闭环供应链视角下新能源汽车电池双渠道回收契约设计

马 亮，刘玉洁，朱 浩

(1.兰州理工大学经济管理学院，甘肃兰州 730050；2.东南大学经济管理学院，江苏南京 211189；3.兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050；)

研究表明，资源循环利用能够降低企业生产成本，再制造产品的成本通常比新产品的成本低40%到65%［1］。我国新能源汽车产业的迅速发展带动新能源汽车销量暴增的同时，也带来了另一重要难题：自2014 年新能源汽车规模化生产以来，首批进入市场销售的新能源汽车几乎全部已经进入动力电池退役期［2］；2020 年约有20 万t 动力电池进入淘汰回收期，预计到2025 年将有78 万t 动力电池进入淘汰期［3］。如此大规模的退役电池给新能源汽车企业带来了巨大的挑战，如果不能实现有效处理，这些废旧电池将会对环境造成严重污染。针对电池回收过程中存在的问题，国家也出台了新的政策。2018年2 月，工信部、科技部、交通部等七部委就联合印发了关于《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》，首次明确了汽车生产企业应建立动力蓄电池回收渠道，负责回收新能源汽车使用及报废后产生的废旧动力蓄电池［4］。政策要求的提高使新能源汽车产业开始将电池回收作为产业发展的一部分，而建立有效的闭环供应链回收体系对电池的顺利回收至关重要。但由于动力电池回收处理过程中各环节技术研发费用投入大、专业技术人员稀缺，回收网络和回收体系建设不完善，一般单个企业无法全面承担起全部回收责任，更没有足够的能力和动力去创设高质量的回收模式［5］；若多家企业共同进行电池回收，则有望提高电池的回收率，实现共赢。而目前由于企业缺少合理的指导，新能源汽车供应链并没有形成一个完整的电池回收模式。在此情形下，设计合理高效的电池回收模式有很强的社会意义和理论意义。

1 文献综述

随着新能源汽车电池回收高峰期的到来，新能源汽车电池回收问题也逐渐成为国内外学者的研究热点，如Jungst［6］、Jiao 等分［7］析了电动汽车废旧电池的回收价值，发现回收电动汽车旧电池可以降低电动汽车生产成本，促进电动汽车行业可持续性发展，并减轻报废电池对环境的污染；Sathre 等［8］进一步以美国加州插入式电动汽车为例，通过计算和比较电池二次寿命系统性能的指标，发现退役电池的二次使用可能在加州扮演一个“未来的能源系统”的角色；Zeng 等［9］对电池回收处理的方式进行研究，并根据废旧电池的结构和成分，将回收过程分为预处理、二次处理和深度回收3 个阶段，认为一个精简高效的回收技术可以提高生态效率，并对目前回收过程的挑战和前景进行了分析；Beer 等［10］通过案例分析对电动汽车电池二次利用的途径进行了研究，结果表明，相比于电池分散回收处理，电池集中回收处理可以实现更大的经济价值和环境效益；路小彬等［11］综合比较国外新能源汽车退役电池回收处理技术，最终提出符合我国新能源汽车产业现状的几种电池回收再生技术。上述研究分别从理论和实证上都验证了电池回收再利用的可行性和有效性。

电池回收效率是电池回收处理过程有效性的关键指标，高回收效率可以在更好降低企业生产成本的同时实现环境效益最大化。而一个合理高效的闭环供应链体系对提高电池回收率是至关重要的。因此，很多学者对闭环供应链展开了深入研究。在有关回收渠道选择方面，Giovanni 等［12］考虑一个再制造商主导下的两周期闭环供应链，认为再制造商将废旧产品收集外包给零售商或第三服务提供商是一个较优的选择，而在两者服务质量相同的情况下，制造商总是选择外包给零售商；Hong 等［13］建立斯塔克尔伯格（Stackelberg）博弈模型研究集中式和分散式闭环供应链，比较分析3 种分散回收模型：制造商收集、零售商收集和第三方回收，发现零售商回收可以增加企业利润，但回收效率低于集中回收；李春发等［14］讨论了两竞争废旧手机处理商回收渠道选择问题，认为两处理商均建立线上回收渠道情形下的回收效果最好。在有关企业回收策略制定方面，Gu 等［15］研究了由电池制造商和再制造商组成的三周期电动汽车电池回收再利用闭环供应链，为优化整个供应链的总利润制定了制造商与再制造商之间的最优定价策略；Alamdar 等［16］研究由一个制造商、一个零售商和一个收集器组成的模糊闭环供应链，基于模糊价格和销售努力相关需求建立了6种博弈论模型，并利用博弈和模糊理论比较不同最优解，结果表明，制造商和零售商之间合作回收是两企业的最优策略；韩小花等［17］分析由两个存在竞争关系的产品制造商组成的二级闭环供应链中“以旧换再”策略选择问题，认为根据再制造水平差异程度不同，企业会选择不同的“以旧换再”策略。在有关政府政策影响方面，Ma 等［18］关注消费补贴对双渠道闭环供应链的影响，通过对比分析政府补贴前后渠道成员的决策，最终发现政府消费补贴能够提升制造商、零售商以及消费者的利益，有利于闭环供应链的扩展；Heydari 等［19］分析了政府通过向供应链成员提供不同的激励政策协调闭环供应链的作用，结果显示协调情形下的供应链利润和再制造产品数量都得到提升；赵敬华等［20］基于三级闭环供应链，研究政府不同补贴主体策略对闭环供应链定价及整体利润的影响，发现当政府补贴主体是消费者和零售商时,销售定价较高，回收价格以及渠道成员的利润较低，而当政府补贴主体是制造商和第三方回收商时，销售价格较低，而回收价格以及渠道成员利润较高。

研究表明，当闭环供应链中多个企业一起参与回收过程时，会提高电池的回收率和企业效益［21］。但是关于供应链成员间共同回收的研究较少，其中Huang 等［22］在双渠道回收再制造闭环供应链决策模型下讨论制造商回收策略选择问题，结论表明，在相同的条件下，制造商和零售商混合回收策略明显优于单渠道回收策略；Ma 等［23］对由单个制造商、单个零售商和两个回收商组成的三级闭环供应链进行研究，发现合作战略可以实现共赢，增加整个供应链的利润，获得更高的回收效率；郭瑾［24］研究了双渠道闭环供应链结构下的制造商和零售商回收渠道选择问题，相比制造商单独回收或零售商单独回收，两企业共同回收能够减少企业间冲突越，提高供应链的整体效率；石纯来等［25］将奖惩机制引入到闭环供应链中，分别建立制造商与零售商或回收商合作回收的4 种博弈模型，认为合作模式均优于无合作模式，而制造商最终选择与谁合作与奖惩力度有关。

综上所述，在电动汽车电池回收相关研究中，国外研究较多，国内研究相对不足；虽然国内外学者对再制造闭环供应链研究较为深入，但具体到新能源汽车产业讨论新能源汽车废旧电池回收问题研究较少；此外，不少学者将闭环供应链中单渠道回收模式与多渠道回收模式进行比较，得出多渠道回收优于单一渠道回收的结论，但在明确多渠道回收模式更优的情形下，鲜有学者设计供应链回收契约进一步寻求最优回收契约下的多渠道回收模式。针对以上问题，本研究基于闭环供应链视角，建立单渠道回收和双渠道回收模型，设计回收成本分摊契约和回收责任分摊契约，研究供应链成员如何在追求回收效率的同时提高企业自身利润。主要解决如下问题，存在回收契约的情形下：（1）与单渠道回收相比，双渠道回收能否提升电池的回收率，能否增加制造商和零售商的利润？（2）对于新能源汽车制造商而言，更倾向于选择哪种回收契约模式？（3）对于零售商而言，更偏好哪种回收契约模式？

2 模型描述与基本假设

考虑由单个新能源汽车制造商（以下简称“制造商”）和单个新能源汽车零售商（以下简称“零售商”）组成的二级新能源汽车闭环供应链，制造商生产新能源汽车，并对回收的废旧电池进行处理得到再制造电池，之后将再制造电池与新电池一起用来生产新能源汽车并整车批发给零售商，最后零售商将新能源汽车销售给消费者。其中电池逆向回收过程包括制造商单渠道回收、零售商单渠道回收、回收成本分摊契约下双渠道回收、回收责任分摊契约下双渠道回收4 种回收模式，如图1 所示。

图1 4 种新能源汽车电池回收模式

本研究基本假设如下：

（1）新能源汽车的单位生产成本和整车批发价格分别为cn和w。其中cn=cb+cm，cb是使用新电池生产新能源汽车的成本，cm是新能源汽车生产成本中除去电池以外的成本。

（2）新能源汽车的市场需求为：D=a-θp。其中a为新能源汽车潜在市场需求；p为新能源汽车的零售价格；θ为消费者对价格的敏感系数。此外，假设用新电池和再制造电池所生产的新能源汽车在质量和外观上一样，消费者不进行区分。

（3）cz为使用旧电池生产新能源汽车的成本，假设cb＞cz，即制造商使用新电池生产新能源汽车的成本大于使用旧电池进行再制造后生产新能源汽车的成本。为制造商从零售商收购旧电池时的转移价格。另c△=cb-cz，表示制造商采用旧电池生产新能源汽车时节约的成本，假设c△≥，表示当零售商单渠道回收时，制造商通过电池再制造节约的成本大于其从零售商处购买旧电池的成本。

（5）假设零售商从消费者手中回收旧电池时支付的单位费用为δ，且＞δ，否则零售商没有动力回收废旧电池。同时，为简化研究过程，设δ=0。

3 模型的构建与求解

3.1 制造商单渠道回收

新能源汽车制造商单渠道回收电池时，从消费者手中回收已使用的旧电池再制造用于生产新能源汽车，并与用新材料生产的电池生产出的新能源汽车一起，以价格批发给零售商，最终以售价p将新能源汽车卖给消费者。此情况下制造商和零售商的利润函数分别为：

3.2 零售商单渠道回收

新能源汽车零售商单渠道回收电池时，制造商生产新能源汽车，并以整车批发价格wn出售给零售商，零售商以售价p将新能源汽车卖给最终消费者的同时从消费者手中回收已使用的旧电池，以回收转移价格返还给制造商，制造商将旧电池用于生产新能源汽车并与用新电池生产的新能源汽车一起投放市场。此情况下汽车制造商和汽车零售商的利润函数分别为：

进一步代入式（3）（4），得市场需求和供应链成员利润为：

3.3 双渠道回收契约设计

3.3.1 回收成本分摊契约

推论1 说明在回收成本分摊契约下，制造商决定分摊零售商回收成本的比例大小与电池回收再制造所节省的成本c△以及其从零售商处二次收购其回收的旧电池的价格有关；且电池回收率与c△和成正比，电池回收再制造所节省的成本越大，制造商愿意分摊回收成本的比例越高，电池回收率也越高。当制造商从零售商那里二次收购其回收的旧电池的价格较高时，零售商进行电池回收的积极性很高，此时，制造商可以适当降低回收成本的分摊比例，也会提升电池的回收率；而当制造商从零售商那里二次收购其回收的旧电池的价格较低时，会降低零售商进行电池回收的积极性，即使制造商回收成本的分摊比例增加，电池的回收率也会下降。同时，电池回收率与成反比，零售商回收电池成本系数越大，其进行电池回收的动力就越小，电池回收率就越低；零售商回收电池成本系数越小，其进行电池回收的动力就越大，电池回收率就越高。

3.3.2 回收责任分摊契约

采取回收责任分摊契约时，制造商和零售商分别承担一定比例的回收任务，其中制造商的分摊比例为β，零售商的分摊比例为1-β，且β∈［0,1］。此情况下制造商和零售商的利润函数分别为：

证毕。

推论2 说明与回收成本分摊契约不同，当两企业实施回收责任分摊契约时，制造商决定分摊零售商回收责任的比例大小不仅与电池回收再制造所节省的成本c△及其从零售商处二次收购其回收的旧电池的价格pR有关，还与制造商回收成本系数dN、零售商回收成本系数dR有关，且电池回收率与c△和pR成正比、与dN和dR成反比。当零售商回收成本系数较大时，零售商进行电池回收的动力很小，即使制造商回收责任的分摊比例增加，电池的回收率也会下降；同样，当制造商回收成本系数较大时，其愿意分摊回收责任的比例很小，也会降低电池回收率。

4 单渠道回收与双渠道回收比较

命题5单渠道回收与双渠道回收电池下的新能源汽车市场价格和市场需求量满足：

同理可证市场需求量结论。

命题5 说明当制造商回收成本系数超过某一临界值时，与单渠道回收相比，回收契约下的双渠道回收总能够降低新能源汽车价格、提升市场需求，是更有效的选择。当制造商回收成本系数较大时，回收责任分摊契约双渠道回收模式下的新能源汽车价格较高、市场需求较少；当制造商回收成本系数较小时，回收成本分摊契约双渠道回收模式下的新能源汽车价格较高、市场需求较少。

命题6 说明同样存在一个临界值，当制造商回收成本系数超过这一临界值时，相比于单渠道回收，双渠道回收总能够提升新能源汽车闭环供应链的电池回收率，是更有效的选择。当制造商回收成本系数较大时，回收成本分摊契约双渠道回收模式下的电池回收率更高；当制造商回收成本系数较小时，回收责任分摊契约双渠道回收模式下的电池回收率更高。

命题7单渠道与双渠道回收电池下的新能源汽车制造商利润和零售商利润满足：

零售商利润结论相关证明与制造商类似，在此不做赘述。

命题7 说明对于制造商（零售商）来说，只要制造商（零售商）回收成本系数大于（小于）某一临界值，无论选择成本分摊契约双渠道回收模式还是回收责任分摊契约双渠道回收模式，都能够增加自身利润，而哪种双渠道回收模式更优取与制造商（零售商）回收成本系数的大小有关：当制造商（零售商）回收成本系数较大（小）时，回收成本分摊契约双渠道回收模式下的利润更高；当制造商回收成本系数较小（大）时，回收责任分摊契约双渠道回收模式下的利润更高。

综上，由命题5～7 得出：一定条件下，回收契约下的双渠道回收模式能够降低新能源汽车价格、扩大市场需求，并提高电池回收率、增加制造商和零售商的利润，是供应链成员更优的选择。对于制造商来说，当回收成本系数较大时，更偏好于回收成本分摊契约下的双渠道回收模式；当回收成本系数较小时，则偏好于回收责任分摊契约下的双渠道回收模式。而对于零售商来说，当回收成本系数较小时，回收成本分摊契约下的双渠道回收模式是最优选择；当回收成本系数较大时，回收责任分摊契约下的双渠道回收模式最优选择。

5 算例仿真

设定参数：a=100，θ=2，cb=20，cm=20，cz=18，pR=1，通过数值仿真进一步比较分析新能源汽车电池单渠道回收和回收契约下双渠道回收的电池回收率、制造商利润和零售商利润大小，验证上述命题。

5.1 电池回收率的比较

由图2（a）可知，当制造商回收成本系数小于一定临界值时，回收责任分摊契约双渠道回收模式下的回收率最高，制造商单渠道回收模式下的回收率次高，回收成本分摊契约双渠道回收模式下的回收率较低，零售商单渠道回收模式下的回收率最低；当制造商回收成本系数大于一定临界值时，双渠道回收模式下的回收率高于单渠道回收模式下的回收率，而两种回收契约双渠道回收模式下回收率的高低与制造商回收成本系数大小有关。图2（b）将两种回收契约双渠道回收模式下的电池回收率单独对比，可以看出当制造商回收成本系数dN大于一定比例的dR时，回收成本分摊契约双渠道回收模式下的电池回收率较高；否则，回收责任分摊契约双渠道回收模式下的电池回收率较高。

图2 不同回收情形下新能源汽车电池回收率比较

5.2 制造商利润的比较

由图3～4 可知，同样存在一个临界值，当制造商回收成本系数小于这一临界值时，回收责任分摊契约双渠道回收模式下的新能源汽车市场需求以及制造商利润最高，制造商单渠道回收模式下的新能源汽车市场需求以及制造商利润次高，回收成本分摊契约双渠道回收模式下的新能源汽车市场需求以及制造商利润较低，零售商单渠道回收模式下的

图3 4 种电池回收模式下新能源汽车市场需求比较

5.3 零售商利润的比较

由图5（a）可知，当零售商回收成本系数大于某一较大临界值时，回收责任分摊契约双渠道回收模式下的零售商利润最高，制造商单渠道回收模式下的零售商利润次高，回收成本分摊契约双渠道回收模式下的零售商利润较低，零售商单渠道回收模式下的零售商利润最低；当零售商回收成本系数小于某一较小临界值时，两回收契约双渠道回收模式新能源汽车市场需求以及制造商利润最低；当制造商回收成本系数大于这一临界值时，两种回收契约双渠道回收模式下的新能源汽车市场需求以及制造商利润均高于单渠道回收模式，当制造商回收成本系数dN大于一定比例的dR时，回收成本分摊契约双渠道回收模式下的电池回收率较高，否则，回收责任分摊契约双渠道回收模式下的电池回收率较高。下的回收率均高于单渠道回收模式下的零售商利润，而两种回收契约双渠道回收模式下零售商利润的高低与制造商回收成本系数大小有关。图5（b）将两种回收契约双渠道回收模式下的零售商利润单独对比，可以看出当零售商回收成本系数dR小于一定比例的dN时，回收成本分摊契约下的零售商利润较高；否则，回收责任分摊契约下的零售商利润较高。

图4 4 种电池回收模式下新能源汽车制造商利润比较

图5 电池不同回收情形下新能源汽车零售商利润比较

6 结论与展望

本研究在新能源汽车闭环供应链视角下，针对一个新能源汽车制造商和一个新能源汽车零售商构成的二级闭环供应链，设计两种不同回收契约的双渠道回收模式，与单一渠道回收模式作对比，研究供应链成员采取成本分摊契约和责任分摊契约后对新能源汽车零售价格、市场需求、电池回收率、制造商利润和零售商利润的影响。结果表明：

（1）一定条件下，实施回收契约后的双回收渠道与单一回收渠道相比，总能够降低新能源汽车价格，提升市场需求，提高电池回收率，增加供应链成员利润，是更有效的选择。

（2）对制造商而言，当其回收成本系数高于某一临界值时，与零售商之间实施回收契约总能够提升自身利润水平。当制造商回收成本系数较大时，回收成本分摊契约下的双渠道回收模式更有效；当回收成本系数较小时，回收责任分摊契约下的双渠道回收模式更有效。

（3）对零售商而言，当其回收成本系数低于某一临界值时，与制造商之间实施回收契约总能够提升自身利润水平。当零售商回收成本系数较小时，回收成本分摊契约下的双渠道回收模式更有效；当回收成本系数较大时，回收责任分摊契约下的双渠道回收模式更有效。

本研究的不足之处在于在建立模型时只考虑了新能源汽车制造商和零售商两类企业进行电池回收的情形，未考虑到第三方回收的影响，未来可以考虑加入第三方回收企业做进一步的研究；其次，主要研究电池的双渠道回收，未来可以进一步研究更多渠道混合回收的情形。