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传统的单一发动机（纯内燃机）用于车辆驱动，在其低负荷和高负荷区域的单位能耗和排放都不理想，在常用的负荷区域内更是出现了最低排放和最高热效率两个极限的矛盾，或者说存在着难以突破的技术局限。即使在技术上能够克服，工程上也难以实现。例如，利用朗肯循环回收柴油机（或汽油机）尾气的热量用于发电就是这样，为了满足排放法规，发动机的尾气后处理器已经占据了很大的空间，再加上朗肯循环装置就更加困难了。为了克服发动机高低负荷区的缺点，在20世纪90年代人们提出了三大思路或三大路线：日本提出了混合驱动的技术路线；美国提出了抛弃发动机的燃料电池和纯电动的技术路线。其共同特点就是在汽车的动力系统中引入了电机。
电机与发动机一起混合驱动车辆行驶。在低负荷区以电机驱动为主，减少发动机的介入；在高负荷区以发动机驱动为主，电机可以辅助驱动，以达到降低发动机负荷的目的；在汽车制动时，电机可以作为发电机把制动的机械能转换成电能，存储在动力电池中；在汽车加速或大负荷运行时，存储的电能又被供给到电机，电机则作为电动机使用，起到辅助驱动并提高系统动力性能的作用。如此，混合驱动就达到了真正的节能减排的目的。图1-6所示为混合驱动的能量转换和作用原理。
图1-6 混合驱动的能量转换和作用原理
图1-7所示为混合驱动的结构原理，其中图1-7a所示为并联式混合驱动。根据电机在动力总成中的位置差异，并联混合驱动演化出了许多不同的发动机和电机的连接结构或技术方案。到目前为止，图1-7b所示的丰田THS（Toyota Hybrid System）是汽车领域中最早的、最领先的、最成功的，也是最复杂的串并联混动技术方案，在THS中还包含了一个专用的发电机，并引入了行星齿轮箱来实现发动机和电机的转矩耦合。
图1-7 混合驱动的结构原理
不使用发动机和油箱，只用电机驱动行驶，配备的动力电池不需要太大容量，主要用于制动能量回收和电能的缓冲，而使用氢气通过燃料电池进行车载发电来满足车辆的主要电力需求，这就是燃料电池汽车。燃料电池汽车是完全不使用传统动力和传统燃料的技术路线。图1-8所示为燃料电池汽车的结构简图。
图1-8 燃料电池汽车的结构简图
最钟情于这一思路的是美国的一些汽车制造商，它们曾经期待在2005年左右实现商业化推广，现在看来当时是太乐观了。不仅制氢、运氢、储氢和加氢一系列的设施需要系统性地解决和布局，作为产品的燃料电池总成本身的成本和寿命也是产业化过程中需要长期努力才能克服的困难。目前，丰田汽车公司走在了燃料电池汽车技术的前列，中国则在产业化推广和市场化前景方面极具潜力。
不使用发动机和油箱，只用电机驱动车辆行驶。把图1-8中燃料电池相关的部分去掉，将动力电池容量加大，使车辆的续驶里程尽可能地延长，即为纯电动汽车。如果简单地把图1-8中的燃料电池相关部分换成增程器，就是增程式电动汽车的基本形态。目前中国的城市公交车辆几乎全部都是纯电动汽车，在轻型物流车及乘用车领域也在不断推广应用纯电动汽车。经过近20年的探索和实践，纯电动汽车技术路线已经进入了全面产业化推广阶段。倡导并实施这一技术路线的是美国，而真正首先实现了产业化的是日产的聆风轿车，中国则具有市场化现实和广阔前景。
前述三大技术路线的共同特点不仅仅是在动力系统中引进了电机，还引进了动力电池，可以说电机和电池的发展水平决定着电动汽车的未来。
纯电驱动的技术路线不使用发动机和油箱，一定意义上就是不涉及发动机产业以及与之相联系的石油冶炼产业，这在技术上甚至在工程上是可行的，但在面向市场产业化时却是不可行的。且不说动力电池和燃料电池的产业化技术和成本等突破所面临的困难，仅仅是充电站和加氢站的建设就需要漫长的时间。只有在继承中发展才符合事物发展的规律，车辆动力系统的产业化发展路线不能和学术技术发展路线相混淆，其产业化过程必须在继承中发展。因此，由发动机和电机组成的混合驱动是车辆动力系统不可逾越的发展阶段；基于纯电机驱动，由发动机和电机组成的增程器实现车载供电的增程式电动汽车也是不可或缺的、重要的技术方向。二者都是在继承传统发动机技术和产业的基础上对其进行部分否定的过程中发展起来的符合事物发展规律的产业化技术路线。
另一方面，我们还需要在历史和未来的背景下考察社会发展对汽车产业的要求。排放法规不断升级的历史已经说明：社会和政策的要求既是对汽车产业发展的约束力，也是对汽车产业发展的推动力。
鉴于节能减排的历史以及社会发展对环境和生态的要求，可以将节能减排的社会发展趋势描述成图1-9a所示；而汽车动力系统的产业化进化路线则可以描述成图1-9b所示，即将“产业化过程必须在继承中发展”的思想和“节能减排的社会发展要求”有机地结合在一起。
汽车动力系统的产业化进化路线（图1-9b）中的四个发展阶段可进一步详细论述如下：
第一阶段： 在传统的纯内燃机驱动的基础上引进电机实现混合驱动，把发动机在高、低负荷区的缺点克服掉，部分地否定发动机，同时对发动机产业造成技术性冲击。这是从单一发动机直接驱动开始的汽车动力系统进化的第一个阶段。为了应对汽车节能减排的历史性要求，这一阶段划时代地将电机和电池引进到动力系统之中，典型的产品代表就是丰田的THS动力系统总成。此阶段的主要目标是“降低排放”，解决身边的污染问题。所使用的燃料依然是以高碳燃料（汽油和柴油）为主，尽管一些清洁燃料（如天然气）等已被使用。这一阶段以1997年丰田THS发布为标志，以2005年前后产业化和大规模市场投放为起点，大约会有30年的历史进程。
图1-9 节能减排的社会发展趋势及汽车动力系统产业化的进化路线
第二阶段： 在这一阶段，纯电机驱动的车辆渐渐地被市场所接受，但由于在生产电力的能源结构中煤炭依然占主要的地位，在整个产业链上评价依然是高碳排放的。具体到车辆会有几种形式，如完全依赖于充电设施的纯电动汽车，依赖于加氢站的燃料电池汽车，以及基于内燃机增程器的增程式电动汽车等。由于电力结构的原因，这一阶段的纯电动汽车和燃料电池汽车的主要贡献是实现了污染的转移，尤其对于人口稠密的城市是非常必要的。而增程式电动汽车，由于其增程器是以汽油机或柴油机等为动力源实现发电的，依然是高碳排放，但相比第一阶段已有所进步。
需要指出，增程器中的发动机仅用于发电而非驱动，即将发动机的驱动功能否定掉了，增程式电动汽车的动力系统原理如图1-10所示。在混合驱动的汽车中，电机部分地否定了发动机的驱动功能，而在增程式电动汽车中，发动机的驱动功能则被完全否定掉了，这是一个遗憾，但也是一个进步。
图1-10 增程式电动汽车的动力系统原理
这个进步将影响发动机产业的发展规模和技术路径，影响石油冶炼和传统燃料加注站等相关产业。典型的增程式电动汽车的产品代表就是日产的NOTE e-POWER，吉利伦敦TX5也是一个成功的例子。这一阶段的目标主要集中于“节能”，解决能源有限的问题。此阶段以特斯拉2008年开始交付Roadster、日产2010年正式推出聆风以及我国2009年开始实施节能与新能源汽车示范推广应用工程等为标志，可以把2015年前后定义为这一阶段产业化和大规模市场投放的开始。
第三阶段： 该阶段与第二阶段的动力系统结构基本相同，是纯电动汽车开始成为市场主流的阶段。因为可再生能源在电力构成中的比例增加，使得这一阶段在整个产业链上的评价是低碳排放的。作为一种补充，发动机还顽强地存在着，用于混合动力或增程器，且发动机热效率有了很大的提高；燃料加注站也顽强地存在着，只是加注的燃料已经倾向于低碳燃料，如天然气或甲醇等，而石油冶炼产业将因此受到冲击。就燃料的生产过程而言，天然气只需提纯就可以直接使用，而甲醇也可以用天然气来合成，可进一步降低生产过程中的碳排放量；天然气和甲醇之所以可称之为低碳燃料的另一个理由是：石油炼制柴油或汽油的过程中同时存在碳排放和其他污染物质排放的问题；如果采用可再生能源+二氧化碳捕捉技术来制备甲醇，从循环经济的角度评价，碳排放可进一步降低。就燃料的燃烧过程而言，相较于汽油和柴油，天然气和甲醇的低碳燃烧特性也有一定的优势，这是由于二者分子构成中的碳含量比例较低这一因素决定的。因此，随着电力结构中可再生能源比例的增加以及低碳燃料的广泛使用，良好环境和生态打扮的美丽中国将开始展现在世人面前，预期这一阶段大约从2030年开始。
第四阶段： 伴随着前面三个阶段的发展，可再生能源在电力结构中的比重将不断提高，充电站（桩）、换电站、氢气加注站或综合加注站将不断普及，普遍采用纯电机驱动车辆的时代就会到来。可以预见，实现纯电机驱动车辆的大规模使用不能仅靠纯电动汽车，燃料电池汽车也将是另一个重要途径或重要补充。燃料电池类型可以多种多样，对于当前普遍采用的质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC），通过采用可再生能源发电再进行电解水方式制取的“绿色H 2 ”可实现理论上的碳中和。然而受氢气存储、运输、加注等环节的便利性和安全性制约，PEMFC电动汽车的实际应用规模同样存在局限。而在常温下处于液态的甲醇是氢气最好的载体之一，通过车载裂解（或重整）装置将甲醇转换成H 2 和CO，并供给高温燃料电池（如固体氧化物燃料电池，Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）发电，就能有效解决氢气储运和加注过程的安全性和便利性问题，这也是一个可以期待的技术方向。特别地，甲醇与氧气反应发电而排放的CO 2 可被捕获与“绿色H 2 ”相结合再次制成甲醇，这样一种理想的循环经济使得甲醇有可能成为实现碳中和目标的主要燃料之一，并为人类与地球的和谐相处做出贡献。
上述汽车动力系统进化的四个阶段，若将其与生产电力的能源结构联系起来，也可以称之为四条技术路线，再加上目前仍在广泛使用的纯内燃机驱动的现实，五条路线就同时展现在了我们面前。所提到的甲醇作为汽油和柴油的替代燃料同样也可以用于传统内燃机，这实际上也是一种以节能减排为目的的在继承中的创新。对于工程和产业界来讲，应该在扬弃中发展并在继承中创新，和科学技术界一起不断地提高汽车动力系统的技术水平和市场竞争力，就像混合驱动技术路线和增程式技术路线的发展过程一样。