使用基于模型的设计来建造特斯拉跑车

大型汽车制造商在一款新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，预算仅为1.45亿美元。因为与传统汽车公司相比，我们的预算很少，我们被迫优化工程资源，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工具来建模整个车辆及其主要子系统，运行详细的模拟，分析性能，并评估设计权衡。

优化动力和燃油效率

在标准的内燃机中，马力越大，耗油量就越大，发动机产生的能量中有三分之二会以热量的形式消散。因此，设计者被迫牺牲动力来提高燃油效率。

对于跑车，我们不需要做这样的取舍。电池中超过85%的能量被用来驱动车辆，当我们让车辆更强大的时候，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。这款跑车可以在不到4秒的时间内从0加速到60英里每小时，但它也是环保的:在美国环保署联合循环下，它每次充电的续航里程为244英里，每100英里的行驶只消耗28千瓦时的电量。

开发系统模型

特斯拉工程师开始使用MATLAB^®大约三年前完成了各种任务，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、电池动力学、冷却和电缆功率损耗的模型。

我们将这些模型组合成整个汽车的全系统模型，用它来模拟汽车的整体性能，包括它的潜在速度和航程，每个部件会产生多少热量，轮胎、风阻力和其他因素损失了多少能量。通过仿真结果与原型车道路试验实测结果的对比，验证了模型的有效性，并对模型进行了修正，以提高模型的精度。

在Simulink中记录和改进模型万博1manbetx

随着MATLAB模型数量的增长，一个工程师要完全理解所有组件之间是如何相互作用的变得越来越困难。在我们采用基于模型的Simulink设计之后万博1manbetx^®，我们能够开发一个顶级的车辆Simulink模型，调用我们已经验证过的各个M万博1manbetxATLAB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，并提供模型内容的实时文档(图1)。

我们已经用等价的Simulink模型替换了MATLAB子系统模型。万博1manbetx同时，我们完善了模拟体系结构，这样我们就可以更容易地将设计与开发分离开来。顶层的Simulink模型引万博1manbetx用每个组件作为一个独立的Simulink模型文件，使我们能够对每个组件应用版本控制。然后工程师们就可以在不同的部件上并行工作。例如，一个工程师可以编辑电池的模型，而另一个工程师则负责变速器。

模拟整车

使用Simu万博1manbetxlink，我们已经构建了车辆模型，使得它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。万博1manbetx跨组件级边界对模型进行仔细的划分，使我们能够使用不太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模型跑车的电力电子和电机。万博1manbetx我们用50微秒的时间步对这两个组件的性能进行了模拟。

我们将从详细模拟得到的结果合并到一个查找表中，我们可以将它作为更高级的模型插入到更长的车辆级模拟中。设计逆变器的工程师可以对整车进行详细的动态仿真，而另一名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。这种方法帮助我们获得所需的信息，从而更快地做出设计决策。

我们使用参数化车辆模型来模拟生产中的车辆，即将投入生产的车辆，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，我们在一个又一个模拟中修改这个模板。这种方法对于组件的大小调整特别有效。例如，为了模拟不同的传输配置，我们不替换传输块或更改Simulink模型，而是简单地将必要的参数定义为输入向量。万博1manbetx然后，我们使用MATLAB脚本调用多个模拟，遍历设计选项。

最近，特斯拉开始了一项计划，以提高跑车的总里程每次改变。我们对如何改进系统有一些想法，但缺乏真正的证据证明我们的想法是有效的。因为我们有一个很好的车辆的Simulink模型，我们相信它产生的仿万博1manbetx真结果，我们可以用实际数据量化设计变化的影响。

增强动力系统

在Roadster原型车的道路测试中，我们收集了足够的真实数据来完善和验证我们的模型。使用经过验证的原始跑车模型，我们绘制了跑车1.5动力总成的整个设计空间。我们有一个大的矩阵，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种组合，这些模拟逐渐变得更加详细。

如果没有建模和模拟，这一工作将花费数年时间，而且代价高昂。每个实物原型需要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。增强型动力系统目前已在原型车中正常工作。

跨越多个学科

通过Sim万博1manbetxulink，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流原理模型，因此，对电池作为一种电化学装置有了宝贵的见解。我们使用Simu万博1manbetxlink建立了先进的等效电路模型，可以预测在不同的充电状态、放电速率、温度和老化水平下的性能。

我们使用了类似的方法来执行安全关键模拟，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。通过MathWorks工具，我们进行了分析并获得了见解，从而导致电池技术的巨大进步。这款跑车的储能密度是其他任何电动汽车的两倍多。

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，并将分析结果合并到更精确的跑车模型中。如果没有MathWorks工具，我们不可能造出这辆车。这将占用我们新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万博1manbetx智的设计决策。