Sự Tỉnh Tráng Của Một Kỹ Sư: Andrew Frank Đã Hoàn Thiện Xe Hybrid Cắm Điện Như Thế Nào?

Andrew Alfonso Frank là người mang khái niệm hiện đại của xe hybrid cắm điện trên một cái tên: Andrew Alfonso Frank. Frank là giáo sư danh dự về kỹ thuật cơ khí và hàng không tại UC Davis, ông đã nghiên cứu các phương tiện hybrid có thể sạc từ lưới điện từ năm 1971, đặt ra tên gọi hôm nay cho dòng xe này và thành lập một trường kỹ thuật đưa hàng trăm sinh viên của ông vào ngành công nghiệp ô tô. Câu chuyện của ông không đi song hành với hai cái tên được coi là cha đẻ của xe hybrid, mà tiến trên một tuyến hoàn toàn riêng biệt.

Ai đã phát minh ra xe hybrid cắm điện: Yêu tiên phong của Frank và những giới hạn

Câu trả lời cho câu hỏi này phụ thuộc vào việc phương tiện được định nghĩa theo tiêu chí nào. Bản thân truyền động hybrid điện lâu đời hơn nhiều; ngay từ năm 1915, mẫu xe hybrid của Woods Motor Vehicle đã được tung ra thị trường. Frank giải thích lý do ví dụ sớm này không thành công bằng một lập luận thực tế: thời điểm đó nó đắt đỏ và không có linh kiện nào có thể giảm chi phí. Còn khi nói đến khái niệm theo nghĩa hiện đại - sạc từ ổ cắm trong nhà, tự động chuyển sang động cơ đốt trong khi pin cạn và phù hợp với sử dụng hàng ngày - các nguồn tư liệu rõ ràng xếp Frank vào hàng tiên phong; ông được gọi là cha đẻ của xe hybrid cắm điện hiện đại và cũng là người tạo ra thuật ngữ Plug-in Hybrid Electric Vehicle, tức PHEV.

Định nghĩa kỹ thuật của vai trò tiên phong này cũng rõ ràng: xe hybrid cắm điện là phương tiện sử dụng pin sạc được để vận hành động cơ điện và tự động chuyển sang động cơ xăng khi năng lượng pin cạn kiệt. Sự khác biệt so với những xe hybrid hiện đại đầu tiên ra mắt thị trường cuối năm 1999 nằm chính ở đây. Honda Insight và Toyota Prius chỉ sạc pin bằng năng lượng phanh; không có cáp sạc cắm vào ổ điện. Trong cách tiếp cận của Frank, kết nối lưới điện là điểm khởi đầu của thiết kế, chứ không phải một tính năng thêm vào sau này.

Cần lưu ý ngay từ đầu một điểm chưa rõ ràng: lịch sử của xe hybrid cắm điện đầu tiên được ghi chép khác nhau trong các tài liệu. Một cách kể đặt bước phát triển vào năm 1971 tại Wisconsin, cách kia đặt vào năm 1972 và tại UC Davis. Sự khác biệt về mốc thời gian này xuất phát từ một quá trình phát triển theo từng giai đoạn thay vì một chiếc xe duy nhất và không làm dấy lên nghi ngờ về vai trò tiên phong của Frank; đó chỉ là một sự lệch nhau về cách xác định năm chiếc xe mẫu đầu tiên trở nên hoạt động được.

Quá trình hình thành của kỹ sư: từ hàng không sang ô tô

Bối cảnh nền tảng của Frank không phải là một sự nghiệp ô tô điển hình. Ông nhận bằng cử nhân kỹ thuật cơ khí tại UC Berkeley vào năm 1955 và bằng thạc sĩ vào năm 1958; sau đó chuyển sang ngành kỹ thuật điện tại USC và hoàn thành thạc sĩ năm 1965, tiến sĩ năm 1968. Chuyên môn kép này - cơ khí và điện - là nền tảng cho cách tiếp cận của ông về dẫn động hybrid.

Từ năm 1955 đến 1968, ông làm việc tại North American Aviation và sau đó là North American-Rockwell. Danh sách nhiệm vụ rất ấn tượng: Máy bay nghiên cứu siêu thanh X15, hệ thống ổn định trực thăng, Dự án Apollo và chương trình tên lửa đạn đạo liên lục địa Minuteman. Năm 1969, ông chuyển sang con đường học thuật; từ năm 1969 đến 1985 tại University of Wisconsin, và từ 1985 đến 2006 ông là giảng viên tại UC Davis. Nghĩa là ông đã chế tạo chiếc xe hybrid đầu tiên với tư cách một kỹ sư hai ngành, sau khi rời khỏi một công ty hàng không.

Từ năm 1971: những chiếc xe đầu tiên và vấn đề linh kiện thiếu hụt

Năm 1971, Frank cùng các sinh viên tại Wisconsin-Madison đã chế tạo từ con số không chiếc xe hybrid điện đầu tiên của ông. Chiếc xe này là chiếc hybrid duy nhất tham gia Cuộc thi URBAN CAR 1972. Theo lời kể của chính UC Davis, Frank đã phát triển chiếc xe plug-in hybrid có lẽ là đầu tiên vào năm 1972; mục tiêu ông đặt ra, theo tiêu chuẩn của thời kỳ đó, là phi thường: 100 dặm mỗi galon và tăng tốc 0-60 dặm/giờ trong 6 giây. Kết hợp hiệu suất và hiệu quả trong cùng một gói, đến ngày nay vẫn là câu định nghĩa của kỹ thuật hybrid.

Vậy tại sao plug-in hybrid không thể vào sản xuất hàng loạt trong những năm 1970? Đánh giá của chính Frank đặt vấn đề ở cấp độ linh kiện: vào thời điểm đó, các công nghệ pin, hộp số và động cơ phù hợp vẫn chưa tồn tại. Để đạt được mục tiêu của một chiếc ô tô sản xuất, những linh kiện này phải được thiết kế từ đầu, phù hợp với mục đích. Đây là một chẩn đoán trung thành với góc nhìn kỹ thuật, giải thích sự sớm mai của khái niệm như một vấn đề chuỗi cung ứng chứ không phải sự thiếu hụt thiên tài.

Dẫu vậy, những năm 1970 và 1980 không trôi qua vô ích. Năm 1979, ông cùng các sinh viên phát triển một hybrid dựa trên bánh đà: một bản chuyển đổi Ford Pinto với hộp số biến thiên liên tục, tức là CVT. Dự án này mang những dấu hiệu đầu tiên của kiến trúc mà Frank ưa chuộng.

Team FATE và những năm Davis: những kết quả đo lường được

Tại UC Davis, đội ngũ do Frank dẫn dắt, với tên Team FATE, đã xây dựng liên tiếp những chiếc xe chứng minh qua nhiều năm. Đến năm 2004, tổng cộng bảy chiếc xe chứng minh đã được sản xuất. Mỗi chiếc xe trong số này đã thử nghiệm một khía cạnh của khái niệm plug-in hybrid:

• Side F/X: năm 1991, kỷ lục thế giới với 3313 mpg chỉ bằng một galon xăng; khoảng cách mà theo lời Frank, chiếc xe có thể đi từ San Francisco đến New York chỉ với một galon xăng.
• Shamu: cùng năm đó, kỷ lục thế giới 2200 mpg với nhiên liệu methanol M85.
• một chiếc PHEV từ năm 1991: phạm vi điện 40 dặm với pin chì-axit.
• Cuối những năm 1990: phạm vi điện 60 dặm với pin nikel-metal hydrua - ngưỡng mà các sinh viên của ông coi là thành tựu to lớn.
• 1992-1993: một bản trình diễn plug-in hybrid đạt 72 mpg, gần với mục tiêu 80 dặm mỗi galon của chương trình PNGV.
• 1996: một bản chuyển đổi PHEV dựa trên Ford Taurus; Trong hành trình từ Detroit đến Washington DC, xe đã đạt mức 68 mpg.

Cuối những năm 1990, GM đã ký hợp đồng với Frank để chuyển đổi một chiếc xe điện EV1 thành plug-in hybrid; hồ sơ lưu trữ cho thấy năm 2001, nguyên mẫu EV1 này đã nhận được nguồn kinh phí đáng kể cho việc hybrid hóa. Dự án là một bước đi cụ thể khi khái niệm của Frank được thử nghiệm trên phần cứng của một nhà sản xuất lớn - đáng tiếc là nó được biết là không chuyển thành kế hoạch sản xuất của thời kỳ đó, nhưng câu chuyện hủy bỏ hoàn chỉnh vẫn chưa được ghi chép chi tiết trong tài liệu lưu trữ.

Kiến trúc của Frank: vì sao ủng hộ hybrid song song?

Cấu hình Frank ưa thích gồm bốn bộ phận: động cơ điện, động cơ đốt trong, CVT cơ khí và pin dung lượng cao. Đây là bố cục ngày nay được gọi là hybrid song song. Trong hybrid kiểu nối tiếp, động cơ chỉ quay máy phát, còn trong kiến trúc song song, hai nguồn công suất đều có thể đóng góp trực tiếp vào bánh xe; Frank đã bảo vệ cấu trúc này với những ưu thế có thể đo lường được về hiệu suất cơ khí và kích thước bộ phận.

Tầm nhìn của ông vượt xa chiếc xe. Chiếc xe sạc từ lưới điện có thể truyền năng lượng ngược lại lưới khi đỗ xe; khái niệm vehicle-to-grid và kịch bản vehicle-to-house cấp điện cho ngôi nhà là những hướng được nhấn mạnh ngay từ giai đoạn đầu trong các dự án của Frank. Chính lời định nghĩa của ông về mục tiêu cũng rất đáng chú ý: mục đích cuối cùng không phải là xe thuần điện, mà là một chiếc xe đáp ứng khoảng một phần mười mức tiêu thụ bằng nhiên liệu lỏng, phần còn lại bằng điện từ năng lượng mặt trời. Đây là một lựa chọn kỹ thuật khác biệt rõ rệt so với mạch truyện lấy pin - xe điện làm trung tâm ngày nay.

Ảnh hưởng: bằng sáng chế, học trò và những công việc đã thúc đẩy một trung tâm nghiên cứu

Sản xuất của Frank không chỉ giới hạn ở các nguyên mẫu. Ông sở hữu hơn 35 bằng sáng chế; trong đó 12 thuộc về UC Davis và số bằng sáng chế PHEV tiến gần đến con số 50. Một ví dụ cụ thể là bằng sáng chế năm 1998 về phương pháp kiểm soát cạn điện cho xe hybrid - chiến lược kiểm soát cốt lõi của plug-in hybrid.

Học trò của ông có lẽ là phần hữu hình nhất của di sản này. Hàng trăm người đã bước vào ngành công nghiệp ô tô; một số người đã làm việc trong việc thiết kế Chevrolet Volt, một trong những plug-in hybrid sản xuất hàng loạt đầu tiên. Chính Frank cũng trở thành một trong những chủ sở hữu đầu tiên của Volt vào ngày 21 tháng 12 năm 2010 - đối với một kỹ sư, việc tận mắt thấy khái niệm mình bảo vệ suốt nhiều năm trở thành sản phẩm thương mại trong gara nhà mình là một cái kết hiếm có.

Bảy phương tiện chứng minh của Team FATE đã góp phần khiến quy định khí thải California điều chỉnh mục tiêu phương tiện không khí thải sao cho bao gồm cả xe hybrid cắm điện. Năm 2006, Frank thành lập công ty Efficient Drivetrains Inc.; bằng sáng chế của UC Davis được cấp phép cho công ty này. Cùng năm đó, năm 2007, Trung tâm Nghiên cứu Phương tiện Điện Hybrid Cắm điện được thành lập trong khuôn khổ nghiên cứu giao thông của UC Davis và bắt đầu các nghiên cứu người tiêu dùng đầu tiên; năm 2010, tên gọi được mở rộng thành PH&EV Research Center.

Một điều đáng ghi nhận nữa: khi thị trường chứng kiến những mẫu xe hybrid hiện đại đầu tiên vào cuối năm 1999 - dù chúng được sạc bằng năng lượng phanh - đối với Frank, đây là một khoảnh khắc xác nhận, một sự minh chứng cho điều ông đã đúng. Khái niệm là đúng; chỉ cần thời điểm và các linh kiện chờ đợi nó.

Một kỹ sư vẫn vẽ thiết kế cả tuổi già: di sản và lưu trữ

Frank đạt tuổi 90 vào ngày 24 tháng 9 năm 2023; dù sống trong viện dưỡng lão, ông vẫn tiếp tục viết các bài báo kỹ thuật và ủng hộ các liên minh vận động cho xe hybrid cắm điện. Sự ngoan cố ấy chính là nghĩa hoàn toàn của từ trong tiêu đề bài báo: không phải dự án bị hủy hay tuổi tác có thể ngăn ông lại.

Di sản của ông nay đang được thể chế hóa. Tại Thư viện Shields của UC Davis, một bộ sưu tập nghiên cứu về phương tiện điện cắm điện đang được hình thành với các lưu trữ do Frank và Felix Kramer - một trong những gương mặt tiêu biểu của vận động xe hybrid cắm điện - quyên góp. Bộ sưu tập trải dài giai đoạn 1978-2012 với dung tích chín feet tuyến tính, dự kiến mở cho các nhà nghiên cứu vào cuối năm 2024; một triển lãm tại sảnh thư viện cũng đang được xem xét.

Trong khi đó, vị trí của xe hybrid cắm điện tầm xa trong cuộc tranh luận hôm nay cũng xác nhận tầm nhìn của Frank: những phương tiện này mang lại ưu thế khí thải tương tự phương tiện điện chạy pin trong khi tiêu thụ ít hơn khoảng bốn lần khoáng sản tới hạn và tạo áp lực ít hơn cho lưới điện. Việc một khẳng định kỹ thuật có tuổi đời năm mươi năm vẫn còn nằm trong chương trình nghị sự bằng những luận điểm đo lường được chính là bản tóm tắt tốt nhất về sự tiên phong của Frank.

Tài liệu tham khảo

• Trong 'Electrifying 100': Giáo sư Andy Frank được vinh danh là 'Cha đẻ của xe Hybrid Cắm điện'
• Shields sẽ lưu giữ lưu trữ về xe điện cắm điện
• Andrew A. Frank
• Bộ sưu tập Nghiên cứu Phương tiện Điện Hybrid Cắm điện, 1978-2012
• TS. Andrew Frank - EAA-PHEV
• Tiểu sử - Frank, Andrew (UC Davis)