Sous le capot de l'Audi A8 Hybrid, on trouve un moteur 2 litres TFSI turbocompressé de 211 ch (155 kW) et 350 Nm, et un moteur électrique synchrone à excitation permanente de 33 kW (45 ch) et 211 Nm. En travaillant ensemble, les deux groupes motopropulseurs envoient 245 ch et 480 Nm à la berline. Ils sont reliés par un embrayage humide à actionnement hydraulique et actionnent les roues avant. La batterie lithium-ion est installée à l'arrière, laissant encore 400 litres de disponible pour les bagages dans le coffre. Son énergie nominale est de 1,3 kW/h alors que sa tension de service affiche 266 V.
L'entraînement hybride est conçu pour un fonctionnement en mode exclusivement électrique jusqu'à 65 km/h avec une autonomie d'un peu plus de 2 kilomètres. La recharge se fait par régénération de l'énergie cinétique au freinage. De plus, en décélération, le moteur électrique est découplé de la chaîne cinématique et joue le rôle d'alternateur. À plus de 65 km/h, le quatre-cylindres thermique se charge seul de la propulsion. Le bloc électrique alimente alors la voiture et la batterie en électricité. Sauf en cas d'appui poussé sur l'accélérateur, où il donne un petit coup de boost pour doter la berline d'un maximum de puissance et de couple.
Par rapport à l'Audi A8 classique, ce modèle hybride dispose d'un compresseur de climatisation fonctionnant entièrement à l'électricité et d'une direction électromécanique. Les performances de l'Audi A8 Hybrid sont comparables à celle dotée d'un V6. Par exemple, la reprise de 60 à 120 km/h (en cinquième) ne prend que 7,5 s. Sa consommation moyenne est annoncée à 6,2 l/100 km, soit des émissions de CO2 de 144 g/km. Malgré ses 1.885 kg. En ville, le conducteur peut aussi activer le mode électrique via le bouton « E » et suivre les flux de courant via un compteur spécifique.
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