Inżynierski upór: Jak Andrew Frank doskonalił hybrydę plug-in?

Nowoczesną koncepcję hybrydy plug-in łączy z jedną nazwą: Andrew Alfonso Frank. Frank, profesor emeritus inżynierii mechanicznej i lotniczej na UC Davis, od 1971 roku pracował nad pojazdami hybrydowymi ładowanymi z sieci, nadał tej klasie pojazdów obecną nazwę i założył szkołę inżynierii, która wyprowadziła setki jego studentów do branży motoryzacyjnej. Jego historia nie biegnie obok dwóch nazwisk uważanych za ojców samochodu hybrydowego, lecz na zupełnie odrębnej linii.

Kto wynalazł hybrydę plug-in: roszczenie Franka do pierwszeństwa i jego granice

Odpowiedź na to pytanie zależy od tego, według jakich kryteriów definiowany jest pojazd. Sama hybrydowa trakcja elektryczna jest znacznie starsza; już w 1915 roku Woods Motor Vehicle oferował sprzedaż swojego modelu hybrydowego. Frank tłumaczy praktycznym powodem, dlaczego ten wczesny przykład się nie przyjął: w tamtym okresie był drogi, a nie istniały komponenty, które obniżyłyby jego koszt. Natomiast gdy mówimy o koncepcji w nowoczesnym rozumieniu - ładowanej z gniazdka domowego, automatycznie przechodzącej na silnik spalinowy po wyczerpaniu baterii i odpowiedniej do codziennego użytku - źródła jednoznacznie pozycjonują Franka jako pioniera; nazywa się go ojcem nowoczesnej hybrydy plug-in i to on ukuł również termin Plug-in Hybrid Electric Vehicle, czyli PHEV.

Techniczna definicja tego pierwszeństwa jest również jasna: hybryda plug-in to pojazd, który dzięki ładowalnej baterii napędza silnik elektryczny, a po wyczerpaniu energii baterii automatycznie przechodzi na silnik benzynowy. Właśnie tu leży różnica względem pierwszych nowoczesnych hybryd wprowadzonych na rynek pod koniec 1999 roku. Honda Insight i Toyota Prius ładowały baterię wyłącznie energią z hamowania; nie było kabla ładowania wpinanego do gniazdka. W podejściu Franka połączenie z siecią było punktem wyjścia konstrukcji, a nie cechą dodaną później.

Trzeba od razu zauważyć pewną niejasność: historia pierwszej hybrydy plug-in różnie przebiega w źródłach. Jedna narracja umieszcza początek prac rozwojowych w Wisconsin w 1971 roku, druga w 1972 roku i na UC Davis. Ta rozbieżność datowania wynika z etapowego procesu rozwoju, a nie z jednego pojedynczego pojazdu i nie podważa pierwszeństwa Franka; to jedynie przesunięcie związane z tym, jak definiuje się rok, w którym pierwszy egzemplarz pojazdu stał się sprawny.

Formacja inżyniera: od lotnictwa do motoryzacji

Tło Franka nie jest klasyczną karierą motoryzacyjną. Na UC Berkeley uzyskał w 1955 roku licencjat z inżynierii mechanicznej, a w 1958 roku tytuł magistra; następnie zwrócił się ku inżynierii elektrycznej na USC, kończąc studia magisterskie w 1965 roku, a doktorat w 1968 roku. Ta podwójna specjalizacja - mechanika i elektryka - stanowiła fundament jego podejścia do napędu hybrydowego.

Od 1955 do 1968 roku pracował w North American Aviation, a następnie w North American-Rockwell. Lista osiągnięć robi wrażenie: hipersoniczny samolot badawczy X15, systemy stabilizacji helikopterów, Projekt Apollo i program międzykontynentalnych pocisków balistycznych Minuteman. W 1969 roku przeszedł do życia akademickiego; od 1969 do 1985 roku był członkiem wydziału University of Wisconsin, a od 1985 do 2006 roku UC Davis. A więc swój pierwszy pojazd hybrydowy zbudował jako inżynier o podwójnym wykształceniu, po odejściu z firmy lotniczej.

Od 1971 roku - pierwsze pojazdy i problem brakujących komponentów

W 1971 roku Frank na University of Wisconsin-Madison zbudował wraz ze swoimi studentami od podstaw swój pierwszy hybrydowy pojazd elektryczny. Ten pojazd był jedyną hybrydą, która wzięła udział w konkursie URBAN CAR Competition 1972. Według własnej relacji UC Davis Frank w 1972 roku opracował prawdopodobnie pierwszy samochód typu plug-in hybrid; wyznaczony przez niego cel był niezwykły jak na tamte czasy: 100 mil na galon i przyspieszenie 0-60 mil/h w 6 sekund. Łączenie wydajności z osiągami w jednym pakiecie to nawet dziś zdanie definiujące inżynierię hybrydową.

Dlaczego więc hybryda plug-in nie weszła do produkcji seryjnej w latach 70.? Ocena Franka osadza problem na poziomie komponentów: w tamtym okresie nie były dostępne odpowiednie technologie baterii, skrzyni biegów i silnika. Aby osiągnąć cele produkcyjnego samochodu, te komponenty musiały zostać zaprojektowane od nowa, specjalnie do tego celu. Ta diagnoza, wierna inżynierskiej perspektywie, wyjaśnia wczesność koncepcji nie jako brak geniusza, lecz jako problem łańcucha dostaw.

Niemniej jednak lata 70. i 80. nie minęły pustką. W 1979 roku wraz ze studentami opracował hybrydę opartą na kołowie zamachowym: konwersję Forda Pinto ze skrzynią o bezstopniowej regulacji, czyli z CVT. Ten projekt nosił pierwsze namacalne ślady preferowanej przez Franka architektury.

Team FATE i lata w Davis: mierzalne wyniki

Na UC Davis zespół pod przewodnictwem Franka, pod nazwą Team FATE, przez lata budował kolejne pojazdy demonstracyjne. Do 2004 roku powstało łącznie siedem pojazdów demonstracyjnych. Każdy z tych pojazdów testował inny aspekt koncepcji plug-in hybrid:

• Side F/X: światowy rekord w 1991 roku - 3313 mpg na jednym galonie benzyny; jak mówił Frank, dystans pozwalający przejechać z San Francisco do Nowego Jorku na jednym galonie.
• Shamu: w tym samym roku światowy rekord 2200 mpg na paliwie metanolowym M85.
• PHEV z 1991 roku: elektryczny zasięg 40 mil na bateriach kwasowo-ołowiowych.
• Koniec lat 90.: elektryczny zasięg 60 mil na baterii niklowo-metalowo-wodorkowej - próg, który jego studenci uważali za ogromny sukces.
• 1992-1993: demonstracja plug-in hybrid osiągająca 72 mpg, blisko celu 80 mil na galon programu PNGV.
• 1996: konwersja PHEV oparta na Fordzie Taurus; Podczas podróży z Detroit do Washington DC osiągnięto wynik 68 mpg.

Pod koniec lat 90. GM zleciło Frankowi zadanie przekształcenia samochodu elektrycznego EV1 w hybrydę plug-in; zapisy archiwalne pokazują, że w 2001 roku prototyp EV1 otrzymał znaczące fundusze na hybrydyzację. Projekt był konkretnym krokiem naprzód - koncepcja Franka została przetestowana na sprzęcie dużego producenta. Niestety wiadomo, że nie przekształcił się on w ówczesne plany produkcyjne, jednak pełna historia odwołania projektu nie jest szczegółowo udokumentowana w materiałach archiwalnych.

Architektura Franka: dlaczego opowiadał się za hybrydą równoległą?

Preferowana przez Franka konfiguracja składa się z czterech komponentów: silnika elektrycznego, silnika spalinowego, mechanicznej przekładni CVT i baterii o wysokiej pojemności. Jest to układ znany dziś pod nazwą hybrydy równoległej. W hybrydach szeregowych silnik napędza wyłącznie generator, natomiast w architekturze równoległej oba źródła zasilania mogą bezpośrednio napędzać koła; Frank bronił tej struktury, wskazując na mierzalne zalety pod względem sprawności mechanicznej i rozmiaru komponentów.

Jego wizja sięgała dalej niż sam pojazd. Pojazd ładowany z sieci mógł oddawać energię do sieci podczas postoju; koncepcja vehicle-to-grid i scenariusz vehicle-to-house zasilający dom to kierunki akcentowane w projektach Franka od wczesnego etapu. Godna uwagi jest również jego własna definicja celu: ostatecznym celem nie był czysto elektryczny pojazd, lecz pojazd pokrywający około jedną dziesiątą zużycia paliwem płynnym, a resztę energią elektryczną pochodzącą ze słońca. Jest to wyraźnie inny wybór inżynieryjny niż dzisiejszy centralny nurt napędów bateryjno-elektrycznych.

Wpływ: patenty, studenci i prace, które zapoczątkowały ośrodek badawczy

Dziedzictwo Franka nie ogranicza się wyłącznie do prototypów. Jest posiadaczem ponad 35 patentów; 12 z nich należy do UC Davis, a liczba patentów dotyczących PHEV zbliża się do 50. Jednym z konkretnych przykładów jest patent z 1998 roku dotyczący metody kontroli wyczerpywania się ładowania w pojazdach hybrydowych - podstawowa strategia sterowania plug-in hybrydą.

Jego studenci to być może najbardziej widoczna część tego dziedzictwa. Setki z nich weszło do przemysłu motoryzacyjnego; niektórzy pracowali przy projektowaniu Chevroleta Volta, jednej z pierwszych seryjnie produkowanych plug-in hybryd. Sam Frank stał się 21 grudnia 2010 roku jednym z pierwszych właścicieli Volta - zobaczenie we własnym garażu, jak broniona przez lata koncepcja zmieniła się w produkt komercyjny, to rzadkie zwieńczenie pracy dla inżyniera.

Siedem pojazdów dowodowych zespołu Team FATE przyczyniło się do zmiany celów zeroemisyjnych kalifornijskich przepisów emisyjnych w taki sposób, aby obejmowały hybrydy plug-in. W 2006 roku Frank założył firmę Efficient Drivetrains Inc.; (kontynuacja) patent UC Davis został udzielony tej firmie na licencji. W tym samym roku, w 2007, w ramach badań transportowych UC Davis powstało Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center, które rozpoczęło pierwsze badania konsumenckie; w 2010 roku rozszerzyło nazwę na PH&EV Research Center.

Jeszcze jedna zasłużona wzmianka: gdy pod koniec 1999 roku rynek zobaczył pierwsze nowoczesne hybrydy - choć ładowane energią z hamowania - dla Franka był to moment potwierdzenia, moment usprawiedliwienia. Koncepcja była słuszna; czekały na niego tylko terminy i komponenty.

Inżynier rysujący nawet na emeryturze: spuścizna i archiwum

Frank ukończył 90 lat 24 września 2023 roku; choć mieszka w domu opieki, wciąż pisze artykuły naukowe i wspiera koalicje na rzecz hybryd plug-in. Ta upartość to dokładne odwzorowanie słowa z tytułu artykułu: ani odwołania projektów, ani wiek nie potrafiły go zatrzymać.

Jego dziedzictwo zostaje teraz zinstitucjonalizowane. W bibliotece UC Davis Shields powstaje kolekcja badań nad elektrycznymi pojazdami plug-in z archiwami podarowanymi przez Franka oraz Felixa Kramera, jednej z czołowych postaci rzecznictwa hybryd plug-in. Kolekcja, obejmująca lata 1978-2012 i licząca dziewięć linear feet, ma zostać udostępniona badaczom do końca 2024 roku; w holu biblioteki planowana jest także wystawa.

Tymczasem miejsce długozasięgowych hybryd plug-in w dzisiejszej debacie również potwierdza wizję Franka: pojazdy te oferują korzyści emisyjne podobne do pojazdów bataryowo-elektrycznych, zużywając około cztery razy mniej krytycznych minerałów i mniej obciążając sieć elektroenergetyczną. To, że inżynierska teza sprzed pięćdziesięciu lat wciąż jest obecna w debacie z mierzalnymi argumentami, to najlepsze podsumowanie pionierskiej roli Franka.

Źródła

• W 'Electrifying 100': Profesor Andy Frank uznany za 'Ojca hybrydy plug-in'
• Shields będzie przechowywać archiwum elektrycznych pojazdów plug-in
• Andrew A. Frank
• Kolekcja badań nad hybrydowymi pojazdami elektrycznymi plug-in, 1978-2012
• Dr Andrew Frank - EAA-PHEV
• Biografia - Frank, Andrew (UC Davis)