原创： 充电桩模块如何应对极寒天气

不知道大家还记不记得，年前朋友圈被深圳朋友们转发的“梧桐山雪景”刷爆，中午再次被广州朋友拍摄的“雪花飘落羊城”刷爆。深圳1.7℃的低温也破了建市以来的记录。深圳市民也纷纷走上街头，堆起了历史上最大的雪人。

据说，此次极寒潮起因是裹挟着暖空气的低纬度高压气团，挤压原本应该呆在高纬度北极深处的寒冷空气的位置，致使寒冷空气南下，一部分盘踞东亚，建立起强大的寒冷漩涡根据地。科学家们的预测似乎在应验，全球变暖打破地球原有的气候平衡，极寒温度出现，洋流速度变慢，地球走向一个新的寒冷世纪。内蒙古自治区根河市被称为“中国冷极”，记者随身带着测温枪显示当地的气温是零下５１摄氏度到零下５３摄氏度左右，远远低于气象部门预报的零下４７摄氏度到零下４８摄氏度。

极寒天气给人们的生活带来诸多不便，也给充电桩的心脏—充电桩电源模块，带来极大的挑战。大部分的充电桩都是在户外工作，充电桩系统除了在夏天环境温度在40度情况下（机柜内50摄氏度）无降额输出，充电桩充电模块作为直流快充桩的心脏，其低温性能也决定了充电桩对环境的适应性。“冬入寒宵宫，夏至炼丹炉”从风雨雷霆的东海之滨到空气稀薄的青藏高原，从酷热难耐的戈壁大漠到滴水成冰的北国边陲，充电桩模块必须在奇湿、奇高、奇险、奇寒等各种气候和地形条件下，严格考核的充电机的性能。“-40℃环境起机”的充电桩电源针对极寒应用环境而生，即便在-40℃也可保证各种设备的正常供电（此次极寒天气，北方多地温度在-30℃以下）。那么低温环境到底对电源有何影响?

低温对于设备的影响比较多，在小时候经常看到冬天汽车没法启动，村子里的司机用火来加热发动机，然后手摇启动的情况。老代也听今朝时代的李卫东说一个典故，说二战时德军的坦克采用电池启动，然而在兵临莫斯科后由于严寒，电池在低温下容量急剧下降导致坦克没法即可启动而导致兵败莫斯科城下，现代的坦克都通过耐低温的超级电容解决了这个问题。老代曾经处理过一起由于低温导致的电源品质事故，在某年春节临近，北方某省通信运营商接连投诉某户外通信系统在停电之后部分设备没法开启的情况，后面工程师到现场分析，发现是内置的电源低温启动性能异常所导致的。在正常的情况下，由于通信系统7*24小时运行，系统内部的温度都能维持在30度以上，这个问题就不会出现，既就是停电一两个小时，由于通信系统内部的温度下降较慢，内部温度只要维持在-20℃以上，这个也问题不会出现。但是如果该通信站点的环境温度低于-20℃，且停电时间较长导致设备内部温度等于环境温度，电源的低温启动问题就会出现，导致通信运营商没法提供服务。

对于低温环境中的充电模块来说，电解电容是阿喀琉斯之踵。大部分电容在“-40℃”的严酷环境下，电解液会出现凝固，内阻变大，容值大幅下降，充电桩的输出纹波变大，辅助供电回路上的电解电容，大电解电容和副边输出滤波电解电容的低温特性，很大程度上决定了电源在低温环境中的性能。另外，电源芯片在超低温下也有问题，一般来讲，军工级的芯片可以保证在-40℃起机，工业级的芯片在-25℃开始工作，民用级要求在-10℃度左右起机并保证正常工作，很多人带着手机到东北出现黑屏保护，就是民品没法在低温条件下工作的案例。

从电源“起机”的过程来说：开机时的关键是，需要IC驱动主功率MOS管。IC在此时需要能量，而开机时辅助绕组无法即刻提供能量，所需能量只能由辅助供电回路上电解电容来提供。耐低温特性较好的电解电容，一般会采用特殊化成工艺的铝箔和耐极低温的更好特性的电解液，保证在“-40℃”的严酷环境中，容值不会降低，提供起机阶段IC所需的能量。对于“满载起机”的要求，则需要更多的电容在起机阶段存储能量。但一般情况下，需要考虑电源的功率密度。简单粗暴的增加电容，会加大电源的尺寸，牺牲功率密度。这就对电源的设计，工艺等提出了更高的要求。

大电解电容对于起机阶段电源的影响在于：低温环境下容值降低，ESR增大导致滤波性能变差，电解电容内部的电压振荡，导致欠压保护或过流保护而无法起机。如果空载起机，电解电容电压看似稳定，但一旦带载，大电解电容的电压极可能进入震荡状态，进而引起输出电压也进入震荡状态。副边输出滤波电解电容容值下降，导致在开机阶段电源的输出电压不稳定，输出纹波超标，如下图所示：

满足“-40℃起机”的电源，是高可靠性的特征之一，保障在极端严酷环境下设备的正常供电。在南方的朋友可能会说，我们南方不会出现低温情况，充电桩的低温特性对我来讲无关紧要，这其实也是不对的。充电模块由于要满足低温性能，必然要选择很多高性能的关键器件，而这些工业级甚至军品级的器件，在常温下的可靠性也远高于其他电源。我们曾经给一个国外客户设计过比-40℃起机更严酷的电源，客户要求-40℃满载起机，而且其他的指标不允许有降额，另外要求高功率密度和高效，这样的要求就更高，对设计人员和器件选型提出更大的挑战。

对于温度低于-40℃的极限情况，单纯通过充电模块去解决问题会导致充电模块成本的大幅上升，对于直流快充桩的应用，老代建议在柜体内加装一个温控的几百块的加热器，提高充电柜内部的温度后充电模块再起机运行，整个系统的整体成本会降低。当然，限于目前锂动力电池的低温性能没有大幅提高的情况下，加上极寒条件下空调的耗能加大大大降低电动汽车的续航里程，在极寒地区推动电动汽车也不太现实，极寒情况的设计可以暂时不予考虑。