基于区块链技术的动力电池梯次利用研究

张梅梅，李筱笛，马利波

（1.华北电力大学经济管理系；2.华北电力大学电力工程系，河北保定 071003）

1 研究背景

随着全球范围内的资源消耗与环境污染日益严峻，电动汽车市场增长迅速，但随之也带来了退役电池的安全隐患和资源回收压力。若退役动力电池采取常规的处理方式，如填埋、焚烧等，废旧电池中的有害金属或其他化合物将对土地、大气和水资源造成极大污染和危害。对退役电池进行精细化梯次利用，可以充分发掘电池剩余价值和减少资源浪费［1］，提高电池利用的经济价值、环境价值及社会价值。

当前针对退役电池的收集、分拣和回收处理进行了技术分析［2-4］；通过测试退役电动车（EV）电池性能进行绩效评估，获取电池衰减状态，以提高其梯次利用的效率［5-7］；研究退役电池单体重组筛选性能相近的电池单体，为优化电池配置提供了理论依据［8-9］；探索退役锂离子电池梯次利用的应用场景［10］等。但针对梯次利用的研究主要集中在利用常规方法进行电池的粗略筛选、再次检测评估和应用场景分析，且主要针对单体电池，电池模组的检测仍存在技术阻碍。这些研究对于判断电池性能的指标检测不准确，存在技术误差和数据遗漏等问题，也忽略了检测对电池本身带来的二次伤害和消耗的时间和价值成本。

本文针对退役电池性能不明问题提出一种基于区块链的电池梯次利用方案。区块链技术除应用于金融领域外，还逐步在物联网、用电数据收集、物流行业等领域展开实践［11-13］。基于区块链技术建立电池从出厂开始的全生命周期信息存储链，实现对电池每次充电过程的电流电压、充放电完成后电池容量及电阻等指标的变化进行全生命周期记录，据此实现每个应用场景退役时均可快捷获取电池性能指标，减少电池回收后的再次检测和评估，快速进行精准筛选和分组利用，更安全高效地应用于下一级场景，大幅提高电池利用价值，充分发挥电池的性能并避免资源损失。

2 动力电池梯次利用分析

动力电池的制造、使用、维护、拆解重组以及再次使用是一个完整的生命周期［14］。梯次利用主要是通过退役电池的检测和筛选，准确判断其剩余价值及再使用性，据此规划退役电池梯度等级及应用场景。如应用于电网削峰填谷与频率平衡、储能、偏远地区分布式供电、低速电动车等领域［15］。可见，电池梯次利用可以缓解能源压力、增大电池剩余价值，降低电动汽车成本，催生电池利用的新场景、新模式、新业态，因此动力电池梯次利用的市场研究价值较大。

2.1 梯次利用过程

当前退役动力电池的梯次利用过程为：动力电池服役完电动汽车后，由电池再利用企业进行统一收集，在电池拆解线上将废旧电池拆解，获得电池模块并对其进行筛选，将再利用性高且充放电性能较好的模块进行重组，组装电池管理系统、电池外壳等，将重组电池模组或系统应用于其他对电池性能要求低的场景，如图1 所示。回收企业通过自动拆解线，将拆解下来的电池包等材料销售给金属提炼企业或材料回收企业，实现材料的回收，再将拆解得到的电池模块通过检测分级，把电池模块按照性能进行分拣，将一致性好且容量相近的电池模块组合，组装电池管理系统及电池包等，通过检测认证将合格的重组电池根据需求销售给终端客户，应用于其他领域。

图1 动力电池梯次利用全过程

2.2 动力电池梯次利用难点分析

退役电池梯次利用的两个关键环节包括：第一，对退役电池进行检测和筛选，以便将安全可靠且一致性强的电芯进行整修和重新配组；第二，根据电池组的性能评估，找到重组电池系统适合的梯次利用场景。在上述环节中，动力电池梯次利用的主要难点有：

（1）对退役电池的诊断和筛选效率偏低。由于各电池厂商出厂电池的种类、容量、规格、充放电方式各有差异，且不同类型的电芯、模组、系统在不同工况下服役后性能劣变的程度不同，因此每个电芯或电池模组的剩余性能、安全性和可靠性均不一致，需要对电池进行检测，筛选出有再利用价值的电池［16-17］。现有技术大多针对单体电池，且检测成本较高，严重阻碍了电池梯次利用的应用场景创新。

（2）电池数据存在被篡改的风险。电池梯次利用市场存在为不当牟利而非法篡改伪造电池数据的问题。一方面，收集到的电池可能是经过不当翻新的报废电池；另一方面，部分企业可能对退役电池进行非法拆解和重组后，将其作为成品梯次利用电池进行销售。退役电池的性能、安全性无法得到保证，且不法行为扰乱市场秩序，造成信任危机。

（3）电池信息数据存储不实时全面。梯次利用电池的流通及数据交互如图2 所示，产业链的上下游企业在通信协议、历史数据等重点信息沟通环节仍未标准化，存在缺乏信任、数据存储不透明、资源共享难度大的问题，间接导致电池的安全风险。

图2 动力电池流通及数据溯源

（4）梯次利用标准缺失和缺乏售后质保。梯次利用电池产品标识、安全使用、残值评估规范等系列标准缺失，技术标准缺失、可操作性较差在一定程度上制约了梯次利用行业的发展。对此，可以建立编码制度和可追溯系统来标准化电池管理［18］。

针对上述电池梯次利用的难点问题，利用区块链的时序数据、数据高冗余存储、防止篡改等特点可予以解决。

3 基于区块链技术的动力电池梯次利用方案

区块链是一个分布式的数据库和加密共享账本，具有去信任化、去中心化、时序数据、防篡改伪造等特点，能够实现数据分布式高冗余存储、多节点无差别记录，促进信息的透明和共享［19-20］。区块链技术的实际应用场景分为公有链、私有链、联盟链［21］。公有链适用于对可靠性、安全性有很高标准，但对交易速度要求较低的应用场景；而私有链或联盟链适用于对隐私保护、交易速度和内部监测等要求高的场景［22］。针对电池梯次利用的场景，公有链应用模式相对契合，能实现各个节点之间的双向信任与集体动作一致。

3.1 基于区块链技术的动力电池全生命周期信息存储链构建

3.1.1 实现时序数据的不可篡改性

采用区块链架构中基础数据层的技术，实现电池信息存储链的全过程记录，时序数据不可篡改。从电池出厂—电动汽车服役期每次充电交易—退役再利用场景—电池重度报废提取场景，电池的每次交易数据经过区块包装将被永久记录于区块链上；时间戳和哈希函数将确保存储电池原产数据和使用数据的区块全都按照时间顺序相连接且不能被篡改；非对称加密机制则保证了梯次利用交易系统的安全性，只有系统中的节点能够共享全部数据。如图3 所示。

图3 动力电池数据存储链数据块

3.1.2 实现去中心化

区块链的分布式组网机制可实现电池信息存储链网络中节点的信息交流和记账节点的去中心化［23］；其P2P 分布式组网机制实现了电池信息存储链的自动组网功能和去中心化。在电池信息存储网络中，每个节点均平等且以扁平式网络结构相互连接和交互，每个节点均会承担接收电池数据信息、产生电池使用信息、发现新节点等工作，推动了电池数据存储网络的建立和更新。当且仅当记入区块的电池数据通过电池信息存储网络中大多数节点检验后才能记入区块链，退役电池用户、梯次利用企业传统中心化组网机制与基于区块链的分布式组网机制对比，如图4 所示。

图4 动力电池数据存储链分布式组网机制

3.1.3 确保数据一致性

利用区块链的共识机制保障电池数据的准确性、权威性以及可靠性，防止数据区块被篡改和节点造假，确保节点间数据一致［24］。共识机制通过保证各个节点的数据一致性实现了信息共享功能，从而解决了第三方信任问题；此外，利用区块链的不可篡改特点和共识机制，可建立安全可靠的电池数据共享通道。

3.1.4 实现智能合约制

利用智能合约实现电池信息存储链的可编程、数据透明且不可篡改和永久运行［25-26］。智能合约在编写完成后就会用于电池数据区块链网络，即被传输到所有连接到区块链网络的节点上。

综上，基于区块链技术的电池信息存储链，使得电池的每次交易都是可追溯的，则不拆解电池包直接进行整包梯次利用成为可能，是行业内性价比最高的一种应用方式。

3.2 基于区块链技术的动力电池梯次利用方案

动力电池服役电动汽车结束后进入的梯级利用场景可分为：电池剩余容量为80%～90%时，可进入充电站储能场景；65%～80%时，可用于商业用储能站；50%～65%时，可进入低速电动汽车场景；30%～50%时，可用于电动三轮车；15%～30%时，可进入电动摩托车场景；0%～15%时，则进入拆解报废环节。本研究提出的基于区块链技术的电池梯次利用方案，主要通过电池信息存储链实现去中心化、不可篡改性、智能合约制及数据一致性，精准界定电池进入不同场景的电量节点，实现电池价值最大化。梯次利用架构如图5 所示。

图5 基于区块链的退役动力电池梯次利用架构

3.2.1 一级利用场景价值分析

一级利用场景是电池服役于电动汽车期间，电池检测合格出厂交付给电动汽车服役，充电模式为充电桩或自主换电模式。通过区块链的数据层支撑技术，电池生产商成为电池信息存储链的第一层分布节点，电池原产数据存储于数据块中作为电池信息链的初始数据块，并进行全网广播，如容量、充放电电压、电芯数等。根据按时序存储于数据块中的电池数据，实时得到电池的剩余寿命，精准确定各电池的退役时间，避免因工况不同造成电池过度服务或价值浪费。电动汽车自主换电模式通过集中型充电站对大量电池集中存储、集中充电、统一配送，在电池配送站内集电池调配、更换及其他服务于一体。实现峰谷分时充电，利于调峰调频、促进新能源消纳、提供紧急功率支撑，储能在保障电力系统稳定运行方面发挥着重要作用。

3.2.2 二级利用场景价值分析

大型储能系统对电池循环寿命有更高要求，即要求退役电池具有较高一致性，基于区块链技术的电池信息存储链解决了该难题，则电池二级利用场景可匹配能源互联网储能场景［27］。不同型号、种类的动力电池在经过不同时间的服役后，其性能和寿命都发生了不同程度的变化，且因经历的服务场景和电池原性能不同，导致退役电池一致性差的致命缺陷，存在着断崖式衰减等失效问题。区块链技术将电池在使用过程中的全部信息按照时序全部存储，且不可篡改，则回收主体可便捷获取透明公开数据，计算可得电池的性能、剩余寿命等数据。同时，在不同梯级间交易时，有助于消除电池二次交易市场的信息不对称和信息伪造篡改，实现减少电池的检测成本、时间成本及因信息不对称造成的议价成本，即在接收电池的第一时间通过查询时序化数据便可以对电池进行准确筛选和再利用分组，避免了检测过程对电池本身造成的性能消耗，提高了电池利用率和工作效率，充分发挥了电池的剩余价值，也保障了电池梯次利用的安全性，为能源互联网的发展提供了新契机。

3.2.3 梯次利用的第三梯级

动力电池从大型储能系统退役后，可阶梯进入商业用储能站、低速电动汽车、电动三轮车、电动摩托车场景，电池剩余容量为0%～15%时进入拆解报废环节，通过提炼废旧电池中的锂、钴等可再利用金属电极材料，达到回收材料用于重新制造的目的。为简化模式效益计算，本文只设计三级利用场景，即电动汽车服役场景—能源互联网储能场景—提炼场景。

4 方案分析

4.1 不同梯次利用模式对比分析

传统电池梯次利用模式主要有两种：一是直接从电池使用者处回收淘汰电池；二是第三方机构对电池进行统一回收，电池再利用领域从第三方机构进行购买。其中较为成熟的是通过第三方机构大量收购退役电池。3 种模式对比如表1 所示，在传统模式下，第三方机构再加工的成本，抬高了退役电池的收购价格，且可能对电池进行伪造，存在不当牟利行为，使电池价格高居不下；而采用区块链技术的梯次利用模式进行了去中心化、去信任化的处理，具有价格真实、数据全面、消除信息不对称、退役电池供应处主动竞争因而价格低廉合理等优势，解决了传统模式中第三方机构中心化带来的价格高、回收渠道垄断问题。

表1 动力电池传统梯次利用模式与基于区块链模式的比较

在区块链去中心化基础上，各个独立退役电池供应商和电池再利用领域的企业可以进行点对点交易，每个节点都具有高度自治的特征，从而在梯次利用的交易系统中形成开放式、扁平化、平等性的架构，则基于区块链的梯次利用模式可以较低价格买到较高质量电池，兼具电池质量可靠特点。如图6 所示。

图6 区块链解决退役动力电池中心化问题

4.2 不同梯次利用模式下的经济性分析

本文以一组电池为例进行经济效益分析。假设一组电池的成本为Q，则产生的经济效益为

式（1）中：P为梯次利用净收益；P1为梯次利用总收益；TranC为梯次利用交易成本；Q为电池初始成本。具体公式如下：

式（2）中：Ci为电池的第i利用梯级收益，i=1,2,3；ki为电池各梯级每单位容量收益；hi为该梯级可利用容量，单位容量成本为v。

此外：

式（4）～（6）中：TranCi为梯级转换时产生的交易费用，i=1,2；m为交易费用系数，约为0.50～0.15，本文取0.10。

对比分析3 种模式，由于基于区块链的梯次利用方式同时兼顾价格低和质量好的优点，因此将基于区块链的电池各梯级每单位容量收益设定为常数ri，该梯级可用容量设定为常数ui。为了具体说明区块链的优势，通过考虑3 种模式的差异，假设相对权重进行定量计算。不同模式下各梯级每单位电量收益和各梯级可用容量与区块链利用模式下的相对权重如表2 所示。

表2 不同梯级利用模式下动力电池容量收益相对权重

则各梯级单位电量收益设定为ki，该梯级可用容量设定为hi：

式（7）中：i=1,2,3 分别代表用户处直接收购、第三方机构收购和基于区块链的3种梯次利用模式。

根据目前两种传统梯次利用模式，以电动汽车60 度容量电池为例，成本为6.6 万元，则单位容量成本v=1 100 元。不同梯级阶段单位容量收益ri和可用容量ui取值如表3 所示。

表3 动力电池不同梯级单位容量收益和可用容量取值

则一组电池在不同梯次利用模式下因提高电池利用率增加的总经济效益P为：用户处直接收购PA=0.156 6 万元；通过第三方机构收购PB=0.252 8 万元；基于区块链模式PC=0.387 9 万元。以2030 年我国纯电动汽车保有量为1 亿辆预估计算，基于区块链模式因提高电池利用率增加的收益约为3 879 亿元，相比前两种梯次利用方案的增值分别为2 313 亿元、1 351 亿元，增幅分别约147.7%和53.4%。

5 结论

针对电动汽车电池梯次利用过程，本文基于区块链技术提出了电池三级梯次利用方案。利用区块链的基础数据层、分布式组网机制、共识机制等建立电池全生命周期的信息存储链，有效地解决影响梯次利用发展的电池剩余性能不明及相关问题；同现行的梯次利用模式相比，基于区块链技术的动力电池梯次利用方案具有价格更低且更可靠的优点，不仅大幅度提高了电池的利用率，而且带来了巨大的经济效益。

区块链技术的应用为动力汽车的长期发展和退役电池的利用提供了新的思路，但在技术和管理层面还有许多问题需要解决，主要包括：（1）基于区块链的电池梯次利用与传统的电池回收利用模式相比，数据公开透明的实现需要全国电池厂商和流通阶段汽车企业的协同配合，且去中心化和去信任化涉及多个领域，安全有效的电池信息存储链的建立需要大量的技术攻关；（2）区块链技术的实现需要消耗大量资源进行分布式存储和处理，减小集中式管理难度、降低成本需要充分发挥去中心化的优势，因此在多重、不同应用场景充分发掘退役电池的剩余价值以达到预期的应用效果仍需进行深入细致的研究。

区块链技术在电池梯次利用领域的应用虽然刚刚探索，但新思路的出现无疑为电动汽车及动力电池梯次利用提供了发展契机，为电池梯次利用行业提高了资源利用率、降低了电池回收价格等，有望为电动汽车的良好持续发展、电池梯次利用的规范化和产业化发挥巨大推动作用，并将作为“车-源-网”新商业模式的核心技术。