如果不提早采取防范措施，那末在冬季寒冷的凌晨发动汽车将会是1段使人不愉快的经历。发动机没法启动通常是由于汽车蓄电池产生故障，为何汽车上的汽车蓄电池比其他零件更加敏感呢？答案就在于汽车蓄电池具有的将化学能转换为电能的能力，当冬季生成的热量最少且低温下取得的热能较少时，这1转换能力就变得很差。

　　基础知识

　　我仍然记得几年前买了1辆新车的那个秋季，随之而来的冬季是几年中最冷的冬季之1。有两个星期的时间，花园中的温度计显示气温低于零下⑴0°C(14°F)。

　　2月的1个凌晨，那时我们正在瑞士雪山滑雪度假，我走到屋外的车道上发动汽车，希望全家人在前往乘坐滑雪缆车的短暂车程中感到愉快舒适。点火以后，汽车却没有启动。汽车发出的声音告知我，6个气缸没有像平时那样正常运转。几近在1分钟以后，发动机才发出正常运转的声音。由于这是1辆新车，我感到有些耽忧。里程表和转速表之间的液晶显示屏非常缓慢地恢复了正常，显示当时的气温为⑶5°C(⑶1°F)。那天凌晨我们没能去滑雪！

　　作为1名电化学工程师，我的思绪已从雪山斜坡滑雪转向早已发明的性能出色的铅酸蓄电池技术上，这项技术在当时应当提供峰值电流来驱动启动装置，并在第1次转动钥匙时启动发动机。

　　这个问题其实不仅限于汽车蓄电池，在极端低温下内燃机启动也会遇到困难。润滑油变厚，燃烧反应变慢，燃油系统关键部件中的冷凝液可能产生冻结，等等。不管怎样，我的车还是成功地启动了。在这样寒冷的夜里，任何没有接通电源的电动汽车几近根本没法启动。

　　是甚么缘由致使了这类差异？答案就是化学能转化为机械能的方式不同：

　　内燃机将贮存在燃油中的化学能转化为热能，再转化为机械能。

　　电动汽车发动机将蓄电池中的化学能转化为电能，再通过电动发动机转化为机械能。与内燃机相比，电动汽车产生的热量非常少。

　　从第1次冲程开始，内燃机将热能转化为机械能的进程产生了大量热量以迅速加热发动机，使汽车几近立即开动。但是，电动汽车在极端低温时热量生成缓慢，这与内燃机大相径庭。援用LesGrossman的话，“这就是物理现象，不可避免”。

　　请注意，电动汽车中的化学能转化为机械能的效力要高很多，由于汽车蓄电池和电动发动机中的消耗相对较少。

　　撇开效力问题和热量生成速度暂且不谈，在我们讨论汽车蓄电池之前，先来比较1下电动汽车和传统汽车在寒冷天气中可能会产生故障的进程。

　　汽车进程的对照

　　先比较电动发动机和内燃机。我们可以想象，与内燃机相比，电动发动机受低温影响更小。电动发动机的运转部件较少，主要由空气间隙隔开，因此对润滑要求较低，对低温不太敏感。

　　电动汽车的变速器也没有传统汽车中的内燃机复杂，由于电动发动机的负载范围较为宽阔、且扭矩良好。另外，电动汽车可以配备多台发动机（例如，1个在前1个在后），从而避免了4轮驱动所需的大量传动。这就意味着电动汽车不需要1个必须润滑的齿轮箱。基于上述这些缘由，电动汽车也应当对温度变化不敏感。

　　最后，电动汽车不需要1个复杂的由泵、阀门、仪表和喷油器等组成的燃油系统。与传统汽车相比，只有较少的部件会遭到结冰的影响，这也使电动汽车对低温不那末敏感。

　　由此，正如我们预期的，只有汽车蓄电池受低温的影响最大。事实上，低温对蓄电池运行的影响在各种利用中都有所体现，参军事设备和太空利用得手机和家庭报警器均有触及。很明显，对内燃机而言，蓄电池不是1个重要组件，内燃机只需要1个较短的峰值电流来启动发动机。而电动汽车则不同，需要延续供电。因此，让我们来详细探讨1下汽车蓄电池的性能，了解它是如何受温度影响的。

　　汽车蓄电池随温度变化的属性

　　汽车蓄电池由两个多孔电极组成，1个正极和1个负极。电子导电电极材料由电极材料的填充颗粒组成，颗粒之间的空隙决定了电极的孔隙率（见下图）。

　　正负电极由电解质隔开。另外，这两个多孔电极与固体电极材料颗粒空隙间的孔隙电解质融会在1起。下图所示为蓄电池的放电进程，其颗粒大小已放大数倍。

　　下图描写了给定荷电状态下的汽车蓄电池消耗，显示了正极（红色）和负极（蓝色）的电流-电位曲线，两极的工作点分别为i1和-i1。我们可以假定电解质中间的参考电极用于丈量正负极电位（见上图）。这样可以取得两个独立的电极电位，并计算参考电极两侧的欧姆消耗。

　　由于活化消耗（电化学反应动力学）、质量传递消耗和欧姆消耗，电池电位相对开路电池电压有所降落（见下文）。请注意，正极上的阴极电流定义为负；而负极上的阳极电流定义为正。这是由于汽车蓄电池内电解质的极性与外围电路的极性相反。

　　开路电池电压

　　给定荷电状态下，电流密度为零时的电极电位差称为开路电池电压，如上图所示。

　　给定荷电状态下，汽车蓄电池的开路电池电压随温度变化的关系可以通过以下表达式进行计算：

　　(1)

　　其中，E是电池电压，ΔS是汽车蓄电池反应的熵变，z是传递的电子数和F是法拉第常数。这表示如果蓄电池中的熵变(ΔS)为正，且产生的是净放电反应，则电池电压会随温度的上升而升高。如果汽车蓄电池中的熵变成负，则电池电压会随着温度的上升而下降。

　　在现代电动汽车中，大多数锂离子电池的熵变都稍小于零或是1个较小的正值，这表明开路电池电压会随着温度降落而稍微升高。仅这1个参数就可以真正提高电池在低温下的性能。不过，与其他参数相比，开路电池电压随温度的变化相对较小，大约在0-0.4mV/K之间，这个值低于温度从极端低温(⑶5°C,⑶1°F)上升到室温时电压的变化值30mV。因此，我们可以肯定净放电反应热力学不是汽车蓄电池在低温下表现欠佳的主要缘由。

　　电解质及电极的物理性质

　　电解质的物理性质对汽车蓄电池性能影响较大。温度影响电解质中的导电性能和分散性，因此也会影响孔隙电解质的有效电导率和分散率。

　　温度从极端低温(⑶5°C,⑶1°F)上升到室温时，电解质的电导率可以提高1个或多个数量级。如果我们要绘制电解质电导率的对数随1/T变化的图，则会取得以下图所示的线性关系。下图显示低温下电导率较低，其指数随温度的上升而增大。

　　因此，汽车蓄电池电解质中的欧姆消耗（电阻消耗）随温度的下降而增大，致使低温环境中电流1定时电池电压较低。另外，电解质电导率较低致使电流密度在多孔电极中散布不均匀，这反过来下降了电池容量。容量是指在电压迅速降落之前，可以从蓄电池中得到安时量。低温时容量是固定的，但电导率较低及随后的电流密度散布不均匀使其在蓄电池加热前1直没法使用。

　　另外，与电解质电导率类似，电解质中化学物资的分散率也产生了同等程度的下降，而这对电化学反应的供给相当重要。分散率的下降提高了浓度过电位，从而下降了电池电压。分散率的下降使电池容量也下降了，这是由于质量传递的限制，汽车蓄电池电极中的大部份颗粒没法传递。

　　活动性下降的物理解释以下：电解质中的热能较少，使离子和份子克服它们之间的相互作用或“磨擦”变得更加困难。电解质活动性随温度的变化可用Arrhenius方程来解释，其中活化能（即上图中的Ea）表示份子要克服与相邻份子之间相互作用和在电解质中移动所需的能量。

　　固体电极材料的电导率通常比孔隙电解质的电导率高几个数量级。固体材料中，电导率随温度变化对汽车蓄电池性能的影响通常可以疏忽不计。不过，有些蓄电池在低温下充电时可能会产生故障，由于电导率随温度变化可能会引发枝状晶体的构成，进而破坏蓄电池。

　　电极动力学

　　低温下汽车蓄电池表现欠佳的最后1个重要因素是阴阳极反应所产生的动力学非常缓慢，这会升高活化过电位。电极动力学产生得较慢的物理解释以下：由于低温下系统中的热能非常少，活化能越发难以克服。

　　由活化消耗、欧姆消耗和质量传递消耗的增加而产生的对汽车蓄电池性能的全部影响以下图所示。我们可以看到，给定电流及荷电状态下，两极的总过电位升高时如何使得电池电压下降。

　　这些曲线源自Arrhenius方程，表示活动性及两极的电极动力学，其中可逆的电化学反应产生了各自的Butler-Volmer表达式。

　　热管理

　　电动汽车中的现代汽车蓄电池系统配备了先进的热管理系统。这些系统能够在蓄电池高负荷运转时冷却蓄电池，在寒冷的冬夜里给接通电源的蓄电池加热。

　　热管理系统使汽车蓄电池保持在最好工作温度范围内（见上图）。请注意，图中所指温度为蓄电池工作温度，而非环境温度。热管理系统还下降了锂电子蓄电池组热失控的风险。

　　在低温下加热汽车蓄电池也意味着电动发动机的效力下降，可正常运行的范围变小，这是由于部份电力或再生能量已转化为热量来保证蓄电池在最好范围内运行。另外，部份能量还会用来加热车箱，这也下降了汽车的效力与运行范围。

　　上图为1个配备了冷却和加热通道的汽车利用中锂离子汽车蓄电池组的模型仿真结果，这类模型已广泛利用于蓄电池热管理系统的设计。

　　结论和思考

　　由于电动机的工作效力高、不需要将热能转化为机械能，因此电动汽车没法在经过极为寒冷的冬夜以后迅速和自发地加热蓄电池。因此，就像我在滑雪度假时所做的那样，电动汽车在寒冷的冬夜需要接通电源，这样汽车蓄电池温度才能保持在公道的范围内。

　　遵守了上述准则，电动汽车就可以轻松启动，即便是在瑞士雪山上也是如此。事实上，大多数北方（例如阿拉斯加、加拿大、瑞典、挪威）的室外停车场都配备了充电站，大多数传统汽车也都装有发动机加热器。在如此低温下不要心存侥幸，即便是安装了内燃机的传统汽车也应当加热。

　　如果在滑雪度假的夜晚忘记给汽车接通电源，那末回到舒适的屋内时，可能会想起第1个对化学反应速率和输送性质与温度的关系进行定量描写的瑞典科学家SvanteArrhenius。

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