A Teimosia de um Engenheiro: Como Andrew Frank Aperfeiçoou o Híbrido Plug-in?

O conceito moderno do plug-in híbrido carrega um único nome: Andrew Alfonso Frank. Professor emérito de engenharia mecânica e aeroespacial na UC Davis, Frank trabalhou a partir de 1971 em veículos híbridos recarregáveis pela rede elétrica, deu a esta classe de veículos o seu nome atual e fundou uma escola de engenharia que levou centenas dos seus alunos para a indústria automobilística. A sua história segue um caminho completamente separado, ao lado dos dois nomes considerados os pais do veículo híbrido.

Quem inventou o plug-in híbrido: A reivindicação de precedência de Frank e seus limites

A resposta a esta pergunta depende de como o veículo é definido. A tração elétrica híbrida em si é muito mais antiga; já em 1915, o modelo híbrido da Woods Motor Vehicle havia sido colocado à venda. Frank atribui a razão pela qual esse exemplo precoce não vingou a um motivo prático: naquela época era caro e não havia componentes que reduzissem seu custo. No sentido moderno, quando falamos de um conceito carregado na tomada de casa, que passa automaticamente para o motor de combustão interna quando a bateria se esgota e é adequado ao uso diário, as fontes posicionam Frank claramente como pioneiro; ele é chamado de pai do plug-in híbrido moderno e foi ele quem também cunhou o termo Plug-in Hybrid Electric Vehicle, ou seja, PHEV.

A definição técnica dessa precedência também é clara: um plug-in híbrido é um veículo que, com sua bateria recarregável, aciona o motor elétrico e passa automaticamente para o motor a gasolina quando a energia da bateria se esgota. É exatamente aqui que está a diferença em relação aos primeiros híbridos modernos lançados no final de 1999. O Honda Insight e o Toyota Prius carregavam a bateria apenas com a energia da frenagem; não havia um cabo de carregamento a ser conectado à tomada. Na abordagem de Frank, a conexão à rede era o ponto de partida do projeto, não um recurso adicionado posteriormente.

É preciso notar desde o início uma ambiguidade: a história do primeiro plug-in híbrido aparece de forma diferente nas fontes. Uma narrativa situa o desenvolvimento em Wisconsin em 1971, a outra em 1972 e na UC Davis. Essa diferença de datação decorre de um processo de desenvolvimento gradual, em vez de um único veículo, e não questiona a precedência de Frank; apenas um desvio quanto a como é definido o ano em que o primeiro veículo de exemplo se tornou operacional.

A formação do engenheiro: da aviação ao automóvel

O histórico de Frank não é uma carreira automotiva clássica. Recebeu na UC Berkeley o bacharelado em engenharia mecânica em 1955 e o mestrado em 1958; em seguida voltou-se para a engenharia elétrica na USC, concluindo o mestrado em 1965 e o doutorado em 1968. Essa dupla especialização - mecânica e elétrica - formou a base de sua abordagem à tração híbrida.

De 1955 a 1968, trabalhou na North American Aviation e, em seguida, na North American-Rockwell. A lista de tarefas é impressionante: o avião de pesquisa hipersônico X-15, sistemas de estabilização de helicópteros, o Projeto Apollo e o programa de mísseis balísticos intercontinentais Minuteman. Em 1969, passou para a vida acadêmica; foi membro do corpo docente da University of Wisconsin de 1969 a 1985 e da UC Davis de 1985 a 2006. Ou seja, construiu seu primeiro carro híbrido como um engenheiro de dupla formação, vindo de uma empresa de aviação.

A partir de 1971: os primeiros veículos e o problema dos componentes incompletos

Em 1971, Frank construiu do zero, em Wisconsin-Madison, com seus alunos, seu primeiro veículo elétrico híbrido. Esse veículo foi o único híbrido a participar da URBAN CAR Competition de 1972. Segundo o relato da própria UC Davis, Frank desenvolveu provavelmente em 1972 o primeiro carro híbrido plug-in; a meta que ele estabeleceu era extraordinária para os padrões da época: 100 milhas por galão e aceleração de 0-60 mph em 6 segundos. Oferecer eficiência e desempenho no mesmo pacote ainda hoje é a frase que define a engenharia híbrida.

Mas por que o híbrido plug-in não chegou à produção em série nos anos 1970? A avaliação do próprio Frank estrutura o problema no nível dos componentes: naquela época, não existiam as tecnologias corretas de bateria, transmissão e motor. Para atingir as metas de um automóvel de produção, esses componentes teriam de ser projetados do zero, para o propósito específico. Esse é um diagnóstico fiel à perspectiva da engenharia, que explica a prematuridade do conceito não como uma falta de gênios, mas como um problema de cadeia de suprimentos.

Ainda assim, as décadas de 1970 e 1980 não passaram em branco. Em 1979, desenvolveu com seus alunos um híbrido baseado em volante de inércia: uma conversão de um Ford Pinto com transmissão continuamente variável, ou seja, com CVT. Esse projeto já trazia os primeiros sinais concretos da arquitetura preferida de Frank.

Team FATE e os anos em Davis: resultados mensuráveis

Na UC Davis, sob a liderança de Frank, a equipe, com o nome Team FATE, construiu ao longo dos anos veículos de demonstração consecutivos. Até 2004, haviam sido produzidos sete veículos de demonstração no total. Cada um desses veículos testou um aspecto do conceito do híbrido plug-in:

• Side F/X: em 1991, recorde mundial de 3313 mpg com um único galão de gasolina; nas palavras de Frank, distância suficiente para ir de San Francisco a Nova York com um único galão.
• Shamu: no mesmo ano, recorde mundial de 2200 mpg com combustível metanol M85.
• Um PHEV de 1991: autonomia elétrica de 40 milhas com baterias chumbo-ácido.
• Final dos anos 1990: autonomia elétrica de 60 milhas com bateria de níquel-metal hidreto - um patamar que seus alunos consideravam uma conquista enorme.
• 1992-1993: uma demonstração de híbrido plug-in com 72 mpg, próxima à meta de 80 milhas por galão do programa PNGV.
• 1996: uma conversão PHEV baseada no Ford Taurus; Na viagem de Detroit a Washington DC, atingiu-se um valor de 68 mpg.

No final dos anos 1990, a GM contratou Frank para converter um carro elétrico EV1 em plug-in híbrido; os registros de arquivo mostram que, em 2001, esse protótipo EV1 recebeu financiamento significativo para sua hibridização. O projeto foi um passo concreto em que o conceito de Frank foi testado no hardware de um grande fabricante - infelizmente, sabe-se que não se converteu nos planos de produção daquela época, mas a história completa do cancelamento não está detalhadamente documentada no material de arquivo.

A arquitetura de Frank: por que defendia o híbrido paralelo?

A configuração preferida de Frank consiste em quatro componentes: motor elétrico, motor de combustão interna, CVT mecânico e bateria de alta capacidade. Este é o arranjo conhecido hoje como híbrido paralelo. Nos híbridos em série, o motor apenas gira o gerador, enquanto na arquitetura paralela as duas fontes de energia podem contribuir diretamente para as rodas; Frank defendeu essa estrutura com vantagens mensuráveis em termos de eficiência mecânica e tamanho dos componentes.

Sua visão ia além do veículo. Um veículo carregado pela rede poderia, quando estacionado, devolver energia à rede; o conceito de vehicle-to-grid e o cenário de vehicle-to-house que alimenta a casa são aspectos destacados desde os primeiros momentos dos projetos de Frank. Sua própria definição do objetivo também é notável: a meta final não era um veículo puramente elétrico, mas um veículo que atendesse cerca de um décimo do consumo com combustível líquido e o restante com eletricidade de origem solar. Esta é uma escolha de engenharia claramente diferente da narrativa central atual de veículos elétricos a bateria.

O impacto: patentes, alunos e trabalhos que impulsionaram um centro de pesquisa

A produção de Frank não se limita aos protótipos. É detentor de mais de 35 patentes; delas, 12 pertencem à UC Davis e o número de patentes de PHEV se aproxima de 50. Um dos exemplos concretos é a patente de 1998 relativa ao método de controle de depleção de carga para veículos híbridos - a estratégia central de controle do plug-in híbrido.

Seus alunos são talvez a parte mais visível desse legado. Centenas entraram na indústria automobilística; alguns trabalharam no design do Chevrolet Volt, um dos primeiros plug-in híbridos produzidos em série. O próprio Frank tornou-se um dos primeiros proprietários do Volt em 21 de dezembro de 2010 - ver em sua própria garagem a concretização comercial de um conceito que defendeu por anos é um desfecho raro para um engenheiro.

Os sete veículos de prova da Team FATE influenciaram a alteração da legislação de emissões da Califórnia para que as metas de veículos de emissão zero passassem a incluir os híbridos plug-in. Em 2006, Frank fundou a empresa Efficient Drivetrains Inc.; embora viva em uma casa de repouso, continua escrevendo artigos técnicos e apoiando coalizões de defesa dos híbridos plug-in. No mesmo ano, em 2007, foi criado o Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center dentro do programa de pesquisas de transporte da UC Davis, dando início às primeiras pesquisas com consumidores; em 2010, seu nome foi ampliado para PH&EV Research Center.

Mais uma menção justa: quando o mercado viu os primeiros híbridos modernos no final de 1999 - embora carregados pela energia da frenagem - para Frank esse avanço foi uma confirmação, um momento de reivindicação. O conceito estava correto; apenas o momento e os componentes o aguardavam.

Um engenheiro que continua desenhando mesmo na velhice: legado e arquivo

Frank completou 90 anos em 24 de setembro de 2023; embora viva em um lar de repouso, continua escrevendo artigos técnicos e apoiando coalizões de defesa dos híbridos plug-in. Essa teimosia é o significado exato da palavra no título do artigo: nem cancelamentos de projetos nem a idade o detiveram.

Seu legado agora está se instituindo. Na Shields Library da UC Davis, está sendo montada uma coleção de pesquisas sobre veículos elétricos plug-in com os arquivos doados por Frank e por Felix Kramer, uma das figuras de destaque da defesa dos híbridos plug-in. A coleção, abrangendo o período de 1978 a 2012, com volume de nove pés lineares, estava prevista para ser aberta a pesquisadores até o final de 2024; uma exposição no saguão da biblioteca também está nos planos.

Enquanto isso, o lugar dos híbridos plug-in de longo alcance no debate atual confirma a visão de Frank: esses veículos oferecem uma vantagem de emissões semelhante à dos veículos elétricos a bateria, consumindo cerca de quatro vezes menos minerais críticos e impondo menos carga à rede elétrica. Que a reivindicação de meio século de engenharia ainda esteja em pauta, com argumentos mensuráveis, é o melhor resumo do pioneirismo de Frank.

Fontes

• 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)