基于區(qū)塊鏈技術(shù)的動力電池梯次利用研究

張梅梅，李筱笛，馬利波

（1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟管理系；2.華北電力大學(xué)電力工程系，河北保定 071003）

1 研究背景

隨著全球范圍內(nèi)的資源消耗與環(huán)境污染日益嚴峻，電動汽車市場增長迅速，但隨之也帶來了退役電池的安全隱患和資源回收壓力。若退役動力電池采取常規(guī)的處理方式，如填埋、焚燒等，廢舊電池中的有害金屬或其他化合物將對土地、大氣和水資源造成極大污染和危害。對退役電池進行精細化梯次利用，可以充分發(fā)掘電池剩余價值和減少資源浪費［1］，提高電池利用的經(jīng)濟價值、環(huán)境價值及社會價值。

當前針對退役電池的收集、分揀和回收處理進行了技術(shù)分析［2-4］；通過測試退役電動車（EV）電池性能進行績效評估，獲取電池衰減狀態(tài)，以提高其梯次利用的效率［5-7］；研究退役電池單體重組篩選性能相近的電池單體，為優(yōu)化電池配置提供了理論依據(jù)［8-9］；探索退役鋰離子電池梯次利用的應(yīng)用場景［10］等。但針對梯次利用的研究主要集中在利用常規(guī)方法進行電池的粗略篩選、再次檢測評估和應(yīng)用場景分析，且主要針對單體電池，電池模組的檢測仍存在技術(shù)阻礙。這些研究對于判斷電池性能的指標檢測不準確，存在技術(shù)誤差和數(shù)據(jù)遺漏等問題，也忽略了檢測對電池本身帶來的二次傷害和消耗的時間和價值成本。

本文針對退役電池性能不明問題提出一種基于區(qū)塊鏈的電池梯次利用方案。區(qū)塊鏈技術(shù)除應(yīng)用于金融領(lǐng)域外，還逐步在物聯(lián)網(wǎng)、用電數(shù)據(jù)收集、物流行業(yè)等領(lǐng)域展開實踐［11-13］?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)建立電池從出廠開始的全生命周期信息存儲鏈，實現(xiàn)對電池每次充電過程的電流電壓、充放電完成后電池容量及電阻等指標的變化進行全生命周期記錄，據(jù)此實現(xiàn)每個應(yīng)用場景退役時均可快捷獲取電池性能指標，減少電池回收后的再次檢測和評估，快速進行精準篩選和分組利用，更安全高效地應(yīng)用于下一級場景，大幅提高電池利用價值，充分發(fā)揮電池的性能并避免資源損失。

2 動力電池梯次利用分析

動力電池的制造、使用、維護、拆解重組以及再次使用是一個完整的生命周期［14］。梯次利用主要是通過退役電池的檢測和篩選，準確判斷其剩余價值及再使用性，據(jù)此規(guī)劃退役電池梯度等級及應(yīng)用場景。如應(yīng)用于電網(wǎng)削峰填谷與頻率平衡、儲能、偏遠地區(qū)分布式供電、低速電動車等領(lǐng)域［15］。可見，電池梯次利用可以緩解能源壓力、增大電池剩余價值，降低電動汽車成本，催生電池利用的新場景、新模式、新業(yè)態(tài)，因此動力電池梯次利用的市場研究價值較大。

2.1 梯次利用過程

當前退役動力電池的梯次利用過程為：動力電池服役完電動汽車后，由電池再利用企業(yè)進行統(tǒng)一收集，在電池拆解線上將廢舊電池拆解，獲得電池模塊并對其進行篩選，將再利用性高且充放電性能較好的模塊進行重組，組裝電池管理系統(tǒng)、電池外殼等，將重組電池模組或系統(tǒng)應(yīng)用于其他對電池性能要求低的場景，如圖1 所示?；厥掌髽I(yè)通過自動拆解線，將拆解下來的電池包等材料銷售給金屬提煉企業(yè)或材料回收企業(yè)，實現(xiàn)材料的回收，再將拆解得到的電池模塊通過檢測分級，把電池模塊按照性能進行分揀，將一致性好且容量相近的電池模塊組合，組裝電池管理系統(tǒng)及電池包等，通過檢測認證將合格的重組電池根據(jù)需求銷售給終端客戶，應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

圖1 動力電池梯次利用全過程

2.2 動力電池梯次利用難點分析

退役電池梯次利用的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：第一，對退役電池進行檢測和篩選，以便將安全可靠且一致性強的電芯進行整修和重新配組；第二，根據(jù)電池組的性能評估，找到重組電池系統(tǒng)適合的梯次利用場景。在上述環(huán)節(jié)中，動力電池梯次利用的主要難點有：

（1）對退役電池的診斷和篩選效率偏低。由于各電池廠商出廠電池的種類、容量、規(guī)格、充放電方式各有差異，且不同類型的電芯、模組、系統(tǒng)在不同工況下服役后性能劣變的程度不同，因此每個電芯或電池模組的剩余性能、安全性和可靠性均不一致，需要對電池進行檢測，篩選出有再利用價值的電池［16-17］?，F(xiàn)有技術(shù)大多針對單體電池，且檢測成本較高，嚴重阻礙了電池梯次利用的應(yīng)用場景創(chuàng)新。

（2）電池數(shù)據(jù)存在被篡改的風險。電池梯次利用市場存在為不當牟利而非法篡改偽造電池數(shù)據(jù)的問題。一方面，收集到的電池可能是經(jīng)過不當翻新的報廢電池；另一方面，部分企業(yè)可能對退役電池進行非法拆解和重組后，將其作為成品梯次利用電池進行銷售。退役電池的性能、安全性無法得到保證，且不法行為擾亂市場秩序，造成信任危機。

（3）電池信息數(shù)據(jù)存儲不實時全面。梯次利用電池的流通及數(shù)據(jù)交互如圖2 所示，產(chǎn)業(yè)鏈的上下游企業(yè)在通信協(xié)議、歷史數(shù)據(jù)等重點信息溝通環(huán)節(jié)仍未標準化，存在缺乏信任、數(shù)據(jù)存儲不透明、資源共享難度大的問題，間接導(dǎo)致電池的安全風險。

圖2 動力電池流通及數(shù)據(jù)溯源

（4）梯次利用標準缺失和缺乏售后質(zhì)保。梯次利用電池產(chǎn)品標識、安全使用、殘值評估規(guī)范等系列標準缺失，技術(shù)標準缺失、可操作性較差在一定程度上制約了梯次利用行業(yè)的發(fā)展。對此，可以建立編碼制度和可追溯系統(tǒng)來標準化電池管理［18］。

針對上述電池梯次利用的難點問題，利用區(qū)塊鏈的時序數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)高冗余存儲、防止篡改等特點可予以解決。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的動力電池梯次利用方案

區(qū)塊鏈是一個分布式的數(shù)據(jù)庫和加密共享賬本，具有去信任化、去中心化、時序數(shù)據(jù)、防篡改偽造等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分布式高冗余存儲、多節(jié)點無差別記錄，促進信息的透明和共享［19-20］。區(qū)塊鏈技術(shù)的實際應(yīng)用場景分為公有鏈、私有鏈、聯(lián)盟鏈［21］。公有鏈適用于對可靠性、安全性有很高標準，但對交易速度要求較低的應(yīng)用場景；而私有鏈或聯(lián)盟鏈適用于對隱私保護、交易速度和內(nèi)部監(jiān)測等要求高的場景［22］。針對電池梯次利用的場景，公有鏈應(yīng)用模式相對契合，能實現(xiàn)各個節(jié)點之間的雙向信任與集體動作一致。

3.1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的動力電池全生命周期信息存儲鏈構(gòu)建

3.1.1 實現(xiàn)時序數(shù)據(jù)的不可篡改性

采用區(qū)塊鏈架構(gòu)中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層的技術(shù)，實現(xiàn)電池信息存儲鏈的全過程記錄，時序數(shù)據(jù)不可篡改。從電池出廠—電動汽車服役期每次充電交易—退役再利用場景—電池重度報廢提取場景，電池的每次交易數(shù)據(jù)經(jīng)過區(qū)塊包裝將被永久記錄于區(qū)塊鏈上；時間戳和哈希函數(shù)將確保存儲電池原產(chǎn)數(shù)據(jù)和使用數(shù)據(jù)的區(qū)塊全都按照時間順序相連接且不能被篡改；非對稱加密機制則保證了梯次利用交易系統(tǒng)的安全性，只有系統(tǒng)中的節(jié)點能夠共享全部數(shù)據(jù)。如圖3 所示。

圖3 動力電池數(shù)據(jù)存儲鏈數(shù)據(jù)塊

3.1.2 實現(xiàn)去中心化

區(qū)塊鏈的分布式組網(wǎng)機制可實現(xiàn)電池信息存儲鏈網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的信息交流和記賬節(jié)點的去中心化［23］；其P2P 分布式組網(wǎng)機制實現(xiàn)了電池信息存儲鏈的自動組網(wǎng)功能和去中心化。在電池信息存儲網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點均平等且以扁平式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相互連接和交互，每個節(jié)點均會承擔接收電池數(shù)據(jù)信息、產(chǎn)生電池使用信息、發(fā)現(xiàn)新節(jié)點等工作，推動了電池數(shù)據(jù)存儲網(wǎng)絡(luò)的建立和更新。當且僅當記入?yún)^(qū)塊的電池數(shù)據(jù)通過電池信息存儲網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)節(jié)點檢驗后才能記入?yún)^(qū)塊鏈，退役電池用戶、梯次利用企業(yè)傳統(tǒng)中心化組網(wǎng)機制與基于區(qū)塊鏈的分布式組網(wǎng)機制對比，如圖4 所示。

圖4 動力電池數(shù)據(jù)存儲鏈分布式組網(wǎng)機制

3.1.3 確保數(shù)據(jù)一致性

利用區(qū)塊鏈的共識機制保障電池數(shù)據(jù)的準確性、權(quán)威性以及可靠性，防止數(shù)據(jù)區(qū)塊被篡改和節(jié)點造假，確保節(jié)點間數(shù)據(jù)一致［24］。共識機制通過保證各個節(jié)點的數(shù)據(jù)一致性實現(xiàn)了信息共享功能，從而解決了第三方信任問題；此外，利用區(qū)塊鏈的不可篡改特點和共識機制，可建立安全可靠的電池數(shù)據(jù)共享通道。

3.1.4 實現(xiàn)智能合約制

利用智能合約實現(xiàn)電池信息存儲鏈的可編程、數(shù)據(jù)透明且不可篡改和永久運行［25-26］。智能合約在編寫完成后就會用于電池數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，即被傳輸?shù)剿羞B接到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點上。

綜上，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電池信息存儲鏈，使得電池的每次交易都是可追溯的，則不拆解電池包直接進行整包梯次利用成為可能，是行業(yè)內(nèi)性價比最高的一種應(yīng)用方式。

3.2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的動力電池梯次利用方案

動力電池服役電動汽車結(jié)束后進入的梯級利用場景可分為：電池剩余容量為80%～90%時，可進入充電站儲能場景；65%～80%時，可用于商業(yè)用儲能站；50%～65%時，可進入低速電動汽車場景；30%～50%時，可用于電動三輪車；15%～30%時，可進入電動摩托車場景；0%～15%時，則進入拆解報廢環(huán)節(jié)。本研究提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電池梯次利用方案，主要通過電池信息存儲鏈實現(xiàn)去中心化、不可篡改性、智能合約制及數(shù)據(jù)一致性，精準界定電池進入不同場景的電量節(jié)點，實現(xiàn)電池價值最大化。梯次利用架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 基于區(qū)塊鏈的退役動力電池梯次利用架構(gòu)

3.2.1 一級利用場景價值分析

一級利用場景是電池服役于電動汽車期間，電池檢測合格出廠交付給電動汽車服役，充電模式為充電樁或自主換電模式。通過區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)層支撐技術(shù)，電池生產(chǎn)商成為電池信息存儲鏈的第一層分布節(jié)點，電池原產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)塊中作為電池信息鏈的初始數(shù)據(jù)塊，并進行全網(wǎng)廣播，如容量、充放電電壓、電芯數(shù)等。根據(jù)按時序存儲于數(shù)據(jù)塊中的電池數(shù)據(jù)，實時得到電池的剩余壽命，精準確定各電池的退役時間，避免因工況不同造成電池過度服務(wù)或價值浪費。電動汽車自主換電模式通過集中型充電站對大量電池集中存儲、集中充電、統(tǒng)一配送，在電池配送站內(nèi)集電池調(diào)配、更換及其他服務(wù)于一體。實現(xiàn)峰谷分時充電，利于調(diào)峰調(diào)頻、促進新能源消納、提供緊急功率支撐，儲能在保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行方面發(fā)揮著重要作用。

3.2.2 二級利用場景價值分析

大型儲能系統(tǒng)對電池循環(huán)壽命有更高要求，即要求退役電池具有較高一致性，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電池信息存儲鏈解決了該難題，則電池二級利用場景可匹配能源互聯(lián)網(wǎng)儲能場景［27］。不同型號、種類的動力電池在經(jīng)過不同時間的服役后，其性能和壽命都發(fā)生了不同程度的變化，且因經(jīng)歷的服務(wù)場景和電池原性能不同，導(dǎo)致退役電池一致性差的致命缺陷，存在著斷崖式衰減等失效問題。區(qū)塊鏈技術(shù)將電池在使用過程中的全部信息按照時序全部存儲，且不可篡改，則回收主體可便捷獲取透明公開數(shù)據(jù)，計算可得電池的性能、剩余壽命等數(shù)據(jù)。同時，在不同梯級間交易時，有助于消除電池二次交易市場的信息不對稱和信息偽造篡改，實現(xiàn)減少電池的檢測成本、時間成本及因信息不對稱造成的議價成本，即在接收電池的第一時間通過查詢時序化數(shù)據(jù)便可以對電池進行準確篩選和再利用分組，避免了檢測過程對電池本身造成的性能消耗，提高了電池利用率和工作效率，充分發(fā)揮了電池的剩余價值，也保障了電池梯次利用的安全性，為能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了新契機。

3.2.3 梯次利用的第三梯級

動力電池從大型儲能系統(tǒng)退役后，可階梯進入商業(yè)用儲能站、低速電動汽車、電動三輪車、電動摩托車場景，電池剩余容量為0%～15%時進入拆解報廢環(huán)節(jié)，通過提煉廢舊電池中的鋰、鈷等可再利用金屬電極材料，達到回收材料用于重新制造的目的。為簡化模式效益計算，本文只設(shè)計三級利用場景，即電動汽車服役場景—能源互聯(lián)網(wǎng)儲能場景—提煉場景。

4 方案分析

4.1 不同梯次利用模式對比分析

傳統(tǒng)電池梯次利用模式主要有兩種：一是直接從電池使用者處回收淘汰電池；二是第三方機構(gòu)對電池進行統(tǒng)一回收，電池再利用領(lǐng)域從第三方機構(gòu)進行購買。其中較為成熟的是通過第三方機構(gòu)大量收購?fù)艘垭姵亍? 種模式對比如表1 所示，在傳統(tǒng)模式下，第三方機構(gòu)再加工的成本，抬高了退役電池的收購價格，且可能對電池進行偽造，存在不當牟利行為，使電池價格高居不下；而采用區(qū)塊鏈技術(shù)的梯次利用模式進行了去中心化、去信任化的處理，具有價格真實、數(shù)據(jù)全面、消除信息不對稱、退役電池供應(yīng)處主動競爭因而價格低廉合理等優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)模式中第三方機構(gòu)中心化帶來的價格高、回收渠道壟斷問題。

表1 動力電池傳統(tǒng)梯次利用模式與基于區(qū)塊鏈模式的比較

在區(qū)塊鏈去中心化基礎(chǔ)上，各個獨立退役電池供應(yīng)商和電池再利用領(lǐng)域的企業(yè)可以進行點對點交易，每個節(jié)點都具有高度自治的特征，從而在梯次利用的交易系統(tǒng)中形成開放式、扁平化、平等性的架構(gòu)，則基于區(qū)塊鏈的梯次利用模式可以較低價格買到較高質(zhì)量電池，兼具電池質(zhì)量可靠特點。如圖6 所示。

圖6 區(qū)塊鏈解決退役動力電池中心化問題

4.2 不同梯次利用模式下的經(jīng)濟性分析

本文以一組電池為例進行經(jīng)濟效益分析。假設(shè)一組電池的成本為Q，則產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為

式（1）中：P為梯次利用凈收益；P1為梯次利用總收益；TranC為梯次利用交易成本；Q為電池初始成本。具體公式如下：

式（2）中：Ci為電池的第i利用梯級收益，i=1,2,3；ki為電池各梯級每單位容量收益；hi為該梯級可利用容量，單位容量成本為v。

此外：

式（4）～（6）中：TranCi為梯級轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的交易費用，i=1,2；m為交易費用系數(shù)，約為0.50～0.15，本文取0.10。

對比分析3 種模式，由于基于區(qū)塊鏈的梯次利用方式同時兼顧價格低和質(zhì)量好的優(yōu)點，因此將基于區(qū)塊鏈的電池各梯級每單位容量收益設(shè)定為常數(shù)ri，該梯級可用容量設(shè)定為常數(shù)ui。為了具體說明區(qū)塊鏈的優(yōu)勢，通過考慮3 種模式的差異，假設(shè)相對權(quán)重進行定量計算。不同模式下各梯級每單位電量收益和各梯級可用容量與區(qū)塊鏈利用模式下的相對權(quán)重如表2 所示。

表2 不同梯級利用模式下動力電池容量收益相對權(quán)重

則各梯級單位電量收益設(shè)定為ki，該梯級可用容量設(shè)定為hi：

式（7）中：i=1,2,3 分別代表用戶處直接收購、第三方機構(gòu)收購和基于區(qū)塊鏈的3種梯次利用模式。

根據(jù)目前兩種傳統(tǒng)梯次利用模式，以電動汽車60 度容量電池為例，成本為6.6 萬元，則單位容量成本v=1 100 元。不同梯級階段單位容量收益ri和可用容量ui取值如表3 所示。

表3 動力電池不同梯級單位容量收益和可用容量取值

則一組電池在不同梯次利用模式下因提高電池利用率增加的總經(jīng)濟效益P為：用戶處直接收購PA=0.156 6 萬元；通過第三方機構(gòu)收購PB=0.252 8 萬元；基于區(qū)塊鏈模式PC=0.387 9 萬元。以2030 年我國純電動汽車保有量為1 億輛預(yù)估計算，基于區(qū)塊鏈模式因提高電池利用率增加的收益約為3 879 億元，相比前兩種梯次利用方案的增值分別為2 313 億元、1 351 億元，增幅分別約147.7%和53.4%。

5 結(jié)論

針對電動汽車電池梯次利用過程，本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)提出了電池三級梯次利用方案。利用區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、分布式組網(wǎng)機制、共識機制等建立電池全生命周期的信息存儲鏈，有效地解決影響梯次利用發(fā)展的電池剩余性能不明及相關(guān)問題；同現(xiàn)行的梯次利用模式相比，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的動力電池梯次利用方案具有價格更低且更可靠的優(yōu)點，不僅大幅度提高了電池的利用率，而且?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟效益。

區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用為動力汽車的長期發(fā)展和退役電池的利用提供了新的思路，但在技術(shù)和管理層面還有許多問題需要解決，主要包括：（1）基于區(qū)塊鏈的電池梯次利用與傳統(tǒng)的電池回收利用模式相比，數(shù)據(jù)公開透明的實現(xiàn)需要全國電池廠商和流通階段汽車企業(yè)的協(xié)同配合，且去中心化和去信任化涉及多個領(lǐng)域，安全有效的電池信息存儲鏈的建立需要大量的技術(shù)攻關(guān)；（2）區(qū)塊鏈技術(shù)的實現(xiàn)需要消耗大量資源進行分布式存儲和處理，減小集中式管理難度、降低成本需要充分發(fā)揮去中心化的優(yōu)勢，因此在多重、不同應(yīng)用場景充分發(fā)掘退役電池的剩余價值以達到預(yù)期的應(yīng)用效果仍需進行深入細致的研究。

區(qū)塊鏈技術(shù)在電池梯次利用領(lǐng)域的應(yīng)用雖然剛剛探索，但新思路的出現(xiàn)無疑為電動汽車及動力電池梯次利用提供了發(fā)展契機，為電池梯次利用行業(yè)提高了資源利用率、降低了電池回收價格等，有望為電動汽車的良好持續(xù)發(fā)展、電池梯次利用的規(guī)范化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)揮巨大推動作用，并將作為“車-源-網(wǎng)”新商業(yè)模式的核心技術(shù)。