汽车技术性能综合评价方法及应用

欧阳鸿武，肖叶萌，胡仕成，唐昕，雷刚，BLUMENFELD Raphael

(1.中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙，410083；2.剑桥大学卡文迪许实验室，英国，CB2 1TN)

汽车这个被人们称为“改变世界的机器”自诞生100多年以来一直在改变世界，其自身也不断得到进化和完善[1]。汽车是一个由多个相互耦合而不可分割系统组成的整体，具有组元相互作用、整体大于局部之和的特点[2]，影响因素众多且相互交织[3]。尽管业界对汽车主要性能指标有基本的认定[4]，但不同品牌汽车因市场定位不同、技术构成不同或地域文化差异，汽车整体特性各具特色，并且汽车综合性能评价指标也具有多层次、繁杂的特点，综合评价汽车性能仍存在很大难度[5]，建立全面、客观的汽车性能综合评价体系存在较大难度[3]。早在1895年汽车领域的第一份专业杂志《无马时代》问世时，人们就开始了对汽车性能的评价。张昕等[6]建立了具有一定实用价值的汽车性能评价专家系统软件；陈勇[7]提出了纯电动汽车的评价方法；JEONG等[8]提出了一种评价车辆主动安全系统(AVSS)有效性的方法。汽车性能评价体系不断完善，形成了一系列标准与测试方法(整车悬架性能测试、整车安全性能测试以及整车道路试验等)[9-14]。近年来，随着汽车技术快速发展和车型种类的不断扩展，汽车技术性能评价面临不少新问题，如人们对新能源汽车“省油不省钱”的问题引起关注[15-16]，但对新能源、智能化汽车如何进行综合评价，怎么确定测量方法和标准尚不清楚。全轮驱动方式越来越广泛，已成为大多数汽车的高配标准[17]，先进的混合动力四驱汽车不仅具有传统机械式四驱汽车高操纵性、通过性和稳定性的优点，而且有效克服了高能耗的缺点，成为汽车高性能的发展方向[18]。四驱车与两驱车如何进行比较、新能源汽车与传统内燃机动力汽车如何对比等成为汽车性能评价方法研究中的热点和难点问题，因此，建立一套比较合理、多层次、全面的评价方法和体系非常必要，也具有重要的实用价值。

1 汽车综合性能多维度评价体系

汽车性能指标很多，主要包括100 km 加速时间、100 km 等速油耗、发动机排量、最高车速、整车质量和销售价格等。本文基于汽车基础技术性能指标建立汽车性能综合评价体系，包括：汽车质量M；轴距l；质心位置(质心至前轴的距离a和质心距地面的高度h)；发动机功率P；迎风面积A；空气阻力系数Cd；发动机排量V；售价J；100 km 加速时间t；最高车速Umax；初速度为100 km/h的最小制动距离smin；100 km油耗Q。

1)0～100km/h加速时间t及充分反映发动机性能-变速箱-传动系统与整车的匹配水平和汽车加速能力G，G=1/t。可依据G对汽车性能进行分级。当车速低于100 km/h 时，空气阻力较小，行驶阻力主要是轮胎的滚动阻力和加速阻力，因此，加速时间越短，表明汽车的动力性越强，动力匹配合理。

2)R=Umax/V，即最高车速Umax与发动机排量V的比值，表征发动机效率、输出功率与汽车行驶阻力(主要是空气阻力)消耗功率间的平衡，该项指标反映了发动机性能与整车技术水准(即每升所产生的速度)，R越高，表明发动机性能越好，汽车空气阻力越低，车身空气动力学设计水平越高。R反映的是汽车发动机的技术性能，因此，将指标R直接融入技术性能指标，R不予单独考虑。

3)100 km 等速油耗Q，表征汽车的燃油经济性。汽车等速行驶时(或综合工况)每升燃油能行驶的距离，该项指标越高表明越省油。要实现更高的燃油经济性，不仅要求整个动力系统性能高，而且要比整车质量小，气动特性设计优异。

4)制动性能指数Z。制动距离smin是以100 km初速度制动到停车的制动距离作为评价汽车安全性能的重要参数，定义制动性能指数Z=50/smin，Z越大，表明制动性能越好。

5)技术性能指标H。综合定义H=GQR，即发动机排量每升所获得的速度。该指标为汽车动力性和燃油经济性乘积的开方，反映汽车综合技术性能和整车技术水准。H越高，表明汽车的动力性、燃油经济性相辅相成，发动机及整车的技术水平越高，由此可避免单纯从动力性或经济性的角度评价汽车性能。事实上，如何实现动力性、经济性之间协同提高，是汽车技术领域的重点和难点。要提高H是极具挑战性的难题，也是汽车技术发展的必然趋势。

6)汽车综合性能指标W。定义汽车综合性能评价参数W=H×Z×(M+200)，将汽车技术性能有效利用率作为标准汽车性能的综合指数，衡量汽车动力性、制动性和燃油经济性。整车质量加200 kg主要是考虑车辆行驶都是在整备质量的基础上有负重，综合来看，200 kg 是一个较合理的折中值[19]。选用W作为可直观反映整车性能水平的综合指标。

7)汽车轻量化指标WL。定义汽车轻量化指标WL=H×Z/(M+200)，表征汽车质量M的有效利用率即汽车的轻量化水平。当H相同时，汽车质量越大，表明汽车质量的有效利用率越高，单位质量的汽车技术性能指数越高，汽车的轻量化水平也就越高。

8)汽车性价比N=W/J。将汽车性能综合指标W除以售价J直接获得汽车性价比N。汽车作为现代文明的产物和改变社会的机器，很难单纯用价格来表征，并且不同品牌的汽车也难以直接进行对比；此外，不同国家的人们消费趋向不同。汽车性能体现技术水平，汽车价格体现产品的市场价值，汽车性价比N反映消费特征和产品特质，销量反映产品的市场认同度和接受程度。

通过以上指标构建汽车技术性能综合评价体系，形成定量计算汽车性价比的可行方法。

2 汽车产品竞争力指标对比

2.1 部分车型性能统计分析

收集部分汽车公司的主要汽车产品参数(共收集250 多款汽车产品参数)，基于上述汽车性能评价体系，对国产品牌汽车与合资品牌汽车的各项性能指标进行对比统计分析。

2.1.1 加速性能指标G

图1所示为国产汽车与合资汽车加速性能指标概率分布情况。从图1可见：国产汽车加速性能指标均值约为24；合资汽车加速性能指标均值约为40，并且指标分布范围比国产汽车更广，加速性能指标最高的跑车能达到98 左右，国产汽车中还没有能达到这么高指标的车型，这说明合资汽车比国产汽车在顶尖技术上优势更大，车型也更具多样性。

图1 加速性能指标概率分布Fig.1 Probability distribution of acceleration index

2.1.2 制动性能指标Z

图2所示为国产汽车与合资汽车制动距离概率分布情况。从图2可见：国产汽车制动距离的均值比合资品牌汽车的高，合资汽车制动距离达到的最小制动距离为33.0 m 左右，而国产汽车的最小制动距离为37.4 m，说明在制动性能上，国产汽车与合资汽车还有一定差距。

图2 制动性能指标概率分布Fig.2 Probability distribution of braking performance index

2.1.3 轻量化指标WL

图3所示为国产汽车与合资汽车的轻量化指标概率分布情况。从图3可见：国产汽车轻量化指标均值约为7.0，合资汽车轻量化指标均值约为8.5。在均值上，国产汽车与合资汽车差距较小，并且合资汽车分布范围比国产汽车分布范围更广，最大轻量化指标达到17左右，比国产汽车高5%，这说明在轻量化顶尖技术上，国产汽车还有较大差距。

图3 轻量化指标概率分布Fig.3 Probability distribution of lightweight index

2.1.4 技术性能指标H

图4 技术性能指标概率分布Fig.4 Probability distribution of technical performance indicators

图4所示为国产汽车与合资汽车技术性能指标H概率分布情况。从图4可见：国产汽车技术性能指标均值约为10，合资汽车技术性能指标约为12，而且分布范围更广。国产汽车品牌的技术性能指标与合资品牌之间相差近20%，还需要更加注重提升汽车产品的技术性能水平，自主品牌汽车只有跨越式发展才能够赶超国际先进水平。

2.1.5 性价比指标N

图5所示为国产汽车与合资汽车性价比指标概率分布情况(性价比分析只是单纯采用官网上的汽车售价)。从图5 可见：两者分布形态基本一致，但均值存在显著差异，其中国产汽车性价比均值约为20，合资汽车性价比约为10。这表明：一方面，国产车在性价比方面优势极其明显；另一方面，合资车的品牌溢价非常高。国产车提高性能和合资车降低价格都可有效提高性价比的基本途径。目前，国产汽车具有压倒性的性价比优势，是国产车的核心竞争力。

图5 性价比指标概率分布Fig.5 Probability distribution of cost performance index

2.1.6 综合性能指标W

图6所示为国产汽车与合资汽车综合性能指标概率分布情况。从图6可见：国产汽车综合性能指标均值约为20，合资汽车综合性能指标均值为30，相差达50%。合资汽车不仅在综合性能上优势明显，且车型选择种类比国产汽车更多。国产汽车若不通过采用弯道超车的发展策略或跨越式发展的途径，则难以缩短与合资车之间的差距。这种差距短期内存在难以逾越的技术障碍，成为我国汽车产业在国际化竞争中的短板。由此可见，我国汽车技术的发展所面临的挑战仍然十分严峻。

图6 综合性能指标概率分布Fig.6 Probability distribution of comprehensive performance index

将上述6个性能评价指标的平均得分制成如图7 所示的雷达图。从图7 可见：在加速性能、技术性能和综合性能这3个指标上，国产汽车的平均水平仍明显比合资品牌的低；在制动性能指标与轻量化指标上稍有差距，但差距较小，其中，性价比成为国产汽车的最大优势。

通过上述各项性能指标概率分布特征可以得出如下结论：1)合资品牌汽车技术性能指标明显领先国产品牌汽车，在顶尖技术上占明显优势，而且车型种类广，多样性突出；2)国产汽车在性价比上占明显优势，在低端品牌车上赢得市场，持续提升技术性能是国产汽车保持竞争优势的基本途径。

图7 国产汽车与合资汽车性能指标平均得分Fig.7 Average score of performance indicators of domestic and joint venture vehicles

2.2 基于评价体系对汽车产品销量与性能指标的关联分析

从上述6个指标把握消费者的取向还是有一定难度。直观来看，消费者的选择有明显偏好，因为对于油耗，消费者是普遍比较看重的因素，且存在明显差异(见表1)。而制动性能差距较小，且将其融入综合性能指标中能够体现出制动性能的影响，因此，在指标对比中，将油耗代替前面指标中的制动性能。然而，如何准确评估这些指标的重要性，并将其有效地用于分析消费者的选择需要深入研究。主成分分析(PCA)是进行这种评估的有效方法[20]，该方法的主要优点是从6个维度中实现降维，通过旋转6个指标所跨越的空间轴来完成，以确定大部分“因子”的存在区域，并将剩余因子视为噪声来实现降维。从概念上讲，这是二维线性回归方法的精确高维模拟，其中降维是实现从二维到一维的缩减。

主成分分析法的原理是设法将原来的变量重新组合成一组新的相互无关的几个综合变量，同时，根据实际需要从中除去几个较少的综合变量后，尽可能多地反映原来变量的信息统计方法。本文以2019年1—5 月份3 类车型(轿车、SUV 和MPV)销量前5 名的15 款车型为研究对象(见表1)，对各个指标与销量之间采用主成分分析，实现对数据集的降维，分析对销量起关键影响作用的指标因素。具体分析步骤如下。

1)将原始数据按行排列组成矩阵A，其中：i=1,2,…,6；j=1,2,…,S；S为样本个数；Xi为评价指标，X1,X2,…,X6分别为加速能力、技术性能指标、综合性能指标、轻量化、油耗及性价比。

表1 2019年1—5月份轿车、SUV和PV销量排名前5名车型各项指标Table 1 Indicators of Top Five Sales of Cars,SUVs and MPVs from January to May,2019

2)对X进行数据标准化，得到标准化矩阵δ，

3)销量M的处理。得到新样本标准化矩阵X1，X1ij=δij×Yj。其中，矩阵Y为矩阵M的中心化矩阵。

4)求X1的协方差矩阵C，其中，AT为A的转置矩阵，k∈i。

5)计算矩阵C的特征向量与特征值，将特征向量Vi按特征值λi由大到小排列。

6)计算每个特征根的贡献率Ei，其中Ei=根据允许误差，确定累计贡献率E，若允许误差小于5%，则取累计贡献率低于95%的m个主成分的特征值及其特征向量。

1)轿车主成分分析。对表1中轿车各车型参数主成分进行分析，计算各个主成分的特征值、贡献率与累计贡献率，结果见表2。由表2 可知：V1对应的特征值λ1=4.13，V2对应的特征值λ2=1.81，第一和第二主成分的累计贡献率E=99.98%(＞90.00%)。其中，第一主成分E1=83.77%，E1是第二主成分的5倍多，因此，V1是关键维度，其次是V2。

表2 轿车特征值与主成分贡献率Table 2 Eigenvalues and principal component contribution rate of car

第一和第二主成分特征向量V1和V2见表3。从表3可见：第一主成分V1与X2，X3，X4和X5的相关性最强，分别为0.49，0.48，0.49 和0.48，并且差异不大，而这几个指标均与技术性能相关，因此，可以认为影响轿车销量的最主要因素是产品的整体技术水平，同时，所建立的指标也可以直接反映消费者的取向。第二主成分V2与X1和X6相关性最强，而X1为汽车加速能力，销量与加速能力的相关性达到0.71，这一因素与第一主成分相吻合，代表了汽车的技术水平；而X6为性价比，且相关性达到0.67，这说明性价比尽管不是主导因素，但对轿车销量的影响不能忽视。因此，轿车产品的技术水平是核心竞争力，性价比和加速性能也是消费者非常关注的要素。

表3 轿车主成分特征向量Table 3 Principal component eigenvector of car

在轿车市场，销量前5名的轿车性价比相差不大，并且均是多年来在市场上口碑好、技术性能优异的车型。产品的口碑直接创造品牌溢价，这也代表了产品被市场的认可度。例如，大众朗逸的各项指标(除油耗)在整个轿车销量排行中均位居第一，尤为突出的是技术性能指标达17.75(与第2名高近20%)，加速性能指标达到34.90，综合性能指标达34.43，也显著比其他车型的高。高技术性能与高性价比是朗逸销量稳居第一的关键因素。可见，国产品牌车型很难进入销量前列，技术性能指标落后是制约其销量的关键因素。吉利帝豪和荣威i5分别列轿车销量排名第16位和20位(性能指标见表4)，表明这两款车型动力性和轻量化指标得到了消费者一定程度的认同。同时，表4中的荣威i5与表1中的5款车型相比，其性能指标分别名列第二和第三，但它的销量却没有上总榜前5名，这主要是在轿车市场上，荣威的品牌影响力以及口碑处于弱势，这也就是产品“软实力”上的差距，如受跟风买车、空间大、配置高等因素影响，国产汽车在打造自己品牌价值以及品牌影响力上还需要努力。

表4 吉利博越与荣威i5性能指标Table 4 Performance indicators of Geely Boyue and Rongwei i5

2)SUV 主成分分析。将表1 中轿车各车型参数进行标准差标准化处理，计算各个主成分的特征值、贡献率与累计贡献率，结果见表5。由表5可知：V1对应的特征值λ1=5.57，第一主成分贡献率E1=99.55%(＞90.00%)，因此，只需要V1便可足够用于反映整体数据特征，见表6。

表5 SUV特征值与主成分贡献率Table 5 Eigenvalues and principal component contribution rate of SUV

表6 SUV主成分特征向量Table 6 Principal component eigenvector of SUV

由表6 可知：特征向量V1与X1，X2，X3，X4，X5和X6的相关性均为0.40 左右，其中，X4综合性能指标占一定优势，这表明对于SUV 车型，产品的各项指标都需要均衡，综合性能水平是核心竞争力。

在SUV 市场，除了关注产品的综合性能水平外，产品的品牌影响力也起关键性作用，例如哈弗H6在SUV销量排名中稳居第一；长城汽车公司作为国产车企中的SUV 专业户，致力于制造最强SUV，在市场上的品牌影响力毋庸置疑。但一旦品牌影响力居第二名的合资车型大众途观采取降价销售模式，必将对哈弗H6销售产生巨大冲击。

要实现各个性能的综合提升，并保持相对较低的售价，对汽车的设计、生产与销售都是巨大的挑战，国产车与合资车的竞争必将白热化。

3)MPV 主成分分析。对表1 中轿车各车型数据进行标准差标准化处理，计算各个主成分特征值、贡献率与累计贡献率，结果见表7。由表7 可知：V1对应的特征值λ1=4.72，第一主成分贡献率E1=94.04%(＞90.00%)，因此，特征向量V1可足够用于反映MPV 车型的销售影响情况，如表8所示。

表7 MPV特征值与主成分贡献率Table 7 Eigenvalues and principal component contribution rate of MPV

表8 MPV主成分特征向量Table 8 Principal component eigenvector of MPV

特征向量V1与X5和X6的相关性最高，均为0.45，其次是X1与X3，分别为0.44与0.43，与X2的相关性最低，仅0.29，这表明对于MPV 车型，技术性能指标很重要，尤其是性价比与油耗成为消费者选购的决定性因素。

在MPV 市场，产品的用途主要分为商务车与家用车两类，其中，商务车注重高性能与高舒适性，自然价格也就更高，而家用车一般是使用成本低、性价比高的车型，例如国产MPV 五菱宏光正是依靠性价比作为核心竞争优势，稳居销量榜第一。

通过采用主成分分析法对6个指标与不同车型销量之间的相关性进行分析发现，影响“因子”仅在一维坐标或二维平面内，由1个或2个特征向量构成，直观表明相关性与重要性，通过主成分分析法对降维后的因子进行可视化处理，更容易对消费者的选择影响因素进行分析。

有趣的是轿车车型需要用2个特征向量来描述(每个特征向量代表6 个指标的特定线性组合，而其他几个非主要特征向量可以被视为缩小平面外相对可忽略的波动)，而SUV与MPV这2种车型可以仅用相同的1个特征向量来描述，这表明这几个因子捕捉了影响中国汽车销售的最主要因素，也说明轿车与SUV 和MPV 在市场有不同的表现特征。

通过上述分析可以得出：对于轿车，消费者更看重产品驾驶特性与品牌价值；而对于SUV 车型，消费者更关注其产品的综合性能水平；对于MPV 车型，消费者更注重其产品的实用性与性价比。可见，SUV 的核心竞争力在于产品的综合性能水平，MPV 的核心竞争力在于性价比与产品的使用成本(如油耗)，而轿车的核心竞争力在于产品的技术性能。

2.3 新能源汽车技术发展前景分析

目前，新能源汽车包含有纯电动(EV)、增程式(EREV)、插电式(PHEV)、油电混合(HEV)和轻混(MHEV)几种。对于纯电动汽车，车载电源是唯一动力来源，完全由可充电电池供电；油电混合汽车的操作模式与普通燃油车并无差别，不需要进行充电，车内的电池与电机仅为发动机的辅助配件，可通过刹车时的动能回收、适当减小发动机负荷等方式来降低油耗；插电式混合动力汽车有发动机、电动机和动力电池，PHEV的电池容量比HEV 要大得多，但在实际用车过程中，发动机都会或多或少地参与驱动；增程式混合动力汽车同样有发动机、电动机和动力电池，整车在纯电动模式下可以达到其所有的动力性能，而当车载可充电电池无法满足续航里程要求时，打开车载辅助发电装置为动力系统提供电能，以延长续航距离。本文通过选择几款典型的新能源汽车车型(见表9)，基于评价指标体系对不同结构的新能源汽车车型进行对比分析(由于纯电动汽车没有油耗，本文评价体系不适用于纯电动汽车的性能指标评价，因此，这里纯电动车的各项指标评分结果不纳入讨论范围)。

表9 几款不同新能源车型的各项性能指标得分Table 9 Scores of performance indicators of several new energy vehicles

从表9可见：轻混与油电混合汽车的技术性能指标分别为14.88和12.70，增程式和插电式混合动力汽车技术性能指标分别为20.40和28.07，轻混与油电混合汽车的技术性能指标明显比增程式和插电式混合动力汽车的低；而对于综合性能指标，四款新能源汽车均能达30.00以上，与油驱汽车中的高端车型相比高很多，其中增程式与插电式混合动力汽车更突出。这类新能源汽车能耗更少(仅采用小排量发动机)，与四驱技术相融合可以实现驱动与制动系统一体化，实现汽车产品高性能的飞跃。

将新能源汽车性能指标与传统油驱汽车(表1)中销量最好的大众朗逸相比，增程式与插电式混合动力汽车与大众朗逸相比在加速能力、技术性能、综合性能、轻量化以及制动性能指标上均具有一定优势，在性价比方面，比亚迪这款新能源汽车甚至能达到29.90，可见增程式与插电式新能源汽车的高性价比更具有赢得消费者青睐的潜力。虽然目前新能源汽车拥有着国家政策补贴优惠、性能高、油耗低等优势，但新能源汽车还不是主流选择，消费者对新能源汽车仍处于持币观望态度，其主要原因是受电池容量、充电设备、充电时间等条件限制。

为此，自主品牌车企需要专注于提升汽车技术性能和轻量化水平，致力于发展新能源技术，实现国产汽车技术性能上的跨越，同时提升品牌价值[21]。其中，发展绿色能源智能化四驱汽车将是我国汽车产业发展的突破口，是实现国产汽车行业跨越式发展的途径。

3 汽车综合标识新方案

随着汽车车型的多样化，汽车的标识方案越来越多种多样，不同汽车产商往往采用不同的标识方法。基于这些不同的标识方法，消费者很难对比汽车性能的优劣，因此，建立一套便于直接对比汽车性能的较为统一的汽车标识方案对消费者而言具有现实意义。具体标识方法为：综合指数W+技术特征。例如20TFSI，其中，综合指标W=20，TFSI 为涡轮增压燃油直接喷射；又如16TFSI-4*4-3，其中，综合指标W=16，TFSI 为涡轮增压燃油直接喷射，4*4 为四驱系统，3 为带前后差速锁，具有第三级越野能力的车型。其余类推。目前，比较流行的几种车型标识方法如下。

1)奥迪(加速能力+发动机供油方式)：30TFSI，35TFSI，40TFSI，45TFSI，50TFSI，55TFSI；

2)大众(发动机转矩+发动机供油方式)：280TSI，330TSI，380TSI；

3)吉普车(驱动模式)：4*4；

4)其他(发动机排量)：发动机排量+特色技术，如1.0+ABS，1.4+ABS，1.6+ABS等。

奥迪选用体现汽车加速能力指标G作为标识；大众选用体现发动机转矩性能指标作为标识；吉普选用体现驱动方式作为标识；还有一些车辆选用发动机排量作为汽车标识；奔驰和标致公司等也各有不同的标识。尽管这些标识在一定程度上能反映汽车性能特征，但这些标识在不同车型之间不具备可比性，不能全面、客观地给消费者反馈汽车整体的综合性能。

相比而言，本文所建立的汽车综合性能评价体系中，W综合指数综合了汽车动力性、制动性、燃油经济性和性价比，直观反映了整车综合性能水平。因此，采用W综合指数评价汽车综合性能，更加客观、公正、全面。基于综合指数W为统一技术参数表征汽车综合性能，为消费者的选择提供可比较参数。

目前，综合指数W超过25 的车辆性能处于较先进技术水平。可见，国产汽车跨越式发展实际上就是实现汽车性能指标W提高，与国家政策导向相一致[22]。

4 结论

1)建立了客观、即时、可量化的汽车产品综合评价体系，形成了定量计算汽车性价比的可行方法。

2)提出一种以综合指数W为核心指标结合其他特色技术表征车型特征的全新标识方式：综合指标W+特征技术。将综合指数W作为评价和对比各类汽车综合性能提供统一可比参数。

3)车型的销量与性能指标密切相关，但消费者对不同类型汽车的选择标准各不相同。消费者选购轿车时更看重产品的技术性能和品牌；选购SUV 车型时，消费者更关注产品的综合性能；而选购MPV 车型时，消费者则更注重产品的实用性和性价比。

4)目前，国产品牌汽车的技术性能指标整体上仍比合资品牌汽车的落后，但性价比有明显优势。要实现国产汽车技术性能上的跨越，发展绿色能源智能化四驱汽车将是我国汽车产业发展的突破口，是实现国产汽车行业跨越式发展的有效途径。