电动汽车电池闭环供应链中优化总利润的定价策略外文翻译资料

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Developing pricing strategy to optimise total profits in an electric vehicle battery closed loop supply chain

电动汽车电池闭环供应链中优化总利润的定价策略

Journal of Cleaner Production

Volume 203, 1 December 2018, Pages 376-385

Xiaoyu Gu, Petros Ieromonachou, Li Zhou, Ming-Lang Tseng

摘要：本文研究了一种由电池制造商和再生产企业组成的三相电动汽车电池回收再利用闭环供应链。与其他产品和现有研究不同，废旧电动车电池在回收前可以立即再用于其他目的，如储能。为了优化不同电池使用期间整个供应链的总利润，本文提出了制造商与再生产企业之间的最优定价策略，讨论了收益率、分拣率和回收率之间的关系，以优化不同时期的总利润。研究结果表明，与新的电池制造相比，废旧电池回收和再利用将有助于减少原材料消耗，从而减少对环境的影响，但可能不会获得经济利益。它还指出，虽然闭环供应链是非线性复杂的， 但参数之间的一些关系可以被视为线性或二次关系。这项研究的结果将有助于从业人员更好地了解整个闭环供应链，以加强其合作。

关键字：闭环供应链；电动汽车电池；回收；再利用；利润

1. 引言

目前，电动汽车 (EVs) 被认为是汽车行业未来的发展方向之一。根据国际能源机构(2016)的数据，从2005年到2010年，全球电动车销量从1670增加到 12，480 台，其中包括电池电动车和插电式混合动力电动汽车 (PHEV)。到 2015年，电动车销量达到1，256，900 台，几乎是10年前的752倍。

电动汽车上最重要的部件之一是电池。以下是两个主要原因: 第一，电动车成本中大约50% 归因于电池 (Lin等，2012)。其次，与加油时间短 (5分钟) 的汽油车 (GVs) 不同，电动汽车充电时间较长。一个典型的电动车模型 (日产LEAF 40千瓦小时) 需要8小时充电从空与6千瓦的家庭充电点或40分钟超级充电从空到80% 的发电能力 (日产，2018)。然而， 电动车不能使用原来的电池，直到其寿命结束。通常情况下，出于性能和安全考虑，当电动汽车电池的容量降至 70 ~ 80% 时，必须将其取出 (Mcintire-Stralburg，2015)。此外，随着电动车的日益普及，将需要更换越来越多的电池。丢弃这些电池将构成不良的环境做法，其长期影响更深远。废旧电池必须回收或再利用，而不是丢弃 (Yu等，2013)。

在许多国家，类似于普通电池，不允许将旧的汽车电池用于填埋或焚烧。相反，已经制定了各种电动车电池收集和回收方案。例如，在北美，特斯拉与金斯布尔斯基兄弟公司合作，回收了约60% 的电池组;在欧洲，特斯拉开始与 Umicore 合作回收 (Kelty，2011)；日产和大众要求他们的电动车客户将旧电池退回到有执照的点或地方当局规定的电池收集地点 (日产，2015;大众汽车，2016)。

此外，一些组织已经注意到电动汽车电池的再利用，当电动汽车行业刚刚开始。2010年初， 美国国家可再生能源实验室开展了电动汽车电池再利用项目 (Newbauer 和 Pesaran，2010)。该项目报告表明，电动汽车电池的二次使用是必要的，回收的电动汽车电池可通过以下方式再利用: (a) 基于网格的固定使用，如能量时间转移、可再生能源能力的确定；(b) 场外固定装置，例如用作备用电源和远程安装 (Heymans 等，2014)；(c) 移动，例如， 作为商业闲置管理或公共交通。这些用于二次使用电动汽车电池的应用将显著提高整个生命周期的价值，无论是经济上还是环境上。同样令人高兴的是，目前越来越多的电动汽车制造商正在考虑二次使用电动汽车电池: 宝马和日产有望将返回的电池作为家庭储能再利用 (Ayre，2016;Dalton，2016)。雪佛兰在密歇根州的通用汽车公司 (Volcker，2016) 建立了一个使用旧电动车电池的储能站。总之，电动汽车电池的回收利用已被电动汽车企业广泛接受和操作。这些公司也意识到二次使用电动车电池的潜在价值。然而，电动汽车电池再利用和回收之间的合作效果是缺乏就业。

因此，本工作开发了电动汽车电池闭环供应链 (CLSC) 模型，并研究了优化供应链总利润的定价策略。详细研究试图回答以下研究问题: (1) 电动汽车电池制造商和再生产企业的相关参数与利润之间有什么关系? (2) 如何平衡结果的准确性和复杂性。换句话说，如何将这种关系简化到全科医生在做决定时能够理解的水平。

本文的其余部分安排如下：下一节将回顾一些相关文件。第三部分分别介绍了该模型，并分别推导出了制造商和再制造商的最优数量、最优收购价格和利润最大化。第四节分析了第2阶段和第3阶段各参数与最优利润的关系。第五部分进行了一些数值实验，以图形方式表达了研究结果。第六部分总结和讨论了本研究的局限性。

1. 文献综述

关于电动汽车电池回收再利用的文献并不多。Richa 等(2014) 预测了电动汽车电池废物的价值和数量，然后提出，为了提高经济效益，电动汽车报废电池管理系统必须包括在回收之前增加再利用途径或处理。而 Lih 等(2012) 讨论了电动汽车电池二次使用应用的技术挑战、成本问题和商业模式。结果表明，电动汽车电池二次使用是一个完美的双赢交易，可能会创造长期稳定的利润。研究还估计，在10千瓦小时锂离子电池组的15个服务年限内，利润率可能达到 35% 左右。Neubauer 和 Pesaran (2011) 评估了电动汽车电池二次使用对插电式混合动力或电池电动汽车电池的最初成本对汽车消费者的影响，并探讨了基于网格的储能的潜在应用。虽然电池的二次使用预计不会对当今的插电式混合动力或电池电动汽车价格产生重大影响，但它有可能成为未来电动汽车电池生命周期中的共同组件，并改变需要具有成本效益的能源储存的市场。一些研究还从技术方面对电动汽车电池的再利用进行了研究。例如，Tong 等(2017) 提出了电动汽车电池二次使用的太阳能时间转移和需求方管理系统，其目标是实现经济效益最大化，最大限度地减少电网能耗，或两者的平衡。在储能方面，Patten 等(2011) 建议建立一个风能储存系统，以提高能源容量系数，提高利用率，并在回收之前更有效地利用电动汽车电池。

可以看出，很少有研究来研究重复使用和回收的电动汽车电池如何共同影响电动汽车闭环供应链的运行性能和利润。换句话说， 从首次由于其他目的在电池电动汽车上进行再利用， 然后进入回收或再制造过程，电池电动汽车闭环供应链模型被视为多周期的电动汽车闭环供应链模型，这也得到 Yu 等(2013) 的支持。事实上，从多周期的角度研究电动汽车闭环供应链的论文数量很多。例如，Majumder 和 Groenevelt (2001) 研究了原始设备制造商 (OEM) 和当地再制造商之间的两个时期的竞争模型，确定了处理退回物品的总成本。Mitra 和 Webster (2008) 开发的模型分析了再制造活动的规划。此外，Ferrer 和 Swaminathan (2010) 从多时期的规划视野分析了制造商的垄断环境，并制定了战略，以优化公司的利润。然而，这些研究没有考虑到产品二次使用的过程。这意味着，现有的研究不能反映电动汽车废旧电池的电动汽车闭环供应链模型从返回、再利用到回收的特点。

因此，文献综述表明，对电动汽车电池与回收利用和二次使用工艺相结合的研究很少。另一方面，现有的电动汽车闭环供应链模型无法反映使用过的电动汽车电池再利用和再循环的做法以及这种电动汽车电池闭环供应链的特点;也就是说，与普通产品不同的是，电动电池在降低到满负荷的三分之二时，不能再用于原来的用途，这大大使电动汽车闭环供应链操作复杂化。此外，大多数数学模型及拉艾则孜相关文献的结果对于普遍专业人士去理解似乎过于复杂，例如 Cai 等(2014) 和 Bulmus 等(2014)，这大大限制了应用和这些研究成果的含义。因此，本研究旨在填补闭环供应链在电动汽车电池再利用和回收利用方面的研究空白，并帮助管理者更好地了解电动汽车闭环供应链模型。本文的目的是设计一个描述三期电动汽车电池闭环供应链的模型，然后探讨电动汽车电池制造商与再生产企业之间的相互关系，解释回收利用仍然不发达的原因，以及如何通过使用正确的定价策略来实现利润的增加。

与 Bulmus 等(2014) 类似，我们让电动汽车电池制造商参与进来，他们生产新的电动汽车电池。然后，我们在第二个阶段注册了更多的参与者: 电动汽车电池制造商 (与期间1相同)，以及再制造商，他们收集废旧电池，并将其分类为高质量和低质量的回报 (Cai 等，2014)。然后，可重复使用的电池将从高质量的回报中选择，即再利用电池的第二个市场。为了反映废旧电池的具体特点，笔者提出了收集重复使用电池进行回收的第三个阶段。在本研究中，我们的目标是通过考虑收益率、分类率、加工成本和回收率，优化整个供应链 (SC) 的总利润。

1. 模型描述

我们考虑了一个三周期模型来描述电动汽车电池制造/再制造系统，如图1所示。最初，对电动汽车电池原材料的需求是基于所需电动汽车电池的数量。此外，对电动汽车电池的需求取决于电动汽车市场的规模。

• 在第1期，所有的电动汽车电池都是由原材料制成的。电池制造数量是根据电动车需求而定的。
• 在第2期，电池是由原材料，高和低质量的回收组成的。首先，将一定比例的废旧电动汽车电池退回。我们将返回分为两类 (Cai等，2014;Gaines和Singh，1995): 高质量回报的比例 和低质量回报的比例 (1minus;)。然后，对高质量的回报进行重新排序: 将再利用一定比例的，同时 (1-) 将被直接回收。由于电池回收过程中的损耗，我们将和设定为再制造率，以获得低质量和高质量的回报。这表明，低 (或高) 质量的（或）回报可以回收到材料中。
• 在第3期，电池由原材料、高质量和低质量的退货以及重复使用的电池制成。这些重复使用的电池达到了寿命，也将被回收利用。重复使用电池的回收率为。其他回报将按照第2期的规定回收。

第1期间

电动电池

需求量

第2期间

第3期间

产品

原材料

二次使用代理

回收材料

回收材料

低质量回收电池

回收材料

高质量回收电池

旧产品拥有者

图1.制造/再制造系统中的三期模型

这些符号如表1所示。

表1.符号

决策变量

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