作为第一性原理（FirstPrinciple）的忠实信徒，马斯克倾向于回归事物的本质分析和解决问题，而非采用类比和改良的方式。 他认为后者属于线性思维，只能对技术或产品产生较小的升级和迭代，而只有从事物本质出发，才能产生颠覆性创新。这种思维方式在马斯克的另一家初创企业SpaceX上取得巨大成功，在特斯拉身上也有着第一性原理的烙印。它使得特斯拉有时候能够独辟蹊径，做出让人惊叹的设计和产品，有时候过于激进却适得其反，常常导致批评和争议。
研发设计：业界最先进的三电技术
美国专利分析公司Relecura数据显示，截止2018年，特斯拉共计专利/专利族408件。从历年情况来看，2009年后，专利申请数量与授权数量开始激增，主要与Model S的研发准备有关，申请数量于2012年到达顶峰，授权数量于2013年到达顶峰。从申请国家来看，美国申请数量保持领先，近年来欧洲与中国申请数量急速增加，这与特斯拉全球化的市场战略分不开。
与传统车企相比，特斯拉在新能源汽车领域的专利数量并不算突出，例如丰田相关专利数超14000多件，约为特斯拉专利数量的50倍。从专利申请前十关键字来看，“电池”“热量管理”“冷却”等是特斯拉主攻目标。通过调动有限资源集中攻坚，特斯拉希望在三电系统领域与传统车企形成差异化竞争。
电池系统
电池技术是特斯拉最引以为傲的优势领域之一。从专利数据显示，电池系统相关专利占比超60%。特斯拉电池动力系统包括电池单体、电池管理系统（BMS）、热量管理系统、冷却管理等，其中电池单体占电池动力系统成本70%以上。特斯拉前后应用过18650和2170两款电池，目前最新款2170圆柱电池采用镍钴铝NCA配备硅碳负极，单体电池容量在3~4.8Ah之间，单体能量密度可达300Wh/kg，性能较上一代18650提高约20%。
特斯拉使用的松下圆柱电芯在消费电子市场有成熟的应用历史，拥有能量密度高、工艺成熟、生产自动化程度高等优点。然而面对要求更为严格的汽车行业，温度敏感性高、成组管理难度大、易爆炸等则局限了其广泛使用。为此，特斯拉提出包括更优的两极材料、模组结构、电池管理系统和热管理四大主要解决办法。
一、不断寻找最优材料，降低成本、提升性能。电池单体化学物质成分和比例的不同将直接影响电池性能表现，三元材料中，镍主要作用为提高材料整体能量密度，钴主要作用为稳定材料层状结构，提高整体循环性能。然而，过高的镍含量会导致化学成分不稳定，过高的钴含量会降低能量和容量，并且由于矿产稀缺性，钴价一直居高不下。为此，特斯拉不断攻克电池材料配比，试图找到最优方案。横向来看，当竞争对手2013年做磷酸铁锂电池与NCM111时，特斯拉已经开始在Model S上应用高能量密度NCA三元电池；当竞争对手2017年开始由低镍材料过渡到NCM622/NCM811高镍正极材料时，特斯拉已经探索更高能量密度的硅碳负极应用，特斯拉在电池技术的积累使其电池能量密度和整车续航里程能领先竞争对手数个身位。纵向来看，特斯拉一直坚持使用NCA作为电芯正极材料，并不断提高镍含量、降低钴含量。对比最新Model 3与Roadster两款汽车，特斯拉平均每款车钴含量降低约60%。根据特斯拉2018年一季度报告，Model 3的电芯能量密度超过其他任何一款竞品所使用的电芯，其钴含量低于主流电芯制造厂即将量产的下一代NCM811电芯产品。
二、串并联组合、分层管理模式优化模组结构，提高电池充放电能力。特斯拉电池采用特有的串并联方式，按照“单体电池-brick-sheet-pack”顺序进行分层管理。例如，特斯拉将Roadster电池系统的6831节电池分成不同的子单元（4个模组中2个为23Brick/module，另外2个为25Brick/module，即2*23*31+2*25*31）进行并联和串联，多组串联和平板的设计，极大增加电池铺设数量和使用效率，从而提高整车动力性能和续航里程。
三、高精度的电池管理系统保障电池安全、提高循环寿命。电池管理系统（Battery Management System, BMS）是特斯拉最核心的几项技术之一。不同于铅酸电池，锂电池由于具有非线性的充放电曲线，造成不论是电芯或是电池包层面，监测、预估和管理的难度都大大增加。如果管理不当，个别电芯的过度充放电将引起永久性的电池损伤，造成整个电池系统电压、温度不稳定，严重的将导致热失控事件。因此电池管理系统对电池容量、循环寿命和安全性均起着至关重要的作用。自从Model S开始，特斯拉就采用了NCA为正极材料的电芯，与业界更加主流的高镍NCM材料相比，NCA虽然能量密度更高，但是循环寿命更短，稳定性也更差，因此对BMS提出了更高的要求。
特斯拉的BMS主要由主控模块和从控模块组成。其中主控模块相当于BMS系统的“大脑”，负责电压电流控制、接触器控制、对外部通信等功能；从控模块连接了各路传感器，主要负责实时监测电池包里的电压、电流和温度等各种参数，并上报主控模块。
特斯拉的BMS具有两个特点。一、高精度。根据Sandy Munro和Jack Rickard等人对Model 3的拆解，Model 3的BMS可以将23-25个独立电池组的电压差控制在2-3mV，远低于其他普通电动车的水平；二、高集成度。特斯拉BMS模块集成了高压控制器、直流转换器和多个传感器，由此可以减少内部通信所需的高压线束，最终减轻总重量并降低成本。
四、热管理系统温差设计合理，冷却路线丰富流畅，均温和能量管控能力突出。新能源汽车的热管理系统主要包括整车、座舱、电池三方面，进行整车温度控制、客舱空调加热制冷、电池过热散热过冷加热等。目前，主流热管理包括自然冷却、液冷和直冷三种方案，特斯拉采取50%水和50%乙二醇为冷却液的液冷方案，由四通阀实现的电机和电池冷却循环串并联结构。由系统芯片算法控制，当电池温度超过设定目标值时，电池循环与电机循环相互独立，采用并联；电池温度低于设定目标值时，电池循环与电机循环采取串联，利用电机余热为电池和座舱加热，多余热量将由进气口的热量交换器排放出去。此方案充分利用车内所有部件热量，使热量有效循环游走，极大提高电池单体散热性和电池单体间温度一致性。因此，无论冬季还是夏季所对应的极端气候，特斯拉车辆温差控制保持在2℃内，体现强大的温度管控能力。
此外，由于电池单体材料升级、体积增大，电芯容量和密度大幅提高，导致电池化学热敏感性提升，可燃点从18650电池的约175℃降低为2170电池的约65-82℃，对电池冷却系统提出更高要求。对比旧版Model S 85、新版Model S P100与Model 3可以发现，电池冷却系统阶段性升级，从早期的单条冷却带到如今的每层独立冷却带，为新版2170电池提供更好的温度管控，极大提高电池冷却运行效率。
电机电控
目前，电动汽车行业主要采用交流感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机三种，乘用车主要采用前两种。电机主要由定子和转子两个部件构成，定子固定不动产生磁场，转子在磁场中受力转动。从工作原理来看，感应电机的定子绕组形成的旋转磁场，与转子绕组感应磁场驱动转子旋转，定子转子不同步；永磁电机定子产生电磁转矩来推动转子的磁场围绕轴心线进行旋转,定子与转子的磁场同步。从原材料来看，两者主要区别在于感应电机的转子主要采用铝或铜，成本较低；永磁电机的转子主要采用永磁体，涉及到钕铁硼等稀土材料，成本高昂。从性能来看，感应电机承受温差范围大、无退磁风险、高速区间效率好等；永磁电机输出扭矩调整范围大、同等条件下输出功率高体积小等。总体来说，永磁电机效率更高，感应电机性能更强。
一、感应电机是特斯拉创立之初的“最优”选择。 上世纪90年代，通用汽车EV1系列首先将感应电机与逆变器结合应用于电动汽车，该系统可以将电池组输出的直流电转为电机所需的交流电。此后，T-zero跑车也使用了改进版本的感应电机。该技术被特斯拉创始人艾伯哈德和塔本宁接纳吸收。在设计Roadster时，出于成本（全球稀土资本基本集中在东亚，尤其是中国和日本）、退磁风险、技艺成熟（当时制造环节合作商AC Propulsion即是感应电机领域技术领头者）等综合因素考虑，特斯拉选择了感应电机作为驱动电机。
为提高传统感应电机功率和运作效率，特斯拉采取一系列包括设计对应冲片、提高扭矩、冷却系统等手段，其中，最为创新的是感应电机铜芯转子专利技术（专利号US20130069476）。
铜较铝带来更高的电导效率。从各项金属不同温度下的电导率来看，在相同温度下，铜的电导率远高于铝。如果将电机转子结构原材料换成铜，电机工作效率将大大提高。
熔点高、大尺寸制造难度等制约铜芯电机发展。对比铝（熔点660.3℃），铜（熔点1083.4℃）过高熔点增加制造难度，AC Propulsion与MIT的一项实验表明，一旦电机体积过大，采用铜材料的电机成品极易造成气泡过多、难以镶嵌等问题。
镀银铜插片有别传统电机转子结构，在低焊接要求条件下完成低成本、高性能改造。 传统感应电机如果使用金属铜，主要分为铜条插入转子槽和两端封环两个步骤，铸造过程由于高焊接标准，往往导致制造难度大、成本高。特斯拉使用镀银铜插片填满铜条转子槽间隙，再加固两端，封上禁锢环片的方法，降低铸造难度的同时提升电机运行效率，完成特斯拉特殊动力改造。
二、用算法解决控制难题，Model3应用永磁开关磁阻电机。在成本、性能和效率的多重约束下，特斯拉大胆尝试了永磁开关磁阻电机（Permanent Magnet Switched Reluctance Motor）。传统开关磁阻电机通过在定子中加入电磁铁和钢铁制成的转子，仅产生磁吸引力进而带动电机转子运动，具有成本低、结构简单、可靠性高、转子热损耗低等优点。然而传统开关磁阻电机存在功率输出时扭矩波动问题，需要非常精细的电流控制策略和算法，这也造成其迟迟没有得到大规模应用。
Model 3对传统开关磁阻电机做了一定的改良：在定子加入少量稀土，并设计了控制算法来平滑扭矩波动，最终提高了电机输出功率。Model 3的永磁开关磁阻电机具有体积小、成本低（稀土使用量非常少，而且无需使用铜芯，降低铸造成本）、功率高等优点。相比于Model S/X感应电机83%的能量转化效率，Model3的能量转化效率提升至89%，即89%的电能可以最终转化为驱动力，这样便进一步降低了电耗，提高了续航里程。
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软件与架构：汽车将成为移动的计算机
系统软件
2018年美国知名杂志《消费者报告》指出特斯拉Model 3存在刹车距离过长的问题，因此没有对其进行推荐。放在传统车企，解决类似问题的方案大概率是大规模的召回，或是通过4S店对零部件进行更换，无论哪一者都需要浪费车主漫长的等待时间。然而特斯拉的工程师通过OTA（Over-the-Air）的方式对系统进行了升级，在几天之内便解决了这一问题。
这就是特斯拉与传统车企最根本的不同——特斯拉可以像智能手机一样进行系统升级（OTA），传统车企的OTA只局限于车载信息娱乐系统（infotainment system）中地图等功能，却无法像特斯拉一样对车内温度、刹车、充电等涉及车辆零部件的功能进行远程控制或升级。
背后更深层次的原因在于，两者底层的电子电气架构（Electrical/Electronic Architecture）完全不同。随着现代汽车的电子电气功能越来越复杂，整车上的电子控制单元（Electronic Control Units, ECUs）也随之增多。当前一辆普通汽车的ECU多达70-80个，代码约1亿行，其复杂度已经远远超过Linux系统内核和Android。在传统的汽车供应链中，OEM高度依赖博世、德尔福（现为安波福）等一级供应商提供的ECU。但不同的ECU来自不同的一级供应商，有着不同的嵌入式软件和底层代码。这种分布式的架构在整车层面造成了相当大的冗余，而且整车企业并没有权限去维护和更新ECU。在这种关系下，一级供应商的研发周期与2-3年的车型研发周期相匹配，传统汽车的软件更新几乎与汽车生命周期同步，极大地影响了用户体验。
与传统造车不同的是，特斯拉采取了集中式的电子电气架构，即通过自主研发底层操作系统，并使用中央处理器对不同的域处理器和ECU进行统一管理。这种架构与智能手机和PC非常相似。特斯拉Model3的电子电气架构分为三部分——CCM（中央计算模块）、BCM LH（左车身控制模块）和BCM RH（右车身控制模块），其中CCM由IVI（信息娱乐系统）、ADAS/Autopilot（辅助驾驶系统）和车内外通信三部分组成，CCM上运行着X86 Linux系统。BCM LH和BCM RH则负责车身与便利系统、底盘与安全系统以及动力系统的功能。
这样做的最大好处在于：
一、软硬件解耦、算力集中化。可以真正地实现硬件标准化和软件开发重复利用，既实现供应商可替代，也可以大大缩短软件迭代周期，同时为日后第三方软件开发扫清了障碍。车辆将成为移动的智能终端，同时大量计算工作可以集中至车载中央处理器甚至云端，减少了内部冗余同时车联网协同成为可能。
二、内部结构简化、制造自动化。车载以太网开始取代CAN总线结构，半导体集成使得特斯拉可以精简内部线束结构。Model S内部线束长度长达3千米，Model 3只有1.5千米，未来Model Y上特斯拉的计划是将线束长度控制在100米。Model 3的线束自动化组装问题曾使得特斯拉一度陷入“产能地狱”，最终不得不切换为人工组装。线束结构的精简可以使特斯拉的生产效率进一步提高。
三、提升服务附加值。实现整车OTA功能后，特斯拉可以通过系统升级持续地改进车辆功能，软件一定程度上实现了传统4S店的功能，可以持续地为提供车辆交付后的运营和服务。传统汽车产品交付就意味着损耗和折旧的开始，但软件OTA赋予汽车更多生命力，带来更好的用户体验。自2012年Model S上市以来，特斯拉软件系统至今一共进行过9次大更新，平均几个月一次小更新，已经累计新增和改进功能超过50项，包括自动辅助驾驶、电池预热、自动泊车等功能。
如果说三电系统领域特斯拉还只是与传统车企在同一维度上竞争，那么整车OTA属于特斯拉对传统车企甚至传统汽车一级供应商的一次降维打击。传统车企虽然开始智能化转型，但是未必能够追上特斯拉的步伐。按照博世对EEA的定义，大众等传统车企仍处于从“Modular”（模块化）向“Integration”（集成化）的过渡阶段，而特斯拉已经是一台“Vehicle Computer”（车载中央计算机）了。在2018年年报媒体发布会上，大众CEO迪斯明确提出要打造vw.OS操作系统，并且逐渐把整车的70多个ECU集成到3-5个高性能处理器上。大众成为传统车企中第一个明确提出智能化转型的公司，但是与特斯拉相比，软件并不是大众的强项。若想转型成功，大众不仅需要培养大量相关的软件开发人才，形成内生的软件开发能力，更需要调整相应的组织人员架构。股东的支持、管理层的远见、极强的执行力缺一不可。此外，现有一级供应商未来势必在ECU软硬件开发的主导权上与车企展开激烈博弈，车企转型的难度是可想而知的。
应用软件
Autopilot是特斯拉目前最重要的应用软件。传统车与智能汽车最大区别在于驾驶系统，目前主流智能化汽车基本配备L2级别辅助驾驶系统，尚无企业实现完全自动化驾驶系统。
汽车辅助驾驶系统由软硬件组合构成，从结构框架来看，主要分为感知模块、地图模块、驾驶行为决策模块。从流程来看，感知模块通过雷达、传感器、摄像头等硬件，收集周围环境探测到的物体数据，地图模块提供定位和全局路径规划，数据共同传输到驾驶行为模块，为驾驶方案提供信息支持，最后决策模块控制车体转向、加速等实施行为。
从技术路径来看，目前主要分为两大流派，一是以特斯拉为代表，以摄像头为主导方案；另一是以谷歌、百度为代表，以激光雷达为主导方案。摄像头是最接近人眼获取环境习惯的传感器，有较稳定的图像处理能力，但在例如下雨、起雾等恶劣环境中分辨率下降。激光雷达通过发射激光束来探测物体，具有抗干扰能力强、探测精准等优点。但多束精准度高的激光雷达成本和技术门槛远远高于摄像头。
特斯拉Autopilot的主要成就在于率先实现大规模商用。
一、Autopilot辅助驾驶商用化性能突出。出险率可以一定程度判断该车体和自动驾驶系统的安全程度。根据美国保险赔款条例，可以分为六项类，分别为Collision（车辆碰撞，由过错方造成的对过错方车辆赔理）、Property Damage（车辆碰撞，由过错方造成的对对方车辆理赔）、Comprehensive（其他非碰撞事故）三项车险和Personal Injury（双方各自赔付）、Medical Payment（车辆碰撞，由过错方造成的对过错方人身赔理）、Bodily Injury（车辆碰撞，由过错方造成的对对方人身赔理）三项人险。
对比同等大型豪华轿车的出险率，从三项车体保护险来看，特斯拉与其他豪华轿车类似，表现较差，且数据远远高于其他同类型轿车，说明特斯拉单车平均碰撞率高于行业平均水平，这也暗示由于系统误判或者驾驶员忽视容易造成更多碰撞。但从三项人体保护险来看，特斯拉Model S低于平均、基本处于优秀水平，说明Model S对自身车主和对方车主有良好的人身保护。
从车道保持情况来看，根据美国公路安全保险协会IIHS数据，在直径1300-2000英尺（396-617米）不同的空旷道路测试环境下，对比宝马5系、奔驰E、Model 3/S和沃尔沃S90五辆同类别轿车，设定3种情况各6种测试的共18次测试条件，Autopilot8.1辅助驾驶系统在弯道和坡道的车辆保持能力最为突出，仅在坡道表现过一次压线。
二、Autopilot拥有数据优势。作为最早搭载自动辅助驾驶系统的电动车品牌，同时拥有全球规模最大的辅助驾驶车队，截止2019年1月，特斯拉Autopilot行驶里程超过17.3亿公里，远超其他竞争对手，并且车队规模保守估计以每年约40万辆递增（Model S/X 10万辆/年+Model 3 30万辆/年）。作为对比，根据加州车辆管理局《2018年自动驾驶脱离报告》的数据，激光雷达路线的领头羊Waymo在2017年12月至2018年11月期间的路测车队规模为110辆，路测里程数约200万公里。
庞大的数据量使得特斯拉在高精度地图、障碍物识别等方面的数据积累显著领先于竞争对手。此外，与大多数自动驾驶初创公司大量采用模拟数据进行算法学习不同，特斯拉车队采集的全部为现实数据，数据质量更高，更加有利于算法迭代更新。
三、特斯拉自研自动驾驶芯片来满足完全无人驾驶算力需求。根据特斯拉4月23日自动驾驶日披露的信息，历时3年秘密研发，特斯拉已经完成车载AI芯片的设计生产（由三星代工），SOC算力超过了应用于AP2.0的英伟达Drive PX2，并已经实现装车。从原理来看，无论哪条自动驾驶技术路径，对海量数据的处理和学习能力都至关重要，因此，汽车AI的实现需要底层软件到硬件的全方位变革。此前，自动驾驶芯片基本被英伟达和Mobileye（已被Intel收购）两大巨头垄断，此次自研车载芯片是特斯拉近几年来最重要的硬件创新，将使特斯拉成为唯一一家具有自动驾驶芯片研发设计能力的汽车制造商，进一步扩大在智能化和无人驾驶领域的领先优势。
然而值得一提的是，特斯拉和马斯克在Autopilot驾驶系统的宣传上一直存在过度承诺和夸大。大多消费者在没有深度了解的背景下，或存在被“自动转向、自动泊车”等字眼所欺骗现象，导致驾驶过程中放松对车辆控制，进而造成数件安全事故。此外，由于摄像头主导的视觉方案对物体探测数据体量要求非常高，但Autopilot无法100%将现实生活存在的每样实物都传输进数据库，从而又导致部分因为系统误判造成的交通事件。
3
生产制造：高度垂直一体化
特斯拉自行生产组装众多核心部件，包括电池包、BMS系统、充电接口和设备、电机等。该模式的最大特征为产业链高度垂直整合，在核心技术和零部件上不容易被供应商“卡脖子”。但掌握大量核心技术必然带来前期的大量研发投入，因此必须通过打造精品和爆款，通过规模效应摊薄研发、开模等前期投入。
动力总成集成优化内部结构，有利缩减车型降低成本，形成价格竞争力。特斯拉一直保持包括电池包、BMS、冷却系统、电机等动力总成高度集成的特点。例如，无论是感应电机还是永磁开关磁阻电机，基本结构都为变速箱、逆变器和电机三体合一的结构。对比来看，每次推出新款车型，特斯拉都尽可能在原基础上集成升级。对比Model S/X，Model 3的车体减小约20%、价格降低约50%，为保证整车性能，特斯拉加入更多系统芯片来控制部件协调运作，并且将例如Model3的冷水机、电动阀、液冷罐等零部件集成为冷却液储阀罐，即Super Bottle，通过算法调节内部线路串并联结构，减少例如PTC加热器等零部件。
4
销售、品牌与服务：直营与全生命周期交互
销售方面，有别传统车企的多层经销模式，特斯拉效法苹果，选择自建展示厅和体验店，选址从2012年的加州、纽约、华盛顿等美国主要城市扩增为全球378个城市，销售网络范围不断扩张。直营模式虽然有助于提高品牌形象、解决因为经销环节而产生的价格不一、体验感差等问题，但实际上直营店的运营成本并不低，而且直营模式并非特斯拉特有，不存在实际门槛，新造车势力例如蔚来小鹏等，大多也采用该模式。
特斯拉具有非常高的品牌价值，这很大程度上得益于CEO马斯克的个人魅力和独特光环。马斯克初期打造现实版钢铁侠形象，个人影响力高涨，“网红效应”使得特斯拉自带流量和媒体曝光度。例如在Model 3发布会后利用社交网络上各路媒体及自媒体进行话题讨论，首周预定量便超过30万，传播效果远超传统广告渠道。根据全球品牌评估平台BrandZ数据，特斯拉自2016年起位列全球汽车品牌前十，品牌价值也从2016年的44亿美元涨至2018年的94亿美元，甚至超过保时捷等老牌豪车品牌。
服务方面，由于特斯拉通过OTA进行软件更新，可以极大地提升产品附加值，并且由于不少问题可以通过远程“在线诊断”，能够省去用户维修时间，进而降低成本。此外，马斯克作为“Twitter大V”，经常在社交网络上与用户进行互动，在产品和软件更新时听取用户意见，这种近距离沟通也赢得了不少用户的好感，使得多数用户对产品存在的部分瑕疵表示理解和支持。
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