今天给大家分享一份资料,叫CAMS,全称 Cell Analysis and Modelling System,电芯分析与建模系统。
资料我最早是在「锂想生活」公众号看到的,堃(kun第一声)博士做了基础介绍。我自己下载下来用了一阵子,发现了一个会让国内大部分用户卡死的Bug,顺手修了,又做了汉化,今天把故事写出来分享给大家。
这个系统是英国法拉第研究院开发的。相当于咱们的国内动力电池研究中心,是英国电池产业的顶层科研机构。
文件更新到2024年3月 v7.0 版本,作者是 JJ Marie 和 Will Richardson,原件可以在法拉第研究院官网公开下载https://www.batterydesign.net/battery-cell/
相比那些系统黑盒模型,我更喜欢Excel形式的设计表,因为我们能研究计算逻辑。这张表里所有参数都能改,也没有加密。 基本上也就国外会发这种完全开放的工具。像我去年在星球分享了美国阿贡实验室那个BatPaC成本模型,人家还配套了几十页的成本计算逻辑和说明。
但这种全英文的资料读起来确实累,为了不让明珠蒙尘,我花了时间把它做成了中文版。
这份 Excel 到底能干什么
简单说,电芯设计相关的事它基本都能干。里面非常齐全,涵盖了新电芯设计、材料评估、化学体系对标、材料参数管理、电极参数计算、几何尺寸建模、能量密度估算下载下来打开之后,里面一共 14 个 Sheet。挑几个最漂亮的给大家看。
第一个,电芯计算器(Cell Calculator - Dashboard)
这是整份资料的核心。你只要在控制台从上到下填 8 个下拉框,分别是化学体系、电芯类型、电芯形状、电芯尺寸、正极活性材料、负极活性材料、隔膜材料、电解液,填完之后它会自动算出来一整套电芯级 KPI。
具体算什么呢,包括质量能量密度、体积能量密度、卷芯的质量能量密度、卷芯的体积能量密度、卷绕圈数、能量、初始充电容量、可逆容量、平均放电电压、首次循环 N/P 比、活性物质质量占电芯质量的比例。
一整套指标实时联动,你改任何一个黄色输入框,右上角紫色输出区瞬间刷新。这个工具非常强大。
这份设计表涵盖了三元、NMC各种比例、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、钠离子、锂硫、固态等各类化学体系。结构形状包括圆柱、软包、方形卷绕、方形 Z 形叠片,主流的工程形状全覆盖。目前国内能找到的设计sheet很少能达到。

第二个,图表区(Cell Calculator - Graphs)
这是 Dashboard 的可视化联动。Dashboard 算出来的结果会自动喂到这里生成几张图。
第一张是电极堆叠结构图,正极占多少、负极占多少、隔膜占多少、集流体占多少,按真实层厚比例画出来,非常直观。
第二张是电芯质量分布饼图,告诉你这颗电芯里活性物质质量占多少、外壳占多少、电解液占多少、集流体占多少,做技术汇报截图非常好用。
第三张比较有意思,是基于目标能量密度反算的材料目标曲线。这个我重点解释一下。
这张图的逻辑是反过来用 CAMS。常规用法是材料参数算电芯能量密度,这张图是给你一个目标能量密度,让你反推材料参数应该长什么样才能达到这个目标。比如你想做一颗 350 Wh/kg 的电芯,那正极的容量至少要多少,负极的容量至少要多少,曲线一看就清楚。背后的方程是这个:
其中 Cc 是正极容量,Ac 是负极容量,Cv 是正极电压,Av 是负极电压,EC 是电芯活性物质效率。给定目标 E,反解出 Cc 和 Ac 的可行组合,画出来就是这条曲线。这个工具对做先期材料选型、给材料供应商提需求非常有用,因为你能直接告诉对方”我需要克容量大于多少的正极”,而不是拍脑袋。
第三个,其他计算器(Cell Calculator - Other)
这里面有两个小工具,一个是 GSM 计算器,输入正极、负极的循环首充、循环首放、晶体密度、活性物质涂布量、电极厚度、面密度、电极孔隙率、电极含孔密度这些参数,可以反算各种衍生指标,比如已知一片电极的活物质质量,要做成多大面积才合适。
另一个是库伦效率寿命预测计算器,这个工具我看了之后非常惊叹。它告诉你电池循环寿命跟库伦效率之间的定量关系。
背后的公式逻辑是:
Cp 是初始容量,Ce 是单次循环的库伦效率,Cy 是循环次数,Cf 是经过 Cy 次循环后剩余的容量。
比如你想做一款 1000 次循环后还能保持 80% 容量的电芯,反算下来库伦效率需要做到 99.978% 以上。这个工具能让研发同学直观感受到首效和循环效率每提升 0.01% 是什么概念。
第四个,材料数据库(Electrode Active Materials)
里面有一个非常大的表格,正极、负极、固态电解质、电解液各种各样的活性材料参数全都有,每一条都标注了数据来源,来源写得非常清楚。
锂离子体系里磷酸铁锂、三元 NMC 各种比例、LCO、LMO 都有;钠离子体系有普鲁士蓝、层状氧化物、硬碳、软碳;锂硫体系也有;固态体系包括硫化物、氧化物、聚合物。一共 50 多种材料,覆盖面非常广。
第五个,商业基准库(Commercial Benchmarks)
这个我觉得是最有价值的部分。一套完整的商业电池数据库,500 多条真实商业化电芯的实测参数。
里面什么都有。CATL 的电芯、LG 的电芯、特斯拉的 4680、比亚迪的刀片,各种主流玩家几乎全覆盖。每一条都包括公司、型号、年份、化学体系、正负极材料、电解液类型、形状、质量能量密度、体积能量密度、容量、电压、循环寿命目标、备注,详细程度远超预期。
这块对国内工程师的价值非常大。你做一颗新设计的能量密度 KPI,可以直接调出对标库里同形状、同体系的商业电芯做参照。对于二线厂家来说,这份资料的宝贵程度怎么说都不为过。

我做了两件事
第一件,修了一个Bug
原始表格是用 Office 365做的。这里面有个公式藏在选择负极活性材料的那个下拉框里,我打开之后发现选不了,下拉框里全是 #NAME 错误,根本没法选负极。

排查下来原因是这样。CAMS 在合并”常规负极列表”和”金属负极列表”的时候,用了一个叫 VSTACK 的函数。这个函数是微软2022年下半年才推送给Excel365订阅用户的新函数。要用上这个函数,你的Office 必须是365订阅版,不能是买断的 2019或者2021,还得是 2022 年下半年之后的更新通道。WPS 直到 2024 年都不完全支持。
众所周知,国内买电脑商家送到正版Office一般是2019/2021永久版,订阅版第二年就过期了。大家一看怎么报错啊,也不找原因,以为文件传输过程有问题,就放弃探索了。
我把这格的新公式改成了等价的传统写法,只用 FILTER、UNIQUE、SORT 三个老函数,保证低版本的Excel也能正常进行下拉菜单选择了。

第二件,做了汉化
很多人看英文资料可能会觉得比较困难,所以我把里面相当一部分英文转换成了中文。控制台所有字段标签、操作说明、提示语、表头,包括 4 个引擎 Sheet 的全部字段名、默认值表、商业基准库的表头,一共改了 1500 多处。但有些地方我没动,因为里面带了公式,如果变了的话整个会影响公式引用,整张表会崩。
转换成中文之后会比较容易让国内同行去理解,具体怎么改的就没必要展开说了,反正你打开就是中文版,操作跟英文版完全一致。

这张表里面还有重要的计算逻辑sheet隐藏了,大家也可以取消隐藏打开研究。

资料下载:公众号后台发送“CAMS”领取。除了设计sheet外,还另附一份中文ppt说明资料。其他有价值的资料和1v1答疑,星球持续持续更新中。


