하이브리드 시너지 드라이브

하이브리드 시너지 드라이브 시스템(Hybrid Synergy Drive system, HSD), 또는 토요타 하이브리드 시스템 II로도 알려져 있으며, 토요타 자동차가 토요타 및 렉서스 브랜드 차량에 사용하는 하이브리드 자동차 구동계 기술의 브랜드 이름이다. 프리우스에 처음 도입된 이 기술은 다른 여러 토요타 및 렉서스 차량의 옵션이며, 수소 동력 미라이의 전기 구동 시스템과 프리우스의 플러그인 하이브리드 버전에 적용되었다. 이전에는 토요타가 닛산에 HSD 기술을 라이선스하여 닛산 알티마 하이브리드에 사용하기도 했다. 부품 공급업체인 아이신은 다른 자동차 회사에도 유사한 하이브리드 변속기를 제공한다.

HSD 기술은 전기 모터만으로 차량을 주행할 수 있는 풀 하이브리드 차량을 생산한다. 이는 전기 모터만으로는 주행할 수 없고 마일드 하이브리드로 간주되는 다른 대부분의 하이브리드 브랜드와는 대조적이다. 또한 HSD는 전기 구동과 연속 가변 변속기와 유사하게 작동하는 유성 기어 장치를 결합한다. 시너지 드라이브는 엔진과 엔진 제어 장치 사이에 직접적인 기계적 연결이 없는 드라이브 바이 와이어 시스템이다. HSD 차량의 가속 페달과 기어 스틱은 단순히 제어 컴퓨터에 전기 신호를 보낼 뿐이다.

HSD는 1997년부터 2003년까지의 토요타 프리우스에 사용된 원래의 토요타 하이브리드 시스템 (THS)을 개선한 것이다. 2세대 시스템은 2004년에 재설계된 프리우스에 처음 등장했다. 이 이름은 토요타 브랜드 외부의 차량(렉서스; 렉서스 차량에 사용되는 HSD 기반 시스템은 렉서스 하이브리드 드라이브로 명명되었다)에 사용될 것을 예상하여 변경되었으며, 2006년 캠리와 하이랜더에 적용되었고, 결국 2010년 "3세대" 프리우스와 2012년 프리우스 c에도 적용되었다. 토요타 하이브리드 시스템은 출력과 효율성을 높이고 "확장성"(더 큰 차량뿐만 아니라 더 작은 차량에도 적용 가능)을 개선하기 위해 설계되었으며, ICE/MG1과 MG2는 별도의 감속 경로를 가지며, 최종 감속 기어 트레인 및 디퍼렌셜에 연결된 "복합" 기어로 결합된다. 이는 사륜구동 및 후륜구동 렉서스 모델에 도입되었다. 2007년 5월까지 토요타는 전 세계적으로 100만 대의 하이브리드 차량을 판매했고, 2009년 8월 말까지 200만 대, 2013년 3월에는 500만 대를 넘어섰다. 2014년 9월 기준으로 전 세계적으로 700만 대 이상의 렉서스 및 토요타 하이브리드 차량이 판매되었다. 2013년 3월 기준으로 토요타 자동차 글로벌 하이브리드 판매량의 38%는 미국에서 차지했다.

 원리 
섬네일|초기 HSD가 장착된 토요타 1NZ-FXE 엔진 (왼쪽), 단면도 및 강조 표시 (오른쪽). 1세대/2세대, 체인형, ICE-MG1-MG2 동력 분할 장치 HSD가 표시되어 있다.

토요타의 HSD 시스템은 일반적인 기어 변속기를 전자기기 시스템으로 대체한다. 내연 기관 (ICE)은 좁은 속력 범위에서 가장 효율적으로 동력을 전달하지만, 바퀴는 차량의 전체 속력 범위에서 구동되어야 한다. 기존 자동차에서는 기어 변속기가 다양한 이산적인 엔진 속도-토크 동력 요구 사항을 바퀴에 전달한다. 기어 변속기는 클러치가 있는 수동이거나 토크컨버터가 있는 자동일 수 있지만, 둘 다 엔진과 바퀴가 다른 속도로 회전할 수 있도록 한다. 운전자는 가속 페달로 엔진이 전달하는 속도와 토크를 조절할 수 있으며, 변속기는 현재 선택된 기어의 기어비에 비례하여 거의 모든 사용 가능한 동력을 엔진과 다른 속도로 회전하는 바퀴에 기계적으로 전달한다. 그러나 운전자가 선택할 수 있는 "기어" 또는 기어비는 일반적으로 4~6개로 제한된다. 이 제한된 기어비 세트는 엔진 크랭크축을 ICE 효율이 낮은 속도, 즉 1리터의 연료가 더 적은 줄을 생성하는 속도로 회전하게 만든다. 다양한 차량 주행 및 가속 조건에 대한 최적의 엔진 속도-토크 요구 사항은 타코미터 RPM 속도 또는 실제 속도와 비교하여 엔진 소음을 제한함으로써 측정할 수 있다. 엔진이 기어 변속기에 연결되어 넓은 RPM 범위에서 효율적으로 작동해야 할 때, 제조업체는 엔진 효율, 신뢰성 또는 수명을 개선하거나 엔진의 크기나 무게를 줄이는 옵션이 제한된다. 이것이 발전기용 엔진이 자동차 또는 다른 가변 속도 애플리케이션용으로 설계된 엔진보다 훨씬 작고, 효율적이며, 신뢰성이 높고, 수명이 긴 이유이다.

그러나 연속 가변 변속기를 사용하면 운전자 (또는 자동차 컴퓨터)가 원하는 속도나 동력에 필요한 최적의 기어비를 효과적으로 선택할 수 있다. 변속기는 고정된 기어 세트에 제한되지 않는다. 이러한 제약의 부재는 엔진이 최적의 브레이크 특성 연료 소비에서 작동할 수 있도록 한다. HSD 차량은 배터리를 충전하거나 차량을 가속하기 위해 동력이 필요할 때마다 엔진을 최적의 효율성으로 작동시키고, 동력이 덜 필요할 때는 엔진을 완전히 정지시킨다.

CVT와 마찬가지로 HSD 변속기는 엔진과 바퀴 사이의 유효 기어비를 지속적으로 조절하여 가속 중 바퀴의 회전 속도가 증가하는 동안 엔진 속도를 유지한다. 이것이 토요타가 표준 사양 목록 또는 규제 목적으로 변속기 유형을 분류해야 할 때 HSD 장착 차량을 e-CVT (전자식 연속 가변 변속기)를 갖춘 차량으로 설명하는 이유이다.

 동력 흐름 
기존 자동차 설계에서 정류기가 내장된 분리 여자 교류 발전기 (직류 발전기)와 시동기 (직류 모터)는 내연 기관 (ICE)에 부착되는 부속품으로 간주되며, ICE는 일반적으로 변속기를 구동하여 차량을 추진하는 바퀴에 동력을 공급한다. 배터리는 자동차의 내연 기관을 시동하고 엔진이 작동하지 않을 때 부속품을 작동하는 데만 사용된다. 교류 발전기는 엔진이 작동할 때 배터리를 재충전하고 부속품을 작동하는 데 사용된다.

HSD 시스템은 기어 변속기, 교류 발전기 및 시동 모터를 다음으로 대체한다.
 MG1, 영구자석 로터를 가진 교류 전동 발전기, ICE를 시동할 때 모터로 사용되고 고전압 배터리를 충전할 때 발전기(교류 발전기)로 사용된다.여자 필드를 가진 모든 전기 모터는 (분리 여자) 전자석 로터 또는 (내부 여자) 영구자석 로터에 의해 발전기로 사용될 수 있으며 (그 반대도 가능), 따라서 전동 발전기라는 용어는 일반적으로 동시에는 아니지만 동일한 장치가 두 가지 목적으로 모두 사용될 때만 사용된다.
 MG2, 또한 영구자석 로터를 가진 교류 전동 발전기이며, 주요 구동 모터로 사용되고 재생 전력이 고전압 배터리로 향하는 발전기(교류 발전기)로 사용된다. MG2는 일반적으로 두 전동 발전기 중 더 강력하다.
 전력 전자공학, 3개의 DC-AC 인버터와 2개의 DC-DC 컨버터를 포함한다.
 컴퓨터 제어 시스템 및 센서
 HVB, 고전압 배터리는 가속 중에 전기 에너지를 공급하고 회생 제동 중에 전기 에너지를 흡수한다.

파워 스플리터를 통해 직렬-병렬 완전 하이브리드 HSD 시스템은 다음과 같은 지능형 전력 흐름을 허용한다.

 보조 동력
 HVB -> DC-DC 컨버터 -> 12VDC 배터리
 12VDC 배터리 -> 12V 차량 전자 장치
 엔진 충전 (재충전 및 촉매 변환기 가열 및 실내 편의 HVAC)
 ICE -> MG1 -> HVB
 배터리 또는 EV 구동
 HVB -> MG2 -> 바퀴
 엔진 및 모터 구동 (보통 가속)
 ICE -> 바퀴
 ICE -> MG1 -> MG2 -> 바퀴
충전과 함께 엔진 구동 (고속도로 주행)
 ICE -> 바퀴
 ICE -> MG1 -> HVB
 충전과 함께 엔진 및 모터 구동 (가파른 언덕과 같은 고전력 상황)
 ICE -> 바퀴
 ICE -> MG1 -> HVB
 ICE -> MG1 -> MG2 -> 바퀴
 최대 동력 또는 점진적 감속 (최대 동력 상황)
 ICE -> 바퀴
 ICE -> MG1 -> MG2 -> 바퀴
 HVB -> MG2 -> 바퀴
 B-모드 제동
 바퀴 -> MG2 -> HVB
 바퀴 -> MG1 -> ICE (ECU – 전자 제어 장치 – MG1을 사용하여 ICE를 회전시켜 배터리를 소모시키고, MG2에서 더 많은 충전을 허용하며, ICE를 바퀴에 연결하여 "엔진 브레이크"를 유발; HVB의 충전 수준이 MG2에서 회생 전기를 받아들이기에는 너무 많거나, 운전자가 브레이크 페달을 더 강하게 밟는 경우 ICE RPM 증가)
 회생 제동
 바퀴 -> MG2 -> HVB
 급제동
 전면 디스크/후면 드럼 (영국에서는 후면 디스크) -> 바퀴
 모든 디스크 -> 바퀴 (2010년 이후, 2012년~현재 프리우스 c는 전면 디스크, 후면 드럼 사용).

섬네일|프리우스 NHW11 "클래식"의 전력 전자 장치

 MG1 및 MG2 
 MG1 (주 전동 발전기): ICE를 시동하는 모터이자 MG2에 전기 동력을 생성하고 고전압 트랙션 배터리를 재충전하며, 디시디시컨버터를 통해 12볼트 보조 배터리를 재충전하는 발전기이다. 생성되는 전기 동력의 양을 조절하여 (MG1의 기계적 토크와 속도를 변경하여), MG1은 트랜스액슬의 연속 가변 변속기를 효과적으로 제어한다.
 MG2 (보조 전동 발전기): 바퀴를 구동하고 차량 제동 시 HV 배터리 에너지 저장고에 동력을 재생산한다. MG2는 엔진 구동 MG1 및 HVB에서 생성된 전력으로 바퀴를 구동한다. 회생 제동 중 MG2는 발전기로 작동하여 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하고 이 전기 에너지를 배터리에 저장한다.

 변속기 
섬네일|후기 토요타 HSD, 단면도 및 강조 표시. 3세대, 체인 없는, ICE-MG1 동력 분할 장치/MG2 모터 속도 감속 장치 HSD가 표시되어 있다. 이것은 2012년 이후 프리우스 c에 사용된 P510 트랜스액슬이다. 2010년~2015년 프리우스에 사용된 P410 트랜스액슬은 유사하지만 물리적으로 더 크다. 2016년 이후 프리우스에 사용된 4세대 P610 트랜스액슬은 엔드-투-엔드 모터 대신 병렬 모터를 구현하여 P410보다 47mm 더 좁다.

시스템의 기계적 기어링 설계는 ICE의 기계적 동력이 세 가지 방식으로 분할될 수 있도록 한다: (일정한 회전 속도에서) 바퀴에 추가 토크, (일정한 토크에서) 바퀴에 추가 회전 속도, 그리고 전기 발전기를 위한 동력. 적절한 프로그램을 실행하는 컴퓨터는 시스템을 제어하고 다른 엔진 + 모터 소스에서 동력 흐름을 지시한다. 이 동력 분할은 연속 가변 변속기 (CVT)의 이점을 달성하지만, 토크/속도 변환은 직접적인 기계적 기어 트레인 연결이 아닌 전기 모터를 사용한다. HSD 차량은 컴퓨터, 전력 전자 장치, 배터리 팩 및 전동 발전기 없이는 작동할 수 없지만, 원칙적으로 내연 기관이 없어도 작동할 수 있다. (참조: 플러그인 하이브리드) 실제로 HSD 장착 차량은 주유소에 도달하기 위한 비상 조치로 가솔린 없이 1~2마일을 주행할 수 있다.

HSD 트랜스액슬은 엔진 및 모터의 토크량을 앞바퀴에 필요한 만큼 조절하고 혼합하는 유성 기어 세트를 포함한다. 이는 기어링, 전기 전동 발전기 및 컴퓨터 제어 전자 제어 장치의 정교하고 복잡한 조합이다. 전동 발전기 중 하나인 MG2는 출력 샤프트에 연결되어 구동 샤프트로 토크를 전달하거나 회수한다. MG2에 전기를 공급하면 바퀴에 토크가 추가된다. 구동 샤프트의 엔진 끝단에는 두 번째 차동장치가 있으며, 이 차동장치의 한쪽 다리는 내연 기관에 연결되고 다른 쪽 다리는 두 번째 전동 발전기인 MG1에 연결된다. 차동장치는 바퀴의 회전 속도를 엔진과 MG1의 회전 속도와 연관시키며, MG1은 바퀴와 엔진 속도 간의 차이를 흡수하는 데 사용된다. 차동장치는 "동력 분할 장치"라고도 불리는 유성 기어 세트이며, 이 장치와 두 전동 발전기는 엔진에 볼트로 고정된 단일 트랜스액슬 하우징 내에 모두 포함되어 있다. 특수 커플링과 센서는 각 샤프트의 회전 속도와 구동 샤프트의 총 토크를 모니터링하여 제어 컴퓨터에 피드백한다.

1세대 및 2세대 HSD에서는 MG2가 링 기어에 직접 연결되어 1:1 비율을 가지며 토크 증배를 제공하지 않는 반면, 3세대 HSD에서는 MG2가 2.5:1 유성 기어 세트를 통해 링 기어에 연결되어2007년 이후 캠리에서는 이 비율이 2.636이고, 2010년 이후 프리우스에서는 이 비율이 2.478로, 평균 비율은 약 2.5이다. 결과적으로 2.5:1 토크 증배를 제공하며, 이는 3세대 HSD의 주요 이점으로 더 작지만 더 강력한 MG2를 제공한다. 그러나 보조 이점은 MG1이 과속으로 구동되는 빈도가 줄어든다는 점이며, 이는 ICE를 사용하여 이러한 과속을 완화해야 하는 상황을 줄여준다. 이 전략은 HSD 성능을 향상시키고 연료를 절약하며 ICE의 마모를 줄인다.

 고전압 배터리 
섬네일|2세대 토요타 프리우스의 고전압 니켈-금속 수소화물 (NiMH) 배터리 
HSD 시스템은 두 가지 주요 배터리 팩을 가지고 있는데, 하나는 트랙션 배터리라고도 불리는 고전압 (HV) 배터리이고, 다른 하나는 보조 배터리로 작동하는 12볼트 납 축전지 (LV) 배터리이다. LV 배터리는 하이브리드 시스템이 꺼져 있고 고전압 배터리 주 릴레이가 꺼져 있을 때 전자 장치 및 부속품에 전력을 공급한다.

트랙션 배터리는 밀봉된 니켈-금속 수소화물 (NiMH) 배터리 팩이다. 1세대 토요타 프리우스의 배터리 팩은 38개 모듈에 228개의 셀로 구성되었으며, 2세대 프리우스는 각각 6개의 1.2볼트 셀을 포함하는 28개의 파나소닉 프리즘형 니켈-금속 수소화물 모듈로 구성되어 직렬 연결되어 201.6볼트의 공칭 전압을 생성했다. 2세대 프리우스 팩의 방전 전력 용량은 50% 잔존용량 (SoC)에서 약 20 kW이다. 전력 용량은 온도가 높을수록 증가하고 낮을수록 감소한다. 프리우스는 배터리를 최적의 온도와 최적의 충전 수준으로 유지하는 데 전념하는 컴퓨터를 가지고 있다.

2세대 프리우스와 마찬가지로 3세대 프리우스 배터리 팩은 동일한 유형의 1.2볼트 셀로 구성된다. 총 201.6볼트의 공칭 전압을 위해 6개의 셀로 구성된 28개의 모듈을 가지고 있다. 부스트 컨버터는 MG1 및 MG2용 인버터에 500볼트 DC 공급 전압을 생성하는 데 사용된다. 차량의 전자 장치는 배터리 수명을 연장하기 위해 배터리 팩의 총 정격 용량(6.5암페어시)의 40%만 사용하도록 허용한다. 결과적으로 SoC는 정격 완전 충전의 40%에서 80% 사이에서만 변경될 수 있다. 하이랜더 하이브리드와 렉서스 RX 400h에 사용된 배터리는 288볼트의 고전압을 공급하는 240개의 셀을 가진 다른 금속 배터리 케이스에 포장되었다.

섬네일|2012년 토요타 캠리 하이브리드의 EV 모드 버튼

"EV"라고 표시된 버튼은 시동 후 대부분의 저부하 조건에서  미만으로 트랙션 배터리에 충분한 충전량이 있으면 전기차량 모드를 유지한다. 이를 통해 까지 연료 소비 없이 완전 전기 주행이 가능하다. 그러나 HSD 소프트웨어는 가능한 한 자동으로 EV 모드로 전환된다. EV Mode works under certain conditions at low speeds for up to a mile. 토요타 프리우스 플러그인 하이브리드만이 배터리가 소진될 때까지 혼합 작동 전기-가솔린 모드에서 더 긴 주행 거리인  (미국 환경보호청 등급)를 제공한다. 프리우스 PHEV는 파나소닉과 공동 개발한 4.4 kWh 리튬 이온 전지를 장착하며, 이는 용량이 1.3kWh에 불과하고 인 3세대 프리우스의 니켈-금속 수소화물 전지에 비해  더 무겁다. 더 큰 배터리 팩은 기존 프리우스 하이브리드보다 더 높은 속도와 더 긴 거리에서 완전 전기 작동을 가능하게 한다.

다음 표는 여러 렉서스 및 토요타 차량의 HV 배터리 용량을 자세히 설명한다.

차량모델연도배터리용량(kWh)배터리 유형배터리 충전 제한(kW)Based on Min a Max values from Hybrid Assistant App (High-Voltage Battery Statistics)배터리 방전 제한(kW)Based on Min a Max values from Hybrid Assistant App (High-Voltage Battery Statistics)렉서스 CT 200h20111.3NiMH렉서스 ES 300h20131.6NiMH렉서스 ES 300h20211.6Li-ion렉서스 GS 450h20131.9NiMH렉서스 IS 300h20131.6NiMH-28,524렉서스 LC 500h20181.1Li-ion렉서스 LS 600h L20081.9NiMH렉서스 RX 450h20141.9NiMH렉서스 NX 300h20151.6NiMH-2725,5토요타 아발론 하이브리드20131.6NiMH토요타 오리스 하이브리드20141.3 See Auris HSD specs in pp.17: 201.6V x 6.5Amp/hr = 1.310kWhNiMH-2521토요타 캠리 하이브리드20141.6NiMH-2725,5토요타 캠리 하이브리드20181.6 / 1.0NiMH / Li-ion토요타 C-HR 하이브리드20161.3NiMH-31,921토요타 코롤라 하이브리드20191.4 / 0.75NiMH / Li-ion-31,921토요타 하이랜더 하이브리드20141.9NiMH토요타 미라이 (FCV)20151.6 The Mirai has a 245-volt nickel–metal hydride battery pack, similar to that in the Camry Hybrid. 245V x 6.5Amp/hr = 1.59kWhNiMH 토요타 프리우스20101.3NiMH-2521 토요타 프리우스20161.2 / 0.75NiMH / Li-ion-31,921토요타 프리우스 c20140.9NiMH토요타 프리우스 v20141.3 / 1.0NiMH / Li-ion토요타 프리우스 PHV20144.4Li-ion토요타 프리우스 프라임20168.8Li-ion-4065토요타 RAV420151.6NiMH-2725,5토요타 RAV420191.6NiMH (2020– Li-ion)-3824토요타 RAV4 프라임202018.1Li-ion토요타 야리스 하이브리드20140.9 See specs table: 144V × 6.5Amp/hr = 0.936kWhNiMH-17,515토요타 야리스 하이브리드20200.76Li-ion-3520토요타 이노바/키장 이노바 제닉스 하이브리드20221.31NiMH

 작동 
HSD 구동 시스템은 두 전동 발전기 사이에서 전력을 전환하여 내연 기관의 부하를 균등하게 만든다. 급가속 시 전기 모터의 동력 부스트를 사용할 수 있으므로, ICE는 급가속을 위한 최대 동력 요구 사항에 맞춰 크기를 조절하는 대신 차량의 평균 부하에만 맞춰 크기를 줄일 수 있다. 더 작은 내연 기관은 더 효율적으로 작동하도록 설계할 수 있다. 또한, 정상 작동 중에는 엔진을 동력, 경제성 또는 배출량에 대한 이상적인 속도 및 토크 수준에서 작동할 수 있으며, 배터리 팩은 운전자가 요구하는 수요에 맞춰 전력을 흡수하거나 공급한다. 교통 체증 시에는 내연 기관을 완전히 꺼서 더욱 경제적인 운전을 할 수 있다.

효율적인 자동차 설계, 회생 제동, 교통 체증 시 엔진 정지, 상당한 전기 에너지 저장 장치 및 효율적인 내연 기관 설계의 조합은 HSD 동력 차량에 특히 도시 주행에서 상당한 효율성 이점을 제공한다.

 작동 단계 
섬네일|전형적인 하이브리드 시너지 드라이브 구성
HSD는 속도와 요구 토크에 따라 다른 단계로 작동한다. 몇 가지 예를 들면 다음과 같다.
 배터리 충전: HSD는 차량을 움직이지 않고도 엔진을 구동하고 MG1에서 전력을 추출하여 배터리를 충전할 수 있다. 전력은 배터리로 전환되며, 바퀴에는 토크가 공급되지 않는다. 온보드 컴퓨터는 필요할 때, 예를 들어 교통 체증으로 멈춰 있거나 냉간 시동 후 엔진과 촉매 변환기를 예열할 때 이 작업을 수행한다.
 엔진 시동: 엔진을 시동하기 위해 MG1에 전력을 공급하여 시동기로 작동시킨다. 전동 발전기의 크기 때문에 엔진 시동은 비교적 빠르며 MG1에서 비교적 적은 전력이 필요하다. 또한, 기존 시동 모터 소음은 들리지 않는다. 엔진 시동은 정지 중이거나 움직이는 중에도 발생할 수 있다.
 후진 기어 (상응): 기존 기어박스처럼 후진 기어가 없다. 컴퓨터는 AC 전동 발전기 MG2의 위상 순서를 역전시켜 바퀴에 음의 토크를 가한다. 초기 모델은 일부 상황에서 충분한 토크를 공급하지 못했다. 초기 프리우스 소유자들이 샌프란시스코의 가파른 언덕에서 차를 후진할 수 없었다는 보고가 있었다. 이 문제는 최신 모델에서 해결되었다. 배터리가 부족하면 시스템은 엔진을 동시에 작동시키고 MG1에서 전력을 끌어올 수 있지만, 이는 바퀴에서 사용 가능한 후진 토크를 감소시킨다.
 중립 기어 (상응): 대부분의 관할 구역에서는 자동차 변속기가 엔진과 변속기를 분리하는 중립 기어를 가져야 한다. HSD "중립 기어"는 전기 모터를 끄면 달성된다. 이 상태에서 유성 기어는 정지 상태이며 (차량 바퀴가 회전하지 않는 경우), 차량 바퀴가 회전하면 링 기어가 회전하여 선 기어도 회전하게 된다 (속도가 높지 않으면 엔진 관성으로 캐리어 기어가 정지 상태를 유지함). 이때 MG1은 배터리가 충전되지 않는 동안 자유롭게 회전할 수 있다. 소유자 설명서캠리 하이브리드 2012 소유자 설명서는 중립 기어가 결국 배터리를 방전시켜 배터리 재충전을 위한 "불필요한" 엔진 동력을 유발할 것이라고 경고한다. 방전된 배터리는 차량을 작동 불능 상태로 만든다.
섬네일|렉서스 하이브리드 드라이브
 EV 작동: 저속 및 중간 토크에서 HSD는 내연 기관을 전혀 작동시키지 않고 작동할 수 있다. MG2에만 전기가 공급되어 MG1이 자유롭게 회전하도록 허용한다 (따라서 엔진을 바퀴에서 분리한다). 이것은 일반적으로 "스텔스 모드"로 알려져 있다. 충분한 배터리 전력이 있다면, 연료 없이도 이 조용한 모드로 몇 마일을 주행할 수 있다.
 저단 기어 (상응): 정상 작동 시 저속에서 가속할 때 엔진은 바퀴보다 더 빠르게 회전하지만 충분한 토크를 생성하지 못한다. 추가 엔진 속도는 발전기로 작동하는 MG1으로 공급된다. MG1의 출력은 모터로 작동하는 MG2로 공급되어 구동축에 토크를 추가한다.
 고단 기어 (상응): 고속으로 순항할 때 엔진은 바퀴보다 더 느리게 회전하지만 필요한 것보다 더 많은 토크를 생성한다. 이때 MG2는 발전기로 작동하여 과도한 엔진 토크를 제거하고, 모터로 작동하는 MG1으로 동력을 공급하여 바퀴 속도를 증가시킨다. 정상 상태에서는 엔진이 차량을 추진하는 모든 동력을 제공한다. 단, 엔진이 동력을 공급할 수 없는 경우 (급가속 중이거나 고속으로 가파른 경사를 오르는 경우)는 예외이다. 이 경우 배터리가 차이를 보충한다. 필요한 추진 동력이 변경될 때마다 배터리가 빠르게 동력 균형을 맞춰 엔진이 비교적 천천히 동력을 변경할 수 있도록 한다.
 회생 제동: MG2에서 전력을 끌어와 배터리 팩에 저장함으로써 HSD는 일반적인 엔진 브레이크의 감속을 시뮬레이션하면서 향후 부스트를 위해 전력을 절약할 수 있다. HSD 시스템의 회생 브레이크는 일반 제동 부하의 상당 부분을 흡수하므로 HSD 차량의 기존 브레이크는 유사한 질량의 일반 자동차 브레이크보다 작고 훨씬 더 오래 지속된다.
 엔진 브레이크: HSD 시스템에는 'B' (브레이크)라고 표시된 특수 변속기 설정이 있는데, 이는 기존 자동변속기의 'L' 설정을 대체하며 언덕에서 엔진 브레이크를 제공한다. 이는 회생 제동 대신 수동으로 선택할 수 있다. 제동 중 배터리가 잠재적으로 손상될 수 있는 높은 충전 수준에 가까워지면 전자 제어 시스템은 자동으로 기존 엔진 브레이크로 전환하여 MG2에서 전력을 끌어와 MG1으로 전환하고, 스로틀이 닫힌 상태에서 엔진 속도를 높여 에너지를 흡수하고 차량을 감속시킨다.
 전기 부스트: 배터리 팩은 엔진에 대한 수요를 운전자와 도로가 요구하는 토크 및 속도로 작동시키는 대신 미리 정해진 최적 부하 곡선에 맞출 수 있도록 에너지를 저장한다. 컴퓨터는 배터리에 저장된 에너지 수준을 관리하여 필요할 때 추가 에너지를 흡수하거나 엔진 동력을 높이기 위해 추가 에너지를 공급할 수 있는 용량을 확보한다.

 성능 

토요타 프리우스는 가속 성능은 보통이지만 중형 4도어 세단치고는 매우 높은 효율을 자랑한다. 일반적으로 도심 주행에서는 40 mpg (US) (5.9 L/100 km)를 훨씬 상회하는 것이 일반적이며, 특히 완만한 속도로 장거리 주행할 경우 (엔진이 완전히 예열될 수 있으므로) 55 mpg (4.3 L/100 km)도 드물지 않다. 이는 유사하게 장착된 기존 파워 트레인 4도어 세단의 연료 효율의 약 두 배에 해당한다. 프리우스의 추가적인 효율성이 모두 HSD 시스템 때문인 것은 아니다. 앳킨슨 사이클 엔진 자체도 동력 행정 중 피스톤 저항을 최소화하기 위해 오프셋 크랭크축을 통해 엔진 항력을 최소화하도록 특별히 설계되었으며, 대부분의 엔진에 사용되는 일반적인 오토사이클에 비해 매니폴드 진공("펌핑 손실")으로 인한 항력을 방지하기 위한 독특한 흡기 시스템을 갖추고 있다. 또한, 앳킨슨 사이클은 더 긴 동력 행정으로 인해 오토 사이클보다 사이클당 더 많은 에너지를 회수한다. 앳킨슨 사이클의 단점은 특히 저속에서 토크가 크게 감소한다는 점이지만, HSD는 MG2에서 엄청난 저속 토크를 사용할 수 있다.

하이랜더 하이브리드 (일부 국가에서는 클루거로도 판매됨)는 비하이브리드 버전에 비해 더 나은 가속 성능을 제공한다. 하이브리드 버전은 0–60 mph까지 7.2초 만에 도달하여 기존 버전보다 거의 1초를 단축한다. 순 출력은 기존 에 비해 이다. 모든 하이랜더의 최고 속도는 로 제한된다. 하이랜더 하이브리드의 일반적인 연비는 27~31 mpg (8.7–7.6 L/100 km)이다. 기존 하이랜더는 미국 환경보호청에서 시내 19mpg, 고속도로 25mpg (각각 12.4 및 9.4 L/100 km)로 평가된다.

섬네일|HSD의 단면도. 참고: 1세대/2세대, 체인형, ICE-MG1-MG2 동력 분할 장치 HSD가 표시되어 있다.

HSD의 연비 향상은 가솔린 엔진을 가능한 한 효율적으로 사용하는 데 달려 있으며, 이를 위해서는 다음이 필요하다.
 장거리 주행, 특히 겨울철: 승객을 위한 내부 난방은 HSD 설계와 상반된다. HSD는 가능한 한 적은 폐열을 생성하도록 설계되었다. 기존 자동차에서는 겨울철에 이 폐열이 일반적으로 내부 난방에 사용된다. 프리우스에서는 히터를 작동하려면 엔진이 계속 작동하여 실내에서 사용할 수 있는 열을 생성해야 한다. 이 효과는 엔진이 작동하는 상태에서 차량이 정지했을 때 공조 장치(히터)를 끄면 가장 두드러지게 나타난다. 일반적으로 HSD 제어 시스템은 필요 없을 때 엔진을 끄고, 발전기가 최대 속도에 도달할 때까지 다시 시동하지 않는다.
 적절한 가속: 하이브리드 자동차는 급가속이 아닌 적절한 가속 시에는 엔진을 줄이거나 완전히 끌 수 있기 때문에 기존 자동차보다 운전 스타일에 더 민감하다. 급가속은 엔진을 고출력 상태로 만들지만, 적절한 가속은 엔진을 저출력 고효율 상태(배터리 부스트로 보강됨)로 유지한다.
 점진적 제동: 회생 제동은 제동 에너지를 재활용하지만, 기존 브레이크만큼 빠르게 에너지를 흡수할 수는 없다. 점진적 제동은 에너지를 회수하여 재활용함으로써 연비를 향상시킨다. 급제동은 기존 자동차와 마찬가지로 에너지를 열로 낭비한다. 변속기 제어 장치의 "B"(제동) 선택 장치를 사용하면 긴 내리막길에서 기존 브레이크의 열과 마모를 줄이는 데 유용하지만, 추가 에너지를 회수하지는 않는다. 토요타는 "B"를 계속 사용하는 것이 "D"로 운전하는 것보다 "연료 경제성을 감소시킬 수 있다"며 권장하지 않는다.

대부분의 HSD 시스템은 차량의 정지 상태에서 최고 속도까지 한 번의 가속 동안 최대 부스트를 위해 배터리가 충분한 크기로 설계되어 있다. 만약 더 많은 수요가 있다면 배터리는 완전히 고갈될 수 있으며, 이 추가 토크 부스트는 사용할 수 없다. 그러면 시스템은 엔진에서 사용할 수 있는 동력으로만 돌아간다. 이는 특정 조건에서 성능이 크게 저하되는 결과를 초래한다. 초기 모델 프리우스는 6도 경사에서  이상을 달성할 수 있지만, 약  고도를 오르면 배터리가 소진되어 동일한 경사에서 55–60 mph까지만 달성할 수 있다. (수요가 적은 상황에서 주행하여 배터리가 재충전될 때까지)

 프리우스 플랫폼 세대 
토요타 하이브리드 시스템 / 하이브리드 시너지 드라이브의 설계는 1997년 일본 시장의 오리지널 토요타 프리우스 이후 현재까지 5세대에 걸쳐 발전해 왔다. 파워 트레인은 기본적인 특징은 동일하지만, 여러 가지 중요한 개선이 있었다.

+토요타 하이브리드 시스템 변속기 모델  세대 트랙션 모터 (MG2) 엔진 적용 차량 모델  출력  토크 모델  출력  토크 전륜구동 (트랜스액슬) P110 G1 1CM     1NZ-FXE     프리우스 NHW10 (1997–2000) P111 G1 2CM     1NZ-FXE     프리우스 NHW11 (2000–2003) P112 G2 3CM     1NZ-FXE     프리우스 NHW20 (2003–2009) P210 G1 (SM) 1EM     2AZ-FXE     알파드 ATH10W (2003–2008)
 에스티마 AHR10W (2001–2006) P310 G3 1JM     3MZ-FE     해리어 / RX400h MHU38 (2005–2009)
 하이랜더 / 클루거 MHU28W, MHU48 (2005–2013) P311 G3 2JM     2AZ-FXE     알파드/벨파이어 ATH20W (2008–2015)
 캠리 AHV40 (2006–2011)
 에스티마 AHR20W (2006–2019)
 사이 AZK10 / HS250h ANF10 (2009–2018) P313 G3 4JM     2GR-FXE     하이랜더 GVU48 (2011–2019)
 RX 450h GLV10 (2009–2015) 6JM     2GR-FXS     RX 450h GLV20 (2015–2022) P314 G3 2JM     2AR-FXE     알파드/벨파이어 AYH30W (2015–2023)
 아발론 AVX40 (2013–2018)
 캠리 / 다이하쓰 알티스 AVV50 (2011–2017)
 ES 300h AVV60 (2012–2018)
 해리어 AVU65 (2013–2020)
 NX 300h AZ10 (2014–2021)
 RAV4 AVA44 (2012–2018) P410 G3 3JM     2ZR-FXE     오리스 ZWE150, ZWE186H (2010–2018)
 프리우스 ZVW30, ZVW35 (2009–2015)
 CT 200h ZWA10 (2010–2022) 5JM 노아 / 복시 / 에스콰이어 ZWR80 (2014–2021)
 프리우스+ / α/ V ZVW40W / 다이하쓰 메비우스 (2011–2021) P510 G3 1LM/ 2LM     1NZ-FXE / -FXP     아쿠아 NHP10 / 프리우스 c NHP10 (2011–2021)
 코롤라 악시오/ 필더 NKE165 (2012–현재)
 JPN 택시 NTP10 (2017–현재)
 프로박스 / 석시드 / 마쓰다 파밀리아 밴 NHP160 (2014–현재)
 시엔타 NHP170 (2015–2022)
 비츠 / 야리스 NHP130 (2012–2020) P610 G4 1NM     2ZR-FXE     C-HR ZYX10 (2016–2023)
 코롤라 / 코롤라 스포츠 / 코롤라 투어링 ZWE210 (2018–현재)
 코롤라 크로스 ZVG10 (2020–현재)
 레빈 ZWE180, ZWE210 (2015–현재)
 프리우스 ZVW50 (2015–2022) 1NM + 1SM  +  + 프리우스 PHV/프라임 ZVW55 (2016–2022) P710 G4 3NM     A25A-FXS     아발론 AXXH50 (2018–현재)
 캠리 / 다이하쓰 알티스 AXVH70N (2017–2024)
 크라운 AZSH35 (2018–2022)
 해리어 AXUH80 (2020–현재)
 RAV4 / 와일드랜더 AXAH50 (2018–현재)
 벤자 AXUH85 (2020–현재)
 ES 300h AXZH10 (2018–현재) P711 G4 3NM     M20A-FXS     C-HR MAXH10 (2016–2022)
 코롤라 MZEH12 (2018–현재)
 UX 250h MZAH10 (2018–현재) P810 G4 5NM     A25A-FXS     알파드 / 벨파이어 AAHH40 (2023–현재)
 크라운 클루거 / 하이랜더 / 클루거 AXUH70 (2019–현재)
 그랜드 하이랜더 AASH10 (2023–현재)
 해리어 PHEV AXUP85 (2022–현재)
 RAV4 PHV/프라임 / 와일드랜더 AXAP54 / 스즈키 어크로스 (2020–현재)
 시에나 / 그란비아 AXHL40 (2020–현재)
 LM 350h AAWH10 (2023–현재)
 NX 450h+ / 350h AAZH20, AALH16 (2021–현재) P810-I G4 5NM     2GR-FXS     센추리 SUV GRG75 (2023–현재)
 TX 550h+ GYU15 (2023–현재) P910 G4 1NM     M15A-FXE     아쿠아 MXPK10 (2021–현재)
 시엔타 MXPL10 (2022–현재)
 어반 크루저 하이라이더 / 마루티 스즈키 그랜드 비타라 (2022–현재)
 야리스 MXPH10 / 마쓰다2 하이브리드 (2020–현재)
 야리스 크로스 MXPJ10 (2020–현재) PA10 G5 1VM     2ZR-FXE     C-HR ZYX20 (2023–현재)
 코롤라 / 코롤라 스포츠 / 코롤라 투어링 / 레빈 ZWE210, 스즈키 스페이스 (2023–현재)
 코롤라 크로스 ZVG10 (2023–현재)
 노아 / 복시 ZWR90, 스즈키 랜디 (2023–현재)
 프리우스 ZVW60 (2023–현재) PB10 G5 1VM     M20A-FXS     C-HR MAXH20 (2023–현재)
 코롤라 / 코롤라 투어링 / 레빈 GT MZEH10, 스즈키 스페이스 (2023–현재)
 코롤라 크로스 / 프론트랜더 MXGH10 (2023–현재)
 이노바 MAGH10, 스즈키 인빅토 (2022–현재)
 프리우스 MXWH60 (2023–현재)
 UX 300h MZAH10 (2023–현재) PB11 G5 1VM     A25A-FXS     캠리 HEV AXVH80 (2023–현재) PB12 G5 1VM     M20A-FXS     C-HR PHEV MAXH21 (2023–현재)
 프리우스 PHEV/프라임 MXWH61 (2023–현재) 후륜구동 L110 / L110F G3 (RWD) 1KM     2UR-FSE     센추리 UWG60 (2018–현재)
 LS 600h UVF46 (2006–2017) 2GR-FSE     GS 450h GWS191 (2005–2011) 2GR-FXE     크라운 GWS204 (2008–2012) L210 / L210F G3 (RWD) 1KM     A25A-FXS     크라운 AZSH20 (2018–2022) 2AR-FSE     크라운 AWS210 (2012–2018)
 IS 300h AVE30 (2013–현재)
 RC 300h AVC10 (2014–현재) 2GR-FXE     GS 300h AWL10 (2014–2020) L310 / L310F G4 (RWD) 2NM     8GR-FXS     크라운 GWS224 (2018–2022)
 LC 500h GWZ100 (2017–현재)
 LS 500h GVF50 (2017–현재)

노트

 1세대 (토요타 하이브리드 시스템) 
섬네일|right|upright=1|1세대 및 2세대 토요타 하이브리드 시스템 트랜스액슬 (P110/ P111/ P112)의 개략도:
S: 중앙 "'선" 기어
P: Planetary 기어 캐리어
R: 외부 링 기어
1: 전동 발전기 1
2: 전동 발전기 2
E: 내연 기관 엔진
이 시스템은 1997년 프리우스와 함께 출시되었을 때 토요타 하이브리드 시스템(THS)이라고 불렸다. P110으로 지정된 하이브리드 트랜스액슬은 두 개의 전기 모터(MG1 및 MG2)와 토요타가 "동력 분할 장치"(PSD)라고 부르는 유성 기어 세트를 포함한다. 내연 기관(E)의 기계적 동력은 바퀴로 직접 전달되거나 발전기로 작동하는 MG1으로 전달될 수 있다.

전력은 MG1, MG2 및 인버터를 통해 저장 배터리 사이를 흐른다. MG1은 일반적으로 발전기(교류 발전기)로 작동하지만, 내연 기관의 시동 모터 역할도 한다. MG2는 일반적으로 저속에서 자체적으로 또는 내연 기관을 보조하기 위해 모터로 작동하지만, 예를 들어 회생 제동 시 감속 중에는 발전기로도 작동할 수 있다.

개략적으로 MG1은 중앙 선 기어(S)에 연결되고, 내연 기관은 유성 기어 캐리어(P)에 연결되며 개별 기어에는 연결되지 않고, MG2는 링 기어(R)에 연결된다. 바퀴는 적절한 감속 기어와 도표에 표시되지 않은 차동 장치를 통해 링 기어에 연결된다.

토요타 하이브리드 시스템은 276볼트에서 288볼트에 이르는 고전압 배터리 팩을 사용한다. 트랙션 배터리의 비례 용량은 지속적으로 점진적으로 개선되어 왔다. 오리지널 프리우스는 수축 포장된 1.2볼트 D 셀을 사용했으며, 이후 모든 THS/HSD 차량은 캐리어에 장착된 맞춤형 7.2볼트 배터리 모듈을 사용했다.

 G1 단일 모터 
섬네일|right|upright=1|V벨트 CVT가 적용된 단일 모터 THS 트랜스액슬 (P210)의 개략도
2001년, 1세대 THS 트랜스액슬의 개조 버전이 P210 트랜스액슬로 일본 국내 시장에 출시되었으며, 에스티마 미니밴에 장착되었다. P210은 내연 기관(E)을 선 기어(S)에 연결하고 시동/발전기(MG1)를 유성 기어 캐리어(P)에 연결하는데, 이는 G1 THS 방식과 반대이다. 또한 단일 모터 G1 THS는 트랙션 모터(MG2)를 생략하고 V벨트 구동 연속 가변 변속기를 사용하는데, 이 변속기는 회전 클러치를 통해 유성 기어 캐리어(P) 또는 링 기어(R)에 선택적으로 연결될 수 있다.

에스티마용 사륜구동 옵션은 동시에 출시되었다. Q410 후륜 구동 장치는 전기 트랙션 모터를 사용하며 전륜 트랜스액슬과 기계적으로 연결되지 않는다.

 2세대 (토요타 하이브리드 시스템-II) 
THS는 2004년 프리우스에 THS-II로 이어졌다. THS-II부터 토요타는 이 시스템을 하이브리드 시너지 드라이브(HSD)라고도 부르기 시작했다. THS에 비해 THS-II는 소비를 줄이고 동력 및 토크를 증가시켜 성능을 향상시켰다. THS-II는 THS와 동일한 설계를 사용하며, 내연 기관과 전기 모터의 구동력을 유성 기어 세트(동력 분할 장치)를 통해 결합하여 일부 동력을 전기 발전기로 전환할 수 있다.

전기적으로 HSD/THS-II는 배터리의 전위를 500V 이상으로 높이는 DC-DC 컨버터를 추가한다. 이는 더 작은 배터리 팩과 더 강력한 모터를 사용할 수 있도록 한다. THS와 비교하여 THS-II의 트랙션 모터(MG2)의 물리적 크기는 거의 동일하지만, 최대 출력은 로 증가했으며 최대 토크는 로 증가했다. 스테이터 권선은 직렬로 연결되어 더 높은 전위를 필요로 한다.

THS/HSD의 일부는 아니지만, 2004년 프리우스를 시작으로 모든 THS/HSD 차량에는 기존의 엔진 구동 방식 대신 전기 에어컨 컴프레서가 장착되었다. 이는 실내 냉방이 필요할 때 엔진을 계속 작동시킬 필요를 없앤다. 히터 코어에는 엔진이 제공하는 열을 보충하기 위해 두 개의 정온도 계수 히터가 장착되어 있다.

 3세대 (하이브리드 시너지 드라이브) 
섬네일|right|upright=1|3세대 하이브리드 시너지 드라이브 트랜스액슬 (P31x/ P410/ P510)의 개략도; 두 번째 유성 기어 세트가 추가되었다
2006년식 RX 400h에 처음 탑재된 HSD의 업데이트 버전은 THS/THS-II와 유사하지만, 토요타가 모터 속도 감속 장치(MSRD)라고 부르는 두 번째 유성 기어 세트가 추가되었다. 이는 두 개의 링 기어(R1과 R2)를 함께 연결하여 첫 번째 유성 기어 세트(PSD)와 복합적으로 구성된다. 결합된 링 기어는 여전히 차량의 앞바퀴를 구동하는 데 사용된다. 트랙션 모터(MG2)는 MSRD를 감속 기어로 사용하여 모터의 전력 밀도를 높일 수 있도록 한다. 포드도 포드 이스케이프 하이브리드에 도입된 유사한 하이브리드 시스템을 개발했다.

카츠아키 와타나베 토요타 최고경영자(CEO)는 2007년 2월 16일 인터뷰에서 토요타가 "3세대 HSD 시스템의 크기와 비용을 절반으로 줄이는 것을 목표로 하고 있다"고 말했다.
새로운 시스템은 나중에 리튬 이온 전지를 탑재할 예정이다. 리튬 이온 전지는 NiMH에 비해 에너지 용량 대 중량비가 높지만, 더 높은 온도에서 작동하며 적절하게 제조 및 제어되지 않으면 열 불안정성에 취약하여 안전 문제가 제기된다.Halvorson, Bengt. 리튬 이온은 프리우스에 준비되지 않았다 . 블룸버그 비즈니스위크, 2007년 6월 18일. 2007년 8월 7일에 검색.

 G3 하이브리드 트랜스액슬이 장착된 사륜구동 
2005년, 렉서스 RX 400h 및 토요타 하이랜더 하이브리드와 같은 차량은 후방 차축에 세 번째 전기 모터("MGR")를 추가하여 사륜구동 작동을 추가했다. 이 시스템에서 후방 차축은 순수하게 전기로 구동되며, 엔진과 후륜 사이에 기계적인 연결은 없다. 이는 또한 후륜의 회생 제동도 허용한다.

 G3 후륜구동 (렉서스 하이브리드 드라이브) 
섬네일|right|upright=1.39|후륜 렉서스 하이브리드 드라이브 변속기 (L110/ L110F)의 개략도
2006년과 2007년에 렉서스 GS 450h / 렉서스 LS 600h 세단에 L110 변속기로 장착된 HSD 구동계의 추가 개발 버전이 렉서스 하이브리드 드라이브라는 이름으로 출시되었다. 이전 버전의 HSD/THS는 전륜 구동 플랫폼에 사용되는 트랜스액슬에 장착되었다. 렉서스 하이브리드 드라이브는 두 모터 HSD 개념을 후륜 구동 차량용 종방향 변속기에 적용했다. 이 시스템은 두 개의 클러치(또는 R2 및 S3의 브레이크)를 사용하여 두 번째 모터의 기어비를 저속 및 고속 주행 모드에 따라 각각 3.9 대 1.9의 비율로 전환한다. 이는 고속에서 MG1에서 MG2로 (또는 그 반대로) 흐르는 전력을 감소시킨다. 전기 경로는 효율이 약 70%에 불과하여 전력 흐름을 감소시키면서도 변속기 전체 성능을 향상시킨다. 두 번째 유성 기어 세트는 두 번째 캐리어와 선 기어를 통해 4개의 샤프트를 가진 라비뇨형 기어로 확장되며, 이 중 두 개는 브레이크/클러치에 의해 번갈아 정지될 수 있다.

GS 450h 및 LS 600h 시스템은 각각 후륜구동 및 사륜구동 구동계를 사용했으며, 동일 모델 라인의 비하이브리드 버전보다 더 강력하게 설계되었으며, 비슷한 엔진 등급의 효율성을 제공했다.

섬네일|right|upright=1.26|업데이트된 후륜 하이브리드 시너지 드라이브 변속기 (L210/ L210F)의 개략도
2012년 14세대 토요타 크라운(S210)에 단순화된 버전이 출시되었다. L210 변속기는 두 개의 클러치를 생략했지만, 다른 3세대 트랜스액슬과 마찬가지로 MG2 출력에 적용된 두 번째 유성 기어 세트(MSRD)를 유지한다. 그러나 G3 트랜스액슬과 비교하여 L210은 PSD 링 기어(R1)를 MSRD 유성 기어 캐리어(P2)에 연결하고, 유성 기어 캐리어 대신 MSRD의 링 기어(R2)를 접지한다.

 4세대 
섬네일|right|upright=0.74|4세대 하이브리드 시너지 드라이브 트랜스액슬 (P610/ P71x/ P810/ P910)의 개략도
2015년 10월 13일, 토요타는 2016년 모델 연도에 도입될 4세대 하이브리드 시너지 드라이브의 세부 사항을 발표했다. 전체적인 설계는 THS/THS-II와 유사한 단일 유성 기어 세트로 회귀했다. 4세대 트랜스액슬의 병렬 감속 기어는 3세대 트랜스액슬에서 발견되는 두 번째 유성 기어 세트인 모터 속도 감속 장치를 대체한다. 트랜스액슬과 트랙션 모터는 재설계되어 크기와 결합 중량을 줄였다. 트랙션 모터 자체는 훨씬 더 작고 더 나은 출력 대 중량비를 갖는다. 특히 이전 모델에 비해 마찰로 인한 기계적 손실이 20% 감소했다. 2012년 이후 프리우스 c는 P510 트랜스액슬을 유지한다. P610 트랜스액슬은 초기 트랜스액슬에 사용된 직치 스퍼 기어 대신 더 부드럽고 조용하게 작동하며 더 높은 기계적 부하를 수용하는 헬리컬 기어를 사용한다.

 G4 하이브리드 트랜스액슬이 장착된 사륜구동 
4세대 HSD와 함께 토요타는 "E-Four"라고 불리는 사륜구동 옵션도 제공하고 있는데, 이는 2005년 RX400h 및 하이랜더 하이브리드와 유사하게 후방에 전기 트랙션 모터가 추가되지만, 내연 기관 또는 전방 인버터와 기계적으로 연결되지는 않는다. 실제로 "E-Four" 시스템은 자체 후방 인버터를 가지고 있지만, 이 인버터는 전방 인버터와 동일한 하이브리드 배터리에서 전력을 끌어온다. "E-Four"는 2019년 모델 연도에 미국 프리우스 모델에서 제공되기 시작했다. "E-Four"는 미국에서 제공되는 RAV4 하이브리드 모델의 필수적인 부분이며, 이러한 모든 RAV4 하이브리드는 "E-Four" 전용이다.

 G4 후륜구동 (멀티스테이지 THS-II) 
섬네일|right|upright=1.61|후륜구동 차량용 4세대 L310 / L310F 하이브리드 시너지 드라이브 변속기 개략도
후륜 구동 애플리케이션용 L310 변속기는 프리미엄 차량에서 이전 L110 변속기를 계승했다. L110 및 L210과 비교하여 L310은 MG2를 PSD의 링 기어(R1)에 연결한다. 또한 L310은 세 번째 유성 기어 세트를 추가하여 두 번째(MSRD)와 복합적으로 구성되는데, 두 번째 유성 기어 세트의 유성 기어 캐리어(P2)를 세 번째 유성 기어 세트의 링 기어(R3)에 연결하고, 두 번째 링 기어(R2)를 유성 기어 캐리어 대신 세 번째 유성 기어 캐리어(P3)에 접지한다.

또한, 두 번째 유성 기어 세트의 유성 기어 캐리어(P2)에 원웨이 클러치를 포함한 여러 회전 클러치와 브레이크가 추가되었다. 이를 선택적으로 작동시킴으로써 변속기는 10가지 다른 기어비를 시뮬레이션할 수 있다.

 5세대 
5세대 하이브리드 시너지 드라이브 트랜스액슬은 이전 세대와 유사하며, 전기 모터를 더 가볍고, 더 작고, 더 강력하게 만드는 세부적인 개선이 이루어졌다.

 HSD 기술이 적용된 차량 목록 

다음은 하이브리드 시너지 드라이브 및 관련 기술(토요타 하이브리드 시스템)이 적용된 차량 목록이다.
 토요타 프리우스
 1세대: 1997년 12월 ~ 2003년 10월
 2세대: 2003년 10월 ~ 2009년 말
 3세대: 2009년 말 ~ 2015년 말
 4세대: 2015년 말 ~ 2022년
 5세대: 2023년 초 ~ 현재
 토요타 에스티마 하이브리드
 2001년 6월 ~ 2005년 12월
 2006년 6월 ~ 현재
 토요타 알파드 HEV
 2003년 7월 ~ 2008년 3월
 2011년 9월 ~ 현재
 렉서스 RX 400h / 토요타 해리어 하이브리드 (2005년 3월 ~ 현재)
 토요타 하이랜더/클루거 하이브리드
 THS I 적용: 2005년 7월 ~ 2008년 9월
 THS II 적용: 2008년 10월 ~ 현재
 렉서스 GS 450h (2006년 3월 ~ 현재)
 토요타 캠리 HEV (2006년 5월 ~ 현재)
 렉서스 LS 600h/LS 600hL (2007년 4월 ~ 현재)
 토요타 A-BAT (컨셉 트럭)
 닛산 알티마 하이브리드 (2007년~2011년)
 토요타 크라운 (2008년 4월 ~ 현재)
 렉서스 RX 450h (2009년 ~ 현재)
 토요타 사이 (2009년 ~ 2017년)
 렉서스 HS 250h (2009년 ~ 현재)
 렉서스 CT 200h (2010년 말 ~ 현재)
 토요타 오리스 (2010년 7월 ~ 2018년)
 토요타 아쿠아 (2011년 12월 ~ 현재)
 토요타 프리우스 c (2012년 3월 ~ 2021년)
 토요타 야리스 HEV (2012년 3월 ~ 현재)
 토요타 야리스 크로스 HEV (XP210; 2020년 8월 ~ 현재)
 토요타 야리스 크로스 HEV (AC200; 2023년 6월 ~ 현재)
 토요타 프리우스 V (2012년 ~ 2021년)
 렉서스 ES 300h (2012년 ~ 현재)
 토요타 아발론 하이브리드 (2012년 말 ~ 현재)
 토요타 코롤라 악시오 (2013년 8월 ~ 현재)
 토요타 코롤라 필더 (2013년 8월 ~ 현재)
 토요타 크라운 마제스타 (2013년 ~ 2018년)
 렉서스 IS 300h (2013년 ~ 현재)
 렉서스 GS 300h (2013년 ~ 현재)
 토요타 RAV4 HEV (2015년 ~ 현재)
 렉서스 NX 300h (2015년 ~ 현재)
 렉서스 RC 300h (2015년 ~ 현재)
 토요타 시엔타 하이브리드 (2015년 ~ 현재)
 토요타 C-HR 하이브리드 (2016년 ~ 현재)
 렉서스 LC 500h (2018년)
 토요타 코롤라 HEV (2018년 ~ 현재)
 스바루 크로스트랙 하이브리드 (2019년 ~ 현재)
 토요타 시에나 하이브리드 (2020년 ~ 현재)
 토요타 코롤라 크로스 HEV (2020년 ~ 현재)
 토요타 어반 크루저 하이라이더/스즈키 그랜드 비타라 하이브리드 (2022년 ~ 현재)
 토요타 이노바 HEV (2022년 ~ 현재)

 특허 문제 

 안토노프 
2005년 가을, 안토노프 오토모티브 테크놀로지 BV Plc는 토요타, 즉 렉서스 브랜드 모회사에 RX 400h 구동계 및 토요타 프리우스 하이브리드 소형차의 핵심 부품과 관련된 특허 침해 혐의로 소송을 제기했다. 이 사건은 2005년 4월부터 계류 중이었지만, 합의 협상은 상호 수용 가능한 결과를 가져오지 못했다. 안토노프는 결국 독일 법원에 법적 조치를 취했으며, 그곳에서는 판결이 비교적 신속하게 이루어지는 경향이 있다. 특허 보유자는 판매된 각 차량에 대해 세금을 부과하려고 했으며, 이는 하이브리드 SUV의 경쟁력을 떨어뜨릴 수 있었다. 토요타는 안토노프의 관련 특허를 공식적으로 무효화하려고 노력하여 반격했다.

2006년 9월 1일 안토노프는 뮌헨 연방 특허법원이 토요타에 대한 안토노프 특허(EP0414782)의 독일 부분 유효성을 인정하지 않았다고 발표했다. 며칠 후, 뒤셀도르프 법원은 토요타 프리우스 구동계와 렉서스 RX 400h 구동계가 안토노프 하이브리드 CVT 특허를 침해하지 않는다고 판결했다.

 포드 
포드 모터 컴퍼니는 2004년에 토요타의 HSD 기술과 유사한 핵심 기술을 가진 시스템을 독자적으로 개발했다. 그 결과 포드는 배출 기술 관련 특허와 교환하여 토요타로부터 21개의 특허를 라이선스했다.

 페이스 
페이스 LLC는 제어 가능한 토크 전달 장치를 갖춘 개선된 하이브리드 차량에 대한 특허()를 획득했으며, 하이브리드 차량과 관련된 추가 특허를 보유하고 있다. 2010년 토요타는 페이스의 특허를 라이선스하기로 합의했으며, 합의 조건은 공개되지 않았다.
합의에서 "당사자들은 특정 토요타 차량이 페이스 특허와 동등하다는 것이 밝혀졌음에도 불구하고, 토요타는 알렉스 J. 세베린스키 박사와 페이스의 어떠한 발명과도 독립적으로 토요타의 오랜 혁신 역사에 따라 프리우스와 토요타의 하이브리드 기술을 발명, 설계 및 개발했다는 점에 동의한다."
페이스는 이전에 포드와 페이스 특허 라이선스 계약을 체결했다.

 다른 하이브리드와의 비교 
아이신 세이키 주식회사는 토요타가 소수 지분을 소유하고 있으며, 포드에 HSD 변속기 시스템 버전을 공급하여 포드 이스케이프 하이브리드 및 포드 퓨전 하이브리드에 "파워스플릿" e-CVT로 사용된다.

닛산은 닛산 알티마 하이브리드에 사용하기 위해 토요타의 HSD를 라이선스했으며, 토요타 캠리 하이브리드와 동일한 아이신 T110 트랜스액슬을 사용했다. 2011년 인피니티 M35h는 하나의 전기 모터와 두 개의 클러치를 사용하는 다른 시스템을 사용한다.

2010년 토요타와 마쓰다는 토요타의 프리우스 모델에 사용되는 하이브리드 기술에 대한 공급 계약을 발표했다.

제너럴 모터스, 다임러 크라이슬러 및 BMW의 글로벌 하이브리드 협력은 단일 엔진과 두 모터의 동력을 결합한다는 점에서 유사하다. 2009년 자동차 산업 대통령 태스크포스는 "GM은 첨단 '친환경' 파워트레인 개발에서 토요타보다 최소 한 세대 뒤쳐져 있다"고 밝혔다. (GM은 하이브리드 시스템 개발에 참여했으며 1년 뒤 PHEV 쉐보레 볼트를 출시했다)

대조적으로 혼다의 통합형 모터 어시스트는 플라이휠이 전기 모터로 대체되는 보다 전통적인 내연기관 및 변속기를 사용하므로 전통적인 변속기의 복잡성을 유지한다.

 애프터마켓 
일부 초기 비생산 플러그인 하이브리드 전기차 개조는 2004년 및 2005년형 프리우스에서 발견되는 HSD 버전을 기반으로 했다. 칼카스의 초기 납 축전지 개조는 의 EV 전용 주행 거리와 의 두 배 연비 혼합 모드 주행 거리를 시연했다. 소비자에게 개조 서비스를 제공할 예정인 EDrive 시스템즈라는 회사는 발렌스 리튬 이온 전지를 사용하여 의 전기 주행 거리를 제공할 예정이다. 이 두 시스템 모두 기존 HSD 시스템을 대부분 변경하지 않고, 기존의 NiMH 배터리를 더 높은 용량의 배터리 팩과 일반 가정용 콘센트에서 마일당 약 0.03달러(EDrives  및 1달러 미만 전체 범위 기준)로 재충전할 수 있는 충전기로 교체하여 다른 하이브리드 파워트레인에도 유사하게 적용할 수 있다.

 같이 보기 
 토요타 하이브리드 비교
 마일드 하이브리드
 하이브리드 자동차
 인버터 (전기)
 절연 게이트 양극성 트랜지스터
 가변 전압 가변 주파수 제어
 글로벌 하이브리드 협력
 통합형 시동 발전기
 하이브리드 차량 목록

 각주 

 외부 링크 



 토요타의 하이브리드 시너지 드라이브 영상 
 2010년 토요타 프리우스 하이브리드 시너지 드라이브 시스템 평가
 HSD 작동 방식 애니메이션 
 동력 분할 장치 애니메이션
 MG1 및 MG2

분류:토요타 자동차
분류:엔진 기술
분류:하이브리드 파워트레인