使用基于模型的设计建造特斯拉跑车

大型汽车制造商投资数十亿美元的新车型的设计和开发。在特斯拉,我们发展了2008年,特斯拉跑车,世界上第一个100%电力生产跑车,预算仅为1.45亿美元。因为我们的预算是微小的,传统的汽车公司相比,我们被迫优化工程资源,使聪明的设计决策。

帮助实现这些目标,我们使用MathWorks基于模型的设计工具整个车辆和其主要子系统模型,详细的模拟运行,分析性能,并评估设计的权衡。

优化电力和燃料效率

在一个标准的内燃机,更多的马力意味着更多的燃料消耗,三分之二的能源生成引擎和热量消散。因此,设计师们不得不牺牲权力获得燃油效率。

跑车,我们不需要做这个交易。超过85%的能源在使用电池驱动汽车,当我们使车辆更强大,我们也使它更有效率。我们的设计目标主要集中在制造一辆汽车快速,安全,节能。跑车可以加速从0到60英里每小时在4秒,但它也是环保:它有一个244英里每环保局联合循环充电,充电的电力消耗只有28千瓦时每100英里的驾驶。

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发展早期的动态热模型电池。随着时间的推移,我们开发了MATLAB为每个车的主要系统模型,包括传动、电机、电力电子、刹车系统、轮胎、和控制系统。我们还开发了模型空气动力因素和电池动力,冷却,功率损耗电缆。

我们这些模型组合成一个完整系统模型的整个汽车,我们用来模拟汽车的整体性能,包括其潜在的速度和范围,从单个组件会产生多少热量,失去了多少能量,轮胎,风的阻力,和其他因素。通过比较模拟结果与测量结果从原型车辆的道路测试,我们验证了模型和修改它来提高其准确性。

记录和改进模型在仿真软件金宝app

MATLAB模型数量的增长,它成为一个工程师更难以完全了解彼此互动的所有组件。后,我们采用了基于模型的设计与仿真软件金宝app^®,我们可以开发一个顶级汽车的仿真软件模型,单个调用MATLAB子系统模型,我金宝app们已经确认。这种层次结构帮助我们想象的层面上结构模拟和提供生活文档模型的内容(图1)。

我们已经取代了MATLAB子系统模型与等效仿真软件模型。金宝app同时,我们精致的仿真体系结构,这样我们可以更容易独立设计开发。顶层仿真软件模型引用每个组件金宝app作为一个独立的Simulink仿真模型文件,使我们每个组件应用版本控制。工程师可以并行工作不同的组件。例如,一个工程师可以编辑模型电池而另一个作品的传播。

模拟完整的车辆

使用仿真软件金宝app,设计车辆模型在组件级别,以便它是灵活的,它使我们能够支持多个组件模型在不同级别的细节。金宝app小心分区模型的跨级边界使我们少用详细的组件模型,加快整个车辆的模拟。例如,我们有详细的仿真软件模型跑车的电力电子和电机。金宝app我们运行模拟来描述这两个组件的性能使用50微秒的时间步长。

我们详细的仿真的结果合并到一个查找表,我们可以插入作为高级模型时间上的模拟。一个工程师设计一个逆变器可以运行完整的详细动态模拟车辆而另一个工程师使用一个不太详细的逆变器模型预测车辆的最大射程。这种方法可以帮助我们获得我们需要的信息作出设计决策要快得多。

我们使用我们的车辆参数模型来模拟车辆在生产,汽车投入生产,甚至未来的设计。我们通过捕获所有汽车在一个标准化的输入模板的特点,我们从模拟仿真修改。这对于组件上浆方法特别有效。例如,模拟不同的传输配置,而不是替代传输块或改变我们的简单仿真软件模型定义必要的参数作为输入向量。金宝app然后我们使用MATLAB脚本调用多个模拟席卷的设计选择。

最近,特斯拉开始一项改善跑车的总行驶里程每变化。我们有一些想法如何改善系统,但缺乏真正的证据表明,我们的想法是可行的。因为我们有一个精确校准模型的模型汽车和我们信任的仿真结果,我们可以金宝app量化的效果与实际数据的设计变更。

提高动力总成

在路试跑车原型,我们收集了足够多的真实数据,完善和验证模型。使用验证模型的原始的跑车,我们绘制出整个设计空间的跑车1.5动力系统。我们有一个大矩阵不同的动力系统配置,包括各种电机大小、传输配置,化学电池和逆变器的大小。我们使用MATLAB脚本席卷数以百计的组合在多次仿真变得越来越详细。

这项工作已经进行了多年,高昂的运输费用没有建模与仿真。每个物理样机生产需要6个月或一年。我们不能遍历数以百计的齿轮比率在硬件。增强的动力系统目前正在设计的原型车。

跨越多个学科

通过仿真软金宝app件我们可以解决的问题域,通常需要更专业化、expensive-analysis工具。例如,许多我们最初的电池模型的经验,与一个理想电压源和一个固定的阻抗。我们现在使用更加复杂的采用基于模型,因此,获得了宝贵的见解电池作为一种电化学装置。我们使用仿真软件金宝app构建先进的等效电路模型,可以预测性能在不同的州,放电率,温度,和水平的衰老。

我们使用类似的方法来执行安全至上的模拟预测冷却性能在电池,确保电池不会过热。捕获所有的多畴的物理、化学和传热效果通常需要一个有限元分析工具和重要的工作。MathWorks工具我们进行分析和获得的洞见,导致电池技术的巨大进步。跑车有超过两倍的能量存储密度的任何其他生产电动汽车。

未来的跑车。

产生越来越多的实地测验数据,我们再次使用MATLAB处理,可视化和分析结果合并到跑车模型更加准确。我们不能没有MathWorks工具建立了这辆车。它会耗费资源,我们的新的汽车公司根本没有。我们将继续依靠MATLAB和Simulink帮助我们作出明智的为下一代的特斯拉金宝app汽车的设计决策。