当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病。统计表明，在80％以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40％，在市区还会跌至25％，更为严重的是排放废气污染环境。20世纪90年代以来，世界各国对改善环境的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值。专家估计在10年以内，电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力电动汽车（HEV汽车）。所谓混合动力装置，就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力。辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机，或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10％以上，废气排放可改善30％以上。

HEV汽车既要使用发动机作为动力，又要对发动机的节能和环保做出种种限制，使发动机的燃料消耗降低到最低，使发动机的有害气体排放达到“超低污染”标准的要求。要用发动机的动力来保证HEV汽车正常行驶时所需要的基本动力。采用控制发动机转速范围、降低发动机的最高转速、保持发动机稳定均衡地运转，并采取“开-关”的控制方式，使发动机避开起动、怠速和转速突然变化时，燃料燃烧不完全而引起的燃料经济性降低和增加有害废气的排放，从而控制发动机始终处于最佳状态下运转。

HEV汽车是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力，但又必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制，以减轻HEV汽车的总质量。因此，一般电动-发电机只是在HEV汽车发动机起动、车辆起动、加速或爬坡时起作用。电动-发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率的作用。电动-发电机还起发电机的作用，将发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。在HEV汽车下坡或制动时，将汽车惯性动能转换为电能，储存到电池组中去。因此，HEV汽车有了电动机的辅助作用，就可以达到节能和“超低污染”的要求。

HEV汽车在起步、行车、加速和停车时，由其控制系统自动判断和控制使用何种动力，使汽车的能源消耗和排放指标控制在最佳范围。汽车起步时，因发动机的效率低，由电动机提供动力；在信号等待时，发动机会自动停止运行，避免了怠速空转的燃油消耗。汽车在正常行驶中，控制发动机在最佳区域运行，一部分动力用于克服道路阻力，另一部分动力用于为电池充电。

当车辆起步加速或爬坡时，除机组所产生的电能通过控制设备，输往驱动车轮的电动机外，蓄电池组也同时供电给驱动车轮的电动机，以保证车辆具有足够的牵引能力。当车辆在平坦道路上作等速运行时，只需发电机组（或蓄电池组）单独提供电能驱动车辆即可。当车辆减速时，发电机组产生的电能通过控制设备，向蓄电池组充电；在车辆制动过程中，驱动车轮的电动机将转变为发电机，并通过控制设备向蓄电池充电。此种能将车辆的动能转变为电能并加以回收的制动方式，被称为“再生制动”。

HEV汽车在运行中，能向蓄电池组补充电能，因此，没有必要像电动车（电瓶车）那样，必须停歇在车库（或充电站点）内，花很长时间充电。HEV汽车具有节能、低排放、低噪声等优点，并且保持了传统的由内燃机驱动的汽车续驶里程长的固有特点。与传统内燃机汽车相比，其主要优点是采用了高功率的能量储存装置（飞轮、超级电容器或蓄电池），向汽车提供瞬时能量，可以提高效率、节省能源、降低排放，因此经济性和排放明显改善，技术经济可行性较强。较之纯电动汽车，其主要优点：续驶里程和动力性可达到内燃机汽车的水平；空调、真空助力、转向助力及其他辅助电器，可借助原动机动力，无需消耗电池组有限电能，从而保证了乘坐的舒适性；而且HEV汽车技术难度相对较小，成本也相对较低。HEV汽车介于传统汽车和纯电动汽车、燃料电池汽车之间，是一种承前启后，在经济和技术方面都趋于成熟的电动汽车产品。

HEV汽车首先在欧洲出现，引起美国各大汽车公司的注意。为了减少对石油进口的依赖，改善大气环境，达到排放标准的要求，在汽车工业领域内具有更强大的竞争力和更大的市场，必须在HEV汽车的整车和关键技术方面夺取主导地位，1993年9月，美国政府机构和美国汽车研究会及一些有关单位，共同联合成立“新一代汽车协调会（PNGV）”。美国政府通过PNGV与汽车界达成了多种合作研究、开发协议，并协调政府有关部门、国家实验室和三大汽车公司的人力、物力资源，其研究方向代表了三大汽车公司及其用户的利益。

自1995年起，世界各大汽车生产厂商已将研究的重点转向了混合动力汽车的研究开发。日本丰田汽车公司开发了混合动力轿车。美国三大汽车公司均开发了包括轿车、面包车、货车在内的混合动力汽车。目前，混合动力汽车技术及市场均被看好。日本国内拥有的混合动力电动汽车已超过7万辆，预计在2010年将达到210万辆。美国通用公司将在5年内销售100万辆混合动力汽车。目前日本丰田汽车公司是走在混合动力汽车研发前沿的公司，开发的混合动力汽车已达到实用化水平。1997年，丰田推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车；其后又在2001年相继推出了混合动力面包车和皇冠轿车。到2002年底，丰田汽车公司生产的混合动力汽车在日本国内和海外的累计销量均突破了10万辆，现在已经在全世界20多个国家上市销售。

据统计，美国市场上售出混合动力汽车接近7万辆，2002年美国的混合动力汽车市场规模达到35000辆。美国已有近20个城市在试用混合动力公共汽车。欧洲各大汽车厂商也纷纷推出了混合动力汽车。法国BE集团先后推出了贝灵格型和萨拉型混合动力汽车。排放量较同类普通汽车降低35％，一次行程可高达1000km。

20世纪90年代末期，我国开始了混合动力汽车的研发工作。1999年，清华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作，研制成功国内第一辆混合动力轻型客车。2001年底，国家863电动汽车科技攻关项目正式启动，第一批项目中主要是混合动力车，目前正在进行当中。第一汽车集团有限公司和东风汽车集团联合所在地的高校及研究所，在各自客车底盘上，研发混合驱动公共汽车和大型客车。此外，东风电动汽车公司还承担了混合动力轿车的研究开发。“十五”目标是攻克关键技术、推出新产品。主要研究内容包括：发动机、电动机、蓄电池等各种单元技术；各系统的电子控制技术，以及整车的动力系统优化与控制技术；应节省燃料50％，排放下降80％；制动能量回收技术，应能回收30％制动能量。

根据部件的种类、数量和连接关系，可以将HEV汽车的动力系统分为三种基本结构类型：串联型、并联型、混联型。其中，动力源输出功率以电力形式进行复合的称之为串联式（Serics）；以机械方式进行叠加的称之为并联式（Paralle1）；两者兼有的称之为混联式（Combmed）。

（1）串联式动力系统 采用这种动力系统，由于原动机与外界负荷没有直接联系，可以在最佳工况点附近工作，因此可以实现高效率和低排放。当汽车的功率需求较小时，APU发出的电能一部分用于驱动汽车，另一部分则给电池充电；当汽车的功率需求较大时，APU与电池组均向电动机提供电能以驱动汽车；制动时电动机充当发电机使用，将回收能量储存在电池中。可以看出，串联式的结构和工作原理都比较简单。串联式结构尤其适用于城市中常见的频繁起步加速工况和低速运行工况。在频繁起步加速时，可以使原动机在最佳工况点附近满负荷稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。起步和低速时则可以关闭原动机，仅用电池作为动力源，使原动机有效地避免了怠速和低速工况。串联式在降低排放方面的效果显著，但其燃油经济性还有待提高。这是因为虽然原动机的工况得到改善，但是经过发电机、控制器和电动机这几级功率递减，整个动力系统效率很难提高。(www.daowen.com)

（2）并联式动力系统 并联式结构中，发动机和电动机是相互独立的。在低速小功率运行时可以关闭发动机，利用电动机进行驱动；在中高速平稳运行工况时，可以只利用发动机进行驱动，此时发动机富余的功率还可以通过动力复合装置和电动机转换为电能，对电池进行充电；在高速运行或加速时，可以利用动力复合装置，将原动机和电动机的输出动力叠加。在市郊和城间运行时，汽车经常处于中高速平稳运行状态，而且对排放没有苛刻要求，并联式动力系统可以关闭效率较低、需经常对电池进行管理的电驱动部分，从而使系统具有更好的经济性。

（3）混联式动力系统 丰田普瑞斯（Prius）的动力系统发动机，通过单向离合器将动力输出到行星架，行星架按固定比例，将转矩分配到与太阳轮相连的发电机和与齿圈固连的电动机，电动机通过齿轮减速机构进行动力输出；低速和起动时发动机关闭，电动机由电池供电并输出动力；发动机运行时，视电池状态和动力需求，发电机承担发电或调速的作用；制动时，电动机和发电机均能进行制动能量回收，向电池充电。因为电动机可以在高功率需求时提供辅助动力，所以发动机被优化为具有高的燃烧效率，而不是高的峰值输出功率。

混联式结构使动力系统部件有更多的组合方式，即使在复杂的工况下，系统仍能处于良好的工作状态，更容易实现低排放和低油耗。以普瑞斯车为例，该车在日本10～15工况下，油耗仅为3.57L/100km，CO、NO_x等污染物的排放水平仅相当于日本现行法规的1/10。目前，混联式结构的研究重点是开发高性能动力复合装置、优化控制策略及降低成本。

目前，世界各国正在努力研究微型燃气轮机和燃料电池联合循环系统。例如美国能源部和西屋电器公司，在过去的十年里，为了把管式固体氧化物燃料电池（SOFC）和燃气轮机联合循环系统应用于商业市场做了很多研究工作。其中，在管式固体氧化物燃料电池方面进行的工作有：把燃料电池的发电能力由3kW提高到150kW，其工作时间长达69000h（7.9年），建立了燃料电池使用时间的世界记录。管式固体氧化物燃料电池开发项目的最终发展目标，是对加压固体氧化物燃料电池和燃气轮机联合循环进行研究，这种系统可用于分布式发电。商用固体氧化物燃料电池和燃气轮机联合循环发电效率高达60％～75％，是目前矿物燃料动力发电技术中效率最高的。

这种联合循环工作过程是：空气在压缩机中经过压缩后，进入回热器加热，然后进入燃料电池内，与天然气中的氢气进行化学反应，产生交流电和热排气。热排气进入涡轮机膨胀做功，涡轮机发出的功带动压缩机和发电机，燃料电池排气温度843℃，工作压力为300～700kPa。可以看出，其排气温度和压力均适合目前已有的燃气轮机工作。

微型燃气轮机发电机组循环效率达30％左右。为了进一步提高循环效率，一个行之有效的办法是提高燃烧室出口温度，也就是提高涡轮机入口温度。但是涡轮机入口温度的提高受到材料的限制，使其不能过高。为了克服这一矛盾，世界上一些著名的研究机构，相继开展了采用陶瓷作为燃烧室、涡轮机、回热器等热端部件材料的研究。其中，参考文献［3-5］记载了把这种材料制作成的部件用于车辆动力系统，取得了令人满意的结果。据预测，如果热端部件均采用陶瓷材料，可使循环温度进一步提高，从而使循环效率高达35％。

蓄电池的充电程度也影响到发动机燃油消耗与NO_x排放量。在充电程度高时，蓄电池的功率输出性能完善，但是输入功率性能不足。也就是说，由于不能充分回收能量，燃油经济性下降，NO_x排放量增加；反之，充电程度低时，蓄电池的输出性能下降，柴油机带动发电机的发电量增加，从而导致燃油消耗增加，NO_x排放量也增加。因此，既要保证良好的燃油经济性，又使NO_x排放量最小，通常充电程度在50％左右。所以，在串联式混合动力系统中，蓄电池的充电程度必须控制在一定范围内。

串联式混合动力系统中蓄电池充电程度的基本要求：

第一，比能量相对不足，因而成本较高。比能量值越高，汽车经济性越好。

第二，蓄电池的寿命相对较短。蓄电池寿命一般为充放电1000次左右，比整车寿命低得多。若在汽车十几年的生命周期中频繁更换蓄电池，混合动力汽车的运营成本将大大提高。

另外，蓄电池的应用还涉及到充电时间较长、电池荷电状态（SOC）判别等问题，这些都不同程度地影响整车性能。目前在混合动力电动汽车上使用的蓄电池，主要是铅酸电池、镍氢电池及锂离子电池，例如克莱斯勒ESX2采用铅酸电池，丰田Prius和本田Insight采用镍氢电池，日产Tino采用锂离子电池。