Упорство инженера: как Эндрю Фрэнк довёл до совершенства подключаемый гибрид?
Поделиться этой страницей
Современную концепцию подключаемого гибрида несёт одно имя: Эндрю Альфонсо Фрэнк. Фрэнк, почётный профессор машиностроения и авиационной инженерии в UC Davis, с 1971 года работал над гибридными автомобилями, заряжаемыми от сети, дал этому классу автомобилей современное название и создал инженерную школу, которая привела в автомобильную индустрию сотни его студентов. Его история развивается не рядом с двумя именами, считающимися отцами гибридного автомобиля, а по совершенно отдельной линии.
Основные факты
- В 1971 году Фрэнк построил свой первый гибридный электромобиль в Висконсин–Мэдисон; его целью было 100 миль на галлон и разгон 0–60.
- Автомобили Team FATE в 1991 году установили мировые рекорды: 3313 миль на галлон на бензине и 2200 миль на галлон на метаноле.
- Фрэнк является владельцем более чем 35 патентов; 12 из них принадлежат UC Davis.
- 21 декабря 2010 года он оказался в числе первых владельцев Chevrolet Volt - первого серийного подключаемого гибрида.
- В UC Davis вокруг его архивов формируется исследовательская коллекция по подключаемым электромобилям.
Кто изобрёл подключаемый гибрид: Претензия Фрэнка на первенство и её границы
Ответ на этот вопрос зависит от того, как определяется сам автомобиль. Гибридный электрический привод сам по себе гораздо старше; уже в 1915 году гибридная модель компании Woods Motor Vehicle была предложена в продажу. Фрэнк объясняет практической причиной, почему тот ранний пример не прижился: в то время он был дорогим, и не существовало компонентов, способных снизить его стоимость. Когда же речь идёт о концепции в современном смысле - заряжаемой от домашней розетки, автоматически переходящей на двигатель внутреннего сгорания при разряде батареи и пригодной для повседневного использования, - источники однозначно позиционируют Фрэнка как первопроходца; его называют отцом современного подключаемого гибрида, и именно он ввёл и сам термин Plug-in Hybrid Electric Vehicle, то есть PHEV.
Техническое определение этого первенства тоже ясно: подключаемый гибрид - это автомобиль с заряжаемой батареей, приводящий в действие электромотор и автоматически переходящий на бензиновый двигатель, когда энергия батареи исчерпана. Различие с первыми современными гибридами, вышедшими на рынок в конце 1999 года, заключается именно здесь. Honda Insight и Toyota Prius заряжали батарею только энергией торможения; подключаемого зарядного кабеля у них не было. В подходе Фрэнка подключение к сети было отправной точкой конструкции, а не добавленной позже функцией.
Одну неопределённость стоит отметить с самого начала: история первого подключаемого гибрида в источниках излагается по-разному. Одна версия относит начало разработок к 1971 году в Висконсине, другая - к 1972 году и UC Davis. Это расхождение в датировках связано с поэтапным процессом разработки, а не с единичным автомобилем, и не ставит под сомнение первенство Фрэнка; речь идёт лишь о сдвиге в том, как определяется год, в котором первый опытный образец стал работоспособным.
Формирование инженера: от авиации к автомобилю
Биография Фрэнка - это не классическая автомобильная карьера. Он получил степень бакалавра машиностроения в UC Berkeley в 1955 году, а магистерскую степень - в 1958 году; затем перешёл на электротехнику в Университете Южной Калифорнии (USC), где в 1965 году получил степень магистра, а в 1968 году - докторскую. Эта двойная специализация - механика и электротехника - легла в основу его подхода к гибридному приводу.
С 1955 по 1968 год работал в North American Aviation, а затем в North American-Rockwell. Список задач впечатляет: гиперзвуковой исследовательский самолёт X15, системы стабилизации вертолётов, программа Apollo и межконтинентальная баллистическая ракета Minuteman. В 1969 году перешёл в академическую среду; с 1969 по 1985 год был преподавателем в University of Wisconsin, а с 1985 по 2006 год - в UC Davis. То есть свой первый гибридный автомобиль он построил, уже уйдя из авиационной компании, как инженер с двойным профильным образованием.
С 1971 года: первые автомобили и проблема недостающих компонентов
В 1971 году Франк вместе со студентами в Wisconsin-Madison построил с нуля свой первый гибридный электромобиль. Этот автомобиль стал единственным гибридом, участвовавшим в конкурсе URBAN CAR Competition 1972 года. В собственной истории UC Davis говорится, что Франк в 1972 году, вероятно, разработал первый подзаряжаемый от сети (plug-in) гибридный автомобиль; поставленная им цель была необычайной по меркам того времени: 100 миль на галлон и разгон от 0 до 60 миль/час за 6 секунд. Объединить эффективность и производительность в одном пакете - это и сегодня определяющая формула гибридного машиностроения.
Но почему plug-in гибрид не пошёл в серийное производство в 1970-х годах? Сама оценка Франка выстраивает проблему на уровне компонентов: в то время не существовало подходящих технологий аккумуляторов, трансмиссии и электродвигателей. Чтобы достичь целей серийного автомобиля, эти компоненты нужно было проектировать с нуля, под конкретную задачу. Этот диагноз, верный инженерному взгляду, объясняет раннее появление концепции не недостатком гениев, а проблемой цепочки поставок.
Тем не менее 1970-е и 1980-е годы не прошли впустую. В 1979 году он разработал вместе со студентами гибрид на основе маховика: переделку Ford Pinto с бесступенчатой трансмиссией, то есть CVT. Этот проект нёс первые ощутимые признаки предпочитаемой Франком архитектуры.
Team FATE и годы в Дэвисе: измеримые результаты
В UC Davis команда под руководством Франка под названием Team FATE годами подряд строила доказательные автомобили. К 2004 году было создано в общей сложности семь автомобилей-прототипов. Каждый из этих автомобилей тестировал один из аспектов концепции plug-in гибрида:
- Side F/X: мировой рекорд в 1991 году - 3313 миль на галлон бензина; по словам Франка, расстояние, которое можно проехать на одном галлоне из Сан-Франциско в Нью-Йорк.
- Shamu: мировой рекорд того же года с метаноловым топливом M85 - 2200 миль на галлон.
- PHEV 1991 года: электрический запас хода 40 миль на свинцово-кислотных аккумуляторах.
- Конец 1990-х: электрический запас хода 60 миль на никель-металлогидридном аккумуляторе - рубеж, который его студенты считали огромным достижением.
- 1992-1993: демонстрация plug-in гибрида с показателем 72 миль на галлон, близким к цели программы PNGV в 80 миль на галлон.
- 1996: переделка PHEV на базе Ford Taurus; Во время поездки из Детройта в Вашингтон был достигнут показатель 68 mpg.
В конце 1990-х GM заключило с Фрэнком контракт на переоборудование электрического автомобиля EV1 в plug-in гибрид; архивные записи показывают, что в 2001 году на гибридизацию этого прототипа EV1 было выделено значительное финансирование. Проект стал конкретным шагом, когда концепция Фрэнка испытывалась на оборудовании крупного производителя - к сожалению, известно, что он не перешёл в производственные планы того периода, однако полная история отмены в архивных материалах подробно не задокументирована.
| Транспортное средство | Год | База | Примечательная особенность |
|---|---|---|---|
| Volan hybrid | 1979 | Ford Pinto | Привод на основе volan с CVT |
| Side F/X | 1991 | - | Рекорд 3313 mpg на бензине |
| Shamu | 1991 | - | Рекорд 2200 mpg на метаноле M85 |
| Ford Taurus PHEV | 1996 | Ford Taurus | 68 mpg, поездка Детройт–Вашингтон |
| Sequoia | 2000 | Chevrolet Suburban | Параллельная гибридная архитектура |
| Yosemite | 2002 | Ford Explorer | Plug-in переоборудование |
| Trinity | 2005 | Chevy Equinox (2006) | Полный привод, 40 миль электрического запаса хода |
Архитектура Фрэнка: почему он выступал за параллельный гибрид?
Предпочтённая Фрэнком конфигурация состоит из четырёх компонентов: электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, механической CVT и высокоёмкостной батареи. Это схема, известная сегодня как параллельный гибрид. В последовательных гибридах двигатель лишь вращает генератор, тогда как в параллельной архитектуре оба источника энергии могут напрямую приводить колёса; Фрэнк отстаивал эту конструкцию, указывая на измеримые преимущества с точки зрения механической эффективности и размеров компонентов.
Его видение простиралось дальше самого автомобиля. Автомобиль, заряжаемый от сети, мог отдавать энергию в сеть во время стоянки; концепция vehicle-to-grid и сценарий vehicle-to-house, питающий дом, - направления, которые подчёркивались в проектах Фрэнка с самого раннего этапа. Его собственное определение цели также примечательно: конечная цель - не чисто электрический автомобиль, а автомобиль, покрывающий примерно одну десятую потребления жидким топливом, а остальное - электричеством от солнца. Это инженерное решение, заметно отличающееся от сегодняшней центральной концепции батареи и электрификации.
Влияние: патенты, студенты и работы, ставшие толчком к созданию исследовательского центра
Наследие Фрэнка не ограничивается прототипами. Он владеет более чем 35 патентами; 12 из них принадлежат UC Davis, а число патентов на PHEV приближается к 50. Один из конкретных примеров - патент 1998 года на метод управления истощением заряда для гибридных автомобилей - ключевая стратегия управления plug-in гибрида.
Его студенты - возможно, самая заметная часть этого наследия. Сотни из них пришли в автомобильную промышленность; некоторые работали над дизайном Chevrolet Volt - одного из первых серийных plug-in гибридов. Сам Фрэнк 21 декабря 2010 года стал одним из первых владельцев Volt - увидеть в собственном гараже, как отстаиваемая им годами концепция превратилась в коммерческий продукт, - редкое завершение для инженера.
Семь доказательных автомобилей Team FATE повлияли на изменение калифорнийского законодательства об эмиссии так, чтобы цели по автомобилям с нулевой эмиссией охватывали подключаемые гибриды. В 2006 году Фрэнк основал компанию Efficient Drivetrains Inc.; патент UC Davis был лицензирован этой компании. В том же году, в 2007-м, в составе транспортных исследований UC Davis был создан Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center, который начал первые потребительские исследования; в 2010 году он был переименован в PH&EV Research Center.
Ещё одно заслуженное замечание: когда рынок в конце 1999 года увидел первые современные гибриды - даже если они заряжались энергией торможения - для Фрэнка это событие стало подтверждением, моментом оправдания. Концепция была верной; его ждали лишь подходящий момент и компоненты.
Инженер, который чертит даже в старости: наследие и архив
24 сентября 2023 года Фрэнку исполнилось 90 лет; хотя он живёт в доме престарелых, он продолжает писать технические статьи и поддерживать коалиции сторонников подключаемых гибридов. Это упорство - точное значение слова в заголовке статьи: его не остановили ни отмена проектов, ни возраст.
Его наследие теперь институционализируется. В библиотеке Шилдса UC Davis формируется исследовательская коллекция по подключаемым электромобилям на основе архивов, пожертвованных Фрэнком и Феликсом Крамером, одной из ключевых фигур пропаганды подключаемых гибридов. Коллекция, охватывающая период 1978-2012 годов и имеющая объём девять погонных футов, планировалась к открытию для исследователей к концу 2024 года; также обсуждается выставка в вестибюле библиотеки.
Между тем место подключаемых гибридов с большим запасом хода в сегодняшней дискуссии также подтверждает видение Фрэнка: эти автомобили, предлагая преимущество по эмиссии, схожее с аккумуляторными электромобилями, потребляют примерно в четыре раза меньше критически важных минералов и создают меньшую нагрузку на энергосеть. То, что инженерное достижение пятидесятилетней давности по-прежнему в повестке дня с измеримыми аргументами, - лучшее резюме наследия Фрэнка.