運輸部署案例集/2018/美國混合動力汽車
混合動力汽車 (HEV) 是由電動機/發電機和傳統內燃機 (ICE) 共同驅動的汽車。儘管仍然由液體燃料驅動，所有能量都由 ICE 提供，但這些車輛的混合功能意味著電動機，即驅動力的電力元件，能夠提高發動機執行效率，而發動機本身也透過再生制動產生電力。其他類似技術，例如電動汽車，在近幾十年裡出現/重新出現，它們與上面定義的混合動力汽車不同[1]。插電式混合動力汽車是混合動力汽車的一個子集，它用車載電池取代電動機/發電機。這些車比其他 HEV 更晚推向市場，並且由於技術上的巨大差異（例如對額外基礎設施的需求），因此未計入銷量資料。HEV 技術在最近的市場引入之前就開始被追求，儘管當時它純粹是電動的。由於技術限制和充電站缺乏，這在當時沒有成功[2]，但現代 HEV 由於人們越來越意識到傳統燃料汽車對環境的影響，因此在市場上很受歡迎。[3]
為了詳細說明上面提到的 HEV 定義，ICE 和電動機可以以多種方式配置，最常見和最簡單的配置是串聯或並聯。這些之間的區別與電動電路設計中這些術語的區別相同，即它們是由元件的配置定義的。串聯 HEV 的配置方式使大部分能量來自 ICE，然後電動發電機利用這種能量產生電力，以便在稍後產生能量。透過此過程產生的電力可以用來在需要時旋轉驅動軸。在並聯 HEV 中，無需額外的發電步驟，能量可以來自電動機或 ICE，無論是單獨還是一起旋轉驅動軸。在並聯配置中沒有發電機的情況下，電動機可以充當發電機，以便實現再生制動。根據配置型別和任何特定時間的操作要求，兩種推進方式可以使用各種模式來最有效地匹配條件。[4]
HEV 比傳統 ICE 驅動的汽車有許多優勢。這些優勢包括
- 提高燃油效率 - 正如已經討論的那樣，電動機和 ICE 的共同作用提高了效率，因為電動機能夠在合適的條件下提供旋轉驅動軸所需的能量。這意味著燃燒的燃料更少，從而產生能量，並且由於 ICE 能夠產生電力，這種效率進一步提高。[5]
- 減少排放 - 燃油效率的提高也導致車輛在執行過程中產生的排放減少。這也導致對環境的負面影響減少，這實際上是它們被髮明的原因。[5]
- 降低運營成本 - 由於燃油效率提高，消耗的燃料更少，這意味著需要購買的燃料更少。由於需要購買的燃料更少，這導致執行成本降低。[6]
- 政府補貼支援 - 在美國，已經實施了各種政府激勵措施，以克服消費者購買價格高的障礙。這些激勵措施採取了稅收抵免和稅收抵免的形式，在一些州，HEV 免除 HOV 車道規則，從而減少了 HEV 司機的出行時間。[7]
- 減少對化石燃料的依賴 - 正如已經說過的那樣，HEV 需要更少的燃料。隨著 HEV 的廣泛採用，由於對燃料有限儲量的壓力越來越小，導致燃料價格越來越低。這反過來導致運營價格進一步下降。[5]
雖然這些優勢中的一些在將 HEV 與純電動汽車進行比較時並不適用，但 HEV 確實比這些汽車有一些優勢，即
- 更長的續航里程 - EV 需要大型車載電池來儲存旋轉驅動軸所需的能量。額外的重量和有限的容量意味著 HEV 能夠在耗盡能量之前行駛更遠的距離。[8]
- 無需額外的基礎設施 - 由於 EV 需要充電，因此需要充電站，它們用於私人用途的便利性高度依賴於充電站的可用性。這在過去一直是該技術進入市場的障礙，並且仍然是一個問題。HEV 避免了這個問題。
在將 HEV 與 ICE 驅動的汽車進行比較時，有一些觀察到的缺點
- 更高的前期成本 - 消費者進入市場的一個障礙是這些車輛的相對較高成本，這是由於它們的生產成本較高。然而，這被政府實施的激勵措施所緩解。[7]
- 功率較小的發動機 - HEV 中使用的 ICE，作為主要動力來源，要小得多，以適應電動機。這意味著車輛無法達到傳統車輛的速度或加速度。這限制了它們的市場。[8]
- 更高的維護成本 - HEV 更復雜，有額外的部件，並且由於車輛機械技術的不斷改進，機械師可能會發現維護很困難，並可能導致更高的成本。[6]
- 高壓危險 - HEV 中包含高壓電動機增加了發生事故並損壞電機時的安全隱患。
由於完全由電動機驅動，電動汽車確實擁有 HEV 的所有優點，但通常 EV 的優點更大，因此在將 HEV 與 EV 進行比較時，HEV 相對於 ICE 的一些優勢可以被視為缺點。
正如已經提到的，在美國將 HEV 引入美國市場之前，已經對電動汽車進行了調查。世界上第一輛 HEV 是在 1898 年建造的，僅僅比第一輛汽油動力汽車晚了三年。這種發展是兩種以前已經發明的技術的結合，分別是汽油動力汽車和電動汽車，電動汽車實際上是在 60 年前的 1834 年發明的。在 20 世紀初，隨著大量針對特定創新的專利申請，進一步發展了 HEV。專注於開發和銷售電動汽車的汽車公司成立並銷售混合動力汽車。這些公司在市場上遇到了挑戰，因此 HEV 和 EV 都停止生產。這些挑戰與這些車輛的價格更高、功率更低、續航里程短和充電時間長有關，其中許多挑戰直到今天仍然困擾著這些公司，但由於發展和激勵措施，這些挑戰在一定程度上得到了緩解。充電基礎設施的可用性也不足，最終，汽油動力汽車技術的創新超過了 EV 和 HEV 的創新。[4]
在經歷了大約40年之後，受阿拉伯石油禁運的影響，人們重新對電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）產生了興趣。這最終導致了1976年的《電動和混合動力汽車研究、開發和示範法案》，該法案建議再次研究這些技術，以減少對石油的依賴並改善空氣質量。該建議是針對1990年南加州糟糕的空氣質量做出的回應。當時，加州政府機構頒佈了一項強制性規定，要求到1998年和2003年，加州市場上的零排放汽車比例達到一定水平。由於擔心會失去在這個大型市場中的份額，各種汽車公司開始研究電動汽車和混合動力汽車技術。這項發展得到了美國政府與主要汽車製造商之間全國性合作研究計劃的進一步支援。當時，其他國家也在這一領域進行類似的推動，1997年，第一款現代混合動力汽車豐田普銳斯在日本市場推出。1999年，豐田普銳斯、本田思域和英思特在美國市場推出。不久之後，在2002年，由於該技術面臨巨大挑戰（例如，需要充電基礎設施[4]），電動汽車的開發被放棄。
表1展示了自1999年混合動力汽車在美國市場推出以來的銷量資料。這些資料來自HybridCars[9]，以月度資料形式提供，為了便於展示，已彙總為年度時間增量。美國交通部交通統計局釋出的資料集[10]證實了這些資料的可靠性。表1中的市場份額列是指相對於新汽車總銷量而言的混合動力汽車銷量對比數量。
| 年份 | HEV銷量 | 市場份額（%） | HEV累計銷量 |
| 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 |
為了更好地解釋這些資料在模擬該技術生命週期方面的意義，我們對資料進行了S曲線擬合。透過這樣做，可以估計出該技術在每個生命週期階段轉換或將轉換的時間。首先估計K的初始值，K是飽和度水平的指標。根據以下公式，從該初始估計值計算出用於迴歸的數值。
使用這些值，可以確定一個表示這些值與資料集擬合程度的數值RSQ。透過改變K的值以最大化RSQ（0.62822），可以生成一個更準確的K近似值（509000）。然後，使用該K的Y值作為因變數，年份作為自變數進行線性迴歸。這使得可以找到資料發生拐點的年份（2009.5）。最後，使用此值和其他使用Y值計算出的值，可以根據S曲線模型計算出每年的預測值。這是使用以下公式完成的。
這些計算結果如表2和圖1所示。
| 年份 | 實際HEV銷量 | 預測的HEV銷量 |
| 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 |
該模型表明，電動汽車年銷量的增長在2009年達到頂峰。此後，電動汽車銷量一直在增長，但增速在下降。假設前10%的銷量增長被認為是誕生階段，那麼該階段從1999年持續到2004年，之後銷量持續增長，並在2014年似乎達到成熟。考慮到年銷量資料波動較大，以及曲線對資料的擬合程度較差，該模型的準確性值得懷疑。如我們所見，自HEV誕生以來，該模型已經出現了兩次峰值，隨後又出現了下降。鑑於HEV的市場份額沒有像銷量下降那樣大幅下降，這可能是汽車行業外部因素的影響，導致所有汽車銷量下降。2008年全球金融危機可能是一個外部因素，因為它對美國經濟造成了重大影響。預測模型之間還存在爭議，即混合動力汽車市場是否已在美國達到成熟[11]，這一點將在“市場成熟度”部分討論，因此可能會對該模型的準確性產生進一步的懷疑。
HEV技術的發展，無論是在進入市場之前還是之後，都得益於政府政策。在概述該技術的歷史和發明時，已經提到了許多這樣的政策。1999年，在HEV技術誕生之時，美國政府與主要汽車製造商之間的合作研究計劃是這些促進HEV技術發展的政策之一。該政策旨在鼓勵其他汽車製造商釋出自己的車型，擴大市場。最終，許多公司加入了競爭，與豐田普銳斯以及本田思域和英思特等車型展開競爭[4]。儘管存在競爭，但豐田普銳斯在早期市場上佔據主導地位，所有普銳斯車型的銷量總和仍然遠高於其他所有HEV[9]。HEV在誕生階段的銷量和年度增幅都相對較低。雖然這是誕生階段的一個特點，但與增長階段相比，這種情況下的差異似乎相當顯著。這是因為緩解消費者購買HEV部分劣勢的政策尚未實施。
觀察實際銷售資料可以發現，2004年至2014年的增長階段可以分為兩個部分。2005年至2007年，HEV市場增長迅速，而2008年至2011年的銷量則出現下降。2005年至2007年的大幅增長部分是由於市場參與者數量持續增加，很大程度上是由於實施了旨在吸引消費者購買HEV的政策。2005年，美國政府實施了針對混合動力汽車車主的稅收抵免政策，抵免金額取決於排放量，最高可達數千美元。州政府提供了其他激勵措施，包括額外的抵免金（最高可達6000美元）以及對高乘員車道規則的期望[7]。如前所述，2008年至2011年的下降可能是由於影響了整個汽車行業的外部因素，因為市場份額沒有下降到同樣的程度。
上述資料分析表明，混合動力汽車技術已在當前市場中成熟。雖然這完全有可能，但考慮到插電式混合動力汽車和其他電動汽車帶來的激烈競爭，該模型對該資料集的準確性尚未得到證實，因此應審查其他市場預測，以檢驗這些發現與這些預測的一致性。Al-Alawi和Bradley[11]發表的一篇文章彙集了大量HEV市場建模研究，並評估了這些模型的優缺點。報告中包含的模型比本次分析更復雜，但由於某些資訊未知，因此該報告中提到的弱點也反映在本文使用的資料集中。大多數預測顯示，市場份額的增長將在未來至少20年內持續增長，但從大約2020年開始增速會放緩。對市場份額統計資料進行了另一項分析，結果表明市場預計將在2013年達到成熟。因此，其他研究的發現與該模型相矛盾，因此該模型對該資料集的準確性可能存在缺陷。從2014年至2016年確實出現了下降，但2017年出現了上升。
[1] 國際經濟發展委員會。(2013)。電動汽車行業分析。[線上]，第4-10頁。可從以下地址獲取：https://www.iedconline.org/clientuploads/Downloads/edrp/IEDC_Electric_Vehicle_Industry.pdf [訪問時間：2018年5月8日]。
[2] Anderson, D. C. & Anderson, J. 2010, 電動汽車和混合動力汽車：歷史，第2版，麥克法蘭公司，傑斐遜。
[3] Bridges, H. 2015, 混合動力汽車和混合動力電動汽車：新發展、能量管理和新興技術，諾瓦科學出版社，紐約。
[4] Mi, C. & Masrur, M. A. 2018, *混合動力汽車：原理、應用與實用視角*, 第 2 版，John Wiley & Sons Ltd，蘇塞克斯。
[5] Vilet, O. V., Brouwer, A. S., Kuramochi, T., Broek, M. & Faaij, A. 2011, '電動汽車的能源消耗、成本和 CO2 排放', *電源雜誌*, 第 196 卷，第 2298-2310 頁
[6] Lipman, T. E. 可用地址：http://tsrc.berkeley.edu/sites/default/files/Lipman_EV_2000_0.pdf [訪問日期：2018 年 5 月 10 日]。
[7] Diamond, D. 2009, '政府對混合動力汽車的激勵措施的影響：來自美國各州的證據', *能源政策*, 第 37 卷，第 3 期，第 972-983 頁
[8] Karner, D. & Francfort, J. 2007, '美國能源部先進車輛測試活動對混合動力汽車和插電式混合動力汽車效能的測試', *電源雜誌*, 第 174 卷，第 1 期，第 69-75 頁
[9] HybridCars 2018，混合動力汽車，可用地址：http://www.hybridcars.com/ [訪問日期：2018 年 5 月 8 日]。
[10] 交通統計局 2018，美國交通部，可用地址：https://www.bts.gov/ [訪問日期：2018 年 5 月 9 日]
[11] Al-Alawi, B. M. & Bradley, T. H. 2013, '混合動力汽車、插電式混合動力汽車和電動汽車市場建模研究綜述', *可再生與可持續能源評論*, 第 21 卷，第 190-203 頁