美国混合动力汽车销售的生命周期

混合动力汽车

丰田普锐斯

混合动力汽车 (HEV) 是电动汽车和内燃机汽车的混合体。它们将电动汽车的电动机和电池与小型内燃机结合在一起。电动机从电池获取能量，电池在需要时由内燃机电池充电。 混合动力汽车与电动汽车的区别在于其更大的续航里程。与通常充电后只能行驶 130 公里的电动汽车不同，混合动力汽车可以行驶到电池和汽油耗尽为止，因此其续航里程大大增加。 电动机倾向于在较低速度下运行，而内燃机则在较高速度下运行，并在电池耗尽时为电池充电。此外，由于内燃机为电池充电，混合动力汽车无需像电动汽车那样插电。

与传统的内燃机汽车相比，混合动力汽车的主要优势是燃油效率更高。这导致排放量减少，燃油节省。特别是，混合动力汽车在城市驾驶中的燃油效率优于内燃机汽车。电动机在处理频繁的加速和减速时效率更高。部分原因是混合动力汽车能够捕获制动过程中损失的部分能量。这是通过反转发动机并为电池充电来实现的。 这导致与内燃机汽车相比的燃油节省量更大。完全停止时，混合动力汽车可以自动关闭发动机，节省能量，而内燃机汽车 (ICV) 会继续运行，除非驾驶员手动关闭发动机。

混合动力汽车和电动汽车的一个同时具有优势和安全隐患的特点是它们的安静性。在运行电动机（通常是在低速行驶时）时，混合动力汽车比其内燃机汽车对应物安静得多。更安静的车辆通常是理想的，因为它们可以减少噪音污染，这是一种昂贵的交通外部性。问题是行人已经习惯了内燃机汽车的噪音。行人依赖车辆产生的噪音来提醒他们附近有车辆。慢速行驶的混合动力汽车产生的噪音较小，这对行人安全构成威胁。美国国会颁布了《行人安全增强法案》，其中包括对机动车的最低声音要求。 制造商已经开始添加车辆噪音和警示声音以帮助保护行人。

混合动力汽车的主要市场包括具有经济和环保意识的消费者，他们希望减少排放并节省燃油，但又不想局限于电动汽车的局限性。大多数混合动力汽车都是小型车辆，因此市场围绕着愿意驾驶紧凑型汽车的驾驶员。然而，随着混合动力 SUV 的发展，这种趋势正在发生改变。由于混合动力汽车比内燃机汽车成本更高，因此市场往往包括高收入驾驶员。此外，由于混合动力汽车相对较新，因此市场上可用的二手混合动力汽车较少。这进一步限制了市场，仅面向愿意购买新车或接近新车的消费者。

混合动力汽车在市场上的成功在很大程度上取决于汽油价格和环境问题的普遍性。通过观察混合动力汽车销售历史与汽油价格的对比可以看出这一点。随着油价上涨，驾驶混合动力汽车的燃油节省量也随之增加。然而，正如 1970 年代所见，混合动力汽车要想获得足够的市场份额，需要一段持续的高油价时期。在《能源百科全书》中，German 讨论了新车购买者对燃油成本的漠不关心。 通常，内燃机汽车的短期节省胜过混合动力汽车的潜在长期燃油节省。

混合动力汽车在努力确立其市场份额方面遇到的一个问题是，制造商继续对内燃机汽车进行足够的改进。这些改进限制了混合动力汽车的优势。随着对燃油效率的担忧日益增加，制造商生产出更节能的内燃机汽车。如果燃油价格下降，制造商无需采取任何措施，因为消费者将继续购买内燃机汽车。内燃机继续胜出，因为“混合动力汽车的增量优势[低于切换基础设施的成本]”。

历史

混合动力汽车在 1999 年对美国来说并不新鲜，正如销售数据所表明的那样。事实上，它们的起源可以追溯到 1905 年。当时，美国工程师 H. Piper 提出了混合动力汽车的概念。他的动机是提高性能。他的混合动力汽车能在 10 秒内加速到 40 公里/小时，而当时的内燃机汽车则需要 30 秒。 虽然这是一个巨大的进步，但在 Piper 获得专利时，内燃机已经赶上来了。汽油发动机的主要缺点是需要用曲柄启动。Piper 获得专利后，这一障碍已被克服，内燃机汽车开始主导市场。

与 Piper 同时期，一些电动汽车在爱迪生和特斯拉等电力先驱的帮助下得到了发展。 与如今的电动汽车一样，主要缺点是电池技术，它极大地限制了车辆的续航里程。然而，由于城市之间道路基础设施有限，这最初并不是什么大问题。续航里程足以满足城市驾驶。 然而，随着道路开始扩展，内燃机汽车开始占据主导地位。电动汽车所需的重型电池会减缓车辆速度。增加额外的电池会因额外重量而导致收益递减。混合动力汽车必须依靠机械手段在电动机和汽油发动机之间切换。这很复杂，效率不如如今的混合动力汽车，后者拥有计算机来优化和控制其运行。

直到 1970 年代中期石油危机爆发，汽油汽车几乎没有受到电动汽车的挑战。 由于汽油价格相对较低，石油供应充足，并且已经占据了市场主导地位，因此汽油汽车没有受到威胁。动力和效率的提高进一步阻止了任何潜在竞争对手进入市场。

在 1970 年代，由于石油危机导致汽油价格上涨，为替代车辆出现了一个短暂的机会。Wouk 讨论了他自己在这段时间里尝试推出混合动力汽车的经历。他的车型能够实现更高的燃油效率，并且似乎即将投入生产。然而，这场危机持续时间太短，一旦石油再次供应充足，对他的混合动力汽车等替代车辆的资金就减少了。 石油危机确实促成了《能源政策与节约法案》（EPCA）的颁布，该法案要求新的燃油效率标准。Wouk 这样的混合动力汽车立即满足了这些标准，但汽车制造商直到 1985 年才需要对其内燃机汽车进行调整。这给了他们足够的时间来改进内燃机汽车，并让替代车辆几乎没有机会进入市场。

近 20 年后，克林顿总统与美国主要汽车制造商达成协议。该协议并未提高 CAFE（企业平均燃油经济性）标准，而是要求通用、福特和克莱斯勒建立“超级汽车”计划。该计划将结合政府和企业资金，共同开发一款百公里油耗为 4.6 升的汽车。^[2] 该协议最大的问题在于 80 英里/加仑这一有些武断的里程碑目标。这一目标是可以实现的，但要求汽车制造商使用非常轻便、因此成本很高的材料。^[2] 汽车制造商成功地开发了一款百公里油耗为 4.6 升的汽车，但由于其成本过高，无法面向公众销售。也许设定一个更为适中的目标，就能生产出一款既能面向市场销售、又比当时内燃机汽车节能得多的汽车。尽管如此，超级汽车计划确实推动了替代车辆行业的发展。几年后，丰田和本田在日本推出了混合动力汽车。他们的汽车虽然没有超级汽车那么省油，但仍然是内燃机汽车平均油耗的两倍。^[2] 日本市场也更适合混合动力汽车。由于汽油价格较高、驾驶密度较高以及文化更习惯于小型汽车，丰田和本田在国内市场取得了成功。与美国市场相比，日本消费者对汽车性能的需求也较低。两家公司都努力调整其混合动力技术，以适应美国市场。从 1999 年开始，主要是在 2000 年，美国人开始购买混合动力汽车。^[4]

混合动力汽车技术的创新

在过去 100 年中，科技的进步使各种类型的汽车变得更安全、更快、更高效且更便宜。混合动力汽车也不例外。从 1905 年的 Piper 混合动力汽车到 1990 年代的丰田普锐斯，混合动力汽车从技术突破中获益良多。20 世纪早期混合动力汽车的一个难题是，在电力和内燃动力之间切换的方式是机械的。这种切换方式必须通过机械控制，而如今的混合动力汽车则是由微型计算机控制的。事实上，即使是内燃机汽车的系统也是由计算机控制的。将计算机应用于混合动力汽车，可以实现两种动力来源之间的最佳控制。

电池技术是一个发展较慢的领域，并且仍然是混合动力汽车的限制因素。尽管如今混合动力汽车中的电池比以往的型号有了很大的改进，但它们的改进速度远远低于其他汽车技术。电池仍然给汽车增加了相当大的重量，并且其容量受到很大限制。如前所述，电池的重量很大，这意味着必须从电池中消耗大量的能量才能运输额外的电池重量。

混合动力汽车诞生的政策和市场

最初，混合动力汽车服务于利基市场，吸引了那些具有经济和环保意识的社区。随着技术的改进和混合动力汽车的普及，市场不断扩大。最初，混合动力汽车都是小型汽车，以尽可能地提高燃油经济性。然而，随着混合动力汽车希望扩大市场份额，并从内燃机汽车中分得一杯羹，制造商开始开发更大尺寸的混合动力汽车。现在，人们可以购买 SUV 混合动力汽车，证明混合动力汽车不再局限于其最初的利基市场。另一方面，电动汽车的行驶里程有限，需要充电站。尽管它们在某些方面比混合动力汽车更具优势，但它们的局限性导致它们主要服务于那些电力便宜、易于获取且距离较短的利基市场。^[5] 这个市场的驾驶员必须高度重视减少排放，并且对长途驾驶的需求较低。此外，电动汽车还需要额外的基础设施，例如充电站，才能方便使用。相比之下，混合动力汽车能够抢占部分内燃机汽车市场，因为它们不需要额外的基础设施，而且限制条件更少。

1975 年的《能源政策与节约法》是在 1970 年代石油危机期间出台的立法，其中包含了旨在提高燃油经济性的新要求。该法案对汽车制造商施加了新的燃油效率标准，但允许制造商有 10 年的时间来遵守。类似的政策，例如企业平均燃油经济性标准，似乎有助于鼓励使用替代车辆。通过制定更严格的燃油效率标准，如果汽油车跟不上步伐，新车类型就可以占领一部分市场。汽车制造商可能会决定在替代车辆上投资更多资本。另一方面，这些政策要求汽车制造商提高其内燃机汽车的燃油经济性，或者停止生产它们。对内燃机汽车的需求不受这些政策的影响，因此，制造商会继续改进燃油经济性。这将降低混合动力汽车相对于内燃机汽车的净效益。随着市场上出现更高效的内燃机汽车，混合动力汽车提供的燃油节省会减少。内燃机汽车的成本也可能上升，因为制造商会将这部分额外成本转嫁给消费者。然而，像 CAFE 这样的政策会导致高效率汽车价格下降，因为制造商会鼓励销售高效率汽车，以抵消低效率汽车。这对混合动力汽车的市场造成了进一步的损害。

克林顿总统采取了另一种方法来提高燃油经济性标准，即同意与美国主要汽车制造商达成协议，共同开发一款百公里油耗为 4.6 升的超级汽车。该计划有一些好处，但最终并未直接导致国内混合动力汽车的开发，因为超级汽车材料成本过高。^[2]

混合动力汽车的发展和成熟

从下面的定量分析可以看出，美国混合动力汽车的销量经历了非常快速的生命周期。^[6] 如果我们把 1999 年作为美国混合动力汽车销量诞生的年份，那么成熟期出现在 8 年后。诞生期大约涵盖了前 4 年。

大多数政府税收优惠措施是在 2004 年至 2007 年的快速增长期间实施的。在此期间，国家和州一级都提供各种税收抵免措施。然而，货币激励措施似乎在混合动力汽车的增长中发挥了很小的作用。一个可能的解释是，经销商可能已将这些激励措施计入价格，导致消费者没有或几乎没有净收益。^[6] 更可能的是经济的影响，尤其是燃料价格。2004 年至 2008 年期间，美国全国燃料价格上涨，这可能在混合动力汽车的增长中发挥了重要作用。^[6] 2008 年至 2009 年期间燃料价格下降，经济衰退导致混合动力汽车销量下降。然而，即使 2010 年至 2012 年期间燃料价格稳步上涨，混合动力汽车销量仍持续下降。也许这表明混合动力汽车在 2007 年就已成熟？虽然 2009 年至 2012 年期间燃料价格上涨，但美国经济仍在衰退，影响了所有车辆的销量。绝对需要汽车的消费者会继续购买，但他们不太可能支付购买混合动力汽车所需的额外前期成本。

混合动力汽车的基础设施肯定不会消失。与过去那些在成熟后迅速衰落的交通方式不同，混合动力汽车在成熟后可能会经历更缓慢的衰落。从 2007 年以来的数据可以看出这一点。像铁路这样的交通方式，其轨道被拆除，取而代之的是高速公路，因此经历了快速衰落。只要高速公路继续使用，能源问题依然存在，混合动力汽车就可能仍然是内燃机汽车的替代品。最有可能导致混合动力汽车更快衰落的情况是，电动汽车的改进或发现新的能源。电池技术在 100 年来几乎没有改进。如果这种状况发生改变，电动汽车可能会经历增长，导致混合动力汽车进一步衰落。无论如何，过去 100 年的历史清楚地表明，内燃机汽车不会在短时间内消失。

数据和分析

美国混合动力汽车销量

数据来源：国家交通统计^[4]

数据来源：国家交通统计^[4]

年份	混合动力汽车销量	预测销量
1999	17	51
2000	9350	254
2001	20282	1254
2002	22335	6124
2003	47566	28386
2004	84199	106674
2005	205828	240706
2006	253518	322522
2007	352862	346286
2008	315688	351515
2009	290740	352590
2010	274421	352808
2011	269178	352852

回归结果

变量	值
K	352863
b	1.6
t0	2004.5227

回归统计
多重R	0.98529429
R平方	0.970804838
调整后的R平方	0.968150733
标准误差	29355.56109
观测值	13

	系数	标准误差	t统计量	P值	95%下限	95%上限	95.0%下限	95.0%上限
截距	-8565.603014	13168.79222	-0.650447123	0.528754947	-37549.91924	20418.71321	-37549.91924	20418.71321
X变量1	1.199158717	0.062700327	19.12523876	8.6304E-10	1.061156228	1.337161205	1.061156228	1.337161205

分析

以下模型用于预测HEV销量

S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)]

其中

S(t) 是状态度量，(HEV销量)

t 是时间 (年)，

t0 是拐点时间 (达到 1/2 K 的年份)，

K 是饱和状态水平，b 是系数。K 和 b 需要估计

推导出的回归方程是

Y=LN(Sales/(K-Sales))

在完成回归时，使用了 352863 的 K 值。这个值代表了 HEV 市场在 2007 年成熟。是否如此很难确定。自 2007 年以来，美国 HEV 销量一直在下降。经济衰退无疑是其中的一个因素。现在的问题是 HEV 是否会再次开始攀升并达到更高的峰值，或者 2007 年是否会保持峰值。经济和油价等因素肯定会对此产生影响。由于没有人能确定未来的油价会如何，因此很难断言 HEV 市场已经达到顶峰。如果油价飞涨，HEV 销量肯定会增加，但它们的下降也可能会因油价下降而加速。目前的趋势表明 HEV 销量正在缓慢但稳定地下降。这个回归模型假设 2007 年是美国 HEV 销量的峰值。整体而言，替代性汽车仍然处于萌芽阶段。如果 HEV 继续下降，其他替代性汽车可能会崛起并经历增长。然而，由于 2007 年以来下降速度相对缓慢，HEV 可能卷土重来。只有时间能证明一切。

回归结果表明 R 平方值为 0.9708，t 统计量为 19.125。接近 1.0 的 R 平方值和尽可能高的 t 统计量是理想的。为了获得最理想的拟合，估算了 b 值，因此获得了最佳的 R 平方值和 t 统计量值。曲线分析表明，该模型最初低估了销量，然后在增长期间高估了销量，然后在 2007 年成熟阶段开始下降。与实际数据不同，该模型并未预测 2007 年峰值后的下降。此外，t0 值是根据 2007 年的峰值以及 2004 年和 2005 年之间的斜率选择的。t0 代表峰值的一半，发生在 04 年和 05 年之间。

尽管 HEV 销量可能会因燃料价格、税收抵免、法规和经济等各种影响因素的变化而波动，但从 1999 年诞生到 2007 年成熟的数据代表了一种相当一致的交通模式的 S 型曲线。2007 年以来，下降趋势有所不同，HEV 可能在未来几年达到更高的峰值，这将极大地影响模型。然而，由于 1999 年至 2007 年之间增长的性质，该模型能够生成一个相当好的拟合。随着未来几年数据的公布，该模型将继续修改。