汽車過程的對(duì)比

先比較電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。我們可以想象，與內(nèi)燃機(jī)相比，電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)受低溫影響更小。電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)部件較少，主要由空氣間隙隔開，因此對(duì)潤滑要求較低，對(duì)低溫不太敏感。

電動(dòng)汽車的變速器也沒有傳統(tǒng)汽車中的內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜，因?yàn)殡妱?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載范圍較為寬廣、且扭矩優(yōu)良。此外，電動(dòng)汽車可以配備多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)（例如，一個(gè)在前一個(gè)在后），從而避免了四輪驅(qū)動(dòng)所需的大量傳動(dòng)。這就意味著電動(dòng)汽車不需要一個(gè)必須潤滑的齒輪箱?；谏鲜鲞@些原因，電動(dòng)汽車也應(yīng)該對(duì)溫度變化不敏感。

最后，電動(dòng)汽車不需要一個(gè)復(fù)雜的由泵、閥門、儀表和噴油器等組成的燃油系統(tǒng)。與傳統(tǒng)汽車相比，只有較少的部件會(huì)受到結(jié)冰的影響，這也使電動(dòng)汽車對(duì)低溫不那么敏感。

由此，正如我們預(yù)期的，只有蓄電池受低溫的影響最大。事實(shí)上，低溫對(duì)蓄電池運(yùn)行的影響在各種應(yīng)用中都有所體現(xiàn)，從軍事裝備和太空應(yīng)用到手機(jī)和家庭報(bào)警器均有涉及。很顯然，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，蓄電池不是一個(gè)重要組件，內(nèi)燃機(jī)只需要一個(gè)較短的峰值電流來啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。而電動(dòng)汽車則不同，需要持續(xù)供電。因此，讓我們來詳細(xì)探討一下蓄電池的性能，了解它是如何受溫度影響的。

蓄電池隨溫度變化的屬性

蓄電池由兩個(gè)多孔電極組成，一個(gè)正極和一個(gè)負(fù)極。電子導(dǎo)電電極材料由電極材料的填充顆粒組成，顆粒之間的空隙決定了電極的孔隙率（見下圖）。

正負(fù)電極由電解質(zhì)隔開。此外，這兩個(gè)多孔電極與固體電極材料顆?？障堕g的孔隙電解質(zhì)融合在一起。下圖所示為蓄電池的放電過程，其顆粒大小已放大數(shù)倍。

下圖描述了給定荷電狀態(tài)下的蓄電池?fù)p耗，顯示了正極（紅色）和負(fù)極（藍(lán)色）的電流-電位曲線，兩極的工作點(diǎn)分別為 i1 和 -i1。我們可以假定電解質(zhì)中間的參考電極用于測量正負(fù)極電位（見上圖）。這樣可以獲得兩個(gè)獨(dú)立的電極電位，并計(jì)算參考電極兩側(cè)的歐姆損耗。

由于活化損耗（電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)）、質(zhì)量傳遞損耗以及歐姆損耗，電池電位相對(duì)于開路電池電壓有所下降（見下文）。請(qǐng)注意，正極上的陰極電流定義為負(fù)；而負(fù)極上的陽極電流定義為正。這是因?yàn)樾铍姵貎?nèi)電解質(zhì)的極性與外圍電路的極性相反。

開路電池電壓

給定荷電狀態(tài)下，電流密度為零時(shí)的電極電位差稱為開路電池電壓，

給定荷電狀態(tài)下，蓄電池的開路電池電壓隨溫度變化的關(guān)系可以通過以下表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

其中， 是電池電壓， 是蓄電池反應(yīng)的熵變，是傳遞的電子數(shù)以及 是法拉第常數(shù)。這表示如果蓄電池中的熵變 為正，且發(fā)生的是凈放電反應(yīng)，則電池電壓會(huì)隨溫度的上升而升高。如果蓄電池中的熵變?yōu)樨?fù)，則電池電壓會(huì)隨著溫度的上升而降低。

在現(xiàn)代電動(dòng)汽車中，大多數(shù)鋰離子電池的熵變都稍小于零或是一個(gè)較小的正值，這表明開路電池電壓會(huì)隨著溫度下降而略微升高。僅這一個(gè)參數(shù)就能真正提高電池在低溫下的性能。不過，與其他參數(shù)相比，開路電池電壓隨溫度的變化相對(duì)較小，大約在 0-0.4 mV/K 之間，這個(gè)值低于溫度從極端低溫 (-35°C, -31°F) 上升到室溫時(shí)電壓的變化值 30 mV。因此，我們可以確定凈放電反應(yīng)熱力學(xué)不是蓄電池在低溫下表現(xiàn)欠佳的主要原因。

電解質(zhì)及電極的物理性質(zhì)

電解質(zhì)的物理性質(zhì)對(duì)蓄電池性能影響較大。溫度影響電解質(zhì)中的導(dǎo)電性能和擴(kuò)散性，因此也會(huì)影響孔隙電解質(zhì)的有效電導(dǎo)率和擴(kuò)散率。

溫度從極端低溫 (-35°C, -31°F) 上升到室溫時(shí)，電解質(zhì)的電導(dǎo)率可以提高一個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)。如果我們要繪制電解質(zhì)電導(dǎo)率的對(duì)數(shù)隨 1/T 變化的圖，則會(huì)獲得如下圖所示的線性關(guān)系。下圖顯示低溫下電導(dǎo)率較低，其指數(shù)隨溫度的上升而增大。

因此，蓄電池電解質(zhì)中的歐姆損耗（電阻損耗）隨溫度的降低而增大，導(dǎo)致低溫環(huán)境中電流一定時(shí)電池電壓較低。此外，電解質(zhì)電導(dǎo)率較低導(dǎo)致電流密度在多孔電極中分布不均勻，這反過來降低了電池容量。容量是指在電壓迅速下降之前，可以從蓄電池中得到安時(shí)量。低溫時(shí)容量是固定的，但電導(dǎo)率較低及隨后的電流密度分布不均勻使其在蓄電池加熱前一直無法使用。

此外，與電解質(zhì)電導(dǎo)率類似，電解質(zhì)中化學(xué)物質(zhì)的擴(kuò)散率也發(fā)生了同等程度的降低，而這對(duì)于電化學(xué)反應(yīng)的供給至關(guān)重要。擴(kuò)散率的降低提高了濃度過電位，從而降低了電池電壓。擴(kuò)散率的降低使電池容量也降低了，這是由于質(zhì)量傳遞的限制，蓄電池電極中的大部分顆粒無法傳遞。

流動(dòng)性降低的物理解釋如下：電解質(zhì)中的熱能較少，使離子和分子克服它們之間的相互作用或“摩擦”變得更加困難。電解質(zhì)流動(dòng)性隨溫度的變化可用 Arrhenius 方程來解釋，其中活化能（即上圖中的Ea）表示分子要克服與相鄰分子之間相互作用以及在電解質(zhì)中移動(dòng)所需的能量。

固體電極材料的電導(dǎo)率通常比孔隙電解質(zhì)的電導(dǎo)率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。固體材料中，電導(dǎo)率隨溫度變化對(duì)蓄電池性能的影響通?？梢院雎圆挥?jì)。不過，有些蓄電池在低溫下充電時(shí)可能會(huì)發(fā)生故障，因?yàn)殡妼?dǎo)率隨溫度變化可能會(huì)引起枝狀晶體的形成，進(jìn)而損壞蓄電池。

電極動(dòng)力學(xué)

低溫下蓄電池表現(xiàn)欠佳的最后一個(gè)重要因素是陰陽極反應(yīng)所發(fā)生的動(dòng)力學(xué)非常緩慢，這會(huì)升高活化過電位。電極動(dòng)力學(xué)發(fā)生得較慢的物理解釋如下：由于低溫下系統(tǒng)中的熱能非常少，活化能愈加難以克服。

由活化損耗、歐姆損耗以及質(zhì)量傳遞損耗的增加而產(chǎn)生的對(duì)蓄電池性能的全部影響如下圖所示。我們可以看到，給定電流及荷電狀態(tài)下，兩極的總過電位升高時(shí)如何使得電池電壓降低。

這些曲線源自 Arrhenius 方程，表示流動(dòng)性及兩極的電極動(dòng)力學(xué)，其中可逆的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了各自的 Butler-Volmer 表達(dá)式。

熱管理

電動(dòng)汽車中的現(xiàn)代蓄電池系統(tǒng)配備了先進(jìn)的熱管理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能夠在蓄電池高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)冷卻蓄電池，在寒冷的冬夜里給接通電源的蓄電池加熱。

熱管理系統(tǒng)使蓄電池保持在最佳工作溫度范圍內(nèi)。請(qǐng)注意，圖中所指溫度為蓄電池工作溫度，而非環(huán)境溫度。熱管理系統(tǒng)還降低了鋰電子蓄電池組熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

在低溫下加熱蓄電池也意味著電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率降低，可正常運(yùn)行的范圍變小，這是因?yàn)椴糠蛛娏蛟偕芰恳艳D(zhuǎn)化為熱量來保證蓄電池在最佳范圍內(nèi)運(yùn)行。此外，部分能量還會(huì)用來加熱車廂，這也降低了汽車的效率與運(yùn)行范圍。