废旧动力电池逆向物流模式及回收网络研究

朱凌云 陈 铭

上海交通大学机械与动力工程学院，上海，200240

0 引言

环境污染和资源衰竭问题日益严重，大力推广新能源汽车成为我国汽车行业发展的一项重大举措。自2015年以来，中国新能源汽车连续三年销量全球第一，增速均超过50%[1]。根据中国汽车工业协会的数据，2017年中国新能源汽车产销达到77.7万辆[2]。电动汽车的推广必然导致动力电池的报废问题，由于动力电池含有重金属Ni和Co以及危害环境的电解液[3-4]，若处理不当，将会污染环境和浪费资源。在电池回收相关法规建设方面，国务院办公厅印发了《生产者责任延伸制度推行方案》，指出了实施生产者责任延伸制度的重要意义。《汽车产品回收利用技术政策》和《电动汽车动力电池回收利用技术政策(2015 年版)》规定了电动汽车生产企业负责或主要承担废旧动力电池的回收利用责任。2018年，工信部等七部门印发《新能源汽车动力蓄电池回收利用试点实施方案》，提出要开展动力蓄电池的回收利用试点工作，以促进废旧动力电池回收体系、商业模式等方面的发展。上汽集团是电动汽车及其配套动力电池的制造商，根据我国现行政策规定，上汽集团要负责或主要承担其生产的废旧动力电池的回收利用责任。

废旧动力电池的回收过程实际上就是一个逆向物流的过程[5]，国内外已有大量集中于逆向物流评价指标和回收模式选择方面的研究。王国志等[6]、任鸣鸣等[7]基于模糊综合评价方法分别讨论了制造业和家电企业的逆向物流模式选择问题，但没有进一步构建逆向物流回收网络。ABDULRAHMAN等[8]讨论了阻碍中国制造业逆向物流发展的关键因素，但没有对逆向物流模式选择和回收网络展开讨论。RAVI等[9]将经济、法律、企业形象和环境作为废旧计算机回收方案的选择依据，但并未考虑在逆向物流中十分重要的技术和管理因素。BRONISLAW等[10]从成本上考虑回收网络的建立，以优化汽车回收拆解设备的定位。在废旧电池的逆向物流研究方面，姚海琳等[11]借鉴国外经验，建立了包含报废汽车回收拆解企业、4S店、汽车维修店、电池经销商和电池生产企业等利益相关方的废旧动力电池回收网络。谢英豪等[12]根据电池的来源和组成，将动力电池回收商业模式划分为生产者责任制、整车回收和强制回收的回收模式，但没有进一步讨论回收模式的选择和应用。黎宇科等[13]讨论了整车销售模式和电池租赁模式下动力电池的回收网络设想，但未能体现电动汽车制造商对动力电池的回收主要责任。

总体来讲，目前针对我国电动汽车动力电池开展的逆向物流研究仍然较少，且极少有将分析结果与实体企业进行结合的案例应用，大多数仅限于理论模型研究。另外，一些逆向物流的商业模式或回收网络的建立仅凭经验而无定性和定量的分析过程。因此，本文针对上汽集团电动汽车产生的废旧动力电池，采用模糊综合评价法定性、定量分析废旧动力电池的逆向物流模式选择，并根据对评价结果和利益相关方的分析，建立适合上汽集团的废旧动力电池回收网络。

1 对象与方法

1.1 研究对象

在本研究中，逆向物流的研究对象是上汽集团电动汽车产生的废旧动力电池。从表1中可以看出，上汽集团生产的电动汽车使用的动力电池为三元锂离子电池或磷酸铁锂电池。

1.2 研究方法

目前，常用的逆向物流决策方法有模糊综合评价法、主成分分析法、层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)等[14]。主成分分析法是通过少数几个原始指标的线性组合来解释原始指标所含的绝大多数信息的一种多元统计方法。层次分析法把复杂问题分解成各个组成因素进而形成层次结构，并根据这些因素的相对重要性，给出排序和权重。逆向物流系统的建立和运作受到内

表1 上汽集团生产的电动汽车及采用的动力电池Tab.1 EVs produced by SAIC and EVs’ battery types

外部众多因素的影响(表2)，当企业进行逆向物流模式选择和回收网络建立时，由于存在一定的不确定性和模糊性，因此无法快速确定关键影响因素以形成合理的决策。模糊综合评价法是基于模糊数学，在系统受到多种不确定性因素制约时常用的一种综合评价方法，该方法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价[15]。在逆向物流模式选择方面，国内一些学者开展了针对制造企业[6]、出版业[16]和废旧家电[17]等典型行业的模糊综合评价研究，得到了不错的反馈结果。因此，本文采用模糊综合评价法来研究废旧动力电池逆向物流模式和回收网络。

在模糊综合评价过程中，权重的确定十分关键。权重的确定方法很多，在实际运用中常用的方法有：层次分析法、专家调查法和加权平均法等[15，18]。其中，层次分析法是一个常用的确权方法，它把复杂问题中的各因素划分为互相联系的有序层使之条理化，特别适宜于难以用定量指标进行分析的复杂问题[15]。隶属度函数是模糊综合评价的另一关键问题，由其确定模糊评价矩阵。常用的隶属度函数确定方法有模糊统计法、例证法、二元对比排序法和专家直接评价法等[19]。由于逆向物流应用到行业和企业的过程中，存在着很多指标无法量化和记录的情况，因此，本文在决策过程中，组织了行业内和企业内的专家及相关管理人员，分别采用层次分析法和模糊统计法处理模糊综合评价中的权重分配及隶属度函数问题。

表2 基于宏观内外因素的逆向物流评价指标体系Tab.2 The reverse logistics indicator system based on macroeconomic factors

本文总体的研究思路如图1所示。首先综合分析和归纳企业逆向物流运作的内外部因素，构建逆向物流模糊评价指标体系(因素集)。然后，一方面采用AHP方法确定各指标的权重；另一方面，结合上汽集团的发展现状，基于因素集和评价集建立相应的模糊评判矩阵，完成模糊综合评价。最后,根据对三种逆向物流模式的模糊综合评价结果的分析，选择适合上汽集团的逆向物流模式，并结合对废旧动力电池逆向物流各环节和相关利益方的分析，建立适合于上汽集团发展的废旧动力电池的回收网络。

图1 模糊综合评价法流程Fig.1 The flow of fuzzy comprehensive evaluation method

2 废旧动力电池逆向物流模式的模糊综合评价

2.1 评价指标体系

进行模糊综合评价之前，首先要建立科学合理的评价指标体系。目前，逆向物流评价指标体系的建立主要采用两种方法：一种是基于对宏观的内外影响因素的收集、分析和归纳，如表2所示，将评价指标归纳为政策、经济、管理、基础建设、技术、市场等因素[6,8,9,20-25]； 另一种是选择微观的、已经固定存在的指标体系方法，例如，一部分学者采用平衡记分卡方法(包含四个评价指标：财务、顾客、业务流程、学习创新)对逆向模式选择和物流绩效进行评价[26-27]。王兆华[28]运用扎根理论将影响企业实施逆向物流因素的指标体系分为法律政策、生产者环保压力、生产者延伸责任制度实施成本、环保意识、消费者的回收能力。甚至还有学者基于生命周期方法的环境影响指标体系对逆向物流模式进行评价[29]。

在评价指标系统建立时，考虑到我国废旧动力电池逆向物流的发展仍处于起步阶段，行业的回收体系和商业模式尚未建立，逆向物流的相关设施较为落后，而且逆向物流服务商的专业化水平也很低，一些微观的数据尚未形成或者无法定量，所以，在建立指标体系时应尽可能地宏观和概括，指标设置得太具体和细化反而不利于分析和决策。因此，本文将采取第一种方式建立废旧动力电池逆向物流模式的评价指标体系，将表2涉及到的指标重新进行类比和综合归纳，建立包含经济、技术、管理和社会四大类要素的指标体系，并将其他相关的因素概括到四大因素的下一层，如表3所示。

表3 废旧动力电池逆向物流模式的指标体系Tab.3 The indicator system of waste battery reverse logistics mode

2.2 模糊综合评价过程

2.2.1设定评价对象的因素集(论域)U和评语集V

根据模糊综合评价指标体系，因素集U分为两层，对应着两个层次的指标，其中，第一层为U={u1,u2,u3,u4}, 第二层为u1={u11,u12,u13,u14},u2={u21,u22,u23,u24},u3={u31,u32,u33},u4={u41,u42,u43},评语集V={好，较好，一般，差}。

2.2.2AHP法确定因素的权重

采用AHP方法，先确定第二层因素对第一层因素的重要程度，然后确定第一层因素对逆向物流模式选择的重要程度。同时，由于在因素集建立过程中并未侧重考虑将采取的是哪一种逆向物流模式，而是基于逆向物流自身的行业属性,因此，由AHP方法确定的权重结果可作为三种逆向物流模式的因素权重。

首先，通过专家调查法确定相应的比较矩阵，包括第一层因素比较矩阵A和第二层因素比较矩阵A1、A2和A3； 然后，计算各个矩阵的最大特征值及其对应的特征向量，并基于以上结果对每个比较矩阵进行一致性检验。对于符合一致性检验的特征向量进行归一化处理，作为对应因素的权重值。计算如下：

结果如表4所示，各个比较矩阵的一致性评价指标均小于0.1。因此，对各个特征向量进行归一化得到了相应因素的权重，分别为W、W1、W2、W3和W4。其中，W为第一层权重，其他为第二层权重。

表4 AHP权重计算结果Tab.4 The results of AHP weight calculation

2.2.3构造模糊评判矩阵(自营模式)

本文首先对自营模式进行模糊综合评价，然后分别评价联营模式和外包模式。构造第二层各因素的单因素模糊评判矩阵时，采用模糊统计法来确定隶属度函数关系。组织相关专家及企业中高层管理人员基于上汽集团废旧电池回收现状和发展前景，按照评语集的四个级别对各个因素进行评价。然后，将某因素i获得第j级评价的次数与评价总次数的比值作为该因素的隶属度(频率)Rij，并以此来构建模糊评判矩阵R。具体计算如下：

式中，Mij为第i个因素获得第j个评语级别的隶属度的次数。

2.2.4模糊综合评价(自营模式)

首先，对自营模式的低层(第二层)因素集进行模糊评价，利用算子M(·,⊕)计算低层模糊评价向量B1、B2、B3和B4，其中

同理计算得到

B2=W2·R2=(0.249 3,0.322 8,0.306 2,0.121 8)
B3=W3·R3=(0.358 5,0.416 9,0.180 2,0.044 3)
B4=W4·R4=(0.511 1,0.305 8,0.127 4,0.025 4)

然后，对自营模式的高层(第一层)因素集进行模糊评价，仍然利用算子M(·,⊕)计算高层模糊向量B。其中，高层模糊综合评判矩阵RZ=[B1B2B3B4], 高层的权重为W，有

模糊评价结果显示，评语集中第一个元素(0.425 5)最大。根据最大隶属度原则，上汽集团选择自营模式处理废旧动力电池的综合评价为“好”。

采用加权平均法，设定评语集V的分数为C=(4,3,2,1),对自营模式的逆向物流的综合评分结果为

CZ=

3.142

2.2.5联营和外包模式的逆向物流模糊综合评价

(1)综合模糊评价。按照自营模式的模糊综合评价过程，可以得到联营模式和外包模式的底层评判矩阵、底层评价结果和高层评价结果，如表5所示。

表5 联营模式和外包模式的模糊综合评价结果Tab.5 The fuzzy comprehensive evaluation results of joint venture and outsourcing model

由表5中的高层模糊评价结果可知，根据最大隶属度原则，联营模式的逆向物流综合评价等级为“好”级别,而外包模式的逆向物流综合评价的等级仅为“一般”级别。

采用加权平均法，联营模式的逆向物流综合评分结果为

CL=

3.060 2

而外包模式的逆向物流综合评分结果为

CW=

2.584 9

综上分析可知，上汽集团的废旧动力电池采用自营模式和联营模式都能取得好的效果，而三种逆向物流模式的适合程度排序为：自营>联营>外包。

(2)影响因素(第一层)的模糊评价。对高层的模糊评价结果进行隶属度分析和加权平均，可以得到三种逆向模式的评价等级和综合得分。同理，对底层的模糊评价结果进行隶属度分析和加权平均，可以得到三种逆向模式下影响因素(第一层)的评价等级和综合得分，可以用于细化回收模式的选择和指导回收网络的建立。底层的模糊评价结果的隶属度分析和综合评分结果如表6所示。

表6 底层的模糊评价结果的隶属度分析和综合评分Tab.6 The fuzzy membership degree analysis and evaluation scores of the factors

由表6可知，在经济方面和社会方面，自营模式和联营模式均具有好的适合程度。因为这两种模式能够更好地发挥规模经济的优势，同时也能降低废旧动力电池逆向过程中的运输成本，促进逆向物流行业的发展。另一方面，两者比外包模式能更直接地体现汽车制造商对生产者延伸责任的遵守，是企业核心竞争力的一部分。

在技术方面，外包模式更适合电池回收行业的发展。因为外包的主体单位是动力电池回收企业，其在电池回收行业内一般处于技术领先地位，能更好地将技术转化为回收收益，并能有效提高处理效率并节约成本。

在管理方面，自营模式得分最高。在自营模式中，废旧动力电池的管理和反馈信息能够更加直接和高效。同时，企业在逆向物流过程中的交易成本更加透明，能够减少成本预算的不确定性。另外，自营模式也能极大地避免另外两种模式存在的商业机密信息泄露的风险。

3 上汽集团废旧动力电池回收网络

本文基于逆向物流三种模式以及指标体系因素的模糊评价结果，结合对上汽集团开展废旧动力电池回收的行业上下游利益相关企业的分析，以及对逆向物流各环节的具体流程考察，建立了适合于上汽集团发展的逆向物流回收网络(图2)。

图2 上汽集团废旧动力电池回收网络(虚线表示逆向物流，实线表示正向物流)Fig.2 SAIC group’s waste EV battery recycling network(Dash line indicates reverse logistics, solid line indicates forward logistics)

上文结果显示，高层模糊评价认为，自营模式在废旧动力电池回收模式中更加适合上汽集团，低层模糊评价也证实了自营模式在经济和管理方面的优势。然而，在技术方面，自营模式远不及外包模式得分高。因此，本研究考虑建立一种以自营模式为基础的复合型回收网络，将废旧动力电池逆向物流中的回收收集以及预处理环节交给企业自营，将报废动力电池处理和资源回收利用环节外包给电池回收企业处理。这样一来，上汽集团既能发挥自身在经济上和管理上的优势，又能将处置电池的最终工作交给更加专业的电池回收企业来处理。既能保证效率、降低成本和保障信息安全(在预处理阶段解决)，又实现了自身对生产者延伸责任制度的履行，同时还能促进废旧电池的资源回收利用及循环经济的发展。

3.1 利益相关者分析

上汽集团的废旧动力电池回收网络中的利益相关者主要包括：电池制造商、汽车制造商、汽车销售商、消费者、报废汽车拆解企业、报废电池处理中心和下游的废物回收企业以及电池材料回收企业。其中，电池制造商是由上汽集团和宁德时代合资建立，也属于汽车制造商范畴。电动汽车制造商有上汽荣威、上汽名爵和上汽大通以及合资运营的上汽通用和上汽大众。报废汽车拆解企业可以将电动汽车整车进行拆解，分离出废旧动力电池。上汽集团自营处理中心主要负责对报废电池安全回收收集、运输和储存管理，对电池包的安全拆解，对报废电芯进行信息安全处理以及安全包装与运输。废物回收处理企业处理废旧动力电池拆解产生的固体废物，回收其中的金属、塑料等材料，对没有回收价值的材料进行无害化处置。电池材料回收企业对来自报废电池处理中心的电芯进行有价值材料的回收再利用和无价值材料的无害化处理。

3.2 回收网络

基于上汽集团情况建立的复合型废旧动力电池回收网络如图2 所示。在正向物流过程中，由上汽集团与宁德时代合资的电池生产企业，提供动力电池给上汽乘用车和上汽大众生产的电动汽车，然后经由汽车经销商到达消费者手中。

在逆向物流过程中，消费者在使用电动汽车一段时间后，可能会到4S店更换性能不足或者完全报废的动力电池，或者参加由汽车制造商授权的“以旧换新”或电池召回等商业活动。报废电池从消费者手中流向汽车经销商，并最终流向自营的报废电池处理中心。同时，消费者也可以将电动汽车以整车报废的方式交由汽车拆解企业来处理，报废电池被分离后，最终也将流向自营处理中心。另外，电池厂在电池生产以及电动汽车制造商的整车测试过程中，均可能产生不合格的动力电池，也将交由处理中心处置。最终，报废动力电池经由上汽集团处理中心预处理后，对由拆解产生的固废交由下游的废物回收处理企业处置，对经预处理后的报废电芯交由下游的电池回收企业来处理，处理方式主要包括梯次利用、资源回收利用和无害化处置。

理论上来讲，企业废旧动力电池的逆向物流应该包括对电池回收处理[30-31]，但是，就目前上汽集团的发展现状而言，以自营逆向物流模式开展彻底的电池回收处理，在技术方面尚存在不小的困难；因此，短期内可行的方法如上所述，自营的报废电池处理中心对废旧动力电池开展电池包的拆解与电芯的信息安全处理，并将报废电芯交由专业化水平较高的废旧电池回收企业来处理。这样，不仅体现了上汽集团对生产者延伸责任制度的遵守和对企业社会责任的承担，也能够发挥出回收网络中上下游企业的最大潜能。

3.3 回收网络发展建议

未来在上汽集团电池回收的逆向物流建设中，除了加大对回收处理中心基础建设的投入外，还要规范化废旧动力电池包的回收收集以及储存过程，这对企业逆向物流的专业化水平和电池的处理技术提出了要求。

对此，一方面，可以借鉴国家退役动力电池和危险废弃物处理的相关标准和规范，例如《车用动力电池回收利用拆解规范》、《车用动力电池回收利用余能检测》和《危险废物收集 贮存 运输技术规范(HJ 2025—2012)》，以及行业和地方颁布的废旧动力电池处理规范文件；另一方面，企业应该与电池回收企业加强技术交流与合作，提高自身的逆向物流专业化水平，完善逆向物流的回收网络体系建设。例如，邦普循环科技有限公司在废旧电池回收技术与NCM三元材料前躯体的回收再利用方面达到了国内领先水平。邦普集团除了独立建设动力电池回收站点外，也在和主机厂、电池厂探索共建的回收网络。

同时，企业应该与高校科研院所等机构开展产学研项目合作交流，推进和突破废旧动力电池的回收处理技术。电动汽车生产企业还应该积极加入到报废汽车和动力电池回收相关的行业协会中(如汽车产品回收利用产业技术创新战略联盟、中国汽车动力电池产业联盟和中国再生资源产业技术创新战略联盟等组织)，与行业内同性质企业及下游相关企业加强交流与学习，实现更高水平和更加深入的废旧动力电池逆向物流管理。

4 结论

本文针对上汽集团的废旧动力电池回收处理问题，基于模糊综合评价方法实现了对逆向物流模式的分析及选择，并结合各种模式下的优势和特点，构建了适合于上汽集团的废旧电池回收网络。在模糊评价中，基于宏观的经济、技术、管理和社会因素建立了模糊评价的指标体系。针对上汽集团电池回收的现状和发展前景进行了专家调研，采用模糊统计法构建了模糊评判矩阵，并利用AHP法对各个因素进行了权重分配。结果显示，自营模式在整体上更加适合上汽集团的废旧动力电池逆向物流的发展。在经济和管理因素方面，自营模式优势明显。在技术因素方面，外包模式最为突出。

基于逆向物流三种模式以及指标体系因素的模糊评价结果，结合对上汽集团开展废旧动力电池回收的上下游利益相关企业的分析，以及对逆向物流各环节的具体流程考察，建立了现阶段适合上汽集团发展的以自营模式为基础的复合型逆向物流回收网络。本研究体现了模糊综合评价法在处理评价因素具有不确定性和模糊性时的良好效果。同时，在我国废旧动力电池尚未形成大规模的累积和动力电池回收法规尚未完全强制执行之际，开展逆向物流模式和回收网络研究对电动汽车制造商及整个电池回收行业而言均具有一定的指导意义。