基于區塊鏈技術的動力電池梯次利用研究

張梅梅，李筱笛，馬利波

（1.華北電力大學經濟管理系；2.華北電力大學電力工程系，河北保定 071003）

1 研究背景

隨著全球范圍內的資源消耗與環境污染日益嚴峻，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，可以充分發掘電池剩余價值和減少資源浪費［1］，提高電池利用的經濟價值、環境價值及社會價值。

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，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，為優化電池配置提供了理論依據［8-9］；探索退役鋰離子電池梯次利用的應用場景［10］等。但針對梯次利用的研究主要集中在利用常規方法進行電池的粗略篩選、再次檢測評估和應用場景分析，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，存在技術誤差和數據遺漏等問題，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塊鏈的電池梯次利用方案。區塊鏈技術除應用于金融領域外，還逐步在物聯網、用電數據收集、物流行業等領域展開實踐［11-13］。基于區塊鏈技術建立電池從出廠開始的全生命周期信息存儲鏈，實現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，據此實現每個應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，更安全高效地應用于下一級場景，大幅提高電池利用價值，充分發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，據此規劃退役電池梯度等級及應用場景。如應用于電網削峰填谷與頻率平衡、儲能、偏遠地區分布式供電、低速電動車等領域［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、新業態，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，由電池再利用企業進行統一收集，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、電池外殼等，將重組電池模組或系統應用于其他對電池性能要求低的場景，如圖1 所示。回收企業通過自動拆解線，將拆解下來的電池包等材料銷售給金屬提煉企業或材料回收企業，實現材料的回收，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，組裝電池管理系統及電池包等，通過檢測認證將合格的重組電池根據需求銷售給終端客戶，應用于其他領域。

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鍵環節包括：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，根據電池組的性能評估，找到重組電池系統適合的梯次利用場景。在上述環節中，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、規格、充放電方式各有差異，且不同類型的電芯、模組、系統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］。現有技術大多針對單體電池，且檢測成本較高，嚴重阻礙了電池梯次利用的應用場景創新。

（2）電池數據存在被篡改的風險。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據的問題。一方面，收集到的電池可能是經過不當翻新的報廢電池；另一方面，部分企業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）電池信息數據存儲不實時全面。梯次利用電池的流通及數據交互如圖2 所示，產業鏈的上下游企業在通信協議、歷史數據等重點信息溝通環節仍未標準化，存在缺乏信任、數據存儲不透明、資源共享難度大的問題，間接導致電池的安全風險。

圖2 動力電池流通及數據溯源

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

針對上述電池梯次利用的難點問題，利用區塊鏈的時序數據、數據高冗余存儲、防止篡改等特點可予以解決。

3 基于區塊鏈技術的動力電池梯次利用方案

區塊鏈是一個分布式的數據庫和加密共享賬本，具有去信任化、去中心化、時序數據、防篡改偽造等特點，能夠實現數據分布式高冗余存儲、多節點無差別記錄，促進信息的透明和共享［19-20］。區塊鏈技術的實際應用場景分為公有鏈、私有鏈、聯盟鏈［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用場景；而私有鏈或聯盟鏈適用于對隱私保護、交易速度和內部監測等要求高的場景［22］。針對電池梯次利用的場景，公有鏈應用模式相對契合，能實現各個節點之間的雙向信任與集體動作一致。

3.1 基于區塊鏈技術的動力電池全生命周期信息存儲鏈構建

3.1.1 實現時序數據的不可篡改性

采用區塊鏈架構中基礎數據層的技術，實現電池信息存儲鏈的全過程記錄，時序數據不可篡改。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，電池的每次交易數據經過區塊包裝將被永久記錄于區塊鏈上；時間戳和哈希函數將確保存儲電池原產數據和使用數據的區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的安全性，只有系統中的節點能夠共享全部數據。如圖3 所示。

圖3 動力電池數據存儲鏈數據塊

3.1.2 實現去中心化

區塊鏈的分布式組網機制可實現電池信息存儲鏈網絡中節點的信息交流和記賬節點的去中心化［23］；其P2P 分布式組網機制實現了電池信息存儲鏈的自動組網功能和去中心化。在電池信息存儲網絡中，每個節點均平等且以扁平式網絡結構相互連接和交互，每個節點均會承擔接收電池數據信息、產生電池使用信息、發現新節點等工作，推動了電池數據存儲網絡的建立和更新。當且僅當記入區塊的電池數據通過電池信息存儲網絡中大多數節點檢驗后才能記入區塊鏈，退役電池用戶、梯次利用企業傳統中心化組網機制與基于區塊鏈的分布式組網機制對比，如圖4 所示。

圖4 動力電池數據存儲鏈分布式組網機制

3.1.3 確保數據一致性

利用區塊鏈的共識機制保障電池數據的準確性、權威性以及可靠性，防止數據區塊被篡改和節點造假，確保節點間數據一致［24］。共識機制通過保證各個節點的數據一致性實現了信息共享功能，從而解決了第三方信任問題；此外，利用區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據共享通道。

3.1.4 實現智能合約制

利用智能合約實現電池信息存儲鏈的可編程、數據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據區塊鏈網絡，即被傳輸到所有連接到區塊鏈網絡的節點上。

綜上，基于區塊鏈技術的電池信息存儲鏈，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，是行業內性價比最高的一種應用方式。

3.2 基于區塊鏈技術的動力電池梯次利用方案

動力電池服役電動汽車結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，則進入拆解報廢環節。本研究提出的基于區塊鏈技術的電池梯次利用方案，主要通過電池信息存儲鏈實現去中心化、不可篡改性、智能合約制及數據一致性，精準界定電池進入不同場景的電量節點，實現電池價值最大化。梯次利用架構如圖5 所示。

圖5 基于區塊鏈的退役動力電池梯次利用架構

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。通過區塊鏈的數據層支撐技術，電池生產商成為電池信息存儲鏈的第一層分布節點，電池原產數據存儲于數據塊中作為電池信息鏈的初始數據塊，并進行全網廣播，如容量、充放電電壓、電芯數等。根據按時序存儲于數據塊中的電池數據，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、統一配送，在電池配送站內集電池調配、更換及其他服務于一體。實現峰谷分時充電，利于調峰調頻、促進新能源消納、提供緊急功率支撐，儲能在保障電力系統穩定運行方面發揮著重要作用。

3.2.2 二級利用場景價值分析

大型儲能系統對電池循環壽命有更高要求，即要求退役電池具有較高一致性，基于區塊鏈技術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網儲能場景［27］。不同型號、種類的動力電池在經過不同時間的服役后，其性能和壽命都發生了不同程度的變化，且因經歷的服務場景和電池原性能不同，導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。區塊鏈技術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據，計算可得電池的性能、剩余壽命等數據。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據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，為能源互聯網的發展提供了新契機。

3.2.3 梯次利用的第三梯級

動力電池從大型儲能系統退役后，可階梯進入商業用儲能站、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%時進入拆解報廢環節，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，本文只設計三級利用場景，即電動汽車服役場景—能源互聯網儲能場景—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；二是第三方機構對電池進行統一回收，電池再利用領域從第三方機構進行購買。其中較為成熟的是通過第三方機構大量收購退役電池。3 種模式對比如表1 所示，在傳統模式下，第三方機構再加工的成本，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；而采用區塊鏈技術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、數據全面、消除信息不對稱、退役電池供應處主動競爭因而價格低廉合理等優勢，解決了傳統模式中第三方機構中心化帶來的價格高、回收渠道壟斷問題。

表1 動力電池傳統梯次利用模式與基于區塊鏈模式的比較

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

圖6 區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濟性分析

本文以一組電池為例進行經濟效益分析。假設一組電池的成本為Q，則產生的經濟效益為

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為梯級轉換時產生的交易費用，i=1,2；m為交易費用系數，約為0.50～0.15，本文取0.10。

對比分析3 種模式，由于基于區塊鏈的梯次利用方式同時兼顧價格低和質量好的優點，因此將基于區塊鏈的電池各梯級每單位容量收益設定為常數ri，該梯級可用容量設定為常數ui。為了具體說明區塊鏈的優勢，通過考慮3 種模式的差異，假設相對權重進行定量計算。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塊鏈利用模式下的相對權重如表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重

則各梯級單位電量收益設定為ki，該梯級可用容量設定為hi：

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

根據目前兩種傳統梯次利用模式，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；通過第三方機構收購PB=0.252 8 萬元；基于區塊鏈模式PC=0.387 9 萬元。以2030 年我國純電動汽車保有量為1 億輛預估計算，基于區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 結論

針對電動汽車電池梯次利用過程，本文基于區塊鏈技術提出了電池三級梯次利用方案。利用區塊鏈的基礎數據層、分布式組網機制、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展的電池剩余性能不明及相關問題；同現行的梯次利用模式相比，基于區塊鏈技術的動力電池梯次利用方案具有價格更低且更可靠的優點，不僅大幅度提高了電池的利用率，而且帶來了巨大的經濟效益。

區塊鏈技術的應用為動力汽車的長期發展和退役電池的利用提供了新的思路，但在技術和管理層面還有許多問題需要解決，主要包括：（1）基于區塊鏈的電池梯次利用與傳統的電池回收利用模式相比，數據公開透明的實現需要全國電池廠商和流通階段汽車企業的協同配合，且去中心化和去信任化涉及多個領域，安全有效的電池信息存儲鏈的建立需要大量的技術攻關；（2）區塊鏈技術的實現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揮去中心化的優勢，因此在多重、不同應用場景充分發掘退役電池的剩余價值以達到預期的應用效果仍需進行深入細致的研究。

區塊鏈技術在電池梯次利用領域的應用雖然剛剛探索，但新思路的出現無疑為電動汽車及動力電池梯次利用提供了發展契機，為電池梯次利用行業提高了資源利用率、降低了電池回收價格等，有望為電動汽車的良好持續發展、電池梯次利用的規范化和產業化發揮巨大推動作用，并將作為“車-源-網”新商業模式的核心技術。