Conducción híbrida Synergy Drive

En un automóvil convencional, el alternador de excitación independiente con rectificador integrado (generador de CC) y el motor de arranque (motor de CC) se consideran accesorios conectados al motor de combustión interna (MCI), que normalmente acciona la transmisión para impulsar las ruedas del vehículo. La batería se utiliza únicamente para arrancar el motor de combustión interna y alimentar los accesorios cuando este no está en marcha. El alternador se utiliza para recargar la batería y alimentar los accesorios cuando el motor está en marcha.

El sistema HSD reemplaza la transmisión de engranajes, el alternador y el motor de arranque con:

• MG1 , un motor-generador de CA con rotor de imán permanente , ^{[ 7 ]} utilizado como motor para arrancar el motor de combustión interna y como generador (alternador) para cargar la batería de alto voltaje.
• MG2 , un motor-generador de CA, que también cuenta con un rotor de imán permanente, se utiliza como motor de accionamiento principal y como generador (alternador) cuando la energía de regeneración se dirige a la batería de alto voltaje. Generalmente, el MG2 es el más potente de los dos motores-generadores.
• Electrónica de potencia , incluyendo tres inversores CC-CAy dos convertidores CC-CC.
• Sistema de control computarizado y sensores
• La batería de alto voltaje (HVB) suministra energía eléctrica durante la aceleración y la consume durante el frenado regenerativo.

A través del divisor de potencia, el sistema HSD de un híbrido completo serie-paralelo permite los siguientes flujos de potencia inteligentes: ^{[ 8 ]}

• Alimentación auxiliar
  • HVB → Convertidor CC-CC → Batería de 12 V CC
  • Batería de 12 V CC → Electrónica del vehículo de 12 V
• Carga del motor (recarga y/o calentamiento del convertidor catalítico y/o del sistema de climatización para el confort interior)
  • ICE → MG1 → HVB
• Batería o motor eléctrico
  • HVB → MG2 → ruedas
• Motor y tracción eléctrica (aceleración moderada)
  • HIELO → ruedas
  • HIELO → MG1 → MG2 → ruedas
• Motor de tracción con carga (conducción en carretera)
  • HIELO → ruedas
  • ICE → MG1 → HVB
• Motor de combustión y accionamiento eléctrico con carga (situaciones de alta potencia, como en pendientes pronunciadas).
  • HIELO → ruedas
  • ICE → MG1 → HVB
  • HIELO → MG1 → MG2 → ruedas
• Potencia máxima o desaceleración gradual (situaciones de máxima potencia)
  • HIELO → ruedas
  • HIELO → MG1 → MG2 → ruedas
  • HVB → MG2 → ruedas
• Frenado en modo B
  • Ruedas → MG2 → HVB
  • Ruedas → MG1 → ICE (ECU – Unidad de Control Electrónico – utiliza MG1 para hacer girar el ICE, lo que descarga la batería, permitiendo una mayor carga desde MG2, y también conecta el ICE a las ruedas, provocando el "freno del motor"; las RPM del ICE aumentan cuando el nivel de carga de la batería de alto voltaje es demasiado alto para aceptar la electricidad regenerativa de MG2, o cuando aumenta el esfuerzo del conductor al presionar el pedal del freno).
• Frenado regenerativo
  • ruedas → MG2 → HVB
• Frenado brusco
  • Disco delantero/tambor trasero (disco trasero en el Reino Unido) → ruedas
  • Todos los discos → ruedas (2010 y posteriores, excepto el Prius c de 2012 en adelante, que usa discos delanteros y tambores traseros).

El diseño de engranajes mecánicos del sistema permite dividir la potencia mecánica del motor de combustión interna en tres partes: par adicional en las ruedas (a velocidad de rotación constante), velocidad de rotación adicional en las ruedas (a par constante) y potencia para un generador eléctrico. Un ordenador que ejecuta los programas adecuados controla los sistemas y dirige el flujo de potencia de las diferentes fuentes de motor + motor eléctrico. Esta división de potencia logra las ventajas de una transmisión continuamente variable (CVT), excepto que la conversión de par/velocidad utiliza un motor eléctrico en lugar de una conexión directa de tren de engranajes mecánicos. Un coche HSD no puede funcionar sin el ordenador, la electrónica de potencia, el paquete de baterías y los motores-generadores, aunque en principio podría funcionar sin el motor de combustión interna. (Véase: Híbrido enchufable ) En la práctica, los coches equipados con HSD pueden conducir uno o dos kilómetros sin gasolina, como medida de emergencia para llegar a una gasolinera .

Una transmisión HSD contiene un conjunto de engranajes planetarios que ajusta y combina la cantidad de torque del motor y los motores eléctricos según las necesidades de las ruedas delanteras. Es una combinación sofisticada y compleja de engranajes, motores-generadores eléctricos y controles electrónicos controlados por computadora. Uno de los motores-generadores, MG2, está conectado al eje de salida, acoplando así el torque hacia o desde los ejes de transmisión; al suministrar electricidad a MG2, se agrega torque en las ruedas. El extremo del eje de transmisión del motor tiene un segundo diferencial ; una rama de este diferencial está unida al motor de combustión interna y la otra a un segundo motor-generador, MG1. El diferencial relaciona la velocidad de rotación de las ruedas con las velocidades de rotación del motor y MG1, y MG1 se utiliza para absorber la diferencia entre la velocidad de las ruedas y la del motor. El diferencial es un conjunto de engranajes epicicloidales (también llamado "dispositivo de división de potencia"); tanto este como los dos motores-generadores están contenidos en una sola carcasa de transmisión atornillada al motor . Acoplamientos y sensores especiales monitorean la velocidad de rotación de cada eje y el par total en los ejes de transmisión, para retroalimentar la computadora de control. ^{[ 9 ]}

En los HSD de Generación 1 y Generación 2, el MG2 está conectado directamente al engranaje anular, es decir, con una relación 1:1, lo que no ofrece multiplicación de par, mientras que en los HSD de Generación 3, el MG2 está conectado al engranaje anular a través de un conjunto de engranajes planetarios de 2,5:1, ^{[ 10 ]} lo que, en consecuencia, ofrece una multiplicación de par de 2,5:1, siendo este un beneficio principal del HSD de Generación 3, ya que proporciona un MG2 más pequeño, pero más potente. Sin embargo, un beneficio secundario es que el MG1 no se excederá de velocidad con tanta frecuencia, lo que de otro modo obligaría a emplear el motor de combustión interna para mitigar este exceso de velocidad; esta estrategia mejora el rendimiento del HSD, además de ahorrar combustible y reducir el desgaste del motor de combustión interna.

El sistema HSD cuenta con dos baterías principales: la batería de alto voltaje (HV), también conocida como batería de tracción, y una batería de plomo-ácido de 12 voltios , denominada batería de bajo voltaje (LV), que funciona como batería auxiliar. La batería LV suministra energía a los componentes electrónicos y accesorios cuando el sistema híbrido está apagado y el relé principal de la batería de alto voltaje está desactivado. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

La batería de tracción es un paquete de baterías sellado de níquel-metal hidruro (NiMH) o de iones de litio . El paquete de baterías del Toyota Prius de primera generación constaba de 228 celdas empaquetadas en 38 módulos, mientras que el Prius de segunda generación constaba de 28 módulos prismáticos de níquel-metal hidruro Panasonic, cada uno con seis celdas de 1,2 voltios, conectadas en serie para producir un voltaje nominal de 201,6 voltios. La capacidad de descarga del paquete del Prius de segunda generación es de aproximadamente 20 kW con un estado de carga (SoC) del 50 % . La capacidad de potencia aumenta con temperaturas más altas y disminuye con temperaturas más bajas. El Prius tiene una computadora dedicada exclusivamente a mantener la batería a la temperatura y el nivel de carga óptimos. ^{[ 13 ]}

Al igual que el Prius de segunda generación, el paquete de baterías del Prius de tercera generación está compuesto por el mismo tipo de celdas de 1,2 voltios. Tiene 28 módulos de 6 celdas para un voltaje nominal total de solo 201,6 voltios. Se utiliza un convertidor elevador para producir un voltaje de suministro de CC de 500 voltios para los inversores de MG1 y MG2. ^{[ 11 ]} La electrónica del automóvil solo permite que se utilice el 40 % de la capacidad nominal total del paquete de baterías (6,5 amperios-hora) para prolongar la vida útil de la batería. Como resultado, el SoC solo puede variar entre el 40 % y el 80 % de la carga completa nominal. ^{[ 11 ]} La batería utilizada en el Highlander Hybrid y el Lexus RX 400h estaba empaquetada en una carcasa de batería metálica diferente con 240 celdas que proporcionan un alto voltaje de 288 voltios. ^{[ 13 ]}

Un botón etiquetado como "EV" mantiene el modo de vehículo eléctrico después de encenderse y en la mayoría de las condiciones de carga baja a menos de 25 mph (40 km/h) si la batería de tracción tiene suficiente carga. Esto permite la conducción totalmente eléctrica sin consumo de combustible hasta 1 mi (1,6 km) . Sin embargo, el software HSD cambia al modo EV automáticamente siempre que puede. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Solo el Toyota Prius Plug-in Hybrid tiene una autonomía de conducción totalmente eléctrica más larga en operación mixta eléctrico-gasolina de 11 mi (18 km) ( clasificación EPA ) hasta que se agota la batería. ^{[ 16 ]} El Prius PHEV está equipado con baterías de iones de litio de 4,4 kWh codesarrolladas con Panasonic que pesan 80 kg (180 lb) en comparación con la batería de níquel-metal hidruro de la tercera generación del Prius , que tiene una capacidad de solo 1,3 kWh y pesa 42 kg (93 lb) . El paquete de baterías más grande permite el funcionamiento totalmente eléctrico a velocidades más altas y distancias más largas que el Prius híbrido convencional. ^{[ 17 ] [ 18 ]}           

La siguiente tabla detalla la capacidad de la batería de alto voltaje para varios vehículos Lexus y Toyota. ^{[ 19 ]}

El HSD funciona en distintas fases dependiendo de la velocidad y el par motor requerido. Aquí se muestran algunas de ellas:

• Carga de la batería : El HSD puede cargar su batería sin mover el coche, haciendo funcionar el motor y extrayendo energía eléctrica del MG1. La energía se desvía a la batería y no se suministra par motor a las ruedas. El ordenador de a bordo realiza esta función cuando es necesario, por ejemplo, al detenerse en el tráfico o para calentar el motor y el catalizador tras un arranque en frío.
• Arranque del motor : Para arrancar el motor, se aplica energía al MG1, que actúa como motor de arranque. Debido al tamaño de los generadores, el arranque es relativamente rápido y requiere poca energía del MG1. Además, no se escucha el sonido típico de un motor de arranque convencional . El motor puede arrancar tanto estando detenido como en movimiento.
• Marcha atrás (equivalente) : No hay marcha atrás como en una caja de cambios convencional: el ordenador invierte la secuencia de fases del motor-generador de CA MG2, aplicando un par negativo a las ruedas. Los primeros modelos no proporcionaban suficiente par para ciertas situaciones: se han reportado casos de propietarios de Prius de las primeras generaciones que no podían subir cuestas empinadas en San Francisco . Este problema se ha solucionado en los modelos más recientes. Si la batería está baja, el sistema puede hacer funcionar el motor y tomar energía del MG1 simultáneamente, aunque esto reducirá el par de marcha atrás disponible en las ruedas.
• Marcha neutral (equivalente) : La mayoría de las jurisdicciones exigen que las transmisiones automotrices tengan una marcha neutral que desacople el motor y la transmisión. La "marcha neutral" de HSD se logra apagando los motores eléctricos. En esta condición, el engranaje planetario está fijo (si las ruedas del vehículo no giran); si las ruedas del vehículo giran, el engranaje anular rotará, lo que hará que el engranaje solar también gire (la inercia del motor mantendrá el engranaje portador fijo a menos que la velocidad sea alta), mientras que MG1 puede girar libremente mientras las baterías no se cargan. El manual del propietario ^{[ 42 ]} advierte que la marcha neutral eventualmente descargará la batería, lo que resultará en una potencia del motor "innecesaria" para recargar las baterías; una batería descargada hará que el vehículo sea inoperable.

• Funcionamiento eléctrico : A bajas velocidades y con un par motor moderado, el HSD puede funcionar sin necesidad de accionar el motor de combustión interna. La electricidad se suministra únicamente al MG2, lo que permite que el MG1 gire libremente (desacoplando así el motor de las ruedas). Esto se conoce popularmente como «Modo Sigiloso». Si la batería tiene suficiente carga, el coche puede circular en este modo silencioso durante varios kilómetros incluso sin gasolina.
• Marcha corta (equivalente) : Al acelerar a bajas velocidades en funcionamiento normal, el motor gira más rápido que las ruedas, pero no desarrolla suficiente par motor. La velocidad adicional del motor se transmite al generador MG1. La salida del MG1 se transmite al motor MG2, que actúa como motor y añade par motor al eje de transmisión.
• Marcha alta (equivalente) : Al circular a alta velocidad, el motor gira más despacio que las ruedas, pero genera más par motor del necesario. El MG2 actúa entonces como generador para eliminar el exceso de par, produciendo energía que se alimenta al MG1, que actúa como motor para aumentar la velocidad de las ruedas. En estado estacionario, el motor proporciona toda la potencia necesaria para propulsar el coche, a menos que no pueda suministrarla (como durante una aceleración brusca o al subir una pendiente pronunciada a alta velocidad). En este caso, la batería suministra la diferencia. Siempre que cambia la potencia de propulsión requerida, la batería equilibra rápidamente el balance energético, permitiendo que el motor cambie de potencia con relativa lentitud.
• Frenado regenerativo : Al extraer energía del MG2 y almacenarla en la batería, el HSD simula la desaceleración del frenado normal del motor , conservando energía para un impulso posterior. Los frenos regenerativos del sistema HSD absorben una cantidad significativa de la carga de frenado normal, por lo que los frenos convencionalesde los vehículos HSD son de menor tamaño que los de un automóvil convencional de masa similar y duran mucho más.
• Frenado del motor : El sistema HSD cuenta con una configuración especial de la transmisión denominada «B» (de Freno), que sustituye a la configuración «L» de una transmisión automática convencional , proporcionando frenado del motor en pendientes. Esta configuración puede seleccionarse manualmente en lugar del frenado regenerativo. Durante el frenado, cuando la batería se acerca a niveles de carga potencialmente dañinos, el sistema de control electrónico cambia automáticamente al frenado del motor convencional , extrayendo energía de MG2 y transfiriéndola a MG1, acelerando el motor con el acelerador cerrado para absorber energía y desacelerar el vehículo.
• Impulso eléctrico : La batería proporciona una reserva de energía que permite al ordenador ajustar la demanda del motor a una curva de carga óptima predeterminada, en lugar de operar al par y la velocidad exigidos por el conductor y la carretera. El ordenador gestiona el nivel de energía almacenada en la batería para poder absorber energía adicional donde sea necesario o suministrarla para aumentar la potencia del motor.

El Toyota Prius tiene una aceleración modesta pero una eficiencia extremadamente alta para un sedán mediano de cuatro puertas: por lo general, significativamente mejor que 40  mpg  (EE. UU.) (5,9  L/100  km) es típico de trayectos cortos en ciudad; 55  mpg (4,3  L/100  km) no es raro, especialmente para viajes largos a velocidades moderadas (un viaje más largo permite que el motor se caliente completamente). Esto es aproximadamente el doble de la eficiencia de combustible de un sedán de cuatro puertas equipado de manera similar con un tren motriz convencional. No toda la eficiencia adicional del Prius se debe al sistema HSD: el motor de ciclo Atkinson en sí también fue diseñado específicamente para minimizar la resistencia del motor a través de un cigüeñal descentrado para minimizar la resistencia del pistón durante la carrera de potencia , y un sistema de admisión único para evitar la resistencia causada por el vacío del colector ("pérdidas de bombeo") en comparación con el ciclo Otto normal en la mayoría de los motores. Además, el ciclo Atkinson recupera más energía por ciclo que el Otto debido a su carrera de potencia más larga. La desventaja del ciclo Atkinson es un par motor mucho reducido, particularmente a baja velocidad; pero el HSD tiene un enorme par motor a bajas revoluciones disponible gracias al MG2.

El Highlander Hybrid (también vendido como Kluger en algunos países) ofrece una mejor aceleración en comparación con su versión no híbrida. La versión híbrida pasa de 0 a 60  mph en 7,2 segundos, reduciendo casi un segundo el tiempo de la versión convencional. La potencia neta es de 268 hp (200 kW) en comparación con los 215 hp (160 kW) del convencional . La velocidad máxima para todos los Highlander está limitada a 112 mph (180 km/h) . El consumo típico de combustible para el Highlander Hybrid oscila entre 27 y 31 mpg (8,7–7,6 L/100 km). Un Highlander convencional tiene una calificación de la EPA de 19 mpg en ciudad y 25 mpg en carretera (12,4 y 9,4 L/100 km respectivamente).           

El aumento de kilometraje del HSD depende de utilizar el motor de gasolina de la manera más eficiente posible, lo que requiere:

• En viajes largos , especialmente en invierno: Calentar el habitáculo para los pasajeros contradice el diseño del HSD. El HSD está diseñado para generar la menor cantidad posible de calor residual . En un automóvil convencional, este calor residual se utiliza generalmente para calentar el habitáculo en invierno. En el Prius, el funcionamiento de la calefacción requiere que el motor siga funcionando para generar calor útil para el habitáculo. Este efecto se nota especialmente al apagar el climatizador (calefacción) con el vehículo detenido y el motor en marcha. Normalmente, el sistema de control del HSD apaga el motor cuando no es necesario y no lo vuelve a arrancar hasta que el generador alcanza su velocidad máxima.
• Aceleración moderada : Debido a que los autos híbridos pueden reducir la potencia o apagar completamente el motor durante una aceleración moderada, pero no rápida, son más sensibles que los autos convencionales al estilo de conducción. Una aceleración brusca fuerza al motor a un estado de alta potencia, mientras que una aceleración moderada lo mantiene en un estado de menor potencia y alta eficiencia (con la ayuda de la batería).
• Frenado gradual : Los frenos regenerativos reutilizan la energía del frenado, pero no pueden absorberla tan rápido como los frenos convencionales. El frenado gradual recupera energía para su reutilización, aumentando el kilometraje; el frenado brusco desperdicia la energía en forma de calor, al igual que en un automóvil convencional. El uso del selector "B" (frenado) en el control de la transmisión es útil en descensos largos para reducir el calor y el desgaste de los frenos convencionales, pero no recupera energía adicional. ^{[ 43 ]} Toyota desaconseja el uso constante de "B" ya que "puede causar una disminución en el consumo de combustible" en comparación con la conducción en "D". ^{[ 44 ]}

La mayoría de los sistemas HSD cuentan con baterías dimensionadas para proporcionar el máximo impulso durante una sola aceleración desde cero hasta la velocidad máxima del vehículo. Si la demanda es mayor, la batería puede agotarse por completo, impidiendo así que se disponga de este impulso adicional de par. En ese caso, el sistema recurre únicamente a la potencia disponible del motor. Esto provoca una importante disminución del rendimiento en determinadas condiciones: un Prius de primera generación puede alcanzar más de 140 km /h en una pendiente ascendente de 6 grados, pero tras ascender unos 610 metros , la batería se agota y el coche solo alcanza entre 88 y 96 km/h en la misma pendiente (hasta que la batería se recarga conduciendo en condiciones menos exigentes).    

The system was called the Toyota Hybrid System (THS) when it was introduced with the Prius in 1997.^[46] The hybrid transaxle, designated P110,^[47] includes two electric motors (MG1 and MG2) and a planetary gearset, which Toyota calls the "Power Split Device" (PSD); mechanical power from the internal combustion engine (E) can be directed either to the wheels or to MG1, acting as a generator.^[46]

La energía eléctrica fluye entre MG1, MG2 y una batería de almacenamiento a través de un inversor. Si bien MG1 generalmente funciona como generador (alternador), también sirve como motor de arranque para el motor de combustión interna. MG2 suele funcionar como motor, ya sea por sí mismo a bajas velocidades o para asistir al motor de combustión interna, pero también puede funcionar como generador, por ejemplo, durante la desaceleración para el frenado regenerativo . ^{[ 46 ] [ 48 ]}

Esquematicamente, MG1 está conectado al engranaje solar central (S), el motor de combustión interna está conectado al portaengranajes planetarios (P) y no a ningún engranaje individual, y MG2 está conectado a la corona dentada (R). Las ruedas están conectadas a la corona dentada mediante engranajes reductores y un diferencial, no ilustrados en el diagrama. ^{[ 46 ]}

El sistema híbrido de Toyota utiliza un paquete de baterías de alto voltaje, que oscila entre 276 y 288  V. Se ha producido una mejora continua y gradual en la capacidad específica de la batería de tracción. El Prius original utilizaba celdas D de 1,2 voltios encapsuladas en plástico termoencapsulado, y todos los vehículos THS/HSD posteriores han utilizado  módulos de batería personalizados de 7,2 V montados en un soporte.

G1 monomotor

En 2001, se lanzó en el mercado japonés una versión modificada de la transmisión THS de primera generación como la transmisión P210, instalada en la minivan Estima . ^{[ 47 ]} La P210 acopla el motor de combustión interna (E) con el engranaje solar (S) y el motor de arranque/generador (MG1) con el portaengranajes planetarios (P), lo cual es lo opuesto al esquema de la THS de primera generación. Además, la THS de primera generación de un solo motor omite el motor de tracción (MG2) y utiliza una transmisión continuamente variable por correa que puede acoplarse selectivamente mediante embragues giratorios al portaengranajes planetarios (P) o a la corona dentada (R).

Al mismo tiempo, se lanzó una opción de tracción integral para el Estima; la unidad de tracción trasera Q410 utiliza un motor de tracción eléctrico sin acoplamiento mecánico al transeje delantero. ^{[ 47 ]}

El THS fue seguido por el THS-II en el Prius de 2004. A partir del THS-II, Toyota también comenzó a referirse al sistema como Hybrid Synergy Drive (HSD). En comparación con el THS, el THS-II ofrecía un menor consumo y un mejor rendimiento con mayor potencia y par motor. ^{[ 49 ] : 21} El THS-II utiliza el mismo diseño que el THS, combinando la potencia de tracción de un motor de combustión interna y un motor eléctrico a través de un conjunto de engranajes planetarios (dispositivo de división de potencia) que puede desviar parte de la potencia a un generador eléctrico. ^{[ 50 ] : 4}

Eléctricamente, HSD/THS-II añade un convertidor CC a CC que aumenta el potencial de la batería a 500  V o más. Esto permite utilizar baterías más pequeñas y motores más potentes. ^{[ 49 ]} En comparación con THS, el tamaño físico del motor de tracción (MG2) en THS-II permanece prácticamente igual, pero la potencia máxima ha aumentado de 33 a 50 kW (44 a 67 hp) y el par máximo ha aumentado de 350 a 400 N⋅m (260 a 300 lbf⋅ft) . Los devanados del estator están conectados en serie, lo que requiere un potencial mayor. ^{[ 51 ]}    

Aunque no forma parte del THS/HSD propiamente dicho, a partir del Prius de 2004, todos los vehículos THS/HSD incorporan un compresor de aire acondicionado eléctrico, en lugar del compresor convencional accionado por el motor. Esto elimina la necesidad de mantener el motor en marcha continuamente cuando se requiere refrigeración del habitáculo. Dos calentadores de coeficiente de temperatura positivo están instalados en el núcleo del calefactor para complementar el calor proporcionado por el motor. ^{[ 52 ]}

La versión actualizada de HSD entregada por primera vez en el año modelo 2006 RX  400h es similar a THS/THS-II, con la adición de un segundo conjunto de engranajes planetarios, que Toyota llama Dispositivo de Reducción de Velocidad del Motor (MSRD); se combina con el primer conjunto de engranajes planetarios (PSD) mediante el acoplamiento de los dos engranajes anulares (R1 y R2). ^{[ 53 ]} Los engranajes anulares acoplados todavía se utilizan para impulsar las ruedas delanteras del vehículo. El motor de tracción (MG2) utiliza el MSRD como engranaje reductor, lo que permite aumentar la densidad de potencia del motor. ^{[ 1 ]} Ford también ha desarrollado un sistema híbrido similar, introducido en el Ford Escape Hybrid .

El director ejecutivo de Toyota, Katsuaki Watanabe, declaró en una entrevista el 16 de febrero de 2007 que Toyota tenía como objetivo "reducir a la mitad tanto el tamaño como el costo del sistema HSD de tercera generación". ^{[ 54 ]} El nuevo sistema incorporará baterías de iones de litio en los próximos años. Las baterías de iones de litio tienen una mayor relación capacidad-peso energética en comparación con las de NiMH , pero operan a temperaturas más altas y son susceptibles a la inestabilidad térmica si no se fabrican y controlan adecuadamente, lo que plantea problemas de seguridad. ^{[ 55 ] [ 56 ]}

G3 de tracción trasera (Lexus Hybrid Drive)

En 2006 y 2007, una evolución del sistema de propulsión HSD, bajo la denominación Lexus Hybrid Drive, se instaló en los sedanes Lexus GS 450h / LS 600h como la transmisión L110. Las versiones anteriores de HSD/THS se instalaron en transejes utilizados con plataformas de tracción delantera; Lexus Hybrid Drive aplicó el concepto HSD de dos motores a una transmisión longitudinal para vehículos de tracción trasera. Este sistema utiliza dos embragues (o frenos, en R2 y S3) para cambiar la relación de transmisión del segundo motor a las ruedas entre una relación de 3,9 y 1,9, para regímenes de conducción de baja y alta velocidad respectivamente. Esto disminuye la potencia que fluye de MG1 a MG2 (o viceversa) a velocidades más altas. La ruta eléctrica tiene una eficiencia de solo alrededor del 70%, lo que disminuye su flujo de potencia a la vez que aumenta el rendimiento general de la transmisión. El segundo conjunto de engranajes planetarios se amplía con un segundo portador y un engranaje solar para formar un engranaje tipo Ravigneaux con cuatro ejes, dos de los cuales pueden mantenerse fijos alternativamente mediante un freno/embrague.

Los sistemas GS 450h y LS 600h utilizaban transmisiones de tracción trasera y tracción total , respectivamente, y fueron diseñados para ser más potentes que las versiones no híbridas de las mismas líneas de modelos, ^{[ 2 ] [ 3 ]} al tiempo que proporcionaban una eficiencia de motor comparable a la de su clase. ^{[ 57 ]}

En 2012 se lanzó una versión simplificada con la decimocuarta generación del Crown (S210) ; la transmisión L210 omite los dos embragues, pero conserva el segundo conjunto de engranajes planetarios (MSRD) aplicado a la salida del MG2, al igual que otras transmisiones de tercera generación. Sin embargo, en comparación con las transmisiones G3, en lugar de acoplar los dos engranajes anulares, la L210 acopla el engranaje anular PSD (R1) al portaengranajes planetarios MSRD (P2), y conecta a tierra el engranaje anular del MSRD (R2) en lugar del portaengranajes planetarios.

El 13 de octubre de 2015, Toyota anunció detalles de la cuarta generación del sistema Hybrid Synergy Drive, que se introdujo para el año modelo 2016. El diseño general vuelve a un único conjunto de engranajes planetarios similar al THS/THS-II; los engranajes de reducción paralelos en las transmisiones de cuarta generación reemplazan al dispositivo de reducción de velocidad del motor, que es un segundo conjunto de engranajes planetarios que se encuentra en las transmisiones de tercera generación. La transmisión y el motor de tracción se han rediseñado, lo que proporciona una reducción en el tamaño y el peso combinado. ^{[ 58 ]} El motor de tracción en sí es considerablemente más compacto y obtiene una mejor relación potencia-peso . Cabe destacar que hay una reducción del 20 por ciento en las pérdidas mecánicas debido a la fricción en comparación con el modelo anterior. El Prius c 2012– conserva la transmisión P510. La transmisión P610 emplea engranajes helicoidales en lugar de los engranajes rectos de corte recto empleados en las transmisiones anteriores, y que funcionan de manera más suave y silenciosa, al tiempo que también soportan cargas mecánicas más altas.

Tracción trasera G4 (THS-II multietapa)

La transmisión L310 para vehículos de tracción trasera reemplazó a la anterior transmisión L110 en vehículos de gama alta. En comparación con las transmisiones L110 y L210, la L310 acopla el engranaje MG2 al engranaje anular del PSD (R1). Además, la L310 incorpora un tercer conjunto de engranajes planetarios, que se combina con el segundo (MSRD) mediante el acoplamiento del portaengranajes planetarios del segundo conjunto (P2) con el engranaje anular del tercer conjunto (R3), y mediante el acoplamiento del engranaje anular del segundo (R2) con el portaengranajes planetarios del tercero (P3).

Además, se han añadido varios embragues y frenos rotativos, incluido un embrague unidireccional en el portaengranajes planetarios del segundo conjunto de engranajes planetarios (P2). Al acoplarlos selectivamente, la transmisión puede simular diez relaciones de transmisión diferentes. ^{[ 58 ]}

La quinta generación del sistema Hybrid Synergy Drive comenzó a aparecer en 2023 (MY23).

El mecanismo es similar al de la generación anterior, pero los motores eléctricos se han mejorado y ahora son más ligeros, más compactos y más potentes (18 CV). ^{[ 59 ]}

Algunas configuraciones también han optado por utilizar baterías de iones de litio (en lugar de NiMH), lo que también ofrece una reducción de tamaño y peso para un mejor rendimiento.

En otoño de 2005, la empresa Antonov Automotive Technology BV Plc demandó a Toyota , la empresa matriz de la marca Lexus, por presunta infracción de patentes relacionadas con componentes clave del sistema de transmisión del RX 400h y del automóvil híbrido compacto Toyota Prius. El caso llevaba pendiente desde abril de 2005, pero las negociaciones para llegar a un acuerdo no lograron un resultado mutuamente satisfactorio. Finalmente, Antonov recurrió a la vía judicial alemana, donde las decisiones suelen ser relativamente rápidas. El titular de la patente pretendía imponer un gravamen a cada vehículo vendido, lo que podría haber restado competitividad al SUV híbrido. Toyota contraatacó solicitando la invalidación oficial de las patentes pertinentes de Antonov. ^{[ 64 ]}

El 1 de septiembre de 2006, Antonov anunció que el Tribunal Federal de Patentes de Múnich no había confirmado la validez de la parte alemana de su patente (EP0414782) frente a Toyota. Pocos días después, un tribunal de Düsseldorf dictaminó que el sistema de transmisión del Toyota Prius y el del Lexus RX 400h no infringían la patente de la transmisión CVT híbrida de Antonov. ^{[ 65 ]}

En 2004, Ford Motor Company desarrolló de forma independiente un sistema con tecnologías clave similares a la tecnología HSD de Toyota. Como resultado, Ford obtuvo la licencia de 21 patentes de Toyota a cambio de patentes relacionadas con la tecnología de emisiones. ^{[ 66 ]}

Paice LLC recibió una patente para un vehículo híbrido mejorado con una unidad de transferencia de par controlable ( patente estadounidense 5343970 , Severinsky; Alex J., "Vehículo eléctrico híbrido", emitida el 6 de septiembre de 1994  ) y posee patentes adicionales relacionadas con vehículos híbridos. En 2010, Toyota acordó licenciar las patentes de Paice; los términos del acuerdo no se divulgaron. ^{[ 67 ]} En el acuerdo, "las partes acuerdan que, si bien se ha determinado que ciertos vehículos Toyota son equivalentes a una patente de Paice, Toyota inventó, diseñó y desarrolló el Prius y la tecnología híbrida de Toyota independientemente de cualquier invención del Dr. Severinsky y Paice como parte de la larga historia de innovación de Toyota". ^{[ 68 ]} Anteriormente, Paice celebró un acuerdo con Ford para la licencia de la patente de Paice. ^{[ 69 ]}