ความดื้อรั้นของวิศวกร: Andrew Frank ปรับปรุงปลั๊กอินไฮบริดให้สมบูรณ์แบบได้อย่างไร?

คนที่นำแนวคิดสมัยใหม่ของรถปลักอินไฮบริดมาฝากไว้ภายใต้ชื่อเดียวคือ: Andrew Alfonso Frank Frank ซึ่งเป็นศาสตราจารย์กิตติคุณด้านวิศวกรรมเครื่องกลและอวกาศยานที่ UC Davis ได้ทำงานวิจัยเกี่ยวกับยานยนต์ไฮบริดที่ชาร์จจากสายส่งไฟฟ้าตั้งแต่ปี 1971 เป็นผู้ตั้งชื่อให้กับกลุ่มยานพาหนะประเภทนี้ตามที่เรียกกันในปัจจุบัน และได้ก่อตั้งโรงเรียนวิศวกรรมศาสตร์ที่ส่งนักศึกษาหลายร้อยคนเข้าสู่อุตสาหกรรมยานยนต์ เรื่องราวของเขาไม่ได้ดำเนินไปในลักษณะเดียวกันกับสองชื่อที่ได้รับการยกย่องว่าเป็นบิดาแห่งยานยนต์ไฮบริด แต่ก้าวไปบนเส้นทางที่แยกออกมาโดยสิ้นเชิง

ใครคือผู้ประดิษฐ์ปลักอินไฮบริด: ข้ออ้างความเป็นผู้นำของ Frank และขอบเขตของมัน

คำตอบของคำถามนี้ขึ้นอยู่กับว่ายานพาหนะถูกนิยามตามเกณฑ์ใด การขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าไฮบริดในตัวมันเองมีอายุเก่าแก่กว่านั้นมาก ย้อนไปถึงปี 1915 ยานยนต์ไฮบริดของ Woods Motor Vehicle ก็ถูกนำออกวางจำหน่ายแล้ว Frank อธิบายเหตุผลเชิงปฏิบัติว่าทำไมตัวอย่างยุคแรกนั้นจึงไม่ประสบความสำเร็จ: ในยุคนั้นมันแพงเกินไป และไม่มีส่วนประกอบใดที่จะช่วยลดต้นทุนได้ ในความหมายสมัยใหม่ เมื่อพูดถึงแนวคิดที่ชาร์จจากเต้ารับไฟในบ้าน สลับไปใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในโดยอัตโนมัติเมื่อแบตเตอรี่หมด และเหมาะสำหรับการใช้งานประจำวัน แหล่งข้อมูลต่าง ๆ จัดให้ Frank เป็นผู้บุกเบิกอย่างชัดเจน เขาได้รับการขนานนามว่าเป็นบิดาแห่งปลักอินไฮบริดสมัยใหม่ และเขาคือผู้ที่บัญญัติคำว่า Plug-in Hybrid Electric Vehicle หรือ PHEV ด้วย

นิยามทางเทคนิคของความเป็นผู้บุกเบิกนี้ก็ชัดเจนเช่นกัน: ปลักอินไฮบริดคือยานพาหนะที่ใช้แบตเตอรี่ชาร์จได้ในการขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้า และสลับไปใช้เครื่องยนต์เบนซินโดยอัตโนมัติเมื่อพลังงานแบตเตอรี่หมด จุดที่แตกต่างจากยานยนต์ไฮบริดสมัยใหม่รุ่นแรกที่ออกสู่ตลาดในช่วงปลายปี 1999 ก็คือตรงนี้ Honda Insight และ Toyota Prius ชาร์จแบตเตอรี่ด้วยพลังงานจากการเบรกเท่านั้น ไม่มีสายชาร์จที่เสียบเข้ากับเต้ารับไฟได้ ในแนวทางของ Frank การเชื่อมต่อกับสายส่งไฟฟ้าคือจุดเริ่มต้นของการออกแบบ ไม่ใช่คุณสมบัติที่เพิ่มเข้ามาในภายหลัง

จำเป็นต้องหมายเหตุความคลุมเครือประเด็นหนึ่งตั้งแต่ต้น: ประวัติของปลักอินไฮบริดคันแรกปรากฏแตกต่างกันในแหล่งข้อมูลต่าง ๆ เรื่องเล่าหนึ่งระบุว่าการพัฒนาเริ่มต้นขึ้นในปี 1971 ที่ Wisconsin อีกเรื่องเล่าระบุว่าปี 1972 และที่ UC Davis ความแตกต่างในการระบุปีเช่นนี้เกิดจากกระบวนการพัฒนาแบบทีละขั้น แทนที่จะเป็นยานพาหนะเพียงคันเดียว และไม่ได้ทำให้ความเป็นผู้บุกเบิกของ Frank ต้องถูกตั้งคำถาม มันเป็นเพียงความคลาดเคลื่อนเกี่ยวกับวิธีการนิยามว่ายานยนต์ตัวอย่างแรกทำงานได้ในปีใด

ภูมิหลังการศึกษาของวิศวกรผู้นี้: จากวิศวกรรมอวกาศยานสู่ยานยนต์

พื้นหลังของ Frank ไม่ใช่เส้นทางอาชีพยานยนต์แบบคลาสสิก เขาได้รับปริญญาตรีด้านวิศวกรรมเครื่องกลจาก UC Berkeley ในปี 1955 และปริญญาโทในปี 1958 ต่อมาได้หันไปศึกษาวิศวกรรมไฟฟ้าที่ USC และสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทในปี 1965 และระดับปริญญาเอกในปี 1968 ความเชี่ยวชาญสองด้านนี้ - เครื่องกลและไฟฟ้า - เป็นรากฐานของแนวทางของเขาต่อระบบขับเคลื่อนไฮบริด

ตั้งแต่ปี 1955 ถึง 1968 เขาทำงานที่ North American Aviation และต่อมาที่ North American-Rockwell รายการภารกิจของเขาน่าประทับใจ: เครื่องบินวิจัยความเร็วเหนือเสียง X15 ระบบเสถียรภาพเฮลิคอปเตอร์ โครงการ Apollo และโครงการขีปนาวุธพิสัยข้ามทวีป Minuteman ในปี 1969 เขาเปลี่ยนเข้าสู่แวดวงวิชาการ; ตั้งแต่ปี 1969 ถึง 1985 เขาเป็นสมาชิกคณะที่ University of Wisconsin และตั้งแต่ปี 1985 ถึง 2006 ที่ UC Davis นั่นคือเขาสร้างรถไฮบริดคันแรกในฐานะวิศวกรที่มีความรู้สองสาขา ซึ่งออกมาจากบริษัทการบิน

ตั้งแต่ปี 1971: ยานพาหนะแรกและปัญหาชิ้นส่วนที่ยังไม่สมบูรณ์

ในปี 1971 Frank สร้างยานพาหนะไฟฟ้าไฮบริดคันแรกของเขาขึ้นตั้งแต่ต้นพร้อมนักศึกษาที่ Wisconsin–Madison รถคันนี้เป็นไฮบริดเพียงคันเดียวที่เข้าร่วมการแข่งขัน URBAN CAR Competition ปี 1972 ในบันทึกของ UC Davis เองระบุว่า Frank น่าจะพัฒนารถยนต์ปลั๊กอินไฮบริดคันแรกในปี 1972; เป้าหมายที่เขาตั้งไว้นั้นเป็นสิ่งที่เหนือกว่ามาตรฐานของยุคนั้นอย่างไม่ธรรมดา: วิ่ง 100 ไมล์ต่อแกลลอนและเร่งความเร็วจาก 0-60 ไมล์/ชั่วโมง ภายใน 6 วินาที การนำเสนอประสิทธิภาพและสมรรถนะในแพ็กเกจเดียวกัน คือประโยคนิยามของวิศวกรรมไฮบริดแม้กระทั่งในวันนี้

แล้วทำไมรถปลั๊กอินไฮบริดจึงไม่สามารถเข้าสู่การผลิตจำนวนมากในยุค 1970 ได้? การประเมินของ Frank เอง วางปัญหาไว้ในระดับชิ้นส่วน: ในยุคนั้นเทคโนโลยีแบตเตอรี่ เกียร์ และมอเตอร์ที่ถูกต้องยังไม่มีอยู่ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายของยานพาหนะสำหรับการผลิต ชิ้นส่วนเหล่านี้จำเป็นต้องได้รับการออกแบบตั้งแต่ต้นให้เหมาะกับวัตถุประสงค์ การวินิจฉัยนี้เป็นไปตามมุมมองวิศวกรรม โดยอธิบายความล้าหลังของแนวคิดในฐานะปัญหาห่วงโซ่อุปทาน ไม่ใช่ความขาดอัจฉริยะ

อย่างไรก็ตาม ยุค 1970 และ 1980 ก็ไม่ได้ผ่านไปโดยเปล่าประโยชน์ ในปี 1979 เขาพัฒนาไฮบริดที่ใช้แนวคิดของเฟลย์วีล (ชะลูดหมุน) ร่วมกับนักศึกษาของเขา: การดัดแปลง Ford Pinto ที่มีเกียร์แปรผันต่อเนื่อง หรือ CVT โครงการนี้เป็นสัญญาณแรกที่จับต้องได้ของสถาปัตยกรรมที่ Frank เลือกใช้

ยุค Team FATE และ Davis: ผลลัพธ์ที่วัดได้

ที่ UC Davis ทีมภายใต้การนำของ Frank ได้สร้างยานพาหนะสาธิตต่อเนื่องกันหลายปีภายใต้ชื่อ Team FATE ถึงปี 2004 มีการสร้างยานพาหนะสาธิตทั้งหมดเจ็ดคัน รถแต่ละคันเหล่านี้ได้ทดสอบแง่มุมหนึ่งของแนวคิดปลั๊กอินไฮบริด:

• Side F/X: สถิติโลกในปี 1991 ด้วย 3313 mpg ต่อแกลลอนเบนซิน; ตามคำบอกของ Frank นั่นคือระยะทางที่สามารถวิ่งจากซานฟรานซิสโกไปนิวยอร์กด้วยแกลลอนเดียว
• Shamu: ในปีเดียวกัน สถิติโลกด้วยเชื้อเพลิงเมทานอล M85 ที่ 2200 mpg
• PHEV ปี 1991: ระยะทางไฟฟ้า 40 ไมล์ ด้วยแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด
• ปลายยุค 1990: ระยะทางไฟฟ้า 60 ไมล์ ด้วยแบตเตอรี่นิกเกิล-เมทัลไฮดริด - เกณฑ์ที่นักศึกษาของเขาพิจารณาว่าเป็นความสำเร็จครั้งมหาศาล
• ปี 1992-1993: การสาธิตปลั๊กอินไฮบริดที่ทำได้ 72 mpg ซึ่งใกล้เคียงเป้าหมาย 80 ไมล์ต่อแกลลอนของโครงการ PNGV
• ปี 1996: การดัดแปลง PHEV บนพื้นฐาน Ford Taurus; ในการเดินทางจาก Detroit ไปยัง Washington DC ทำได้ค่าการใช้เชื้อเพลิงถึง 68 mpg

ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 GM ว่าจ้าง Frank ให้ทำงานแปลงรถยนต์ไฟฟ้า EV1 เป็นปลั๊กอินไฮบริด บันทึกจากหอจดหมายเหตุแสดงว่าในปี 2001 ต้นแบบ EV1 นี้ได้รับทุนสนับสนุนอย่างมากสำหรับการทำให้เป็นไฮบริด โครงการนี้เป็นก้าวที่จับต้องได้ซึ่งแนวคิดของ Frank ได้รับการทดสอบบนฮาร์ดแวร์ของผู้ผลิตรายใหญ่ - อนิจจาที่ทราบกันว่ามันไม่ได้กลายเป็นแผนการผลิตในยุคนั้น แต่เรื่องราวการยกเลิกทั้งหมดยังไม่ได้รับการบันทึกไว้อย่างละเอียดในเอกสารหอจดหมายเหตุ

สถาปัตยกรรมของ Frank: เหตุใดจึงสนับสนุนไฮบริดแบบขนาน?

การกำหนดค่าที่ Frank เลือกประกอบด้วยส่วนประกอบสี่อย่าง: มอเตอร์ไฟฟ้า เครื่องยนต์สันดาปภายใน CVT เชิงกล และแบตเตอรี่ความจุสูง นั่นคือรูปแบบที่รู้จักกันในปัจจุบันในชื่อไฮบริดแบบขนาน ในไฮบริดแบบอนุกรม เครื่องยนต์หมุนเฉพาะเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเท่านั้น แต่ในสถาปัตยกรรมแบบขนาน แหล่งกำลังทั้งสองสามารถส่งกำลังไปยังล้อโดยตรง Frank สนับสนุนโครงสร้างนี้ด้วยข้อได้เปรียบที่วัดได้ในแง่ประสิทธิภาพเชิงกลและขนาดของส่วนประกอบ

วิสัยทัศน์ของเขาก้าวไปไกลกว่ายานพาหนะ ยานพาหนะที่ชาร์จจากสายส่งไฟฟ้าสามารถส่งพลังงานกลับเข้าสู่ระบบขณะจอดได้ แนวคิด vehicle-to-grid และสถานการณ์ vehicle-to-house ที่จ่ายไฟให้บ้าน เป็นประเด็นที่ถูกเน้นตั้งแต่ช่วงต้นในโครงการของ Frank คำจำกัดความของเขาเองเกี่ยวกับเป้าหมายก็น่าสนใจ: วัตถุประสงค์สุดท้ายมิใช่รถยนต์ไฟฟ้าล้วน แต่เป็นยานพาหนะที่ใช้เชื้อเพลิงเหลวประมาณหนึ่งในสิบของการบริโภค และที่เหลือมาจากไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ นี่คือทางเลือกทางวิศวกรรมที่แตกต่างอย่างชัดเจนจากแนวเล่าเรื่องแบตเตอรี่-ไฟฟ้าในปัจจุบัน

อิทธิพล: สิทธิบัตร นักศึกษา และผลงานที่จุดประกายศูนย์วิจัยแห่งหนึ่ง

ผลงานของ Frank ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงต้นแบบเท่านั้น เขาเป็นเจ้าของสิทธิบัตรมากกว่า 35 รายการ ในจำนวนนั้น 12 รายการเป็นของ UC Davis และจำนวนสิทธิบัตร PHEV ใกล้เคียง 50 รายการ หนึ่งในตัวอย่างที่จับต้องได้คือสิทธิบัตรปี 1998 เกี่ยวกับวิธีควบคุมการหมดประจุแบตเตอรี่สำหรับยานพาหนะไฮบริด - ซึ่งเป็นกลยุทธ์ควบคุมแกนกลางของปลั๊กอินไฮบริด

นักศึกษาของเขาอาจเป็นส่วนที่มองเห็นได้ชัดที่สุดของมรดกนี้ มีหลายร้อยคนที่เข้าสู่อุตสาหกรรมยานยนต์ บางคนทำงานในการออกแบบ Chevrolet Volt หนึ่งในปลั๊กอินไฮบริดผลิตภัณฑ์ลำดับแรก ตัว Frank เองก็กลายเป็นหนึ่งในเจ้าของ Volt รายแรกในวันที่ 21 ธันวาคม 2010 - การได้เห็นแนวคิดที่เขาปกป้องมาหลายปีกลายเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ในโรงรถของตัวเอง เป็นการปิดฉากที่หาได้ยากสำหรับวิศวกรคนหนึ่ง

ทีม FATE ซึ่งมีรถพิสูจน์แนวคิดเจ็ดคัน มีอิทธิพลต่อการที่กฎหมายด้านการปล่อยมลพิษของแคลิฟอร์เนียปรับเป้าหมายยานยนต์ไร้มลพิษให้ครอบคลุมปลักอินไฮบริดด้วย ในปี 2006 Frank ก่อตั้งบริษัท Efficient Drivetrains Inc. สิทธิบัตรของ UC Davis ได้รับการอนุญาตให้บริษัทนี้ใช้ ในปีเดียวกันนั้น ปี 2007 Plug-in Hybrid Electric Vehicle Research Center ได้รับการก่อตั้งขึ้นภายใต้โครงการวิจัยด้านการขนส่งของ UC Davis และเริ่มงานวิจัยด้านผู้บริโภคชุดแรก ในปี 2010 ศูนย์นี้ได้ขยายชื่อเป็น PH&EV Research Center

บันทึกที่ควรค่าแก่การกล่าวถึงอีกประการ: เมื่อตลาดได้เห็นรถไฮบริดสมัยใหม่ครั้งแรกในช่วงปลายปี 1999 - แม้จะชาร์จด้วยพลังงานจากเบรกก็ตาม - สำหรับ Frank แล้วความก้าวหน้านี้เป็นการยืนยัน อีกหนึ่งชัยชนะที่ถูกต้อง แนวคิดนั้นถูกต้องแล้ว แนวคิดนั้นถูกต้องแล้ว

เพียงแต่จังหวะเวลาและส่วนประกอบต่าง ๆ ที่ยังรอเขาอยู่เท่านั้น วิศวกรที่ยังวาดภาพแม้ในวัยชรา:

Frank เฉลิมฉลองวันเกิดครบ 90 ปี เมื่อวันที่ 24 กันยายน 2023; แม้จะอาศัยอยู่ในบ้านพักคนชรา แต่เขายังคงเขียนบทความด้านเทคนิคและสนับสนุนกลุ่มพันธมิตรผู้สนับสนุนรถยนต์ปลักอินไฮบริดต่อไป ความดื้อรั้นนี้สอดคล้องกันอย่างแท้จริงกับคำในชื่อบทความ: สิ่งที่หยุดเขาไม่ได้เลยไม่ว่าจะเป็นการยกเลิกโครงการหรือความชรา

ไม่มีทั้งการยกเลิกโครงการและความชราที่จะหยุดเขาได้ ที่ห้องสมุด Shields ของ UC Davis กำลังจัดตั้งคอลเลกชันงานวิจัยยานยนต์ไฟฟ้าแบบปลั๊กอินขึ้น พร้อมกับหอจดหมายเหตุที่บริจาคโดย Frank และ Felix Kramer หนึ่งในผู้บุกเบิกการสนับสนุนรถปลั๊กอินไฮบริด คอลเลกชันที่ครอบคลุมช่วงปี 1978-2012 ในปริมาณเก้าฟุตเชิงเส้น มีแผนจะเปิดให้นักวิจัยเข้าใช้ได้ภายในสิ้นปี 2024; นิทรรศการในล็อบบี้ห้องสมุดก็อยู่ในความสนใจเช่นกัน

และนิทรรศการในล็อบบี้ห้องสมุดก็อยู่ในความสนใจเช่นกัน ในระหว่างนี้ ตำแหน่งของปลักอินไฮบริดระยะทางไกลในการอภิปรายปัจจุบันก็ยืนยันวิสัยทัศน์ของ Frank: ยานยนต์เหล่านี้ให้ข้อได้เปรียบด้านการปล่อยมลพิษคล้ายยานยนต์ไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ ในขณะที่ใช้แร่ธาตุวิกฤตน้อยกว่าราวสี่เท่าและกดดันโครงข่ายไฟฟ้าน้อยกว่า

แหล่งข้อมูล

• ใน 'Electrifying 100': ศาสตราจารย์ Andy Frank ได้รับการยกย่องให้เป็น 'บิดาแห่งรถยนต์ปลั๊กอินไฮบริด'
• 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)