运输部署案例集/混合动力电动巴士

定量分析

以下分析旨在根据美国公共交通协会 (APTA) 的定义，分析替代能源公交技术的生命周期。APTA 不按其成员组织的单个车辆类型收集数据，而是按车辆（特别是公交车）使用的能源数量进行分类。在混合动力电动巴士 (HEB) 的情况下，数据与使用两种或多种不同能源的其他车辆一起归类，其中包括压缩天然气巴士 (CNG) 和电动巴士，尽管 HEB 通常被认为是未来更可行的选择。除了 APTA 进行的分类的性质之外，该组织也仅能从选择参与 APTA 年度车辆调查的成员组织中收集特定（替代或传统柴油）车辆数据；2010 年的车辆调查包括来自美国 338 个公交机构的回复。此外，车辆调查中收集的数据用于估算美国替代能源和传统巴士的总市场份额。最后，将估计的市场份额乘以美国实际可用于最大使用的车辆总数（APTA 数据），以计算 1992 年至 2009 年间用于公共交通的替代能源（重型）巴士的估计数量。

图表 1 显示了 1992 年至 2009 年替代能源车辆的估计数量。数据的视觉表示为 S 曲线，可以概念性地应用于许多其他运输技术的生命周期。

图表 1

除了显示美国可用于重型公共交通车辆的替代能源巴士的估计数量外，还使用普通最小二乘 (逻辑) 回归来估计以下逻辑函数：S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)]

其中：S(t) 是状态度量，即替代能源巴士的数量 t 是时间（年度，1992-2009），t0 是拐点时间（达到替代能源巴士饱和数量 1/2 的年份），K 是饱和状态水平，b 是系数，衡量对自变量的影响程度。通过 OLS 逻辑回归，完成多次迭代以找到创建“最佳拟合线”的 3 个参数估计系数，因此在逻辑回归输出中具有最高的调整后的 R2 值。如前所述，K 是运输技术的饱和水平。在替代能源巴士的情况下，它代表替代能源巴士系统在市场上的成熟度。在经过多次迭代的 K 测试值后，最佳结果列在下表中（K = 41,000）。

如表 1 所示，调整后的 R2 为 .9361，在标准 90% 分位数处具有显著性；R2 越接近 1，回归公式在预测技术状态值方面的统计准确性越高。在此特定应用中，调整后的 R2 值与 T 统计量的值一起，广泛地表明该方程可以解释大约 94% 的替代能源车辆数量（因此拐点和饱和点）随时间的变化。

表 1

估计的拐点年份表明车辆增长速度开始放缓的点，大约是 2009 年（截距为 -341.94/-(b 为 .1701)）。有了这两个估计，该模型通常估计替代能源巴士技术的婴儿期可以普遍认为在 1992 年至 2009 年之间。2009 年之后直到 41,000 辆车的饱和水平的时期意味着持续增长的普遍时期，并且 K=41,000 的饱和水平之后的时期是该技术的成熟期。

由于多种原因，确定方程的准确性，尤其是在实际应用中，似乎特别具有挑战性。当然，估计替代能源车辆的份额具有挑战性，以及混合动力电动、电动和压缩天然气车辆的大型分类。最后，这些车辆所占重型巴士的份额肯定处于早期阶段，但一旦发布 2010 年市场数据中的车辆数量，2009 年的拐点年份也可能发生变化。作为车辆的份额，2010 年替代能源巴士的测量值从 30.4% 上升到大约 35%。然而，尽管如此，R2 和 T 统计量表明，该方程在解释替代能源车辆数量随时间的变化方面相对准确。

图表 2，如果仅从轶事上看，提出了其他有趣的信息，以使替代能源车辆生命周期分析保持透视。虽然该方程估计了 2009 年的拐点年份，但以下数据显示了替代能源巴士的市场比例，以及替代能源和传统巴士的车辆总里程数。由于 2009 年替代能源车辆的市场份额下降，车辆里程数也大幅下降，因此此处的数 据表明，2009 年的拐点年份预测可能过早（或过晚）。

图表 2

定性分析 - 混合动力电动巴士

技术

尽管由于缺乏按车辆类型细分，公共交通巴士的数据存在局限性，但本分析将主要关注替代能源子群体中主要的新兴技术，即混合动力电动巴士。但是，分析最后也将简要概述其他重要的替代能源巴士。

混合动力电动巴士 (HEB) 将传统的内燃机 (ICE) 模型与用于推进、再生能源或作为独立电源的电力系统相结合，具体取决于 HEB 中动力传动系统的排列。串联、并联和混合动力是 HEB 中电源的普遍子类别；串联动力系统在发动机和驱动轴之间没有机械连接。相反，发动机将动力发送到发电机，然后发电机为电动机供电。相反，并联混合动力发动机的动力为发电机供电，发电机可以直接为车辆的车轴供电或为电池组充电。顾名思义的混合动力 HEB 是这两种动力排列方案的组合，如图表 A 所示。

图表 A - 并联和串联混合动力设计

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优势

与传统的柴油巴士相比，混合动力电动巴士具有多种环境优势。也许 HEB 最广泛引用的环境效益是减少导致广泛和局部环境和健康问题的二氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物排放。除了由此产生的温室气体减少和局部臭氧减少外，HEB 的颗粒物和一氧化碳排放量也低于传统的柴油巴士。与臭氧类似，这两种污染物都会对人类呼吸和免疫系统造成重大损害，高浓度的排放被认为是重大的健康问题。

除了减少有害排放外，减少石油基燃料的使用从长远来看，也可能为公交机构带来显著的成本降低。根据联邦交通管理局的数据，在公交机构的运营费用中，燃料成本仅次于劳动力成本，而混合动力电动巴士（HEB）的燃油经济性提高了10%到48%，相较于传统柴油巴士。HEB系统对城市驾驶环境和高峰时段的燃油消耗具有特别积极的影响。再生制动过程将制动过程中的动能转化为可储存在发电机中的能量，最终用于为HEB供电。因此，这种动力系统非常适合于城市公交车，因为城市公交车需要频繁地刹车和加速。

重要市场

在美国，大多数公交机构都受到当地政治参与者（例如环境倡导组织）以及超越EPA法规的减少排放和改善空气质量的环境承诺的推动，从而将车队中的车辆转向替代能源。纽约市由于其拥堵的特性而天生容易产生更高水平的有毒排放，但它是一个极好的例子，说明了一个地区或地方如何选择放弃传统柴油巴士，这是由于当地和国家层面的压力造成的；该市尚未实现EPA 1990年国家环境空气质量标准（NAAQS）中设定的空气质量达标目标，并且公众越来越意识到与有害排放相关的健康问题，以及越来越大的州和国家减少排放的压力，导致纽约市大都会运输署（MTA）在十多年内更换了其整个车队，并在20世纪90年代中期开始了这项以环境为导向的努力。直到20世纪90年代后期，HEB才广泛可用，因此纽约市选择对压缩天然气（CNG）巴士车队提供支持的天然气再填充基础设施进行了大量投资。然而，自从将其所有重型巴士从传统的柴油动力系统转换以来，纽约市也投资了HEB。作为世界上最大的替代能源巴士车队和北美最大的公交运营商的一部分，MTA现在定期运营着600多辆HEB。

加州空气资源委员会（ARB）也对美国HEB使用的增长发挥了重要作用。为了应对关于柴油燃料和发动机性能的EPA法规（例如《清洁空气法》），ARB于1998年宣布柴油发动机排放的颗粒物为已知的致癌物。从那时起，ARB和加州环境健康危害评估办公室研究了由于柴油排放造成的健康影响和风险，并实施了进一步的规则以减少全州的排放，例如2000年柴油减排计划。该措施旨在到2010年大幅减少柴油排放，除了其具体的14点计划外，还影响了HEB等车辆的采用。2006年加州全球变暖解决方案法案由时任州长阿诺德·施瓦辛格签署，通过该州的城市地区为增加HEB的使用提供了另一个激励措施；作为该法案的一部分，ARB需要到2020年将温室气体减少25%，并且该委员会执行减排要求迫使重型传统巴士进行技术升级，例如对新旧发动机进行颗粒物过滤器改造以减少排放。此外，该法案要求增加使用低硫柴油。除了纽约市采用HEB以及洛杉矶在臭名昭著的污染城市进行试点成功后早期采用HEB外，在美国的另一次HEB技术的试点采用并没有那么美好的结果。爱荷华州锡达拉皮兹在20世纪90年代初向联邦交通管理局（FTA）提出了对运行混合动力电动动力系统和电动巴士所需的电池进行冷气候试验，并将其添加到其公共巴士车队中，并获得了超过1000万美元用于购买、运营和维护5辆HEB和4辆电动巴士。FTA资金还用于建设设施、电池充电基础设施和培训。

在进行混合动力和电动测试之前，这个拥有10万人口的中等规模城市自1987年以来一直在测试CNG、液化石油气、氢气注入、乙醇和生物柴油等替代燃料。在1995年实施了四辆电动巴士之后，三辆HEB于1997年11月投入使用，另外两辆在三年内投入使用。在最后一辆HEB加入车队（2000年）后的六年评估过程中，FTA对该项目的分析预计，该市可以克服车辆经常遇到的培训、电子和机械问题，并从巨额投资中获得回报。尽管平均燃油经济性提高了15%，并且排放得到改善，有助于锡达拉皮兹达到臭氧的NAAQS达标水平，但电池尺寸、改进电池技术的财务可行性、维护和可靠性等问题超过了收益，市政府于2008年以3万美元的价格在网上公开拍卖了这些巴士。这些闲置的车辆总共只行驶了20万英里，还有一个额外的购买要求，即中标者必须将巴士运走，这似乎暗示锡达拉皮兹迫不及待地想要摆脱这些车辆。

混合动力电动巴士的生命周期

混合动力技术的诞生

从概念上讲，用电力驱动车辆的想法已经私下测试了一个多世纪。电动汽车在19世纪后期被引入伦敦出租车市场，甚至在康涅狄格州生产，并持续发展到大约1920年。美国从1920年到1965年停止使用电动汽车，1966年国会提出了多项法案，提倡将电动汽车作为减少传统内燃机排放的污染物的方法。最终，现代混合动力的商业开发在20世纪80年代后期和90年代初期开始发展。丰田于1993年开始开发普锐斯，并在1997年发布了第一款商业上被接受的混合动力汽车。1997年也是丰田 Coaster 小型巴士的发布年份，丰田称其为第一款重型HEB，但这次发布并没有像市场上的第一款那样确立地位。其他商业开发商声称他们的发布是HEB市场上的第一款；吉利格公司于1996年发布了自己的HEB车型。

替代能源巴士的增长和饱和

尽管锡达拉皮兹对替代能源重型巴士持负面看法，但电池重量和寿命、培训和维护知识等技术的巨大进步特别促进了HEB自推出以来被采用的增加。国际私营公司努力满足对排放更低的节能车辆日益增长的需求，极大地促进了最初的技术进步，这将有助于像爱荷华州FTA试验这样的案例。锡达拉皮兹特别确定了一种比其维护的一吨电池轻得多的电池；这些电池在最大运行长度方面也有很大的改进，是由一家德国公司开发的，但由于当时存在关税，因此价格过于昂贵，交通研究委员会。

虽然公交车队管理人员继续寻找降低成本、减少排放和满足相关利益集团的方法，但2005年和2010年的《柴油排放减少法案》（DERA）可能会抑制替代能源重型巴士（包括HEB）的增长。2005年法案规定，在五年内每年提供2亿美元的国会拨款，以鼓励大幅减少柴油排放。尽管这1000万美元的拨款从未获得充分的资金，但在2009年作为一次性刺激措施增加了3亿美元的激励计划，2010年法案重新授权该法案再执行五年，这与2005年至2009年实际拨款的5亿美元相符。

当然，DERA的一个重要成果是美国柴油排放的减少，最终成为对公共卫生的重大投资；据估计，DERA计划（通常与当地和州政府在柴油排放减少方面的支出相匹配）每花费1美元，就可以为个人带来13美元到28美元的健康改善（效益），因为癌症、哮喘和其他与呼吸系统和免疫系统增强相关的健康改善减少。然而，该激励计划的实际影响将重点从减少或消除石油基燃料的使用转移开来。颗粒物过滤器已经将柴油排放降低到几乎与HEB相同的水平，并且与采用HEB等替代车辆进入车队所需的投资相比，对传统柴油巴士车队进行改造的成本要低得多。

尽管美国公共交通协会 (APTA) 发布的 2010 年初步数据表明，美国替代燃料重型公交车的市场份额有所增加，但《柴油排放降低法案》（DERA）似乎延续了传统柴油技术中存在的一些锁定问题。与基础设施、培训以及电池更换和处置相关的巨额成本（这仍然是混合动力电动公交车 (HEB) 等替代重型车辆成本结构中一个重要且未经验证的变量）实在过于庞大，以至于无法证明公交车技术的大规模转变和公共交通机构新资本投资的合理性。相反，现有柴油车辆的技术升级非常普遍，而且对于机构来说实施成本也低得多。

尽管饱和模型表明，与传统公交车相比，替代能源重型公交车的拐点年份是 2005 年，但像 HEB 这样的技术似乎比模型暗示的未来更加不确定。人们对石油开采、石油基燃料燃烧以及美国迫在眉睫的国际压力（要求美国加入欧盟和其他主要国家，大幅减少温室气体排放）的认识增强，可能会对替代重型公交车市场产生目前无法预测的影响。

推进 HEB 技术

联邦交通管理局 (FTA) 的研究，加上国际贸易协定的改进（将改善美国获取新技术和未来技术的途径），为替代能源重型公交车的发展描绘了一个充满希望的未来。2010 年 2 月，美国和德国签署了首个科技合作协议，该协议为合作提供了框架，并将使多个研究机构共同努力解决“跨领域科学问题”。此外，两国还签署了一份备忘录，启动进一步的研究合作，以解决能源、气候变化和健康等问题。多家德国公司开展了创新研究，并开发了先进的电池和公交车技术，这些技术有助于推动美国 HEB 的发展，而这项协议将促进未来更大范围的技术进步共享。

与任何其他快速发展的技术一样，混合动力电动公交车也存在其缺点。正如爱荷华州锡达拉皮兹市 FTA 试验所证明的那样，复杂的维护管理、技术培训、电池重量以及动力总成（包括电池）的技术设计，对于 HEB 的成功实施都至关重要。随着技术的不断改进（例如，电池尺寸和重量的显著减小），2010 年 FTA 对混合动力电动技术的评估同样强调了这项技术相对初期阶段固有的较高维护和培训成本。此外，电动驱动组件的复杂性可能会增加整体维护成本。但是，从长远来看，随着技术的成熟，维护成本和不熟悉的功能复杂性将自然下降，并且有可能低于传统柴油公交车相关的类似成本，因为传动系统和制动衬里的维修减少了。

混合动力电动公交车与其他替代能源公交车

当 HEB 进入市场时，压缩天然气 (CNG) 公交车是主要的替代能源公交车技术，并且在公交车车队中仍然占有一席之地；APTA 事实手册显示，截至 2004 年底，其估计占公交车总车队的 11%。关于之前对纽约市 CNG 车队的讨论，许多公共交通机构对部署 CNG 公交车持更谨慎的态度，因为与为车辆建立加油地点和安装压缩机相关的基础设施成本过高。在纽约最初投资时，CNG 是传统柴油公交车的主要商业上可行的清洁燃料替代方案。尽管 CNG 公交车的生命周期成本通常低于 HEB，但其燃油效率也低于 HEB 和传统柴油公交车。尽管当液体燃料价格上涨而天然气价格保持稳定时，它们会变得更有吸引力，但不同燃料的定价趋势通常是相互追随的。

作为 HEB 和 CNG 公交车的替代方案，电动公交车在重型公交车的替代燃料市场也占据一小部分份额，但在电池技术方面具有与 HEB 类似的缺点。尽管与 HEB 相比，它们提供了更平稳和安静的乘坐体验，这比传统柴油内燃机的噪音和振动有所改善，但纯电池公交车在储能容量和电池成本方面存在问题，这些问题阻碍了公交车成为大多数公共交通应用的可行车辆。除了这些行驶里程不足的问题之外，公共交通机构也难以将公交车停运进行充电。充其量，纯电动公交车被视为利基市场，对那些需要无排放公交车并可能受益于无噪音的人有用；公园和室内用途是当今纯电动公交车最可行的应用。

最终，燃料电池公交车被许多公共交通机构、健康倡导者和环境倡导者视为长远目标。然而，关于该技术何时才能真正实现的怀疑相当普遍。然而，HEB 被视为从传统柴油到未来技术的桥梁。尽管仍然需要解决许多问题，但它们被认为是一种“现成”的技术，并且具有许多优势。