作為第一性原理（FirstPrinciple）的忠實信徒，馬斯克傾向於迴歸事物的本質分析和解決問題，而非採用類比和改良的方式。 他認為後者屬於線性思維，只能對技術或產品產生較小的升級和迭代，而只有從事物本質出發，才能產生顛覆性創新。這種思維方式在馬斯克的另一家初創企業SpaceX上取得巨大成功，在特斯拉身上也有著第一性原理的烙印。它使得特斯拉有時候能夠獨闢蹊徑，做出讓人驚歎的設計和產品，有時候過於激進卻適得其反，常常導致批評和爭議。
研發設計：業界最先進的三電技術
美國專利分析公司Relecura數據顯示，截止2018年，特斯拉共計專利/專利族408件。從歷年情況來看，2009年後，專利申請數量與授權數量開始激增，主要與Model S的研發準備有關，申請數量於2012年到達頂峰，授權數量於2013年到達頂峰。從申請國家來看，美國申請數量保持領先，近年來歐洲與中國申請數量急速增加，這與特斯拉全球化的市場戰略分不開。
與傳統車企相比，特斯拉在新能源汽車領域的專利數量並不算突出，例如豐田相關專利數超14000多件，約為特斯拉專利數量的50倍。從專利申請前十關鍵字來看，“電池”“熱量管理”“冷卻”等是特斯拉主攻目標。通過調動有限資源集中攻堅，特斯拉希望在三電系統領域與傳統車企形成差異化競爭。
電池系統
電池技術是特斯拉最引以為傲的優勢領域之一。從專利數據顯示，電池系統相關專利佔比超60%。特斯拉電池動力系統包括電池單體、電池管理系統（BMS）、熱量管理系統、冷卻管理等，其中電池單體佔電池動力系統成本70%以上。特斯拉前後應用過18650和2170兩款電池，目前最新款2170圓柱電池採用鎳鈷鋁NCA配備硅碳負極，單體電池容量在3~4.8Ah之間，單體能量密度可達300Wh/kg，性能較上一代18650提高約20%。
特斯拉使用的松下圓柱電芯在消費電子市場有成熟的應用歷史，擁有能量密度高、工藝成熟、生產自動化程度高等優點。然而面對要求更為嚴格的汽車行業，溫度敏感性高、成組管理難度大、易爆炸等則侷限了其廣泛使用。為此，特斯拉提出包括更優的兩極材料、模組結構、電池管理系統和熱管理四大主要解決辦法。
一、不斷尋找最優材料，降低成本、提升性能。電池單體化學物質成分和比例的不同將直接影響電池性能表現，三元材料中，鎳主要作用為提高材料整體能量密度，鈷主要作用為穩定材料層狀結構，提高整體循環性能。然而，過高的鎳含量會導致化學成分不穩定，過高的鈷含量會降低能量和容量，並且由於礦產稀缺性，鈷價一直居高不下。為此，特斯拉不斷攻克電池材料配比，試圖找到最優方案。橫向來看，當競爭對手2013年做磷酸鐵鋰電池與NCM111時，特斯拉已經開始在Model S上應用高能量密度NCA三元電池；當競爭對手2017年開始由低鎳材料過渡到NCM622/NCM811高鎳正極材料時，特斯拉已經探索更高能量密度的硅碳負極應用，特斯拉在電池技術的積累使其電池能量密度和整車續航里程能領先競爭對手數個身位。縱向來看，特斯拉一直堅持使用NCA作為電芯正極材料，並不斷提高鎳含量、降低鈷含量。對比最新Model 3與Roadster兩款汽車，特斯拉平均每款車鈷含量降低約60%。根據特斯拉2018年一季度報告，Model 3的電芯能量密度超過其他任何一款競品所使用的電芯，其鈷含量低於主流電芯製造廠即將量產的下一代NCM811電芯產品。
二、串並聯組合、分層管理模式優化模組結構，提高電池充放電能力。特斯拉電池採用特有的串並聯方式，按照“單體電池-brick-sheet-pack”順序進行分層管理。例如，特斯拉將Roadster電池系統的6831節電池分成不同的子單元（4個模組中2個為23Brick/module，另外2個為25Brick/module，即2*23*31+2*25*31）進行並聯和串聯，多組串聯和平板的設計，極大增加電池鋪設數量和使用效率，從而提高整車動力性能和續航里程。
三、高精度的電池管理系統保障電池安全、提高循環壽命。電池管理系統（Battery Management System, BMS）是特斯拉最核心的幾項技術之一。不同於鉛酸電池，鋰電池由於具有非線性的充放電曲線，造成不論是電芯或是電池包層面，監測、預估和管理的難度都大大增加。如果管理不當，個別電芯的過度充放電將引起永久性的電池損傷，造成整個電池系統電壓、溫度不穩定，嚴重的將導致熱失控事件。因此電池管理系統對電池容量、循環壽命和安全性均起著至關重要的作用。自從Model S開始，特斯拉就採用了NCA為正極材料的電芯，與業界更加主流的高鎳NCM材料相比，NCA雖然能量密度更高，但是循環壽命更短，穩定性也更差，因此對BMS提出了更高的要求。
特斯拉的BMS主要由主控模塊和從控模塊組成。其中主控模塊相當於BMS系統的“大腦”，負責電壓電流控制、接觸器控制、對外部通信等功能；從控模塊連接了各路傳感器，主要負責實時監測電池包裡的電壓、電流和溫度等各種參數，並上報主控模塊。
特斯拉的BMS具有兩個特點。一、高精度。根據Sandy Munro和Jack Rickard等人對Model 3的拆解，Model 3的BMS可以將23-25個獨立電池組的電壓差控制在2-3mV，遠低於其他普通電動車的水平；二、高集成度。特斯拉BMS模塊集成了高壓控制器、直流轉換器和多個傳感器，由此可以減少內部通信所需的高壓線束，最終減輕總重量並降低成本。
四、熱管理系統溫差設計合理，冷卻路線豐富流暢，均溫和能量管控能力突出。新能源汽車的熱管理系統主要包括整車、座艙、電池三方面，進行整車溫度控制、客艙空調加熱製冷、電池過熱散熱過冷加熱等。目前，主流熱管理包括自然冷卻、液冷和直冷三種方案，特斯拉採取50%水和50%乙二醇為冷卻液的液冷方案，由四通閥實現的電機和電池冷卻循環串並聯結構。由系統芯片算法控制，當電池溫度超過設定目標值時，電池循環與電機循環相互獨立，採用並聯；電池溫度低於設定目標值時，電池循環與電機循環採取串聯，利用電機餘熱為電池和座艙加熱，多餘熱量將由進氣口的熱量交換器排放出去。此方案充分利用車內所有部件熱量，使熱量有效循環遊走，極大提高電池單體散熱性和電池單體間溫度一致性。因此，無論冬季還是夏季所對應的極端氣候，特斯拉車輛溫差控制保持在2℃內，體現強大的溫度管控能力。
此外，由於電池單體材料升級、體積增大，電芯容量和密度大幅提高，導致電池化學熱敏感性提升，可燃點從18650電池的約175℃降低為2170電池的約65-82℃，對電池冷卻系統提出更高要求。對比舊版Model S 85、新版Model S P100與Model 3可以發現，電池冷卻系統階段性升級，從早期的單條冷卻帶到如今的每層獨立冷卻帶，為新版2170電池提供更好的溫度管控，極大提高電池冷卻運行效率。
電機電控
目前，電動汽車行業主要採用交流感應電機、永磁同步電機和開關磁阻電機三種，乘用車主要採用前兩種。電機主要由定子和轉子兩個部件構成，定子固定不動產生磁場，轉子在磁場中受力轉動。從工作原理來看，感應電機的定子繞組形成的旋轉磁場，與轉子繞組感應磁場驅動轉子旋轉，定子轉子不同步；永磁電機定子產生電磁轉矩來推動轉子的磁場圍繞軸心線進行旋轉,定子與轉子的磁場同步。從原材料來看，兩者主要區別在於感應電機的轉子主要採用鋁或銅，成本較低；永磁電機的轉子主要採用永磁體，涉及到釹鐵硼等稀土材料，成本高昂。從性能來看，感應電機承受溫差範圍大、無退磁風險、高速區間效率好等；永磁電機輸出扭矩調整範圍大、同等條件下輸出功率高體積小等。總體來說，永磁電機效率更高，感應電機性能更強。
一、感應電機是特斯拉創立之初的“最優”選擇。 上世紀90年代，通用汽車EV1系列首先將感應電機與逆變器結合應用於電動汽車，該系統可以將電池組輸出的直流電轉為電機所需的交流電。此後，T-zero跑車也使用了改進版本的感應電機。該技術被特斯拉創始人艾伯哈德和塔本寧接納吸收。在設計Roadster時，出於成本（全球稀土資本基本集中在東亞，尤其是中國和日本）、退磁風險、技藝成熟（當時製造環節合作商AC Propulsion即是感應電機領域技術領頭者）等綜合因素考慮，特斯拉選擇了感應電機作為驅動電機。
為提高傳統感應電機功率和運作效率，特斯拉採取一系列包括設計對應衝片、提高扭矩、冷卻系統等手段，其中，最為創新的是感應電機銅芯轉子專利技術（專利號US20130069476）。
銅較鋁帶來更高的電導效率。從各項金屬不同溫度下的電導率來看，在相同溫度下，銅的電導率遠高於鋁。如果將電機轉子結構原材料換成銅，電機工作效率將大大提高。
熔點高、大尺寸製造難度等制約銅芯電機發展。對比鋁（熔點660.3℃），銅（熔點1083.4℃）過高熔點增加製造難度，AC Propulsion與MIT的一項實驗表明，一旦電機體積過大，採用銅材料的電機成品極易造成氣泡過多、難以鑲嵌等問題。
鍍銀銅插片有別傳統電機轉子結構，在低焊接要求條件下完成低成本、高性能改造。 傳統感應電機如果使用金屬銅，主要分為銅條插入轉子槽和兩端封環兩個步驟，鑄造過程由於高焊接標準，往往導致製造難度大、成本高。特斯拉使用鍍銀銅插片填滿銅條轉子槽間隙，再加固兩端，封上禁錮環片的方法，降低鑄造難度的同時提升電機運行效率，完成特斯拉特殊動力改造。
二、用算法解決控制難題，Model3應用永磁開關磁阻電機。在成本、性能和效率的多重約束下，特斯拉大膽嘗試了永磁開關磁阻電機（Permanent Magnet Switched Reluctance Motor）。傳統開關磁阻電機通過在定子中加入電磁鐵和鋼鐵製成的轉子，僅產生磁吸引力進而帶動電機轉子運動，具有成本低、結構簡單、可靠性高、轉子熱損耗低等優點。然而傳統開關磁阻電機存在功率輸出時扭矩波動問題，需要非常精細的電流控制策略和算法，這也造成其遲遲沒有得到大規模應用。
Model 3對傳統開關磁阻電機做了一定的改良：在定子加入少量稀土，並設計了控制算法來平滑扭矩波動，最終提高了電機輸出功率。Model 3的永磁開關磁阻電機具有體積小、成本低（稀土使用量非常少，而且無需使用銅芯，降低鑄造成本）、功率高等優點。相比於Model S/X感應電機83%的能量轉化效率，Model3的能量轉化效率提升至89%，即89%的電能可以最終轉化為驅動力，這樣便進一步降低了電耗，提高了續航里程。
2
軟件與架構：汽車將成為移動的計算機
系統軟件
2018年美國知名雜誌《消費者報告》指出特斯拉Model 3存在剎車距離過長的問題，因此沒有對其進行推薦。放在傳統車企，解決類似問題的方案大概率是大規模的召回，或是通過4S店對零部件進行更換，無論哪一者都需要浪費車主漫長的等待時間。然而特斯拉的工程師通過OTA（Over-the-Air）的方式對系統進行了升級，在幾天之內便解決了這一問題。
這就是特斯拉與傳統車企最根本的不同——特斯拉可以像智能手機一樣進行系統升級（OTA），傳統車企的OTA只侷限於車載信息娛樂系統（infotainment system）中地圖等功能，卻無法像特斯拉一樣對車內溫度、剎車、充電等涉及車輛零部件的功能進行遠程控制或升級。
背後更深層次的原因在於，兩者底層的電子電氣架構（Electrical/Electronic Architecture）完全不同。隨著現代汽車的電子電氣功能越來越複雜，整車上的電子控制單元（Electronic Control Units, ECUs）也隨之增多。當前一輛普通汽車的ECU多達70-80個，代碼約1億行，其複雜度已經遠遠超過Linux系統內核和Android。在傳統的汽車供應鏈中，OEM高度依賴博世、德爾福（現為安波福）等一級供應商提供的ECU。但不同的ECU來自不同的一級供應商，有著不同的嵌入式軟件和底層代碼。這種分佈式的架構在整車層面造成了相當大的冗餘，而且整車企業並沒有權限去維護和更新ECU。在這種關係下，一級供應商的研發週期與2-3年的車型研發週期相匹配，傳統汽車的軟件更新幾乎與汽車生命週期同步，極大地影響了用戶體驗。
與傳統造車不同的是，特斯拉採取了集中式的電子電氣架構，即通過自主研發底層操作系統，並使用中央處理器對不同的域處理器和ECU進行統一管理。這種架構與智能手機和PC非常相似。特斯拉Model3的電子電氣架構分為三部分——CCM（中央計算模塊）、BCM LH（左車身控制模塊）和BCM RH（右車身控制模塊），其中CCM由IVI（信息娛樂系統）、ADAS/Autopilot（輔助駕駛系統）和車內外通信三部分組成，CCM上運行著X86 Linux系統。BCM LH和BCM RH則負責車身與便利系統、底盤與安全系統以及動力系統的功能。
這樣做的最大好處在於：
一、軟硬件解耦、算力集中化。可以真正地實現硬件標準化和軟件開發重複利用，既實現供應商可替代，也可以大大縮短軟件迭代週期，同時為日後第三方軟件開發掃清了障礙。車輛將成為移動的智能終端，同時大量計算工作可以集中至車載中央處理器甚至雲端，減少了內部冗餘同時車聯網協同成為可能。
二、內部結構簡化、製造自動化。車載以太網開始取代CAN總線結構，半導體集成使得特斯拉可以精簡內部線束結構。Model S內部線束長度長達3千米，Model 3只有1.5千米，未來Model Y上特斯拉的計劃是將線束長度控制在100米。Model 3的線束自動化組裝問題曾使得特斯拉一度陷入“產能地獄”，最終不得不切換為人工組裝。線束結構的精簡可以使特斯拉的生產效率進一步提高。
三、提升服務附加值。實現整車OTA功能後，特斯拉可以通過系統升級持續地改進車輛功能，軟件一定程度上實現了傳統4S店的功能，可以持續地為提供車輛交付後的運營和服務。傳統汽車產品交付就意味著損耗和折舊的開始，但軟件OTA賦予汽車更多生命力，帶來更好的用戶體驗。自2012年Model S上市以來，特斯拉軟件系統至今一共進行過9次大更新，平均幾個月一次小更新，已經累計新增和改進功能超過50項，包括自動輔助駕駛、電池預熱、自動泊車等功能。
如果說三電系統領域特斯拉還只是與傳統車企在同一維度上競爭，那麼整車OTA屬於特斯拉對傳統車企甚至傳統汽車一級供應商的一次降維打擊。傳統車企雖然開始智能化轉型，但是未必能夠追上特斯拉的步伐。按照博世對EEA的定義，大眾等傳統車企仍處於從“Modular”（模塊化）向“Integration”（集成化）的過渡階段，而特斯拉已經是一臺“Vehicle Computer”（車載中央計算機）了。在2018年年報媒體發佈會上，大眾CEO迪斯明確提出要打造vw.OS操作系統，並且逐漸把整車的70多個ECU集成到3-5個高性能處理器上。大眾成為傳統車企中第一個明確提出智能化轉型的公司，但是與特斯拉相比，軟件並不是大眾的強項。若想轉型成功，大眾不僅需要培養大量相關的軟件開發人才，形成內生的軟件開發能力，更需要調整相應的組織人員架構。股東的支持、管理層的遠見、極強的執行力缺一不可。此外，現有一級供應商未來勢必在ECU軟硬件開發的主導權上與車企展開激烈博弈，車企轉型的難度是可想而知的。
應用軟件
Autopilot是特斯拉目前最重要的應用軟件。傳統車與智能汽車最大區別在於駕駛系統，目前主流智能化汽車基本配備L2級別輔助駕駛系統，尚無企業實現完全自動化駕駛系統。
汽車輔助駕駛系統由軟硬件組合構成，從結構框架來看，主要分為感知模塊、地圖模塊、駕駛行為決策模塊。從流程來看，感知模塊通過雷達、傳感器、攝像頭等硬件，收集周圍環境探測到的物體數據，地圖模塊提供定位和全局路徑規劃，數據共同傳輸到駕駛行為模塊，為駕駛方案提供信息支持，最後決策模塊控制車體轉向、加速等實施行為。
從技術路徑來看，目前主要分為兩大流派，一是以特斯拉為代表，以攝像頭為主導方案；另一是以谷歌、百度為代表，以激光雷達為主導方案。攝像頭是最接近人眼獲取環境習慣的傳感器，有較穩定的圖像處理能力，但在例如下雨、起霧等惡劣環境中分辨率下降。激光雷達通過發射激光束來探測物體，具有抗干擾能力強、探測精準等優點。但多束精準度高的激光雷達成本和技術門檻遠遠高於攝像頭。
特斯拉Autopilot的主要成就在於率先實現大規模商用。
一、Autopilot輔助駕駛商用化性能突出。出險率可以一定程度判斷該車體和自動駕駛系統的安全程度。根據美國保險賠款條例，可以分為六項類，分別為Collision（車輛碰撞，由過錯方造成的對過錯方車輛賠理）、Property Damage（車輛碰撞，由過錯方造成的對對方車輛理賠）、Comprehensive（其他非碰撞事故）三項車險和Personal Injury（雙方各自賠付）、Medical Payment（車輛碰撞，由過錯方造成的對過錯方人身賠理）、Bodily Injury（車輛碰撞，由過錯方造成的對對方人身賠理）三項人險。
對比同等大型豪華轎車的出險率，從三項車體保護險來看，特斯拉與其他豪華轎車類似，表現較差，且數據遠遠高於其他同類型轎車，說明特斯拉單車平均碰撞率高於行業平均水平，這也暗示由於系統誤判或者駕駛員忽視容易造成更多碰撞。但從三項人體保護險來看，特斯拉Model S低於平均、基本處於優秀水平，說明Model S對自身車主和對方車主有良好的人身保護。
從車道保持情況來看，根據美國公路安全保險協會IIHS數據，在直徑1300-2000英尺（396-617米）不同的空曠道路測試環境下，對比寶馬5系、奔馳E、Model 3/S和沃爾沃S90五輛同類別轎車，設定3種情況各6種測試的共18次測試條件，Autopilot8.1輔助駕駛系統在彎道和坡道的車輛保持能力最為突出，僅在坡道表現過一次壓線。
二、Autopilot擁有數據優勢。作為最早搭載自動輔助駕駛系統的電動車品牌，同時擁有全球規模最大的輔助駕駛車隊，截止2019年1月，特斯拉Autopilot行駛里程超過17.3億公里，遠超其他競爭對手，並且車隊規模保守估計以每年約40萬輛遞增（Model S/X 10萬輛/年+Model 3 30萬輛/年）。作為對比，根據加州車輛管理局《2018年自動駕駛脫離報告》的數據，激光雷達路線的領頭羊Waymo在2017年12月至2018年11月期間的路測車隊規模為110輛，路測里程數約200萬公里。
龐大的數據量使得特斯拉在高精度地圖、障礙物識別等方面的數據積累顯著領先於競爭對手。此外，與大多數自動駕駛初創公司大量採用模擬數據進行算法學習不同，特斯拉車隊採集的全部為現實數據，數據質量更高，更加有利於算法迭代更新。
三、特斯拉自研自動駕駛芯片來滿足完全無人駕駛算力需求。根據特斯拉4月23日自動駕駛日披露的信息，歷時3年秘密研發，特斯拉已經完成車載AI芯片的設計生產（由三星代工），SOC算力超過了應用於AP2.0的英偉達Drive PX2，並已經實現裝車。從原理來看，無論哪條自動駕駛技術路徑，對海量數據的處理和學習能力都至關重要，因此，汽車AI的實現需要底層軟件到硬件的全方位變革。此前，自動駕駛芯片基本被英偉達和Mobileye（已被Intel收購）兩大巨頭壟斷，此次自研車載芯片是特斯拉近幾年來最重要的硬件創新，將使特斯拉成為唯一一傢俱有自動駕駛芯片研發設計能力的汽車製造商，進一步擴大在智能化和無人駕駛領域的領先優勢。
然而值得一提的是，特斯拉和馬斯克在Autopilot駕駛系統的宣傳上一直存在過度承諾和誇大。大多消費者在沒有深度瞭解的背景下，或存在被“自動轉向、自動泊車”等字眼所欺騙現象，導致駕駛過程中放鬆對車輛控制，進而造成數件安全事故。此外，由於攝像頭主導的視覺方案對物體探測數據體量要求非常高，但Autopilot無法100%將現實生活存在的每樣實物都傳輸進數據庫，從而又導致部分因為系統誤判造成的交通事件。
3
生產製造：高度垂直一體化
特斯拉自行生產組裝眾多核心部件，包括電池包、BMS系統、充電接口和設備、電機等。該模式的最大特徵為產業鏈高度垂直整合，在核心技術和零部件上不容易被供應商“卡脖子”。但掌握大量核心技術必然帶來前期的大量研發投入，因此必須通過打造精品和爆款，通過規模效應攤薄研發、開模等前期投入。
動力總成集成優化內部結構，有利縮減車型降低成本，形成價格競爭力。特斯拉一直保持包括電池包、BMS、冷卻系統、電機等動力總成高度集成的特點。例如，無論是感應電機還是永磁開關磁阻電機，基本結構都為變速箱、逆變器和電機三體合一的結構。對比來看，每次推出新款車型，特斯拉都儘可能在原基礎上集成升級。對比Model S/X，Model 3的車體減小約20%、價格降低約50%，為保證整車性能，特斯拉加入更多系統芯片來控制部件協調運作，並且將例如Model3的冷水機、電動閥、液冷罐等零部件集成為冷卻液儲閥罐，即Super Bottle，通過算法調節內部線路串並聯結構，減少例如PTC加熱器等零部件。
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銷售、品牌與服務：直營與全生命週期交互
銷售方面，有別傳統車企的多層經銷模式，特斯拉效法蘋果，選擇自建展示廳和體驗店，選址從2012年的加州、紐約、華盛頓等美國主要城市擴增為全球378個城市，銷售網絡範圍不斷擴張。直營模式雖然有助於提高品牌形象、解決因為經銷環節而產生的價格不一、體驗感差等問題，但實際上直營店的運營成本並不低，而且直營模式並非特斯拉特有，不存在實際門檻，新造車勢力例如蔚來小鵬等，大多也採用該模式。
特斯拉具有非常高的品牌價值，這很大程度上得益於CEO馬斯克的個人魅力和獨特光環。馬斯克初期打造現實版鋼鐵俠形象，個人影響力高漲，“網紅效應”使得特斯拉自帶流量和媒體曝光度。例如在Model 3發佈會後利用社交網絡上各路媒體及自媒體進行話題討論，首周預定量便超過30萬，傳播效果遠超傳統廣告渠道。根據全球品牌評估平臺BrandZ數據，特斯拉自2016年起位列全球汽車品牌前十，品牌價值也從2016年的44億美元漲至2018年的94億美元，甚至超過保時捷等老牌豪車品牌。
服務方面，由於特斯拉通過OTA進行軟件更新，可以極大地提升產品附加值，並且由於不少問題可以通過遠程“在線診斷”，能夠省去用戶維修時間，進而降低成本。此外，馬斯克作為“Twitter大V”，經常在社交網絡上與用戶進行互動，在產品和軟件更新時聽取用戶意見，這種近距離溝通也贏得了不少用戶的好感，使得多數用戶對產品存在的部分瑕疵表示理解和支持。
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