المكونات في الهجين

تعتبر السيارة الكهربائية الهجينة (PHEV) مركبة كهربائية هجينة يمكن إعادة شحن بطاريتها عن طريق توصيلها بمصدر خارجي للطاقة الكهربائية ، وكذلك من خلال محركها ومولداتها. معظم سيارات PHEV هي سيارات ركاب ، ولكن هناك أيضا نسخ PHEV من المركبات التجارية والشاحنات والشاحنات والحافلات والقطارات والدراجات النارية والدراجات البخارية والسيارات العسكرية.

وبالمثل بالنسبة لجميع السيارات الكهربائية ، فإن السيارات الكهربائية الهجينة تعمل على استبدال الانبعاثات الصادرة عن عادم السيارة إلى المولدات التي تعمل على تزويد شبكة الكهرباء بالطاقة. قد تكون هذه المولدات قابلة للتجديد ، أو قد يكون لها انبعاث أقل من محرك الاحتراق الداخلي. يمكن أن يكون شحن البطارية من الشبكة أقل تكلفة من استخدام المحرك الموجود على اللوحة ، مما يساعد على تقليل تكاليف التشغيل.

وقد تم توفير منتجات هجينة متعددة المكونات في الأسواق العامة في الصين والولايات المتحدة في عام 2010. وبحلول نهاية عام 2016 ، كان هناك أكثر من 30 طرازًا من السيارات الهجينة ذات المكونات القانونية السريعة للإنتاج المتسلسل لمبيعات التجزئة. تتوفر السيارات الهجينة القابلة للتوصيل بشكل رئيسي في الولايات المتحدة وكندا وأوروبا الغربية واليابان والصين. وكانت الموديلات الأكثر مبيعاً هي عائلة شفروليه فولت ، وميتسوبيشي أوتلاندر P-HEV ، و Toyota Prius PHV.

اعتبارًا من ديسمبر 2016 ، بلغ إجمالي المخزون العالمي من السيارات الهجينة 800،000 وحدة تقريبًا ، من أصل أكثر من مليوني سيارة كهربائية تعمل بالطاقة الشمسية على الطرق العالمية في نهاية عام 2016. بدءًا من ديسمبر 2015 ، الولايات المتحدة وقد تم تصنيفها كأكبر سوق سيارات هجينة في العالم بمخزون من 193،770 وحدة ، تلتها الصين بـ 86،580 سيارة ، هولندا بـ 78،160 ، اليابان بـ 55،470 وحدة ، والمملكة المتحدة بـ28،250.

المصطلح
يتم تحديد نطاق كهربائي كامل للهجين في المكونات عبر PHEV- [miles] أو PHEV [كيلومترات] كم والذي يمثل الرقم المسافة التي يمكن للسيارة أن تسلكها على طاقة البطارية وحدها. على سبيل المثال ، يمكن لـ PHEV-20 السفر لمسافة عشرين ميلاً (32 كم) دون استخدام محرك الاحتراق الخاص بها ، لذلك قد يتم تعيينها أيضًا على أنها PHEV32km.
ولكي تعمل هذه السيارات ببطارية ، فإنها تمر بعمليات شحن تستخدم تيارات مختلفة. تُعرف هذه التيارات باسم التيار المتناوب (AC) المستخدم في أجهزة الشحن على متن الطائرة والتيار المباشر (DC) المستخدم للشحن الخارجي.
ومن المصطلحات الشائعة الأخرى التي تستخدم أحيانًا للهجين الإضافي “الهجينة المتصلة بالشبكة” ، أو “السيارة الكهربائية المختلطة بالغاز” الاختيارية (GO-HEV) أو ببساطة “الهجينة الاختيارية التي تعمل بالغاز”. جنرال موتورز تدعو هجين شيفروليه فولت سلسلة المكونات في “سيارة كهربائية طويلة المدى”.

تقنية

المحركات
تستند PHEV على نفس البنية الأساسية الثلاثة لتوليد القوة المحورية للهجينات التقليدية. يتم دفع سلسلة هجينة بواسطة محركات كهربائية فقط ، ويتم دفع هجين مواز بواسطة محركها ومحركات كهربائية تعمل بشكل متزامن ، ويعمل هجين متوازي السلسلة في أي من الوضعين. بينما تقوم سيارة هجينة عادية بشحن البطارية من محركها فقط ، يمكن للهجين الإضافي الحصول على كمية كبيرة من الطاقة اللازمة لإعادة شحن البطارية من مصادر خارجية.

أنظمة الشحن
يمكن لشاحن البطارية أن يكون على متن المركبة أو خارج السيارة. من الأفضل شرح عملية شاحن الشحن على متن الطائرة حيث يتم تحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر ، مما يؤدي إلى شحن البطارية. أجهزة الشحن على متن السفن محدودة السعة حسب وزنها وحجمها ، وبالقدرة المحدودة لمنافذ التيار المتردد للأغراض العامة. يمكن أن تكون أجهزة الشحن المخصصة على متن الطائرات كبيرة الحجم وقوية بقدر ما يستطيع المستخدم تحملها ، ولكنها تتطلب العودة إلى الشاحن ؛ قد يتم مشاركة أجهزة الشحن عالية السرعة بواسطة مركبات متعددة.

إن استخدام عاكس المحرك الكهربائي يسمح لملفات المحرك بالعمل بمثابة ملفات المحول ، وعاكس التيار العالي الحالي مثل شاحن AC-to-DC. نظرًا لأن هذه المكونات مطلوبة بالفعل على السيارة ، وهي مصممة للتعامل مع أي قدرة طاقة عملية ، يمكن استخدامها لإنشاء شكل قوي جدًا من الشاحن على اللوحة بدون وزن أو حجم إضافي مهم. يستخدم AC AC طريقة الشحن هذه ، والمشار إليها باسم “الشحن المختزل”.

أساليب عملها
يعمل المحرك الهجين المكمّل في أوضاع استنزاف الشحن واستهلاك الطاقة. ويطلق على مجموعات من هذين الوضعين وضع المخلوط أو الوضع المختلط. يمكن تصميم هذه المركبات لتدعم نطاقًا أطول في الوضع الكهربائي بالكامل ، إما بسرعات منخفضة فقط أو بسرعات عالية.تقوم هذه الأساليب بإدارة إستراتيجية تفريغ البطارية الخاصة بالمركبة ، كما أن استخدامها له تأثير مباشر على حجم ونوع البطارية المطلوبة:

يسمح وضع استنفاد الشحن لشحن PHEV مشحون بالكامل بالعمل حصريًا (أو اعتمادًا على السيارة ، على وجه الحصر تقريبًا ، ما عدا أثناء التسارع الصلب) على الطاقة الكهربائية حتى يتم استنفاد حالة البطارية الخاصة بها إلى مستوى محدد مسبقًا ، وفي ذلك الوقت الاحتراق الداخلي للمركبة المحرك أو خلية الوقود. هذه الفترة هي مجموعة جميع السيارات الكهربائية. هذا هو الوضع الوحيد الذي يمكن أن تعمل فيه بطارية تعمل بالكهرباء ، وبالتالي نطاقها المحدود.

يصف الوضع المختلط رحلة باستخدام مجموعة من أوضاع متعددة. على سبيل المثال ، قد تبدأ السيارة رحلة في وضع استنفاد الشحن منخفض السرعة ، ثم تدخل على طريق سريعة وتعمل في الوضع المخلوط. قد يخرج السائق من الطريق السريع ويقود السيارة دون محرك الاحتراق الداخلي حتى يتم استنفاد كل المدى الكهربائي. يمكن أن تعود السيارة إلى وضع الاستمرارية للشحن حتى الوصول إلى الوجهة النهائية. يتناقض هذا مع رحلة استنزاف الشحن التي ستكون مدفوعة في حدود نطاق كهربائي كامل من PHEV.

تخزين الطاقة الكهربائية
يختلف الحجم الأمثل للبطارية اعتمادًا على ما إذا كان الهدف هو تقليل استهلاك الوقود ، أو تكاليف التشغيل ، أو الانبعاثات ، لكن دراسة حديثة خلصت إلى أن “أفضل اختيار لسعة بطارية PHEV يعتمد بشكل حاسم على المسافة التي ستقودها المركبة بين الشحنات. تشير نتائجنا إلى أنه بالنسبة لظروف القيادة في المدن والرسوم المتكررة كل 10 أميال أو أقل ، سيكون حجم PHEV منخفض السعة مع AER (كل المدى الكهربائي) من حوالي 7 أميال خيارًا قويًا لتقليل استهلاك البنزين والتكلفة وغازات الدفيئة إلى الحد الأدنى. بالنسبة إلى الشحن الأقل شيوعًا ، كل 20 إلى 100 ميل ، تصدر PHEVs عددًا أقل من غازات الدفيئة ، ولكن HEVs أكثر فعالية من حيث التكلفة. ”

تحتاج أنظمة PHEV عادة إلى دورات شحن وتفريغ أعمق من البطاريات مقارنة بالهجن التقليدية. نظرًا لأن عدد الدورات الكاملة يؤثر على عمر البطارية ، فقد يكون ذلك أقل من معدل HEVs التقليدي الذي لا يستنفد بطارياتها تمامًا. ومع ذلك ، يجادل بعض المؤلفين بأن PHEV ستصبح قريباً قياسية في صناعة السيارات. يجب حل مشكلات التصميم والمفاضلات ضد عمر البطارية والقدرة وتبديد الحرارة والوزن والتكاليف والسلامة. ويجري تطوير تقنية متقدمة للبطارية ، مما يعني زيادة كثافة الطاقة من حيث الكتلة والحجم ، ومن المتوقع أن يزيد العمر المتوقع للبطارية.

تصنع كاثودات بعض بطاريات الليثيوم أيون المبكرة عام 2007 من أكسيد فلز الليثيوم- الكوبالت. هذه المادة باهظة الثمن ، والخلايا المصنوع منها يمكن أن تطلق الأكسجين إذا تم تقاضيه. إذا تم استبدال الكوبالت بفوسفات الحديد ، فإن الخلايا لن تحرق أو تطلق الأكسجين تحت أي شحنة. في بداية عام 2007 أسعار البنزين والكهرباء ، يتم الوصول إلى نقطة التعادل بعد ست إلى عشر سنوات من التشغيل. قد تكون فترة الاسترداد أطول بالنسبة للهجين الإضافي ، بسبب البطاريات الأكبر والأكثر تكلفة.

يمكن إعادة تدوير بطاريات هيدريد النيكل والليثيوم – أيون ؛ على سبيل المثال ، لدى تويوتا برنامج لإعادة التدوير في المكان الذي يحصل بموجبه المتداولون على ائتمان قدره 200 دولار أمريكي لكل بطارية يتم إرجاعها. ومع ذلك ، عادةً ما تستخدم محركات الهجينة الإضافية حزم بطاريات أكبر من الهجينة التقليدية المماثلة ، وبالتالي تتطلب المزيد من الموارد. واقترحت شركة Pacific Gas and Electric Company (PG & amp؛ E) أن المرافق يمكن أن تشتري بطاريات مستعملة لأغراض النسخ الاحتياطي والتسوية. ويذكرون أنه على الرغم من أن هذه البطاريات المستعملة لم تعد صالحة للاستخدام في المركبات ، فإن سعتها المتبقية تظل ذات قيمة كبيرة. وفي الآونة الأخيرة ، قالت جنرال موتورز (GM) إنها “اتصلت بها المرافق المهتمة باستخدام بطاريات فولت المعاد تدويرها كنظام تخزين للطاقة ، وهو سوق ثانوي يمكن أن يخفض تكلفة فولت وغيرها من المركبات الإضافية للمستهلكين” .

تستخدم المكثفات الفائقة (أو “المكثفات الفائقة”) في بعض المركبات الهجينة ، مثل النموذج الأولي للمفهوم AFS Trinity ، لتخزين الطاقة المتاحة بسرعة بكثافة طاقة عالية ، من أجل الحفاظ على البطاريات ضمن حدود تسخين مقاومة آمنة وإطالة عمر البطارية. يجمع UltraBattery من CSIRO بين supercapacitor وبطارية حامض الرصاص في وحدة واحدة ، وخلق بطارية سيارة هجينة تستمر لفترة أطول ، وتكاليف أقل وأكثر قوة من التقنيات الحالية المستخدمة في المركبات الكهربائية الهجينة الموصلة (PHEVs).

تحويلات مركبات الإنتاج
هناك العديد من الشركات التي تقوم بتحويل المركبات غير الهجينة للوقود الأحفوري إلى مركبات هجينة تعمل بالكهرباء:

عادة ما يتضمن تحويل ما بعد البيع من هجين الإنتاج الحالي إلى هجين التوصيل (Plug-in) زيادة سعة حزمة بطارية المركبة وإضافة شاحن AC-to-DC على اللوحة. من الناحية المثالية ، سيتم إعادة برمجة برنامج توليد القوة في السيارة لتحقيق أقصى استفادة من سعة تخزين الطاقة الإضافية في البطارية وحجم الطاقة.

وقد استندت العديد من تحويلات السيارات الكهربائية الهجينة المبكرة في المكونات على سيارة تويوتا بريوس. وقد تضمنت بعض الأنظمة استبدال مجموعة بطاريات NiMH الأصلية الخاصة بالمركبة ووحدة التحكم الإلكترونية الخاصة بها. يقوم الآخرون بإضافة بطارية إضافية إلى حزمة البطارية الأصلية.

مقارنة مع الهجينة غير المكونات في

كفاءة الوقود والنفايات البترولية
تتميز المحركات الهجينة القابلة للإنشائية بالكفاءة حتى تكون أكثر كفاءة من الهجينة التقليدية لأن الاستخدام المحدود لمحرك الاحتراق الداخلي في PHEV قد يسمح باستخدام المحرك في أقرب وقت إلى أقصى كفاءة. في حين أن من المرجح أن يحول بريوس الوقود إلى طاقة دافعة بمتوسط ​​كفاءة تبلغ حوالي 30٪ (أقل بكثير من ذروة كفاءة المحرك بنسبة 38٪) ، فمن المرجح أن يعمل محرك PHEV-70 بشكل أكثر قربًا من ذروة كفاءته ؛ يمكن أن تخدم البطاريات احتياجات الطاقة المتواضعة في الأوقات التي يكون فيها محرك الإحتراق مضطرًا للتشغيل بشكل جيد أدنى من ذروة كفاءته. تعتمد الكفاءة الفعلية التي يتم تحقيقها على الخسائر الناتجة عن توليد الكهرباء ، التحويل ، شحن / تفريغ البطارية ، وحدة التحكم في المحرك والمحرك نفسه ، طريقة استخدام السيارة (دورة التشغيل) ، وفرص إعادة الشحن عن طريق التوصيل بالشبكة الكهربائية.

كل كيلوواط / ساعة من سعة البطارية المستخدمة سوف تستهلك ما يصل إلى 50 غالونا من الولايات المتحدة (190 لتر ؛ 42 غرام غال) من الوقود البترولي في السنة (البنزين أو وقود الديزل). أيضا ، الكهرباء متعددة المصادر ، ونتيجة لذلك ، فإنه يعطي أكبر قدر من مرونة الطاقة.

يعتمد الاقتصاد الفعلي للوقود الخاص بـ PHEV على أوضاع تشغيل مجموعة المحركات الخاصة بها ، ونطاقها الكهربائي بالكامل ، وكمية القيادة بين الشحنات. إذا لم يتم استخدام البنزين ، فإن الأميال لكل غسول للبنزين (MPG-e) يعتمد فقط على كفاءة النظام الكهربائي. أول إنتاج ضخم لـ PHEV متوفر في سوق الولايات المتحدة ، شفروليه فولت 2011 ، مع مجموعة كهربائية من EPA تبلغ 35 ميلاً (56 كم) ، ونطاق إضافي إضافي للبنزين يمتد لمسافة 344 ميل (554 كم) له وكالة حماية البيئة الاقتصاد في استهلاك الوقود في المدن / الطرق السريعة 93 ميجابيكسل في الوضع الكهربائي الكامل ، و 37 ميل / جالون أمريكي (6.4 لتر / 100 كم ، 44 ميل / جالون) في وضع البنزين فقط ، لتصنيف اقتصاد الوقود الكهربائي المشترك من 60 ميلا في الغرام ‑ الولايات المتحدة (3.9 لتر / 100 كلم ؛ 72 ميلا في الغرام ‑ عفريت) ما يعادل (MPG-e). وقد أدرجت وكالة حماية البيئة أيضًا في ملصق فولت الخاص بوقود الوقود ، وهو جدول يوضح استهلاك الوقود والكهرباء المستهلكة لخمسة سيناريوهات مختلفة: 30 و 45 و 60 و 75 ميلاً (121 كم) مدفوعة بين الشحن الكامل ، وسيناريو لا يفرض رسومًا مطلقًا. ووفقًا لهذا الجدول ، يرتفع معدل استهلاك الوقود إلى 168 ميلاً للغاز ‑ الولايات المتحدة (1.40 ليتر / 100 كلم ؛ 202 ميلا في الغالون) ، مع 45 ميلاً (72 كم) مدفوعةً بين الشحنات الكاملة.

من أجل التسمية الأكثر شمولية للاقتصاد في استهلاك الوقود والبيئة التي ستكون إلزامية في الولايات المتحدة بدءًا من طراز عام 2013 ، أصدرت الإدارة الوطنية للسلامة على الطرق السريعة (NHTSA) ووكالة حماية البيئة (EPA) علامتين منفصلتين لاقتصاديات الوقود للهيكل الإضافي من تعقيد تصميمها ، حيث يمكن أن تعمل PHEVS في وضعين أو ثلاثة أوضاع تشغيل: كلها تعمل بالكهرباء والمخلوطة والبنزين فقط. أحد الملصقات هو للمركبة الكهربائية الهجينة أو ذات المدى البعيد (مثل سيارة تشيفي فولت) ، مع جميع الأساليب الكهربائية والبنزين فقط ؛ والعلامة الثانية للأسلوب الممزوج أو الهجين المتسلسل المتوازي ، والذي يتضمن توليفة من كل من البنزين والتشغيل الكهربائي في المكونات ؛ والبنزين فقط ، مثل سيارة هجينة تقليدية.

طورت جمعية مهندسي السيارات (SAE) ممارساتها الموصى بها في عام 1999 لفحصها والإبلاغ عن اقتصاد الوقود للمركبات الهجينة وتضمنت لغة لمعالجة PHEVs. تعمل لجنة SAE حاليًا على مراجعة إجراءات اختبار والإبلاغ عن اقتصاد الوقود في PHEVs. قام صندوق تورونتو الجوي باختبار عشر مركبات هجينة تم تركيبها بشكل متجانس والتي حققت معدل 5.8 لتر لكل 100 كيلومتر أو 40.6 ميل للغالون على مدى ستة أشهر في عام 2008 ، والذي كان يعتبر أقل من إمكانات التكنولوجيا.

في اختبار العالم الحقيقي باستخدام برامج التشغيل العادية ، قد لا تحقق بعض تحويلات Priirus PHEV تحقيق اقتصاد وقود أفضل بكثير من HEVs. على سبيل المثال ، بلغ متوسط ​​أسطول بريوس الإضافي ، كل منها على بعد 30 ميلاً (48 كم) من الكهرباء بالكامل ، 51 ميلاً فقط في الغالبية الأمريكية (4.6 لتر / 100 كلم ؛ 61 ميلا في الغالون) في 17000 ميل (27،000 كم) ) اختبار في سياتل ، ونتائج مماثلة مع نفس النوع من نماذج بطارية التحويل في مبادرة RechargeIT من Google. علاوة على ذلك ، تبلغ تكلفة حزمة البطارية الإضافية 10،000 دولار أمريكي – 11000 دولار أمريكي.

تكاليف التشغيل
قامت دراسة قام بها في عام 2014 باحثون من جامعة لامار وجامعة ولاية آيوا ومختبر أوك ريدج الوطني بمقارنة تكاليف التشغيل للمركبات الكهربائية الهجينة (PHEVs) ذات النطاقات الكهربائية المختلفة (10 و 20 و 30 و 40 ميلاً) مع الطرق التقليدية مركبات البنزين والمركبات الهجينة الكهربائية (HEVs) لفترات الاسترداد المختلفة ، مع الأخذ في الاعتبار مستويات مختلفة لنشر البنية التحتية للشحن وأسعار البنزين. خلصت الدراسة إلى:

توفر منتجات PHEV حوالي 60 ٪ أو 40 ٪ في تكاليف الطاقة ، مقارنة مع مركبات البنزين التقليدية و HEVs ، على التوالي. ومع ذلك ، بالنسبة للسائقين الذين يمتلكون عددًا كبيرًا من المركبات اليومية التي يتم السفر إليها (DVMT) ، قد تكون السيارات الهجينة خيارًا أفضل من المركبات الهجينة التي تعمل بالكهرباء مع نطاق يصل إلى 40 ميل (64 كم) ، خاصةً عند الافتقار إلى البنية التحتية العامة للشحن.
من الصعب تبرير التكلفة الإضافية للبطاريات للهجين ذي المكونات الكبيرة للبطاريات على أساس الوفورات المتزايدة لتكاليف التشغيل الخاصة بـ PHEVs ما لم يتم تقديم دعم للـ PHEVs ذات البطارية الكبيرة.
عندما يرتفع سعر البنزين من 4 دولارات للغالون الواحد إلى 5 دولارات لكل غالون ، فإن عدد السائقين الذين يستفيدون من بطارية أكبر يزداد بشكل كبير. إذا كان سعر الغاز هو 3 دولارات أمريكية ، فإن أحد المكونات الإضافية المهجنة التي يتراوح مداها 10 ميل (16 كم) هو أقل الخيارات تكلفة حتى لو كانت تكلفة البطارية 200 دولار / كيلووات في الساعة.
على الرغم من أن أجهزة الشحن السريعة يمكن أن تقلل من وقت الشحن ، إلا أنها لا تساهم كثيرًا في توفير تكاليف الطاقة في أجهزة PHEV ، على عكس أجهزة الشحن من المستوى الثاني.

تكلفة البطاريات
تشمل عيوب المكونات الهجينة الإضافية التكلفة والوزن والحجم الإضافي لحزمة البطارية الأكبر حجمًا. وفقًا لدراسة أجراها المجلس القومي للبحوث في عام 2010 ، تبلغ تكلفة بطارية أيونات الليثيوم حوالي 1،700 دولار / كيلوواط • الطاقة المستهلكة ، مع الأخذ في الاعتبار أن PHEV-10 يتطلب حوالي 2.0 كيلو وات • ساعة و PHEV-40 حوالي 8 كيلو واط • ساعة ، تبلغ التكلفة التقديرية لمصنع بطارية PHEV-10 حوالي 3000 دولار أمريكي وترتفع إلى 14000 دولار أمريكي من أجل PHEV-40. وفقًا للدراسة نفسها ، على الرغم من أنه من المتوقع أن تنخفض التكاليف بنسبة 35٪ بحلول عام 2020 ، فمن المتوقع أن يكون تغلغل السوق بطيئًا ومن ثم لا يتوقع أن تؤثر أنشطة PHEV بشكل كبير على استهلاك النفط أو انبعاثات الكربون قبل عام 2030 ، ما لم يكن هناك اختراق جوهري في تقنيات البطاريات. يحدث.

وفقًا لدراسة NRC لعام 2010 ، على الرغم من أن ميلًا مدفوعًا على الكهرباء أرخص من ميل واحد على البنزين ، إلا أن توفير الوقود على مدى الحياة لا يكفي لتعويض التكاليف الإضافية العالية ، وسوف يستغرق الأمر عدة عقود قبل الوصول إلى نقطة التعادل. علاوة على ذلك ، من المرجح أن تكون هناك حاجة لمئات المليارات من الدولارات من الإعانات والحوافز الحكومية لتحقيق اختراق سريع لسوق المكونات الإضافية في الولايات المتحدة.

مقارنة التكلفة بين PHEV-10 و PHEV-40
(أسعار 2010)
توصيل في
اكتب من قبل 
نطاق EV
مماثل 
إنتاج 
نموذج
نوع من
نظام الدفع
الصانع 
تكلفة إضافية 
مقارنة مع التقليدية 
غير مختلط متوسطة الحجم
التكلفة المتوقعة 
من حزمة البطارية
تكلفة 
نظام كهربائي 
الترقية في المنزل
متوقع 
بنزين 
مدخرات
مقارنة 
إلى HEV
سنوي 
بنزين 
مدخرات 
مقارنة 
إلى HEV(2)
PHEV 10 بريوس بلج إن(1) موازى الولايات المتحدة $ 6300 الولايات المتحدة $ 3300 أكثر من 1000 دولار أمريكي 20٪ 70 غالون
PHEV 40 تشيفي فولت سلسلة الولايات المتحدة $ 18،100 الولايات المتحدة $ 14،000 أكثر من 1000 دولار أمريكي 55٪ 200 غالون
ملاحظات: (1) ينظر إلى تقنية HEV المستخدمة في تويوتا بريوس مع أكبر بطارية. يقدر النطاق الكهربائي الكامل للموصلية من Prius بـ 14.5 ميل (23 كم) 
(2) على افتراض 15000 ميل في السنة.

أشارت دراسة أجراها المجلس الأمريكي عن الاقتصاد في استهلاك الطاقة لعام 2013 إلى أن تكاليف البطاريات قد انخفضت من 1300 دولار لكل كيلوواط في عام 2007 إلى 500 دولار لكل كيلوواط في عام 2012. وقد حددت وزارة الطاقة الأمريكية أهداف التكلفة لأبحاث البطارية التي ترعاها. 300 دولار أمريكي لكل كيلوواط ساعي في عام 2015 و 125 دولارًا أمريكيًا لكل كيلوواط ساعي بحلول عام 2022. إن تخفيض التكلفة من خلال التقدم في تكنولوجيا البطاريات وزيادة حجم الإنتاج سيسمح للمركبات الكهربائية الإضافية أن تكون أكثر قدرة على المنافسة مع محركات الاحتراق الداخلي التقليدية.

وجدت دراسة نشرها مركز بيلفر ، جامعة هارفارد في عام 2011 ، أن تكاليف توفير الوقود للسيارات الكهربائية الموصلة على مدى عمر المركبات لا تعوض ارتفاع أسعار الشراء. وقد قُدرت هذه النتيجة بمقارنة القيمة الحالية الصافية للعمر في عام 2010 عند شراء وتكاليف التشغيل للسوق الأمريكية ، وافتراض عدم وجود أي من الفروع الحكومية. ووفقًا لتقديرات الدراسة ، فإن PHEV-40 هو أكثر تكلفة من محرك احتراق داخلي تقليدي هو 5،377 دولارًا أمريكيًا ، في حين أن السيارة الكهربائية للبطارية (BEV) تبلغ 4819 دولارًا أمريكيًا أكثر تكلفة. كما درست الدراسة كيف سيتغير هذا التوازن خلال السنوات العشر إلى العشرين القادمة ، على افتراض أن تكاليف البطاريات ستنخفض مع زيادة أسعار البنزين. في إطار السيناريوهات المستقبلية التي تم دراستها ، وجدت الدراسة أن سيارات BEV ستكون أقل تكلفة من السيارات التقليدية (من 1،155 دولار أمريكي إلى 7181 دولار أمريكي) ، في حين أن PHEVs ستكون أغلى من BEVs في جميع سيناريوهات المقارنة تقريبًا ، وأقل تكلفة من السيارات التقليدية في سيناريو مع تكاليف البطارية منخفضة للغاية وارتفاع أسعار البنزين. إن BEVs أبسط للبناء ولا تستخدم الوقود السائل ، بينما PHEVs لديها محركات أكثر تعقيدا ولا تزال لديها محركات تعمل بالبنزين.

تحولت الانبعاثات إلى محطات كهربائية
ومن المتوقع حدوث تلوث متزايد في بعض المناطق باعتماد PHEVs ، ولكن معظم المناطق ستشهد انخفاضاً. وتتنبأ دراسة من ACEEE بأن استخدام PHEV على نطاق واسع في المناطق التي تعتمد على الفحم بشكل كبير سيؤدي إلى زيادة في انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت المحلي وانبعاثات الزئبق ، نظراً لمستويات الانبعاثات من معظم محطات الفحم التي تزود الطاقة حاليًا بالشبكة. على الرغم من أن تكنولوجيات الفحم النظيف يمكن أن تخلق محطات توليد طاقة تزود طاقة الشبكة من الفحم دون أن تصدر كميات كبيرة من هذه الملوثات ، فإن التكلفة الأعلى لتطبيق هذه التقنيات قد تزيد من سعر الكهرباء المولدة بالفحم. يعتمد التأثير الصافي على التلوث على مصدر الوقود للشبكة الكهربائية (الأحفوري أو المتجدد ، على سبيل المثال) وملف التلوث في محطات الطاقة نفسها. قد يكون تحديد وتنظيم ورفع مستوى مصدر التلوث من نقطة واحدة مثل محطة توليد الطاقة الكهربائية – أو استبدال محطة بالكامل – أكثر عملية. من منظور صحة الإنسان ، قد يعتبر تحويل التلوث بعيداً عن المناطق الحضرية الكبيرة ميزة كبيرة.

ووفقًا لدراسة أجرتها الأكاديمية الوطنية للعلوم في عام 2009 ، “أظهرت السيارات الهجينة التي تعتمد على المركبات الكهربائية والمكونات التي تعتمد على الشبكات ارتفاعًا غير مألوفًا إلى حد ما عن العديد من التقنيات الأخرى”. تتأثر كفاءة هجينة المكونات أيضًا بالفعالية الكلية لنقل الطاقة الكهربائية. وقدرت الخسائر في النقل والتوزيع في الولايات المتحدة الأمريكية بنسبة 7.2 في المائة في عام 1995 و 6.5 في المائة في 2007. وبحسب تحليل دورة حياة انبعاثات تلوث الهواء ، تعد مركبات الغاز الطبيعي في الوقت الراهن هي أقل نقطة إنبعاثات.

هيكل معدل المستويات للفواتير الكهربائية
يمكن للاستهلاك الكهربائي الإضافي لإعادة شحن المركبات الإضافية دفع العديد من الأسر في المناطق التي لا تحتوي على تعريفات خارج الذروة إلى مستويات أعلى وأسعار منافسة مالية. يمكن للعملاء تحت هذه التعريفات رؤية وفورات كبيرة من خلال توخي الحذر حول متى تم شحن السيارة ، على سبيل المثال ، باستخدام جهاز توقيت لتقييد الشحن إلى ساعات خارج أوقات الذروة. وبالتالي ، فإن المقارنة الدقيقة للفوائد تتطلب من كل أسرة أن تقيِّم مستواها الحالي من التعريفات الكهربائية والتعرفة المقيَّسة مقابل تكلفة البنزين والتكلفة التشغيلية الفعلية الملاحظة لتشغيل المركبات الكهربائية.

انبعاثات غازات الاحتباس الحراري
تأثير PHEVs على انبعاثات الاحتباس الحراري معقد. لا تقوم المركبات الهجينة الموصِّلَة التي تعمل في وضع كهربائي كامل بإصدار أي من الملوثات العائمة الضارة من مصدر الطاقة على متن الطائرة. عادة ما تكون منافع الهواء النظيف محلية لأن اعتمادها على مصدر الكهرباء المستخدمة لإعادة شحن البطاريات ، يتم تحويل انبعاثات ملوثات الهواء إلى موقع محطات التوليد. وبنفس الطريقة ، لا تصدر PHEVs غازات الدفيئة من مصدر الطاقة على متن الطائرة ، ولكن من وجهة نظر تقييم للعجلة ، يعتمد مدى المنفعة أيضًا على الوقود والتكنولوجيا المستخدمة لتوليد الكهرباء. من منظور تحليل دورة الحياة الكاملة ، يجب توليد الكهرباء المستخدمة لإعادة شحن البطاريات من مصادر انبعاث صفر مثل الطاقة المتجددة (مثل طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية أو الطاقة الكهرومائية) أو الطاقة النووية للـ PEVs ليس لها أي شيء تقريباً إلى انبعاثات العجلات. من ناحية أخرى ، عندما يتم إعادة شحن PEVs من المصانع التي تعمل بالفحم ، فإنها تنتج عادة انبعاثات غازات الدفيئة أكثر قليلاً من مركبات محرك الاحتراق الداخلي. في حالة السيارة الكهربائية الهجينة التي تعمل بالبطارية عند التشغيل في الوضع الهجين بمساعدة محرك الاحتراق الداخلي ، تكون العادم والانبعاثات المسببة للاحتباس الحراري أقل بالمقارنة مع السيارات التقليدية بسبب اقتصاد الوقود الأعلى.

دورة حياة الطاقة وتقييمات الانبعاثات

أرجون
في عام 2009 ، قام الباحثون في مختبر أرغون الوطني بتكييف نموذج GREET الخاص بهم لإجراء تحليل كامل للعجلات (WTW) لاستخدام الطاقة وانبعاثات غازات الدفيئة (GHG) للمركبات الكهربائية الهجينة الموصلة بالكهرباء للعديد من السيناريوهات ، مع الأخذ في الاعتبار اختلافها على متن الطائرة الوقود ومختلف مصادر توليد الكهرباء لإعادة شحن بطاريات السيارة. تم اختيار ثلاث مناطق أمريكية للتحليل ، كاليفورنيا ، نيويورك ، وإلينوي ، حيث أن هذه المناطق تشمل المناطق الحضرية الكبرى مع وجود اختلافات كبيرة في خليط توليد الطاقة. كما تم الإبلاغ عن نتائج تحليل الدورة الكاملة لجيل توليد الطاقة الكهربائية المتجددة في الولايات المتحدة لفحص حالات الخلطات المتوسطة والنظيفة ، على التوالي أظهرت دراسة 2009 هذه انتشارًا واسعًا لاستخدام البترول وانبعاثات غازات الدفيئة بين مختلف تكنولوجيات إنتاج الوقود وخلائط توليد الشبكة. يلخص الجدول التالي النتائج الرئيسية:

PHEV well-to-wheels استخدامات الطاقة البترولية وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري
للحصول على نطاق كهربائي بالكامل يتراوح بين 10 و 40 ميلاً (16 و 64 كم) مع أنواع مختلفة من الوقود. (1)
(كنسبة مئوية بالنسبة لمركبة محرك الاحتراق الداخلي التي تستخدم البنزين الوقود الأحفوري)
تحليل البنزين المعدل
وانخفاض ديزل الكبريت
E85 الوقود من
الذرة والبدنج
خلية الوقود
هيدروجين
خفض استخدام الطاقة البترولية 40-60٪ 70-90٪ أكثر من 90٪
خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري (2) 30-60٪ 40-80٪ 10-100٪
المصدر: مركز بحوث النقل ، مختبر أرغون الوطني (2009). انظر الجدول 1. ملاحظات: (1) محاكاة لعام 2020 
مع نموذج PHEV لعام 2015. (2) لا توجد تغييرات مباشرة أو غير مباشرة في استخدام الأراضي مدرجة في تحليل WTW لخامات تغذية الكتلة البيولوجية.

وجدت دراسة أرجون أن PHEVs عرضت تخفيضات في استخدام الطاقة البترولية مقارنة بالمركبات الكهربائية الهجينة العادية. تحقق المزيد من وفورات الطاقة البترولية والمزيد من تخفيضات انبعاثات غازات الدفيئة مع ازدياد النطاق الكهربائي بالكامل ، باستثناء عندما كانت الكهرباء المستخدمة لإعادة الشحن تهيمن عليها توليد الطاقة بالفحم أو النفط. كما هو متوقع ، أدركت الكهرباء من المصادر المتجددة أكبر تخفيضات في استخدام الطاقة البترولية وانبعاثات غازات الدفيئة لجميع مركبات PHEV حيث ازداد النطاق الكهربائي بالكامل. وخلصت الدراسة أيضا إلى أن مركبات التوصيل التي تستخدم الوقود المستند إلى الكتلة الحيوية (الكتلة الحيوية – E85 والهيدروجين) قد لا تحقق منافع انبعاثات غازات الدفيئة على الهجينة العادية إذا كانت مصادر الحفريات هي المسيطرة على توليد الطاقة.

أوك ريدج
قامت دراسة قام بها باحثون في مختبر أوك ريدج الوطني في عام 2008 بتحليل استخدام النفط وانبعاثات غازات الدفيئة (GHG) للهجينات ذات المكونات في المكونات إلى المركبات الكهربائية الهجينة في ظل سيناريوهات عدة لسنوات 2020 و 2030. نظرت الدراسة في مزيج مصادر الطاقة في 13 ولاية أمريكية. المناطق التي سيتم استخدامها خلال إعادة شحن المركبات ، وهي عادة مزيج من الفحم والغاز الطبيعي والطاقة النووية ، وإلى طاقة أقل للطاقة المتجددة. وقد توصلت دراسة أجريت عام 2010 في مختبر أرغون الوطني إلى نتائج مماثلة ، وخلصت إلى أن PHEVs ستقلل من استهلاك النفط ولكن يمكن أن تنتج انبعاثات غازات الدفيئة مختلفة جدا لكل منطقة اعتمادا على مزيج الطاقة المستخدم لتوليد الكهرباء لإعادة شحن المكونات الهجينة.

وكالة حماية البيئة
في أكتوبر 2014 ، نشرت وكالة حماية البيئة الأمريكية طبعة 2014 من تقريرها السنوي “تكنولوجيا السيارات الخفيفة ، انبعاثات ثاني أكسيد الكربون واتجاهات الاقتصاد في استهلاك الوقود”. للمرة الأولى ، يقدم التقرير تحليلاً لأثر مركبات الوقود البديلة ، مع التركيز على المركبات الكهربائية التي تعمل بالكهرباء ، نظرًا لأن حصتها في السوق تقترب من 1٪ ، بدأت PEVs تؤثر بشكل ملموس على الوقود العام الجديد للمركبة الأمريكية. الاقتصاد وانبعاثات CO2.

تضمن تقرير وكالة حماية البيئة تحليل 12 سيارة ركاب كهربائية بالكامل و 10 سيارات هجينة قابلة للتوصيل في السوق كنموذج عام 2014. ولأغراض تقدير دقيق للانبعاثات ، أخذ التحليل في الاعتبار الاختلافات في التشغيل بين تلك PHEVs مثل شيفروليه فولت التي يمكنها العمل في وضع كهربائي بالكامل دون استخدام البنزين ، وتلك التي تعمل في وضع مخلوط مثل سيارة تويوتا بريوس PHV ، التي تستخدم الطاقة المخزنة في البطارية والطاقة من خزان البنزين لدفع السيارة ، ولكن يمكن تقديم قيادة كهربائية كبيرة في الوضع المخلوط. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن النطاق الكهربي الكامل للهجينة المدمجة يعتمد على حجم حزمة البطارية ، فقد أدخل التحليل عاملًا مساعدًا كإسقاط ، في المتوسط ​​، لنسبة الأميال التي سيتم تحريكها باستخدام الكهرباء (بالكهرباء فقط والمزج وسائط) من قبل السائق في المتوسط. يوضح الجدول التالي إجمالي اقتصاد الوقود / الوقود الهجين المعبر عنه من حيث الأميال لكل جالون مكافئ للبنزين (mpg-e) وعامل المنفعة لعشاق الهجين العشرة MY2014 المتوفرة في سوق الولايات المتحدة. استخدمت الدراسة عامل المنفعة (حيث أنه في وضع EV الخالص لا توجد انبعاثات عوادم) وتقدير EPA الأفضل لانبعاثات عوادم CO2 التي تنتجها هذه المركبات في مدينة العالم الحقيقي وتشغيل الطرق السريعة بناءً على منهجية التسمية لـ EPA 5-cycle ، باستخدام مدينة مرجحة بنسبة 55٪ / 45٪ على الطرق السريعة. النتائج موضحة في الجدول التالي.

بالإضافة إلى ذلك ، كانت وكالة حماية البيئة مسؤولة عن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن إنتاج وتوزيع الكهرباء اللازمة لشحن PHEVs. وبما أن إنتاج الكهرباء في الولايات المتحدة يختلف اختلافاً كبيراً من منطقة إلى أخرى ، فقد نظرت وكالة حماية البيئة في ثلاثة سيناريوهات / نطاقات مع الطرف المنخفض للنطاق المقابل لعامل انبعاث قوة المحرك في ولاية كاليفورنيا ، وسط المدى الذي يمثله معامل انبعاث متوسط ​​قدرة المحرك الوطني ، والجزء العلوي من النطاق المقابل لعامل انبعاث powerplant Rockies. وتقدر وكالة حماية البيئة أن معامل انبعاث غازات الدفيئة الكهربائية في مناطق مختلفة من البلد يختلف من 346 جم CO2 / kW-hr في كاليفورنيا إلى 986 جم CO2 / kW-hr في جبال الروكي ، بمتوسط ​​وطني يبلغ 648 جم CO2 / kW-hr . يوضح الجدول التالي انبعاثات العادم والانبعاثات المشتركة والانبعاثات المنبعثة لكل واحد من 10 PHY 2014 المتاحة في سوق الولايات المتحدة.

المكتب الوطني للبحوث الاقتصادية
يستخدم معظم تحليل الانبعاثات متوسط ​​معدلات الانبعاثات عبر المناطق بدلاً من التوليد الهامشي في أوقات مختلفة من اليوم. لا يأخذ النهج السابق في الحسبان مزيج التوليد في أسواق الكهرباء المترابطة وتحويل ملفات التعريف على مدار اليوم. طور تحليل لثلاثة خبراء اقتصاديين تابعين للمكتب الوطني للبحوث الاقتصادية (NBER) ، نشر في نوفمبر 2014 ، منهجية لتقدير انبعاثات هامشية من الطلب على الكهرباء التي تختلف حسب الموقع والوقت من اليوم في جميع أنحاء الولايات المتحدة. استخدمت الدراسة بيانات الانبعاثات والاستهلاك من عام 2007 حتى عام 2009 ، واستخدمت مواصفات شفروليه فولت (جميع أنواع الكهرباء التي يبلغ طولها 35 ميل (56 كم)). وجد التحليل أن معدلات الانبعاثات الهامشية أكبر من ثلاثة أضعاف في الغرب الأوسط الأعلى مقارنةً بغرب الولايات المتحدة ، وضمن المناطق ، تكون المعدلات لبضع ساعات من اليوم أكثر من ضعفي تلك الخاصة بالآخرين. بتطبيق نتائج التحليل الهامشي للمركبات الكهربائية ، اكتشف باحثو NBER أن انبعاثات الشحن PEVs تختلف حسب المنطقة وساعات اليوم. في بعض المناطق ، مثل غرب الولايات المتحدة وتكساس ، تكون انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل ميل من قيادة سيارات PEV أقل من تلك الناتجة عن قيادة سيارة هجينة. ومع ذلك ، في مناطق أخرى ، مثل منطقة الغرب الأوسط العليا ، فإن الشحن خلال الساعات الموصى بها من منتصف الليل حتى الساعة 4 صباحًا يعني أن PEVs تولد المزيد من الانبعاثات لكل ميل من متوسط ​​السيارة الحالية على الطريق. تظهر النتائج توترا أساسيا بين إدارة حمولة الكهرباء والأهداف البيئية حيث أن ساعات أقل تكلفة إنتاج الكهرباء تميل إلى أن تكون الساعات ذات أكبر انبعاثات. يحدث هذا بسبب استخدام الوحدات التي تعمل بالفحم ، والتي لديها معدلات أعلى للانبعاثات ، الأكثر شيوعًا لتلبية الطلب على الكهرباء في مستوى القاعدة وخارج الذروة ؛ في حين أن وحدات الغاز الطبيعي ، التي لديها معدلات انبعاثات منخفضة نسبياً ، غالباً ما يتم جلبها عبر الإنترنت لتلبية الطلب في أوقات الذروة. هذا النمط من تبديل الوقود يفسر سبب ميل معدلات الانبعاثات إلى الارتفاع ليلاً وأقل خلال فترات ذروة الطلب في الصباح والمساء.