并联式油电混合系统
并联混合动力系统结构方块图
在并联式油电混合系统（Parallel hybrid）中，内燃机及电动机输出的动力各自透过机械传动系统传递而推动车轮，内燃机及电动机的动力在机械传动系统之前各自分开、互不相干，因此称作并联型混合动力。两者同时由电脑控制以达至协调。由于现有的并联混合动力系统大多数都不能单靠电力推动，往往会被分类为中度混合动力。
常见的一种并联混合动力设计是以内燃机作为主要动力来源，电动机作为辅助动力系统，两者透过机械传动系统耦合。系统中并无专为电池充电用的发电机，行驶中，电池充电来源只有两项：一是靠再生制动系统在车辆减速、制停时，将动能转为电能。其二是是当内燃机仍有余力时，带动电动机转动而发电。再生制动所得的电量相当有限，第二种情况所得的电量也不会太多。由于充电能力有限，此类设计倾向于使用较小的电池容量以及较低功率的电动机，电动机只作为补助性角色，不能独自推动车辆。此系统的优点在于:内燃机可以怠速熄火、提高内燃机起动时的燃油效率及降低损耗、使用再生制动系统回收电能。电动机能与内燃机一起运作，可以在需要时加大马力。由于主要动力来源依旧是内燃机，此类设计保留了内燃机在高转速时较省燃料的特性，有利在高速公路行走。综合而言，相对于同动力的纯内燃机车，补助型混合动力系统的燃料消耗与碳排量较低。由于此设计所使用的电池及电动机的容量及功率都较小，重量也较轻而减低了额外负载；另外，此设计并不需要大幅更动纯内燃机车辆的动力系统，因此设计变更的成本也较低。
另一种设计是内燃机及电动机各自分别推动不同的轮轴，两者透过车轮与地面的接触耦合（couple through the road），行驶中，电池可靠再生制动系统充电，另一种充电方式是当内燃机在低附载状况下推动车辆行走时（如巡航），连着电动机的轮轴被地面带动而转动，此时，电动机便可发电而为电池充电。由于内燃机的输出是经过路面传至电动机，因此得名through the road。除了能够透过再生制动系统回收电能外，此种设计的另一好处是四轮驱动性。由前后轮轴都有动力，在某些情况下拥有四轮驱动的循迹性能（traction），有些类似设计甚至没有电池，例如日产的e-4WD系统，直接以发电机推动电动机以推动后轮，内燃机则推动前轮及发电机。然而，此系统最大的问题在于两轮轴的动力往往难以完美协调而造成能量损耗，因此在燃油效率的表现上受到一定程度的限制。
串联混合动力系统
串联混合动力系统结构方块图
串联式油电混合系统（Series hybrid）是由一具功率仅供满足行进时平均功率的内燃机（也可以是外燃机）作为发电机发电，电力用以为电池充电及供电给电动机，车上唯一推动车轮的是电动机。如果在电动车的角度来看，这种设计可以“增”加电池行走里数的不足，故称为增程型电动系统；而其构造上动力输出的流程完全是一直线，所以又称串联式油电混合系统。依其电池容量大小，如果电池容量小而不足以独自推动电动机，这样就是中度混合，但若电池容量大至足以推动电动机行走一段距离，依重度混合动力的定义，这样的的串联混合动力系统就是重度混合由于此种系统所需的电池及电动机的功率也较大，所以成本较高。由于引擎仅负责稳定运转发电，因此可以较好地易控制排污及提高效率，而引擎配置位置也较弹性，加上电动机的输出有高扭力，省却了机械传动系统及变速箱，能增加车箱容量及使布置合理化，简化了机械维护，省却了变速箱简化了架驶操纵，也没有变速箱换档时做成动力不连惯感觉，这些都是因以电动机推接推动而得到根纯电车一样的好处。 在耗油量方面，这种系统特别适合于需要不停地起动及停车的情况（stop and go driving），例如巴士，因为相对内燃机，电动机在的扭力及效率在相当大的转速范围内都能保持相当高，可使车辆起动及慢速时的比内燃机有更佳表现，而用于发电的内燃机可保持平稳转速而保持高效率，以英国双层巴士的经验可减少40%的燃油消耗。但在高速公路上，串联混合动力系统的能量经过多重转换：发电机损耗、电池充电损耗，电池放电损耗，电动机的转换效率等，相比传统内燃机车辆只有内燃机的损耗及机械转输的效率（一般约95%）。所以串联混合动力系统适合在市区中使用，但在高速公路上的情况就无甚得益。
混联式混合动力系统（动力整合/分配式混合动力系统）
混联混合动力系统结构方块图
“混联式油电混合系统”（Series-Parallel hybrid），又称为“动力整合式混合动力系统或动力分配式混合动力系统”（Power-split hybrid）系统同时拥有功率相当的引擎与马达，所以可依路况选择使用电动模式、汽油（或柴油）模式或混合模式；设有由内燃机推动的发电机，产生充电或电动机所需电力。兼俱并联式及串联式的功能及特性，因而得名混联式混合动力。
在起步或低速时，内燃机的效率低，所以会全由低速性能及效率较佳的电动机推动，从而提高效率而达至较省燃料。视电池状况而定，内燃机会在需要时会推动发电机向电池充电或直接向电动机供电，亦即串联混合动力。当车速提高至内燃机能工作在有高效率的转速时就转由内燃机推动，在这情况相比继续以电动机推动，改由内燃机推动可以免却电动机推动时因多次能量转换而产生的能量损耗（燃料发电推动电动机的过程中，能量由化学由内燃机转为动能，动能由发电机转为电能，电能由电动机最后转为动能，每次转换都会有损耗；若是先充电池再由电池供电的话，更是增加充放电时的损耗），提高效率，减少耗油量。而当需要时，例如加速及爬坡，电动机可以同时开动，增加额外马力，亦即并联混合动力。
马达提供了怠速熄火系统及制动再生功能，在停车或以电动机推动时关闭内燃机，在减速与刹车时、下坡时进行动能回收。内燃机也不必兼顾起动及低速的需要，可以进一步优化高转速时的需要，提高燃油效率及性能，也同时降低污染物的排放。
由于各推动单元都能各自独力推动整部车，因此混联式混合动力也必然地能达至重度混合动力的程度。但混联式混合系统并不是唯一可达至重度混合的技术。
应用例子
补助型混合动力系统
“补助型混合动力系统”（Assist Hybrid）是依其特性所称的名称，如果依其构造分的话也就是“并联式油电混合系统”（Parallel hybrid）。补助型混合动力系统目前的主流设计是以一具功率较大引擎（多是内燃机）作为主要动力，再配上一具功率较小的马达（多在20kW以下）做补助动力，所以才叫做补助型混合动力系统；并提供动力给马达发电。马达与引擎直接连接，功能主要是发电、协助提高转速、进行动能回收和强化引擎性能等。而且两者同时驱动造出更大的纵效马力还可强化性能，由于这种技术是开发混合动力技术的过程，因此所有有开发过混合动力技术的车厂都具备这样的技术，例如奔驰、法拉利、本田、马自达和丰田。
奔驰利用S-Class开发了一款自家的中度混合动力车S400 Hybrid L，采用的就是典型的补助型混合动力系统。一颗V6引擎加上锂电池，引擎曲轴箱与变速箱中央的碟型电动马达，单靠引擎动力可达299hp的马力与38公斤米的扭力值，碟型电动马达则可输出15kW之功率，纵效马力达319 hp。平均油耗仅7.9L/100km，每行驶一公里仅有186g二氧化碳排放。
Ferrari在2012年4月正式展示自家开发的补助型混合动力系统。Ferrari的混合动力系统取名叫HY-KERS，该系统目前是由一个V型12缸引擎和一个配备电动马达的双离合器变速箱构成，而安装在V12引擎前方的第二台电动马达则专门用于辅助系统上。这两组电动马达也与电池组相连，使得电池组可根据空间大小和最终配置情况，放置于车体结构内。这套系统并非以环保节能为主要目标，而是以提升引擎动力为优先，而且不得过度增加车重，希望能在增加动力之余还能降地碳排放与油耗。该系统曾试验性的以前中置引擎后轮驱动安装在599 Hybrid Concept上，但目前展示的系统已改为后中置引擎后轮驱动，计划优先搭载于限量跑车Enzo的后继车款F150 LaFerrari上。
Honda Insight本田洞察者
Honda在2000年投产的Insight也是补助型混合动力系统。Honda开发的补助型混合动力系统命名为IMA（Integrated Motor Assist）。IMA系统使用自家的i-VTEC引擎配上电动马达，可达到有效的节能与性能表现，不过因为仍属中度混合动力的程度，效果仍算有限。Insight当前采用的是输出动力95匹的1.3升四缸汽油引擎搭配可输出14匹的电动马达，总合动力输出有102匹，大约相当于1.5升的引擎。除了Insight之外，Honda现在还有Fit Hybrid、Fit Shuttle、Freed、Freed Spike和CR-Z等车款使用IMA系统。
Mazda发展的e-4WD亦是类似的系统。e-4WD是在前轮带动车的后轮装上电动机，在需要的时候在后轮加进推力。
Toyota第一代的Prius因为技术尚未成熟，所以也是采用补助型混合动力系统，但从第二代起技术已开发完备而改用更进步的重度混联式混合动力系统。
增程型电动系统（串联式油电混合系统）
这种设计目前多用于大型车辆，例如Wrightbus的双层巴士Wright Gemini 2及运载量达13吨的军用运输车HEMTT A3 Hybrid Truck。
采用串联混合动力的双层混合动力巴士Gemini 2 HEV
Chevrolet Volt和Opel Ampera挂载1.4升增程式电动动力系统。这组由通用汽车GM集团研发的1.4升增程式电动动力系统，拥有了Electric纯电动以及Extended-Range增程模式。在纯电动模式下有约56km最大巡航距离，而在电池耗尽后，发动机供电的增程模式能够提供约554km的最大距离，总行驶距离达约610km，能满足日常生活使用。 2010年正式推出量产车型，中文名为沃蓝达。为延长电池寿命，电池电量状态（SOC）被控制在30至85%之间，低于30％时发电机会启动，为电池充电及供电给发电动机以推动车辆行驶。不过在部分行驶模式中会更早地启动发动机。
Audi的A1 e-tron概念车也是这种设计，车上配备一具小排气量转子引擎只作发电用，专为电池组充电，车辆完全由电动马达驱动，但Audi并无计划量产这型号。
全面型混合动力系统（混联式油电混合系统）
全面型混合动力可以是让引擎与马达都驱动前轮或后轮，也可以设计成分开驱动前后轮变成四轮驱动。目前拥有全面型混合动力系统技术的厂商有Toyota和Ford,其中Ford的混合动力系统来自于Toyota的授权和专利交换。
从2013年开始，Honda推出了名为I-MMD系统的混合动力雅阁，在北美和日本首先上市。该系统具体工作原理与Toyota的行星齿轮组有较大不同，但是经过一系列媒体测试表明，该系统燃油效率非常高，按照美国EPA标准合47MPG(5.0l/100KM)，实际测试效果也基本达到预期。目前Honda的I-MMD系统也被认为属于全面型混合动力系统。
丰田Prius使用的是混联式混合动力系统
Lexus和Toyota使用的是丰田集团开发的HSD全面型混合动力系统（Lexus和Toyota同为丰田集团旗下厂牌，BMW也以技术交换合法共享部分该技术）。HSD系统用一颗Atkinson循环汽油引擎配上两具电动马达，其中一具马达与引擎整合，主要功能是当发电机用引擎余力发电，同时也是在怠速熄火系统启动后帮引擎提升转速；另一具马达则与驱动轴连接，主要功能是在电动和混合模式时提供车轮动力，并在减速与刹车时进行动力回收，而Atkinson循环汽油引擎在低转速下扭矩不足的缺点，可有效的为马达所弥补，使得丰田混合动力汽车同时拥有极低的油耗和优异的动力表现。这些技术结合下来打造当今最有效的混合动力系统。Lexus和Toyota已有数十款车型也实用，当前在省油效果方面最佳的代表是第四代Toyota Prius。
