一位工程师的执着: Andrew Frank 如何完善插电式混合动力?
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插电式混合动力这一现代概念的缔造者只有一个名字: Andrew Alfonso Frank. Frank是加州大学戴维斯分校机械与航空工程学荣休教授,自1971年起开始研究可从电网充电的混合动力车辆,为这一车辆类别赋予了今天的名称,并创办了一所培养数百名学生进入汽车行业的工程学院. 他的故事并不与被视为混合动力汽车之父的两个名字并列,而是走在一条完全独立的发展线上.
主要成就
- Frank于1971年在威斯康星-麦迪逊建造了他的第一辆混合动力电动汽车; 目标是每加仑100英里的油耗和0-60加速性能.
- Team FATE的车辆在1991年创下了汽油3313 mpg、甲醇2200 mpg的世界纪录.
- Frank拥有超过35项专利; 其中12项归加州大学戴维斯分校所有.
- 在2010年12月21日,他成为量产首批插电式混合动力车之一雪佛兰Volt的首批车主.
- 加州大学戴维斯分校正在围绕他的档案建立一个插电式电动汽车研究收藏.
谁发明了插电式混合动力: Frank的先驱主张及其界限
这个问题的答案取决于该车辆是如何被定义的. 混合动力电驱动本身要古老得多; 早在1915年,Woods Motor Vehicle的混合动力车型就已上市销售. Frank将这一早期范例为何未能流行归因于一个实际的缘由: 当时成本高昂,且没有能够降低其成本的零部件. 而在现代意义上,当我们谈论一种从家中插座充电、电池耗尽时自动切换到内燃机、适合日常使用的概念时,各种资料明确将Frank定位为先驱; 他被称为现代插电式混合动力之父,并且也是提出"插电式混合动力电动汽车"(PHEV)这一术语的人.
这一先驱地位的 технический定义也很明确: 插电式混合动力是一种车辆,其电动机依靠可充电电池运行,当电池能量耗尽时自动切换到汽油发动机. 这与1999年底上市的首批现代混合动力车的区别正在于此. Honda Insight和Toyota Prius仅用制动能量为电池充电; 没有可插接的充电线缆. 在Frank的方案中,电网连接是设计的起点,而非后来添加的功能.
还需要从一开始就指出一个模糊之处: 首个插电式混合动力的历史在不同资料中记载不一. 一种叙述将起步定于1971年的威斯康星,另一种则定于1972年的加州大学戴维斯分校. 这一时间差异源于一个渐进的开发过程,而非单一车辆,并不会动摇Frank的先驱地位; 这只是关于首辆样车在哪一年达到可运行状态如何被界定的问题上的细微出入.
这位工程师的成长历程: 从航空到汽车
Frank的背景并非典型的汽车行业职业生涯. 他于1955年在加州大学伯克利分校获得机械工程学士学位,并于1958年获得硕士学位; 随后他转入USC攻读电气工程,并于1965年完成硕士学位、1968年完成博士学位. 这种机械与电气双专业背景,为他后来对混合动力驱动的思路奠定了基础.
从1955年到1968年,他先后就职于North American Aviation及后来的North American-Rockwell. 他的任务清单令人印象深刻: X15高超音速研究飞机、直升机稳定系统、阿波罗计划以及民兵洲际弹道导弹项目. 1969年他转向学术界; 从1969年到1985年在University of Wisconsin任教,1985年至2006年在UC Davis担任教员. 也就是说,他打造第一辆混合动力汽车时,是一位刚离开航空公司的双专业工程师.
从1971年起:第一批车辆与零部件短缺问题
1971年,Frank在威斯康星麦迪逊分校与学生们从零开始建造了他的第一辆混合动力电动汽车. 这辆车是参加1972年URBAN CAR Competition的唯一一辆混合动力车. 据UC Davis自己的记载,Frank很可能在1972年开发了全球第一辆插电式混合动力汽车; 他设定的目标,以当时的标准来看极为不凡: 每加仑燃油行驶100英里,以及0-60英里/小时加速仅需6秒. 在同一个方案中兼顾效率与性能,即使是今天,这仍然是混合动力工程的定义所在.
那么,为什么插电式混合动力在1970年代未能投入量产? Frank自己的评估将问题归结于零部件层面: 那个时代尚不具备合适的电池、变速箱和电机技术. 要实现量产车的目标,这些部件必须从零开始、有针对性地进行设计. 这一诊断忠于工程视角:它将概念的超前解释为供应链问题,而非天才的缺失.
尽管如此,1970年代和1980年代也并未虚度. 1979年,他与学生们开发了基于飞轮的混合动力方案: 一辆配备无级变速箱(即CVT)的Ford Pinto改装车. 这个项目已经带有Frank所偏好的架构的最初具体迹象.
Team FATE与戴维斯岁月: 可量化的成果
在UC Davis,Frank带领的团队以Team FATE之名,多年来接连打造了一辆又一辆验证车. 截至2004年,共制造了七辆验证车. 每一辆车都验证了插电式混合动力概念的一个方面:
- Side F/X: 1991年,以每加仑3313 mpg创下世界纪录; 用Frank的话说,这是一加仑燃油足以从旧金山开到纽约的距离.
- Shamu: 同年,以M85甲醇燃料创下2200 mpg的世界纪录.
- 1991年的PHEV: 采用铅酸电池,实现40英里的纯电续航.
- 1990年代末: 采用镍氢电池,纯电续航达60英里 ——被他的学生们视为巨大成就的门槛.
- 1992-1993: 接近PNGV计划每加仑80英里目标的插电式混合动力演示车,油耗达72 mpg.
- 1996年: 基于Ford Taurus的PHEV改装车; 在从底特律到华盛顿特区的旅途中达到了 68 mpg 的数值.
1990年代末,GM 与 Frank 签约,将一辆 EV1 电动汽车改装为插电式混合动力车; 档案记录显示,2001年该 EV1 原型车的混合动力化项目获得了重要资金支持. 该项目是 Frank 的概念首次在大型制造商的硬件上进行测试的实质性一步——遗憾的是,据悉它并未转化为当时的量产计划,但完全取消的过程在档案资料中并未得到详细记录.
| 车辆 | 年份 | 基础车型 | 突出特点 |
|---|---|---|---|
| 飞轮混合动力车 | 1979 | Ford Pinto | 配备 CVT 的飞轮驱动 |
| Side F/X | 1991 | - | 以汽油实现 3313 mpg 纪录 |
| Shamu | 1991 | - | 以 M85 甲醇实现 2200 mpg 纪录 |
| Ford Taurus PHEV | 1996 | Ford Taurus | 68 mpg, 底特律-华盛顿之旅 |
| Sequoia | 2000 | Chevrolet Suburban | 并联式混合动力架构 |
| Yosemite | 2002 | Ford Explorer | 插电式改装 |
| Trinity | 2005 | Chevy Equinox (2006) | 四驱,40 英里纯电续航 |
Frank 的架构: 为什么他坚持并联式混合动力?
Frank 首选的配置由四个部件组成: 电动机、内燃机、机械式CVT变速箱以及大容量电池. 这就是如今被称为并联式混合动力的布局. 在串联式混合动力中,发动机仅驱动发电机,而在并联架构中,两个动力源都可以直接为车轮提供动力; Frank 以机械效率和部件尺寸方面可衡量的优势来支持这一结构.
他的愿景超出了车辆本身. 从电网充电的车辆在停放时可以向电网回馈能量; vehicle-to-grid(车到电网)概念以及为家庭供电的 vehicle-to-house(车到住宅)场景,是 Frank 的项目从早期就着重强调的方向. 他对自己目标的描述也颇为引人注目: 最终目的并非纯电动汽车,而是一种大约十分之一的能耗由液体燃料提供、其余部分由太阳能电力提供的车辆. 这是一个与当今以电池-电动车为中心的主流叙事明显不同的工程选择.
影响力: 专利,学生以及一项催生了研究中心的事业
Frank 的产出并不仅限于原型车. 他拥有超过 35 项专利; 其中 12 项属于 UC Davis,其 PHEV 专利数量接近 50 项. 一个具体的例子是 1998 年关于混合动力车辆电量耗尽控制方法的专利——这是插电式混合动力的核心控制策略.
他的学生或许是这份遗产中最显眼的部分. 其中数百人进入了汽车行业; 其中一些参与了首批量产插电式混合动力车之一 Chevrolet Volt 的设计. Frank 本人也于 2010 年 12 月 21 日成为 Volt 的首批车主之一——对于一位工程师而言,亲眼见证自己多年来倡导的概念变成商业产品,是一种难得的圆满收官.
Team FATE的七辆验证车影响了加州排放法规对零排放汽车目标的修改,使其将插电式混合动力车纳入其中. 2006年,Frank创立了Efficient Drivetrains Inc. 公司; UC Davis的专利授权给了这家公司. 同年,2007年,UC Davis在交通研究框架下成立了插电式混合动力电动汽车研究中心,并启动了首批消费者研究; 2010年更名为PH&EV研究中心.
还有一个值得一提的细节: 当市场在1999年底迎来首批现代混合动力车时——尽管它们是靠制动能量充电的——对Frank来说,这一进展是一种肯定,一种正名的时刻. 概念是对的; 等待它的只是时机和零部件.
即使年迈仍在绘图的一位工程师: 遗产与档案
Frank于2023年9月24日年满90岁; 尽管住在养老院,他仍在继续撰写技术论文并支持插电式混合动力倡导联盟. 这种执着正是文章标题中那个词的完美注脚: 无论是项目取消还是高龄都无法让他停下.
他的遗产如今正在制度化. 在UC Davis的Shields图书馆,一个插电式电动汽车研究收藏正在建立,收录了Frank以及插电式混合动力倡导重要人物Felix Kramer捐赠的档案. 这一涵盖1978至2012年、共九线性英尺的收藏计划于2024年底向研究者开放; 图书馆大堂的展览也在筹备中.
与此同时,当今关于长续航插电式混合动力车的讨论也印证了Frank的远见: 这类车辆在提供与纯电动车相近的排放优势的同时,关键矿物消耗量仅约为其四分之一,对电网的负担也更小. 一项为期五十年的工程主张,如今仍以可量化的论据活跃于讨论之中,这是对Frank开拓精神的最佳总结.