Toyota đã tận dụng những đặc tính riêng của hệ thống kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện để tạo nên một hệ truyền động mạnh mẽ và độc đáo, qua đó khởi xướng một cuộc cách mạng tưởng chừng khó có thể xảy ra.
Hiện nay, hệ thống Toyota Hybrid không còn nhận được nhiều sự chú ý khi thế giới đang có những bước tiến nhanh chóng trong quá trình hướng tới điện khí hóa, tập trung nhiều hơn vào các loại xe chạy bằng pin hoàn toàn (BEV) và xe hybrid sạc điện (PHEV). Tại Mỹ, người dùng còn được miễn thuế đối với các loại xe BEV và PHEV, nhưng hybrid thông thường thì không. Tuy hệ thống hybrid của Toyota có thể đã không còn là một công nghệ mới mẻ, nhưng vẫn là một nền tảng còn tiềm năng trong tương lai.
Toyota bắt đầu nghiên cứu các loại xe hybrid tua-bin khí từ những năm 1960, cuối cùng trình làng sản phẩm của mình dưới dạng nguyên mẫu Century vào năm 1975 và phiên bản Sports 800 vào năm 1977. Dự án hybrid tua-bin khí tiếp tục kéo dài đến những năm 1980, với việc giới thiệu mẫu xe ý tưởng Gas Turbine Vehicle (GTV) tại Tokyo Motor Show 1987, nhưng cuối cùng không được đưa vào sản xuất do không khả thi.
Năm 1993, Toyota bắt đầu thực hiện dự án G21 để tạo ra phương tiện của thế kỷ 21 với những đột phá trong hiệu suất động cơ và tiêu thụ nhiên liệu sau khi bong bóng kinh tế ở Nhật Bản "vỡ tung". Đó là một bước chuyển hướng so với doanh số đỉnh cao của những chiếc Supra hay RX-7 trang bị động cơ tăng áp kép. G21 ban đầu không phải là dự án về một chiếc xe hybrid, mục tiêu của đội ngũ G21 là chế tạo một chiếc ô tô động cơ đốt trong với mức tiết kiệm nhiên liệu gấp đôi so với thông thường, nhưng các giải pháp nghiên cứu để cải tiến động cơ đốt trong đưa ra lúc đó chưa đủ thuyết phục và cuối cùng Toyota đã sớm quyết định thực hiện mục tiêu của mình với động cơ hybrid. Mẫu xe ý tưởng Prius năm 1995 đã thể hiện hướng đi của Toyota, dù chiếc xe này sử dụng hệ thống hybrid khác xa so với hệ thống được đưa vào sản xuất cuối cùng. Nó được trang bị động cơ 4 xi-lanh phun xăng trực tiếp kết hợp với hộp số CVT, một động cơ phát điện và dùng một tụ điện để tích trữ điện năng thay vì dùng pin.
Sau khi mẫu xe ý tưởng được trình làng, đội ngũ chuyên gia của G21 tiếp tục nỗ lực nghiên cứu và phát triển để tạo ra bản Prius thương mại vào năm 1997. Phiên bản sản xuất của hệ thống hybrid đã loại bỏ tụ điện của mẫu concept để sử dụng pin niken-kim loại-hydrua, đồng thời không dùng hộp số truyền thống, thay vào đó Toyota đã phát triển một hệ thống mới với hai bộ máy phát điện.
Trong dịp kỷ niệm 20 năm của Prius, vị kỹ sư chính tham gia phát triển mẫu xe ngay từ thế hệ đầu tiên, Satoshi Ogiso chia sẻ: "Chúng tôi đã nghiên cứu nhiều hệ thống khác nhau trong nhiều tháng kể từ cuối năm 1994 trước khi chọn ra được cấu trúc tốt nhất và cho mức tiêu thụ nhiên liệu thật khiêm tốn. Dù còn nhiều rào cản về công nghệ nhưng chúng tôi cho rằng các vật liệu bán dẫn và mạch điện tử dùng để điều khiển công suất sẽ có những bước nhảy vọt trong tương lai gần và hộp số thông thường có thể bị loại bỏ hoàn toàn."
Giáo sư John Kelly của trường Đại học bang Weber đã theo dõi sự phát triển của động cơ hybrid của Toyota kể từ khi Prius lần đầu tiên tiến vào thị trường Mỹ vào năm 2000. Ông coi hệ thống Toyota Hybrid ban đầu về cơ bản là một hộp số và là một hệ thống rất đơn giản.
Tất cả đều xoay quanh một bộ bánh truyền hành tinh, cấu tạo gồm một vành răng khởi động, bánh răng hành tinh, trục quay và bánh răng mặt trời. Toyota gọi đây là thiết bị "phân chia công suất". Kết nối thông qua bộ bánh răng hành tinh là hai tổ hợp động cơ - máy phát, được gọi là MG1 và MG2. Gắn liền với bánh răng mặt trời là động cơ MG1 nhỏ hơn, đóng vai trò như bộ khởi động động cơ xe, đồng thời là máy phát điện để sạc bộ pin của hệ thống hybrid. MG2 được kết nối với phần vành của bộ bánh răng hành tinh trong khi vành răng này kết nối trực tiếp với bộ vi sai ở các bánh xe thông qua xích dẫn động.
Toyota gọi kết cấu này là hệ truyền động hybrid kiểu "tuần tự - song song". MG2 có thể trực tiếp dẫn động các bánh xe dù động cơ đốt trong có hoạt động hay không, đồng thời trả lại năng lượng phanh để sạc pin như một máy phát điện. Đây là điều tạo nên sự khác biệt của Toyota dù không phải là hãng sản xuất lớn duy nhất đưa xe hybrid ra thị trường vào thời điểm bấy giờ. Honda cũng ra mắt Insight vào năm 1999 và gần như đánh bại Prius tại các cửa hàng ở Mỹ. Nhưng Honda sử dụng cách bố trí cơ bản hơn trong hệ thống hybrid của mình, kẹp một động cơ điện giữa động cơ đốt trong và hộp số. Mẫu xe hybrid của Honda không tách động cơ đốt trong ra khỏi quá trình dẫn động bánh xe, vì vậy nó luôn hoạt động. Toyota có thể chạy hoàn toàn bằng điện, dừng động cơ khi xe đứng yên để bảo toàn nhiên liệu và tiếp tục vận hành êm ái và liền mạch. Sự khác biệt và mới mẻ này đã thu hút sự chú ý của thế giới. Đây không chỉ là một mánh khóe quảng cáo, mà chính xác nó là một cuộc cách mạng.
Tất cả mẫu xe ứng dụng hệ thống Toyota Hybrid đều dùng pin 12V để vận hành bộ điều khiển điện tử ECU, hệ thống chiếu sáng, khóa cửa và các thiết bị phụ trợ khác. Các mẫu xe hybrid sạc điện của Toyota như Prius và RAV4 Prime về cơ bản cùng sử dụng một kết cấu tổ hợp hộp số, chỉ khác ở kích thước pin lớn hơn để tối ưu khả năng chạy hoàn toàn bằng điện của xe. Ở các mẫu hybrid dẫn động 4 bánh, Toyota chỉ bổ sung thêm một động cơ phát điện MGU riêng để truyền lực cho trục sau.
Hầu hết các xe thuộc hệ thống Toyota Hybrid đều có động cơ sử dụng chu trình Atkinson thay vì chu trình Otto thông thường. Về cơ bản, chu trình này giữ cho các van nạp mở lâu hơn một chút, giúp tăng hiệu suất ở các tốc độ động cơ cụ thể nhưng lại giảm công suất động cơ. Điều này là điểm bất lợi đối với động cơ được tích hợp với hộp số thông thường do phải hoạt động trên dải công suất rộng, nhưng ở hệ thống của Toyota, động cơ chỉ hoạt động ở dải tốc độ lý tưởng.
Mặc dù các nguyên tắc cơ bản nghe rất đơn giản nhưng để chiếc xe hoạt động được thì không. Ogiso hồi tưởng trong buổi kỷ niệm 20 năm của Prius: "Chúng tôi phải mất 49 ngày mới vận hành được nguyên mẫu. Ngay cả khi đó, việc điều khiển xe vẫn rất vụng về và không nhất quán. Sau 500m, chiếc xe ngưng chạy hoàn toàn. Tuy nhiên, tất cả chúng tôi đều rất xúc động khi chứng kiến nó hoạt động và biết rằng ít nhất chúng tôi đã hoàn thành nó chỉ trong vòng 1 năm."
Toyota ban đầu dự định ra mắt Prius vào cuối năm 1998, nhưng đã quyết định tăng tốc để trình làng vào tháng 12/1997, trùng với Hội nghị Thượng đỉnh về khí hậu của Liên Hợp Quốc tổ chức tại Kyoto. Bằng cách nào đó, đội ngũ chuyên gia của G21 đã hoàn thành mọi việc và chiếc Prius khi đó được sử dụng để chở khách mời của hội nghị. Ngay sau đó, mẫu xe được sản xuất với số lượng giới hạn và bắt đầu được bán tại Nhật Bản. Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là chế tạo một chiếc ô tô có khả năng tiết kiệm nhiên liệu gấp đôi so với ô tô chạy bằng xăng. Ngay sau khi ra mắt, hệ thống truyền động liên tục được cải tiến để đáp ứng nhu cầu của thị trường toàn cầu. Mẫu xe bắt đầu xuất hiện khắp thế giới vào năm 2000 và chẳng bao lâu, Prius đã trở thành chiếc xe hybrid thành công đầu tiên.
Nổi tiếng với các đặc điểm điển hình về chất lượng và độ bền bỉ, hệ truyền động này của Toyota rất ổn định. Kelly cho biết: "Bản thân hộp số có rất ít thứ bị hỏng, Prius thế hệ đầu tiên gặp một số vấn đề về hệ thống bơm làm mát khiến phần stator điện bên trong quá nóng dẫn đến mất khả năng cách ly điện áp cao, nhưng ngoài thế hệ đầu tiên đó, tất cả những thế hệ khác đều thực sự tốt." Dù gặp một số vấn đề với máy bơm dung dịch làm mát bên ngoài, nhưng đó cũng là vấn đề thường gặp ở bất kỳ chiếc ô tô thông thường nào. Kelly chỉ ra rằng việc lắp đặt hệ thống hybrid này đơn giản hơn rất nhiều so với hộp số tự động có kết cấu hai bánh răng hành tinh cho hai số tiến và bộ ly hợp thông thường. Hơn nữa, hộp số tự động thông thường còn dễ bị hao mòn theo thời gian. Hệ thống động cơ hybrid được khởi động nhờ môtơ điện xoay chiều MG1, môtơ này không có tiếp điểm qua đó làm tăng tuổi thọ cho các bộ phận này.
Hệ thống kết hợp giữa động cơ hybrid nối tiếp và hybrid song song của Toyota được ứng dụng rất nhiều trong các xe hybrid hiện nay. Ford đã sử dụng hệ thống của Toyota cho những mẫu xe hybrid đời đầu như Escape, hay ngay cả Maverick ngày nay. Subaru cũng sử dụng và điều chỉnh hệ thống của Toyota sao cho phù hợp với cách bố trí dẫn động bốn bánh khác biệt của hãng. Ngoài ra, hệ thống hybrid của Chrysler Pacifica về cơ bản cũng là một bản sao của Toyota. Còn Honda vẫn kiên trì phát triển hệ thống hybrid song song, với động cơ điện được kẹp giữa động cơ đốt trong và hộp số trong nhiều năm, nhưng gần đây cũng đã giới thiệu kết cấu hybrid động cơ kép của riêng mình. Các mẫu xe hiện nay của Toyota như Sequoia, Tundra, Tacoma và Land Cruiser được hãng tích hợp công nghệ hybrid song song i-Force Max với động cơ phát điện MGU kẹp giữa động cơ và hộp số biến mô. Ngoài ra còn có hệ thống mới nhất là Hybrid Max trang bị trên Crown và Grand Highlander với hộp số tự động 6 cấp cùng bộ ly hợp khởi động ướt.
Năm 2021, phiên bản hybrid của Toyota Sienna được ra mắt đã thể hiện rõ tính hiệu quả của hệ thống này. Đối với các mẫu xe dẫn động bốn bánh, mức tiết kiệm nhiên liệu kết hợp giảm từ 11,8 xuống còn 6,7 lít/100km, trong khi lượng khí thải C02 giảm từ 441 xuống 253 g/km. Có thể thấy, một hệ thống hybrid như của Toyota rất hiệu quả trong việc cắt giảm lượng khí thải ngay lập tức mà không cần tiêu tốn nhiều tiền đầu tư hạ tầng và thay đổi lớn về lối sống như xe điện.
Tuy việc giảm lượng khí thải đòi hỏi cách tiếp cận từ nhiều hướng nhưng tạm thời những chiếc xe hybrid có thể đóng vai trò quan trọng như một hệ thống giảm tải khí thải khẩn cấp và mở đường để xe điện được ứng dụng rộng rãi. Đây là một giải pháp thông minh góp phần giải quyết một vấn đề lớn.
: