【硬核设计】锂电芯设计手册（十）：锂电芯设计Sheet全流程拆解_第一章客户需求到设计输入

写在前面：

我之前《锂电设计手册》发表了 10 篇硬核文章，把 Overhang、N/P 比、保液、克容量、过流能力、系统设计、正负极配方、粘结剂导电剂这些专题逐一讲过。

星球有多位小伙伴提出，要我讲一下设计Sheet和BOM。这个对我来说是一个巨大的挑战。

第一，设计 Sheet 是设计领域的集大成。 它是体系选型、配方决策、极片设计、卷芯几何、注液量、极耳过流、机械应力、成本核算这一整套技术的综合体现。也是各家电池厂的核心机密。目前大部分企业都不会大规模开展此类培训。网上就更不存在任何一本书或一篇文献，教你怎么从零开始设计一个电池。

第二，要开发一门锂电设计课程首先得有教材。星球里我虽然有不少设计Sheet ，但我没法拿它们做案例。 它们都是”已完成的产物”。我没法通过一份已经填满数字的表，去推测他们的设计过程，输入输出。但很多人还是会拿去生啃，这需要极强的自驱力和对错分辨力。**

但既然答应了，就说到做到。今天我们就来挑战一下电芯的设计sheet、材料选型和BOM设计。作为锂电硬核设计系列的高潮篇章。如果有说得不对的地方尽管拍。本系列所有涉及的图片的文献出处，星球都提供免费下载。

二、为什么选 Tesla Model Y 长续航 4680 下一代作为案例

在教学案例的选择方面，我也考虑过方形、软包、圆柱，LFP还是三元。我需要做很多规避考虑（我就不细说了），总之最终决定选4680。大圆柱也是目前当前产业焦点，作为教育，应该是足够的。

然后，又有个问题：是选择2022 Model Y的NMC811 + 纯石墨 + 232.5 Wh/kg的保守打法，还是选择下一代的NCMA 高镍 + 含硅负极 + 干法电极 + 270 Wh/kg。

我选激进打法。因为保守打法的决策点太少，体系不用选（NMC811 是默认）、负极不用选（纯石墨默认）。而激进打法每一步都要做决策：体系选 NCMA 还是 LMR？硅含量定 5% 还是 8%？N/P 比要不要因为含硅而上调？注液要不要因为硅膨胀而加放量？有决策才有教学嘛。

三、让我们先了解一下电芯开发的过程和本次教学框架的关系

目前国内外的设计开发过程大同小异。我选择了欧洲电芯产业联盟（Capgemini + RWTH Aachen PEM + Fraunhofer FFB ）三家联合发布的《Accelerating Battery Cell Development》白皮书（2024），作为本次教学的模型。（公众号的图片可能看不清，原件已上传星球）

一款新电芯从客户提需求到 SOP（量产）大约要 4–6 年，从项目启动，ABC样，初期量产，量产爬坡。每个阶段都是螺旋上升的。本次课程主要覆盖A-Sample 阶段中”Cell Concept”这个子阶段。也就是 4–6 年开发周期里前 2–3 个月的工作。这部分的核心产物是初版 CAD + 初版 BOM + 初版成本模型。后面的 B/C-Sample、Pre-Series、Ramp-up 不在本系列范围。

另外，A-Sample内部也不是单线流程，而是 5 个 Workstream 并行推进：

WS1 · 需求 + 质量
WS2 · 机械 / 热 / 电气设计
WS3 · 极片 / 材料开发
WS4 · 仿真 + 测试 * *
WS5 · 数据 + 分析 * *

本系列覆盖前 3 个 Workstream，后面两个咱以后讲。

我把整套流程画成一张 Map（星球可下载矢量图原件）

一共打算分12篇进行说明：

（具体多少篇看情况，不需要太在意为什么还上面图片10篇，我文字写了12篇）

第一篇（本篇）：设计的骨架、客户需求如何变成设计输入清单

第二篇：体系选型逻辑

第三篇：材料选型逻辑、BOM配方决策

第四篇：极片设计、容量平衡、NP反推

第五篇：卷芯几何+阿基米德螺线

第六篇：注液量设计逻辑

第七篇：极耳与集流盘设计

第八篇：单体BOM+重量回算+倍率特性试算

第九篇：机械应力校验+KPI看板设计

第十篇：独立案例，有问题，到底是供应商、设计、客户谁的锅？

第十一篇：最终完整BOM+系列总结

第十二篇：星球答疑

每一篇的产出都是下一篇的输入。

四、第一篇的目标

这一章的目标，是把客户需求变成设计输入清单。

客户需求是Pack 级 / 整车级，需要转化为单体设计模型。比如客户说”续航 600 km”，这是指的是里程数，不是单体能量。中间隔着整车能耗、Pack成组等一系列工程。我们需要把它转化为设计的输入语言，这是所有设计的开始。这篇文章就是把这三个步骤：客户需求长什么样；如何翻译；设计输入表，讲清楚。

五、客户需求表

真实客户需求表是商业密。市面上能搜到的”产品规格书”大多是电芯厂出具给客户的承诺书。虽然整机和电芯厂近年来始终存在定义权之争（锂电厂出标准电芯，整机厂适配；整机厂给规格，电芯厂适配）。但这不是我们要讨论的。本案例中，我们按照整机厂给需求，电芯厂适配的路线来。

我搜了一下，公开最权威的是EUCAR（欧洲汽车研发理事会）发布的《Battery Requirements for Future Automotive Applications》。其中涵盖了14 家欧洲主要 OEM（BMW / VW / Renault / Volvo / JLR / Toyota Europe / Fiat / PSA / Hyundai Europe / Honda Europe / Ford Europe 等）联合参与的标准化需求模板。

源文件EUCAR 给的是 2030 年长期目标，比如 BEV Cell 级重量能量密度 450 Wh/kg、体积能量密度 1000 Wh/L、成本 70 €/kWh。这些数字代表”行业希望 2030 年能做到”。不是某款车的具体目标。

所以我做的事是”借形不借值”：用 EUCAR 的指标分类框架（Cell 级性能 / Cell 级寿命 / Cell 级安全 / Cell 级成本 / Pack 级 / 交付节点）作为骨架，但数值层面我换成了一个虚构但合理的项目案例，对标 Tesla Model Y 长续航版的下一代 4680 量产水平。EUCAR 的 450 Wh/kg 是 2030 长期目标，我把它降档到 270 Wh/kg（基于 Tesla 4680 第一代实测 232.5 Wh/kg + 业界外推），让它落在”2026 年量产可行”的窗口里。

我整理的 Sheet 1（客户需求书）一共 7 个 Block、34 项指标：

Block 0 项目身份

（5 项）：车型、Pack 集成方式（CTC）、单体格式、外径、高度。

Block 1 Cell 级性能（9 项）：容量、电压、能量、重量能量密度、体积能量密度、连续比功率、峰值比功率（常温/低温）、充电倍率。
Block 2 Cell 级寿命（6 项）：循环、日历寿命、自放电、工作温度、存储温度。
Block 3 Cell 级安全（4 项）：EUCAR Hazard Level、认证清单、滥用试验、内短路保护设计。
Block 4 Cell 级成本（1 项）：单体材料 + 加工成本。
Block 5 Pack 级（4 项）：Cell weight per pack、Cell volume per pack、Pack 寿命、Pack 成本附加。这一组不是 Cell 设计的直接输入，但它们会反向约束 Cell，这是下一节的关键。
Block 6 交付节点（5 项）：A/B/C/D 样节点、SOP、产能。

作为电芯设计，首先就要看懂客户需求书。其核心注意点有2条：

1.每项指标必须带 Condition（边界条件）。

举个例子。“重量能量密度 ≥ 270 Wh/kg” 这句话 不算需求。必须写 “≥ 270 Wh/kg @ 1/3C 充放电, 25°C, CCCV 协议”。

2：寿命用能量吞吐量（MWh）衡量，不用次数。

国内行业惯例是”循环 1500 次 @ 80% SOH”。同样 1500 次，DOD 100% 跑一次和 DOD 50% 跑一次，损耗完全不同。但能量吞吐量（MWh）是一定的，这就是 EUCAR 标准切换到 MWh 的原因。

本案例中，单体目标 ≥ 30 MWh @ DOD 90%, 25°C, 1C-1C, 截止 SOH 80%，反算 30 MWh ÷ (26.1 Ah × 3.65 V × 100%) ≈ 315 EFC = 350 实际cycle @ DOD 90% 对标 Pack 200,000 km / 600 km per cycle = 333 实际cycle, 设计端取 350 留 ~5% 余量。

六、如何把客户需求转化为设计输入#

这是本篇最核心的一节。客户需求书里有大约一半是 Pack 层 / 整车层指标，不能直接进入单体设计表。 比如：

“续航 ≥ 600 km” → 这是整车级，单体设计师不能拿”600 km”去算正极克容量。
“Pack 重量能量密度 ≥ 180 Wh/kg” → 这是 Pack 级，单体设计师不能直接用 180 当目标。
“针刺不起火（GB38031）” → 这是 Pack 级测试，但责任要落到单体设计上。
“Pack 寿命 10 年 / 200,000 km” → 这是商务条款，要拆成单体的 MWh 吞吐量目标。

所以客户需求书和单体设计输入之间，必须夹一张翻译表。Sheet 2 就是这张表。我把它做成 12 项 T-01 到 T-12，每项四列：客户层指标 / 工程分摊推导 / → 单体层设计输入 / 推导假设来源。

举几个最关键的：

T-02 Pack 180 Wh/kg → 单体 ε_m ≥ 270 Wh/kg

这条其实有2种解读方向：

1.**Pack端的下限：**Pack 180 Wh/kg ÷ 0.80(成组比例,EUCAR CTC 集成目标)= 225 Wh/kg。考虑工艺一致性 + 寿命末期衰减 + Overhang 损耗,设计值上浮 5-10%：225 × 1.05~~1.10 ≈ 236~~248 Wh/kg。这是从 Pack 180 反推回来的”单体最低设计值”。

2.行业端的目标：Tesla 4680 Gen1 实测 232.5 Wh/kg,Gen2/Gen3 代际跃迁目标 +16%(行业先进节奏)= 270 Wh/kg。同时,客户对”长续航旗舰 BEV”的市场定位也指向 270 这个数(对标 Model Y 长续航版下一代)。

我先按照270来推，挑战一下。

T-03 Pack 540 Wh/L → 单体 ε_V ≥ 730 Wh/L

540 ÷ 0.75 = 720。加 ~1.4% 几何裕度: 4680 外形仅 133 mL, 装 95 Wh 需 ε_V ≥ 714 Wh/L, 留余量给壳体壁厚 → 730 Wh/L

T-04 Pack 530 kg → 单体 m_max ≤ 350 g

530 × 80% ÷ 884 颗 = 480 g/颗，得到一个”理论上限”。但这个 480 没有意义。真正起作用的约束是 T-02（ε_m ≥ 270）+ T-01（单体能量 ≥ 95 Wh），联立反算：m_max ≤ 95 ÷ 270 = 352 g，取 350 g。

T-07 加速 0–100 km/h < 5 s → 单体峰值比功率 ≥ 1500 W/kg

这条的推导链有点长：

整车峰值功率 ≈ 350 kW @ 加速段，持续 10s。
Pack 峰值 C-rate = 350 / 84 = 4.17 C @ 10s。
单体峰值比功率 = 4.17 C × 270 Wh/kg ≈ 1125 W/kg（在 BOL、SOC 100%、25 °C 的理想条件下）。
取 1.33 倍工程余量 → ≥ 1500 W/kg。

那 1.33 这个余量怎么来的？单一因素：寿命末期 SOH 80% 时，电芯内阻较 BOL 上升约 30%，对应同等 SOC 下功率输出能力降到 BOL 的 ~75%。设计端要让 EOL 仍能输出 1125 W/kg，BOL 就必须设计到 1125 / 0.75 = 1500 W/kg。

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T-01 续航 600 km → 单体能量 ≥ 95 Wh

**第一步（外部输入）**整车能耗 14 kWh/100km × 6 = Pack 总能量 84.2 kWh
**第二步（目标设定）**单体能量目标定 95 Wh。怎么来的？4680 外形（⌀46×80）+ Gen2 体系（ε_m 270 Wh/kg, ε_V 730 Wh/L）下，单体能量上限约为 350 g × 270 = 94.5 Wh 或 0.133 L × 730 = 97.1 Wh，取 ~95 Wh 是这个外形+体系下能稳定做到的水平。
第三步（反推颗数）：84,200 ÷ 95 ≈ 884 颗 4680。关键假设14 kWh/100km 来自整车厂提供的NVH/风阻/CLTC 工况标定；270 Wh/kg 和 730 Wh/L 是 Sheet 1 项 1-04/1-05 的客户指标，本身也是反推自 Pack 180 Wh/kg + 540 Wh/L。

#

七、整理设计输入清单#

A 类清单一共 12 项（A-01 到 A-12），其中：

4 项直接来自 Sheet 1（A-05 外径、A-06 外高 = 客户硬约束；A-04 公称电压 = 体系初定假设；A-12 日历寿命 = 客户硬指标）
7 项经过 Sheet 2 翻译（A-01 容量、A-02 ε_m、A-03 ε_V、A-07 充电倍率、A-08 常温峰值、A-09 低温峰值、A-10 能量吞吐量）：客户写的是 Pack 层 / 整车层，必须经过需求翻译转化。
1 项纯衍生（A-11 单体最大重量）：客户没直接写过这个数，是从 ε_m + 单体能量联立反算的；同时它也起一个反向校核 Pack 重量预算的作用。

到本篇结束就全部锁死，后续不再改。

B 类（15 项）

比如正极克容量、负极首效、隔膜厚度、铜铝箔厚度。这是基于供应商 datasheet + 行业经验推导的。设计sheet会有公式联动，但是选型逻辑没有任何设计sheet会给出。这一类的逻辑我们等到第二篇以后慢慢说。本篇只列条目。

C 类（5 项）

N/P 比、正极涂布面密度、极片长度 / 圈数、注液量、实际能量密度回算。这类参数是本设计sheet内部推导出来的产物。

我要区分A\B\C是为了“假如设计不达标时”，到底是客户、还是供应商、还是设计表本身推导有问题做准备。

好了，本期资料我已全部上传星球。

设计系列，往期文章：

【硬核】锂电芯设计手册（一）：从0到1的通用设计流程与关键参数拆解

【硬核干货】锂电芯设计手册（二）：Overhang设计：是安全冗余，还是容量“杀手”？

【硬核干货】锂电芯设计手册（三）：N/P 比——容量与安全的“跷跷板”

【硬核干货】锂电芯设计手册（四）：保液设计——从微观孔隙到理论计算的完整推导