基于层次分析法纯电动汽车综合性能评价

摘 要：纯电动汽车已经跻身现今人们用车选择的前列，它具有节能、经济、环保等优点。然而面对各式各样的纯电动汽车，使用者在了解各车性能差异后，应当使用何种科学有效的方法来挑选出一款最适应自身需求的纯电动汽车。为解决这一问题，文章运用层次分析法建立综合评价模型，通过对用户较为关注的纯电动汽车经济性能、动力性能和安全性能进行评价，利用构建好的判断矩阵进行计算，再验证其结果，最终分析得到纯电动汽车的综合性能评价结果，可供用户参考。

关键词：纯电动汽车 层次分析法 判断矩阵 综合性能评价

一款新纯电动汽车在开发过程中需要经过一系列的性能评价，以确定产品的优劣势和定位，但目前仍未形成统一的纯电动汽车综合性能评价方法。当前我国对纯电动汽车的综合性能评价相关标准仍处于逐步完善之中，主要采用主观法和客体法。客观法是经过多种测试得到的各种性能指标，可以算出各种技术性参数，但客观法试验过程复杂，性能指标往往和汽车驾驶情况、司机驾驶能力、道路路面情况等客观因素直接有关，因此必须进行大规模的测试，投入大、周期长、成本高。而主观法通过用户对汽车的驾驶体验对汽车进行主观评分，再通过分析得出各种技术性参数，由于用户对汽车各种特性的需求也不相同，需要数据调查作为支撑，数据处理依赖于计算模型。

美国逐步形成了美国先进车辆测试项目和SAE电动汽车技术标准项目纯电动汽车测试评价体系。日本也在逐步形成以一次充电行驶距离及电量消耗率、行驶时电量消耗率试验以及动力性能试验方法三大项，用于准确地评估电动汽车的技术和经济性能[1]。

1 层次分析法基本理论

层次分析法（Anglytic Hierarchy Process，AHP），是指将与决策有关的元素分解成目标层、准则层、子准则层等层次，在其基础之上进行定量和定性分析的研究方法。

本文通过建立纯电动汽车以经济性能、动力性能和安全性能为评价目标的指标体系，而三项指标又可以继续细分，使得子准则层最终包括11项评估指标。考虑到每项评估指标的性质不同，无法进行同等对比，根据纯电动汽车的综合性能把评估指标体系建立完成后，需要采用归一化处理办法处理各项指标，令不同性质的各项评估指标表达方式一致。

归一化处理完成后，即可进行纯电动汽车综合性能评估研究[2]。

2 纯电动汽车综合性能评价指标

2.1 经济性能

本文经济性能主要从动力电池性能、电机性能以及制动性能这三方面进行探究。

2.1.1 动力电池性能

纯电动汽车动力电池的性能好坏关系到整车性能能否达标，也关系到一款新车的设计是否成功。动力电池的性能主要由多项指标组合判定，当中包括能量、充放电倍率、循环寿命、安全性、一致性、可靠性等。

2.1.2 电机控制性能

纯电动汽车的唯一动力来源是电动机，通常适用于额定转速以下、以恒扭矩模式工作的电动汽车所使用的电动机外特性；在额定转速以上，工作方式为恒定动力。电机作为执行部件，与纯电动车的整体性有着直接的关系。电动机的主要性能一般分为启动性能和运行性能两个方面。

2.1.3 制动性能

纯电动汽车上一般都有电磁制动装置，可以利用驱动电机的控制电路实现电机的发电运行，将减速制动时的能量转化为电池充电的电流，从而回收利用。电机的发电能力是限制再生制动的关键因素，再生转矩不能超过当前状态下的发电能力。动能回收和制动的效果代表了制动性能的好坏，获得好的制动性能等于提高了整车经济性。

2.2 动力性能

动力性能是汽车各种性能中最基本的性能。纯电动汽车的动力性能主要受到起步加速、行驶过程加速、最大爬坡和最高车速这四个指标影响。

2.2.1 起步加速

起步加速是指汽车在水平且路况良好的路面上以静止状态起步，并以最高档位达到某一预定车速所需的时间[3]。据此定义，起步加速时间的计算式可采用如下公式：

（1）

式中：m为整车质量；A为迎风面积；为路面附着率；为风阻系数；旋转质量换算系数。

该公式由汽车行驶方程式（2）转化所得

（2）

2.2.2 行驶过程加速

行驶过程加速可以用来判断汽车的超车能力，超车加速是指汽车在良好水平路面以最高档位行驶，车速从加速至所需的时间。

根据公式（2）可得超车加速时间：

（3）

2.2.3 最大爬坡度

最大爬坡度可以用于判断汽车的动力性能，根据汽车行驶方程式（2）得到爬坡能力判定式为：

（4）

最大爬坡度还会受到汽车自身情况、路面情况、温度等影响。

2.2.4 最高车速

最高车速也可以用于判断汽车的动力性能，是指汽车在良好水平路面以最高档位行驶能达到的最高速度。

可采用如下公式：

（5）

2.3 安全性能

汽车是人们出行的重要伙伴，汽车的安全性能直接关系着车主的出行安全。本文中关于纯电动汽车的安全性能主要从制动安全、电池安全、驱动和转向安全以及电气安全这四项进行研究。

2.3.1 制动安全

纯电动汽车的制动系统是保证车辆安全驾驶的重要组成部分，是车辆安全性、运动性和舒适性的重要保障。

2.3.2 电池安全

动力电池是纯电动汽车的核心部件，直接影响汽车的性能和安全。提升和保障动力电池的安全性能需要在材料技术、热管理技术、结构设计技术、电连接技术、BMS技术上进一步优化和突破。

2.3.3 驱动和转向安全

一般纯电动汽车的驱动和转向系统的稳定性和加减速性能都比较优异，在此基础上保持其良好稳定性的同时如何提升自身的安全级别，可通过提升电压和电流采样的可靠性、采用成熟的软件运算方法、规划多项电机体系、将霍尔传感器添加到旋转变压器中。

2.3.4 电气安全

高压电气系统是纯电动汽车的重要组成部分，它直接决定着纯电动汽车的整个性能。高压电气系统的安全性问题直接影响到纯电动汽车的稳定性、可靠性和安全性。系统包括电池、电池管理系统、充电器、逆变器等部件，进行必要的监控和安全合理的规划是纯电动汽车安全运行的必要保证。

3 纯电动汽车综合性能层次分析

3.1 建立纯电动汽车综合性能层次分析模型

按照目标层、一级指标层和二级指标层建立逐级下降的层次模型。通过分析纯电动汽车综合性能评价指标，确定各指标的层次结构，如层次结构模型图1所示[4]。目标层为纯电动汽车综合性能评价；一级指标层包含经济性能、动力性能、安全性能；二级指标层是组成一级指标层各分性能的下沉指标层，分别为动力电池性能、电机性能、制动性能、起步加速、行驶过程加速、最大爬坡度、最高车速、制动安全、电池安全、驱动和转向安全和电气安全。

3.2 构造判断矩阵

如果没有准确有效的方法用于直接判定各个性能指标的权重，可在多个性能指标之间进行两相比较，判断这两个性能指标之间的重要程度。本文以我校新能源实训车辆秦EV为例，根据量化值含义表1所示，经过专业试验人员对构成整车性能评价体系所设置的经济性能、动力性能、安全性能指标进行两两重要性比较，可得到矩阵式（6）所示的综合性能判断矩阵Ａ。

（6）

3.3 性能指标的权重系数

各性能指标对纯电动汽车综合性能的影响程度不同，假设经济性能、动力性能、安全性能的权重分别为、、。

运用幂近似法计算权重[5]，根据公式（7）可得：

，，

（7）

将所得权重按照公式（8）进行归一化处理，得到各指标归一化数据为：

，，

（8）

3.4 一致性检验

用MATLAB计算出矩阵的最大特征根为3.0092。一致性指标值可通过公式（9）计算得出，式中为性能指标的个数。

（9）

查得随机一致性指标[6]，通过式（10）计算得到一致性数值。

（10）

若，则表明矩阵一致性程度达标，否则需要调整矩阵。

4 确定纯电动汽车综合性能

4.1 计算二级指标层性能权重

上文依次通过建立纯电动汽车综合性能层次分析模型、构造判断矩阵、确定性能指标的权重系数并进行一致性检验后得到了一级指标层性能对于目标层的权重。同理可计算出二级指标层各性能对于一级指标层中对应性能的权重[7]。

动力电池性能、电机控制性能、制动性能指标对于经济性能指标的相对权重值依次为：

起步加速、行驶过程加速、最大爬坡度、最高车速性能指标对于动力性能指标的相对权重值依次为：

制动安全、电池安全、电气安全、驱动和转向安全性能对于安全性能指标的相对权重值依次为：

据此再使用层次分析法计算就可得到二级指标层的11个指标对于纯电动汽车综合性能的相对权重值依次为：

4.2 评价纯电动汽车综合性能

纯电动汽车的整车综合性能的评价结果可由公式（11）判定得出

（11）

式中：为纯电动汽车整车综合性能分值；为各性能的分值；为各性能的权重；为性能数量。

通过查询相关资料数据得出这款纯电动汽车的评价结果为中等，该评价结果与我校试验人员提供的结果相近，也可用于和其他车型进行性能比较。

5 结论

据当前新能源产业发展情况，以电力驱动的新能源车型占领极大市场份额。纯电动汽车综合评价目标旨在确定会影响纯电动汽车的动力性能、经济性能和安全性能这三个主要性能因素，利用层次分析理论寻找各影响因素之间存在的关系，最终形成基于动力性能、经济性能和安全性能的综合评价系统模型，并结合确定车型的主要性能评价数据，计算得出最终直观反映车辆动力性能、经济性能和安全性能的综合评价和各项指标所占权重。结果表明：设计的综合评价模型与各细分指标分析结果相符，能够实现综合评价目标。

基金项目：基于层次分析法纯电动汽车综合性能评价系统的研究（GJJ2210211）。

参考文献：

[1]罗永平，聂彦鑫.国内外电动汽车测试评价技术发展现状及趋势[J].汽车与配件，2011，15：18-21.

[2]周利梅，刘桌.中国新能源汽车海外市场开拓的影响因素——基于ISM-AHP模型分析[J].重庆交通大学学报（社会科学版），2024，1：36-45.

[3]章菊，李学鋆，陈小兵.纯电动汽车性能综合评价方法研究[J].汽车零部件，2020，3：26-30.

[4]董子圣.基于综合评价模型的电动汽车性能比较研究[J].通讯世界，2019，4：291-293.

[5]姚起宏，黄亮昌，王鹏，等.基于层次分析法的电动乘用车动力性和经济性分析[J].汽车实用技术，2021，10：1-7.

[6]王朗.层次分析法中随机一致性指标的改进及应用[D].海口：海南师范大学，2017.

[7]赵红光，薛守飞，韩关文，等.基于层次分析法的纯电动客车整车性能评价体系[J].客车技术与研究，2023，1：6-9.