Tesla Roadster 開源電池監(jiān)控板的學(xué)習(xí)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(jīng)完成設(shè)計，計劃在年底推出。這款新車的零百加速不到1s，續(xù)航里程可達(dá)1000公里，將是市面上續(xù)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(shè)計和工程文件已經(jīng)“完全開源”。在官網(wǎng)（https://service.tesla.com/roadster）可以看到，特斯拉公開了該車的部分設(shè)計文檔，包含電池監(jiān)控板、車載顯示監(jiān)控和空調(diào)系統(tǒng)（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(lián)實現(xiàn)。特斯拉將電池包進(jìn)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(lián)組成1個Brick， 9個Brick串聯(lián)組成1個Sheet， 11個Sheet串聯(lián)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(dá)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(jiān)控板“為Sheet層級的保護(hù)板，屬于電池系統(tǒng)的從板，可以監(jiān)控9個Brick模組的電壓并進(jìn)行均衡。下圖分別為監(jiān)控板的位號圖、BOM文檔部分截圖：

　　正面位號圖BOM

　　1.系統(tǒng)框圖

　　電池監(jiān)控板原理圖共由7部分組成，其架構(gòu)如下：

　　2.處理器電路（Processor）

　　監(jiān)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(gòu)，最高工作頻率為 40 MHz。其空間資源及功耗表現(xiàn)與目前行業(yè)常用方案都有較大的差距，工作溫度為-40～85度，非車規(guī)級產(chǎn)品。

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

　　3.電源（Power Supply）

　　監(jiān)控板的供電電壓由9級Brick電池組串聯(lián)得到，單節(jié)18650電池的電壓范圍在3～4.2V之間（總壓27～37.8V），原理圖標(biāo)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(guān)電源LT1976轉(zhuǎn)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(jìn)行供電。為保證LDO的Vdrop，特斯拉利用了MCU的CCP腳產(chǎn)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(tǒng)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(jiān)控板的CAN供電可以被上一級斷開，以避免不可恢復(fù)的CAN故障。

　　CAN收發(fā)器芯片采用了NXP的TJA1050T，端口耐壓為-27～40V，電路中未預(yù)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(zhǔn)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(zhuǎn)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(fù)位。

　　5.電芯接口及比較電路（Battery Interface）

　　連接器插件位于PCBA右側(cè)，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(jiān)控一個Brick模組（69個電芯并聯(lián)后的電壓）。

　　電壓經(jīng)過保險絲串聯(lián)后送至均衡電路，保險絲規(guī)格為1A-63VDC-1206，B0和GND之間使用保險絲隔離，DCR預(yù)估在300mR左右。

　　Roadster時期的BMS產(chǎn)業(yè)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(zhǔn)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?shù)組CU。這應(yīng)該會是一個優(yōu)先級比較高的信號，可以直接控制PACK主控制板相關(guān)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(jìn)行單倍放大，RC濾波后進(jìn)入MCU-ADC采集。使用BAT54A對各級電芯電壓進(jìn)行“與邏輯”處理，當(dāng)電芯最低電壓達(dá)到1.3V以下時，觸發(fā)比較器動作，產(chǎn)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(yīng)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(jīng)過RC濾波送至MCU進(jìn)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(jìn)行保護(hù)。PCB內(nèi)部則通過LM335進(jìn)行溫度檢測。

　　8.均衡電路（Cell Bleed）

　　Sheet監(jiān)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(qū)動芯片（DS2003）驅(qū)動，驅(qū)動電流由達(dá)林頓管FZT705及39R均衡電阻（2010封裝）決定，最大可達(dá)100mA左右。端口處的ESD管用于保護(hù)后級免受靜電干擾。

　　值得注意的是，圖中只有第2～8節(jié)使用了驅(qū)動芯片，且驅(qū)動串阻隨串?dāng)?shù)增加而增大，可能是為了保證均衡電流接近。

　　總結(jié)

　　以上便是Roadster 開源電池監(jiān)控板的學(xué)習(xí)解讀，特斯拉顯然沒有完全開源其電池系統(tǒng)方案。隨著產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，包括moldel 3/Y、Cybertruck、新Roadster在內(nèi)的車型逐漸轉(zhuǎn)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(yīng)當(dāng)前潮流。

　　但通過這次學(xué)習(xí)，我們能夠了解十幾年前的特斯拉是如何在鋰電池產(chǎn)業(yè)尚未成熟、開發(fā)資源匱乏的情況下實現(xiàn)電池系統(tǒng)的開發(fā)。這種開源方案的學(xué)習(xí)不僅可以幫助我們理解特斯拉在技術(shù)創(chuàng)新方面的歷程，還能為未來電動車技術(shù)的發(fā)展提供寶貴的經(jīng)驗和啟示。

　　審核編輯：黃飛