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[F1專欄] KERS系統心臟：電池模組探密 |
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| 記者/Hunter Hsu |
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2009年底特律車展由於各車廠緊縮預算而遜色不少，發表的新車也屈指可數。相較之下，一款又一款的電動車型成為媒體的目光焦點。一時之間許多人有了「明天就是電動車時代」的錯覺。無獨有偶，F1車隊工程師們也正在替本季最大的科技挑戰：動能恢復系統(Kinetic Energy Recovery Systems，簡稱KERS)，兩者都牽扯到同一關鍵零組件：高性能車用二次(充電)電池技術！
自從1800年Alessandro Volta發明世界上第一個電池，1859年Gaston Plante 發明可充電的鉛酸電池後，工程師就沒有停止過尋找更好的儲能方式。化學電池依據電池可充電與否的特性，又分為「一次電池」與「二次電池」兩大類。一次電池包括市面上常見的鹼性電池、水銀電池，以及錳乾電池、氧化銀電池、鋰電池與空氣電池等，二次電池則為目前可攜式電子產品的應用大宗，包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池與鋰離子電池、鋰高分子電池及超級電容等。
不論是F1賽車內的KERS系統或是民用混合動力車輛，其系統都涵蓋創新差速齒輪式的動力分配裝置、系統能量管理、電源管理、傳動系統、剎車能量回充及高效能一體式馬達/發電機等技術。目前第一代混合動力系統使用的鎳氫電池勢必無法滿足未來更嚴苛的儲能需求，鋰離子電池在相同的空間裡可容納較多的電力及重量，使用鋰離子電池技術可使得混合動力系統體積縮減一半，並使該類車型能夠大幅降價並且更加節能。高工作電壓(336V)鋰離子充電電池被視為可插電式混合動力系統與充電電動車輛的唯一儲能選擇。
雖然我們之前非常看好超級電容的物理方式儲能技術，目前種種跡象看來多數F1車隊似乎仍選擇較為傳統的鋰二次電池技術。目前在少數正式商用化Tesla電動跑車的鋰電池裝置在行李箱處，體積相當於6,831塊電腦用電池的體積總和(重量為320公斤)。電池充滿後可連續行駛300英哩的距離。唯一的缺點(也是最大的缺點)是這個電池模組的製造成本接近2萬美元(約為整車價格的1/5)！
使用在民用車輛的鋰電池成本尚且如此，用在F1賽車上的系統成本更高也就不足為奇。根據德國媒體透露，電池供應商SAFT提供給Ferrari與Ferrari車隊的電池每組高達3萬歐元。而Renault車隊科技總監Bob Bell亦曾在R29賽車發表會中表示該隊KERS系統內的電池壽命最多不超過4站，他預測很多隊伍可能每一站就要報廢一組電池。這肯定又是一筆不小的開支，看來FIA未來除了限制引擎使用壽命、或許也要考慮對KERS電池模組的最短使用壽命予以限制。
鋰離子電池內部主要由正極、負極、電解質及隔膜組成，因正、負極及電解質材料不同而冠以不同名稱。目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是氧化鈷鋰(LiCoO2)，另外還有少數采用氧化錳鋰(LiMn2O4)及氧化鎳鋰(LiNiO2)作正極材料的鋰離子電池，這兩種都已在手持式電子產品相當普及。鋰離子電池正極材料的價格與原料金屬的價格行情一致，其中以鈷(Co)最為稀缺，鎳(Ni)、錳(Mn)較為便宜，但其價格也大幅制約電動車降低成本以達到普及化的可能性。目前最被看好的則是以磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料作電池正極的鋰離子電池，原因在於鐵砂的價格大大低於其他稀有金屬。
磷酸鐵鋰電池壽命是普通鋰電池的4-5倍，還有高於鋰電池8-10倍的高放電功率(可瞬間產生大電流)，加上同樣能量密度下的整體重量較鋰電池減少30-50%等特性，讓它被視為最合適需要大扭力的電動車輛所使用的二次電池技術。目前掌握磷酸鐵鋰電池最多關鍵專利的就是美國的A123 System公司，而該公司就是McLaren車隊KERS系統的電池模組供應商，該公司供應給F1車隊每組電池報價7萬歐元，另外人非常好奇究竟採用何種技術？
 | | | 目前看來Renault車隊的KERS系統研發過程相當順利。 |
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第一代KERS系統的預估重量為7-8公斤，目前最大的技術瓶頸在於當裝上KERS套件之後，賽車基本上已經沒有改變配重的空間，或許這套系統能帶來幾秒的加速輔助，但同時必須考慮其對整輛賽車動態的影響。為此許多隊伍嘗試許多創意，Ferrari工程團隊甚至考慮將電池安置在車頭內，以避免在引擎附近放置KERS系統導致重心後移。此嘗試仍面臨許多挑戰，主要在於為了減少電阻損耗、鋰電池內的電流採用高壓電流傳送至電動馬達，除了高壓電流經過駕駛艙底部的潛在危險之外、過長的導線將無可避免帶來更多的能量耗損，能否順利通過FIA的撞擊測試又是另一挑戰？目前仍沒有哪一支隊伍敢打包票保證自己的KERS系統能在澳洲站上路，反而有不少車隊證實不會在賽季一開始就啟用KERS系統。不過Renault車隊科技團隊高層表示研發進展頗為順利，目前看來他們(包括Red Bull)是最有可能在澳洲站搭載KERS系統出賽的隊伍。
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