Tesla Roadster 开源电池监控板的学习解读

　　2月28日，埃隆·马斯克宣布新一代特斯拉Roadster电动跑车已经完成设计，计划在年底推出。这款新车的零百加速不到1s，续航里程可达1000公里，将是市面上续航里程最长的电动汽车之一。

　　此前，特斯拉还宣布了初代Roadster的设计和工程文件已经“完全开源”。在官网（https://service.tesla.com/roadster）可以看到，特斯拉公开了该车的部分设计文档，包含电池监控板、车载显示监控和空调系统（HVAC）的原理图、BOM等文件。

　　Tesla早期电动汽车的电池包使用18650电池组成，为满足电动汽车运行所需的电压和电流，需要使用上千个电池串并联实现。特斯拉将电池包进行了分层管理，从小到大分别为“单体电芯-》Brick-》Sheet-》Pack”。Roadster的电池包由6831个18650电芯组成，69个电芯并联组成1个Brick， 9个Brick串联组成1个Sheet， 11个Sheet串联叠放成最终的电池包，即69并9串11串。电池包的满电电压可以达到415.8V，下表为特斯拉几款车型的电芯尺寸和管理方式：

　　

　　本次公开的“电池监控板“为Sheet层级的保护板，属于电池系统的从板，可以监控9个Brick模组的电压并进行均衡。下图分别为监控板的位号图、BOM文档部分截图：

　　

　　

　　正面位号图BOM

　　1.系统框图

　　电池监控板原理图共由7部分组成，其架构如下：

　　

　　2.处理器电路（Processor）

　　监控板的处理器采用了Microchip的PIC18F8585，这是一款8位微控制器，Harvard 架构，最高工作频率为 40 MHz。其空间资源及功耗表现与目前行业常用方案都有较大的差距，工作温度为-40～85度，非车规级产品。

　　

　　

　　

　　MCU的复位信号由菊花链（Daisy chain）电路产生，配合运放（TLV2254，TI）搭建的跟随+比较电路，当菊花链高电平脉冲》200ms时，11个Sheet从板的处理器会依次进行硬件复位。

　　3.电源（Power Supply）

　　监控板的供电电压由9级Brick电池组串联得到，单节18650电池的电压范围在3～4.2V之间（总压27～37.8V），原理图标注的范围为22～42V。

　　电源LT3014将电压降到24V用于运放供电，由于运放的工作电流较小，这里使用线性电源也能够满足功率要求。主电源VCC+5V则使用开关电源LT1976转换得到，用于MCU、通信等电路的供电，MCU可通过SHUTDOWN信号对自身断电重启。

　　

　　电源LT1461为MCU的AVDD及温度采样电路进行供电。为保证LDO的Vdrop，特斯拉利用了MCU的CCP脚产生PWM自举提高电压，以满足压降的要求。

　　

　　4.通信电路（CAN Interface）

　　电池系统有CAN和菊花链（Daisy Chain）两种通信方式，均为隔离通信。从电路图中可以看到监控板的CAN供电可以被上一级断开，以避免不可恢复的CAN故障。

　　CAN收发器芯片采用了NXP的TJA1050T，端口耐压为-27～40V，电路中未预留终端电阻、串阻、ESD等器件，CAN_RX/TX信号的源端均放置了22R电阻用于阻抗匹配。

　　隔离电路准备了光耦和隔离芯片两种方案，特斯拉实际上件了芯片方案（ADuM1201，ADI），这是一款带隔离的电平转换芯片。

　　除了CAN通讯，原理图下方为单向的菊花链通讯电路，用于从板之间的通讯和MCU硬复位。

　　

　　5.电芯接口及比较电路（Battery Interface）

　　连接器插件位于PCBA右侧，共有6路温度采集及9路电芯电压采集信号，每一路V_Sense监控一个Brick模组（69个电芯并联后的电压）。

　　电压经过保险丝串联后送至均衡电路，保险丝规格为1A-63VDC-1206，B0和GND之间使用保险丝隔离，DCR预估在300mR左右。

　　

　　

　　Roadster时期的BMS产业链还未成熟，特斯拉选择了TI的过压比较器方案：BQ29410PWR，这是一个带基准的电压比较器IC，固定过压值为4.35V，过压则输出高电平，通过分立元件搭建的电路最终将信号（OVP_L）传输到MCU。这应该会是一个优先级比较高的信号，可以直接控制PACK主控制板相关器件动作。

　　

　　6.电芯电压采集（Voltage Monitor）

　　特斯拉使用9路运放（TL1491）对电芯电压进行单倍放大，RC滤波后进入MCU-ADC采集。使用BAT54A对各级电芯电压进行“与逻辑”处理，当电芯最低电压达到1.3V以下时，触发比较器动作，产生UVP信号。

　　

　　

　　7.Temperature Monitor

　　6路外部温度采样如下图所示，THERMISTORA和 THERMISTORB分别对应热敏电阻的两个接线。分别通过10K上拉到5V电源和2.2K下拉到地，输出的电压值经过RC滤波送至MCU进行ADC采集。温度采集电路的供电使用PMOS控制，用于降低功耗。

　　

　　

　　由于温度采样传感器是外拉的，图中使用BAT54C下拉至5V进行保护。PCB内部则通过LM335进行温度检测。

　　

　　

　　8.均衡电路（Cell Bleed）

　　Sheet监控板的均衡方式为被动均衡，具体电路如下所示：

　　

　　均衡电路使用驱动芯片（DS2003）驱动，驱动电流由达林顿管FZT705及39R均衡电阻（2010封装）决定，最大可达100mA左右。端口处的ESD管用于保护后级免受静电干扰。

　　值得注意的是，图中只有第2～8节使用了驱动芯片，且驱动串阻随串数增加而增大，可能是为了保证均衡电流接近。

　　总结

　　以上便是Roadster 开源电池监控板的学习解读，特斯拉显然没有完全开源其电池系统方案。随着产业链的发展，包括moldel 3/Y、Cybertruck、新Roadster在内的车型逐渐转向2170、4680电芯方案。模拟前端（AFE）、微控制器（MCU）、电源等芯片方案逐渐趋向集成化，初代Roadster方案已不再适应当前潮流。

　　但通过这次学习，我们能够了解十几年前的特斯拉是如何在锂电池产业尚未成熟、开发资源匮乏的情况下实现电池系统的开发。这种开源方案的学习不仅可以帮助我们理解特斯拉在技术创新方面的历程，还能为未来电动车技术的发展提供宝贵的经验和启示。

　　审核编辑：黄飞