محرك التآزر الهجين

في تصميم السيارات التقليدية، يُعتبر المولد الكهربائي ذو الإثارة المنفصلة مع مقوم التيار المتكامل (مولد التيار المستمر) والمحرك المُشغِّل (محرك التيار المستمر) من الملحقات المتصلة بمحرك الاحتراق الداخلي الذي يُشغِّل عادةً ناقل الحركة لتشغيل العجلات المُحرِّكة للسيارة. تُستخدم البطارية فقط لتشغيل محرك الاحتراق الداخلي للسيارة وتزويد الملحقات بالطاقة عندما يكون المحرك متوقفًا. أما المولد الكهربائي فيُستخدم لإعادة شحن البطارية وتزويد الملحقات بالطاقة عندما يكون المحرك قيد التشغيل.

يستبدل نظام HSD ناقل الحركة المسنن والمولد الكهربائي ومحرك التشغيل بما يلي:

• MG1 ، وهو مولد كهربائي يعمل بالتيار المتردد مزود بدوار مغناطيسي دائم ، ^{[ 7 ]} يُستخدم كمحرك عند بدء تشغيل محرك الاحتراق الداخلي وكجهاز توليد (مولد تيار متردد) عند شحن البطارية عالية الجهد
• MG2 ، وهو محرك-مولد تيار متردد، مزود أيضًا بدوار مغناطيسي دائم، ويُستخدم كمحرك قيادة أساسي وكمولد (مولد تيار متردد) عند توجيه طاقة التجديد إلى بطارية الجهد العالي. MG2 هو عمومًا المحرك-المولد الأقوى بين المحركين-المولدين.
• إلكترونيات الطاقة ، بما في ذلك ثلاثة محولات تيار مستمر إلى تيار متردد ومحولين تيار مستمر إلى تيار مستمر
• نظام تحكم محوسب وأجهزة استشعار
• بطارية الجهد العالي (HVB) هي التي توفر الطاقة الكهربائية أثناء التسارع وتستهلك الطاقة الكهربائية أثناء الكبح التجديدي.

من خلال مقسم الطاقة، يسمح نظام HSD الهجين الكامل المتصل على التوالي والتوازي بتدفقات الطاقة الذكية التالية: ^{[ 8 ]}

• الطاقة المساعدة
  • HVB ← محول DC-DC ← بطارية 12 فولت تيار مستمر
  • بطارية 12 فولت تيار مستمر → إلكترونيات المركبات 12 فولت
• شحن المحرك (إعادة شحن و/أو تسخين المحول الحفاز و/أو نظام التكييف الداخلي لراحة المقصورة)
  • ICE → MG1 → HVB
• بطارية أو محرك سيارة كهربائية
  • HVB → MG2 → عجلات
• محرك ونظام دفع (تسارع متوسط)
  • ICE → عجلات
  • محرك احتراق داخلي → محرك كهربائي 1 → محرك كهربائي 2 → عجلات
• استمر في القيادة مع الشحن (القيادة على الطرق السريعة)
  • ICE → عجلات
  • ICE → MG1 → HVB
• محرك ومحرك كهربائي مع شحن (في حالات الطاقة العالية مثل التلال شديدة الانحدار)
  • ICE → عجلات
  • ICE → MG1 → HVB
  • محرك احتراق داخلي → محرك كهربائي 1 → محرك كهربائي 2 → عجلات
• الطاقة الكاملة أو التباطؤ التدريجي (حالات الطاقة القصوى)
  • ICE → عجلات
  • محرك احتراق داخلي → محرك كهربائي 1 → محرك كهربائي 2 → عجلات
  • HVB → MG2 → عجلات
• الكبح في الوضع B
  • العجلات → MG2 → HVB
  • العجلات → MG1 → ICE (وحدة التحكم الإلكترونية - ECU - تستخدم MG1 لتدوير محرك الاحتراق الداخلي الذي يستنزف البطارية - مما يسمح بشحن أكبر من MG2، كما تربط محرك الاحتراق الداخلي بالعجلات مما يتسبب في "كبح المحرك"؛ تزداد سرعة دوران محرك الاحتراق الداخلي عندما يكون مستوى شحن بطارية الجهد العالي مرتفعًا جدًا بحيث لا يمكن قبول الكهرباء المتجددة من MG2، أو عند زيادة الجهد الذي يبذله السائق في الضغط على دواسة الفرامل).
• الكبح التجديدي
  • عجلات → MG2 → HVB
• الكبح الشديد
  • قرص أمامي/أسطوانة خلفية (قرص خلفي في المملكة المتحدة) → عجلات
  • جميع الأقراص → العجلات (2010 وما بعدها، باستثناء بريوس سي 2012-الحالية، والتي تستخدم قرصًا أماميًا وأسطوانة خلفية).

يسمح تصميم التروس الميكانيكية للنظام بتقسيم الطاقة الميكانيكية من محرك الاحتراق الداخلي إلى ثلاثة أجزاء: عزم دوران إضافي عند العجلات (مع سرعة دوران ثابتة)، وسرعة دوران إضافية عند العجلات (مع عزم دوران ثابت)، وطاقة لمولد كهربائي. يتحكم حاسوب، يعمل ببرامج مناسبة، في الأنظمة ويوجه تدفق الطاقة من مصادر المحرك المختلفة. يحقق هذا التقسيم للطاقة مزايا ناقل الحركة المتغير باستمرار (CVT)، باستثناء أن تحويل عزم الدوران/السرعة يستخدم محركًا كهربائيًا بدلًا من وصلة تروس ميكانيكية مباشرة. لا يمكن لسيارة HSD العمل بدون الحاسوب، وإلكترونيات الطاقة، وبطارية السيارة، والمولدات الكهربائية، مع أنها نظريًا قادرة على العمل بدون محرك الاحتراق الداخلي. (انظر: السيارة الهجينة القابلة للشحن ). عمليًا، يمكن قيادة السيارات المجهزة بنظام HSD لمسافة ميل أو ميلين بدون بنزين، كإجراء طارئ للوصول إلى محطة وقود .

يحتوي ناقل الحركة HSD على مجموعة تروس كوكبية تُعدّل وتدمج عزم الدوران من المحرك والمولدات الكهربائية حسب حاجة العجلات الأمامية. وهو عبارة عن مزيج متطور ومعقد من التروس والمولدات الكهربائية وأنظمة التحكم الإلكترونية المحوسبة. أحد المولدات الكهربائية، MG2، متصل بعمود الإخراج، وبالتالي ينقل عزم الدوران إلى أعمدة الدفع أو منها؛ وتغذية MG2 بالكهرباء تُضيف عزم دوران إلى العجلات. يحتوي طرف عمود الدفع المتصل بالمحرك على ترس تفاضلي ثانٍ ؛ أحد طرفيه متصل بمحرك الاحتراق الداخلي والطرف الآخر متصل بمولد كهربائي ثانٍ، MG1. يربط الترس التفاضلي سرعة دوران العجلات بسرعات دوران المحرك وMG1، حيث يُستخدم MG1 لامتصاص الفرق بين سرعة العجلات وسرعة المحرك. الترس التفاضلي عبارة عن مجموعة تروس كوكبية (تُسمى أيضًا "جهاز تقسيم الطاقة")؛ هذا الترس والمولدان الكهربائيان موجودان جميعها في غلاف ناقل حركة واحد مثبت بمسامير على المحرك . تقوم وصلات وأجهزة استشعار خاصة بمراقبة سرعة دوران كل عمود وعزم الدوران الكلي على أعمدة الدفع، وذلك لإرسال البيانات إلى جهاز التحكم الحاسوبي. ^{[ 9 ]}

في الجيلين الأول والثاني من أنظمة الدفع الهجينة عالية السرعة (HSD)، يتصل المحرك الكهربائي الثاني (MG2) مباشرةً بالترس الحلقي، أي بنسبة 1:1، مما لا يوفر أي مضاعفة لعزم الدوران. أما في الجيل الثالث، فيتصل المحرك الكهربائي الثاني بالترس الحلقي عبر مجموعة تروس كوكبية بنسبة 2.5:1، ^{[ 10 ]} مما يوفر بالتالي مضاعفة لعزم الدوران بنسبة 2.5:1. وتُعد هذه ميزة أساسية للجيل الثالث من أنظمة الدفع الهجينة عالية السرعة، حيث يوفر محركًا كهربائيًا ثانيًا أصغر حجمًا وأكثر قوة. ومن المزايا الثانوية أيضًا أن المحرك الكهربائي الأول (MG1) لن يتعرض لسرعات زائدة بشكل متكرر، مما كان سيستدعي استخدام محرك الاحتراق الداخلي (ICE) للحد من هذه السرعة الزائدة. تُحسّن هذه الاستراتيجية أداء نظام الدفع الهجينة عالية السرعة، بالإضافة إلى توفير الوقود وتقليل استهلاك محرك الاحتراق الداخلي.

يحتوي نظام HSD على مجموعتين رئيسيتين من البطاريات، بطارية الجهد العالي (HV)، والمعروفة أيضًا ببطارية الجر، وبطارية رصاص حمضية 12 فولت تُعرف ببطارية الجهد المنخفض (LV)، والتي تعمل كبطارية مساعدة. تُزوّد ​​بطارية الجهد المنخفض الأجهزة الإلكترونية والملحقات بالطاقة عند إيقاف تشغيل النظام الهجين وإيقاف تشغيل المرحل الرئيسي لبطارية الجهد العالي. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

بطارية الجر عبارة عن حزمة بطاريات محكمة الإغلاق من نوع نيكل-معدن هيدريد (NiMH) أو ليثيوم أيون . تتكون حزمة بطاريات الجيل الأول من تويوتا بريوس من 228 خلية موزعة على 38 وحدة، بينما تتكون حزمة بطاريات الجيل الثاني من بريوس من 28 وحدة من نوع باناسونيك، كل منها تحتوي على ست خلايا بجهد 1.2 فولت، موصولة على التوالي لإنتاج جهد اسمي قدره 201.6 فولت. تبلغ قدرة تفريغ حزمة بطاريات الجيل الثاني من بريوس حوالي 20 كيلوواط عند 50% من حالة الشحن . تزداد قدرة التفريغ مع ارتفاع درجات الحرارة وتنخفض مع انخفاضها. تحتوي بريوس على كمبيوتر مخصص للحفاظ على البطارية عند درجة الحرارة المثلى ومستوى الشحن الأمثل. ^{[ 13 ]}

على غرار الجيل الثاني من بريوس، تتكون بطارية الجيل الثالث من بريوس من نفس نوع الخلايا بجهد 1.2 فولت. تحتوي على 28 وحدة، كل منها تضم ​​6 خلايا، بجهد اسمي إجمالي يبلغ 201.6 فولت فقط. يُستخدم محول رفع الجهد لتوفير جهد تيار مستمر 500 فولت لتشغيل محولات MG1 وMG2. ^{[ 11 ]} تسمح إلكترونيات السيارة باستخدام 40% فقط من السعة الإجمالية المقدرة للبطارية (6.5 أمبير-ساعة) لإطالة عمرها. ونتيجة لذلك، لا يُسمح لحالة الشحن (SoC) بالتغير إلا بين 40% و80% من الشحن الكامل المقدر. ^{[ 11 ]} أما البطارية المستخدمة في هايلاندر هايبرد ولكزس RX 400h، فقد تم تغليفها في غلاف معدني مختلف يحتوي على 240 خلية توفر جهدًا عاليًا يبلغ 288 فولت. ^{[ 13 ]}

يُبقي زرٌّ يحمل علامة "EV" السيارة في وضع القيادة الكهربائية بعد تشغيلها، وفي معظم ظروف الأحمال المنخفضة عند سرعة أقل من 40 كم/ساعة (25 ميلاً في الساعة) إذا كانت بطارية الجر مشحونة بشكل كافٍ. يسمح هذا بالقيادة الكهربائية بالكامل دون استهلاك للوقود لمسافة تصل إلى 1.6 كم ( ميل واحد) . مع ذلك، ينتقل برنامج HSD إلى وضع القيادة الكهربائية تلقائيًا كلما أمكن ذلك. ^{[ 14 ] [ 15 ]} تتميز سيارة تويوتا بريوس الهجينة القابلة للشحن بمدى قيادة كهربائي بالكامل أطول في وضع التشغيل المختلط (كهرباء-بنزين) يصل إلى 18 كم (11 ميلاً) ( حسب تصنيف وكالة حماية البيئة الأمريكية ) حتى نفاد شحن البطارية. ^{[ 16 ]} زُوِّدت سيارة بريوس الهجينة القابلة للشحن ببطاريات ليثيوم أيون سعة 4.4 كيلوواط/ساعة ، طُوِّرت بالتعاون مع باناسونيك، ويبلغ وزنها 80 كيلوغرامًا (180 رطلًا)، مقارنةً ببطارية نيكل-معدن هيدريد في الجيل الثالث من بريوس ، والتي تبلغ سعتها 1.3 كيلوواط/ساعة فقط، وتزن 42 كيلوغرامًا (93 رطلًا) . تُمكِّن حزمة البطاريات الأكبر من تشغيل السيارة بالكهرباء بالكامل بسرعات أعلى ولمسافات أطول من سيارة بريوس الهجينة التقليدية. ^{[ 17 ] [ 18 ]}           

يوضح الجدول التالي سعة بطارية الجهد العالي لعدة سيارات من لكزس وتويوتا. ^{[ 19 ]}

يعمل نظام نقل الحركة عالي السرعة (HSD) على مراحل متميزة تبعاً للسرعة وعزم الدوران المطلوب. إليك بعضاً منها:

• شحن البطارية : يمكن لنظام القيادة الهجين (HSD) شحن بطاريته دون تحريك السيارة، وذلك بتشغيل المحرك واستخراج الطاقة الكهربائية من مولد الطاقة MG1. تُحوّل الطاقة إلى البطارية، ولا يتم تزويد العجلات بأي عزم دوران. يقوم الكمبيوتر الموجود في السيارة بهذه العملية عند الحاجة، على سبيل المثال عند التوقف في الازدحام المروري أو لتسخين المحرك والمحول الحفاز بعد بدء التشغيل البارد.
• بدء تشغيل المحرك : لبدء تشغيل المحرك، يتم تزويد المولد الكهربائي MG1 بالطاقة ليعمل كبادئ تشغيل. نظرًا لصغر حجم المولدات الكهربائية، فإن بدء تشغيل المحرك سريع نسبيًا ويتطلب طاقة قليلة نسبيًا من MG1. بالإضافة إلى ذلك، لا يُسمع صوت بادئ التشغيل التقليدي . يمكن بدء تشغيل المحرك أثناء التوقف أو الحركة.
• الترس العكسي (المكافئ) : لا يوجد ترس عكسي كما هو الحال في علبة التروس التقليدية؛ إذ يقوم الكمبيوتر بعكس تسلسل الطور لمولد التيار المتردد MG2، مما يُطبّق عزم دوران عكسي على العجلات. لم تُوفّر الطرازات الأولى عزم دوران كافيًا في بعض الحالات، حيث وردت تقارير عن عدم قدرة مالكي سيارات بريوس الأوائل على الرجوع بالسيارة صعودًا على التلال شديدة الانحدار في سان فرانسيسكو . وقد تمّ حلّ هذه المشكلة في الطرازات الحديثة. في حال انخفاض شحن البطارية، يُمكن للنظام تشغيل المحرك وسحب الطاقة من MG1 في الوقت نفسه، مع العلم أن ذلك سيُقلّل من عزم الدوران العكسي المُتاح للعجلات.
• وضعية الحياد (أو ما يعادلها) : تشترط معظم القوانين في الولايات القضائية أن تحتوي ناقلات الحركة في السيارات على وضعية حياد تفصل المحرك عن ناقل الحركة. في نظام HSD، يتم تفعيل وضعية الحياد بإيقاف تشغيل المحركات الكهربائية. في هذه الحالة، يكون الترس الكوكبي ثابتًا (إذا كانت عجلات السيارة لا تدور)؛ أما إذا كانت عجلات السيارة تدور، فسيدور الترس الحلقي، مما يؤدي إلى دوران الترس الشمسي أيضًا (سيحافظ قصور المحرك الذاتي على ثبات الترس الحامل ما لم تكن السرعة عالية)، بينما يكون المحرك الكهربائي MG1 حرًا في الدوران طالما أن البطاريات لا تُشحن. يحذر دليل المالك ^{[ 42 ]} من أن وضعية الحياد ستؤدي في النهاية إلى استنزاف البطارية، مما ينتج عنه طاقة محرك "غير ضرورية" لإعادة شحن البطاريات؛ وستؤدي البطارية الفارغة إلى تعطيل السيارة.

• تشغيل السيارة الكهربائية : عند السرعات المنخفضة وعزم الدوران المتوسط، يمكن لنظام الدفع الهجين (HSD) العمل دون تشغيل محرك الاحتراق الداخلي على الإطلاق: حيث يتم تزويد المولد الكهربائي الثاني (MG2) بالكهرباء فقط، مما يسمح للمولد الكهربائي الأول (MG1) بالدوران بحرية (وبالتالي فصل المحرك عن العجلات). يُعرف هذا الوضع باسم "الوضع الصامت". شريطة توفر طاقة كافية في البطارية، يمكن قيادة السيارة في هذا الوضع الصامت لعدة كيلومترات حتى بدون بنزين.
• الترس المنخفض (المكافئ) : عند التسارع بسرعات منخفضة في التشغيل العادي، يدور المحرك بسرعة أكبر من العجلات ولكنه لا يُولّد عزم دوران كافيًا. تُغذّى سرعة المحرك الإضافية إلى المولد الكهربائي MG1 الذي يعمل كمولد. يُغذّى خرج MG1 إلى MG2 الذي يعمل كمحرك ويُضيف عزم دوران عند عمود الإدارة.
• الوضع العالي (المكافئ) : عند القيادة بسرعة عالية، يدور المحرك بسرعة أقل من العجلات، لكنه يُولّد عزم دوران يفوق الحاجة. عندئذٍ، يعمل مولد MG2 كمولد كهربائي لإزالة عزم الدوران الزائد من المحرك، مُنتجًا طاقة تُغذّي مولد MG1 الذي يعمل كمحرك لزيادة سرعة العجلات. في حالة الاستقرار، يُوفّر المحرك كامل الطاقة اللازمة لدفع السيارة ما لم يعجز عن توفيرها (كما هو الحال أثناء التسارع الشديد، أو صعود منحدر حاد بسرعة عالية). في هذه الحالة، تُوفّر البطارية الفرق. كلما تغيّرت طاقة الدفع المطلوبة، تُوازن البطارية بسرعة ميزانية الطاقة، مما يسمح للمحرك بتغيير الطاقة ببطء نسبيًا.
• الكبح التجديدي : من خلال سحب الطاقة من المحرك الكهربائي الثاني (MG2) وتخزينها في البطارية، يُمكن لنظام القيادة الهجين (HSD) محاكاة تباطؤ الكبح الناتج عن كبح المحرك العادي ، مع الاحتفاظ بالطاقة لاستخدامها لاحقًا. تمتص المكابح التجديدية في نظام القيادة الهجين جزءًا كبيرًا من حمل الكبح العادي، لذا فإن المكابح التقليدية في مركبات القيادة الهجينة أصغر حجمًا مقارنةً بمكابح السيارات التقليدية ذات الكتلة المماثلة، وتدوم لفترة أطول بكثير.
• كبح المحرك : يحتوي نظام HSD على وضعية نقل حركة خاصة تحمل الرمز "B" (اختصارًا لكلمة "فرامل")، تحل محل وضعية "L" في ناقل الحركة الأوتوماتيكي التقليدي ، مما يوفر كبحًا للمحرك على المنحدرات. يمكن اختيار هذه الوضعية يدويًا بدلًا من الكبح التجديدي. أثناء الكبح، عندما تقترب البطارية من مستويات شحن عالية قد تُلحق الضرر بها، يتحول نظام التحكم الإلكتروني تلقائيًا إلى كبح المحرك التقليدي، حيث يسحب الطاقة من المحرك الكهربائي MG2 ويحولها إلى المحرك الكهربائي MG1، مما يزيد من سرعة المحرك مع إغلاق الخانق لامتصاص الطاقة وإبطاء السيارة.
• تعزيز كهربائي : توفر حزمة البطارية مخزونًا من الطاقة يسمح للكمبيوتر بموازنة متطلبات المحرك وفقًا لمنحنى الحمل الأمثل المحدد مسبقًا، بدلًا من العمل بعزم الدوران والسرعة التي يتطلبها السائق والطريق. يدير الكمبيوتر مستوى الطاقة المخزنة في البطارية، بحيث يكون لديه القدرة على امتصاص طاقة إضافية عند الحاجة أو توفير طاقة إضافية لتعزيز قوة المحرك.

تتميز تويوتا بريوس بتسارع متوسط، لكنها تتمتع بكفاءة عالية للغاية بالنسبة لسيارة سيدان متوسطة الحجم بأربعة أبواب: عادةً ما يكون معدل استهلاكها للوقود أفضل بكثير من 40  ميلاً  للغالون (5.9  لتر/100  كم) في الرحلات القصيرة داخل المدينة؛ كما أن 55  ميلاً للغالون (4.3  لتر/100  كم) ليس بالأمر النادر، خاصةً في الرحلات الطويلة بسرعات معتدلة (حيث تسمح الرحلة الطويلة للمحرك بالتسخين الكامل). وهذا يعادل ضعف كفاءة استهلاك الوقود تقريبًا مقارنةً بسيارة سيدان مماثلة بأربعة أبواب مزودة بمحرك تقليدي. ولا يعود الفضل في هذه الكفاءة الإضافية لسيارة بريوس إلى نظام HSD فقط، بل صُمم محرك دورة أتكينسون نفسه خصيصًا لتقليل مقاومة المحرك إلى أدنى حد ممكن، وذلك من خلال عمود مرفقي مُزاح لتقليل مقاومة المكبس أثناء شوط القدرة ، ونظام سحب فريد لمنع المقاومة الناتجة عن فراغ مشعب السحب ("فقدان الطاقة بالضخ") مقارنةً بدورة أوتو التقليدية في معظم المحركات. علاوة على ذلك، تستعيد دورة أتكينسون طاقة أكبر لكل دورة مقارنةً بدورة أوتو نظرًا لطول شوط القدرة فيها. الجانب السلبي لدورة أتكينسون هو انخفاض عزم الدوران بشكل كبير، خاصة عند السرعات المنخفضة؛ لكن محرك HSD لديه عزم دوران هائل متاح عند السرعات المنخفضة من MG2.

تُقدّم سيارة هايلاندر هايبرد (المعروفة أيضاً باسم كلوغر في بعض الدول) أداءً أفضل في التسارع مقارنةً بنسختها غير الهجينة. تنطلق النسخة الهجينة من 0 إلى 60  ميلاً في الساعة خلال 7.2 ثانية، أي أسرع بثانية تقريباً من النسخة التقليدية. تبلغ القوة الصافية 268 حصاناً (200 كيلوواط) مقارنةً بـ 215 حصاناً (160 كيلوواط) في النسخة التقليدية. تبلغ السرعة القصوى لجميع سيارات هايلاندر 112 ميلاً في الساعة (180 كم/ساعة) . يتراوح معدل استهلاك الوقود النموذجي لسيارة هايلاندر هايبرد بين 27 و31 ميلاً للغالون (8.7-7.6 لتر/100 كم). أما سيارة هايلاندر التقليدية، فقد صنّفتها وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) بمعدل 19 ميلاً للغالون داخل المدينة و25 ميلاً للغالون على الطرق السريعة (12.4 و9.4 لتر/100 كم على التوالي).           

يعتمد تحسين استهلاك الوقود في سيارات الديزل عالية السرعة على استخدام محرك البنزين بأكبر قدر ممكن من الكفاءة، وهو ما يتطلب ما يلي:

• أثناء القيادة لمسافات طويلة ، وخاصة في فصل الشتاء: يُعدّ تدفئة المقصورة الداخلية للركاب مخالفًا لتصميم نظام التدفئة والتبريد (HSD). صُمم هذا النظام لتقليل الحرارة المهدرة إلى أدنى حد ممكن. في السيارات التقليدية، تُستخدم هذه الحرارة المهدرة عادةً لتدفئة المقصورة الداخلية في فصل الشتاء. أما في سيارة بريوس، فيتطلب تشغيل المدفأة استمرار عمل المحرك لتوليد حرارة قابلة للاستخدام داخل المقصورة. يظهر هذا التأثير بوضوح عند إيقاف نظام التحكم في المناخ (المدفأة) أثناء توقف السيارة مع استمرار تشغيل المحرك. في الوضع الطبيعي، يقوم نظام التحكم في نظام التدفئة والتبريد (HSD) بإيقاف تشغيل المحرك لعدم الحاجة إليه، ولن يُعيد تشغيله إلا بعد وصول المولد إلى أقصى سرعة.
• التسارع المعتدل : نظرًا لقدرة السيارات الهجينة على خفض قوة المحرك أو إيقافه تمامًا أثناء التسارع المعتدل، وليس السريع، فإنها أكثر حساسية لأسلوب القيادة من السيارات التقليدية. فالتسارع القوي يُجبر المحرك على العمل بأقصى طاقته، بينما يُبقي التسارع المعتدل المحرك في حالة طاقة منخفضة وكفاءة عالية (معززة بشحن البطارية).
• الكبح التدريجي : تعيد المكابح المتجددة استخدام طاقة الكبح، لكنها لا تستطيع امتصاص الطاقة بنفس سرعة المكابح التقليدية. يستعيد الكبح التدريجي الطاقة لإعادة استخدامها، مما يُحسّن من كفاءة استهلاك الوقود؛ بينما يُهدر الكبح الشديد الطاقة على شكل حرارة، تمامًا كما هو الحال في السيارات التقليدية. يُعد استخدام مُحدد وضع "B" (الكبح) في وحدة التحكم بناقل الحركة مفيدًا عند القيادة لمسافات طويلة على المنحدرات لتقليل الحرارة والتآكل في المكابح التقليدية، ولكنه لا يستعيد طاقة إضافية. ^{[ 43 ]} لا تُشجع تويوتا على الاستخدام المُستمر لوضع "B" لأنه "قد يُؤدي إلى انخفاض كفاءة استهلاك الوقود" مُقارنةً بالقيادة في وضع "D". ^{[ 44 ]}

تحتوي معظم أنظمة القيادة الهجينة على بطاريات مصممة لتوفير أقصى عزم دوران خلال تسارع واحد من الصفر إلى السرعة القصوى للسيارة؛ فإذا زاد الطلب على الطاقة، قد تُستنفد البطارية تمامًا، فلا يتوفر عزم الدوران الإضافي. عندها يعود النظام إلى الاعتماد على طاقة المحرك فقط. ينتج عن ذلك انخفاض كبير في الأداء في ظروف معينة: فسيارة بريوس من الطرازات الأولى يمكنها الوصول إلى سرعة تتجاوز 140 كم /ساعة على منحدر بزاوية 6 درجات، ولكن بعد صعود حوالي 610 أمتار ، تُستنفد البطارية ولا تستطيع السيارة الوصول إلا إلى سرعة تتراوح بين 80 و90 كم/ساعة على نفس المنحدر (إلى أن تُعاد شحن البطارية بالقيادة في ظروف أقل تطلبًا).    

كان يُطلق على النظام اسم نظام تويوتا الهجين (THS) عند تقديمه مع سيارة بريوس عام 1997. ^{[ 46 ]} يتضمن ناقل الحركة الهجين ، المسمى P110، ^{[ 47 ]} محركين كهربائيين (MG1 وMG2) ومجموعة تروس كوكبية ، تُطلق عليها تويوتا اسم "جهاز تقسيم الطاقة" (PSD)؛ ويمكن توجيه الطاقة الميكانيكية من محرك الاحتراق الداخلي (E) إما إلى العجلات أو إلى MG1، الذي يعمل كمولد. ^{[ 46 ]}

يتدفق التيار الكهربائي بين المولدين MG1 وMG2 وبطارية التخزين عبر محول التيار. على الرغم من أن MG1 يعمل عادةً كمولد (مولد تيار متردد)، إلا أنه يعمل أيضًا كمحرك بدء تشغيل لمحرك الاحتراق الداخلي. يعمل MG2 عادةً كمحرك، إما بمفرده عند السرعات المنخفضة أو لمساعدة محرك الاحتراق الداخلي، ولكن يمكن لـ MG2 أيضًا أن يعمل كمولد، على سبيل المثال، أثناء التباطؤ للكبح التجديدي . ^{[ 46 ] [ 48 ]}

بشكل تخطيطي، يرتبط مولد الطاقة MG1 بالترس الشمسي المركزي (S)، ويرتبط محرك الاحتراق الداخلي بحامل التروس الكوكبية (P) وليس بأي ترس منفرد، ويرتبط مولد الطاقة MG2 بالترس الحلقي (R). وترتبط العجلات بالترس الحلقي من خلال تروس تخفيض مناسبة وترس تفاضلي، غير موضح في الرسم التخطيطي. ^{[ 46 ]}

يستخدم نظام تويوتا الهجين حزمة بطاريات عالية الجهد، تتراوح بين 276 و288  فولت. وقد شهدت السعة النوعية لبطارية الجر تحسناً مستمراً وتدريجياً. استخدمت سيارة بريوس الأصلية خلايا D مغلفة بغلاف بلاستيكي بجهد 1.2 فولت، بينما استخدمت جميع سيارات THS/HSD اللاحقة  وحدات بطاريات مخصصة بجهد 7.2 فولت مثبتة في حامل.

محرك واحد G1

في عام ٢٠٠١، طُرحت نسخة مُعدّلة من ناقل الحركة THS من الجيل الأول في السوق اليابانية المحلية تحت اسم ناقل الحركة P210، وتم تركيبه في سيارة إستيما ميني فان. ^{[ ٤٧ ]} يربط ناقل الحركة P210 محرك الاحتراق الداخلي (E) بالترس الشمسي (S)، ويربط المولد/المشغل (MG1) بحامل التروس الكوكبية (P)، وهو عكس تصميم ناقل الحركة THS من الجيل الأول. إضافةً إلى ذلك، يستغني ناقل الحركة THS أحادي المحرك من الجيل الأول عن محرك الجر (MG2)، ويستخدم ناقل حركة متغير باستمرار يعمل بنظام الحزام ، ويمكن ربطه بشكل انتقائي عبر قابضات دوارة إما بحامل التروس الكوكبية (P) أو بالترس الحلقي (R).

تم طرح خيار الدفع الرباعي لسيارة إستيما في نفس الوقت؛ تستخدم وحدة الدفع الخلفي Q410 محرك جر كهربائي بدون وصلة ميكانيكية مع المحور الأمامي. ^{[ 47 ]}

تبع نظام THS نظام THS-II في سيارة بريوس عام 2004. وبدءًا من THS-II، بدأت تويوتا أيضًا بالإشارة إلى النظام باسم نظام القيادة الهجين المتكامل (HSD). بالمقارنة مع THS، قدم THS-II استهلاكًا أقل للوقود وأداءً أفضل مع زيادة في القدرة وعزم الدوران. ^{[ 49 ] : 21} يستخدم THS-II نفس تصميم THS، حيث يجمع بين قوة الجر من محرك احتراق داخلي ومحرك كهربائي عبر مجموعة تروس كوكبية (جهاز تقسيم الطاقة) يمكنه تحويل جزء من الطاقة إلى مولد كهربائي. ^{[ 50 ] : 4}

كهربائيًا، يضيف نظام HSD/THS-II محول تيار مستمر إلى تيار مستمر لرفع جهد البطارية إلى 500  فولت أو أكثر. وهذا يسمح باستخدام حزم بطاريات أصغر حجمًا ومحركات أكثر قوة. ^{[ 49 ]} بالمقارنة مع نظام THS، يظل الحجم المادي لمحرك الجر (MG2) في نظام THS-II كما هو تقريبًا، ولكن زادت القدرة القصوى من 33 إلى 50 كيلوواط (من 44 إلى 67 حصانًا) ، وزاد عزم الدوران الأقصى من 350 إلى 400 نيوتن متر (من 260 إلى 300 رطل قدم) . يتم توصيل ملفات الجزء الثابت على التوالي، مما يتطلب جهدًا أعلى. ^{[ 51 ]}    

على الرغم من أنها ليست جزءًا من نظام THS/HSD بحد ذاته، فقد زُوّدت جميع سيارات THS/HSD، بدءًا من طراز بريوس 2004، بضاغط تكييف هواء كهربائي، بدلاً من النوع التقليدي الذي يعمل بمحرك. وهذا يُغني عن الحاجة إلى تشغيل المحرك باستمرار عند الحاجة إلى تبريد المقصورة. يحتوي قلب المدفأة على سخانين بمعامل حرارة موجب لتكملة الحرارة التي يوفرها المحرك. ^{[ 52 ]}

النسخة المُحدَّثة من نظام HSD، التي طُرحت لأول مرة في طراز RX  400h لعام 2006، تُشبه نظام THS/THS-II، مع إضافة مجموعة تروس كوكبية ثانية، تُطلق عليها تويوتا اسم جهاز تخفيض سرعة المحرك (MSRD). وهي مُدمجة مع مجموعة التروس الكوكبية الأولى (PSD) عن طريق ربط ترسَي الحلقة (R1 وR2) معًا. ^{[ 53 ]} ولا تزال ترسَي الحلقة المُرتبطتين تُستخدمان لدفع العجلات الأمامية للسيارة. ويستخدم محرك الجر (MG2) جهاز MSRD كجهاز تخفيض سرعة، مما يُتيح زيادة كثافة طاقة المحرك. ^{[ 1 ]} وقد طوّرت فورد أيضًا نظامًا هجينًا مُشابهًا، تم تقديمه في سيارة فورد إسكيب الهجينة .

صرح كاتسواكي واتانابي، الرئيس التنفيذي لشركة تويوتا، في مقابلة بتاريخ 16 فبراير 2007، أن تويوتا "تهدف إلى تقليص حجم وتكلفة نظام HSD من الجيل الثالث إلى النصف". ^{[ 54 ]} سيُزود النظام الجديد ببطاريات الليثيوم أيون في السنوات اللاحقة. تتميز بطاريات الليثيوم أيون بنسبة طاقة إلى وزن أعلى مقارنةً ببطاريات NiMH ، ولكنها تعمل في درجات حرارة أعلى، وتتعرض لعدم استقرار حراري إذا لم يتم تصنيعها والتحكم بها بشكل صحيح، مما يثير مخاوف تتعلق بالسلامة. ^{[ 55 ] [ 56 ]}

نظام الدفع الخلفي G3 (نظام الدفع الهجين من لكزس)

في عامي 2006 و2007، طُوّر نظام نقل الحركة الهجين HSD، تحت اسم لكزس هايبرد درايف، ووُضع في سيارتي لكزس GS 450h وLS 600h السيدان كناقل حركة L110. كانت الإصدارات السابقة من HSD/THS تُستخدم في علب التروس ذات الدفع الأمامي؛ بينما طبّقت لكزس هايبرد درايف مفهوم HSD ثنائي المحرك على ناقل حركة طولي لسيارات الدفع الخلفي. يستخدم هذا النظام قابضين (أو فرامل، على R2 وS3) لتغيير نسبة تروس المحرك الثاني إلى العجلات بين 3.9 و1.9، لأنظمة القيادة بسرعات منخفضة وعالية على التوالي. يؤدي ذلك إلى تقليل الطاقة المتدفقة من المحرك MG1 إلى المحرك MG2 (أو العكس) عند السرعات العالية. تبلغ كفاءة المسار الكهربائي حوالي 70% فقط، مما يقلل من تدفق الطاقة مع تحسين الأداء العام لناقل الحركة. تم تمديد مجموعة التروس الكوكبية الثانية بحامل ثانٍ وترس شمسي إلى ترس من نوع رافينو بأربعة أعمدة، اثنان منها يمكن تثبيتهما بالتناوب بواسطة فرامل/قابض.

استخدم نظاما GS 450h وLS 600h نظامي الدفع الخلفي والدفع الرباعي على التوالي، وصُمما ليكونوا أكثر قوة من النسخ غير الهجينة من نفس طرازات السيارات، ^{[ 2 ] [ 3 ]} مع توفير كفاءة مماثلة لفئة المحرك. ^{[ 57 ]}

صدرت نسخة مبسطة عام 2012 مع الجيل الرابع عشر من سيارة كراون (S210) ؛ حيث استُغني في ناقل الحركة L210 عن القابضين، مع الإبقاء على مجموعة التروس الكوكبية الثانية (MSRD) المطبقة على خرج المحرك MG2، كما هو الحال في ناقلات الحركة الأخرى من الجيل الثالث. ومع ذلك، بالمقارنة مع ناقلات الحركة من الجيل الثالث، فبدلاً من ربط ترسي الحلقة، يربط ناقل الحركة L210 ترس الحلقة PSD (R1) بحامل التروس الكوكبية MSRD (P2)، ويؤرض ترس الحلقة MSRD (R2) بدلاً من حامل التروس الكوكبية.

في 13 أكتوبر 2015، أعلنت تويوتا عن تفاصيل الجيل الرابع من نظام القيادة الهجين المتطور، والذي طُرح في طراز عام 2016. يعود التصميم العام إلى مجموعة تروس كوكبية واحدة مشابهة لنظامي THS/THS-II؛ حيث استُبدل جهاز تخفيض سرعة المحرك، وهو عبارة عن مجموعة تروس كوكبية ثانية موجودة في الجيل الثالث، بتروس تخفيض متوازية في محاور نقل الحركة من الجيل الرابع. أُعيد تصميم محور نقل الحركة ومحرك الجر، مما أدى إلى تقليل الحجم والوزن الإجماليين. ^{[ 58 ]} يتميز محرك الجر نفسه بصغر حجمه بشكل ملحوظ، كما أنه يحقق نسبة قدرة إلى وزن أفضل . والجدير بالذكر انخفاض الخسائر الميكانيكية الناتجة عن الاحتكاك بنسبة 20% مقارنةً بالطراز السابق. احتفظت سيارة بريوس سي موديل 2012 بمحور نقل الحركة P510. يستخدم محور نقل الحركة P610 تروسًا حلزونية بدلاً من التروس المستقيمة المستخدمة في محاور نقل الحركة السابقة، مما يوفر تشغيلًا أكثر سلاسة وهدوءًا، مع قدرة أكبر على تحمل الأحمال الميكانيكية.

نظام الدفع الخلفي G4 (متعدد المراحل THS-II)

حلّ ناقل الحركة L310، المُصمم لسيارات الدفع الخلفي، محل ناقل الحركة L110 السابق في السيارات الفاخرة. وبالمقارنة مع ناقلي الحركة L110 وL210، يربط ناقل الحركة L310 المحرك MG2 بالترس الحلقي لوحدة PSD (R1). كما يُضيف ناقل الحركة L310 مجموعة تروس كوكبية ثالثة، مُركبة مع المجموعة الثانية (MSRD) من خلال ربط حامل التروس الكوكبية للمجموعة الثانية (P2) بالترس الحلقي للمجموعة الثالثة (R3)، وربط الترس الحلقي للمجموعة الثانية (R2) بحامل التروس الكوكبية للمجموعة الثالثة (P3).

بالإضافة إلى ذلك، أُضيفت عدة قابضات ومكابح دوارة، بما في ذلك قابض أحادي الاتجاه على حامل التروس الكوكبية لمجموعة التروس الكوكبية الثانية (P2). ومن خلال تشغيل هذه القوابض والمكابح بشكل انتقائي، يمكن لناقل الحركة محاكاة عشر نسب تروس مختلفة. ^{[ 58 ]}

بدأ الجيل الخامس من نظام القيادة الهجين المتزامن بالظهور في عام 2023 (MY23).

الآلية مشابهة للجيل السابق، ولكن تم تحسين المحركات الكهربائية وأصبحت الآن أخف وزنًا وأكثر إحكامًا وقوة (18 حصانًا). ^{[ 59 ]}

وقد تحولت بعض التكوينات أيضًا إلى استخدام بطاريات الليثيوم أيون (بدلاً من بطاريات NiMH) والتي توفر أيضًا تقليلًا في الحجم/الوزن لتحسين الأداء.

في خريف عام ٢٠٠٥، رفعت شركة أنتونوف أوتوموتيف تكنولوجي بي في بي إل سي دعوى قضائية ضد شركة تويوتا ، الشركة الأم لعلامة لكزس، بتهمة انتهاك براءات اختراع تتعلق بمكونات رئيسية في نظام نقل الحركة لسيارة لكزس RX 400h وسيارة تويوتا بريوس الهجينة المدمجة. كانت القضية معلقة منذ أبريل ٢٠٠٥، إلا أن مفاوضات التسوية لم تُفضِ إلى نتيجة مُرضية للطرفين. لجأت أنتونوف في نهاية المطاف إلى القضاء الألماني، حيث تُصدر الأحكام عادةً بسرعة نسبية. سعت الشركة المالكة لبراءات الاختراع إلى فرض رسوم على كل سيارة تُباع، مما كان من شأنه أن يُضعف قدرة سيارة الدفع الرباعي الهجينة على المنافسة. ردّت تويوتا على ذلك بالسعي إلى إبطال براءات اختراع أنتونوف ذات الصلة رسميًا. ^{[ ٦٤ ]}

في الأول من سبتمبر/أيلول 2006، أعلنت شركة أنتونوف أن المحكمة الاتحادية للبراءات في ميونيخ لم تُقرّ بصحة الجزء الألماني من براءة اختراعها (EP0414782) ضد شركة تويوتا. وبعد بضعة أيام، قضت محكمة في دوسلدورف بأن نظام نقل الحركة في سيارة تويوتا بريوس ونظام نقل الحركة في سيارة لكزس RX 400h لا يُخالفان براءة اختراع أنتونوف لنظام ناقل الحركة المتغير باستمرار الهجين. ^{[ 65 ]}

قامت شركة فورد موتور بشكل مستقل بتطوير نظام بتقنيات رئيسية مشابهة لتقنية HSD من تويوتا في عام 2004. ونتيجة لذلك، حصلت فورد على ترخيص 21 براءة اختراع من تويوتا مقابل براءات اختراع تتعلق بتقنية الانبعاثات. ^{[ 66 ]}

حصلت شركة Paice LLC على براءة اختراع لمركبة هجينة مُحسّنة مزودة بوحدة نقل عزم دوران قابلة للتحكم ( براءة الاختراع الأمريكية رقم 5343970 ، سيفيرينسكي؛ أليكس جيه، "مركبة كهربائية هجينة"، الصادرة في 6 سبتمبر 1994  )، ولديها براءات اختراع إضافية متعلقة بالمركبات الهجينة. في عام 2010، وافقت تويوتا على ترخيص براءات اختراع Paice؛ ولم يُفصح عن شروط التسوية. ^{[ 67 ]} وتنص التسوية على أن "الطرفين يتفقان على أنه على الرغم من ثبوت تكافؤ بعض مركبات تويوتا مع براءة اختراع Paice، فإن تويوتا هي من ابتكرت وصممت وطورت سيارة بريوس وتقنية تويوتا الهجينة بشكل مستقل عن أي اختراعات للدكتور سيفيرينسكي وشركة Paice، وذلك في إطار تاريخ تويوتا الطويل في مجال الابتكار". ^{[ 68 ]} وكانت Paice قد أبرمت سابقًا اتفاقية مع شركة فورد لترخيص براءة اختراعها. ^{[ 69 ]}