运输部署案例集/2018/美国混合动力汽车
混合动力汽车 (HEV) 是由电动机/发电机和传统内燃机 (ICE) 共同驱动的汽车。尽管仍然由液体燃料驱动，所有能量都由 ICE 提供，但这些车辆的混合功能意味着电动机，即驱动力的电力组件，能够提高发动机运行效率，而发动机本身也通过再生制动产生电力。其他类似技术，例如电动汽车，在近几十年里出现/重新出现，它们与上面定义的混合动力汽车不同[1]。插电式混合动力汽车是混合动力汽车的一个子集，它用车载电池取代电动机/发电机。这些车比其他 HEV 更晚推向市场，并且由于技术上的巨大差异（例如对额外基础设施的需求），因此未计入销量数据。HEV 技术在最近的市场引入之前就开始被追求，尽管当时它纯粹是电动的。由于技术限制和充电站缺乏，这在当时没有成功[2]，但现代 HEV 由于人们越来越意识到传统燃料汽车对环境的影响，因此在市场上很受欢迎。[3]
为了详细说明上面提到的 HEV 定义，ICE 和电动机可以以多种方式配置，最常见和最简单的配置是串联或并联。这些之间的区别与电动电路设计中这些术语的区别相同，即它们是由组件的配置定义的。串联 HEV 的配置方式使大部分能量来自 ICE，然后电动发电机利用这种能量产生电力，以便在稍后产生能量。通过此过程产生的电力可以用来在需要时旋转驱动轴。在并联 HEV 中，无需额外的发电步骤，能量可以来自电动机或 ICE，无论是单独还是一起旋转驱动轴。在并联配置中没有发电机的情况下，电动机可以充当发电机，以便实现再生制动。根据配置类型和任何特定时间的操作要求，两种推进方式可以使用各种模式来最有效地匹配条件。[4]
HEV 比传统 ICE 驱动的汽车有许多优势。这些优势包括
- 提高燃油效率 - 正如已经讨论的那样，电动机和 ICE 的共同作用提高了效率，因为电动机能够在合适的条件下提供旋转驱动轴所需的能量。这意味着燃烧的燃料更少，从而产生能量，并且由于 ICE 能够产生电力，这种效率进一步提高。[5]
- 减少排放 - 燃油效率的提高也导致车辆在运行过程中产生的排放减少。这也导致对环境的负面影响减少，这实际上是它们被发明的原因。[5]
- 降低运营成本 - 由于燃油效率提高，消耗的燃料更少，这意味着需要购买的燃料更少。由于需要购买的燃料更少，这导致运行成本降低。[6]
- 政府补贴支持 - 在美国，已经实施了各种政府激励措施，以克服消费者购买价格高的障碍。这些激励措施采取了税收抵免和税收抵免的形式，在一些州，HEV 免除 HOV 车道规则，从而减少了 HEV 司机的出行时间。[7]
- 减少对化石燃料的依赖 - 正如已经说过的那样，HEV 需要更少的燃料。随着 HEV 的广泛采用，由于对燃料有限储量的压力越来越小，导致燃料价格越来越低。这反过来导致运营价格进一步下降。[5]
虽然这些优势中的一些在将 HEV 与纯电动汽车进行比较时并不适用，但 HEV 确实比这些汽车有一些优势，即
- 更长的续航里程 - EV 需要大型车载电池来存储旋转驱动轴所需的能量。额外的重量和有限的容量意味着 HEV 能够在耗尽能量之前行驶更远的距离。[8]
- 无需额外的基础设施 - 由于 EV 需要充电，因此需要充电站，它们用于私人用途的便利性高度依赖于充电站的可用性。这在过去一直是该技术进入市场的障碍，并且仍然是一个问题。HEV 避免了这个问题。
在将 HEV 与 ICE 驱动的汽车进行比较时，有一些观察到的缺点
- 更高的前期成本 - 消费者进入市场的一个障碍是这些车辆的相对较高成本，这是由于它们的生产成本较高。然而，这被政府实施的激励措施所缓解。[7]
- 功率较小的发动机 - HEV 中使用的 ICE，作为主要动力来源，要小得多，以适应电动机。这意味着车辆无法达到传统车辆的速度或加速度。这限制了它们的市场。[8]
- 更高的维护成本 - HEV 更复杂，有额外的部件，并且由于车辆机械技术的不断改进，机械师可能会发现维护很困难，并可能导致更高的成本。[6]
- 高压危险 - HEV 中包含高压电动机增加了发生事故并损坏电机时的安全隐患。
由于完全由电动机驱动，电动汽车确实拥有 HEV 的所有优点，但通常 EV 的优点更大，因此在将 HEV 与 EV 进行比较时，HEV 相对于 ICE 的一些优势可以被视为缺点。
正如已经提到的，在美国将 HEV 引入美国市场之前，已经对电动汽车进行了调查。世界上第一辆 HEV 是在 1898 年建造的，仅仅比第一辆汽油动力汽车晚了三年。这种发展是两种以前已经发明的技术的结合，分别是汽油动力汽车和电动汽车，电动汽车实际上是在 60 年前的 1834 年发明的。在 20 世纪初，随着大量针对特定创新的专利申请，进一步发展了 HEV。专注于开发和销售电动汽车的汽车公司成立并销售混合动力汽车。这些公司在市场上遇到了挑战，因此 HEV 和 EV 都停止生产。这些挑战与这些车辆的价格更高、功率更低、续航里程短和充电时间长有关，其中许多挑战直到今天仍然困扰着这些公司，但由于发展和激励措施，这些挑战在一定程度上得到了缓解。充电基础设施的可用性也不足，最终，汽油动力汽车技术的创新超过了 EV 和 HEV 的创新。[4]
在经历了大约40年之后，受阿拉伯石油禁运的影响，人们重新对电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）产生了兴趣。这最终导致了1976年的《电动和混合动力汽车研究、开发和示范法案》，该法案建议再次研究这些技术，以减少对石油的依赖并改善空气质量。该建议是针对1990年南加州糟糕的空气质量做出的回应。当时，加州政府机构颁布了一项强制性规定，要求到1998年和2003年，加州市场上的零排放汽车比例达到一定水平。由于担心会失去在这个大型市场中的份额，各种汽车公司开始研究电动汽车和混合动力汽车技术。这项发展得到了美国政府与主要汽车制造商之间全国性合作研究计划的进一步支持。当时，其他国家也在这一领域进行类似的推动，1997年，第一款现代混合动力汽车丰田普锐斯在日本市场推出。1999年，丰田普锐斯、本田思域和英思特在美国市场推出。不久之后，在2002年，由于该技术面临巨大挑战（例如，需要充电基础设施[4]），电动汽车的开发被放弃。
表1展示了自1999年混合动力汽车在美国市场推出以来的销量数据。这些数据来自HybridCars[9]，以月度数据形式提供，为了便于展示，已汇总为年度时间增量。美国交通部交通统计局发布的数据集[10]证实了这些数据的可靠性。表1中的市场份额列是指相对于新汽车总销量而言的混合动力汽车销量对比数量。
| 年份 | HEV销量 | 市场份额（%） | HEV累计销量 |
| 1999 | 17 | 0.0001 | 17 |
| 2000 | 9350 | 0.06 | 9367 |
| 2001 | 20282 | 0.14 | 29649 |
| 2002 | 36035 | 0.24 | 65684 |
| 2003 | 47600 | 0.32 | 113284 |
| 2004 | 84199 | 0.56 | 197483 |
| 2005 | 209711 | 1.4 | 407194 |
| 2006 | 252636 | 1.77 | 659830 |
| 2007 | 352274 | 2.55 | 1012104 |
| 2008 | 312386 | 2.37 | 1324490 |
| 2009 | 290271 | 2.79 | 1614761 |
| 2010 | 274210 | 2.37 | 1888971 |
| 2011 | 268752 | 2.11 | 2157723 |
| 2012 | 434498 | 3.01 | 2592221 |
| 2013 | 495771 | 3.19 | 3087992 |
| 2014 | 452152 | 2.75 | 3540144 |
| 2015 | 384404 | 2.21 | 3924548 |
| 2016 | 346948 | 1.99 | 4271496 |
| 2017 | 370685 | 2.16 | 4642181 |
为了更好地解释这些数据在模拟该技术生命周期方面的意义，我们对数据进行了S曲线拟合。通过这样做，可以估计出该技术在每个生命周期阶段转换或将转换的时间。首先估计K的初始值，K是饱和度水平的指标。根据以下公式，从该初始估计值计算出用于回归的数值。
使用这些值，可以确定一个表示这些值与数据集拟合程度的数值RSQ。通过改变K的值以最大化RSQ（0.62822），可以生成一个更准确的K近似值（509000）。然后，使用该K的Y值作为因变量，年份作为自变量进行线性回归。这使得可以找到数据发生拐点的年份（2009.5）。最后，使用此值和其他使用Y值计算出的值，可以根据S曲线模型计算出每年的预测值。这是使用以下公式完成的。
这些计算结果如表2和图1所示。
| 年份 | 实际HEV销量 | 预测的HEV销量 |
| 1999 | 17 | 5833 |
| 2000 | 9350 | 8862 |
| 2001 | 20282 | 13421 |
| 2002 | 36035 | 20231 |
| 2003 | 47600 | 30286 |
| 2004 | 84199 | 44879 |
| 2005 | 209711 | 65541 |
| 2006 | 252636 | 93793 |
| 2007 | 352274 | 130637 |
| 2008 | 312386 | 175824 |
| 2009 | 290271 | 227254 |
| 2010 | 274210 | 281038 |
| 2011 | 268752 | 332528 |
| 2012 | 434498 | 377816 |
| 2013 | 495771 | 414776 |
| 2014 | 452152 | 443138 |
| 2015 | 384404 | 463891 |
| 2016 | 346948 | 478554 |
| 2017 | 370685 | 488660 |
该模型表明，电动汽车年销量的增长在2009年达到顶峰。此后，电动汽车销量一直在增长，但增速在下降。假设前10%的销量增长被认为是诞生阶段，那么该阶段从1999年持续到2004年，之后销量持续增长，并在2014年似乎达到成熟。考虑到年销量数据波动较大，以及曲线对数据的拟合程度较差，该模型的准确性值得怀疑。如我们所见，自HEV诞生以来，该模型已经出现了两次峰值，随后又出现了下降。鉴于HEV的市场份额没有像销量下降那样大幅下降，这可能是汽车行业外部因素的影响，导致所有汽车销量下降。2008年全球金融危机可能是一个外部因素，因为它对美国经济造成了重大影响。预测模型之间还存在争议，即混合动力汽车市场是否已在美国达到成熟[11]，这一点将在“市场成熟度”部分讨论，因此可能会对该模型的准确性产生进一步的怀疑。
HEV技术的发展，无论是在进入市场之前还是之后，都得益于政府政策。在概述该技术的历史和发明时，已经提到了许多这样的政策。1999年，在HEV技术诞生之时，美国政府与主要汽车制造商之间的合作研究计划是这些促进HEV技术发展的政策之一。该政策旨在鼓励其他汽车制造商发布自己的车型，扩大市场。最终，许多公司加入了竞争，与丰田普锐斯以及本田思域和英思特等车型展开竞争[4]。尽管存在竞争，但丰田普锐斯在早期市场上占据主导地位，所有普锐斯车型的销量总和仍然远高于其他所有HEV[9]。HEV在诞生阶段的销量和年度增幅都相对较低。虽然这是诞生阶段的一个特点，但与增长阶段相比，这种情况下的差异似乎相当显著。这是因为缓解消费者购买HEV部分劣势的政策尚未实施。
观察实际销售数据可以发现，2004年至2014年的增长阶段可以分为两个部分。2005年至2007年，HEV市场增长迅速，而2008年至2011年的销量则出现下降。2005年至2007年的大幅增长部分是由于市场参与者数量持续增加，很大程度上是由于实施了旨在吸引消费者购买HEV的政策。2005年，美国政府实施了针对混合动力汽车车主的税收抵免政策，抵免金额取决于排放量，最高可达数千美元。州政府提供了其他激励措施，包括额外的抵免金（最高可达6000美元）以及对高乘员车道规则的期望[7]。如前所述，2008年至2011年的下降可能是由于影响了整个汽车行业的外部因素，因为市场份额没有下降到同样的程度。
上述数据分析表明，混合动力汽车技术已在当前市场中成熟。虽然这完全有可能，但考虑到插电式混合动力汽车和其他电动汽车带来的激烈竞争，该模型对该数据集的准确性尚未得到证实，因此应审查其他市场预测，以检验这些发现与这些预测的一致性。Al-Alawi和Bradley[11]发表的一篇文章汇集了大量HEV市场建模研究，并评估了这些模型的优缺点。报告中包含的模型比本次分析更复杂，但由于某些信息未知，因此该报告中提到的弱点也反映在本文使用的数据集中。大多数预测显示，市场份额的增长将在未来至少20年内持续增长，但从大约2020年开始增速会放缓。对市场份额统计数据进行了另一项分析，结果表明市场预计将在2013年达到成熟。因此，其他研究的发现与该模型相矛盾，因此该模型对该数据集的准确性可能存在缺陷。从2014年至2016年确实出现了下降，但2017年出现了上升。
[1] 国际经济发展委员会。(2013)。电动汽车行业分析。[在线]，第4-10页。可从以下地址获取：https://www.iedconline.org/clientuploads/Downloads/edrp/IEDC_Electric_Vehicle_Industry.pdf [访问时间：2018年5月8日]。
[2] Anderson, D. C. & Anderson, J. 2010, 电动汽车和混合动力汽车：历史，第2版，麦克法兰公司，杰斐逊。
[3] Bridges, H. 2015, 混合动力汽车和混合动力电动汽车：新发展、能量管理和新兴技术，诺瓦科学出版社，纽约。
[4] Mi, C. & Masrur, M. A. 2018, *混合动力汽车：原理、应用与实用视角*, 第 2 版，John Wiley & Sons Ltd，苏塞克斯。
[5] Vilet, O. V., Brouwer, A. S., Kuramochi, T., Broek, M. & Faaij, A. 2011, '电动汽车的能源消耗、成本和 CO2 排放', *电源杂志*, 第 196 卷，第 2298-2310 页
[6] Lipman, T. E. 可用地址：http://tsrc.berkeley.edu/sites/default/files/Lipman_EV_2000_0.pdf [访问日期：2018 年 5 月 10 日]。
[7] Diamond, D. 2009, '政府对混合动力汽车的激励措施的影响：来自美国各州的证据', *能源政策*, 第 37 卷，第 3 期，第 972-983 页
[8] Karner, D. & Francfort, J. 2007, '美国能源部先进车辆测试活动对混合动力汽车和插电式混合动力汽车性能的测试', *电源杂志*, 第 174 卷，第 1 期，第 69-75 页
[9] HybridCars 2018，混合动力汽车，可用地址：http://www.hybridcars.com/ [访问日期：2018 年 5 月 8 日]。
[10] 交通统计局 2018，美国交通部，可用地址：https://www.bts.gov/ [访问日期：2018 年 5 月 9 日]
[11] Al-Alawi, B. M. & Bradley, T. H. 2013, '混合动力汽车、插电式混合动力汽车和电动汽车市场建模研究综述', *可再生与可持续能源评论*, 第 21 卷，第 190-203 页