이 초기 사례가 왜 자리 잡지 못했는지를 실용적인 이유로 설명합니다: 당시에는 비쌌고, 비용을 낮출 부품이 없었다는 것입니다. 반면 현대적인 의미, 즉 집 콘센트에서 충전하고, 배터리가 닳으면 자동으로 내연기관으로 전환하며, 일상 사용에 적합한 개념을 말할 때 자료들은 Frank를 명확히 개척자로 위치시킵니다; 그에게는 현대 플러그인 하이브리드의 아버지라는 칭호가 붙으며, Plug-in Hybrid Electric Vehicle, 즉 PHEV라는 용어를 만든 사람도 바로 그입니다.

이 개척의 기술적 정의 또한 분명합니다: 플러그인 하이브리드는 충전 가능한 배터리로 전기 모터를 구동하고, 배터리 에너지가 소진되면 가솔린 엔진으로 자동 전환하는 차량입니다. 1999년 말 시장에 나온 최초의 현대 하이브리드와의 차이는 바로 이 지점입니다. Honda Insight와 Toyota Prius는 배터리를 오직 제동 에너지로만 충전했으며, 꽂아서 충전하는 케이블은 없었습니다. Frank의 접근에서 전력망 연결은 설계의 출발점이었지, 나중에 추가된 기능이 아니었습니다.

한 가지 모호함도 처음부터 짚어둘 필요가 있습니다: 최초의 플러그인 하이브리드의 연혁은 자료마다 다르게 전해집니다. 한 서사는 개발의 시작을 1971년 Wisconsin에, 다른 서사는 1972년과 UC Davis에 위치시킵니다. 이 연대 차이는 단일 차량이 아니라 단계적인 개발 과정에서 비롯된 것이며, Frank의 개척을 의심하게 만들지 않습니다; 다만 최초 시험 차량이 어느 해에 가동 가능해졌는지를 어떻게 정의하느냐에 따른 미세한 차이일 뿐입니다.

엔지니어의 성장 과정: 항공에서 자동차로

Frank의 배경은 전형적인 자동차 경력이 아닙니다. UC Berkeley에서 1955년에 기계공학 학사를, 1958년에 석사를 받았습니다; 이후 USC에서 전기공학으로 진로를 정해 1965년에 석사 학위를, 1968년에 박사 학위를 마쳤습니다. 기계와 전기라는 이중 전문성이 그의 하이브리드 파워트레인 접근 방식의 토대가 되었습니다.

1955년부터 1968년까지 North American Aviation과 그 후신인 North American-Rockwell에서 근무했습니다. 담당한 업무 목록은 인상적입니다: X15 극초음속 연구기, 헬리콥터 자세 안정화 시스템, 아폴로 계획, 그리고 미니트맨 대륙간 탄도 미사일 프로그램. 1969년에 학계로 전향했습니다; 1969년부터 1985년까지는 University of Wisconsin에서, 1985년부터 2006년까지는 UC Davis에서 교수진으로 재직했습니다. 즉, 그는 항공 우주 기업을 떠난 투트랙 엔지니어로서 첫 하이브리드 차량을 만든 것입니다.

1971년부터의 첫 차량과 부족한 부품 문제

Frank은 1971년 Wisconsin–Madison에서 학생들과 함께 첫 하이브리드 전기차를 처음부터 직접 제작했습니다. 이 차량은 1972 URBAN CAR Competition에 참가한 유일한 하이브리드였습니다. UC Davis의 공식 기록에 따르면 Frank은 1972년에 아마도 최초의 플러그인 하이브리드 자동차를 개발했다고 합니다; 그가 세운 목표는 당시 기준으로도 매우 파격적이었습니다: 갤런당 100마일 주행과 6초 만에 시속 0-60마일 가속이었습니다. 효율성과 성능을 하나의 패키지에 담는다는 것은 오늘날에도 하이브리드 엔지니어링의 정의입니다.

그런데 왜 플러그인 하이브리드는 1970년대에 양산으로 넘어가지 못했을까요? Frank 자신의 평가는 문제를 부품 수준에서 짚고 있습니다: 당시에는 적합한 배터리, 변속기, 모터 기술이 존재하지 않았다는 것입니다. 양산차의 목표에 도달하려면 이 부품들을 처음부터 목적에 맞게 설계해야 했습니다. 이는 이 개념의 시기상조를 천재성의 부재가 아니라 공급망 문제로 설명하는, 엔지니어링적 관점에 충실한 진단입니다.

그럼에도 1970년대와 1980년대는 헛되게 지나지 않았습니다. 1979년에는 학생들과 함께 플라이휠 기반 하이브리드를 개발했습니다: 무단변속기, 즉 CVT를 장착한 Ford Pinto 개조 차량이었습니다. 이 프로젝트는 Frank이 선호한 아키텍처의 첫 구체적 흔적을 담고 있었습니다.

Team FATE와 Davis 시절: 측정 가능한 결과들

UC Davis에서 Frank이 이끈 팀은 Team FATE라는 이름으로 수년간 증명 차량들을 잇달아 제작했습니다. 2004년까지 총 7대의 증명 차량이 제작되었습니다. 이 차량들은 각각 플러그인 하이브리드 개념의 한 측면을 시험했습니다:

• Side F/X: 1991년 갤런당 3313mpg 로 세계 기록 수립; Frank의 표현대로라면 갤런 하나로 San Francisco에서 New York까지 갈 수 있는 거리입니다.
• Shamu: 같은 해 메타놀 연료 M85로 2200mpg 세계 기록 수립.
• 1991년식 PHEV: 납축 배터리로 40마일 의 전기 주행 거리 확보.
• 1990년대 말: 니켈-수소 배터리로 60마일 의 전기 주행 거리 - 학생들이 엄청난 성과로 여긴 기준선.
• 1992-1993: PNGV 프로그램의 갤런당 80마일 목표에 근접한 72mpg 를 기록한 플러그인 하이브리드 실증 차량.
• 1996: Ford Taurus 기반 PHEV 개조 차량; 디트로이트에서 워싱턴 DC까지의 여정에서 68 mpg 기록을 달성했습니다.

1990년대 후반 GM은 Frank에게 EV1 전기차를 플러그인 하이브리드로 개조하는 작업을 의뢰했습니다; 기록 보관 자료에 따르면 2001년 이 EV1 프로토타입의 하이브리드화를 위해 상당한 자금이 지원되었습니다. 이 프로젝트는 Frank의 개념이 대형 제조사의 장비로 테스트된 구체적인 진전이었습니다 - 안타깝게도 당시의 양산 계획으로 이어지지 않은 것으로 알려져 있지만, 전면 취소에 대한 이야기는 기록 자료에서 상세히 문서화되어 있지 않습니다.

Frank의 아키텍처: 왜 병렬 하이브리드를 옹호했을까?

Frank가 선호한 구성은 네 가지 요소로 이루어져 있습니다: 전기 모터, 내연기관, 기계식 CVT, 그리고 대용량 배터리. 이것이 오늘날 병렬 하이브리드로 알려진 방식입니다. 직렬 하이브리드에서는 엔진이 발전기만 돌리는 반면, 병렬 아키텍처에서는 두 동력원이 직접 바퀴에 동력을 전달할 수 있습니다; Frank는 이 구조를 기계적 효율성과 부품 크기 측면에서 측정 가능한 이점을 가진 것으로 옹호했습니다.

그의 비전은 차량 그 이상으로 확장되어 있었습니다. 전력망에서 충전되는 차량은 주차 중에 전력망에 에너지를 공급할 수 있었습니다; vehicle-to-grid 개념과 가정에 전력을 공급하는 vehicle-to-house 시나리오는 Frank의 프로젝트에서 초기부터 강조된 방향입니다. 목표에 대한 그 자신의 정의도 주목할 만합니다: 궁극적인 목표는 순수 전기차가 아니라, 소비량의 약 10분의 1을 액체 연료로, 나머지를 태양광 기반 전기로 충족하는 차량이었습니다. 이는 오늘날의 배터리-전기 중심 서사와는 명확히 다른 공학적 선택입니다.

그의 영향력: 특허, 학생들, 그리고 하나의 연구 센터를 촉발한 연구들

Frank의 성과는 프로토타입에만 국한되지 않습니다. 35개가 넘는 특허를 보유하고 있습니다; 그중 12개는 UC Davis에 속하며, PHEV 특허 수는 약 50개에 이릅니다. 구체적인 예로는 1998년 하이브리드 차량의 충전 소진 제어 방식에 관한 특허가 있습니다 - 플러그인 하이브리드의 핵심 제어 전략입니다.

그의 학생들은 이 유산의 아마도 가장 눈에 띄는 부분입니다. 수백 명이 자동차 산업에 진출했습니다; 일부는 최초의 양산 플러그인 하이브리드 중 하나인 Chevrolet Volt의 설계에 참여했습니다. Frank 본인도 2010년 12월 21일 Volt의 최초 소유자 중 한 명이 되었습니다 - 오랜 세월 옹호해 온 개념이 상용 제품이 되는 것을 자신의 차고에서 본다는 것은, 엔지니어에게 드문 마무리였습니다.

Team FATE의 일곱 대 증명 차량은 캘리포니아 배출 규제가 제로 배출 차량 목표에 플러그인 하이브리드를 포함하도록 개정되는 데 영향을 미쳤습니다. 2006년 Frank는 Efficient Drivetrains Inc. 라는 회사를 설립했으며, UC Davis 특허는 이 회사에 라이선스되었습니다. 같은 해인 2007년에는 UC Davis의 교통 연구 산하에 플러그인 하이브리드 전기차 연구 센터(Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center)가 설립되어 첫 소비자 연구를 시작했고, 2010년에는 이름을 PH&EV Research Center로 확장했습니다.

또 한 가지 얻어야 할 점: 시장이 1999년 말 처음으로 현대식 하이브리드를 보았을 때 - 비록 회생 제동으로 충전되는 방식이었지만 - Frank에게 이 발전은 하나의 확인, 하나의 정당화의 순간이었습니다. 개념은 옳았고, 단지 시기와 부품들이 그를 기다리고 있었을 뿐입니다.

노년에도 여전히 설계도를 그리는 엔지니어: 유산과 아카이브

Frank는 2023년 9월 24일에 90세를 맞이했습니다. 요양원에서 생활하고 있음에도 기술 논문을 쓰고 플러그인 하이브리드 옹호 연합을 지원하는 일을 계속하고 있습니다. 이 고집스러움은 기사 제목에 나온 단어의 정확한 의미 그대로입니다. 그를 멈추게 한 것은 프로젝트 취소도, 나이도 아닙니다.

그의 유산은 이제 제도화되고 있습니다. UC Davis Shields 도서관에서는 Frank와 플러그인 하이브리드 옹호의 주요 인물 중 하나인 Felix Kramer가 기증한 아카이브로 플러그인 전기차 연구 컬렉션이 마련되고 있습니다. 1978년부터 2012년에 걸친 9 라인 피트 분량의 이 컬렉션은 2024년 말까지 연구자들에게 공개될 예정이며, 도서관 로비에서의 전시회도 계획되어 있습니다.

한편 장거리 플러그인 하이브리드가 오늘날 논의에서 차지하는 위치 역시 Frank의 비전을 뒷받침합니다. 이 차량들은 배터리 전기차와 유사한 배출 이점을 제공하면서도 약 4분의 1 수준의 핵심 광물만 소비하고 전력망에 가하는 부담도 더 적습니다. 50년 된 엔지니ering 주장이 측정 가능한 논거로 여전히 논의될 수 있다는 점이 Frank의 개척업을 가장 잘 요약합니다.

참고 자료

• 'Electrifying 100' 속에: Andy Frank 교수, '플러그인 하이브리드의 아버지'로 인정받다
• Shields 도서관, 플러그인 전기차 아카이브를 보관하다
• Andrew A. Frank
• 플러그인 하이브리드 전기차 연구 컬렉션, 1978-2012
• Dr. Andrew Frank - EAA-PHEV
• 전기 – Frank, Andrew (UC Davis)