امروزه استفاده از خودروهای الكتریكی كه در آن ها موتور الكتریكی به تنهایی نیروی پیشران را تولید می كند مرسوم نشده است. اولین عامل هزینه بسیار بالای تولید این خودروها می باشد كه باعث افزایش قیمت آن ها می گردد. علاوه بر این این خودروها به ازای هر بار شارژ شدن مسافت كمی را طی می كنند. از طرف دیگر مدت زمان لازم برای شارژ باطری در این خودروها بسیار زیاد است كه استفاده از این خودرو ها را نسبت به خودروهای احتراقی محدود نموده است ]1[.
بر طبق آمار بدست آمده در سال 1980، حدود 30 در صد از كل آلودگی كربنی تولید شده در ایالات متحده در اثر استفاده از موتورهای احتراقی^[2] بوده كه این میزان در سال 2000 به 40 درصد افزایش پیدا كرده است. یک موتور احتراقی معمولا در بهترین شرایط، بازدهی در حدود 32 درصد دارد. در حالت عادی، بازده موتور احتراقی معمولی در شهر حدود 18 درصد و در بزرگراه ها حدود 26 درصد است ]2[. یكی از راهكارهایی كه برای بالا بردن بازده موتورهای احتراقی بكار میرود پایین آوردن مصرف سوخت آن ها می باشد. به این صورت آلودگی خودروها را نیز می توان كاهش داد.
از معایب خودروهای احتراقی می توان به موارد زیر اشاره كرد ]2[:

• اندازه موتور احتراقی بگونه ای است كه بتوانند قدرت لازم جهت شتاب گیری مطلوب را برای خودرو فراهم كنند. لذا این موتورها معمولا حجیم و سنگین هستند.
• راندمان حرارتی این موتورها بستگی زیادی به نقطه كار آن ها دارد و دائما در طول حركت اتومبیل بسته به شرایط تغییر می كند. بعلاوه چون این موتورها باید بگونه ای طراحی شوند كه پاسخگوی نیاز خودرو در هنگام شتاب گیری باشند، در مواقع عادی راندمان بسیار پایینی دارند.
• كل انرژی جنبشی خودرو در هنگام ترمز گیری به گرما تبدیل شده و به هدر می رود.

با بررسی انجام شده توسط پژوهشگران متوجه این مساله شده اند كه استفاده از خودرو های هیبرید الكتریكی می تواند پاسخگوی مطالب بیان شده باشد. خودروی هیبرید^[3] به خودرویی گفته می شود كه برای تولید قدرت از دو یا چند منبع تولید كننده انرژی و مبدل انرژی بهره می برد. امروزه استفاده از منابع انرژی نو در خودروهای هیبرید با استقبال چشمگیری روبرو شده است. معمول ترین منبع انرژی نو كه در این خودروها بكار میرود، پیل سوختی می باشد. همچنین از باطری نیز در این خودروها استفاده می شود. با بكارگیری خودروهای هیبرید امكان استفاده از قابلیت های هر دو نوع خودروی احتراقی و الكتریكی فراهم می گردد. بنابراین با بهره گرفتن از خودروهای هیبرید آلودگی زیست محیطی كاهش می یابد همچنین قدرت شتاب گیری ماشین تقویت می شود ]3[. با توجه به استفاده از دو منبع اصلی پیل سوختی و كمكی باطری، كنترل این دو منبع مساله ای پیچیده می باشد. با كنترل این دو منبع می توان میزان مصرف سوخت خودرو، سطح آلودگی تولید شده و همجنین میزان شارژ باطری ها را تعیین نمود.
با توجه به مطالب مطرح شده، هدف استفاده از خودروهای هیبرید این است كه از مزایای هر دو موتور احتراقی و الكتریكی استفاده شده و معایب آن ها نیز مرتفع گردد. برخی از نقاط ضعف موتورهای احتراقی در زیر ارائه شده است ]2[.

• با بكارگیری سیستم رانش الكتریكی در كنار سیستم رانش احتراقی، بخش عمده ای از توان خودرو در مواقع شتاب گیری و شیب پیمایی توسط سیستم الكتریكی تامین می شود. بنابراین اندازه موتور احتراقی كاهش می یابد.
• شرایط كاری موتور احتراقی بطور كامل یا جزیی از شرایط كاری خودرو نظیر سرعت، شتاب، گشتاور و توان می باشد و در نتیجه موتور احتراقی در اكثر موارد در محدوده راندمان حداكثر خودش كار می كند.

• 
  امروزه استفاده از خودروهای الكتریكی كه در آن ها موتور الكتریكی به تنهایی نیروی پیشران را تولید می كند مرسوم نشده است. اولین عامل هزینه بسیار بالای تولید این خودروها می باشد كه باعث افزایش قیمت آن ها می گردد. علاوه بر این این خودروها به ازای هر بار شارژ شدن مسافت كمی را طی می كنند. از طرف دیگر مدت زمان لازم برای شارژ باطری در این خودروها بسیار زیاد است كه استفاده از این خودرو ها را نسبت به خودروهای احتراقی محدود نموده است ]1[.
  بر طبق آمار بدست آمده در سال 1980، حدود 30 در صد از كل آلودگی كربنی تولید شده در ایالات متحده در اثر استفاده از موتورهای احتراقی^[2] بوده كه این میزان در سال 2000 به 40 درصد افزایش پیدا كرده است. یک موتور احتراقی معمولا در بهترین شرایط، بازدهی در حدود 32 درصد دارد. در حالت عادی، بازده موتور احتراقی معمولی در شهر حدود 18 درصد و در بزرگراه ها حدود 26 درصد است ]2[. یكی از راهكارهایی كه برای بالا بردن بازده موتورهای احتراقی بكار میرود پایین آوردن مصرف سوخت آن ها می باشد. به این صورت آلودگی خودروها را نیز می توان كاهش داد.
  از معایب خودروهای احتراقی می توان به موارد زیر اشاره كرد ]2[:

  • اندازه موتور احتراقی بگونه ای است كه بتوانند قدرت لازم جهت شتاب گیری مطلوب را برای خودرو فراهم كنند. لذا این موتورها معمولا حجیم و سنگین هستند.
  • راندمان حرارتی این موتورها بستگی زیادی به نقطه كار آن ها دارد و دائما در طول حركت اتومبیل بسته به شرایط تغییر می كند. بعلاوه چون این موتورها باید بگونه ای طراحی شوند كه پاسخگوی نیاز خودرو در هنگام شتاب گیری باشند، در مواقع عادی راندمان بسیار پایینی دارند.
  • كل انرژی جنبشی خودرو در هنگام ترمز گیری به گرما تبدیل شده و به هدر می رود.

  با بررسی انجام شده توسط پژوهشگران متوجه این مساله شده اند كه استفاده از خودرو های هیبرید الكتریكی می تواند پاسخگوی مطالب بیان شده باشد. خودروی هیبرید^[3] به خودرویی گفته می شود كه برای تولید قدرت از دو یا چند منبع تولید كننده انرژی و مبدل انرژی بهره می برد. امروزه استفاده از منابع انرژی نو در خودروهای هیبرید با استقبال چشمگیری روبرو شده است. معمول ترین منبع انرژی نو كه در این خودروها بكار میرود، پیل سوختی می باشد. همچنین از باطری نیز در این خودروها استفاده می شود. با بكارگیری خودروهای هیبرید امكان استفاده از قابلیت های هر دو نوع خودروی احتراقی و الكتریكی فراهم می گردد. بنابراین با بهره گرفتن از خودروهای هیبرید آلودگی زیست محیطی كاهش می یابد همچنین قدرت شتاب گیری ماشین تقویت می شود ]3[. با توجه به استفاده از دو منبع اصلی پیل سوختی و كمكی باطری، كنترل این دو منبع مساله ای پیچیده می باشد. با كنترل این دو منبع می توان میزان مصرف سوخت خودرو، سطح آلودگی تولید شده و همجنین میزان شارژ باطری ها را تعیین نمود.
  با توجه به مطالب مطرح شده، هدف استفاده از خودروهای هیبرید این است كه از مزایای هر دو موتور احتراقی و الكتریكی استفاده شده و معایب آن ها نیز مرتفع گردد. برخی از نقاط ضعف موتورهای احتراقی در زیر ارائه شده است ]2[.

  • با بكارگیری سیستم رانش الكتریكی در كنار سیستم رانش احتراقی، بخش عمده ای از توان خودرو در مواقع شتاب گیری و شیب پیمایی توسط سیستم الكتریكی تامین می شود. بنابراین اندازه موتور احتراقی كاهش می یابد.
  • شرایط كاری موتور احتراقی بطور كامل یا جزیی از شرایط كاری خودرو نظیر سرعت، شتاب، گشتاور و توان می باشد و در نتیجه موتور احتراقی در اكثر موارد در محدوده راندمان حداكثر خودش كار می كند.
  • در هنگام ترمز گیری، موتور الكتریكی بصورت ژنراتور عمل كرده و انرژی جنبشی خودرو را تا اندازه زیاد بازیافت می كند. این انرژی در هنگام شتاب گیری مجددا به خودرو برگردانده می شود.

  با توجه به خودروهای هیبریدی در سال های اخیر مطالعات بسیاری درباره طراحی و ساخت این نوع از خودروها انجام شده است.
  1-2 ساختارهای نوین در خودرو
  یكی از مسائل مهم در استفاده از خودروهای با موتور احتراقی، آلودگی محیط زیست می باشد. استفاده از خودروهای احتراقی باعث آسیب های جدی محیط زیست و در نتیجه آن برای بشر شده است. ارتباط تنگاتنگی بین آلودگی محیط زیست بویژه در مناطق شهری با نحوه عملكرد خودروها وجود دارد. با بررسی انواع آلودگی های ناشی از خودروها و اثرات هر یک از آنها در آسیب رساندن به محیط زیست، استانداردها و حدود مشخصی برای هر یک از آلاینده ها تعیین كرده اند. هیدروكربن ها، اكسیدهای نیتروژن، منوكسید كربن و ذرات معلق مهمترین پارامترهایی هستند كه در تمامی استانداردهای مطرح شده مورد توجه قرار گرفته اند. دی اكسید كربن و دی اكسید گوگرد از محصولات ناشی از احتراق سوخت های فسیلی در موتورهای احتراق داخلی می باشند ]4[.
  با توجه به روند رو به كاهش سوخت های فسیلی و نوسان های شدید بازار نفت، تحول در فن آوریهای معمول مورد استفاده در صنعت خودرو امری ضروری بنظر می رسد. همچنین مصرف انرژی هر روز در حال افزایش است كه این افزایش را می توان در كاهش مقدار ذخایر نفت در انبار های كشورهای صنعتی و قیمت جهانی نفت ملاحظه كرد. از طرفی تعداد خودروهای در حال استفاده روز به روز در حال افزایش است. بنابراین با توجه به مباحث مطرح شده منابع موجود قادر به تامین نیازهای انرژی جامعه بشری نمی باشد.
  تا به اینجا برخی از مشكلات استفاده از خودروهای احتراقی مطرح گردید. بنابراین بایستی برای غلبه بر مشكلات ذكر شده خودرو های با مصرف سوخت و آلودگی كمتر را بكار گرفت.
  1-3 تاریخچه خودروهای هیبریدی
  1-4 ساختار خودروهای هیبرید
  خودروی هیبرید از دو یا چند منبع انرژی و مبدل انرژی برای تولید قدرت استفاده می كند. اگر یكی از منابع بكار رفته منبع الكتریكی باشد، به خودرو هیبرید الكتریكی گفته می شود. در شكل زیر ساختار خودروهای هیبرید الكتریكی نشان داده شده است.
  شكل 1-1: ساختار خودروهای هیبرید الكتریكی
  با توجه به شكل 1-1 واضح است كه هر دو سیستم انتقال قدرت با هم در توان مورد نیاز خودرو را تولید می كننتد. توان تولیدی هر یک از سیستم های انتقال قدرت با یكدیگر جمع شده و به چرخ ها انتقال داده می شود. از طرفی هریک از این سیستم ها قادرند كه هم تزریق كننده انرژی باشند و هم دریافت كننده انرژی. همانطور كه از شكل مشخص است سیستم 1 یكطرفه است یعنی فقط می توان از سیستم 1 انرژی دریافت كرد و به آن نمی توان انرژی داد. در صورتی كه سیستم 2 دو طرفه بعبارتی هم تزریق كننده انرژی و هم دریافت كننده انرژی می باشد.
  اگر در شكل 1-1 برای منبع و مبدل سیستم 1 از سوخت فسیلی و موتور احتراقی و برای منبع و مبدل سیستم 2 از باطری و موتور الكتریكی استفاده كرد نتیجه یک خودروی هیبرید خواهد بود. این خودروی الكتریكی می تواند در بخش الكتریكی انرژی را جذب كند. در این خودروی هیبرید باطری های سیستم الكتریكی را از طریق چرخ ها (بازیابی انرژی ناشی از ترمز) شارژ كرد.
  1-5 پیل سوختی
  پیل‌‌سوختی نوعی سلول الكتروشیمیایی است كه انرژی شیمیایی حاصل از واكنش را مستقیماً به انرژی الكتریكی تبدیل می‌کند. سازه و بدنه اصلی پیل‌سوختی از الكترولیت، الكترود آند و الكترود كاتد تشكیل شده است. پیل سوختی یک دستگاه تبدیل انرژی است كه به لحاظ نظری تا زمانی كه ماده اكسید كننده و سوخت در الكترودهای آن تأمین شود قابلیت تولید انرژی الكتریكی را دارد. البته در عمل استهلاك، خوردگی و بد عمل كردن اجزای تشكیل دهنده، طول عمر پیل‌سوختی را كاهش می‌دهد ]8-7[.

  

•  

• در هنگام ترمز گیری، موتور الكتریكی بصورت ژنراتور عمل كرده و انرژی جنبشی خودرو را تا اندازه زیاد بازیافت می كند. این انرژی در هنگام شتاب گیری مجددا به خودرو برگردانده می شود.

با توجه به خودروهای هیبریدی در سال های اخیر مطالعات بسیاری درباره طراحی و ساخت این نوع از خودروها انجام شده است.
1-2 ساختارهای نوین در خودرو
یكی از مسائل مهم در استفاده از خودروهای با موتور احتراقی، آلودگی محیط زیست می باشد. استفاده از خودروهای احتراقی باعث آسیب های جدی محیط زیست و در نتیجه آن برای بشر شده است. ارتباط تنگاتنگی بین آلودگی محیط زیست بویژه در مناطق شهری با نحوه عملكرد خودروها وجود دارد. با بررسی انواع آلودگی های ناشی از خودروها و اثرات هر یک از آنها در آسیب رساندن به محیط زیست، استانداردها و حدود مشخصی برای هر یک از آلاینده ها تعیین كرده اند. هیدروكربن ها، اكسیدهای نیتروژن، منوكسید كربن و ذرات معلق مهمترین پارامترهایی هستند كه در تمامی استانداردهای مطرح شده مورد توجه قرار گرفته اند. دی اكسید كربن و دی اكسید گوگرد از محصولات ناشی از احتراق سوخت های فسیلی در موتورهای احتراق داخلی می باشند ]4[.
با توجه به روند رو به كاهش سوخت های فسیلی و نوسان های شدید بازار نفت، تحول در فن آوریهای معمول مورد استفاده در صنعت خودرو امری ضروری بنظر می رسد. همچنین مصرف انرژی هر روز در حال افزایش است كه این افزایش را می توان در كاهش مقدار ذخایر نفت در انبار های كشورهای صنعتی و قیمت جهانی نفت ملاحظه كرد. از طرفی تعداد خودروهای در حال استفاده روز به روز در حال افزایش است. بنابراین با توجه به مباحث مطرح شده منابع موجود قادر به تامین نیازهای انرژی جامعه بشری نمی باشد.
تا به اینجا برخی از مشكلات استفاده از خودروهای احتراقی مطرح گردید. بنابراین بایستی برای غلبه بر مشكلات ذكر شده خودرو های با مصرف سوخت و آلودگی كمتر را بكار گرفت.
1-3 تاریخچه خودروهای هیبریدی
1-4 ساختار خودروهای هیبرید
خودروی هیبرید از دو یا چند منبع انرژی و مبدل انرژی برای تولید قدرت استفاده می كند. اگر یكی از منابع بكار رفته منبع الكتریكی باشد، به خودرو هیبرید الكتریكی گفته می شود. در شكل زیر ساختار خودروهای هیبرید الكتریكی نشان داده شده است.
شكل 1-1: ساختار خودروهای هیبرید الكتریكی
با توجه به شكل 1-1 واضح است كه هر دو سیستم انتقال قدرت با هم در توان مورد نیاز خودرو را تولید می كننتد. توان تولیدی هر یک از سیستم های انتقال قدرت با یكدیگر جمع شده و به چرخ ها انتقال داده می شود. از طرفی هریک از این سیستم ها قادرند كه هم تزریق كننده انرژی باشند و هم دریافت كننده انرژی. همانطور كه از شكل مشخص است سیستم 1 یكطرفه است یعنی فقط می توان از سیستم 1 انرژی دریافت كرد و به آن نمی توان انرژی داد. در صورتی كه سیستم 2 دو طرفه بعبارتی هم تزریق كننده انرژی و هم دریافت كننده انرژی می باشد.
اگر در شكل 1-1 برای منبع و مبدل سیستم 1 از سوخت فسیلی و موتور احتراقی و برای منبع و مبدل سیستم 2 از باطری و موتور الكتریكی استفاده كرد نتیجه یک خودروی هیبرید خواهد بود. این خودروی الكتریكی می تواند در بخش الكتریكی انرژی را جذب كند. در این خودروی هیبرید باطری های سیستم الكتریكی را از طریق چرخ ها (بازیابی انرژی ناشی از ترمز) شارژ كرد.
1-5 پیل سوختی
پیل‌‌سوختی نوعی سلول الكتروشیمیایی است كه انرژی شیمیایی حاصل از واكنش را مستقیماً به انرژی الكتریكی تبدیل می‌کند. سازه و بدنه اصلی پیل‌سوختی از الكترولیت، الكترود آند و الكترود كاتد تشكیل شده است. پیل سوختی یک دستگاه تبدیل انرژی است كه به لحاظ نظری تا زمانی كه ماده اكسید كننده و سوخت در الكترودهای آن تأمین شود قابلیت تولید انرژی الكتریكی را دارد. البته در عمل استهلاك، خوردگی و بد عمل كردن اجزای تشكیل دهنده، طول عمر پیل‌سوختی را كاهش می‌دهد ]8-7[.