大型汽车制造商在新车的设计和开发上投资数十亿美元。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，预算仅为1.45亿美元。因为与传统汽车公司相比，我们的预算很小，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，我们使用基于模型的设计MathWorks工具对整个车辆及其主要子系统进行建模，进行详细的仿真，分析性能，并评估设计折衷。
优化动力和燃料效率
在标准的内燃机中，马力越大油耗越高，发动机产生的能量有三分之二以热能的形式散失。因此，设计师不得不牺牲动力来提高燃料效率。
对于跑车，我们不需要做这样的权衡。电池中超过85%的能量用于驱动汽车，当我们使汽车更强大时，我们也使它更高效。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:在美国环保署(EPA)的联合循环中，它每次充电的续航里程为244英里，每行驶100英里充电的耗电量仅为28千瓦时。
开发系统模型
特斯拉的工程师开始使用MATLAB®大约三年前，为了完成各种任务，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，包括变速器、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、冷却和电缆功率损耗的模型。
我们将这些模型与整个汽车的全系统模型结合起来，我们用于模拟整体车辆性能，包括其潜在的速度和范围，将从各个组件中产生多大的热量，以及轮胎损失了多少能量，防风等因素。通过将模拟结果与原型车辆的道路测试的测量结果进行比较，我们验证了该模型并修改了它以提高其准确性。
在Simulink中记录和改进模型金宝app
随着MATLAB模型数量的增加，单个工程师要完全理解所有组件之间的相互作用变得越来越困难。之后我们采用了基于模型的设计与Simulink金宝app®，我们能够开发车辆的顶级Simulink模型，调用我们已经验证过的单个MAT金宝appLAB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)。
自从替换了使用等效的Simulink模型的MATLAB子系统模型。金宝app与此同时，我们改进了模拟架构，以便我们可以更轻松地将设计与开发分开。顶级Simulink模型将每金宝app个组件引用为独立的Simulink模型文件，使我们能够将版本控件应用于每个组件。然后工程师可以并行地处理不同的组件。例如，一个工程师可以编辑电池的型号，而另一个工程在另一个工作。
模拟整车
使用Simu金宝applink，我们已经建立了车型模型，使其在组件级别灵活，这使我们能够以不同的细节级别支持多个组件模型。金宝app仔细分区模型跨组件级边界使我们能够使用更少的详细组件模型来加速整个车辆的模拟。例如，我们详细的Simulink模型的跑车的电力电子和电机。金宝app我们使用仅为50微秒的时间步骤进行仿真以表征这两个组件的性能。
我们将详细模拟的结果合并到一个查找表中，我们可以将其作为一个高级模型插入到更长的车辆级模拟中。一个设计逆变器的工程师可以在整车中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航程。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，即将投入生产的车辆，甚至未来的设计。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，然后在不同的模拟中进行修改。这种方法对于组件分级特别有效。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，而只需将必要的参数定义为输入向量。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，特斯拉开始了一项倡议，以提高跑车的总范围每变化。我们有一些关于如何改进系统的想法，但缺乏实际证据证明我们的想法会奏效。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变化的影响。
提高动力总成
在Roadster原型的道路测试中，我们收集了足够的真实数据来完善和验证我们的模型。使用验证模型的原始跑车，我们绘制了整个设计空间的跑车1.5动力系统。我们有一个不同的动力系统配置的大矩阵，包括不同的电机尺寸、传动配置、电池化学成分和逆变器尺寸。我们使用MATLAB脚本在多个回合的模拟中扫描数百个组合，这些组合变得越来越详细。
如果没有建模和模拟，这一努力将花费数年时间，而且代价高昂。每个物理原型需要6个月或一年的时间来生产。我们无法在硬件中迭代数百个齿轮比率。改进后的动力系统现在正按照原型车的设计工作。
跨越多个学科
有了Sim金宝appulink，我们可以处理一些领域中的问题，这些领域通常需要专门的(而且更昂贵的)分析工具。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装置有了宝贵的见解。我们使用Simu金宝applink建立了先进的等效电路模型，可以预测不同状态的充电、放电速率、温度和老化水平的性能。
我们使用了类似的方法来进行安全临界模拟，以预测电池内部的冷却性能，并确保电池组不会过热。为了捕获所有多领域的物理、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。利用MathWorks工具，我们进行了分析，并获得了导致电池技术戏剧性进步的见解。这款跑车的储能密度是其他生产电动汽车的两倍多。
未来的跑车。
当我们生成越来越多的道路测试数据时，我们再次使用MATLAB来处理、可视化，并将分析结果整合到更加精确的跑车模型中。没有MathWorks的工具，我们不可能造出这辆车。这需要我们新成立的汽车初创公司所没有的资源。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。
