基于層次分析法的新能源汽車驅(qū)動技術(shù)評估①

謝迪凡， 熊 璐

(1.同濟大學(xué)中德學(xué)院，上海200092，2.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804)

0 引言

2012年是中國新能源汽車，尤其是電動汽車發(fā)展的重要一年.在經(jīng)過多年大規(guī)模的研發(fā)制造、整車上市、示范運行、財政補貼之后，遇到了來自技術(shù)和市場的各種問題和挑戰(zhàn)，比如關(guān)鍵零部件量產(chǎn)的可靠度、汽車?yán)m(xù)航里程、動力蓄電池安全性等.基于現(xiàn)狀，政府和汽車工業(yè)界對于新能源汽車發(fā)展的指導(dǎo)思想產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)變［1］.插電式混合動力汽車，作為技術(shù)上最接近純電動汽車的新能源汽車，取代了傳統(tǒng)混合動力汽車，成為了實現(xiàn)純電動汽車大批量生產(chǎn)之前的最好的過度技術(shù).目前已有多款插電式混合動力量產(chǎn)并上市，比如豐田的插電式普銳斯、通用的沃藍(lán)達(dá)等.

從歐美日等發(fā)達(dá)國家汽車制造商的技術(shù)引進(jìn)和整車開發(fā)過程來看，對自身掌握或者擁有的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行評估和市場預(yù)測一樣，對企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新和利潤創(chuàng)造起到了極其重要的作用.目前，關(guān)于新能源的技術(shù)評估的研究，大多數(shù)是通過為數(shù)不多的幾個指標(biāo)進(jìn)行評估，不能夠全面地、動態(tài)地反映新能源汽車，尤其是電動汽車產(chǎn)業(yè)化的特殊需求.另外，鑒于目前新能源汽車發(fā)展趨勢逐漸明朗，可以集中針對幾款具有量產(chǎn)前景的車型進(jìn)行評估.本文針對插電式混合動力、純電動、燃料電池汽車，通過層次分析法進(jìn)行動態(tài)評估，從制造商的角度分析了新能源汽車量產(chǎn)的趨勢.

圖1 技術(shù)管理過程［3］

1 技術(shù)評估和評估模型

1.1 技術(shù)評估

技術(shù)評估，又稱技術(shù)評價、科技評估，廣義上是指對某種技術(shù)可能帶來的各種社會影響進(jìn)行定性定量的全面研究，從而對其利弊得失做出綜合評價的技術(shù)［2］.本文中的技術(shù)評估，屬于企業(yè)經(jīng)營決策的范疇之中，它是企業(yè)技術(shù)管理過程中關(guān)鍵的一部分.

圖1以企業(yè)經(jīng)營策略為背景，介紹了整個技術(shù)管理過程中的各個步驟.技術(shù)評估貫穿于整個流程之中，并且受到企業(yè)的技術(shù)和競爭策略的影響.在大多數(shù)研究中，技術(shù)評估被歸于技術(shù)規(guī)劃之中［3］.一般而言，從技術(shù)早期發(fā)現(xiàn)開始，企業(yè)有多款經(jīng)過研究的技術(shù)方案可供選擇，企業(yè)會在技術(shù)規(guī)劃時選出綜合評估后評分最高的一款或者幾款技術(shù)方案，并展開進(jìn)一步的開發(fā).

圖2 新能源驅(qū)動技術(shù)評估的AHP模型

圖3 各個判斷矩陣的偏差一致性計算

圖4 2012－2028年四種不同驅(qū)動方案的動態(tài)評估

1.2 層次分析法

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是美國國家工程院院士Saaty教授提出的一種多指標(biāo)決策分析方法.該方法廣泛應(yīng)用于工程、經(jīng)濟、軍事、政治、外交等領(lǐng)域，是一種定量分析與定性分析相結(jié)合的有效方法.它在對于復(fù)雜的決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，把復(fù)雜問題分解成各個組成因素，并將這些因素按所屬的關(guān)系層層分組形成層次結(jié)構(gòu)，最終形成目標(biāo)層、決策層和方案層等［4］.

評估采用的AHP模型考慮了企業(yè)在技術(shù)規(guī)劃決策時的各大因素，考慮了新能源汽車的特殊性，比如對續(xù)航里程較短、充電時間長、基礎(chǔ)設(shè)施不足、動力蓄電池技術(shù)成熟度和可靠性較低等，挑出了關(guān)鍵因素作為評估指標(biāo).各級評估指標(biāo)在其上一級指標(biāo)中都有相應(yīng)的權(quán)重，評分過程結(jié)合權(quán)重逐級向高層進(jìn)行.

如圖2所示的AHP模型，以企業(yè)效益最大化為目標(biāo)，擁有三級不同的評估指標(biāo)，即三個決策層.一級決策層中的指標(biāo)為企業(yè)外部因素和內(nèi)部因素.兩個二級指標(biāo)全部歸屬于企業(yè)內(nèi)部因素，其中技術(shù)因素反映了整車的綜合性能，成本因素體現(xiàn)了企業(yè)的投入.其余指標(biāo)都屬于三級指標(biāo)，其中稅費、燃料費用、基礎(chǔ)設(shè)施直接隸屬于作為一級指標(biāo)的外部因素;材料費用、研發(fā)費用、營銷費用屬于成本因素;另外7個三級指標(biāo)屬于技術(shù)因素，其中的加油時間，對于電動和燃料電池汽車而言分別是充電和加氫時間.方案層中有三種不同類型的新能源汽車，另外，傳統(tǒng)內(nèi)燃汽油機汽車為參考車型列入其中，以便比較分析.

2 動態(tài)技術(shù)評估

2.1 評估流程

評估中選擇了四款已在國外量產(chǎn)并具有較高影響力的汽車，各自代表一種驅(qū)動方案，在動態(tài)評估中，各個指標(biāo)的權(quán)重以及各個方案在各個指標(biāo)的評分，根據(jù)時間會產(chǎn)生變動.本文技術(shù)評估的時間段是2012至2028年，主要著眼于近期(2012)、中期(2020)、遠(yuǎn)期(2028)三個時期.

利用AHP模型評估時，首先計算各個評估指標(biāo)的權(quán)重.一般采用 Saaty“1 －9 標(biāo)度法”［5］，通過兩兩比較列出判斷矩陣方法確定每個層次中各個隸屬于同一上級指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重.一般要計算各個判斷矩陣的偏差一致性指數(shù)(C.I.)和隨機性一致性比值(C.R)，如果 C.R.＜0.1，說明判斷矩陣是可信的.

在不同時期的評估中，各項指標(biāo)權(quán)重也是不同的.以第一級指標(biāo)為例，由于新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化對于加氫站、充電站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的依賴和對稅費和油價的敏感，外部指標(biāo)的權(quán)重會進(jìn)一步擴大.三個不同時期的企業(yè)內(nèi)外部因素指標(biāo)的判斷矩陣及權(quán)重如表1所示.

表1 不同時期的內(nèi)外部因素的判斷矩陣和權(quán)重

二級指標(biāo)中，由于企業(yè)本身對于效益的偏重，成本因素比技術(shù)因素的重要性高許多，權(quán)重分別為0.875和0.125，并規(guī)定不隨時間變動.與外部因素有關(guān)的三級指標(biāo)中燃料(充電)基礎(chǔ)設(shè)施相比于其他兩個指標(biāo)由于對用戶接受程度有著決定性影響，因此權(quán)重也較高.在成本因素中，材料費用考慮到大批量生產(chǎn)的緣故，權(quán)重較高，而且三類成本的權(quán)重隨時間保持不變;技術(shù)指標(biāo)中，同樣由于量產(chǎn)的緣故，可靠性的權(quán)重最高;加油時間和續(xù)航里程由于直接關(guān)系到用戶對于新能源汽車的接受程度也擁有較高的權(quán)重.部分指標(biāo)的權(quán)重如表2－4所示.

表2 外部因素下的權(quán)重

表3 成本因素下的權(quán)重

表4 內(nèi)部因素下的權(quán)重

動態(tài)評估中，所有和權(quán)重計算相關(guān)的判斷矩陣的偏差一致性指數(shù)如圖3所示.

2.2 評估車型的基本指標(biāo)評分

在確定了各指標(biāo)的權(quán)重后，需要為每個方案在各個基本指標(biāo)(即三級指標(biāo))下給出評分.基本指標(biāo)根據(jù)評分對象的類型分為主觀指標(biāo)和客觀指標(biāo).能給出明確的數(shù)值和單位的指標(biāo)稱作客觀指標(biāo)，比如行駛里程，其余為主觀指標(biāo).關(guān)于主觀指標(biāo)的評分，可以通過專家打分的方式進(jìn)行采用1－9檔的評分制進(jìn)行打分(1代表最差，9代表最好).對于應(yīng)為近期、中期和遠(yuǎn)期的各項評分，通過專家打分的方法獲得.具體評分如下表5和表6所示.

表5 汽油機和插電式混合動力各基本指標(biāo)評分

表5所示，汽油機的多項指標(biāo)考慮到未來發(fā)動機的小型化以及各項節(jié)能技術(shù)的采用，也將得到提升.Volt的燃料費用既包括油費、也包括電費.材料費用由于增加了動力蓄電池、電機和電控設(shè)備，將大大高于一般汽油機.預(yù)計，隨著其整車技術(shù)成熟和蓄電池技術(shù)的提高，在未來10年內(nèi)材料費用會大大降低［6］.

表6 純電動和燃料電池汽車各基本指標(biāo)評分

日產(chǎn)Leaf是最早量產(chǎn)的純電動車之一，它的材料費用、續(xù)航里程、充電時間和可靠性主要取決于動力蓄電池技術(shù)的發(fā)展.由于電動汽車充電樁目前處于發(fā)展的初期，普及率很低，基礎(chǔ)設(shè)施評分較低，結(jié)合近年來電動汽車的發(fā)展趨勢，在未來一段時間內(nèi)會有所改觀.排放和能源費用主要由發(fā)電方式和電費決定.

燃料電池汽車，是四種技術(shù)方案中目前最不成熟的，近中期內(nèi)沒有大批量生產(chǎn)的可能性.小批量生產(chǎn)的FCX Clarity，目前還不能購買，只能在日美租用.燃料電池堆雖然有很大的研發(fā)潛力，但是價格非常昂貴，它對材料費用、可靠性、空間需求、續(xù)航里程有著較大的負(fù)面的影響，近期這些指標(biāo)評分都相對較低.加氫站等基礎(chǔ)設(shè)置，需要長期發(fā)展.隨著中遠(yuǎn)期內(nèi)燃料電池汽車的逐漸普及，燃料電池汽車的各項成本也會降低許多.

2.3 指標(biāo)評分的規(guī)范化

得出了每個方案在各個指標(biāo)下的評分后，由于各個指標(biāo)下評分的量綱不同，需要做規(guī)范化處理.使各指標(biāo)的評分在同一層次中具有可比性［7］.

主觀指標(biāo)評分，將每兩個方案的評分兩兩相除，代入判斷矩陣后即可計算出，如表7和表8.

表7 近期基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)范化評分

表8 中期排放的規(guī)范化評分

客觀指標(biāo)的評分，由于一般都是正數(shù)，也采用每兩個方案的評分兩兩相除再代入判斷矩陣的辦法.對于評分越高越好的指標(biāo)，比如行駛里程，將兩個評分相除的值直接代入矩陣，如表9.對于評分越低越好的指標(biāo)，比如燃油費用，必須將兩個評分相除后的倒數(shù)直接代入矩陣，如表10.

表9 近期行駛里程的規(guī)范化評分

表10 中期燃油費用的規(guī)范化評分

2.4 評估結(jié)果

將某時期的各項評分規(guī)范化后，乘以相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重且相加，可計算出各方案的總評分，如表11.

表11 近期各類方案的權(quán)重及其總評分

四款汽車的總評分和時間的關(guān)系如圖4所示.其中，插電式混合動力和汽油機汽車有著接近的總評分發(fā)展，它們總體的發(fā)展上比其他兩款處于領(lǐng)先地位.純電動在近期量產(chǎn)的可能較低，燃料電池在近期幾乎沒有量產(chǎn)的可能，隨著時間的推移，兩者量產(chǎn)的可能性會不斷增加.在2025年之后，電動汽車會一躍成為最有可能量產(chǎn)的車型.預(yù)計2028年三種新能源汽車和傳統(tǒng)汽油車對制造商的重要性將并駕齊驅(qū).

由于插電式混合動力與純電動汽車同樣擁有大容量的動力蓄電池、充電設(shè)備、電動機和電控設(shè)備等特點，插電式混合動力的發(fā)展，有助于電動汽車相關(guān)核心技術(shù)的發(fā)展.插電式混合動力與傳統(tǒng)汽車一樣也擁有內(nèi)燃機，因此插電式混合動力的發(fā)展也不會對傳統(tǒng)發(fā)動機產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生較大的沖擊.因此，發(fā)展插電式混合動力汽車，從長遠(yuǎn)角度看來，對企業(yè)開拓市場，創(chuàng)造效益有著重要的意義.

3 結(jié)論

從汽車制造商進(jìn)行技術(shù)規(guī)劃的視角出發(fā)，利用層次分析法，構(gòu)建技術(shù)評估的動態(tài)模型，并確定了各層次指標(biāo)在2012－2018年間不同時期權(quán)重，對三款新能源汽車的量產(chǎn)可能性進(jìn)行動態(tài)評估，從而得出了插電式混合動力是未來20年內(nèi)最有可能量產(chǎn)的新能源車型的結(jié)論.純電動汽車在中遠(yuǎn)期會有較大的量產(chǎn)可能性，燃料電池汽車的量產(chǎn)需要更長的時間.

［1］國務(wù)院通知.節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012―2020年)［R］.2012.

［2］劉仲康，鄭明身.企業(yè)管理概論［M］.武漢大學(xué)出版社，2005:318.

［3］Schul，Klappert.Technologiemanagement［M］.Berlin/Heidelberg:Springer Verlag，2011:86，316.

［4］阮嫻靜.新能源汽車技術(shù)經(jīng)濟綜合評價及其發(fā)展策略研究［D］.2010:116.

［5］吳旭燕.基于AHP的企業(yè)品牌危機模糊綜合評價［J］.評價與預(yù)測，2005:1.

［6］麥肯錫報告.振興中國電動汽車行業(yè)［R］.2012:10.

［7］Zimmermann/Gutsche.Multi－ Criteria Analyse Berlin/Heidelberg［M］.Springer Verlag，1991:86.