美國混合動力汽車銷量生命週期

混合動力汽車

豐田普銳斯

混合動力汽車 (HEV) 是電動汽車和內燃汽車之間的交叉產品。它們結合了電動汽車的電動機和電池以及小型內燃機。電動機從電池獲取能量，電池在需要時由內燃機電池充電。 混合動力汽車區別於電動汽車的突出之處在於其更大的續航里程。與通常在充電之間僅能行駛 130 公里的電動汽車不同，混合動力汽車可以持續行駛，直到電池和汽油都耗盡，這使其擁有顯著更長的續航里程。 電動機往往在較低的速度下執行，而內燃機在較高速度下執行，並在電池耗盡時為電池充電。此外，由於內燃機為電池充電，混合動力汽車不需要像電動汽車那樣插電。

與典型的內燃汽車相比，混合動力汽車的主要優勢在於燃油效率更高。這將導致更少的排放和燃油節省。尤其是，混合動力汽車在城市駕駛中的燃油效率優於內燃汽車。電動機在處理頻繁的加速和減速方面往往更有效率。部分原因是混合動力汽車能夠捕獲剎車時損失的部分能量。這是透過反轉發動機併為電池充電來實現的。 這將導致比內燃汽車更高的燃油節省。當完全停止時，混合動力汽車可以自動關閉發動機，節省能量，而內燃汽車 (ICV) 則會繼續執行，除非駕駛員手動關閉。

混合動力汽車和電動汽車的一個既有優勢又存在安全隱患的特徵是它們的靜音性。在使用電動機（通常是在低速行駛時）時，混合動力汽車比內燃汽車安靜得多。更安靜的汽車通常是理想的，因為它們減少了噪聲汙染，這是一種昂貴的交通外部性。問題在於，行人習慣了內燃汽車的噪音。行人依靠汽車產生的噪音來提醒他們附近有汽車。緩慢移動的混合動力汽車產生的噪音不足，這對行人安全構成隱患。美國國會頒佈了《行人安全增強法》，其中包括機動車的最低噪音要求。 製造商已開始新增車輛噪音和警報聲以幫助保護行人。

混合動力汽車的主要市場包括具有經濟意識和環保意識的消費者，他們希望減少排放並節省燃油，但不願受制於電動汽車的侷限性。大多數混合動力汽車都是小型汽車，因此市場圍繞著願意駕駛緊湊型汽車的駕駛員展開。然而，隨著混合動力 SUV 的發展，這一趨勢正在發生變化。由於混合動力汽車的成本高於內燃汽車，因此市場往往包括高收入駕駛員。此外，由於混合動力汽車相對較新，因此市場上可用的二手混合動力汽車較少。這進一步限制了市場，僅針對那些願意購買全新或近乎全新的汽車的人。

混合動力汽車在市場上的成功在很大程度上取決於汽油價格和環境問題的普遍程度。這可以透過檢視混合動力汽車銷售歷史與汽油價格的比較來觀察。隨著油價上漲，駕駛混合動力汽車節省的燃油量也隨之增加。然而，正如 20 世紀 70 年代所見，混合動力汽車要想獲得足夠的市場份額，需要持續一段時間的油價上漲。在《能源百科全書》中，德國人討論了新車購買者對燃油成本的漠不關心。 通常，內燃汽車的短期節省勝過混合動力汽車的潛在長期燃油節省。

混合動力汽車在試圖建立其市場份額方面遇到的一個問題是，製造商繼續對內燃汽車進行足夠的改進。這些改進限制了混合動力汽車的優勢。隨著人們對燃油效率的擔憂加劇，製造商生產了更多燃油效率高的內燃汽車。如果油價下降，製造商無需採取任何行動，因為消費者將繼續購買內燃汽車。內燃機繼續勝出，因為“混合動力汽車的增量優勢 [小於] 切換基礎設施的成本”。

歷史

1999 年，混合動力汽車在美國並不新鮮，正如銷售資料所表明的那樣。事實上，它們的起源可以追溯到 1905 年。當時，美國工程師 H. Piper 想出了混合動力汽車的概念。他的動機是提高效能。他的混合動力汽車可以在 10 秒內加速到 40 公里/小時，而當時的內燃汽車需要 30 秒才能達到這個速度。 儘管這是一個巨大的進步，但在 Piper 獲得專利時，內燃機已經趕了上來。汽油發動機的主要缺點是需要用曲柄啟動。Piper 獲得專利後，這一障礙已經被克服，內燃汽車開始主導市場。

與 Piper 同時，一些電動汽車在愛迪生和特斯拉等電力先驅的幫助下得到了發展。 與今天的電動汽車一樣，主要缺點是電池技術，這極大地限制了汽車的續航里程。然而，最初這並不令人擔憂，因為城市之間道路基礎設施有限。該續航里程足以進行城市駕駛。 然而，隨著道路的不斷擴充套件，內燃汽車開始興起。電動汽車所需的笨重電池使其變得沉重。增加額外的電池會因為額外的重量而產生遞減收益。混合動力汽車必須依靠機械方法在電動機和汽油機之間切換。這很複雜，效率低於今天的混合動力汽車，後者使用計算機來最佳化和控制其操作。

直到 20 世紀 70 年代中期石油危機，汽油汽車幾乎沒有受到電動汽車的挑戰。 由於汽油價格相對較低，石油充足，並且在市場上佔據主導地位，汽油汽車沒有受到威脅。動力和效率的改進進一步幫助阻止了任何潛在競爭對手進入市場。

20 世紀 70 年代，石油危機導致汽油價格上漲，為替代汽車提供了一個短暫的機會。Wouk 討論了他自己在這個時期試圖推出混合動力汽車的嘗試。他的車型能夠實現更高的燃油效率，並且似乎即將投入生產。然而，這場危機持續時間太短，一旦石油再次供應充足，對他的等替代汽車的資金也隨之減少。 石油危機確實帶來了《能源政策與節約法案》(EPCA)，該法案要求制定新的燃油效率標準。Wouk 等混合動力汽車立即滿足了這些標準，但汽車製造商有時間到 1985 年才能讓他們的內燃汽車符合標準。這使他們有足夠的時間來改進內燃汽車，併為替代汽車進入市場留下了很少的機會。

近 20 年後，克林頓總統與美國主要汽車製造商達成協議。該協議不要求提高 CAFE（企業平均燃油經濟性）標準，而是要求通用汽車、福特和克萊斯勒建立“超級汽車”。該計劃將結合政府和企業資金來開發一款百公里油耗 3.1 升的汽車。 該協議的最大問題是 80 英里/加侖這一多少有些武斷的目標。這一目標是可以實現的，但它要求汽車製造商使用非常輕，因此非常昂貴的材料。 汽車製造商成功地開發出了百公里油耗 3.1 升的汽車，但由於其成本過高，它根本無法面向公眾銷售。也許一個更為適中的目標會產生一款可銷售的汽車，而這款汽車的燃油效率仍大大高於當時的內燃機汽車。儘管如此，超級汽車計劃確實推動了替代汽車行業的創新。幾年後，豐田和本田在日本推出了他們的混合動力汽車。他們的汽車所達到的燃油效率比超級汽車更低，但仍是平均內燃機汽車的兩倍。 日本市場也更適合混合動力汽車。由於汽油價格更高、駕駛密度更高以及文化更習慣於小型汽車，豐田和本田在本土市場取得了成功。駕駛者對汽車效能的需求也低於美國。兩家公司都努力調整他們的混合動力技術以適應美國市場。早在 1999 年，主要是從 2000 年開始，美國人開始購買混合動力汽車。

混合動力汽車技術的創新

過去 100 年的技術創新使各種型別的車輛變得更加安全、更快、更高效、更便宜。混合動力汽車也不例外。它們從 1905 年的派珀混合動力汽車到 1990 年代的豐田普銳斯之間取得的技術突破中受益匪淺。20 世紀初混合動力汽車的一個困難是電動和內燃動力切換的機械方法。這必須透過機械方式控制，而如今的混合動力汽車由微型微電腦控制。實際上，即使是內燃機汽車的系統也是由計算機控制的。將計算機應用於混合動力汽車，可以實現兩種動力源之間的最佳控制。

電池技術是一個發展較慢的領域，並且一直是混合動力汽車的限制因素。雖然如今混合動力汽車中的電池比以前的型號有了很大的改進，但它們的改進速度遠遠低於其他汽車技術。電池仍然會給車輛增加相當大的重量，並且在容量方面受到很大限制。如前所述，電池的重量很大，意味著必須從電池中消耗相當數量的能量才能運輸額外的電池重量。

混合動力汽車誕生的政策和市場

最初，混合動力汽車服務於利基市場，吸引了具有經濟和環保意識的社群。隨著技術的改進和混合動力汽車的普及，市場不斷擴大。最初，混合動力汽車是小型汽車，以便儘可能提高燃油效率。然而，隨著混合動力汽車尋求擴充套件並從內燃機汽車中奪取更大的市場份額，製造商開始開發更大的混合動力汽車車型。現在，人們可以購買 SUV 混合動力汽車，這證明混合動力汽車不再侷限於其最初的利基市場。另一方面，電動汽車的續航里程有限，需要充電站。雖然它們在某些方面優於混合動力汽車，但它們的侷限性導致它們主要服務於電力價格低廉、易於獲得且距離較短的利基市場。 在這個市場的駕駛者必須高度重視減排，並且對長途駕駛的需求較低。此外，電動汽車需要額外的基礎設施，例如充電站才能廣泛使用。相比之下，混合動力汽車能夠佔領部分內燃機汽車市場，因為它們不需要額外的基礎設施，而且限制較少。

1975 年的《能源政策與節約法案》是在 1970 年代石油危機期間頒佈的一項立法，其中包含旨在提高燃油經濟性的新要求。該法案對汽車製造商施加了新的燃油效率標準，但允許製造商有 10 年的時間來遵守這些標準。類似的政策，如企業平均燃油經濟性標準，似乎有助於鼓勵使用替代車輛。透過制定更嚴格的燃油效率標準，如果汽油車無法跟上，新型車輛可能能夠在市場中佔有一席之地。汽車製造商可能會決定對替代車輛進行額外的資本投資。另一方面，這些政策要求汽車製造商提高內燃機汽車的燃油經濟性或停止生產內燃機汽車。對內燃機汽車的需求不受這些政策的影響，因此，製造商繼續改進內燃機汽車的燃油效率。這會導致混合動力汽車相對於內燃機汽車的淨效益降低。由於市場上出現了燃油效率更高的內燃機汽車，混合動力汽車所提供的燃油節省量減少了。如果製造商將這部分額外成本轉嫁給消費者，內燃機汽車的成本可能會上升。然而，像 CAFE 這樣的政策會導致高效率車輛的價格下降，因為製造商鼓勵銷售這些車輛以抵消低效率車輛的銷量。這會進一步損害混合動力汽車的市場。

克林頓總統採取了一種不同的方法來提高燃油經濟性標準，即同意與美國主要汽車製造商達成協議，共同開發一款百公里油耗 3.1 升的超級汽車。該計劃有一些好處，但最終並沒有直接導致美國混合動力汽車的開發，因為超級汽車材料的成本過高。

混合動力汽車的增長和成熟

正如以下定量分析所示，美國混合動力汽車的銷量經歷了非常快速的生命週期。 如果我們認為 1999 年是美國混合動力汽車銷量的誕生年份，那麼成熟期是在 8 年後。誕生年份大約涵蓋了前 4 年。

大多數政府稅收優惠措施是在 2004 年至 2007 年的快速增長期間實施的。在此期間，國家和州一級提供了各種稅收抵免。然而，貨幣激勵措施似乎在混合動力汽車的增長中發揮了很小的作用。一種可能的解釋包括經銷商可能已將這些激勵措施計入其價格，從而使消費者沒有獲得任何淨收益。 更有可能是經濟的影響，尤其是燃油價格的影響。2004 年至 2008 年間，美國各地的燃油價格上漲，這很可能對混合動力汽車的增長起到了重要作用。 2008 年至 2009 年間燃油價格下降以及經濟衰退對應於混合動力汽車銷量下降。然而，即使在 2010 年至 2012 年間燃油價格穩步上漲的情況下，混合動力汽車的銷量仍在繼續下降。這是否表明混合動力汽車在 2007 年就已經成熟？儘管 2009 年至 2012 年間燃油價格上漲，但美國經濟仍在衰退，這影響了所有車輛的銷量。絕對需要車輛的消費者將繼續購買，但他們不太可能支付購買混合動力汽車所需的額外預付款。

混合動力汽車的基礎設施肯定不會消失。與過去成熟後迅速衰落的交通方式不同，混合動力汽車在成熟後可能會經歷更緩慢的衰落。從 2007 年的資料中可以看出這一點。鐵路等交通方式，其軌道被拆除，取而代之的是公路，經歷了快速衰落。只要公路繼續使用，並且人們關注能源問題，混合動力汽車很可能會繼續成為內燃機汽車的替代品。最有可能導致混合動力汽車更快衰落的場景是電動汽車的改進或新能源的發現。電池技術在 100 年內幾乎沒有取得進展。如果這種情況發生改變，電動汽車可能會出現增長，導致混合動力汽車進一步衰落。無論如何，過去 100 年的經驗清楚地表明，內燃機汽車不會在短時間內消失。

資料和分析

美國混合動力汽車銷量

資料來源：國家交通統計

資料來源：國家交通統計

年份	銷售的混合動力汽車數量	預計銷量
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

迴歸結果

變數	值
K	352863
b	1.6
t0	2004.5227

迴歸統計
多元 R	0.98529429
R 平方	0.970804838
調整後的 R 平方	0.968150733
標準誤差	29355.56109
觀察值	13

	係數	標準誤差	t 統計量	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 變數 1	1.199158717	0.062700327	19.12523876	8.6304E-10	1.061156228	1.337161205	1.061156228	1.337161205

分析

以下模型用於預測 HEV 銷量

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

其中

S(t) 是狀態指標（HEV 銷量）

t 是時間（年）

t0 是拐點時間（達到 1/2 K 的年份）

K 是飽和狀態水平，b 是係數。K 和 b 需要估算

推匯出的迴歸方程為

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

在完成迴歸時，使用了 352863 的 K 值。該值代表 HEV 市場在 2007 年成熟。這是否屬實尚難確定。自 2007 年以來，美國 HEV 銷量一直在下降。經濟衰退無疑是其中一個因素。現在的問題是 HEV 銷量是否會再次上升並達到更高的峰值，或者 2007 年是否會是峰值。經濟和油價等因素無疑會影響這一點。由於沒有人能確定未來油價將如何走勢，因此也很難確定 HEV 市場是否已達到峰值。如果油價大幅上漲，HEV 銷量肯定會增加，但如果油價下降，HEV 銷量也可能會加速下降。目前的趨勢表明 HEV 銷量正在緩慢但穩定地下降。該回歸模型假設 2007 年是美國 HEV 銷量的峰值。整體而言，替代車型仍處於起步階段。如果 HEV 繼續下降，其他替代車型可能會迎頭趕上並取得增長。然而，由於自 2007 年以來下降速度相對緩慢，HEV 可能會捲土重來。只有時間會給出答案。

迴歸結果顯示 R 平方值為 0.9708，t 統計量為 19.125。R 平方值接近 1.0，t 統計量儘可能高是理想的。為了獲得最理想的擬合，並因此獲得最佳的 R 平方值和 t 統計量值，對 b 值進行了估算。對曲線的分析表明，該模型最初低估了銷量，然後在增長期高估了銷量，在 2007 年達到成熟期後逐漸減少。與真實資料不同，該模型沒有預測 2007 年峰值之後的下降。此外，t0 值是根據 2007 年的峰值以及 2004 年和 2005 年之間的斜率選擇的。t0 代表峰值的一半，發生在 04 年和 05 年之間。

儘管 HEV 銷量可能會因油價、稅收抵免、法規和經濟等各種影響因素而發生波動，但從 1999 年的誕生到 2007 年的成熟，資料顯示了交通方式的 S 曲線相當一致。自 2007 年以來，下降情況略有不同，HEV 可能會在未來幾年達到更高的峰值，這將極大地影響模型。然而，由於 1999 年至 2007 年之間增長性質的影響，該模型能夠產生相當好的擬合。隨著未來年份資料的公佈，該模型將繼續進行修改。