电动汽车电化学储能技术综合评价研究

赵振宇， 周仁和

(华北电力大学新能源电力与低碳发展研究北京市重点实验室，北京 102206)

电化学储能技术尤其是电动汽车技术的推广，是实现碳中和目标的有效途径。目前国内外学者已开展了较多关于电化学储能的研究。在新型储能材料、电力应用及商业模式研究方面：Parker JF 等[1]改进锌电极设计，用三维结构的锌海绵替代传统锌粉，创制出具有优异电化学性能的储能电池；张宝锋等[2]基于电化学储能技术发展情况及特征，提出储能在新能源发电侧应用前景和研究趋势；Kolokotsa D 等[3]分析了电化学储能系统在智能电网中的应用，结合案例阐述储能系统在能源需求和供应中的作用；修晓青等[4]针对电化学储能系统应用存在的问题，从投资、收益及运营等方面分析储能系统典型商业模式。

在电化学储能技术评价研究方面，黄昊等[5]根据Fréche距离算法，提出四种表征电化学储能调节性能指标，以评价电化学储能调节资源参与自动发电控制的性能；闫俊辰等[6]将能源投入存储回报指标引入储能技术，以评估储能技术节能潜力及对生产能耗的依赖程度。

但现有研究多着眼于电化学储能技术单一指标，鲜有针对电化学储能技术本体多指标评价研究，且随着电化学储能相关项目不断落地、电动汽车市场不断扩大，迫切需要以科学合理指标为基础建立电动汽车电化学储能技术综合评价指标体系。

为此，本文将提出电化学储能技术评价指标体系，构建基于改进AHP-CRITIC-TOPSIS 法的综合评价模型，为电动汽车电化学储能技术选择提供参考。

1 电动汽车电化学储能综合评价指标体系

本文根据《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》(发改能源〔2017〕1701 号)、《电化学储能系统评价规范》(T/CNESA 1000-2019)、《电力储能用锂离子电池》(GB/T 36276-2018)、《储能用铅酸蓄电池》(GB/T 22473-2008)、《电动汽车用铅酸蓄电池》(QC/T 742-2006)、《电动汽车用锂离子蓄电池》QC/T 743-2006)及文献[7]，选择额定充电功率、额定放电功率、标称电压、响应时间、比容量、体积比能量、额定充电容量、额定放电容量、能量效率、能量保持率、绝缘电阻、自放电率、可靠性、材料分解温度、标称工作温度、单位容量成本、放电深度、运维成本、技术成熟度、规模化程度、环境污染性、可回收性、循环寿命共计23 项指标为电动汽车电化学储能综合评价初选指标。

在上述初选指标基础上，考虑到电动汽车电池由于能量管理系统、串并联方式、包装方式、散热性能、损耗、结构等不同，相同技术下不同产品性能指标存在较大差异，且本文针对电化学储能技术本身而非产品进行评价，故应选择客观可量化的评价指标。依据综合评价指标体系选取原则，经筛选、合并、调整，建立电动汽车电化学储能技术综合评价指标体系如表1 所示。

表1 电动汽车电化学储能技术综合评价指标体系

2 AHP-CRITIC-TOPSIS 评价模型

本文提出基于改进AHP-CRITIC-TOPSIS 法的综合评价模型，模型结构如图1 所示。

图1 改进AHP-CRITIC-TOPSIS法评价模型结构

2.1 改进AHP 法确定主观权重

层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)由运筹学家Saaty 提出，该方法将与决策相关的元素分解为目标、准则、方案等层次，并进行定性和定量分析，具有系统、灵活、简洁的优点。标度是量化判断的尺度，国内外学者已提出多种标度类型，包括1～9 标度；9/9～9/1 标度；10/10～18/2 标度；0～2标度；-1～1 标度；-2～2 标度；0～1 标度；指数标度等。

1～9 标度及其变种9/9～9/1、10/10～18/2 标度具有一定的心理学内涵，实用性好，但可能导致判断矩阵与判断思维不一致；-1～1、0～2 标度及-2～2 标度属于三标度法，计算方便、操作性好，但指标较少易造成信息损失；0～1 标度引入模糊数学概念，解决了判断矩阵一致性缺陷，但信息量缺乏及信息损失依然存在；指数标度采取等距分级、等比赋值，该方法能较好地反应主观判断思维与客观判断矩阵的一致性。

本文采用指数标度法，指标重要程度赋值标准如表2 所示，表中a=91/8=1.316 1。

表2 指标重要程度赋值标准

根据AHP 法基本原理构造判断矩阵R，选择特征值法计算得第j个评价指标的主观权重为ω1j。

2.2 CRITIC 法确定客观权重

综合评价分析中常用的客观赋权法包括熵权法、CRITIC法(criteria importance through inter criteria correlation)、标准离差法等。相较于熵权法和标准离差法只通过评价指标间变异性来确定客观权重，CRITIC 法在充分考虑各评价指标间变异性的同时还考虑评价指标间冲突性，是更恰当、更有效的客观权重赋权法。

设m个样本组成集合A={A1,A2,…,Am}，每个样本的指标构成指标集x，指标xij[i∈(1,m),j∈(1,n)]表示第i个对象的第j个指标。

建立初始指标矩阵A：

A标准化后得B：

式中：bij为矩阵B中第i个对象的第j个指标。

定义评价指标间变异性Sj：

定义评价指标间冲突性Rj：

式中：rij为指标间皮尔逊相关系数。

定义评价指标信息量Cj：

则评价指标的客观权重ω2j：

式中：q为评价指标个数。

2.3 基于博弈论的组合赋权

如何将主观与客观权重合理组合是综合评价中的关键问题，组合赋权应兼取主观和客观权重的优点。

本文引入博弈论进行组合赋权[8]。定义各评价指标的主、客观权重分别为W1=(ω11, ω12,…, ω1j)和W2=(ω21, ω22,…,ω2j)。从博弈论及数学角度看，当W1和W2与组合权重之间的离差之和最小时，可取得最优解。令主客观组合权重W：

式中：λ1,λ2为线性组合系数。

目标函数及约束条件：

由微分原理，式(9)取最小值时：

式中:T 为矩阵的转置。

λ1，λ2归一化后为λ*1，λ*2，则组合权重W*：

3 电动汽车电化学储能评价

电化学储能主要是指通过氧化还原反应进行能量的存储和释放，按其介质可分为铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等。根据中关村储能产业技术联盟(CNESA)不完全统计，截至2020 年底，全球已投运电力储能项目累计装机规模达189.8 GW，其中电化学储能占6.9%；在各类电化学储能技术中，锂离子电池占90.0%，钠硫电池占5.0%，铅蓄电池占4.0%。

3.1 指标数据分析

本文选取当前占有率较高的电化学储能技术进行比选，即三元锂电池、磷酸铁锂电池、钠硫电池及铅酸电池。归纳电动汽车各电化学储能技术评价指标值如表3 所示[9-12]。

表3 电动汽车电化学储能技术评价指标值

3.2 权重计算

根据AHP 法基本原理及文献[7,13]，建立目标层α、准则层β、指标层γ 间的判断矩阵，如表4～6 所示。

表4 α-β 判断矩阵

表5 β1-γ 判断矩阵

表6 β2-γ 判断矩阵

经 计 算，Wα-β=[0.568 2,0.431 8]T，Wβ1-γ=[0.342 8,0.260 5,0.150 4,0.114 3,0.066 0,0.066 0]T，Wβ2-γ=[0.568 2,0.431 8]T。求得主观权重W1=[0.194 8, 0.148 0, 0.085 5, 0.064 9, 0.037 5,0.037 5,0.245 3,0.186 5]T。

标准化后的指标矩阵B：

由式(3)～(7) 得客观权重W2=[0.099 0,0.140 2，0.109 9，0.163 1，0.117 3，0.111 1，0.117 9，0.141 5]T。

由式(8)～(11) 得λ1=0.917 6，λ2=0.887 6，标准化后λ*1=0.508 3，λ*2=0.491 7。

由式(12) 可得W*=[0.147 7，0.144 2，0.097 5，0.113 2，0.076 8，0.073 7，0.182 6，0.164 3]T。

各赋权方法指标权重结果如图2 所示。

图2 不同赋权方法下的指标权重

由图2 可知，主观法赋权法侧重于电动汽车电池比容量、单位容量成本及循环寿命，而客观赋权法更侧重于电动汽车电池体积比能量、材料分解温度及循环寿命。基于博弈论的组合赋权法对主客观赋权结果进行了修正，使指标权重更加合理科学。

3.3 TOPSIS 计算

加权标准化决策矩阵C：

根据TOPSIS 计算方法，结果如表7 所示。

表7 TOPSIS 计算结果

3.4 最优电动汽车电化学储能技术分析

根据表7 计算结果，磷酸铁锂电池为最优电动汽车电化学储能技术，三元锂电池第二，钠硫电池第三，铅酸电池第四。

磷酸铁锂电池经济性好、可靠性高，在新能源汽车补贴政策背景下，搭载磷酸铁锂电池的电动汽车逐年增多。但磷酸铁锂电池在低温环境下衰减较为严重。

三元锂电池低温性能好、比容量及体积比能量高，但其安全性较差、循环寿命较低，实际应用时应选择高性能电池管理系统，并优化冷却系统，提高电池散热能力。

钠硫电池作为一种新型电化学储能技术，多使用于储能电站等静态储能，其标称工作温度远高于室温，移动困难，暂不适用于电动汽车。

4 结语

针对电动汽车电化学储能技术选择问题，构建了基于改进AHP-CRITIC-TOPSIS 法的电化学储能技术综合评价模型。该模型选用指数标度，提高了AHP 法主观判断思维与客观判断矩阵的一致性；采用CRITIC 法计算客观权重，考虑评价指标间变异性及冲突性，提高了评估的合理性；运用基于博弈论的组合赋权法，高度结合主客观权重，提高了评估的科学性。通过模型得出电动汽车电化学储能评优结果依序是磷酸铁锂电池、三元锂电池、钠硫电池、铅酸电池。该成果可为电动汽车电化学储能技术选择提供重要参考。