考慮區(qū)塊鏈的動力電池閉環(huán)供應(yīng)鏈梯次利用模式和回收策略研究

摘 要：文章從考慮電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)和引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)是否可以提高退役電池的梯次利用率角度出發(fā)，構(gòu)建三種以電池制造商主導(dǎo)、整車企業(yè)和綜合利用企業(yè)跟隨的決策模型，用于探究電池信息可追溯水平等參數(shù)對電池制造商梯次利用模式選擇的影響。研究表明，電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)對提高電池回收價和總回收量具有正向作用并可讓利于消費(fèi)者。區(qū)塊鏈技術(shù)可有效降低回收主體的電池回收價并提高電池回收量。當(dāng)電池信息可追溯水平和梯次利用率滿足一定要求時，區(qū)塊鏈技術(shù)的引入才可以有效改善電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)的利潤。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈技術(shù)；電池回收；梯次利用

中圖分類號：F274；TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2025.04.036

Abstract： From the perspective of considering whether battery manufacturers carry out cascade utilization business and the introduction of blockchain technology to improve the cascade utilization rate of retired batteries， this paper builds three decision models led by battery manufacturers， and followed by vehicle enterprises and comprehensive utilization enterprises， to explore the influence of parameters such as the traceability level of battery information on the selection of cascade utilization model by battery manufacturers. The result shows that the cascade utilization business carried out by battery manufacturers has a positive effect on increasing the battery recycling price and the total recycling amount， and it is beneficial for consumers. Blockchain technology can effectively reduce the battery recycling price of the recycling body and increase the battery recycling amount. When the battery information traceability level and cascade utilization rate meet certain requirements， the introduction of blockchain technology can effectively improve the profits of battery manufacturers to carry out cascade utilization business.

Key words： blockchain technology; battery recycling; cascade utilization

0" " 引" " 言

近年來，為緩解石油能源短缺的巨大壓力，各國開始大力發(fā)展新能源汽車行業(yè)。截止2023年底，全球新能源汽車全年銷量達(dá)1 369萬輛，新能源汽車保有量達(dá)2 041萬輛[1]。動力電池是新能源汽車的關(guān)鍵組成部分，新能源汽車保有量爆炸性增長將產(chǎn)生大量的退役動力電池。預(yù)估計到2030年，中國的退役動力電池總量可達(dá)708萬噸[2]。為解決環(huán)境問題，中國實施了《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》等政策，明確了開發(fā)電池信息管理平臺和可追溯系統(tǒng)[3]。在此指導(dǎo)下，比亞迪、特斯拉、寧德時代、格林美等電池制造相關(guān)企業(yè)紛紛布局電池回收業(yè)務(wù)。

一般情況下，當(dāng)動力電池性能衰減至80％左右時便需要更換。然而，退役的動力電池仍具有較大的剩余價值，一方面，剩余容量較高的退役電池制成梯次利用產(chǎn)品可應(yīng)用于通信基站等領(lǐng)域；另一方面，退役動力電池中含有大量貴重金屬，對不滿足梯次利用要求的電池進(jìn)行拆解可提取原材料用于新電池生產(chǎn)。例如，綜合利用企業(yè)格林美為比亞迪提供了再生材料[4]。為保障電池梯次利用產(chǎn)品質(zhì)量，2021年，中國工信部頒布了《新能源汽車動力蓄電池梯次利用管理辦法》[5]，旨在鼓勵動力電池制造企業(yè)參與電池的回收和再利用工作。電池制造商雖具有處理電池的技術(shù)優(yōu)勢，但開展梯次利用業(yè)務(wù)需要購買專用設(shè)備和完成相應(yīng)資質(zhì)認(rèn)證等，不僅會增強(qiáng)固定成本投入，還與其他企業(yè)存在市場競爭。因此，探究電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)的實施條件具有重要意義。

目前，在電池的回收環(huán)節(jié)存在大量的電池流向非正規(guī)處理企業(yè)，且在動力電池回收處理環(huán)節(jié)中存在著產(chǎn)品狀態(tài)無法及時追溯等問題。為有效規(guī)范動力電池回收處理市場，需要建立有效的電池信息可追溯體系[6]。區(qū)塊鏈技術(shù)具有數(shù)據(jù)防篡改、信息透明度高等特性，可確保相關(guān)數(shù)據(jù)安全，并實現(xiàn)產(chǎn)品信息的可溯源管理。謝廷宇等[7]在動力電池儲能交易數(shù)據(jù)存儲鏈中采用了區(qū)塊鏈技術(shù)，并通過實踐證明了區(qū)塊鏈溯源比傳統(tǒng)溯源在新能源動力電池回收利用上具有更大優(yōu)勢。區(qū)塊鏈技術(shù)的投入，可有效降低電池檢測、拆包等過程的電能損耗，提高電池梯次利用率，對開展梯次利用業(yè)務(wù)的主體利潤具有一定影響。

綜上所述，目前鮮有文獻(xiàn)探討在正向銷售和逆向回收兩渠道并存時，電池制造商的最優(yōu)梯次利用模式?jīng)Q策。因此，本文引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，旨在分析技術(shù)投入對產(chǎn)品定價和電池制造商梯次利用模式選擇的影響等決策問題。本文致力解決的問題有：第一，在與綜合利用企業(yè)競爭條件下，探究電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)的條件；第二，在引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)可以提高消費(fèi)者偏好和退役電池的梯次利用率的條件下，探究區(qū)塊鏈技術(shù)的投入對電池制造商梯次利用模式選擇的影響；第三，探究區(qū)塊鏈技術(shù)的投入和不同梯次利用決策對退役動力電池逆向回收的影響。

1" " 模型描述與假設(shè)

1.1" " 模型描述

電池制造商為供應(yīng)鏈決策的領(lǐng)導(dǎo)者，決定產(chǎn)品批發(fā)價格和再生材料的回收價格。整車企業(yè)和電池綜合利用企業(yè)具有相同地位，均為決策跟隨者，負(fù)責(zé)配套產(chǎn)品銷售和退役動力電池的回收處理工作。本文構(gòu)建了3種閉環(huán)供應(yīng)鏈模型，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2" " 基本假設(shè)

假設(shè)1：假設(shè)未投入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)的動力電池需求函數(shù)為D=a-bp。式中，a為市場潛在需求；b為對產(chǎn)品價格的敏感系數(shù)?？紤]到消費(fèi)者對電池信息可追溯的偏好，投入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)的電池需求函數(shù)為D=a-bp+στ。式中，σ為消費(fèi)者對電池信息可追溯水平的敏感系數(shù)；τ為電池信息可追溯水平（0＜τ＜1），且有a＞bp和b＞σ＞0。

假設(shè)2：假設(shè)電池制造商和綜合利用企業(yè)投入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)的電池回收量分別為qr=h+βpr-λpt+μ1τ和qt=h+βpt-λpr+μ2τ，且不投入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)下τ=0。式中，β為消費(fèi)者對電池回收價的敏感系數(shù)；λ為渠道競爭強(qiáng)度；μ為企業(yè)對電池信息可追溯水平的敏感系數(shù)。為簡化模型計算，令h=0、μ1=μ2=μ，該假設(shè)不會影響分析結(jié)果。

假設(shè)3：假設(shè)電池制造商、整車企業(yè)和綜合利用企業(yè)投入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)需要向平臺支付的費(fèi)用，分別用EM、ER和ET表示。

假設(shè)4：假設(shè)梯次利用產(chǎn)品僅用于發(fā)電儲能，且其收益與舊電池剩余電量呈正相關(guān)，即v=αL。式中，L為剩余電量，服從均值為μL、標(biāo)準(zhǔn)差為σL2的正態(tài)分布；α（α＞0）為相關(guān)系數(shù)。動力電池制造商和綜合利用企業(yè)開展梯次利用業(yè)務(wù)的單位收益為Vm=v-cmt，Vt=v-ctt。

假設(shè)5：假設(shè)回收滿足梯次利用的退役動力電池占比為θ，即梯次利用率。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的投入，建立具有共識機(jī)制的電池全生命周期信息存儲鏈，以便于獲取動力電池的狀態(tài)信息，從而在一定程度上提高電池的梯次利用率（θ+ητ）。其中，η為電池信息可追溯水平對梯次利用率的影響系數(shù)，且0＜η＜1、0＜θ+ητ＜1。具體符號說明如表1所示。

2" " 模型描述與假設(shè)

2.1" " 未投入?yún)^(qū)塊鏈下制造商不開展梯次利用業(yè)務(wù)（NN模型）

NN模型下，設(shè)定電池制造商先決策為w和pl；整車企業(yè)決策為p和pr；電池綜合利用企業(yè)決策為Ft和pt。在NN模型下，動力電池制造商、整車企業(yè)和綜合利用企業(yè)的利潤函數(shù)如下。

引理1：電池制造商、整車企業(yè)和電池綜合利用企業(yè)分別以自身利益最大化作為決策目標(biāo)。在模型NN中，當(dāng)滿足條件β＞λ＞0時，決策主體存在唯一均衡解。具體表達(dá)如下。

式中，*1=△+Vtθ、2=△+Vmθ、ξ1=2β2-λ2、ξ2=β2-βλ、ξ3=4β2-3λ2、ξ4=4β2-λ2、ξ5=6β2-βλ-3λ2、ξ6=12β3-2β2λ-7βλ3+λ3、ξ7=3β2-2βλ-λ2。

2.2" " 未投入?yún)^(qū)塊鏈下制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)（NB模型）

NB模型下，設(shè)定電池制造商先決策為w、pt和Fm；整車企業(yè)決策為p和pr；電池綜合利用企業(yè)決策為pt。在NB模型下，動力電池制造商、整車企業(yè)和綜合利用企業(yè)的利潤函數(shù)如下。

引理2：電池制造商、整車企業(yè)和電池綜合利用企業(yè)分別以自身利益最大化作為決策目標(biāo)。在模型NB中，當(dāng)滿足條件β＞λ＞0時，決策主體存在唯一均衡解。具體表達(dá)如下。

2.3" " 在投入?yún)^(qū)塊鏈下制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)（YB模型）

該部分決策順序同NB模型。在YB模型下，動力電池制造商、整車企業(yè)和綜合利用企業(yè)的利潤函數(shù)如下。

引理3：電池制造商、整車企業(yè)和電池綜合利用企業(yè)分別以自身利益最大化作為決策目標(biāo)。在模型YB中，當(dāng)滿足條件β＞λ＞0時，決策主體存在唯一均衡解。具體表達(dá)如下。

式中，*ξ8=（β-λ）3+μτ、ξ9=（β-λ）4+μτ。

3" " 均衡結(jié)果分析

3.1" " 未投入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)下電池制造商梯次利用模式選擇

推論1：DNN=DNB、wNN=wNB、pNN=pNB、plNN=plNB、FtNN＜FtNB、qrNN＜qrNB、qtNN＞qtNB、prNN＜prNB、ptNN＜ptNB、QNN＜QNB。

結(jié)果表明，無論動力電池制造商是否開展梯次利用業(yè)務(wù)，在正向供應(yīng)鏈中，電池的批發(fā)價、汽車售價和電池需求量均相同。這是因為梯次利用活動在逆向供應(yīng)鏈中，不影響正向供應(yīng)鏈決策。在開展梯次利用業(yè)務(wù)后，整車企業(yè)和綜合利用企業(yè)的電池回收價提高，同時電池的總回收量有所增加。此外，兩種模式下的再生材料回收價是相同的，且模式NB中的電池轉(zhuǎn)讓價格更高。這是因為電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)的單位收益更高，進(jìn)而會提高電池回收價來搶占市場份額。退役電池再生材料的回收價與電池制造商梯次利用收益無關(guān)，價格不變。

推論2：＞0、＞0、＞0、＞0、＞0、＞0、＞0、＜0。

結(jié)果表明，退役動力電池的梯次利用比例的增大與梯次利用業(yè)務(wù)單位收益的增大具有相同作用。隨著梯次利用業(yè)務(wù)單位收益的增加，電池制造商和綜合利用企業(yè)均會通過提高電池回收價來獲得更多的退役動力電池。

推論3：當(dāng)0＜X1或0＜Fmt＜A時，πMNN＜πMNB。

其中，。

結(jié)果表明，當(dāng)電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)所投入的固定成本小于一定的閾值A(chǔ)或渠道競爭強(qiáng)度系數(shù)和消費(fèi)者對回收價的敏感系數(shù)滿足0＜X1時，電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)所創(chuàng)造的利潤將大于成本投入，有利于開展梯次利用業(yè)務(wù)。此外，動力電池制造商是否開展梯次利用業(yè)務(wù)還與自身開展梯次利用業(yè)務(wù)的單位收益和梯次利用率有關(guān)。后文會具體分析。

3.2" " 區(qū)塊鏈技術(shù)投入對電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)的影響

推論4：DNB＜DYB、wNB＜wYB、pNB＜pYB、plNB＜plYB、FmNB＜FmYB、qrNB＜qrYB、qtNB＜qtYB；

當(dāng)Y2＞0時，prNB＞prYB；當(dāng)Y3＞0時，ptNB＞ptYB。

其中，，。

結(jié)果表明，投入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)對提升電池需求量、批發(fā)價和新能源汽車售價均有正向作用。這是因為區(qū)塊鏈技術(shù)投入下產(chǎn)品信息更加透明，可進(jìn)一步提升產(chǎn)品需求。區(qū)塊鏈技術(shù)投入使得電池成本提高，同時產(chǎn)品批發(fā)價和新能源汽車的銷售價也均有所提升。電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)時，當(dāng)滿足一定的關(guān)系時（Y2＞0，Y3＞0），投入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)才能有效降低動力電池的回收價。投入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)使電池回收主體能夠準(zhǔn)確把控電池的使用狀態(tài)，有效提升電池的回收量。

推論5：＞0、＞0、＜0、＞0、＞0。

結(jié)果表明，退役動力電池的回收量和回收價與η呈正相關(guān)；電池制造商的再生材料回收價與η呈負(fù)相關(guān)。這是因為η的增大與梯次利用業(yè)務(wù)單位收益的增大具有相同意義。對電池制造商和電池綜合利用企業(yè)來說，開展梯次利用業(yè)務(wù)單位收益的增加，將會提高給下游的廢舊電池回收價，進(jìn)而獲得更多的退役動力電池。由退役電池的供需關(guān)系可知，電池制造商會降低再生材料回收價。

推論6：當(dāng)E＜τ時，πMNN＜πMYN；當(dāng)0＜τ＜E時，πMYN＞πMNN。

結(jié)果表明，對電池制造商來說，當(dāng)區(qū)塊鏈平臺提供的電池信息可追溯水平大于一定閾值時，電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)具有一定優(yōu)勢。

4" " 數(shù)值分析

利用MATLAB進(jìn)行數(shù)值仿真，本文設(shè)置模型參數(shù)初始值為：a=300、b=0.3、cm=137、cr=125、△=12、Vt=18、Vm=20、σ=0.2、h=0、β=[1，2]、λ=[0.05，0.45]、μ=0.4、θ=0.55、η=0.05、τ=0.3、Fmt=35、EM=20、ER=10、ET=10。

4.1" " 不同參數(shù)對電池制造商梯次利用模式選擇的仿真分析

無論電池制造商是否開展梯次利用業(yè)務(wù)，整車企業(yè)的電池最優(yōu)回收價變化趨勢均大致相同，且會隨著λ的增加而增加、隨著β的增加而降低。同時，電池的總回收量會隨著λ的增加而降低、隨著β的增加而增加。電池制造商開展梯次利用后，退役動力電池總回收量增長明顯。無論電池制造商是否開展梯次利用業(yè)務(wù)，電池制造商最優(yōu)利潤均會隨著λ的增加而降低、隨著β的增加而增加，這與動力電池總回收量的變化趨勢大致相同。當(dāng)X1＞0時，電池制造商在NB模式下獲得最大利潤，即電池制造商選擇開展梯次利用業(yè)務(wù)。具體如圖2所示。

梯次利用率、電池制造商梯次利用的單位收益和開展梯次利用業(yè)務(wù)的固定成本的大小可直接影響電池制造商是否開展梯次利用業(yè)務(wù)。當(dāng)θ值過低（圖a中θ＜0.5的部分），或電池制造商單位梯次利用收益小于一定閾值（圖b中Vm＜18.9），或開展梯次利用業(yè)務(wù)的固定成本大于一定閾值（圖c中Fmt＞38）時，不利于電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)。具體如圖3所示。

4.2" " 不同參數(shù)對動力電池制造商投入?yún)^(qū)塊鏈決策的影響

在模型其他影響因素確定的情況下，區(qū)塊鏈平臺提供的電池信息可追溯水平對改善電池制造商利潤有明顯效果，電池制造商利潤會隨著電池信息可追溯水平的增大而增大。當(dāng)電池信息可追溯水平滿足一定閾值時，電池制造商開展梯次利用業(yè)務(wù)的利潤顯著；當(dāng)電池信息可追溯水平對梯次利用率的影響系數(shù)大于一定閾值時，電池制造商可通過投入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)來提升自身利潤。具體如圖4所示。

5" " 結(jié)" " 論

動力電池制造商是否開展梯次利用業(yè)務(wù)不影響正向供應(yīng)鏈的動力電池產(chǎn)品定價、新能源汽車售價和電池市場需求量。區(qū)塊鏈技術(shù)的投入會提高動力電池批發(fā)價、新能源汽車售價，以及電池市場需求量。電池制造商要開展梯次利用業(yè)務(wù)需要滿足一定條件，否則就需要采取保守策略。區(qū)塊鏈技術(shù)的投入在一定程度上提高了電池的梯度利用率并降低了電池回收價，具有改善電池制造商和綜合利用企業(yè)利潤的作用。電池制造商的利潤會隨著電池信息可追溯水平系數(shù)及其對梯次利用率的影響系數(shù)的增大而增大。

本文豐富了區(qū)塊鏈技術(shù)投入下動力電池閉環(huán)供應(yīng)鏈定價策略和梯次利用模式選擇相關(guān)研究，為動力電池回收利用決策提供了有意義的參考。本文的研究不足及拓展方向：第一，需求函數(shù)和回收函數(shù)為確定型線性需求函數(shù)，未來可從消費(fèi)者效用函數(shù)角度出發(fā)展開研究；第二，未考慮電池制造商直接從消費(fèi)者手中回收退役動力電池的情形，未來可從多渠道回收角度出發(fā)探討動力電池制造商的梯次利用模式。

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