運輸部署案例集/混合動力電動巴士

定量分析

以下分析旨在根據美國公共交通協會 (APTA) 的定義，分析替代能源公交技術的生命週期。APTA 不按其成員組織的單個車輛型別收集資料，而是按車輛（特別是公交車）使用的能源數量進行分類。在混合動力電動巴士 (HEB) 的情況下，資料與使用兩種或多種不同能源的其他車輛一起歸類，其中包括壓縮天然氣巴士 (CNG) 和電動巴士，儘管 HEB 通常被認為是未來更可行的選擇。除了 APTA 進行的分類的性質之外，該組織也僅能從選擇參與 APTA 年度車輛調查的成員組織中收集特定（替代或傳統柴油）車輛資料；2010 年的車輛調查包括來自美國 338 個公交機構的回覆。此外，車輛調查中收集的資料用於估算美國替代能源和傳統巴士的總市場份額。最後，將估計的市場份額乘以美國實際可用於最大使用的車輛總數（APTA 資料），以計算 1992 年至 2009 年間用於公共交通的替代能源（重型）巴士的估計數量。

圖表 1 顯示了 1992 年至 2009 年替代能源車輛的估計數量。資料的視覺表示為 S 曲線，可以概念性地應用於許多其他運輸技術的生命週期。

圖表 1

除了顯示美國可用於重型公共交通車輛的替代能源巴士的估計數量外，還使用普通最小二乘 (邏輯) 迴歸來估計以下邏輯函式：S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)]

其中：S(t) 是狀態度量，即替代能源巴士的數量 t 是時間（年度，1992-2009），t0 是拐點時間（達到替代能源巴士飽和數量 1/2 的年份），K 是飽和狀態水平，b 是係數，衡量對自變數的影響程度。透過 OLS 邏輯迴歸，完成多次迭代以找到建立“最佳擬合線”的 3 個引數估計係數，因此在邏輯迴歸輸出中具有最高的調整後的 R2 值。如前所述，K 是運輸技術的飽和水平。在替代能源巴士的情況下，它代表替代能源巴士系統在市場上的成熟度。在經過多次迭代的 K 測試值後，最佳結果列在下表中（K = 41,000）。

如表 1 所示，調整後的 R2 為 .9361，在標準 90% 分位數處具有顯著性；R2 越接近 1，迴歸公式在預測技術狀態值方面的統計準確性越高。在此特定應用中，調整後的 R2 值與 T 統計量的值一起，廣泛地表明該方程可以解釋大約 94% 的替代能源車輛數量（因此拐點和飽和點）隨時間的變化。

表 1

估計的拐點年份表明車輛增長速度開始放緩的點，大約是 2009 年（截距為 -341.94/-(b 為 .1701)）。有了這兩個估計，該模型通常估計替代能源巴士技術的嬰兒期可以普遍認為在 1992 年至 2009 年之間。2009 年之後直到 41,000 輛車的飽和水平的時期意味著持續增長的普遍時期，並且 K=41,000 的飽和水平之後的時期是該技術的成熟期。

由於多種原因，確定方程的準確性，尤其是在實際應用中，似乎特別具有挑戰性。當然，估計替代能源車輛的份額具有挑戰性，以及混合動力電動、電動和壓縮天然氣車輛的大型分類。最後，這些車輛所佔重型巴士的份額肯定處於早期階段，但一旦釋出 2010 年市場資料中的車輛數量，2009 年的拐點年份也可能發生變化。作為車輛的份額，2010 年替代能源巴士的測量值從 30.4% 上升到大約 35%。然而，儘管如此，R2 和 T 統計量表明，該方程在解釋替代能源車輛數量隨時間的變化方面相對準確。

圖表 2，如果僅從軼事上看，提出了其他有趣的資訊，以使替代能源車輛生命週期分析保持透視。雖然該方程估計了 2009 年的拐點年份，但以下資料顯示了替代能源巴士的市場比例，以及替代能源和傳統巴士的車輛總里程數。由於 2009 年替代能源車輛的市場份額下降，車輛里程數也大幅下降，因此此處的數 據表明，2009 年的拐點年份預測可能過早（或過晚）。

圖表 2

定性分析 - 混合動力電動巴士

技術

儘管由於缺乏按車輛型別細分，公共交通巴士的資料存在侷限性，但本分析將主要關注替代能源子群體中主要的新興技術，即混合動力電動巴士。但是，分析最後也將簡要概述其他重要的替代能源巴士。

混合動力電動巴士 (HEB) 將傳統的內燃機 (ICE) 模型與用於推進、再生能源或作為獨立電源的電力系統相結合，具體取決於 HEB 中動力傳動系統的排列。串聯、並聯和混合動力是 HEB 中電源的普遍子類別；串聯動力系統在發動機和驅動軸之間沒有機械連線。相反，發動機將動力傳送到發電機，然後發電機為電動機供電。相反，並聯混合動力發動機的動力為發電機供電，發電機可以直接為車輛的車軸供電或為電池組充電。顧名思義的混合動力 HEB 是這兩種動力排列方案的組合，如圖表 A 所示。

圖表 A - 並聯和串聯混合動力設計

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優勢

與傳統的柴油巴士相比，混合動力電動巴士具有多種環境優勢。也許 HEB 最廣泛引用的環境效益是減少導致廣泛和區域性環境和健康問題的二氧化碳、氮氧化物和碳氫化合物排放。除了由此產生的溫室氣體減少和區域性臭氧減少外，HEB 的顆粒物和一氧化碳排放量也低於傳統的柴油巴士。與臭氧類似，這兩種汙染物都會對人類呼吸和免疫系統造成重大損害，高濃度的排放被認為是重大的健康問題。

除了減少有害排放外，減少石油基燃料的使用從長遠來看，也可能為公交機構帶來顯著的成本降低。根據聯邦交通管理局的資料，在公交機構的運營費用中，燃料成本僅次於勞動力成本，而混合動力電動巴士（HEB）的燃油經濟性提高了10%到48%，相較於傳統柴油巴士。HEB系統對城市駕駛環境和高峰時段的燃油消耗具有特別積極的影響。再生制動過程將制動過程中的動能轉化為可儲存在發電機中的能量，最終用於為HEB供電。因此，這種動力系統非常適合於城市公交車，因為城市公交車需要頻繁地剎車和加速。

重要市場

在美國，大多數公交機構都受到當地政治參與者（例如環境倡導組織）以及超越EPA法規的減少排放和改善空氣質量的環境承諾的推動，從而將車隊中的車輛轉向替代能源。紐約市由於其擁堵的特性而天生容易產生更高水平的有毒排放，但它是一個極好的例子，說明了一個地區或地方如何選擇放棄傳統柴油巴士，這是由於當地和國家層面的壓力造成的；該市尚未實現EPA 1990年國家環境空氣質量標準（NAAQS）中設定的空氣質量達標目標，並且公眾越來越意識到與有害排放相關的健康問題，以及越來越大的州和國家減少排放的壓力，導致紐約市大都會運輸署（MTA）在十多年內更換了其整個車隊，並在20世紀90年代中期開始了這項以環境為導向的努力。直到20世紀90年代後期，HEB才廣泛可用，因此紐約市選擇對壓縮天然氣（CNG）巴士車隊提供支援的天然氣再填充基礎設施進行了大量投資。然而，自從將其所有重型巴士從傳統的柴油動力系統轉換以來，紐約市也投資了HEB。作為世界上最大的替代能源巴士車隊和北美最大的公交運營商的一部分，MTA現在定期運營著600多輛HEB。

加州空氣資源委員會（ARB）也對美國HEB使用的增長髮揮了重要作用。為了應對關於柴油燃料和發動機效能的EPA法規（例如《清潔空氣法》），ARB於1998年宣佈柴油發動機排放的顆粒物為已知的致癌物。從那時起，ARB和加州環境健康危害評估辦公室研究了由於柴油排放造成的健康影響和風險，並實施了進一步的規則以減少全州的排放，例如2000年柴油減排計劃。該措施旨在到2010年大幅減少柴油排放，除了其具體的14點計劃外，還影響了HEB等車輛的採用。2006年加州全球變暖解決方案法案由時任州長阿諾德·施瓦辛格簽署，透過該州的城市地區為增加HEB的使用提供了另一個激勵措施；作為該法案的一部分，ARB需要到2020年將溫室氣體減少25%，並且該委員會執行減排要求迫使重型傳統巴士進行技術升級，例如對新舊發動機進行顆粒物過濾器改造以減少排放。此外，該法案要求增加使用低硫柴油。除了紐約市採用HEB以及洛杉磯在臭名昭著的汙染城市進行試點成功後早期採用HEB外，在美國的另一次HEB技術的試點採用並沒有那麼美好的結果。愛荷華州錫達拉皮茲在20世紀90年代初向聯邦交通管理局（FTA）提出了對執行混合動力電動動力系統和電動巴士所需的電池進行冷氣候試驗，並將其新增到其公共巴士車隊中，並獲得了超過1000萬美元用於購買、運營和維護5輛HEB和4輛電動巴士。FTA資金還用於建設設施、電池充電基礎設施和培訓。

在進行混合動力和電動測試之前，這個擁有10萬人口的中等規模城市自1987年以來一直在測試CNG、液化石油氣、氫氣注入、乙醇和生物柴油等替代燃料。在1995年實施了四輛電動巴士之後，三輛HEB於1997年11月投入使用，另外兩輛在三年內投入使用。在最後一輛HEB加入車隊（2000年）後的六年評估過程中，FTA對該專案的分析預計，該市可以克服車輛經常遇到的培訓、電子和機械問題，並從鉅額投資中獲得回報。儘管平均燃油經濟性提高了15%，並且排放得到改善，有助於錫達拉皮茲達到臭氧的NAAQS達標水平，但電池尺寸、改進電池技術的財務可行性、維護和可靠性等問題超過了收益，市政府於2008年以3萬美元的價格在網上公開拍賣了這些巴士。這些閒置的車輛總共只行駛了20萬英里，還有一個額外的購買要求，即中標者必須將巴士運走，這似乎暗示錫達拉皮茲迫不及待地想要擺脫這些車輛。

混合動力電動巴士的生命週期

混合動力技術的誕生

從概念上講，用電力驅動車輛的想法已經私下測試了一個多世紀。電動汽車在19世紀後期被引入倫敦計程車市場，甚至在康涅狄格州生產，並持續發展到大約1920年。美國從1920年到1965年停止使用電動汽車，1966年國會提出了多項法案，提倡將電動汽車作為減少傳統內燃機排放的汙染物的方法。最終，現代混合動力的商業開發在20世紀80年代後期和90年代初期開始發展。豐田於1993年開始開發普銳斯，並在1997年釋出了第一款商業上被接受的混合動力汽車。1997年也是豐田 Coaster 小型巴士的釋出年份，豐田稱其為第一款重型HEB，但這次釋出並沒有像市場上的第一款那樣確立地位。其他商業開發商聲稱他們的釋出是HEB市場上的第一款；吉利格公司於1996年釋出了自己的HEB車型。

替代能源巴士的增長和飽和

儘管錫達拉皮茲對替代能源重型巴士持負面看法，但電池重量和壽命、培訓和維護知識等技術的巨大進步特別促進了HEB自推出以來被採用的增加。國際私營公司努力滿足對排放更低的節能車輛日益增長的需求，極大地促進了最初的技術進步，這將有助於像愛荷華州FTA試驗這樣的案例。錫達拉皮茲特別確定了一種比其維護的一噸電池輕得多的電池；這些電池在最大執行長度方面也有很大的改進，是由一家德國公司開發的，但由於當時存在關稅，因此價格過於昂貴，交通研究委員會。

雖然公交車隊管理人員繼續尋找降低成本、減少排放和滿足相關利益集團的方法，但2005年和2010年的《柴油排放減少法案》（DERA）可能會抑制替代能源重型巴士（包括HEB）的增長。2005年法案規定，在五年內每年提供2億美元的國會撥款，以鼓勵大幅減少柴油排放。儘管這1000萬美元的撥款從未獲得充分的資金，但在2009年作為一次性刺激措施增加了3億美元的激勵計劃，2010年法案重新授權該法案再執行五年，這與2005年至2009年實際撥款的5億美元相符。

當然，DERA的一個重要成果是美國柴油排放的減少，最終成為對公共衛生的重大投資；據估計，DERA計劃（通常與當地和州政府在柴油排放減少方面的支出相匹配）每花費1美元，就可以為個人帶來13美元到28美元的健康改善（效益），因為癌症、哮喘和其他與呼吸系統和免疫系統增強相關的健康改善減少。然而，該激勵計劃的實際影響將重點從減少或消除石油基燃料的使用轉移開來。顆粒物過濾器已經將柴油排放降低到幾乎與HEB相同的水平，並且與採用HEB等替代車輛進入車隊所需的投資相比，對傳統柴油巴士車隊進行改造的成本要低得多。

儘管美國公共交通協會 (APTA) 釋出的 2010 年初步資料表明，美國替代燃料重型公交車的市場份額有所增加，但《柴油排放降低法案》（DERA）似乎延續了傳統柴油技術中存在的一些鎖定問題。與基礎設施、培訓以及電池更換和處置相關的鉅額成本（這仍然是混合動力電動公交車 (HEB) 等替代重型車輛成本結構中一個重要且未經驗證的變數）實在過於龐大，以至於無法證明公交車技術的大規模轉變和公共交通機構新資本投資的合理性。相反，現有柴油車輛的技術升級非常普遍，而且對於機構來說實施成本也低得多。

儘管飽和模型表明，與傳統公交車相比，替代能源重型公交車的拐點年份是 2005 年，但像 HEB 這樣的技術似乎比模型暗示的未來更加不確定。人們對石油開採、石油基燃料燃燒以及美國迫在眉睫的國際壓力（要求美國加入歐盟和其他主要國家，大幅減少溫室氣體排放）的認識增強，可能會對替代重型公交車市場產生目前無法預測的影響。

推進 HEB 技術

聯邦交通管理局 (FTA) 的研究，加上國際貿易協定的改進（將改善美國獲取新技術和未來技術的途徑），為替代能源重型公交車的發展描繪了一個充滿希望的未來。2010 年 2 月，美國和德國簽署了首個科技合作協議，該協議為合作提供了框架，並將使多個研究機構共同努力解決“跨領域科學問題”。此外，兩國還簽署了一份備忘錄，啟動進一步的研究合作，以解決能源、氣候變化和健康等問題。多家德國公司開展了創新研究，並開發了先進的電池和公交車技術，這些技術有助於推動美國 HEB 的發展，而這項協議將促進未來更大範圍的技術進步共享。

與任何其他快速發展的技術一樣，混合動力電動公交車也存在其缺點。正如愛荷華州錫達拉皮茲市 FTA 試驗所證明的那樣，複雜的維護管理、技術培訓、電池重量以及動力總成（包括電池）的技術設計，對於 HEB 的成功實施都至關重要。隨著技術的不斷改進（例如，電池尺寸和重量的顯著減小），2010 年 FTA 對混合動力電動技術的評估同樣強調了這項技術相對初期階段固有的較高維護和培訓成本。此外，電動驅動元件的複雜性可能會增加整體維護成本。但是，從長遠來看，隨著技術的成熟，維護成本和不熟悉的功能複雜性將自然下降，並且有可能低於傳統柴油公交車相關的類似成本，因為傳動系統和制動襯裡的維修減少了。

混合動力電動公交車與其他替代能源公交車

當 HEB 進入市場時，壓縮天然氣 (CNG) 公交車是主要的替代能源公交車技術，並且在公交車車隊中仍然佔有一席之地；APTA 事實手冊顯示，截至 2004 年底，其估計佔公交車總車隊的 11%。關於之前對紐約市 CNG 車隊的討論，許多公共交通機構對部署 CNG 公交車持更謹慎的態度，因為與為車輛建立加油地點和安裝壓縮機相關的基礎設施成本過高。在紐約最初投資時，CNG 是傳統柴油公交車的主要商業上可行的清潔燃料替代方案。儘管 CNG 公交車的生命週期成本通常低於 HEB，但其燃油效率也低於 HEB 和傳統柴油公交車。儘管當液體燃料價格上漲而天然氣價格保持穩定時，它們會變得更有吸引力，但不同燃料的定價趨勢通常是相互追隨的。

作為 HEB 和 CNG 公交車的替代方案，電動公交車在重型公交車的替代燃料市場也佔據一小部分份額，但在電池技術方面具有與 HEB 類似的缺點。儘管與 HEB 相比，它們提供了更平穩和安靜的乘坐體驗，這比傳統柴油內燃機的噪音和振動有所改善，但純電池公交車在儲能容量和電池成本方面存在問題，這些問題阻礙了公交車成為大多數公共交通應用的可行車輛。除了這些行駛里程不足的問題之外，公共交通機構也難以將公交車停運進行充電。充其量，純電動公交車被視為利基市場，對那些需要無排放公交車並可能受益於無噪音的人有用；公園和室內用途是當今純電動公交車最可行的應用。

最終，燃料電池公交車被許多公共交通機構、健康倡導者和環境倡導者視為長遠目標。然而，關於該技術何時才能真正實現的懷疑相當普遍。然而，HEB 被視為從傳統柴油到未來技術的橋樑。儘管仍然需要解決許多問題，但它們被認為是一種“現成”的技術，並且具有許多優勢。