基于層次分析法純電動汽車綜合性能評價

摘 要：純電動汽車已經躋身現今人們用車選擇的前列，它具有節能、經濟、環保等優點。然而面對各式各樣的純電動汽車，使用者在了解各車性能差異后，應當使用何種科學有效的方法來挑選出一款最適應自身需求的純電動汽車。為解決這一問題，文章運用層次分析法建立綜合評價模型，通過對用戶較為關注的純電動汽車經濟性能、動力性能和安全性能進行評價，利用構建好的判斷矩陣進行計算，再驗證其結果，最終分析得到純電動汽車的綜合性能評價結果，可供用戶參考。

關鍵詞：純電動汽車 層次分析法 判斷矩陣 綜合性能評價

一款新純電動汽車在開發過程中需要經過一系列的性能評價，以確定產品的優劣勢和定位，但目前仍未形成統一的純電動汽車綜合性能評價方法。當前我國對純電動汽車的綜合性能評價相關標準仍處于逐步完善之中，主要采用主觀法和客體法?？陀^法是經過多種測試得到的各種性能指標，可以算出各種技術性參數，但客觀法試驗過程復雜，性能指標往往和汽車駕駛情況、司機駕駛能力、道路路面情況等客觀因素直接有關，因此必須進行大規模的測試，投入大、周期長、成本高。而主觀法通過用戶對汽車的駕駛體驗對汽車進行主觀評分，再通過分析得出各種技術性參數，由于用戶對汽車各種特性的需求也不相同，需要數據調查作為支撐，數據處理依賴于計算模型。

美國逐步形成了美國先進車輛測試項目和SAE電動汽車技術標準項目純電動汽車測試評價體系。日本也在逐步形成以一次充電行駛距離及電量消耗率、行駛時電量消耗率試驗以及動力性能試驗方法三大項，用于準確地評估電動汽車的技術和經濟性能[1]。

1 層次分析法基本理論

層次分析法（Anglytic Hierarchy Process，AHP），是指將與決策有關的元素分解成目標層、準則層、子準則層等層次，在其基礎之上進行定量和定性分析的研究方法。

本文通過建立純電動汽車以經濟性能、動力性能和安全性能為評價目標的指標體系，而三項指標又可以繼續細分，使得子準則層最終包括11項評估指標。考慮到每項評估指標的性質不同，無法進行同等對比，根據純電動汽車的綜合性能把評估指標體系建立完成后，需要采用歸一化處理辦法處理各項指標，令不同性質的各項評估指標表達方式一致。

歸一化處理完成后，即可進行純電動汽車綜合性能評估研究[2]。

2 純電動汽車綜合性能評價指標

2.1 經濟性能

本文經濟性能主要從動力電池性能、電機性能以及制動性能這三方面進行探究。

2.1.1 動力電池性能

純電動汽車動力電池的性能好壞關系到整車性能能否達標，也關系到一款新車的設計是否成功。動力電池的性能主要由多項指標組合判定，當中包括能量、充放電倍率、循環壽命、安全性、一致性、可靠性等。

2.1.2 電機控制性能

純電動汽車的唯一動力來源是電動機，通常適用于額定轉速以下、以恒扭矩模式工作的電動汽車所使用的電動機外特性；在額定轉速以上，工作方式為恒定動力。電機作為執行部件，與純電動車的整體性有著直接的關系。電動機的主要性能一般分為啟動性能和運行性能兩個方面。

2.1.3 制動性能

純電動汽車上一般都有電磁制動裝置，可以利用驅動電機的控制電路實現電機的發電運行，將減速制動時的能量轉化為電池充電的電流，從而回收利用。電機的發電能力是限制再生制動的關鍵因素，再生轉矩不能超過當前狀態下的發電能力。動能回收和制動的效果代表了制動性能的好壞，獲得好的制動性能等于提高了整車經濟性。

2.2 動力性能

動力性能是汽車各種性能中最基本的性能。純電動汽車的動力性能主要受到起步加速、行駛過程加速、最大爬坡和最高車速這四個指標影響。

2.2.1 起步加速

起步加速是指汽車在水平且路況良好的路面上以靜止狀態起步，并以最高檔位達到某一預定車速所需的時間[3]。據此定義，起步加速時間的計算式可采用如下公式：

（1）

式中：m為整車質量；A為迎風面積；為路面附著率；為風阻系數；旋轉質量換算系數。

該公式由汽車行駛方程式（2）轉化所得

（2）

2.2.2 行駛過程加速

行駛過程加速可以用來判斷汽車的超車能力，超車加速是指汽車在良好水平路面以最高檔位行駛，車速從加速至所需的時間。

根據公式（2）可得超車加速時間：

（3）

2.2.3 最大爬坡度

最大爬坡度可以用于判斷汽車的動力性能，根據汽車行駛方程式（2）得到爬坡能力判定式為：

（4）

最大爬坡度還會受到汽車自身情況、路面情況、溫度等影響。

2.2.4 最高車速

最高車速也可以用于判斷汽車的動力性能，是指汽車在良好水平路面以最高檔位行駛能達到的最高速度。

可采用如下公式：

（5）

2.3 安全性能

汽車是人們出行的重要伙伴，汽車的安全性能直接關系著車主的出行安全。本文中關于純電動汽車的安全性能主要從制動安全、電池安全、驅動和轉向安全以及電氣安全這四項進行研究。

2.3.1 制動安全

純電動汽車的制動系統是保證車輛安全駕駛的重要組成部分，是車輛安全性、運動性和舒適性的重要保障。

2.3.2 電池安全

動力電池是純電動汽車的核心部件，直接影響汽車的性能和安全。提升和保障動力電池的安全性能需要在材料技術、熱管理技術、結構設計技術、電連接技術、BMS技術上進一步優化和突破。

2.3.3 驅動和轉向安全

一般純電動汽車的驅動和轉向系統的穩定性和加減速性能都比較優異，在此基礎上保持其良好穩定性的同時如何提升自身的安全級別，可通過提升電壓和電流采樣的可靠性、采用成熟的軟件運算方法、規劃多項電機體系、將霍爾傳感器添加到旋轉變壓器中。

2.3.4 電氣安全

高壓電氣系統是純電動汽車的重要組成部分，它直接決定著純電動汽車的整個性能。高壓電氣系統的安全性問題直接影響到純電動汽車的穩定性、可靠性和安全性。系統包括電池、電池管理系統、充電器、逆變器等部件，進行必要的監控和安全合理的規劃是純電動汽車安全運行的必要保證。

3 純電動汽車綜合性能層次分析

3.1 建立純電動汽車綜合性能層次分析模型

按照目標層、一級指標層和二級指標層建立逐級下降的層次模型。通過分析純電動汽車綜合性能評價指標，確定各指標的層次結構，如層次結構模型圖1所示[4]。目標層為純電動汽車綜合性能評價；一級指標層包含經濟性能、動力性能、安全性能；二級指標層是組成一級指標層各分性能的下沉指標層，分別為動力電池性能、電機性能、制動性能、起步加速、行駛過程加速、最大爬坡度、最高車速、制動安全、電池安全、驅動和轉向安全和電氣安全。

3.2 構造判斷矩陣

如果沒有準確有效的方法用于直接判定各個性能指標的權重，可在多個性能指標之間進行兩相比較，判斷這兩個性能指標之間的重要程度。本文以我校新能源實訓車輛秦EV為例，根據量化值含義表1所示，經過專業試驗人員對構成整車性能評價體系所設置的經濟性能、動力性能、安全性能指標進行兩兩重要性比較，可得到矩陣式（6）所示的綜合性能判斷矩陣Ａ。

（6）

3.3 性能指標的權重系數

各性能指標對純電動汽車綜合性能的影響程度不同，假設經濟性能、動力性能、安全性能的權重分別為、、。

運用冪近似法計算權重[5]，根據公式（7）可得：

，，

（7）

將所得權重按照公式（8）進行歸一化處理，得到各指標歸一化數據為：

，，

（8）

3.4 一致性檢驗

用MATLAB計算出矩陣的最大特征根為3.0092。一致性指標值可通過公式（9）計算得出，式中為性能指標的個數。

（9）

查得隨機一致性指標[6]，通過式（10）計算得到一致性數值。

（10）

若，則表明矩陣一致性程度達標，否則需要調整矩陣。

4 確定純電動汽車綜合性能

4.1 計算二級指標層性能權重

上文依次通過建立純電動汽車綜合性能層次分析模型、構造判斷矩陣、確定性能指標的權重系數并進行一致性檢驗后得到了一級指標層性能對于目標層的權重。同理可計算出二級指標層各性能對于一級指標層中對應性能的權重[7]。

動力電池性能、電機控制性能、制動性能指標對于經濟性能指標的相對權重值依次為：

起步加速、行駛過程加速、最大爬坡度、最高車速性能指標對于動力性能指標的相對權重值依次為：

制動安全、電池安全、電氣安全、驅動和轉向安全性能對于安全性能指標的相對權重值依次為：

據此再使用層次分析法計算就可得到二級指標層的11個指標對于純電動汽車綜合性能的相對權重值依次為：

4.2 評價純電動汽車綜合性能

純電動汽車的整車綜合性能的評價結果可由公式（11）判定得出

（11）

式中：為純電動汽車整車綜合性能分值；為各性能的分值；為各性能的權重；為性能數量。

通過查詢相關資料數據得出這款純電動汽車的評價結果為中等，該評價結果與我校試驗人員提供的結果相近，也可用于和其他車型進行性能比較。

5 結論

據當前新能源產業發展情況，以電力驅動的新能源車型占領極大市場份額。純電動汽車綜合評價目標旨在確定會影響純電動汽車的動力性能、經濟性能和安全性能這三個主要性能因素，利用層次分析理論尋找各影響因素之間存在的關系，最終形成基于動力性能、經濟性能和安全性能的綜合評價系統模型，并結合確定車型的主要性能評價數據，計算得出最終直觀反映車輛動力性能、經濟性能和安全性能的綜合評價和各項指標所占權重。結果表明：設計的綜合評價模型與各細分指標分析結果相符，能夠實現綜合評價目標。

基金項目：基于層次分析法純電動汽車綜合性能評價系統的研究（GJJ2210211）。

參考文獻：

[1]羅永平，聶彥鑫.國內外電動汽車測試評價技術發展現狀及趨勢[J].汽車與配件，2011，15：18-21.

[2]周利梅，劉桌.中國新能源汽車海外市場開拓的影響因素——基于ISM-AHP模型分析[J].重慶交通大學學報（社會科學版），2024，1：36-45.

[3]章菊，李學鋆，陳小兵.純電動汽車性能綜合評價方法研究[J].汽車零部件，2020，3：26-30.

[4]董子圣.基于綜合評價模型的電動汽車性能比較研究[J].通訊世界，2019，4：291-293.

[5]姚起宏，黃亮昌，王鵬，等.基于層次分析法的電動乘用車動力性和經濟性分析[J].汽車實用技術，2021，10：1-7.

[6]王朗.層次分析法中隨機一致性指標的改進及應用[D].?？冢汉Ｄ蠋煼洞髮W，2017.

[7]趙紅光，薛守飛，韓關文，等.基于層次分析法的純電動客車整車性能評價體系[J].客車技術與研究，2023，1：6-9.