運輸部署案例手冊/2018/混合動力汽車 (美國)

定性分析

背景

混合動力汽車利用了傳統內燃機推進系統（見於標準汽車）與電動推進系統的組合。電動推進系統在較低速度下為車輛提供動力，而內燃機在較高速度下為車輛提供動力。因此，混合動力汽車不僅節省燃料，而且產生的二氧化碳排放量更少。在混合動力汽車類別中，還存在插電式混合動力汽車，它涉及使用外部電網連線為車輛電池充電。內燃機提供更長的行駛里程，而電動推進系統透過在制動時再生能量以及在滑行時從內燃機中儲存能量來提高車輛的燃油效率。

混合動力汽車的組成部分

混合動力汽車的能源系統包括電池、超級電容和內燃機單元。為混合動力汽車提供動力的能源來源和基礎設施包括加油站和為插電式混合動力汽車提供電網充電設施。混合動力汽車的關鍵特徵包括與標準汽油動力汽車相比，排放量非常低。此外，混合動力汽車通常具有更高的燃油經濟性和更長的行駛里程，具體取決於電機和電池的功率水平以及行駛迴圈。與混合動力汽車相關的一些關鍵問題源於電池和電池管理以及高效能推進系統。

電動推進電機

電動推進電機是混合動力汽車的關鍵組成部分之一，在混合動力汽車中發揮著至關重要的作用。有三種類型的電動機適合用於汽車。這些是推進電機無刷電機、感應電機和開關磁阻電機。電機和驅動技術的標準要求包括具有高扭矩密度和高功率密度，具有寬速度範圍並在該速度範圍內具有高效率。此外，電動推進電機應非常可靠，並且以合理的價格提供，以吸引客戶。

動力轉換器

動力轉換器包括混合動力汽車中使用的所有典型電力電子電路。這些包括整流器、逆變器和直流轉換器。混合動力汽車中電力電子電路的設計可以細分為以下類別

電氣設計：電氣設計包括主開關電路設計、控制器電路設計、開關器件選擇和開關頻率最佳化。
控制演算法設計：控制演算法設計包括用於在輸出端實現所需電壓、電流和頻率的設計。此外，該演算法設計用於實現雙向功率流。
磁性設計：磁性設計包括電感器、電容器和其他用於過濾和開關等功能的磁性元件的設計。
機械和熱設計：機械和熱設計包括系統中功率器件和磁性元件的功率損耗模型。它還包括冷卻系統、散熱器以及電力電子單元整合的設計。

混合動力控制技術

混合動力控制技術主要透過進行的模擬和以往的經驗來理解。混合動力控制技術分為兩類。第一個是能量管理控制，第二個是駕駛效能控制。能量管理控制基本上是最佳化能量效率和減少排放的目標。駕駛效能控制旨在最佳化駕駛效能、舒適性和安全效能。因此，控制是混合動力汽車技術中最重要的組成部分之一。

電池和超級電容

電池和超級電容是混合動力汽車的另一個重要組成部分。電池和超級電容儲存來自剎車時的動能或巡航時的發動機能量。電池使用電化學原理儲存能量，而超級電容使用靜電原理儲存電能。這些元件還為推進系統提供動力，特別是在車輛突然需要大量電力的時候。由於電池或超級電容的比功率與汽油相比非常低，因此通常與燃料電池一起使用，以提高車輛的啟動效能。

混合動力汽車銷量增長的原因

混合動力汽車的優勢

環保：混合動力汽車在低速行駛時切換到電力推進系統，因此更清潔。這也導致了更好的燃油經濟性，使混合動力汽車環保。
經濟效益：世界各地的許多政府都為混合動力汽車製造商提供激勵措施，讓他們在研發方面投入資金，以降低車輛成本，從而使消費者更容易負擔。此外，一些政府降低了混合動力汽車的年度稅費，並免除了擁堵費，這些措施都轉化為更低的燃油支出，從而為混合動力汽車使用者帶來了額外的經濟效益。
減少對化石燃料的依賴：混合動力汽車行駛時所需的燃油更少，因為動力系統可以在電力推進系統和內燃機之間來回切換。這種對化石燃料的依賴減少也可能意味著對燃油的需求減少，而由此產生的第三產業益處是燃油成本也降低了。
再生制動系統：每次踩剎車時，以及在巡航時，電池都會從內燃機充電。制動時電池會充電，因此無需定期停下來給電池充電。
採用輕質材料製造：與市場上的傳統汽車相比，混合動力汽車採用更輕的材料製造。這意味著為汽車供電所需的能量更少，從而節省了燃料成本。
更高的轉售價值：由於全球汽油價格不斷上漲，越來越多的消費者更願意購買混合動力汽車。這種對混合動力汽車不斷增長的需求導致了這些車輛的轉售價值更高。

混合動力汽車銷量最初增長緩慢的原因

混合動力汽車的缺點

動力不足：混合動力汽車配備雙動力發動機，即內燃機和電力推進系統。因此，混合動力汽車的汽油發動機比傳統汽油動力汽車的小得多。此外，混合動力汽車中的電動機產生的功率較低。因此，內燃機和電力推進系統的總功率通常低於僅汽油動力發動機的汽車。因此，混合動力汽車更適合城市限速行駛，而不是追求速度和加速。
可能很貴：混合動力汽車通常比普通汽油車貴得多，除非政府補貼汽車製造商，這會導致消費者價格降低。但是，初始的重大成本是一次性成本，可以透過降低燃料消耗和免稅在長期內收回。
操控性較差：混合動力汽車配備內燃機、更輕的電動機和一組大型、功能強大的電池。這增加了汽車的重量，並佔用汽車的大部分儲存空間。這種額外的重量會導致燃油效率低下。因此，製造商不得不縮減電機和電池的尺寸以減輕重量。這反過來又減少了懸架和車身支撐，導致車輛操控性較差。
更高的維修成本：雙發動機的存在以及透過研發不斷改進發動機，使得機械師更難修理汽車。此外，也更難找到具有這種專業技能的機械師。
電池中存在高壓：如果發生事故，電池中存在的高壓可能對車內的乘客構成致命威脅。乘客有很高的被電擊的可能性，而且在發生事故的情況下，救援人員也更難將乘客從車中救出。

為什麼政府支援混合動力汽車？/混合動力汽車的第三產業效益

美國政府一直在以聯邦所得稅抵免的方式支援混合動力汽車的購買，2006 年以前是聯邦所得稅抵扣，2006 年以後是聯邦所得稅抵免。政府出於多種原因和效益，對推廣混合動力汽車感興趣。

環境效益：政府在支援混合動力汽車時考慮的關鍵因素之一是減少機動汽油消耗的環境外部性以及國家能源利益。汽車排放會向大氣中排放大量的二氧化碳，造成氣候變化的負面影響。混合動力汽車被認為是減少二氧化碳排放、汙染和實現能源安全的重要方法。混合動力汽車的另一個好處是使用鎳氫電池，這比傳統汽油車使用的鉛酸電池更環保。
經濟效益：此外，政府支援混合動力汽車而不是傳統的汽油動力汽車，原因是燃油價格不斷上漲。燃油價格大幅上漲導致家庭可支配收入減少，導致個人在商品和服務上的支出減少。這對國家國內生產總值產生負面影響。混合動力汽車的燃油效率更高，導致消費者對燃油的依賴程度降低，從而受到燃油價格波動影響較小。這意味著人們手中有更多的錢可以流通到經濟中。
減少貿易逆差：政府還將推廣混合動力汽車的銷售，原因是油價造成的貿易逆差。2008 年油價上漲導致美國出現了 75% 的貿易逆差。因此，任何減少石油進口的措施都將對貿易失衡產生積極的淨效應。混合動力汽車的市場滲透率將導致石油進口逐漸減少。

案例研究 - 豐田普銳斯

豐田普銳斯是全球首款量產的混合動力汽車。它於 1997 年在日本上市，2000 年在美國上市。2005 年，僅在美國就售出了 10 萬輛，這反映了混合動力汽車的快速增長。普銳斯經歷了多次改進和升級。例如，消費者在 2004 年看到了普銳斯被重新設計為一款中型掀背車。在隨後的版本中，豐田普銳斯的電動推進電池元件和內燃機都進行了多項改進。目前，普銳斯已經發展到第四代車型。此外，市場上出現了其他豐田車型，例如凱美瑞和卡羅拉的混合動力版本，這表明混合動力汽車在消費者中獲得了成功。

機動車旅行和政策時間軸

1880 年：電力被應用於交通工具中的有軌電車。早在 1880 年代，費城等地就開始測試蓄電池有軌電車。
1888 年：卡米爾·法奧爾（Camille Faure）後來希望將這種知識應用於電動發電機，並隨後為一輛蓄電池動力汽車申請了專利。專利申請於 1888 年獲批。人們意識到，每增加一塊電池都會降低所有其他電池的效力。這是因為儲存的能量被用來移動其他電池，而不是汽車及其乘客。因此，出現了邊際收益遞減的現象。當時，人們想象著每天行駛 100 英里。這是電動汽車無法做到的。導致電動汽車不成功的原因還有其他一些問題，例如缺乏充電站和電網不發達。直到 1901 年才研發出連線汽車電池到牆壁的插頭。在此發明之前，汽車電池必須整體拆下，充電後才能重新安裝。更糟糕的是，電動汽車的續航里程大約只有四個小時，因此需要頻繁充電。
1901-1905 年：1901 年，費迪南德·保時捷（Ferdinand Porsche）製造了一輛混合動力汽車。當時研發的混合動力汽車能夠在使用電力或汽油動力之間切換。這輛特定的汽車使用內燃機驅動發電機，發電機為位於輪轂的電動機供電。令人驚訝的是，這輛汽車僅靠電池提供的電力就能行駛 40 英里。在費迪南德·保時捷之後，1905 年，費舍爾汽車公司（Fischer Motor Vehicle Company）研發出了一種早期的汽油-電力混合動力汽車，它使用電動啟動器。每當汽油發動機超負荷時，都會利用電池的電力。美國人還申請了汽油-電力混合動力汽車的專利。
1904 年：1904 年，亨利·福特（Henry Ford）克服了汽油動力汽車的阻礙。他解決了汽車噪音、氣味和顏色等問題，並開始流水線生產輕便、廉價的汽油動力汽車。
1913 年：由於汽油動力汽車配備了自動啟動器，消費者現在更喜歡汽油汽車，因為它更容易啟動，因此對電動汽車的需求急劇下降。電動汽車銷量降至 6000 輛，而福特 Model T 售出了 182,809 輛。
1966 年：美國國會頒佈了第一部鼓勵使用電動汽車的法案，以減少空氣汙染和保護環境。
1970 年代：1973 年的阿拉伯石油禁運導致燃料價格急劇上漲。這引起了人們對電動汽車的興趣。
1975 年：美國能源與研究開發管理局（U.S. Energy and Research Development Administration）啟動了一項政府專案，旨在改進電動和混合動力技術。
1976 年：美國國會頒佈了《電動和混合動力汽車研究、開發和示範法案》。該法的目的是與工業界合作改進電池、電機和其他混合動力元件。
1977-1979 年：通用汽車公司（General Motors）在電動汽車研究和開發方面投入了超過 2000 萬美元。
1997-2000 年：豐田普銳斯於 1997 年在日本上市，2000 年在美國上市，緊隨本田 Insight 於 1999 年上市。

誕生階段

混合動力汽車的發明時間和發明者都不明確。相反，是從電池到電動機的一系列創新和知識轉移，才產生了世界上第一輛電動汽車，然後是第一輛混合動力汽車。在美國，威廉·莫里森（William Morrison）在 1890 年左右推出了第一輛電動汽車。他的乘用車最高時速可以達到 14 英里/小時，這比第一輛電動汽車略快，但它為第一輛電動汽車提供了靈感。

在接下來的幾年裡，許多不同的汽車製造商推出了多款電動汽車。到 1900 年，第一波電動汽車達到了頂峰，佔到當時路上車輛的三分之一。這種成功在接下來的十年中持續表現出來，銷量強勁。

早期市場發展

儘管電動汽車在 1900 年代已經問世，但馬匹仍然是主要的交通工具。然而，隨著美國人變得越來越富有，經濟也得到改善，人們開始使用新發明的機動車，這些機動車配備了蒸汽、汽油和電動發動機。

蒸汽技術在火車等交通工具中的成功證明了其可靠性。然而，直到 1870 年代，蒸汽技術才被應用於汽車。這是因為蒸汽不適合私人車輛，因為它需要很長的啟動時間，並且需要頻繁地加水，這限制了它們的續航里程。

汽油動力汽車伴隨著電動汽車的進入市場。這是由於 1800 年代內燃機技術的改進。最初，消費者更喜歡電動汽車，而不是汽油汽車，原因有很多。汽油汽車存在一些缺陷，例如在換擋時需要大量人工操作。此外，汽油汽車噪音很大，排氣也不愉快。另一方面，電動汽車安靜、易於駕駛，並且不像競爭對手那樣排放令人不快的汙染物。隨著 1910 年代越來越多的人開始使用電力，電動汽車的充電變得更加容易。這使得電動汽車在消費者中變得更加流行。

費迪南德·保時捷等許多創新者致力於改進電動汽車。他在 1898 年成功研發出了一輛電動汽車，並在大約同一時間創造了世界上第一輛混合動力汽車。亨利·福特和托馬斯·愛迪生等其他創新者合作於 1914 年開發了低成本電動汽車。

正是亨利·福特的大規模生產的 Model T 影響了電動汽車的銷量。Model T 於 1908 年推出，透過使用流水線低成本生產汽車，使汽油動力汽車以低廉的價格廣泛普及。當時，Model T 的售價不到電動汽車的一半。

交通道路網路的發展以及人們希望行駛更遠距離的需求，再加上易於獲得的廉價汽油，對電動汽車的銷量產生了負面影響。

增長階段

由於汽油動力汽車的巨大成功，電動汽車的發展停滯不前，銷量很低。汽油動力汽車的成功源於內燃機的改進以及廉價且易於獲得的汽油。

然而，隨著時間的推移，汽油價格急劇上漲。1970 年代初期的石油價格飛漲和汽油短缺導致美國有動力減少對外國石油的依賴，並尋找國內燃料來源。鑑於此，國會通過了 1976 年的《電動和混合動力汽車研究、開發和示範法案》。該法案的透過旨在確保能源部對電動和混合動力汽車的研究和開發表示興趣和支援。

儘管汽車製造商擁有研發設施和資源，但他們無法生產出能夠與汽油動力汽車競爭的足夠多的電動或混合動力汽車。生產的電動汽車最高時速為 45 英里/小時，並且車輛的續航里程僅為 40 英里，之後就需要再次充電。

環境問題引發了對電動和混合動力汽車的需求

從 1990 年代開始，人們對環境保護和維護的關注度不斷提高。因此，這段時間人們對電動和混合動力汽車的興趣開始復甦。政府通過了 1990 年的《清潔空氣法修正案》和 1992 年的《能源政策法案》，以幫助啟動對電動和混合動力汽車的重新興趣。因此，汽車製造商開始將其熱門車型升級為混合動力車型。這使得混合動力汽車現在能夠達到與汽油動力汽車非常接近的速度，並且僅靠電池的續航里程也提高到了 60 英里。

不幸的是，儘管政府對汽油動力汽車排放的有害氣體對環境造成的損害表示擔憂，但經濟似乎正在蓬勃發展。因此，更多人擁有更多錢，對汽車的需求開始上升。由於經濟繁榮，個人並不擔心燃油效率高的汽車，因此也不購買燃油效率高的汽車。

電動汽車的新開端

混合動力汽車的真正復興出現在21世紀。其中一個重要的里程碑是豐田普銳斯（Prius）的推出。它於1997年在日本釋出，2000年在美國發布。它是世界上第一款量產的混合動力汽車。豐田透過提高人們對碳汙染的認識，成功地獲得了混合動力汽車的重要市場份額。不斷上漲的全球汽油價格也促使人們轉向燃油效率高的混合動力汽車。

另一個突顯電動汽車存在感的重大事件是2006年特斯拉汽車（Tesla Motors）的宣佈。當時，特斯拉汽車聲稱將開始生產一款豪華電動跑車，只需一次充電即可行駛超過200英里。這一公告加上隨後的成功，激勵了其他大型汽車製造商加快混合動力汽車的研發工作。2010年，雪佛蘭沃藍達（Volt）和日產聆風（Leaf）在美國市場釋出。雪佛蘭沃藍達是第一款插電式混合動力汽車，它完全依靠電池供電，直到電池耗盡，然後會切換到汽油發動機，以增加續航里程。

在接下來的幾年裡，大多數主要的汽車製造商都開始在美國市場推出混合動力汽車。然而，消費者面臨著一個問題，即他們將在哪裡為他們的插電式混合動力汽車充電。為了解決這個問題，能源部推出了復甦法案，投資了1.15億美元，幫助建立全國充電基礎設施。該專案在全國範圍內安裝了超過18000個公共充電器。汽車製造商還在美國各地的重要地點安裝了他們自己的充電器，這使得充電點的總數增加到了20000個。

在能源部技術辦公室的幫助下，電池技術得到了發展。電池效能的提升使製造商能夠以更低的成本生產電池，從而降低了汽車的價格，使其對消費者更具吸引力。

如今，消費者在市場上可以選擇的混合動力汽車種類繁多。有23款插電式混合動力車型和36款混合動力車型。這些車型從豐田普銳斯和本田思域（Insight）到寶馬（BMW）i8等豪華車型。

混合動力汽車的預測

如果對混合動力汽車的需求保持不變，混合動力汽車的不斷發展將保證可持續的未來。根據分析的資料，對混合動力汽車的需求有所下降。由於目前的全球油價正在上漲，消費者很可能不會轉向汽油動力汽車。

定量分析

S型曲線

S型曲線識別了混合動力汽車銷售的誕生階段、增長階段和成熟階段。圖1說明了生命週期中誕生、增長和成熟階段多年來的車輛銷量。由於混合動力汽車的實際銷量如曲線圖1所示，呈現出較為嘈雜的觀察結果，因此我們擬合了預測混合動力汽車銷量的更平滑曲線，以更深入地瞭解資料和結果。

資料來自美國運輸部運輸統計局。因此，資料完整性沒有丟失，獲得的資料可靠性非常高。

分析

資料用於估計三引數邏輯函式

S (t)=K/[1+exp (-b (t-t₀))]

其中

S (t)是狀態度量（混合動力汽車銷量）
t是時間（年）
t₀是拐點時間
K是飽和狀態水平
b是係數

資料

年份	車輛銷量	預測車輛銷量
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

變數	值
K	502268.228
b	0.532749435
tnought	2008.414706
R平方	0.702055575

準確性和可靠性

根據收集的資料，K估計為502268.228。K值為502268.228表示混合動力汽車市場在2008年達到成熟，車輛銷量為312386。從2008年開始，混合動力汽車的銷量仍然在不斷增加，但增速在下降。混合動力汽車銷量在2013年達到峰值，之後從那時開始下降，這一事實表明，市場可能由於燃料價格波動而面臨困難。但是，對上述觀點還有另一種解釋。由於插電式混合動力汽車車型的推出，混合動力汽車的銷量可能略有下降。混合動力汽車的需求增長和下降主要受燃料價格和經濟狀況的影響。如果經濟繁榮，更多人將有可支配收入，這意味著他們將有更多錢花在混合動力汽車上，反之亦然。此外，燃料價格上漲會鼓勵消費者轉向更節能的替代品，從而增加混合動力汽車的銷量，反之亦然。此外，由於2013年至2015年間混合動力汽車銷量的下降幅度很小，因此結果無法提供足夠的資訊來判斷市場是否正在成熟。相反，它可能僅僅意味著一些外部因素的改變正在暫時影響需求。

迴歸分析

迴歸分析得出的R平方值為0.70206。接近1的R平方值是可取的。觀察到的資料得出的估計b值為0.53275。一般來說，透過圖1中“預測HEV銷量”曲線所展示的結果，市場的誕生階段出現在1999年至2004年，因為圖形呈水平形狀。在2004年至2012年間，“預測HEV銷量”曲線顯示了混合動力汽車銷量市場的增長階段。這是透過曲線斜率不斷增大的初始銷量增長和曲線沿y軸上升，斜率不斷下降的車輛銷量緩慢增長來觀察的。根據曲線，“HEV銷量”，市場在2013年達到峰值，據認為已進入成熟階段。與實際觀察到的資料顯示市場在2013年達到峰值，因此市場成熟不同，預測模型假設混合動力汽車的銷量在2013年之後會繼續上升。

對曲線的分析表明，該模型低估了1999年至2009年的混合動力汽車銷量。然後，它在2009年至2012年間高估了銷量，隨後在2013年再次低估，而實際市場在這一年達到了峰值。

參考文獻