大型汽车制造商在新汽车的设计和开发上投入了数十亿美元。在特斯拉，我们开发了2008年的特斯拉跑车，这是世界上第一款100%电动生产的跑车，预算只有1.45亿美元。因为与传统汽车公司相比，我们的预算很少，我们不得不优化工程资源，做出明智的设计决策。
为了帮助实现这些目标，我们使用基于模型设计的MathWorks工具对整个车辆及其主要子系统进行建模，运行详细的仿真，分析性能，并评估设计权衡。
优化动力和燃料效率
在标准的内燃机中，更大的马力意味着更多的燃料消耗，发动机产生的能量有三分之二以热量的形式消耗掉了。因此，设计者不得不牺牲动力来提高燃油效率。
对于Roadster，我们不需要做出这样的权衡。电池中超过85%的能量被用来推动汽车，当我们让汽车更强大时，我们也在让它更高效。我们的设计目标是制造一辆快速、安全、节能的汽车。这款跑车可以在4秒内从0加速到60英里每小时，但它也很环保:在EPA联合循环下，它每次充电的续航里程为244英里，每100英里的充电耗电量仅为28千瓦时。
开发系统模型
特斯拉工程师开始使用MATLAB®大约三年前的各种任务，包括分析测试数据和开发电池的早期动态热模型。随着时间的推移，我们为汽车中的每个主要系统开发了MATLAB模型，包括变速箱、电机、电力电子、刹车、轮胎和控制系统。我们还开发了空气动力学因素、电池动力学、冷却和电缆功率损失的模型。
我们将这些模型组合成整个汽车的全系统模型，用于模拟汽车的整体性能，包括潜在的速度和范围，单个部件将产生多少热量，以及轮胎、风阻和其他因素损失了多少能量。通过将模拟结果与原型车道路试验的实测结果进行对比，验证了模型的有效性，并对模型进行了改进，提高了模型的精度。
在Simulink中记录和精炼模型金宝app
随着MATLAB模型数量的增长，对于单个工程师来说，完全理解所有组件之间是如何相互作用的变得更加困难。在我们采用Simulink的基于模型的设计之后金宝app®，我们能够开发一个顶级的车辆Simulink模型，该模型调用了我们已经验证过金宝app的各个MATLAB子系统模型。这个层次结构帮助我们可视化模拟的车辆级结构，并提供了模型内容的实时文档(图1)。
我们已经用等效的Simulink模型取代了MATLAB子系统模型。金宝app同时，我们改进了模拟体系结构，这样我们可以更容易地将设计与开发分开。顶级的Simulink模型将金宝app每个组件引用为一个独立的Simulink模型文件，使我们能够对每个组件应用版本控制。然后工程师们可以并行地在不同的组件上工作。例如，一名工程师可以编辑电池的模型，而另一名工程师则负责变速器。
模拟整车
使用Simu金宝applink，我们已经构建了车辆模型，使其在组件级别上是灵活的，这使我们能够在不同的细节级别上支持多个组件模型。金宝app小心地跨组件级边界划分模型，使我们能够使用不那么详细的组件模型来加速整个车辆的模拟。例如，我们有详细的Simulink模型的跑车的电力电子和电机金宝app。我们使用仅50微秒的时间步长来模拟这两个组件的性能。
我们将详细模拟的结果合并到一个查找表中，我们可以将其作为更高级的模型插入，以进行更长的车辆级模拟。设计逆变器的工程师可以在整车上进行详细的动态仿真，而另一个工程师则使用不太详细的逆变器模型来预测车辆的最大行驶里程。这种方法可以帮助我们更快地获得做出设计决策所需的信息。
我们使用参数化车辆模型来模拟正在生产的车辆，即将投产的车辆，甚至是未来的设计。我们通过在一个标准化的输入模板中捕获汽车的所有特征来实现这一点，我们在每个模拟中修改这个模板。这种方法对于组件大小调整特别有效。例如，为了模拟不同的传输配置，我们不需要替换传输块或更改Simulink模型，而是简单地定义必要的参数作为输入向量。金宝app然后，我们使用MATLAB脚本调用多个模拟，扫过设计选项。
最近，特斯拉开始了一项计划，以提高跑车的每次变化的总里程。我们有一些关于如何改进系统的想法，但缺乏实际证据来证明我们的想法是有效的。因为我们有一个校准良好的Simulink模型，我们相信它产生的仿真金宝app结果，我们可以用实际数据量化设计更改的影响。
增强动力系统
在Roadster原型车的道路测试中，我们收集了足够多的真实数据来改进和验证我们的模型。使用原Roadster的验证模型，我们为Roadster 1.5动力系统绘制了整个设计空间。我们拥有大量不同的动力系统配置，包括各种电机尺寸、传动配置、电池化学成分和逆变器尺寸。我们使用MATLAB脚本在多轮模拟中扫描了数百个组合，这些模拟逐渐变得更加详细。
如果没有建模和仿真，这项工作将花费数年时间，而且成本极高。每个实物原型的制作需要半年或一年的时间。我们无法在硬件中迭代数百个齿轮比。增强型动力系统目前已在原型车中正常工作。
跨学科
有了Sim金宝appulink，我们可以解决通常需要专门的、更昂贵的分析工具的领域的问题。例如，我们最初的许多电池模型都是经验的，具有理想的电压源和固定的阻抗。我们现在使用更复杂的第一性原理模型，因此，我们对电池作为一种电化学设备有了宝贵的见解。我们使用Simu金宝applink建立了先进的等效电路模型，可以预测不同充电状态、放电速率、温度和老化水平下的性能。
我们使用类似的方法来执行安全关键模拟，以预测电池内的冷却性能，并确保电池组不会过热。为了捕捉所有的多域物理、化学和传热效应，通常需要一个有限元分析工具和大量的工作。使用MathWorks工具，我们进行了分析，并获得了导致电池技术显著进步的见解。这款跑车的储能密度是其他电动汽车的两倍多。
未来的跑车。
随着我们生成越来越多的道路测试数据，我们再次使用MATLAB来处理、可视化并将分析结果整合到更精确的Roadster模型中。如果没有MathWorks工具，我们不可能造出这辆车。这将需要我们新的汽车初创公司根本没有的资源。我们将继续依靠MATLAB和Simulink来帮助我们为下一代特斯拉汽车做出明金宝app智的设计决策。
