ハイブリッドシナジードライブ

ハイブリッドシナジードライブ （HSD ）は、トヨタハイブリッドシステムIIとも呼ばれ、トヨタ自動車株式会社がトヨタおよびレクサスブランドの車両に使用しているハイブリッドカーのドライブトレイン技術のブランド名です。プリウスで初めて導入されたこの技術は、他のトヨタ車やレクサス車にもオプションとして採用されており、水素燃料のミライの電動ドライブシステムや、プリウスのプラグインハイブリッドバージョンにも採用されています。トヨタは以前、HSD技術を日産にライセンス供与し、日産アルティマハイブリッドに使用させていました。トヨタの部品サプライヤーであるアイシンは、他の自動車会社にも同様のハイブリッドトランスミッションを提供しています。

HSD 技術により、電気モーターのみで走行できるフルハイブリッド車が生まれます。これは、他のほとんどのブランドのハイブリッド車がそうすることができず、マイルドハイブリッドと見なされているのとは対照的です。HSD は、電気駆動と遊星ギアセットも組み合わせており、無段変速機と同様の働きをします。シナジードライブは、エンジンとエンジン制御が直接機械的に接続されていないドライブバイワイヤシステムです。HSD 車のアクセルペダル/アクセルとギアシフトレバーは、どちらも制御コンピューターに電気信号を送信するだけです。

HSD は、1997 年から 2003 年のトヨタ プリウスで使用されていたオリジナルのトヨタ ハイブリッド システム( THS ) を改良したものです。第 2 世代のシステムは、2004 年に再設計されたプリウスで初めて登場しました。トヨタ ブランド以外の車両 (レクサス、レクサス車両で使用される HSD 由来のシステムはレクサス ハイブリッド ドライブと呼ばれています) での使用を見越して名前が変更され、2006 年のカムリとハイランダーに実装され、最終的には 2010 年の「第 3 世代」プリウス、および 2012 年のプリウス cに実装されました。トヨタ ハイブリッド システムは、出力と効率の向上、および「スケーラビリティ」(大型車両と小型車両への適応性) の向上を目的として設計されており、ICE/MG1 と MG2 は別々の減速経路を持ち、「複合」ギアで組み合わされ、最終減速ギア トレインとディファレンシャルに接続されています。^{[1]レクサスの}全輪駆動および後輪駆動モデルに導入されました。 ^{[2] [3]}トヨタは2007年5月までに世界中で100万台のハイブリッド車を販売し、2009年8月末までに200万台、2013年3月には500万台を突破しました。 ^{[4] [5]} 2014年9月現在^{[アップデート]}、レクサスとトヨタのハイブリッド車が世界中で700万台以上販売されています。^[6] 2013年3月現在、米国はTMCのグローバルハイブリッド車の販売の38％を占めています^{[アップデート]}。^[5]

トヨタの HSD システムは、通常のギア式トランスミッションを電気機械式システムに置き換えたものです。内燃エンジン(ICE) は狭い速度範囲で最も効率的に動力を供給しますが、車輪は車両の全速度範囲で駆動する必要があります。従来の自動車では、ギア式トランスミッションは、車輪に異なる個別のエンジン速度 - トルク動力要件を供給します。ギア式トランスミッションは、クラッチ付きの手動式、またはトルク コンバータ付きの自動式ですが、どちらもエンジンと車輪が異なる速度で回転します。ドライバーはアクセルでエンジンから供給される速度とトルクを調整でき、トランスミッションは機械的に利用可能な動力のほぼすべてを車輪に伝達します。車輪は、現在選択されているギアのギア比に等しい係数で、エンジンとは異なる速度で回転します。ただし、ドライバーが選択できる「ギア」またはギア比の数は限られており、通常は 4 ～ 6 です。この限られたギア比セットにより、エンジンのクランクシャフトは、ICE の効率が低い速度、つまり 1 リットルの燃料で生成されるジュールが少ない速度で回転します。さまざまな車両の運転および加速条件に対する最適なエンジン速度トルク要件は、実際の速度と比較してタコメータの回転速度またはエンジン騒音を制限することによって測定できます。エンジンがギア付きトランスミッションに連結されているため、広い回転速度範囲にわたって効率的に動作する必要がある場合、メーカーはエンジン効率、信頼性、または寿命を改善し、エンジンのサイズや重量を減らすためのオプションが制限されます。このため、エンジン発電機用のエンジンは、自動車やその他の可変速度アプリケーション用に設計されたエンジンよりもはるかに小型で、効率が高く、信頼性が高く、寿命が長いことがよくあります。

しかし、無段変速機では、ドライバー（または自動車のコンピュータ）が、希望する速度やパワーに必要な最適なギア比を効果的に選択できます。トランスミッションは、固定されたギアセットに限定されません。この制約がないため、エンジンは最適なブレーキ固有燃料消費量で作動できます。HSD 車両は通常、バッテリーの充電や車の加速に電力が必要なときはいつでも、エンジンを最適な効率で稼働させ、必要な電力が少ないときはエンジンを完全に停止します。

CVTと同様に、HSD トランスミッションは、加速中に車輪の回転速度が上昇する間、エンジンと車輪の間の有効ギア比を継続的に調整してエンジン速度を維持します。これが、トヨタが標準仕様リストや規制目的でトランスミッションの種類を分類する必要がある場合、HSD 搭載車をe-CVT (電子式無段変速機) と表現する理由です。

従来の自動車設計では、一体型整流器付き別励起オルタネーター(DC ジェネレーター) とスターター(DC モーター) は、通常はトランスミッションを駆動して車輪に動力を与えて車両を推進する内燃エンジン (ICE) に取り付けられたアクセサリと見なされます。バッテリーは、自動車の内燃エンジンを始動し、エンジンが作動していないときにアクセサリを作動させるためだけに使用されます。オルタネーターは、エンジンが作動しているときにバッテリーを充電し、アクセサリを作動させるために使用されます。

HSD システムは、ギア付きトランスミッション、オルタネーター、スターター モーターを次のように置き換えます。

• MG1は永久磁石ロータを備えた交流モータジェネレータであり、^[7]内燃機関の始動時にはモータとして、高電圧バッテリの充電時には発電機（オルタネータ）として使用される。
• MG2 は、ACモータージェネレーターで、永久磁石ローターを備え、主駆動モーターおよび発電機（オルタネーター）として使用され、回生電力は高電圧バッテリーに送られます。MG2 は、通常、2 つのモータージェネレーターのうちより強力なものです。
• パワーエレクトロニクス（DC-ACインバータ3台とDC-DCコンバータ2台を含む）
• コンピュータ制御システムとセンサー
• HVBは、加速時に電気エネルギーを供給し、回生ブレーキ時に電気エネルギーを消費する高電圧バッテリーです。

パワースプリッターを介して、直列並列フルハイブリッドのHSDシステムは、次のようなインテリジェントな電力フローを可能にします。^[8]

• 補助電源
  • HVB -> DC-DCコンバータ -> 12VDCバッテリー
  • 12VDC バッテリー -> 12V 車両電子機器
• エンジン充電（触媒コンバーターの再充電および/または加熱および/または室内快適 HVAC）
  • ICE -> MG1 -> HVB
• バッテリーまたはEV駆動
  • HVB -> MG2 -> ホイール
• エンジン＆モーター駆動（中程度の加速）
  • ICE -> ホイール
  • ICE -> MG1 -> MG2 -> ホイール
• 充電によるエンジン駆動（高速道路走行）
  • ICE -> ホイール
  • ICE -> MG1 -> HVB
• エンジンとモーターを充電しながら駆動（急な坂道など、高出力が必要な状況）
  • ICE -> ホイール
  • ICE -> MG1 -> HVB
  • ICE -> MG1 -> MG2 -> ホイール
• 全力または徐々に減速（最大出力の状況）
  • ICE -> ホイール
  • ICE -> MG1 -> MG2 -> ホイール
  • HVB -> MG2 -> ホイール
• Bモードブレーキ
  • ホイール -> MG2 -> HVB
  • ホイール -> MG1 -> ICE (ECU - 電子制御ユニット - MG1 を使用して ICE を回転させ、バッテリーを消耗させます。これにより、MG2 からの充電量が増加し、ICE がホイールにリンクされて「エンジン ブレーキ」が発生します。HVB の充電レベルが高すぎて MG2 からの回生電力を受け入れられない場合、またはドライバーがブレーキ ペダルを踏む力が増す場合、ICE RPM が増加します)
• 回生ブレーキ
  • ホイール -> MG2 -> HVB
• 急ブレーキ
  • フロントディスク/リアドラム（英国ではリアディスク） -> ホイール
  • すべてのディスク -> ホイール (2010 年以降、ただしフロント ディスク、リア ドラムを使用する 2012 年以降の Prius c は除く)。

• MG1 (プライマリ モーター ジェネレータ): ICE を始動するモーターと、MG2 用の電力を生成し、高電圧トラクション バッテリーを再充電するジェネレータ、およびDC-DC コンバータを介して12 ボルトの補助バッテリーを再充電するジェネレータ。MG1 は、生成される電力の量を調整することにより (MG1 の機械的トルクと速度を変更することにより)、トランスアクスルの連続可変トランスミッションを効果的に制御します。
• MG2 (二次モータージェネレーター): 車両のブレーキ時に車輪を駆動し、HV バッテリーのエネルギー貯蔵用に電力を回生します。MG2 は、エンジン駆動の MG1 および/または HVB によって生成された電力で車輪を駆動します。回生ブレーキ中、MG2 はジェネレーターとして機能し、運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーをバッテリーに蓄えます。

システムの機械式ギアリング設計により、ICE からの機械的動力を 3 つの方法で分割できます。つまり、車輪の追加トルク (一定の回転速度の場合)、車輪の追加回転速度 (一定のトルクの場合)、および発電機の電力です。適切なプログラムを実行するコンピューターがシステムを制御し、さまざまなエンジン + モーター ソースからの電力の流れを指示します。この動力分割により、トルク/速度変換に電気モーターが使用され、機械的なギア トレインが直接接続されていないことを除き、無段変速機(CVT) の利点が得られます。HSD 車は、コンピューター、パワー エレクトロニクス、バッテリー パック、およびモーター発電機がなければ動作できませんが、原理的には内燃エンジンがなくても動作できます。(プラグイン ハイブリッドを参照) 実際には、HSD を装備した車は、ガソリン スタンドに到着するための緊急手段として、ガソリンなしで 1 マイルまたは 2 マイル走行できます。

HSDトランスアクスルには、前輪に必要なエンジンとモーターからのトルクの量を調整してブレンドする遊星ギアセットが含まれています。これは、ギア、電気モーター ジェネレーター、およびコンピューター制御の電子制御の高度で複雑な組み合わせです。モーター ジェネレーターの 1 つである MG2 は出力シャフトに接続されており、ドライブ シャフトにトルクを結合したり、ドライブ シャフトからトルクを結合したりします。MG2 に電気を供給すると、ホイールにトルクが追加されます。ドライブ シャフトのエンジン側には 2 番目の差動装置があります。この差動装置の 1 つの脚は内燃エンジンに接続され、もう 1 つの脚は 2 番目のモーター ジェネレーターである MG1 に接続されています。差動装置は、ホイールの回転速度をエンジンと MG1 の回転速度に関連付け、MG1 はホイールとエンジンの速度の差を吸収するために使用されます。差動装置は遊星ギア セット(「パワー スプリット デバイス」とも呼ばれます) であり、これと 2 つのモーター ジェネレーターはすべて、エンジンにボルトで固定された単一のトランスアクスル ハウジングに収められています。特殊なカップリングとセンサーが各シャフトの回転速度と駆動シャフトの合計トルクを監視し、制御コンピュータにフィードバックします。 ^[9]

第 1 世代および第 2 世代の HSD では、MG2 はリング ギアに直接接続されており、つまり 1:1 の比率であるためトルク増幅は行われませんが、第 3 世代の HSD では、MG2 は 2.5:1 の遊星ギア セットを介してリング ギアに接続されており、^[10]結果的に 2.5:1 のトルク増幅が行われます。これが第 3 世代 HSD の主な利点であり、より小型でより強力な MG2 が実現されます。ただし、二次的な利点として、MG1 がそれ​​ほど頻繁にオーバースピードに陥ることがなくなり、そうでなければこのオーバースピードを緩和するために ICE を使用する必要がなくなることです。この戦略により、HSD のパフォーマンスが向上するだけでなく、燃料と ICE の摩耗も節約できます。

HSDシステムには、トラクションバッテリーとも呼ばれる高電圧（HV）バッテリーと、補助バッテリーとして機能する低電圧（LV）バッテリーと呼ばれる12ボルト鉛蓄電池の2つの主要なバッテリーパックがあります。LVバッテリーは、ハイブリッドシステムがオフで高電圧バッテリーのメインリレーがオフのときに、電子機器とアクセサリに電力を供給します。^{[11] [12]}

トラクションバッテリーは密閉型 ニッケル水素（NiMH）バッテリーパックです。初代トヨタプリウスのバッテリーパックは38個のモジュールにパッケージされた228個のセルで構成されていましたが、2代目プリウスは28個のパナソニック角柱ニッケル水素モジュールで構成され、各モジュールには6個の1.2ボルトセルが直列に接続され、公称電圧201.6ボルトを生成しました。2代目プリウスパックの放電電力容量は、充電状態（SoC） 50％で約20kWです。電力容量は温度が高いほど増加し、温度が低いほど減少します。プリウスには、バッテリーを最適な温度と最適な充電レベルに保つためだけに設計されたコンピューターが搭載されています。^[13]

第2世代プリウスと同様に、第3世代プリウスのバッテリーパックは、同じタイプの1.2ボルトセルで構成されています。6セルのモジュールが28個あり、合計公称電圧はわずか201.6ボルトです。ブーストコンバーターを使用して、MG1とMG2のインバーター用の500ボルトDC電源電圧を生成します。^[11]車の電子機器は、バッテリーの寿命を延ばすために、バッテリーパックの総定格容量（6.5アンペア時）の40％のみの使用を許可しています。その結果、SoCは定格フル充電の40％から80％の間でのみ変化できます。^[11]ハイランダーハイブリッドとレクサスRX 400hで使用されたバッテリーは、 288ボルトの高電圧を供給する240個のセルを備えた別の金属製バッテリーケースにパッケージ化されていました。^[13]

「EV」というラベルの付いたボタンを押すと、トラクションバッテリーが十分に充電されていれば、電源を入れた後、ほとんどの低負荷状態で時速25マイル（40 km/h）未満で電気自動車モードを維持します。これにより、燃料を消費せずに最大1マイル（1.6 km）まで完全電気走行が可能になります。ただし、HSDソフトウェアは、可能な場合は常に自動的にEVモードに切り替わります。^{[14] [15]}トヨタのプリウスプラグインハイブリッドのみが、バッテリーが空になるまで、電気とガソリンの混合運転で11マイル（18 km）（EPA評価）のより長い完全電気走行距離を持っています。 ^[16]プリウスPHEVには、パナソニックと共同開発した4.4 kWhのリチウムイオン電池が装備されており、重量は80 kg（180ポンド）です。これに対し、容量はわずか1.3 kWhで、重量は42 kg（93ポンド）の第3世代プリウスのニッケル水素電池より大きなバッテリーパックにより、従来のプリウスハイブリッドよりも高速かつ長距離での全電気走行が可能になりました。^{[17] [18]}

以下の表は、レクサスとトヨタのいくつかの車のHVバッテリー容量の詳細を示しています。^[19]

HSD ドライブは、バッテリー パックから供給される 2 つのモーター ジェネレーター間で電力を分岐して、内燃エンジンの負荷を均等化します。急加速時には電気モーターからのパワー ブーストを利用できるため、ICE は、急加速時のピーク電力需要に合わせてサイズを決めるのではなく、車の平均負荷に合わせて小型化できます。小型の内燃エンジンは、より効率的に動作するように設計できます。さらに、通常動作時には、エンジンは、パワー、経済性、または排出量に対して理想的な速度とトルク レベルまたはその近くで動作し、バッテリー パックは、ドライバーの要求に応じて電力を吸収または供給します。交通が停止している間は、内燃エンジンをオフにして、さらに経済性を高めることもできます。

効率的な自動車設計、回生ブレーキ、交通停止時のエンジン停止、大容量の電気エネルギー貯蔵、効率的な内燃エンジン設計の組み合わせにより、HSD 駆動車は、特に市街地走行において大幅な効率上の利点が得られます。

HSD は、速度と要求されるトルクに応じて異なるフェーズで動作します。次にそのいくつかを示します。

• バッテリー充電: HSD は、エンジンを作動させて MG1 から電力を取り出すことで、車を動かさずにバッテリーを充電できます。電力はバッテリーに送られ、車輪にトルクは供給されません。車載コンピューターは、渋滞で停止しているときや、冷間始動後にエンジンと触媒コンバーターを暖めるときなど、必要なときにこれを実行します。
• エンジン始動: エンジンを始動するには、MG1 に電力を供給してスターターとして機能させます。モーター ジェネレーターのサイズにより、エンジンの始動は比較的速く、MG1 からの電力も比較的少なくて済みます。また、従来のスターター モーターの音は聞こえません。エンジンは停止中でも走行中でも始動できます。
• リバースギア（同等） : 従来のギアボックスのようなリバースギアはありません。コンピューターがACモータージェネレーターMG2への位相シーケンスを逆転させ、車輪に負のトルクをかけます。初期のモデルでは、状況によっては十分なトルクを供給できませんでした。初期のプリウスの所有者がサンフランシスコの急な坂をバックで上ることができなかったという報告があります。この問題は最近のモデルでは修正されています。バッテリー残量が少ない場合、システムはエンジンを稼働させながらMG1から電力を引き出すことができますが、これにより車輪で利用できる逆トルクが減少します。
• ニュートラルギア（同等） : ほとんどの管轄区域では、自動車のトランスミッションに、エンジンとトランスミッションを切り離すニュートラルギアの装備が義務付けられています。HSD「ニュートラルギア」は、電気モーターをオフにすることで実現されます。この状態では、遊星ギアは静止しています（車輪が回転していない場合）。車輪が回転している場合は、リングギアが回転し、太陽ギアも回転します（エンジンの慣性により、速度が高くない限りキャリアギアは静止したままになります）。一方、MG1は、バッテリーが充電されていない間は自由に回転します。オーナーズマニュアル^[24]では、ニュートラルギアは最終的にバッテリーを消耗し、バッテリーを充電するための「不必要な」エンジンパワーが発生するため、バッテリーが放電すると車両が作動しなくなると警告しています。

• EV 運転: 低速および中程度のトルクでは、HSD は内燃エンジンをまったく作動させずに作動できます。MG2 にのみ電力が供給され、MG1 は自由に回転します (したがって、エンジンは車輪から切り離されます)。これは一般に「ステルス モード」として知られています。十分なバッテリー電力があれば、ガソリンがなくても、このサイレント モードで車を数マイル運転できます。
• 低速ギア（同等）：通常の操作で低速で加速する場合、エンジンは車輪よりも速く回転しますが、十分なトルクを発生しません。追加のエンジン速度は、ジェネレーターとして機能する MG1 に供給されます。MG1 の出力は、モーターとして機能する MG2 に供給され、ドライブシャフトにトルクを追加します。
• ハイギア（同等）：高速で巡航しているとき、エンジンは車輪よりもゆっくりと回転しますが、必要以上のトルクを発生します。次に、MG2 は発電機として動作して余分なエンジン トルクを除去し、車輪の速度を上げるモーターとして機能する MG1 に供給される電力を生成します。定常状態では、エンジンが供給できない場合を除き（急加速中や急な坂を高速で上っている場合など）、エンジンは車を推進するためのすべての電力を供給します。この場合、バッテリーが不足分を供給します。必要な推進力が変化するたびに、バッテリーは電力予算をすばやくバランスさせ、エンジンの電力を比較的ゆっくりと変化させます。
• 回生ブレーキ: MG2 から電力を引き出し、それをバッテリー パックに蓄えることで、HSD は通常のエンジン ブレーキの減速をシミュレートしながら、将来のブーストのために電力を節約できます。HSD システムの回生ブレーキは通常のブレーキ負荷のかなりの量を吸収するため、HSD 車両の従来のブレーキは、同様の質量の従来の車のブレーキに比べて小型で、寿命が大幅に長くなります。
• エンジン ブレーキ: HSD システムには、「B」(ブレーキ) というラベルが付いた特別なトランスミッション設定があり、従来のオートマチック トランスミッションの「L」設定に代わるもので、坂道でエンジン ブレーキをかけます。これは、回生ブレーキの代わりに手動で選択できます。ブレーキ中に、バッテリーが損傷の可能性がある高充電レベルに近づくと、電子制御システムは自動的に従来のエンジン ブレーキに切り替わり、MG2 から電力を引き出し、MG1 に切り替えて、スロットルを閉じた状態でエンジンを加速し、エネルギーを吸収して車両を減速します。
• 電気ブースト: バッテリー パックはエネルギー貯蔵庫を提供し、これによりコンピューターは、ドライバーと道路が要求するトルクと速度で動作するのではなく、エンジンの需要を事前に決定された最適な負荷曲線に合わせることができます。コンピューターは、バッテリーに蓄えられたエネルギー レベルを管理し、必要な場所で余分なエネルギーを吸収したり、余分なエネルギーを供給してエンジン出力を高めたりする能力を持ちます。

トヨタプリウスは加速性能は中程度ですが、中型 4 ドア セダンとしては非常に高い効率性を備えています。通常、市街地での短距離走行では 40 mpg (US) (5.9 L/100 km) を大幅に上回る燃費が一般的です。特に中程度の速度での長時間のドライブでは、55 mpg (4.3 L/100 km) も珍しくありません (ドライブ時間が長いほど、エンジンが完全に温まるため)。これは、従来のパワー トレインを備えた同様の装備の 4 ドア セダンの約 2 倍の燃費です。プリウスの優れた効率性は、HSD システムによるものだけではありません。アトキンソン サイクルエンジン自体も、オフセットクランクシャフトによってパワー ストローク中のピストン抵抗を最小限に抑え、独自の吸気システムによってマニホールドの真空(「ポンピング損失」)による抵抗を防ぐなど、エンジン抵抗を最小限に抑えるように特別に設計されています。これは、ほとんどのエンジンで通常のオットー サイクルが採用されているのとは対照的です。さらに、アトキンソン サイクルはパワー ストロークが長いため、サイクルあたりのエネルギー回収量がオットーよりも多くなります。アトキンソン サイクルの欠点は、特に低速時にトルクが大幅に低下することです。しかし、HSD では MG2 から非常に大きな低速トルクが得られます。

ハイランダーハイブリッド(一部の国ではクルーガーとしても販売) は、非ハイブリッド バージョンに比べて加速性能が優れています。ハイブリッド バージョンは 0 から 60 mph まで 7.2 秒で加速し、従来バージョンよりも約 1 秒短縮されています。正味出力は 268 hp (200 kW) で、従来モデルの 215 hp (160 kW) より優れています。すべてのハイランダーの最高速度は 112 mph (180 km/h) に制限されています。ハイランダー ハイブリッドの一般的な燃費は 27 ～ 31 mpg (8.7 ～ 7.6 L/100 km) です。従来のハイランダーは、EPA によって市街地で 19 mpg、高速道路で 25 mpg (それぞれ 12.4 および 9.4 L/100 km) と評価されています。

HSD の燃費向上は、ガソリン エンジンを可能な限り効率的に使用することに依存しており、そのためには次のことが必要です。

• 特に冬場の長時間ドライブ：乗客のために車内を暖めることは、HSD の設計に反します。HSD は、廃熱をできるだけ発生させないように設計されています。従来の車では、冬場のこの廃熱は通常、車内を暖めるために使用されます。プリウスでは、ヒーターを作動させるには、車内で使用できる熱を生成するためにエンジンを動かし続ける必要があります。この影響は、エンジンを動かしたまま車が停止しているときに、空調 (ヒーター) をオフにすると最も顕著になります。通常、HSD 制御システムは、必要がないためエンジンを停止し、発電機が最高速度に達するまでエンジンを再び始動しません。
• 中程度の加速: ハイブリッド車は、中程度の加速中にエンジンをスロットルバックしたり完全に停止したりすることができるため、急加速はできませんが、従来の車よりも運転スタイルに敏感です。急加速ではエンジンが高出力状態に強制され、中程度の加速ではエンジンは低出力、高効率状態 (バッテリーブーストによる増強) に保たれます。
• 緩やかなブレーキング: 回生ブレーキはブレーキングのエネルギーを再利用しますが、従来のブレーキほど速くエネルギーを吸収することはできません。緩やかなブレーキングはエネルギーを回収して再利用するため、燃費が向上します。急ブレーキングは従来の車と同様に、エネルギーを熱として無駄にします。トランスミッションコントロールの「B」(ブレーキ)セレクターを使用すると、長い下り坂を走行するときに従来のブレーキの熱と摩耗を減らすのに役立ちますが、追加のエネルギーを回収することはできません。^[25]トヨタは「B」を常時使用することは「D」で運転する場合と比較して「燃費が悪くなる可能性がある」ため推奨していません。^[26]

ほとんどの HSD システムには、ゼロから最高速度までの 1 回の加速中に最大ブーストが得られるようにサイズが調整されたバッテリーが搭載されています。さらに需要がある場合、バッテリーが完全に消耗して、この追加のトルクブーストが利用できなくなります。その後、システムはエンジンから利用できる電力のみに戻ります。これにより、特定の条件下ではパフォーマンスが大幅に低下します。初期モデルのプリウスは、6 度の上り坂で 90 mph (140 km/h) 以上を達成できますが、高度が約 2,000 フィート (610 m) 上昇するとバッテリーが消耗し、同じ坂で車は 55～60 mph しか達成できません。^{[引用が必要]} (それほど要求の厳しくない状況で運転してバッテリーが再充電されるまで)

トヨタ ハイブリッド システム / ハイブリッド シナジー ドライブの設計は、1997 年に日本市場向けに初代トヨタ プリウスが発売されて以来、現在 5 世代目を迎えています。パワー トレインの基本機能は同じですが、大幅な改良が数多く施されています。

注記

このシステムは、1997年にプリウスに導入されたときにトヨタハイブリッドシステム（THS）と呼ばれていました^。[28] P110と指定されたハイブリッドトランスアクスル^[29]には、2つの電気モーター（MG1とMG2）と、トヨタが「パワースプリットデバイス」（PSD）と呼ぶ遊星ギアセットが含まれています。内燃機関（E）からの機械的動力は、車輪または発電機として機能するMG1に向けることができます。^[28]

電力はインバータを介してMG1、MG2、蓄電池の間で流れる。MG1は通常は発電機（オルタネーター）として動作するが、内燃機関のスターターモーターとしても機能する。MG2は通常、低速時には単独で、または内燃機関を補助するためにモーターとして機能するが、減速時には回生ブレーキなどの発電機として機能することもできる。 [ ^{28] [30]}

図式的に、MG1は中央のサンギア（S）に接続され、内燃機関は遊星ギアキャリア（P）に接続され、個々のギアには接続されず、MG2はリングギア（R）に接続されます。車輪は適切な減速ギアと差動装置を介してリングギアに接続されていますが、図には示されていません。^[28]

トヨタ ハイブリッド システムは、276 ～ 288 V の高電圧バッテリー パックを使用します。トラクション バッテリーの比容量は、継続的に徐々に向上しています。初代プリウスはシュリンクラップされた 1.2 ボルトの D セルを使用していましたが、その後のすべての THS/HSD 車両は、キャリアに取り付けられたカスタム 7.2 V バッテリー モジュールを使用しています。

2001年、第1世代THSトランスアクスルの改良版がP210トランスアクスルとして日本国内市場に投入され、エスティマミニバンに搭載された。^[29] P210は、内燃エンジンをサンギアに連結し、スターター/ジェネレーター（MG1）を遊星ギアキャリアに連結しており、これはG1 THS方式の逆である。さらに、シングルモーターのG1 THSはトラクションモーター（MG2）を省略し、回転クラッチを介して遊星ギアキャリアまたはリングギアのいずれかに選択的に連結できる ベルト駆動の無段変速機を使用している。

エスティマ用の全輪駆動オプションも同時に発売された。Q410リアドライブユニットは、フロントトランスアクスルに機械的に連結されていない電動トラクションモーターを使用している。^[29]

THSに続いて2004年型プリウスにTHS-IIが採用された。THS-II以降、トヨタはこのシステムをハイブリッドシナジードライブ（HSD）とも呼ぶようになった。THSと比較して、THS-IIは消費量が少なく、パワーとトルクが向上し、パフォーマンスが向上した。^{[31] : 21} THS-IIはTHSと同じ設計を採用しており、内燃機関と電動モーターの牽引力を遊星歯車装置（動力分割装置）を介して組み合わせ、一部の電力を発電機に回すことができる。^{[32] : 4}

電気的には、HSD/THS-IIはDC-DCコンバータを追加し、バッテリーの電位を500V以上に上げます。これにより、より小さなバッテリーパックとより強力なモーターを使用できます。^[31] THSと比較すると、THS-IIのトラクションモーター（MG2）の物理的サイズはほぼ同じですが、最大出力は33kWから50kW（44hpから67hp）に増加し、最大トルクは350N⋅m（260lbf⋅ftから300lbf⋅ft）に増加しました。ステータ巻線は直列に接続されているため、より高い電位が必要です。^[33]

THS/HSDの一部ではないが、2004年型プリウス以降、すべてのTHS/HSD車両には、従来のエンジン駆動タイプではなく、電動エアコンコンプレッサーが装備されている。これにより、車内冷却が必要なときにエンジンを継続的に稼働させる必要がなくなった。エンジンからの熱を補うために、ヒーターコアに2つの正温度係数ヒーターが取り付けられている。 ^[34]

2006年モデルのRX 400hで初めて提供されたHSDのアップデートバージョンは、THS / THS-IIに似ていますが、トヨタがモータースピードリダクションデバイス（MSRD）と呼ぶ第2の遊星ギアセットが追加されています。これは、2つのリングギアを結合することで第1の遊星ギアセット（PSD）と複合されています。^[35]結合されたリングギアは、車両の前輪を駆動するために使用されます。トラクションモーター（MG2）は、MSRDを減速ギアとして使用し、モーターの出力密度を高めることができます。^[1] フォードも同様のハイブリッドシステムを開発し、フォードエスケープハイブリッドに導入しました。

トヨタのCEOである渡辺捷昭氏は、2007年2月16日のインタビューで、トヨタは「第3世代HSDシステムのサイズとコストの両方を半分に減らすことを目指している」と述べた。^[36] 新しいシステムは、後年リチウムイオン電池を搭載する予定である。リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池に比べてエネルギー容量対重量比が高いが、動作温度が高く、適切に製造および管理されていない場合は熱不安定性が生じやすく、安全性の懸念がある。^{[37] [38]}

2005 年、レクサス RX 400h やトヨタ ハイランダー ハイブリッドなどの車両は、後車軸に 3 つ目の電気モーター (「MGR」) を追加して四輪駆動操作を追加しました。このシステムでは、後車軸は完全に電気で駆動され、エンジンと後輪の間に機械的な接続はありません。これにより、後輪の回生ブレーキも可能になります。

2006 年と 2007 年には、HSD ドライブトレインのさらなる開発が Lexus Hybrid Drive という名前で Lexus GS 450h / LS 600h セダンに L110 トランスミッションとして搭載されました。以前のバージョンの HSD/THS は、前輪駆動プラットフォームで使用されるトランスアクスルに搭載されていました。Lexus Hybrid Drive は、2 モーター HSD コンセプトを後輪駆動車の縦置きトランスミッションに適用しました。このシステムは、2 つのクラッチ (またはブレーキ) を使用して、2 番目のモーターのホイールに対するギア比を、低速走行モードでは 3.9、高速走行モードでは 1.9 の間で切り替えます。これにより、高速時に MG1 から MG2 (またはその逆) に流れる電力が減少します。電気経路の効率は約 70% に過ぎないため、電力の流れは減少しますが、トランスミッションの全体的なパフォーマンスは向上します。第 2 の遊星歯車セットは、第 2 のキャリアとサンギアによって 4 つのシャフトを持つラビニョー型ギアに拡張され、そのうち 2 つはブレーキ/クラッチによって交互に静止させることができます。

GS 450hとLS 600hシステムは、それぞれ後輪駆動と全輪駆動のドライブトレインを採用し、同じモデルラインの非ハイブリッドバージョンよりも強力になるように設計され、^{[2] [3]}同等のエンジンクラスの効率を提供しました。^[39]

2012年に第14世代クラウン（S210）で簡易版が発売されました。L210トランスミッションは2つのクラッチを省略していますが、他の第3世代トランスアクスルと同様に、MG2の出力に適用される第2遊星ギアセット（MSRD）を保持しています。ただし、G3トランスアクスルと比較すると、2つのリングギアを結合する代わりに、L210はPSDリングギアをMSRD遊星ギアキャリアに結合し、遊星ギアキャリアの代わりにMSRDのリングギアを接地します。

2015年10月13日、トヨタは2016年モデルとして導入された第4世代ハイブリッドシナジードライブの詳細を発表しました。全体的な設計は、THS / THS-IIに似た単一の遊星歯車セットに戻り、第4世代トランスアクスルの並列減速ギアは、第3世代トランスアクスルに見られる第2の遊星歯車セットであるモーター速度減速装置に取って代わりました。トランスアクスルとトラクションモーターは再設計され、サイズと合計重量が削減されました。^[40]トラクションモーター自体はかなりコンパクトになり、パワーウェイトレシオが向上しました。特に、以前のモデルと比較して、摩擦による機械的損失が20％減少しています。2012年からのプリウスcはP510トランスアクスルを保持しています。 P610 トランスアクスルは、以前のトランスアクスルで使用されていたストレートカットの平歯車ではなくヘリカル ギアを採用しており、より高い機械的負荷にも対応しながら、よりスムーズかつ静かに動作します。

トヨタは第4世代HSDで、2005年型RX400hやハイランダーハイブリッドに似た「E-Four」と呼ばれる4輪駆動オプションも提供しています。このオプションでは、電動トラクションモーターが後部に追加されていますが、内燃エンジンやフロントインバーターとは機械的に結合されていません。実際、「E-Four」システムには独自のリアインバーターがありますが、このインバーターはフロントインバーターと同じハイブリッドバッテリーから電力を供給されます。「E-Four」は、2019年モデルから米国のプリウスモデルで提供され始めました。「E-Four」は米国で提供されるRAV4ハイブリッドモデルの不可欠な部分であり、そのようなRAV4ハイブリッドはすべて「E-Four」のみです。

後輪駆動用 L310 トランスミッションは、高級車向けの以前の L110 トランスミッションの後継です。L110 および L210 と比較すると、L310 は MG2 を PSD のリング ギアに結合します。さらに、L310 は 3 番目の遊星ギア セットを追加し、2 番目の遊星ギア セットの遊星ギア キャリアを 3 番目の遊星ギア セットのリング ギアに結合し、2 番目のリング ギアを 3 番目の遊星ギア キャリアに結合して、2 番目の遊星ギア セット (MSRD) と複合します。

さらに、第2遊星ギアセットの遊星ギアキャリア上のワンウェイクラッチを含む、いくつかの回転クラッチとブレーキが追加されました。これらを選択的に作動させることにより、トランスミッションは10種類のギア比をシミュレートできます。^[40]

第5世代のハイブリッドシナジードライブトランスアクスルは前世代と似ていますが、細部の改良により電動モーターがより軽量、コンパクト、そして強力になっています。^[41]

ハイブリッドシナジードライブおよび関連技術（トヨタハイブリッドシステム）を搭載した車両の一覧は次のとおりです。

• トヨタ プリウス
  • 第1世代: 1997年12月～2003年10月
  • 第2世代: 2003年10月～2009年後半
  • 第3世代: 2009年後半～2015年後半
  • 第4世代: 2015年後半～2022年
  • 第5世代: 2023年初頭～現在
• トヨタ エスティマ ハイブリッド
  • 2001年6月～2005年12月
  • 2006年6月～現在
• トヨタ アルファード HEV
  • 2003年7月 – 2008年3月
  • 2011年9月～現在
• レクサス RX 400h / トヨタ ハリアー ハイブリッド(2005年3月～現在)
• トヨタ ハイランダー/クルーガー ハイブリッド
  • THS I 在籍時: 2005 年 7 月～2008 年 9 月
  • THS II 所属: 2008 年 10 月～現在
• レクサス GS 450h (2006年3月～現在)
• トヨタ カムリ HEV (2006年5月～現在)
• レクサス LS 600h/LS 600hL (2007年4月～現在)
• トヨタ A-BAT（コンセプトトラック）
• 日産アルティマハイブリッド（2007–2011）^[42]
• トヨタ クラウン（2008年4月～現在）
• レクサス RX 450h (2009年～現在)
• トヨタ サイ(2009–2017)
• レクサス HS 250h (2009年～現在)
• レクサス CT 200h (2010年後半～現在)
• トヨタ オーリス（2010年7月～2018年）
• トヨタ アクア（2011年12月～現在）
• トヨタ プリウス c (2012年3月～2021年)
• トヨタ ヤリスHEV (2012年3月～現在)
• トヨタ ヤリス クロスHEV (XP210; 2020年8月現在)
• トヨタ ヤリス クロスHEV（AC200; 2023年6月～現在）
• トヨタ プリウスV (2012–2021)
• レクサス ES 300h (2012年～現在)
• トヨタ アバロン ハイブリッド(2012 年後半～現在)
• トヨタ カローラ アクシオ(2013年8月～現在)
• トヨタ カローラ フィールダー(2013年8月～現在)
• トヨタ クラウン マジェスタ(2013–2018)
• レクサス IS 300h (2013年～現在)
• レクサス GS 300h (2013年～現在)
• トヨタ RAV4 HEV (2015–現在)
• レクサス NX 300h (2015年～現在)
• レクサス RC 300h (2015年～現在)
• トヨタ シエンタハイブリッド (2015年～現在)
• トヨタ C-HRハイブリッド (2016年～現在)
• レクサス LC 500h (2018)
• トヨタ カローラ HEV (2018年～現在)
• スバル クロストレック ハイブリッド（2019年現在）^{[43] [44] [45]}
• トヨタ シエナハイブリッド (2020年現在)
• トヨタ カローラ クロスHEV (2020年現在)
• トヨタ アーバンクルーザー ハイライダー/スズキ グランドビターラハイブリッド (2022年現在)
• トヨタ イノーバHEV (2022年～現在)

2005 年秋現在、アントノフ オートモーティブ テクノロジー BV Plc 社は、 RX 400h のドライブトレインとトヨタ プリウス ハイブリッド コンパクトカーの主要部品に関する特許侵害の疑いで、レクサス ブランドの親会社であるトヨタを訴えている。この訴訟は 2005 年 4 月以来秘密裏に係争中であったが、和解交渉は双方が納得できる結果には至らなかった。アントノフは最終的に、判決が比較的迅速に下されることが多いドイツの裁判所制度に法的手段を講じた。特許所有者は、販売される各車両に課税を課すことを求めており、これによりハイブリッド SUV の競争力が低下する可能性がある。トヨタは、アントノフの関連特許を正式に無効にすることで反撃した。Microsoft Word 文書形式の裁判所への申し立ては、こちらで読むことができる。^[46]

2006年9月1日、アントノフはミュンヘン連邦特許裁判所がトヨタに対するアントノフの特許（EP0414782）のドイツ部分の有効性を支持しなかったと発表した。数日後、デュッセルドルフの裁判所はトヨタ・プリウスの駆動系とレクサスRX 400hの駆動系はアントノフのハイブリッドCVT特許に違反していないとの判決を下した。^[47]

フォード・モーター社は2004年にトヨタのHSD技術に類似した主要技術を搭載したシステムを独自に開発した。その結果、フォードは排出ガス技術に関する特許と引き換えにトヨタから21件の特許をライセンス供与された。^[48]

ペイスLLCは、制御可能なトルク伝達ユニットを備えた改良型ハイブリッド車の特許（米国特許5343970、セヴェリンスキー、アレックス・J、「ハイブリッド電気自動車」、1994年9月6日発行 ）を取得しており、ハイブリッド車に関連する追加の特許も保有している。2010年にトヨタはペイスの特許のライセンスに同意したが、和解条件は明らかにされていない。^[49] 和解では、「一部のトヨタ車がペイスの特許と同等であると判明したが、トヨタは、トヨタの長いイノベーションの歴史の一環として、セヴェリンスキー博士とペイスの発明とは無関係に、プリウスとトヨタのハイブリッド技術を発明、設計、開発したことに両当事者は同意する」とされている。^[50] ペイスは、それ以前にペイスの特許のライセンスについてフォードと契約を結んでいる。^[51]

トヨタが少数株主となっているアイシン精機は、フォード・エスケープ・ハイブリッド^[52]とフォード・フュージョン・ハイブリッド^[53]の「パワースプリット」e-CVTとして使用するために、自社製のHSDトランスミッションシステムをフォードに供給している。

日産はトヨタのHSDのライセンスを日産アルティマハイブリッドに供与し、トヨタカムリハイブリッドと同じアイシン精機T110トランスアクスルを採用した。 ^[要出典] 2011年型インフィニティM35hは、 1つの電気モーターと2つのクラッチという異なるシステムを採用している。

2010年、トヨタとマツダはトヨタのプリウスに使用されているハイブリッド技術の供給契約を発表した。^[54]

ゼネラルモーターズ、ダイムラークライスラー、BMWのグローバルハイブリッド協力は、単一のエンジンと2つのモーターのパワーを組み合わせるという点で似ています。2009年、自動車産業に関する大統領タスクフォースは、「GMは先進的な「グリーン」パワートレインの開発においてトヨタより少なくとも1世代遅れている」と述べました。^[55]

対照的に、ホンダの統合モーターアシストは、フライホイールを電動モーターに置き換えた、より伝統的なICEとトランスミッションを使用しており、従来のトランスミッションの複雑さは維持されています。

初期の非量産型プラグインハイブリッド電気自動車の 改造は、 2004年および2005年モデルのプリウスに搭載されているHSDのバージョンをベースにしている。CalCarsによる初期の鉛蓄電池改造では、EVのみで10マイル（16 km）、混合モードで20マイル（32 km）の走行距離が実証されている。EDriveシステムという改造車を消費者に提供することを計画している会社は、Valenceのリチウムイオン電池を使用し、35マイル（56 km）の電気走行距離を実現する予定だ。これらのシステムは両方とも、既存のHSDシステムをほとんど変更せずに、標準のNiMH電池をより高容量の電池パックと交換し、標準的な家庭用コンセントから1マイルあたり約0.03ドルで充電できる充電器 を用意するだけで、他のハイブリッドパワートレインタイプにも同様に適用できる。

• トヨタのハイブリッド車の比較
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• グローバルハイブリッド協力
• 統合モーターアシスト
• ハイブリッド車一覧

ウィキメディア・コモンズには、ハイブリッドシナジードライブに関連するメディアがあります。

• HowStuffWorksでの HSD の説明
• HowStuffWorksの遊星歯車の説明
• トヨタのハイブリッドシナジードライブムービー 2006-05-17 にWayback Machineでアーカイブ
• 2010年トヨタプリウスハイブリッドシナジードライブシステムの評価
• HSD の仕組みを示すアニメーション 2011-07-22 にWayback Machineでアーカイブされました
• 電力分割装置のアニメーション表示
• MG1とMG2