一种基于利益相关者驱动的模糊层次分析法框架，用于混合动力汽车的SSB蓄电池可持续选择

2026-10-20 10:50:12

混合动力汽车（HEVs）被公认为降低燃料费消耗和温室气体排放的有效技术之一。然而，选择最合适的电池技术需要平衡技术性能、制造可行性、客户期望、资源安全和可持续发展目标。现有研究主要从技术、经济或环境角度独立评估电池技术，对利益相关者冲突和权衡的考虑有限。因此，本研究开发了一个利益相关者驱动的模糊层次分析法（FAHP）框架，用于评估混合动力汽车（HEV）应用中的镍氢（NiMH）电池和锂离子（LIB）电池。该框架整合了三个关键利益相关者群体：最终客户、整车制造商（OEM）以及社会与政策制定者，并使用四个标准评估电池技术：客户价值、技术与商业性能、生产可行性，以及资源安全与社会责任。结果表明，整车制造商是最具影响力的利益相关者（54.30%），其次是最终客户（24.81%）和社会与政策制定者（20.89%）。总体而言，镍氢电池获得了最高评分（53.10%），优于锂离子电池（46.90%），这归功于其卓越的生产可行性和资源安全性，尽管锂离子电池的技术性能更高。在等标准和等利益相关者权重情景下的敏感性分析证实了排名的稳定性。

混合动力汽车（HEV）的发展可追溯到1901年，当时洛纳和保时捷推出了最早的混合动力汽车概念之一，正如[1然而，由于电气系统和电池技术的局限性，混合动力技术的广泛应用被推迟了。早期的电池系统体积大、重量重且效率低，严重影响了车辆的性能和实用性。过去几十年电池技术的进步使得现代混合动力汽车（HEV）得以商业化，镍氢电池（NiMH）和锂离子电池（LIB）已成为混合动力汽车应用中使用的两种主要电池技术，正如[2]。电池技术在决定混合动力汽车的效率、安全性、可靠性和环境可持续性方面发挥着至关重要的作用。镍氢电池因其可靠性高、热稳定性好、循环寿命长以及回收基础设施完善，已在混合动力汽车中得到广泛应用。相比之下，锂离子电池因其能量密度更高、重量更轻、充电速度更快以及功率性能更佳而备受关注。然而，锂离子电池产量的快速增长引发了人们对锂和钴等关键原材料供应和稀缺性的担忧。从可持续发展的角度来看，电池评估不应局限于技术性能。资源可用性、可回收性、材料回收、环境影响以及循环经济潜力，已成为决定电池技术长期可行性日益重要的考量因素。Suriyanon [3] 强调了电池供应链中材料回收和资源循环的重要性，突出了回收利用和材料流管理在支持可持续交通系统中的作用。

2. 研究空白

混合动力汽车（HEV）电池的选择需要平衡技术性能、成本、资源安全和环境可持续性。尽管以往的研究已从技术、经济和环境角度比较了镍氢（NiMH）电池和锂离子（LIB）电池，但很少有研究探讨利益相关者的冲突。客户优先考虑可负担性和可靠性，原始设备制造商（OEM）关注性能和盈利能力，而社会和政策制定者则强调可持续性、资源安全、减排和循环经济。为了开发一个实用的模糊层次分析法（FAHP）框架，文献中确定的五个利益相关者群体被整合为三个：最终客户、原始设备制造商（OEM）以及社会与政策制定者。图1所示，这些利益相关者群体影响着混合动力汽车电池的选择。
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图1。混合动力汽车电池选择的关键利益相关方群体。
利益相关者结构被简化为三组，同时保留了市场、工业、监管和可持续性视角。由于目标一致，电池制造商与原始设备制造商（OEM）被整合在一起，而政策制定者则被纳入“社会与政策制定者”组，因为他们在环境法规、资源安全、回收利用和循环经济政策中发挥着作用。本研究开发了一个框架，从这些利益相关者的视角来评估和确定镍氢电池（NiMH）和锂离子电池（LIB）的优先级。图2展示了针对特定利益相关者的标准。
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图2。利益相关者的冲突。
尽管混合动力电动汽车（HEV）不断增长，但大多数研究分别从技术、经济或环境角度评估电池技术。很少有研究整合冲突的利益相关者优先级，或在性能、成本、资源安全、可回收性和循环经济目标之间进行权衡。因此，需要一个全面的多利益相关者框架来支持可持续的电池选择。Chen等人[4] 将FAHP方法应用于电动汽车锂离子电池，主要关注整体、充电、放电和安全性能，而非多方利益相关者的优先级。Aishwarya等人[5] 应用了以利益相关者为中心的FAHP-TOPSIS框架，对可持续电动汽车电池供应链中的挑战和解决方案进行了优先级排序；然而，他们的研究侧重于供应链挑战，而非电池技术选择。相比之下，本研究整合了客户、原始设备制造商（OEM）以及社会和政策制定者的优先级，直接比较了混合动力汽车（HEV）应用中的镍氢电池和锂离子电池。据作者所知，以往的研究尚未在单一的FAHP框架内，将特定利益相关者的优先级与可持续性和循环经济考量相结合，用于混合动力汽车电池技术选择。
图2展示了各利益相关方群体的需求以及由此衍生的标准。主要存在三类冲突：(i) 客户追求低购买成本和高性能驾驶体验，而原始设备制造商（OEM）和电池制造商则必须控制制造成本、供应链可靠性和保修风险；(ii) OEM追求高性能和轻量化电池，这有利于锂基化学体系，而社会和政策制定者则追求降低对关键材料的依赖和符合伦理的采购；(iii) 客户对价格的关注与政策制定者对回收、寿命终结管理和二氧化碳排放的重视相冲突。₂这会增加成本。%%中的标准被归纳为四个FAHP标准。冲突随后体现在两两比较矩阵中，每个利益相关者对其自身的主要标准给出最高评分，从而产生了%%第5节中报告的差异化利益相关者权重。图2 are grouped into the four FAHP criteria. The conflicts are then reflected in the pairwise comparison matrices, where each stakeholder rates its own primary criterion highest, producing the divergent stakeholder weights reported in Section 5.

3. 文献综述

本节回顾了关于混合动力和电动汽车电池技术的现有文献，综合了镍氢电池和锂离子电池的比较研究、来自多个利益相关者视角的关键选择标准，以及多准则决策分析（MCDM）和模糊层次分析法（FAHP）在电池评估中的应用。

3.1. 混合动力汽车电池技术

多项研究比较了镍氢（NiMH）电池和锂离子（Li-ion）电池在混合动力和电动汽车应用中的技术性能。Alluraiah等人[6] 使用车辆模拟模型评估了两种电池类型的运行行为，展示了在真实驾驶条件下，它们在荷电状态（SoC）行为、充电消耗和车辆性能方面的差异。他们的研究结果表明，镍氢电池因其成本较低、易于处理以及成熟的回收基础设施，在混合动力应用中仍具吸引力。同样，Mishra等人[7] 使用基于MATLAB的电化学、热学、老化、等效电路、SoC和SoH模型进行了模拟，以比较能量密度、功率密度、充电特性、循环寿命和成本。他们的结果证实了锂离子电池在能量密度和充电性能方面的优势，而镍氢电池在成本和运行稳健性方面表现出优势。[的实验研究8] 进一步比较了电池容量、充电保持率、充电恢复率、耐用性和循环寿命，为评估电池在高性能车辆应用中的适用性提供了宝贵的定量证据。同样，两种电池类型的电化学特性、功率密度、能量密度、安全性、使用寿命和技术成熟度也通过 [ 进行了定性比较和评估。9].
最近的研究也强调了电池管理和特定应用电池选择的重要性。Zhang等人 [10] 综述了电动和混合动力汽车的电池技术和电池管理系统（BMS），得出结论认为，锂离子电池因其高能量密度、快速充电能力和更长的续航里程，在现代电动汽车中占据主导地位。然而，作者强调，镍氢电池凭借其高功率能力和经过验证的运行可靠性，仍是混合动力汽车的可靠解决方案。Bhardwaj等人 [11]进一步证明了镍氢电池优异的储存稳定性，报告称其在长期储存期间自放电率极低，而钛酸锂电池则表现出卓越的充放电效率。这些发现表明，电池选择很大程度上取决于预期的车辆应用场景，而非单一的性能指标。
环境可持续性和寿命终结管理在电池选择中变得日益重要。Pratis等人 [12] 研究了镍氢电池和锂离子电池在寿命终结阶段的可持续性，重点关注电池废物管理、回收挑战、循环经济实施以及环境影响。研究强调，尽管镍氢技术具有回收优势和成熟的回收工艺，但锂离子电池的优势地位仍在不断扩大。Phogat等人 [13] 同样从材料可持续性、回收利用、能源效率和环境性能的角度，对新兴电池技术进行了评估。虽然锂离子电池具有卓越的储能能力，但镍氢电池在安全性、可靠性和材料回收方面仍具有优势。Espera等人[14]通过放电测试对铅酸电池、镍氢电池和磷酸铁锂电池进行了比较，同时考虑了电池处置相关的热行为、效率和环境影响。₄]

3.2. 电池选择标准

从客户的角度来看，许多研究人员分析了最终用户的偏好以及影响其决策的标准。Ho和Huang [15] 开发了一个基于层次分析法（AHP）的模型，利用技术和市场标准对锂离子电池、燃料电池和混合动力技术进行了比较。锂离子电池在购买成本、运营成本和基础设施可用性方面排位更高，而燃料电池在续航里程、电池寿命和加注时间方面表现更好。环境关注是影响消费者偏好的最重要标准。Liao等人 [16]从经济和心理学角度研究了电动汽车的普及情况，评估了财务、技术、基础设施和政策因素。研究发现，普及程度取决于车辆成本和性能，以及社会经济特征、心理态度、出行需求和社会影响。作者强调将消费者偏好纳入政策设计，以支持更广泛的电动汽车普及。
Ren等人[17]提出了一种决策框架，结合不同方法从消费者角度评估纯电动汽车（BEVs）。该研究确定了五个关键的消费者关注类别：动力、技术、安全、舒适和成本。结果表明，安全是最重要的维度，而价格是影响客户满意度最具影响力的标准。Manzini等人[18] 通过涉及50名消费者和50名专家的问卷调查研究，调查了用户和专家对电动汽车普及及下一代电池技术的看法。结果显示，消费者对可持续出行解决方案感兴趣，但对电池技术的了解程度参差不齐。研究得出结论，利益相关者的观点对于理解普及障碍以及指导加速向可持续电动出行转型的策略至关重要。Krupa等人[19] 通过对1000名美国居民进行调查，分析了消费者采用插电式混合动力汽车的意愿。受访者普遍不愿为该技术支付高额溢价。财务考量和电池相关问题（包括成本和性能）仍然是阻碍广泛采用的主要障碍。这些发现为政策制定者和制造商在制定定价、营销和激励策略以提高插电式混合动力汽车市场渗透率方面提供了宝贵的见解。
另一位研究人员 Mahadin [20], 调查了影响约旦消费者从内燃机汽车（ICEVs）转向混合动力汽车（HEVs）的因素。该研究基于问卷调查，共有333名车辆用户参与。研究发现，燃油效率是鼓励采用混合动力汽车的最重要因素，其次是环保性、较低的税收和技术特性。相反，对电池寿命的担忧、有限的车型选择、信息匮乏以及对相对较新技术的不确定性是采用该技术的主要障碍。该研究强调了提高消费者意识和信心对于推动向混合动力汽车技术转型的关键作用。
Zhang 等人 [21] 分析了消费者对换电服务与传统可充电电动微型交通工具（EMVs）的偏好及支付意愿。研究发现，由于充电时间缩短、便利性更高且安全性提升，消费者普遍青睐换电技术。用户偏好受可及性、电池续航、风险感知和社会影响等因素影响。现有EMV用户和长途骑行者对换电方案表现出更强的偏好，而对成本敏感的频繁骑行者则更倾向于可充电车辆。基于所综述的研究，若干共同标准始终影响着消费者对混合动力和电动汽车的接受度及技术选择。这些标准可归纳为五大类：

技术性能，包括续航里程、电池寿命、能源效率、安全性、可靠性、充电/加油时间以及技术特性，如[15,17,22];
经济因素，涵盖购买价格、运营成本、燃料费节省、维护成本和税收优惠，这些都是影响消费者决策的最关键因素，如[15,19,20];
环境可持续性包括温室气体减排、环境友好性、节能以及对可持续出行的贡献，这通常被认为是推动采用的主要驱动力[15,16,20];
基础设施和市场准备度，以充电设施可用性、车辆供应量、市场成熟度、政策支持和信息可获取性为代表，如[16,18,22];
消费者接受度，包括对新兴技术的认知、信任、心理态度、社会影响、感知风险、舒适度以及用户偏好，正如[中讨论的那样16,18,22].

对于FAHP模型，这五个群体与下文讨论的制造商和政策标准一起，被整合为以下四个标准：经济因素和消费者接受度被合并为客户价值（CV），因为两者都描述了客户感知的价值；技术性能被保留为技术和商业性能（TCP）；环境可持续性被纳入资源安全和社会责任（RSSR）；以及基础设施和市场准备度被拆分，其中市场成熟度和车辆供应情况被纳入生产可行性（PF），而政策支持则纳入RSSR。充电可用性未被保留，因为混合动力汽车（HEV）在车内充电，不依赖外部充电基础设施。
其他利益相关者可能具有不同的选择标准，包括电池制造商、汽车制造商、政策制定者、社会和环保组织。他们的决策往往受到生产可行性、成本、供应链安全、法规合规性、环境影响、循环经济潜力、资源可用性和长期可持续发展目标等因素的影响。不同的研究人员试图确定能够满足每个利益相关者群体需求的标准。Celadon 等人 [23] 对电动汽车电池技术进行了全面综述，强调了锂基电池（包括锂离子和锂金属系统）的主导地位。研究结果表明，未来的电池选择不仅应考虑能量和性能特征，还应考虑环境可持续性、资源可用性、循环经济潜力以及寿命终结管理，以支持可持续交通系统。Mi和Masrur [24] 对七种电池技术进行了技术经济比较，旨在将轻型内燃机车辆改装为目标续航里程约为100公里的电动汽车。评估考虑了电池成本、重量、体积、能量密度、循环寿命、自放电以及10年期的长期投资需求。结果表明，铅酸电池是最经济的选择，而锂聚合物（LiPo）电池重量最低且能量密度最高。该研究强调了成本、性能、耐用性和物理特性之间的权衡，突出了在为电动汽车应用选择电池技术时进行多准则评估的重要性。

3.3. 多准则决策分析和模糊层次分析法在电池选择中的应用

Loganathan等人[25]提出了一种用于选择锂离子电池化学体系的多准则决策框架，强调了充电速度、续航里程、使用寿命和成本之间的权衡。Öztürk[26]整合了DEMATEL、QFD和区间类型2模糊VIKOR，开发了一个可持续的电池供应商选择框架，以平衡技术、环境和客户需求。同样，Lahri等人[27] 结合了TOE框架、动态能力理论和模糊OPA，确定政策合规性、环境绩效和安全认证是最重要的供应商标准。Lučić和Grdinić-Rakonjac [28] 强调电动汽车采购需要平衡经济、技术、环境、安全和用户相关因素。Bulut等人 [29] 将多准则决策分析应用于电池包材料选择，证明了平衡安全性、性能、耐用性和可持续性的必要性。同样，Koirala和Shabbiruddin [30] 集成模糊QFD和模糊COPRAS，确定电池价格、创新、安全、财务状况和运输成本为关键供应商选择标准。多项研究使用多准则决策方法比较了电池技术。Roy等人[31]使用TOPSIS方法，根据性能、成本、耐用性和环境影响，将锂离子电池的排名置于镍氢电池、铅酸电池和镍镉电池之前。Abdulvahitoğlu和Güçlüten[32]应用AHP-COPRAS方法，将锂离子电池评为最佳替代方案。Saravanan等人[33]采用TOPSIS比较锂离子化学体系，通过平衡可靠性、安全性、能量密度和成本，确定LFP为首选方案。最后，Naseri等人[34]表明，通过多性向目标优化，混合NMC-LTO电池组在续航里程、充电、寿命、重量和体积方面提供了更优的交易权衡。总体而言，文献一致表明，电池和供应商的选择需要平衡技术、经济、环境和可持续性标准，突显了多准则决策分析技术在支持明智决策方面的价值。
除了上述综述的清晰MCDM研究外，越来越多的研究开始应用模糊AHP，专门用于捕捉人类对车辆和电池技术判断中固有的语言不确定性。Liu等人[35] 对模糊AHP方法进行了全面综述，表明Chang的程度分析法是最广泛使用的变体，因为它将三角形模糊判断转换为清晰的优先级权重，无需额外的解模糊步骤，同时仍保留了专家偏好的重叠和渐进特性。特别是在交通领域，Moslem等人[36] 结合使用模糊层次分析法（AHP）与区间层次分析法，以调和利益相关者在可持续交通发展优先事项上存在的分歧，证明了模糊两两比较法特别适用于诸如本研究中的混合动力汽车电池选择问题等场景——在这些场景中，客户、制造商和监管机构持有结构性不同且有时相互冲突的优先事项，而单一的清晰判断无法可靠地捕捉这些差异。与本研究最直接相关的是，Parthasarathy等人 [37]将模糊决策分析框架应用于电动汽车锂离子电池的选择，证实了当电池选择标准（如能量密度、安全性、成本）在信息不完整或不精确的情况下进行评估时，模糊多准则决策（MCDM）技术优于精确替代方案。这些研究共同证明了在本文探讨的多利益相关者电池选择问题中，使用模糊层次分析法（FAHP）而非精确层次分析法（AHP）或其他多准则决策（MCDM）技术的合理性，因为模糊三角形数允许客户、原始设备制造商（OEM）以及社会/政策制定者进行重叠且不精确的判断（第3.4节) 以比清晰的成对评分更真实地捕捉。

3.4. 利益相关者分析

混合动力汽车的电池技术选择涉及多个利益相关者，他们拥有多样且往往相互冲突的目标。客户主要追求经济性、安全性、可靠性和便利性，而汽车制造商则关注技术性能、生产可行性、供应链稳定性和市场竞争力。同时，社会和政策制定者强调环境可持续性、资源安全、减排以及循环经济目标。理解这些不同的优先事项对于建立一个平衡的决策框架至关重要。本节回顾了三个主要利益相关者群体的主要期望：最终客户、汽车制造商（OEM）以及社会和政策制定者。消费者价值被认为是客户的首要关注点之一，因为汽车购买决策在很大程度上受可负担性、安全性、可靠性、便利性和性能驱动，正如[所讨论的38]. Rezvani 等人 [39] 发现，续航里程、充电便利性、可靠性和整体车辆性能是电动汽车普及的主要驱动因素。同样，McCollum 等人 [40] 声称，除了成本之外，客户还优先考虑便利性、可靠性、熟悉度和感知性能。Corradi 等人 [41] 进一步强调了充电便利性、社会接受度和日常易用性的重要性。这些研究结果表明，从消费者角度来看，客户价值仍然是主导标准，而技术性能主要通过其对用户体验和可靠性的影响来体现价值。然而，OEM厂商的观点有所不同；他们主要关注技术和商业性能，以及生产可行性。Islam等人 [42]报告称，制造商优先考虑电池系统、能源管理、电力电子和车辆性能方面的技术创新，以提高效率、安全性和竞争力。Nykvist和Nilsson [43]表明，技术进步和大规模制造对于降低电池成本和提高市场竞争力至关重要。原始设备制造商还优先考虑生产可行性，这取决于关键矿产的稳定供应、可扩展的制造能力以及具有韧性的供应链。Olivetti等人[44]强调了与锂和钴供应限制相关的风险。最近，Cheng等人[45]和Woodley等人[46]突出了供应链脆弱性、关键矿产瓶颈以及可能限制未来电动汽车部署的产能限制。Zhai等人[47]进一步证明，高效且具有韧性的电池供应链对于工业竞争力和脱碳目标都至关重要。
社会和政策制定者主要优先考虑资源安全和社会责任（RSSR）。RSSR涵盖了资源相关方面，如关键材料依赖、伦理采购和供应安全，以及环境和循环性方面，如二氧化碳排放、回收利用和寿命终点管理（₂）。Gaines [图2]强调了经济可行的回收利用，以保障材料供应并减少环境影响。Winslow等人 [48,49]突出了电池寿命终点管理，而Harper等人 [50], Chigbu [51], Kilavuz [52], Zhai 等人 [53], 和 Zhang [47] 强调了回收利用、资源安全、循环经济和韧性供应链对于可持续电池生产的重要性。总体而言，文献表明，客户优先考虑客户价值，原始设备制造商（OEM）强调技术性能和生产可行性，而社会和政策制定者则关注RSSR。这些相互竞争的优先事项构成了FAHP分析中利益相关者权重的基础。54由于没有单一的利益相关者在电池选择中占据主导地位，因此需要在经济、技术、制造和可持续性目标之间进行权衡，这证明了使用FAHP来确定最合适的电池技术的合理性。

4. 研究方法

本研究采用多阶段方法，为混合动力电动汽车（HEV）开发可持续电池选择框架。该研究遵循结构化的多阶段方法，开发基于利益相关者的FAHP框架，用于为HEV选择可持续电池技术。图3展示了该方法。
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图3。混合动力汽车的可持续电池选择框架。
本研究首先通过系统性的文献综述，识别出与混合动力汽车、电池技术、可持续性、循环经济以及利益相关者需求相关的关键概念。研究确定了三个利益相关者群体——客户、汽车制造商（OEM）以及社会/政策制定者——并由此得出四项评估标准：客户价值、技术与商业表现、生产可行性，以及资源安全与社会责任。随后构建了一个三层模糊层次分析法（FAHP）体系，包含利益相关者、评价标准和电池备选方案（镍氢电池和锂离子电池）。镍氢电池和锂离子电池被选为目前商用混合动力汽车中作为牵引电池的两项技术；钠离子电池和固态电池等新兴选项仍缺乏可靠的成本和供应数据。此处锂离子电池指混合动力汽车中典型的镍基化学体系（NMC和NCA）；磷酸铁锂等其他化学体系不在讨论范围内。应用FAHP来确定标准权重并对电池备选方案进行排序。最后，通过敏感性分析评估结果的稳健性，并提出一个基于利益相关者的可持续电池选择框架，以支持混合动力汽车应用中的平衡决策。

模糊两两比较

层次分析法（AHP）最初由Saaty开发[55]。为了解决人类判断中的不确定性和模糊性，Buckley[56]提出了一种几何平均法来推导模糊优先级，而Chang[57]则引入了程度分析法。本研究采用Buckley的几何平均法，因为它提供了一种计算高效且直观可解释的方法，用于从互反模糊两两比较矩阵中推导模糊权重，并且在整个聚合和优先级排序过程中保持了互反性。
FAHP使用重叠的三角形模糊数来捕捉判断的不确定性，从而实现比传统AHP更渐进的偏好转换和更真实的成对比较。决策者使用语言术语而非精确值来表达相对重要性，正如[58]. 表1所示，展示了语言量表。
表1。FAHP中使用的模糊两两比较标度 [58].

图4展示了重叠的三角形隶属函数，这些函数将九种语言类别形式化为表1在1-9相对重要性量表上。每个模糊数ã = (l, m, u)由隶属度函数μ(x)定义，该函数从x = l处的0线性上升到x = m处的1，然后线性下降回x = u处的0，因此更接近最可能值m的判断将获得完全隶属度，而接近边界l和u的值将获得部分隶属度。相邻类别之间的刻意重叠（例如，在“同样重要”和“1与3之间的中间值”之间）使得FAHP能够表示专家和利益相关者判断的渐进、不精确特性，而不是像传统AHP那样将每个两两比较强制转换为单个清晰整数[55]. 这种隶属度结构是本研究中使用的所有配对比较矩阵的基础（表3、5、7和9）。
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图4。本研究中使用的语言成对比较量表的三角模糊隶属函数（表1).
两两比较矩阵是使用三角形模糊数（TFNs）构建的，其中每次比较表示为如下形式的模糊数：

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