基于變權(quán)分析方法的電動汽車充電設(shè)備性能綜合評價＊

顏湘武，李艷艷，張合川，王麗娜

（1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北 保定 071003；2.國家電網(wǎng)公司客戶服務(wù)中心，天津 300140）

基于變權(quán)分析方法的電動汽車充電設(shè)備性能綜合評價＊

顏湘武1?，李艷艷2，張合川1，王麗娜1

（1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北 保定 071003；2.國家電網(wǎng)公司客戶服務(wù)中心，天津 300140）

將變權(quán)分析方法運用于充電設(shè)備的性能評價中.首先建立了電動汽車充電設(shè)備性能的綜合評價指標(biāo)體系，同時對體系內(nèi)各指標(biāo)獲取評價參量并進(jìn)行統(tǒng)一量化的方法進(jìn)行論述，隨之闡述了用變權(quán)分析方法進(jìn)行權(quán)重計算的原理和步驟，最后編寫軟件實現(xiàn)了電動汽車充電設(shè)備測試數(shù)據(jù)的分析和評價，利用該軟件分別對兩臺充電設(shè)備的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，使用變權(quán)分析方法得出最終綜合評價結(jié)果.分析結(jié)果表明，變權(quán)分析方法能夠有效地對充電設(shè)備性能進(jìn)行綜合評價，評價結(jié)果突出了薄弱環(huán)節(jié)的作用，使得分析結(jié)果更加合理.該方法不僅適用于電動汽車充電設(shè)備性能評價，也適用于其他復(fù)雜系統(tǒng)的綜合評價.

電動汽車；充電設(shè)備；綜合評價；變權(quán)分析法；性能指標(biāo)

大力發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)對解決我國的能源和環(huán)境問題有著重要的意義，純電動汽車是未來汽車的主要發(fā)展趨勢［1－6］.為促進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，充電基礎(chǔ)設(shè)施的科技創(chuàng)新力度加大，充電設(shè)備的研究也越來越深入.隨著我國充電站網(wǎng)絡(luò)的逐步形成，電動汽車充電設(shè)備管理的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化問題日益突出，針對當(dāng)前充電設(shè)備的推廣使用，提出一套完整的評價方法對電動汽車充電設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及充電設(shè)備市場運營的有效管理起著重要的作用［7］.變權(quán)分析方法能夠突出“木桶效應(yīng)”，在復(fù)雜程度高和對各性能指標(biāo)都要求嚴(yán)格的系統(tǒng)評價中有著廣泛的應(yīng)用.變權(quán)分析方法已經(jīng)應(yīng)用在電力系統(tǒng)的變壓器狀態(tài)診斷、電能質(zhì)量評估等方面［8－11］.

充電設(shè)備的輸出電壓、電流范圍較寬而且充電方式多樣，包括：恒流、恒壓、恒流限壓、脈沖方式，為了滿足電池充電特性的需求，充電設(shè)備需要工作在不同的負(fù)載率水平和電壓、電流等級.在實際使用中，充電設(shè)備會對電網(wǎng)供電造成一定程度的影響，同時充電設(shè)備作為一個涉及多因素的復(fù)雜系統(tǒng)，受安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、電能質(zhì)量、可靠性等因素影響，各因素對電動汽車充電設(shè)備性能的影響存在差異性，比如安全性因素要比經(jīng)濟(jì)性因素影響要大，在綜合評價中各因素的影響程度可以通過改變權(quán)重的大小來實現(xiàn).同時，充電設(shè)備作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，薄弱環(huán)節(jié)對整體性能的影響是顯著的，所以本文采用變權(quán)分析方法對電動汽車充電設(shè)備的性能進(jìn)行綜合評價，突出評估值較低的指標(biāo)項，以便引起決策者的充分注意，而突出評估值較低項的主要途徑就是加大它的權(quán)重，使得總評估值下降.

1 指標(biāo)體系

充電設(shè)備是一個復(fù)雜的多屬性系統(tǒng)，本文按照客觀性、系統(tǒng)完整性、可操作性和可獨立性原則，提出了對電動汽車充電設(shè)備進(jìn)行評價的指標(biāo)體系.總體上，充電設(shè)備性能綜合評價體系包括：技術(shù)性指標(biāo)、安全性指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、電能質(zhì)量指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，這些指標(biāo)稱為一級指標(biāo)，該指標(biāo)的子指標(biāo)稱為二級指標(biāo)，如圖1所示，具體如下.

1）技術(shù)性指標(biāo)包括：輸出電壓誤差、輸出電流誤差、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率、紋波系數(shù)和均流不平衡度.

2）安全性指標(biāo)包括：輸入電壓保護(hù)、輸入過流保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)、限壓特性、限流特性、安全警告、絕緣性能和防護(hù)等級.

3）可靠性指標(biāo)主要包括：充電設(shè)備與電池管理系統(tǒng)之間通訊可靠性、對電池異常的響應(yīng)能力.

4）電能質(zhì)量指標(biāo)包括：功率因數(shù)、各次電流諧波、總諧波畸變率和三相不平衡度（三相）.

5）經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)包括：效率、充電機(jī)壽命和充電成本.

圖1 指標(biāo)體系Fig.1 Indexes system

2 指標(biāo)無量綱化處理

電動汽車充電設(shè)備性能指標(biāo)中包含有定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，下面分別介紹其量化方法.

2.1 定量指標(biāo)量化

定量指標(biāo)量化函數(shù)曲線如圖2所示：

圖2 量化函數(shù)曲線Fig.2 The curve of quantization function

2.2 定性指標(biāo)量化

在實際評價中，對于不能直接通過測量數(shù)據(jù)得到評價結(jié)果的指標(biāo)，可以利用專家或者從業(yè)人員根據(jù)多次試驗或者統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析給出的評價結(jié)果.比如在對輸入過壓保護(hù)指標(biāo)進(jìn)行評價時，可以通過多次試驗，即：多次改變充電設(shè)備的輸入電壓值和輸入過壓方式，如漸變過壓或跳變過壓，然后測試充電設(shè)備是否進(jìn)行保護(hù)動作并且記錄保護(hù)動作時的輸入電壓值.專家或者從業(yè)人員可以根據(jù)正確動作次數(shù)和動作時輸入電壓值的大小對該指標(biāo)進(jìn)行評分.為了保證評價結(jié)果的合理性，評分結(jié)果是一個數(shù)據(jù)區(qū)間.假設(shè)有P1，P2，…，Pm，m 個專家參與評分，第j個專家對第i個指標(biāo)的評價為（yji1，yji2］，記：

3 利用變權(quán)法進(jìn)行綜合評價的原理和步驟

3.1 變權(quán)法的原理

變權(quán)法與常權(quán)法是相對的，常權(quán)法是在各因素評估值變化時，其權(quán)重保持不變，而變權(quán)法是在各因素的評估值發(fā)生變化時，其權(quán)重也發(fā)生變化，評估值降低，則權(quán)重增大，從而體現(xiàn)變權(quán)法對薄弱環(huán)節(jié)的突出作用，使評判結(jié)果更加可靠.

利用變權(quán)法［16］對充電設(shè)備進(jìn)行綜合評價，最根本的是解決根據(jù)評價值求出各權(quán)重的問題.

3.2 綜合評價步驟

由專家給出判斷矩陣后，對其進(jìn)行一致性檢驗，檢驗通過后，利用特征值法求出wmi.根據(jù)式（6）計算求出w0i，該值可以由專家修正給出更合理的值進(jìn)行替代.

表1 對A中各項的說明Tab.1 Introduction for A

2）利用計算公式求出各權(quán)重系數(shù)

3）綜合評價結(jié)果計算

采用加權(quán)平均型方法對各項指標(biāo)進(jìn)行評價，加權(quán)平均型綜合評判函數(shù)如式（13）所示：

4 應(yīng)用舉例

本文依托國家項目，開發(fā)了測試數(shù)據(jù)分析軟件和性能評價軟件，測試數(shù)據(jù)分析軟件用于根據(jù)測試數(shù)據(jù)生成測試指標(biāo)的測試結(jié)果，如圖3所示的穩(wěn)壓精度分析結(jié)果；性能評價軟件利用變權(quán)方法根據(jù)測試的數(shù)據(jù)結(jié)果和專家提供的判斷結(jié)果，生成最終綜合評價值，如圖4所示.

圖3 測試數(shù)據(jù)分析軟件界面Fig.3 The software interface of test data analysis

圖4 性能評價軟件界面Fig.4 The software interface of performance evaluation

4.1 基礎(chǔ)權(quán)重計算

1）一級指標(biāo)權(quán)重計算

根據(jù)充電設(shè)備的工作特性，并綜合專家意見，一級指標(biāo)的判斷矩陣和基礎(chǔ)權(quán)重的計算結(jié)果如表2所示，最大特征值為5.069，CR＝0.015 4，一致性符合要求.

表2 一級指標(biāo)基礎(chǔ)權(quán)重Tab.2 Basis weights of top class index

2）技術(shù)性指標(biāo)權(quán)重計算

技術(shù)性指標(biāo)中二級指標(biāo)各權(quán)重的計算結(jié)果如表3所示，最大特征值為8.178 7，CR＝0.016，一致性符合要求.

3）安全性指標(biāo)權(quán)重計算

安全性指標(biāo)中二級指標(biāo)各權(quán)重的計算結(jié)果如表4所示，最大特征值為9.325 7，CR＝0.027，一致性檢驗符合要求.

表3 技術(shù)性指標(biāo)基礎(chǔ)權(quán)重Tab.3 Basis weights of technical indicators

表4 安全性指標(biāo)基礎(chǔ)權(quán)重Tab.4 Basis weights of safety indicators

4）可靠性指標(biāo)權(quán)重計算

可靠性指標(biāo)中只有兩個子指標(biāo)，不需使用層次分析法給出結(jié)果.根據(jù)專家意見，對于C31和C32的權(quán)重確定為ωm＝［0.5，0.5］，ω0＝［0.8，0.8］.

5）電能質(zhì)量指標(biāo)權(quán)重計算

如果充電設(shè)備為車載充電機(jī)，則不應(yīng)考慮三相不平衡度的影響，對指標(biāo)C41，C42和C43的權(quán)重的評估結(jié)果為，ωm＝［0.4，0.6，0］，ω0＝［0.7，0.8，0］.當(dāng)充電設(shè)備為非車載充電機(jī)，則應(yīng)該考慮三相不平衡度的影響，對指標(biāo)C41，C42和C43的權(quán)重評估結(jié)果為ωm＝［0.4，0.5，0.1］，ω0＝［0.6，0.7，0.2］.

6）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

4.2 評價值生成

4.2.1 定量值轉(zhuǎn)化為評價值

表5為充電機(jī)甲的定量化指標(biāo)測試結(jié)果和評估結(jié)果.

表5 充電機(jī)甲的指標(biāo)測試結(jié)果和量化結(jié)果Tab.5 Indicators test results and quantitative results about charger A

表6為充電機(jī)乙的定量化指標(biāo)測試結(jié)果和評估結(jié)果.

表6 充電機(jī)乙的指標(biāo)測試結(jié)果和量化結(jié)果Tab.6 Indicators test results and quantitative results about charger B

4.2.2 定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為評價值

表7的數(shù)據(jù)為對充電機(jī)甲的定性指標(biāo)專家評估結(jié)果和評價值計算結(jié)果.

表7 充電機(jī)甲的專家評估值和量化結(jié)果Tab.7 The experts evaluation value and the quantitative results about charger A

表8的數(shù)據(jù)為對充電機(jī)乙的定性指標(biāo)專家評估結(jié)果和評價值計算結(jié)果.

表8 充電機(jī)乙的專家評估值和量化結(jié)果Tab.8 The experts evaluation value and the quantitative results about charger B

4.3 利用變權(quán)方法對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行重新計算

利用C＃編程，使用變權(quán)法對基礎(chǔ)權(quán)重進(jìn)行計算，得到的最終權(quán)重值如表9所示.

表9 使用變權(quán)分析方法后的權(quán)重值Tab.9 Basis weights after the variable weight analysis method used

4.4 最終評價結(jié)果生成

根據(jù)式（13）對最終評價結(jié)果進(jìn)行計算，得出兩臺充電機(jī)的評價結(jié)果：［80.648 6，80.688 1］.

在上述評價中，充電機(jī)甲的輸入電流保護(hù)、輸出電壓保護(hù)的評價值分別為51.786，68，指標(biāo)權(quán)重分別為0.101 9，0.074，而充電機(jī)乙的輸入電流保護(hù)、輸出電壓保護(hù)評價值分別為86.5，79.643，指標(biāo)權(quán)重分別為0.074，0.071 8.充電機(jī)甲、乙的穩(wěn)壓精度評價值為76，60，指標(biāo)權(quán)重分別為0.104 2，0.128 2.通過觀察評估數(shù)據(jù)中類似上述現(xiàn)象的情況，可以看出變權(quán)分析方法，加大了評估值較低項的比重.

5 結(jié) 論

本文編寫軟件程序?qū)崿F(xiàn)了對電動汽車充電設(shè)備測試數(shù)據(jù)的自動分析功能和對其性能利用變權(quán)分析方法進(jìn)行綜合評價的功能.本文所采用的變權(quán)分析方法的步驟為：

1）利用層次分析方法確定基礎(chǔ)權(quán)重；

2）將各指標(biāo)值量化為評價值；

3）根據(jù)評價值，利用公式計算出調(diào)整后的權(quán)重；

4）利用調(diào)整后的權(quán)重，進(jìn)行綜合評價結(jié)果計算.

通過對甲乙兩臺充電機(jī)的對應(yīng)評價值和相應(yīng)權(quán)重的比較可以看出，評價值較低的指標(biāo)項獲得相對較大的權(quán)重，突出了在復(fù)雜系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)的作用，評價結(jié)果更加科學(xué)合理.該評價方法不僅適用于充電設(shè)備的評價還適用于其他復(fù)雜系統(tǒng)的評價.

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Comprehensive Evaluation of EV Charging Equipment Performance Based on Variable Weights Analysis Method

YAN Xiang-wu1?，LI Yan-yan2，ZHANG He-chuan1，WANG Li-na1

（1.State Key Laboratory of New Energy Power System，North China Electric Power Univ，Baoding，Hebei 071003，China；2.State Power Grid Customer Service Center，Tianjing 300140，China）

The variable weights analysis method was used to evaluate the charging equipment performance.A comprehensive evaluation index system for EV charging equipment performance was established.And the method for indexes to get evaluated value and to be quantified uniformly was discussed，which was followed by principle and procedure of weight calculation by using variable weight analysis method.Finally，a software was designed to analyze and evaluate the test data，and the software was used to analyze the test data of two chargers，and then，the final result was obtained by using variable weight analysis method.The analysis results have shown that variable weight analysis method can be used efficiently to evaluate EV charging equipment performance，and the results highlight the role of the weak part，making the evaluation more reasonable.This method can not only be applied to the evaluation of EV charging equipment performance，but also to the comprehensive evaluation of other complex systems.

book=87,ebook=23

electric vehicle（EV）；charging equipment；comprehensive evaluation；variable weight analysis；performance index

U482.3

A

2013-08-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2011AA11A279）

顏湘武（1970－），男，湖南醴陵人，華北電力大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人，E-mail：xiangwuy＠ncepu.edu.cn

1674-2974（2014）05-0086-08