Tesla Roadster 開源電池監控板的學習解讀

　　2月28日，埃隆·馬斯克宣布新一代特斯拉Roadster電動跑車已經完成設計，計劃在年底推出。這款新車的零百加速不到1s，續航里程可達1000公里，將是市面上續航里程最長的電動汽車之一。

　　此前，特斯拉還宣布了初代Roadster的設計和工程文件已經“完全開源”。在官網（https://service.tesla.com/roadster）可以看到，特斯拉公開了該車的部分設計文檔，包含電池監控板、車載顯示監控和空調系統（HVAC）的原理圖、BOM等文件。

　　Tesla早期電動汽車的電池包使用18650電池組成，為滿足電動汽車運行所需的電壓和電流，需要使用上千個電池串并聯實現。特斯拉將電池包進行了分層管理，從小到大分別為“單體電芯-》Brick-》Sheet-》Pack”。Roadster的電池包由6831個18650電芯組成，69個電芯并聯組成1個Brick， 9個Brick串聯組成1個Sheet， 11個Sheet串聯疊放成最終的電池包，即69并9串11串。電池包的滿電電壓可以達到415.8V，下表為特斯拉幾款車型的電芯尺寸和管理方式：

　　本次公開的“電池監控板“為Sheet層級的保護板，屬于電池系統的從板，可以監控9個Brick模組的電壓并進行均衡。下圖分別為監控板的位號圖、BOM文檔部分截圖：

　　正面位號圖BOM

　　1.系統框圖

　　電池監控板原理圖共由7部分組成，其架構如下：

　　2.處理器電路（Processor）

　　監控板的處理器采用了Microchip的PIC18F8585，這是一款8位微控制器，Harvard 架構，最高工作頻率為 40 MHz。其空間資源及功耗表現與目前行業常用方案都有較大的差距，工作溫度為-40～85度，非車規級產品。

　　MCU的復位信號由菊花鏈（Daisy chain）電路產生，配合運放（TLV2254，TI）搭建的跟隨+比較電路，當菊花鏈高電平脈沖》200ms時，11個Sheet從板的處理器會依次進行硬件復位。

　　3.電源（Power Supply）

　　監控板的供電電壓由9級Brick電池組串聯得到，單節18650電池的電壓范圍在3～4.2V之間（總壓27～37.8V），原理圖標注的范圍為22～42V。

　　電源LT3014將電壓降到24V用于運放供電，由于運放的工作電流較小，這里使用線性電源也能夠滿足功率要求。主電源VCC+5V則使用開關電源LT1976轉換得到，用于MCU、通信等電路的供電，MCU可通過SHUTDOWN信號對自身斷電重啟。

　　電源LT1461為MCU的AVDD及溫度采樣電路進行供電。為保證LDO的Vdrop，特斯拉利用了MCU的CCP腳產生PWM自舉提高電壓，以滿足壓降的要求。

　　4.通信電路（CAN Interface）

　　電池系統有CAN和菊花鏈（Daisy Chain）兩種通信方式，均為隔離通信。從電路圖中可以看到監控板的CAN供電可以被上一級斷開，以避免不可恢復的CAN故障。

　　CAN收發器芯片采用了NXP的TJA1050T，端口耐壓為-27～40V，電路中未預留終端電阻、串阻、ESD等器件，CAN_RX/TX信號的源端均放置了22R電阻用于阻抗匹配。

　　隔離電路準備了光耦和隔離芯片兩種方案，特斯拉實際上件了芯片方案（ADuM1201，ADI），這是一款帶隔離的電平轉換芯片。

　　除了CAN通訊，原理圖下方為單向的菊花鏈通訊電路，用于從板之間的通訊和MCU硬復位。

　　5.電芯接口及比較電路（Battery Interface）

　　連接器插件位于PCBA右側，共有6路溫度采集及9路電芯電壓采集信號，每一路V_Sense監控一個Brick模組（69個電芯并聯后的電壓）。

　　電壓經過保險絲串聯后送至均衡電路，保險絲規格為1A-63VDC-1206，B0和GND之間使用保險絲隔離，DCR預估在300mR左右。

　　Roadster時期的BMS產業鏈還未成熟，特斯拉選擇了TI的過壓比較器方案：BQ29410PWR，這是一個帶基準的電壓比較器IC，固定過壓值為4.35V，過壓則輸出高電平，通過分立元件搭建的電路最終將信號（OVP_L）傳輸到MCU。這應該會是一個優先級比較高的信號，可以直接控制PACK主控制板相關器件動作。

　　6.電芯電壓采集（Voltage Monitor）

　　特斯拉使用9路運放（TL1491）對電芯電壓進行單倍放大，RC濾波后進入MCU-ADC采集。使用BAT54A對各級電芯電壓進行“與邏輯”處理，當電芯最低電壓達到1.3V以下時，觸發比較器動作，產生UVP信號。

　　7.Temperature Monitor

　　6路外部溫度采樣如下圖所示，THERMISTORA和 THERMISTORB分別對應熱敏電阻的兩個接線。分別通過10K上拉到5V電源和2.2K下拉到地，輸出的電壓值經過RC濾波送至MCU進行ADC采集。溫度采集電路的供電使用PMOS控制，用于降低功耗。

　　由于溫度采樣傳感器是外拉的，圖中使用BAT54C下拉至5V進行保護。PCB內部則通過LM335進行溫度檢測。

　　8.均衡電路（Cell Bleed）

　　Sheet監控板的均衡方式為被動均衡，具體電路如下所示：

　　均衡電路使用驅動芯片（DS2003）驅動，驅動電流由達林頓管FZT705及39R均衡電阻（2010封裝）決定，最大可達100mA左右。端口處的ESD管用于保護后級免受靜電干擾。

　　值得注意的是，圖中只有第2～8節使用了驅動芯片，且驅動串阻隨串數增加而增大，可能是為了保證均衡電流接近。

　　總結

　　以上便是Roadster 開源電池監控板的學習解讀，特斯拉顯然沒有完全開源其電池系統方案。隨著產業鏈的發展，包括moldel 3/Y、Cybertruck、新Roadster在內的車型逐漸轉向2170、4680電芯方案。模擬前端（AFE）、微控制器（MCU）、電源等芯片方案逐漸趨向集成化，初代Roadster方案已不再適應當前潮流。

　　但通過這次學習，我們能夠了解十幾年前的特斯拉是如何在鋰電池產業尚未成熟、開發資源匱乏的情況下實現電池系統的開發。這種開源方案的學習不僅可以幫助我們理解特斯拉在技術創新方面的歷程，還能為未來電動車技術的發展提供寶貴的經驗和啟示。

　　審核編輯：黃飛