美國混合動力汽車銷售的生命週期

混合動力汽車

豐田普銳斯

混合動力汽車 (HEV) 是電動汽車和內燃機汽車的混合體。它們將電動汽車的電動機和電池與小型內燃機結合在一起。電動機從電池獲取能量，電池在需要時由內燃機電池充電。 混合動力汽車與電動汽車的區別在於其更大的續航里程。與通常充電後只能行駛 130 公里的電動汽車不同，混合動力汽車可以行駛到電池和汽油耗盡為止，因此其續航里程大大增加。 電動機傾向於在較低速度下執行，而內燃機則在較高速度下執行，並在電池耗盡時為電池充電。此外，由於內燃機為電池充電，混合動力汽車無需像電動汽車那樣插電。

與傳統的內燃機汽車相比，混合動力汽車的主要優勢是燃油效率更高。這導致排放量減少，燃油節省。特別是，混合動力汽車在城市駕駛中的燃油效率優於內燃機汽車。電動機在處理頻繁的加速和減速時效率更高。部分原因是混合動力汽車能夠捕獲制動過程中損失的部分能量。這是透過反轉發動機併為電池充電來實現的。 這導致與內燃機汽車相比的燃油節省量更大。完全停止時，混合動力汽車可以自動關閉發動機，節省能量，而內燃機汽車 (ICV) 會繼續執行，除非駕駛員手動關閉發動機。

混合動力汽車和電動汽車的一個同時具有優勢和安全隱患的特點是它們的安靜性。在執行電動機（通常是在低速行駛時）時，混合動力汽車比其內燃機汽車對應物安靜得多。更安靜的車輛通常是理想的，因為它們可以減少噪音汙染，這是一種昂貴的交通外部性。問題是行人已經習慣了內燃機汽車的噪音。行人依賴車輛產生的噪音來提醒他們附近有車輛。慢速行駛的混合動力汽車產生的噪音較小，這對行人安全構成威脅。美國國會頒佈了《行人安全增強法案》，其中包括對機動車的最低聲音要求。 製造商已經開始新增車輛噪音和警示聲音以幫助保護行人。

混合動力汽車的主要市場包括具有經濟和環保意識的消費者，他們希望減少排放並節省燃油，但又不想侷限於電動汽車的侷限性。大多數混合動力汽車都是小型車輛，因此市場圍繞著願意駕駛緊湊型汽車的駕駛員。然而，隨著混合動力 SUV 的發展，這種趨勢正在發生改變。由於混合動力汽車比內燃機汽車成本更高，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，僅面向願意購買新車或接近新車的消費者。

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性。透過觀察混合動力汽車銷售歷史與汽油價格的對比可以看出這一點。隨著油價上漲，駕駛混合動力汽車的燃油節省量也隨之增加。然而，正如 1970 年代所見，混合動力汽車要想獲得足夠的市場份額，需要一段持續的高油價時期。在《能源百科全書》中，German 討論了新車購買者對燃油成本的漠不關心。 通常，內燃機汽車的短期節省勝過混合動力汽車的潛在長期燃油節省。

混合動力汽車在努力確立其市場份額方面遇到的一個問題是，製造商繼續對內燃機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。隨著對燃油效率的擔憂日益增加，製造商生產出更節能的內燃機汽車。如果燃油價格下降，製造商無需採取任何措施，因為消費者將繼續購買內燃機汽車。內燃機繼續勝出，因為“混合動力汽車的增量優勢[低於切換基礎設施的成本]”。

歷史

混合動力汽車在 1999 年對美國來說並不新鮮，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 提出了混合動力汽車的概念。他的動機是提高效能。他的混合動力汽車能在 10 秒內加速到 40 公里/小時，而當時的內燃機汽車則需要 30 秒。 雖然這是一個巨大的進步，但在 Piper 獲得專利時，內燃機已經趕上來了。汽油發動機的主要缺點是需要用曲柄啟動。Piper 獲得專利後，這一障礙已被克服，內燃機汽車開始主導市場。

與 Piper 同時期，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。 與如今的電動汽車一樣，主要缺點是電池技術，它極大地限制了車輛的續航里程。然而，由於城市之間道路基礎設施有限，這最初並不是什麼大問題。續航里程足以滿足城市駕駛。 然而，隨著道路開始擴充套件，內燃機汽車開始佔據主導地位。電動汽車所需的重型電池會減緩車輛速度。增加額外的電池會因額外重量而導致收益遞減。混合動力汽車必須依靠機械手段在電動機和汽油發動機之間切換。這很複雜，效率不如如今的混合動力汽車，後者擁有計算機來最佳化和控制其執行。

直到 1970 年代中期石油危機爆發，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，石油供應充足，並且已經佔據了市場主導地位，因此汽油汽車沒有受到威脅。動力和效率的提高進一步阻止了任何潛在競爭對手進入市場。

在 1970 年代，由於石油危機導致汽油價格上漲，為替代車輛出現了一個短暫的機會。Wouk 討論了他自己在這段時間裡嘗試推出混合動力汽車的經歷。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，對他的混合動力汽車等替代車輛的資金就減少了。 石油危機確實促成了《能源政策與節約法案》（EPCA）的頒佈，該法案要求新的燃油效率標準。Wouk 這樣的混合動力汽車立即滿足了這些標準，但汽車製造商直到 1985 年才需要對其內燃機汽車進行調整。這給了他們足夠的時間來改進內燃機汽車，並讓替代車輛幾乎沒有機會進入市場。

近 20 年後，克林頓總統與美國主要汽車製造商達成協議。該協議並未提高 CAFE（企業平均燃油經濟性）標準，而是要求通用、福特和克萊斯勒建立“超級汽車”計劃。該計劃將結合政府和企業資金，共同開發一款百公里油耗為 4.6 升的汽車。^[2] 該協議最大的問題在於 80 英里/加侖這一有些武斷的里程碑目標。這一目標是可以實現的，但要求汽車製造商使用非常輕便、因此成本很高的材料。^[2] 汽車製造商成功地開發了一款百公里油耗為 4.6 升的汽車，但由於其成本過高，無法面向公眾銷售。也許設定一個更為適中的目標，就能生產出一款既能面向市場銷售、又比當時內燃機汽車節能得多的汽車。儘管如此，超級汽車計劃確實推動了替代車輛行業的發展。幾年後，豐田和本田在日本推出了混合動力汽車。他們的汽車雖然沒有超級汽車那麼省油，但仍然是內燃機汽車平均油耗的兩倍。^[2] 日本市場也更適合混合動力汽車。由於汽油價格較高、駕駛密度較高以及文化更習慣於小型汽車，豐田和本田在國內市場取得了成功。與美國市場相比，日本消費者對汽車效能的需求也較低。兩家公司都努力調整其混合動力技術，以適應美國市場。從 1999 年開始，主要是在 2000 年，美國人開始購買混合動力汽車。^[4]

混合動力汽車技術的創新

在過去 100 年中，科技的進步使各種型別的汽車變得更安全、更快、更高效且更便宜。混合動力汽車也不例外。從 1905 年的 Piper 混合動力汽車到 1990 年代的豐田普銳斯，混合動力汽車從技術突破中獲益良多。20 世紀早期混合動力汽車的一個難題是，在電力和內燃動力之間切換的方式是機械的。這種切換方式必須透過機械控制，而如今的混合動力汽車則是由微型計算機控制的。事實上，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，可以實現兩種動力來源之間的最佳控制。

電池技術是一個發展較慢的領域，並且仍然是混合動力汽車的限制因素。儘管如今混合動力汽車中的電池比以往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。電池仍然給汽車增加了相當大的重量，並且其容量受到很大限制。如前所述，電池的重量很大，這意味著必須從電池中消耗大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，吸引了那些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，混合動力汽車都是小型汽車，以儘可能地提高燃油經濟性。然而，隨著混合動力汽車希望擴大市場份額，並從內燃機汽車中分得一杯羹，製造商開始開發更大尺寸的混合動力汽車。現在，人們可以購買 SUV 混合動力汽車，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，電動汽車的行駛里程有限，需要充電站。儘管它們在某些方面比混合動力汽車更具優勢，但它們的侷限性導致它們主要服務於那些電力便宜、易於獲取且距離較短的利基市場。^[5] 這個市場的駕駛員必須高度重視減少排放，並且對長途駕駛的需求較低。此外，電動汽車還需要額外的基礎設施，例如充電站，才能方便使用。相比之下，混合動力汽車能夠搶佔部分內燃機汽車市場，因為它們不需要額外的基礎設施，而且限制條件更少。

1975 年的《能源政策與節約法》是在 1970 年代石油危機期間出臺的立法，其中包含了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。類似的政策，例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，如果汽油車跟不上步伐，新車型別就可以佔領一部分市場。汽車製造商可能會決定在替代車輛上投資更多資本。另一方面，這些政策要求汽車製造商提高其內燃機汽車的燃油經濟性，或者停止生產它們。對內燃機汽車的需求不受這些政策的影響，因此，製造商會繼續改進燃油經濟性。這將降低混合動力汽車相對於內燃機汽車的淨效益。隨著市場上出現更高效的內燃機汽車，混合動力汽車提供的燃油節省會減少。內燃機汽車的成本也可能上升，因為製造商會將這部分額外成本轉嫁給消費者。然而，像 CAFE 這樣的政策會導致高效率汽車價格下降，因為製造商會鼓勵銷售高效率汽車，以抵消低效率汽車。這對混合動力汽車的市場造成了進一步的損害。

克林頓總統採取了另一種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為 4.6 升的超級汽車。該計劃有一些好處，但最終並未直接導致國內混合動力汽車的開發，因為超級汽車材料成本過高。^[2]

混合動力汽車的發展和成熟

從下面的定量分析可以看出，美國混合動力汽車的銷量經歷了非常快速的生命週期。^[6] 如果我們把 1999 年作為美國混合動力汽車銷量誕生的年份，那麼成熟期出現在 8 年後。誕生期大約涵蓋了前 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，國家和州一級都提供各種稅收抵免措施。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。一個可能的解釋是，經銷商可能已將這些激勵措施計入價格，導致消費者沒有或幾乎沒有淨收益。^[6] 更可能的是經濟的影響，尤其是燃料價格。2004 年至 2008 年期間，美國全國燃料價格上漲，這可能在混合動力汽車的增長中發揮了重要作用。^[6] 2008 年至 2009 年期間燃料價格下降，經濟衰退導致混合動力汽車銷量下降。然而，即使 2010 年至 2012 年期間燃料價格穩步上漲，混合動力汽車銷量仍持續下降。也許這表明混合動力汽車在 2007 年就已成熟？雖然 2009 年至 2012 年期間燃料價格上漲，但美國經濟仍在衰退，影響了所有車輛的銷量。絕對需要汽車的消費者會繼續購買，但他們不太可能支付購買混合動力汽車所需的額外前期成本。

混合動力汽車的基礎設施肯定不會消失。與過去那些在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 年以來的資料可以看出這一點。像鐵路這樣的交通方式，其軌道被拆除，取而代之的是高速公路，因此經歷了快速衰落。只要高速公路繼續使用，能源問題依然存在，混合動力汽車就可能仍然是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情況是，電動汽車的改進或發現新的能源。電池技術在 100 年來幾乎沒有改進。如果這種狀況發生改變，電動汽車可能會經歷增長，導致混合動力汽車進一步衰落。無論如何，過去 100 年的歷史清楚地表明，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^[4]

資料來源：國家交通統計^[4]

年份	混合動力汽車銷量	預測銷量
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
多重R	0.98529429
R平方	0.970804838
調整後的R平方	0.968150733
標準誤差	29355.56109
觀測值	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) 是狀態度量，(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 需要估計

推匯出的迴歸方程是

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

在完成迴歸時，使用了 352863 的 K 值。這個值代表了 HEV 市場在 2007 年成熟。是否如此很難確定。自 2007 年以來，美國 HEV 銷量一直在下降。經濟衰退無疑是其中的一個因素。現在的問題是 HEV 是否會再次開始攀升並達到更高的峰值，或者 2007 年是否會保持峰值。經濟和油價等因素肯定會對此產生影響。由於沒有人能確定未來的油價會如何，因此很難斷言 HEV 市場已經達到頂峰。如果油價飛漲，HEV 銷量肯定會增加，但它們的下降也可能會因油價下降而加速。目前的趨勢表明 HEV 銷量正在緩慢但穩定地下降。這個迴歸模型假設 2007 年是美國 HEV 銷量的峰值。整體而言，替代性汽車仍然處於萌芽階段。如果 HEV 繼續下降，其他替代性汽車可能會崛起並經歷增長。然而，由於 2007 年以來下降速度相對緩慢，HEV 可能捲土重來。只有時間能證明一切。

迴歸結果表明 R 平方值為 0.9708，t 統計量為 19.125。接近 1.0 的 R 平方值和儘可能高的 t 統計量是理想的。為了獲得最理想的擬合，估算了 b 值，因此獲得了最佳的 R 平方值和 t 統計量值。曲線分析表明，該模型最初低估了銷量，然後在增長期間高估了銷量，然後在 2007 年成熟階段開始下降。與實際資料不同，該模型並未預測 2007 年峰值後的下降。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 銷量可能會因燃料價格、稅收抵免、法規和經濟等各種影響因素的變化而波動，但從 1999 年誕生到 2007 年成熟的資料代表了一種相當一致的交通模式的 S 型曲線。2007 年以來，下降趨勢有所不同，HEV 可能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 年之間增長的性質，該模型能夠生成一個相當好的擬合。隨著未來幾年資料的公佈，該模型將繼續修改。