运输部署案例手册/2018/混合动力汽车 (美国)

定性分析

背景

混合动力汽车利用了传统内燃机推进系统（见于标准汽车）与电动推进系统的组合。电动推进系统在较低速度下为车辆提供动力，而内燃机在较高速度下为车辆提供动力。因此，混合动力汽车不仅节省燃料，而且产生的二氧化碳排放量更少。在混合动力汽车类别中，还存在插电式混合动力汽车，它涉及使用外部电网连接为车辆电池充电。内燃机提供更长的行驶里程，而电动推进系统通过在制动时再生能量以及在滑行时从内燃机中储存能量来提高车辆的燃油效率。

混合动力汽车的组成部分

混合动力汽车的能源系统包括电池、超级电容和内燃机单元。为混合动力汽车提供动力的能源来源和基础设施包括加油站和为插电式混合动力汽车提供电网充电设施。混合动力汽车的关键特征包括与标准汽油动力汽车相比，排放量非常低。此外，混合动力汽车通常具有更高的燃油经济性和更长的行驶里程，具体取决于电机和电池的功率水平以及行驶循环。与混合动力汽车相关的一些关键问题源于电池和电池管理以及高性能推进系统。

电动推进电机

电动推进电机是混合动力汽车的关键组成部分之一，在混合动力汽车中发挥着至关重要的作用。有三种类型的电动机适合用于汽车。这些是推进电机无刷电机、感应电机和开关磁阻电机。电机和驱动技术的标准要求包括具有高扭矩密度和高功率密度，具有宽速度范围并在该速度范围内具有高效率。此外，电动推进电机应非常可靠，并且以合理的价格提供，以吸引客户。

动力转换器

动力转换器包括混合动力汽车中使用的所有典型电力电子电路。这些包括整流器、逆变器和直流转换器。混合动力汽车中电力电子电路的设计可以细分为以下类别

电气设计：电气设计包括主开关电路设计、控制器电路设计、开关器件选择和开关频率优化。
控制算法设计：控制算法设计包括用于在输出端实现所需电压、电流和频率的设计。此外，该算法设计用于实现双向功率流。
磁性设计：磁性设计包括电感器、电容器和其他用于过滤和开关等功能的磁性元件的设计。
机械和热设计：机械和热设计包括系统中功率器件和磁性元件的功率损耗模型。它还包括冷却系统、散热器以及电力电子单元集成的设计。

混合动力控制技术

混合动力控制技术主要通过进行的模拟和以往的经验来理解。混合动力控制技术分为两类。第一个是能量管理控制，第二个是驾驶性能控制。能量管理控制基本上是优化能量效率和减少排放的目标。驾驶性能控制旨在优化驾驶性能、舒适性和安全性能。因此，控制是混合动力汽车技术中最重要的组成部分之一。

电池和超级电容

电池和超级电容是混合动力汽车的另一个重要组成部分。电池和超级电容存储来自刹车时的动能或巡航时的发动机能量。电池使用电化学原理存储能量，而超级电容使用静电原理存储电能。这些组件还为推进系统提供动力，特别是在车辆突然需要大量电力的时候。由于电池或超级电容的比功率与汽油相比非常低，因此通常与燃料电池一起使用，以提高车辆的启动性能。

混合动力汽车销量增长的原因

混合动力汽车的优势

环保：混合动力汽车在低速行驶时切换到电力推进系统，因此更清洁。这也导致了更好的燃油经济性，使混合动力汽车环保。
经济效益：世界各地的许多政府都为混合动力汽车制造商提供激励措施，让他们在研发方面投入资金，以降低车辆成本，从而使消费者更容易负担。此外，一些政府降低了混合动力汽车的年度税费，并免除了拥堵费，这些措施都转化为更低的燃油支出，从而为混合动力汽车用户带来了额外的经济效益。
减少对化石燃料的依赖：混合动力汽车行驶时所需的燃油更少，因为动力系统可以在电力推进系统和内燃机之间来回切换。这种对化石燃料的依赖减少也可能意味着对燃油的需求减少，而由此产生的第三产业益处是燃油成本也降低了。
再生制动系统：每次踩刹车时，以及在巡航时，电池都会从内燃机充电。制动时电池会充电，因此无需定期停下来给电池充电。
采用轻质材料制造：与市场上的传统汽车相比，混合动力汽车采用更轻的材料制造。这意味着为汽车供电所需的能量更少，从而节省了燃料成本。
更高的转售价值：由于全球汽油价格不断上涨，越来越多的消费者更愿意购买混合动力汽车。这种对混合动力汽车不断增长的需求导致了这些车辆的转售价值更高。

混合动力汽车销量最初增长缓慢的原因

混合动力汽车的缺点

动力不足：混合动力汽车配备双动力发动机，即内燃机和电力推进系统。因此，混合动力汽车的汽油发动机比传统汽油动力汽车的小得多。此外，混合动力汽车中的电动机产生的功率较低。因此，内燃机和电力推进系统的总功率通常低于仅汽油动力发动机的汽车。因此，混合动力汽车更适合城市限速行驶，而不是追求速度和加速。
可能很贵：混合动力汽车通常比普通汽油车贵得多，除非政府补贴汽车制造商，这会导致消费者价格降低。但是，初始的重大成本是一次性成本，可以通过降低燃料消耗和免税在长期内收回。
操控性较差：混合动力汽车配备内燃机、更轻的电动机和一组大型、功能强大的电池。这增加了汽车的重量，并占用汽车的大部分存储空间。这种额外的重量会导致燃油效率低下。因此，制造商不得不缩减电机和电池的尺寸以减轻重量。这反过来又减少了悬架和车身支撑，导致车辆操控性较差。
更高的维修成本：双发动机的存在以及通过研发不断改进发动机，使得机械师更难修理汽车。此外，也更难找到具有这种专业技能的机械师。
电池中存在高压：如果发生事故，电池中存在的高压可能对车内的乘客构成致命威胁。乘客有很高的被电击的可能性，而且在发生事故的情况下，救援人员也更难将乘客从车中救出。

为什么政府支持混合动力汽车？/混合动力汽车的第三产业效益

美国政府一直在以联邦所得税抵免的方式支持混合动力汽车的购买，2006 年以前是联邦所得税抵扣，2006 年以后是联邦所得税抵免。政府出于多种原因和效益，对推广混合动力汽车感兴趣。

环境效益：政府在支持混合动力汽车时考虑的关键因素之一是减少机动汽油消耗的环境外部性以及国家能源利益。汽车排放会向大气中排放大量的二氧化碳，造成气候变化的负面影响。混合动力汽车被认为是减少二氧化碳排放、污染和实现能源安全的重要方法。混合动力汽车的另一个好处是使用镍氢电池，这比传统汽油车使用的铅酸电池更环保。
经济效益：此外，政府支持混合动力汽车而不是传统的汽油动力汽车，原因是燃油价格不断上涨。燃油价格大幅上涨导致家庭可支配收入减少，导致个人在商品和服务上的支出减少。这对国家国内生产总值产生负面影响。混合动力汽车的燃油效率更高，导致消费者对燃油的依赖程度降低，从而受到燃油价格波动影响较小。这意味着人们手中有更多的钱可以流通到经济中。
减少贸易逆差：政府还将推广混合动力汽车的销售，原因是油价造成的贸易逆差。2008 年油价上涨导致美国出现了 75% 的贸易逆差。因此，任何减少石油进口的措施都将对贸易失衡产生积极的净效应。混合动力汽车的市场渗透率将导致石油进口逐渐减少。

案例研究 - 丰田普锐斯

丰田普锐斯是全球首款量产的混合动力汽车。它于 1997 年在日本上市，2000 年在美国上市。2005 年，仅在美国就售出了 10 万辆，这反映了混合动力汽车的快速增长。普锐斯经历了多次改进和升级。例如，消费者在 2004 年看到了普锐斯被重新设计为一款中型掀背车。在随后的版本中，丰田普锐斯的电动推进电池组件和内燃机都进行了多项改进。目前，普锐斯已经发展到第四代车型。此外，市场上出现了其他丰田车型，例如凯美瑞和卡罗拉的混合动力版本，这表明混合动力汽车在消费者中获得了成功。

机动车旅行和政策时间轴

1880 年：电力被应用于交通工具中的有轨电车。早在 1880 年代，费城等地就开始测试蓄电池有轨电车。
1888 年：卡米尔·法奥尔（Camille Faure）后来希望将这种知识应用于电动发电机，并随后为一辆蓄电池动力汽车申请了专利。专利申请于 1888 年获批。人们意识到，每增加一块电池都会降低所有其他电池的效力。这是因为存储的能量被用来移动其他电池，而不是汽车及其乘客。因此，出现了边际收益递减的现象。当时，人们想象着每天行驶 100 英里。这是电动汽车无法做到的。导致电动汽车不成功的原因还有其他一些问题，例如缺乏充电站和电网不发达。直到 1901 年才研发出连接汽车电池到墙壁的插头。在此发明之前，汽车电池必须整体拆下，充电后才能重新安装。更糟糕的是，电动汽车的续航里程大约只有四个小时，因此需要频繁充电。
1901-1905 年：1901 年，费迪南德·保时捷（Ferdinand Porsche）制造了一辆混合动力汽车。当时研发的混合动力汽车能够在使用电力或汽油动力之间切换。这辆特定的汽车使用内燃机驱动发电机，发电机为位于轮毂的电动机供电。令人惊讶的是，这辆汽车仅靠电池提供的电力就能行驶 40 英里。在费迪南德·保时捷之后，1905 年，费舍尔汽车公司（Fischer Motor Vehicle Company）研发出了一种早期的汽油-电力混合动力汽车，它使用电动启动器。每当汽油发动机超负荷时，都会利用电池的电力。美国人还申请了汽油-电力混合动力汽车的专利。
1904 年：1904 年，亨利·福特（Henry Ford）克服了汽油动力汽车的阻碍。他解决了汽车噪音、气味和颜色等问题，并开始流水线生产轻便、廉价的汽油动力汽车。
1913 年：由于汽油动力汽车配备了自动启动器，消费者现在更喜欢汽油汽车，因为它更容易启动，因此对电动汽车的需求急剧下降。电动汽车销量降至 6000 辆，而福特 Model T 售出了 182,809 辆。
1966 年：美国国会颁布了第一部鼓励使用电动汽车的法案，以减少空气污染和保护环境。
1970 年代：1973 年的阿拉伯石油禁运导致燃料价格急剧上涨。这引起了人们对电动汽车的兴趣。
1975 年：美国能源与研究开发管理局（U.S. Energy and Research Development Administration）启动了一项政府项目，旨在改进电动和混合动力技术。
1976 年：美国国会颁布了《电动和混合动力汽车研究、开发和示范法案》。该法的目的是与工业界合作改进电池、电机和其他混合动力组件。
1977-1979 年：通用汽车公司（General Motors）在电动汽车研究和开发方面投入了超过 2000 万美元。
1997-2000 年：丰田普锐斯于 1997 年在日本上市，2000 年在美国上市，紧随本田 Insight 于 1999 年上市。

诞生阶段

混合动力汽车的发明时间和发明者都不明确。相反，是从电池到电动机的一系列创新和知识转移，才产生了世界上第一辆电动汽车，然后是第一辆混合动力汽车。在美国，威廉·莫里森（William Morrison）在 1890 年左右推出了第一辆电动汽车。他的乘用车最高时速可以达到 14 英里/小时，这比第一辆电动汽车略快，但它为第一辆电动汽车提供了灵感。

在接下来的几年里，许多不同的汽车制造商推出了多款电动汽车。到 1900 年，第一波电动汽车达到了顶峰，占到当时路上车辆的三分之一。这种成功在接下来的十年中持续表现出来，销量强劲。

早期市场发展

尽管电动汽车在 1900 年代已经问世，但马匹仍然是主要的交通工具。然而，随着美国人变得越来越富有，经济也得到改善，人们开始使用新发明的机动车，这些机动车配备了蒸汽、汽油和电动发动机。

蒸汽技术在火车等交通工具中的成功证明了其可靠性。然而，直到 1870 年代，蒸汽技术才被应用于汽车。这是因为蒸汽不适合私人车辆，因为它需要很长的启动时间，并且需要频繁地加水，这限制了它们的续航里程。

汽油动力汽车伴随着电动汽车的进入市场。这是由于 1800 年代内燃机技术的改进。最初，消费者更喜欢电动汽车，而不是汽油汽车，原因有很多。汽油汽车存在一些缺陷，例如在换挡时需要大量人工操作。此外，汽油汽车噪音很大，排气也不愉快。另一方面，电动汽车安静、易于驾驶，并且不像竞争对手那样排放令人不快的污染物。随着 1910 年代越来越多的人开始使用电力，电动汽车的充电变得更加容易。这使得电动汽车在消费者中变得更加流行。

费迪南德·保时捷等许多创新者致力于改进电动汽车。他在 1898 年成功研发出了一辆电动汽车，并在大约同一时间创造了世界上第一辆混合动力汽车。亨利·福特和托马斯·爱迪生等其他创新者合作于 1914 年开发了低成本电动汽车。

正是亨利·福特的大规模生产的 Model T 影响了电动汽车的销量。Model T 于 1908 年推出，通过使用流水线低成本生产汽车，使汽油动力汽车以低廉的价格广泛普及。当时，Model T 的售价不到电动汽车的一半。

交通道路网络的发展以及人们希望行驶更远距离的需求，再加上易于获得的廉价汽油，对电动汽车的销量产生了负面影响。

增长阶段

由于汽油动力汽车的巨大成功，电动汽车的发展停滞不前，销量很低。汽油动力汽车的成功源于内燃机的改进以及廉价且易于获得的汽油。

然而，随着时间的推移，汽油价格急剧上涨。1970 年代初期的石油价格飞涨和汽油短缺导致美国有动力减少对外国石油的依赖，并寻找国内燃料来源。鉴于此，国会通过了 1976 年的《电动和混合动力汽车研究、开发和示范法案》。该法案的通过旨在确保能源部对电动和混合动力汽车的研究和开发表示兴趣和支持。

尽管汽车制造商拥有研发设施和资源，但他们无法生产出能够与汽油动力汽车竞争的足够多的电动或混合动力汽车。生产的电动汽车最高时速为 45 英里/小时，并且车辆的续航里程仅为 40 英里，之后就需要再次充电。

环境问题引发了对电动和混合动力汽车的需求

从 1990 年代开始，人们对环境保护和维护的关注度不断提高。因此，这段时间人们对电动和混合动力汽车的兴趣开始复苏。政府通过了 1990 年的《清洁空气法修正案》和 1992 年的《能源政策法案》，以帮助启动对电动和混合动力汽车的重新兴趣。因此，汽车制造商开始将其热门车型升级为混合动力车型。这使得混合动力汽车现在能够达到与汽油动力汽车非常接近的速度，并且仅靠电池的续航里程也提高到了 60 英里。

不幸的是，尽管政府对汽油动力汽车排放的有害气体对环境造成的损害表示担忧，但经济似乎正在蓬勃发展。因此，更多人拥有更多钱，对汽车的需求开始上升。由于经济繁荣，个人并不担心燃油效率高的汽车，因此也不购买燃油效率高的汽车。

电动汽车的新开端

混合动力汽车的真正复兴出现在21世纪。其中一个重要的里程碑是丰田普锐斯（Prius）的推出。它于1997年在日本发布，2000年在美国发布。它是世界上第一款量产的混合动力汽车。丰田通过提高人们对碳污染的认识，成功地获得了混合动力汽车的重要市场份额。不断上涨的全球汽油价格也促使人们转向燃油效率高的混合动力汽车。

另一个突显电动汽车存在感的重大事件是2006年特斯拉汽车（Tesla Motors）的宣布。当时，特斯拉汽车声称将开始生产一款豪华电动跑车，只需一次充电即可行驶超过200英里。这一公告加上随后的成功，激励了其他大型汽车制造商加快混合动力汽车的研发工作。2010年，雪佛兰沃蓝达（Volt）和日产聆风（Leaf）在美国市场发布。雪佛兰沃蓝达是第一款插电式混合动力汽车，它完全依靠电池供电，直到电池耗尽，然后会切换到汽油发动机，以增加续航里程。

在接下来的几年里，大多数主要的汽车制造商都开始在美国市场推出混合动力汽车。然而，消费者面临着一个问题，即他们将在哪里为他们的插电式混合动力汽车充电。为了解决这个问题，能源部推出了复苏法案，投资了1.15亿美元，帮助建立全国充电基础设施。该项目在全国范围内安装了超过18000个公共充电器。汽车制造商还在美国各地的重要地点安装了他们自己的充电器，这使得充电点的总数增加到了20000个。

在能源部技术办公室的帮助下，电池技术得到了发展。电池性能的提升使制造商能够以更低的成本生产电池，从而降低了汽车的价格，使其对消费者更具吸引力。

如今，消费者在市场上可以选择的混合动力汽车种类繁多。有23款插电式混合动力车型和36款混合动力车型。这些车型从丰田普锐斯和本田思域（Insight）到宝马（BMW）i8等豪华车型。

混合动力汽车的预测

如果对混合动力汽车的需求保持不变，混合动力汽车的不断发展将保证可持续的未来。根据分析的数据，对混合动力汽车的需求有所下降。由于目前的全球油价正在上涨，消费者很可能不会转向汽油动力汽车。

定量分析

S型曲线

S型曲线识别了混合动力汽车销售的诞生阶段、增长阶段和成熟阶段。图1说明了生命周期中诞生、增长和成熟阶段多年来的车辆销量。由于混合动力汽车的实际销量如曲线图1所示，呈现出较为嘈杂的观察结果，因此我们拟合了预测混合动力汽车销量的更平滑曲线，以更深入地了解数据和结果。

数据来自美国运输部运输统计局。因此，数据完整性没有丢失，获得的数据可靠性非常高。

分析

数据用于估计三参数逻辑函数

S (t)=K/[1+exp (-b (t-t₀))]

其中

S (t)是状态度量（混合动力汽车销量）
t是时间（年）
t₀是拐点时间
K是饱和状态水平
b是系数

数据

年份	车辆销量	预测车辆销量
1999	17	3310
2000	9350	5612
2001	20282	9487
2002	36035	15950
2003	47600	26578
2004	84199	43653
2005	209711	70082
2006	252636	108720
2007	352274	160735
2008	312386	223504
2009	290271	289974
2010	274210	351299
2011	268807	401091
2012	434344	437489
2013	495534	462104
2014	443823	477887
2015	384404	487664

变量	值
K	502268.228
b	0.532749435
tnought	2008.414706
R平方	0.702055575

准确性和可靠性

根据收集的数据，K估计为502268.228。K值为502268.228表示混合动力汽车市场在2008年达到成熟，车辆销量为312386。从2008年开始，混合动力汽车的销量仍然在不断增加，但增速在下降。混合动力汽车销量在2013年达到峰值，之后从那时开始下降，这一事实表明，市场可能由于燃料价格波动而面临困难。但是，对上述观点还有另一种解释。由于插电式混合动力汽车车型的推出，混合动力汽车的销量可能略有下降。混合动力汽车的需求增长和下降主要受燃料价格和经济状况的影响。如果经济繁荣，更多人将有可支配收入，这意味着他们将有更多钱花在混合动力汽车上，反之亦然。此外，燃料价格上涨会鼓励消费者转向更节能的替代品，从而增加混合动力汽车的销量，反之亦然。此外，由于2013年至2015年间混合动力汽车销量的下降幅度很小，因此结果无法提供足够的信息来判断市场是否正在成熟。相反，它可能仅仅意味着一些外部因素的改变正在暂时影响需求。

回归分析

回归分析得出的R平方值为0.70206。接近1的R平方值是可取的。观察到的数据得出的估计b值为0.53275。一般来说，通过图1中“预测HEV销量”曲线所展示的结果，市场的诞生阶段出现在1999年至2004年，因为图形呈水平形状。在2004年至2012年间，“预测HEV销量”曲线显示了混合动力汽车销量市场的增长阶段。这是通过曲线斜率不断增大的初始销量增长和曲线沿y轴上升，斜率不断下降的车辆销量缓慢增长来观察的。根据曲线，“HEV销量”，市场在2013年达到峰值，据认为已进入成熟阶段。与实际观察到的数据显示市场在2013年达到峰值，因此市场成熟不同，预测模型假设混合动力汽车的销量在2013年之后会继续上升。

对曲线的分析表明，该模型低估了1999年至2009年的混合动力汽车销量。然后，它在2009年至2012年间高估了销量，随后在2013年再次低估，而实际市场在这一年达到了峰值。

参考文献