George E. Blomgren Blomgren Consulting Services Ltd

George E. Blomgren G  E  Bl Blomgren Consulting Services Ltd. L k Lakewood, Ohio, USA d  Ohi  USA Introduction  Review some projections for lithium...
Author: Jasmine Randall
36 downloads 11 Views 2MB Size
George E. Blomgren G  E  Bl Blomgren Consulting Services Ltd. L k Lakewood, Ohio, USA d  Ohi  USA

Introduction  Review some projections for lithium ion battery usage    



in transportation sector Illustrate the various battery geometries and  placements in several vehicles in production Review US sales for light vehicles using hybrid or  electric drive produced in different geographic areas  Discuss the suppliers of lithium ion batteries in  diff different areas and their cell sizes, types and  t    d th i   ll  i  t   d  chhemistries E l t  b tt   t Evaluate battery systems for energy and power  f     d 

Projection of lithium ion battery  transportation revenue from Pike Research transportation revenue from Pike Research

Global sales of 3.8 M ev and  pev by 2020 projected by Pike  Research

Lux Research predicts that lithium‐ion battery supply will reach about  30GWh by 2020, while demand could be as low as 2GWh in the worst  scenario, and 20 GWh in the best.  (Source: Lux Research) (Source: Lux

New Plug‐in Vehicle Sales in US by quarter (source  Argonne National Laboratory) Argonne National Laboratory)

New Hybrid Vehicle Sales in US by year (source   EVs Roll) EVs Roll)

2020 Sales Projections by area j y  Pike Research forecasts that by 2020 more than 1.8 

million BEVs will be on Europe s roadways, along with  million BEVs will be on Europe’s roadways  along with  1.2 million PHEVs and 1.7 million HEVs.   Pike Research also forecasts that there could be as  many as 1.8 million plug‐in electric vehicles on U.S.  roads by 2020  Pike sees China taking the lead in terms of market  size  with growth really taking off from 2013 onward  size, with growth really taking off from 2013 onward  through that decade. By 2020, Asia Pacific is expected  to become the world s largest PEV market to become the world’s largest PEV market

Geometry and placement of  y p battery in evs, pevs, and hevs. Wide variety of placement, but generally  not in engine compartment

The Nissan Leaf The Nissan Leaf’ss 480 480‐lb lb battery pack is made up of 48  battery pack is made up of 48 stackable lithium‐ion modules.  (Source: Nissan) (Source: Nissan)

The Nissan Leaf's pack resides under the floor.  (Source: Nissan) (Source: Nissan)

Chevy Volt Chevy Volt'ss T‐Shaped Battery  T‐Shaped Battery ( ) Pack (Source: General Motors)

Chevrolet Volt battery location  Chevrolet Volt battery location ( (Source GM) )

SSpark's battery configuration will differ from that of the Volt,  k' b tt fi ti ill diff f th t f th V lt residing in the rear of the vehicle.  (Source: GM) (Source: GM)

Toyota's Prius PHV plug‐in uses 288 cells in its lithium‐ion battery  pack, and employs 42 temperature sensors, new ductwork, and  k d l 42 t t d t k d three fans for cooling.  (Source: Toyota) (Source: Toyota)

Prius Plug‐in placement in rear of trunk (source  Toyota)

Tesla's Model S uses a flat battery pack (at bottom) that contains at least  7,000 small 18650‐type batteries, each measuring 18mm in diameter by  about 65mm long.  (Source: Design News) (Source: Design News)

2013 Ford Focus Electric battery 2013 Ford Focus Electric battery Mounted over rear axle Front wheel drive (Source Ford) Front wheel drive (Source Ford)

A 23kWh, high‐voltage, lithium‐ion battery system  A  kWh  hi h l  li hi i  b     Advanced liquid heating/cooling regulates battery  temperature  H l   Helps maximize battery life and miles from each  i i  b tt  lif   d  il  f   h  charge

2012 Honda Civic Hybrid lithium ion battery in rear seat  2012 Honda Civic Hybrid lithium ion battery in rear seat (Source Honda)

US Hybrid Sales for US Producers y Mfr Buick Buick Cadillac  Chevrolet

Model Lacrosse  Hybrid Regal Hybrid Escalade  Hybrid

Battery  Chemistry

Battery  Supplier

USA EPA Combined  city/hwy gasoline  (mpg/kpl)

CY 11

CY 2012 

CY 12 vs 11 

Battery Size  (kWh)

1 801 1,801

12 010 12,010

566 90% 566.90%

05 0.5

Li Ion Li Ion

Hitachi

29

123

2,564

1984.60%

0.5

Li Ion

29

819

708

‐13.60%

1.8

NIMH

Hitachi Primearth  PEVE)

24

16,664

69333.30%

0.5

Li Ion

Chevrolet

Malibu Hybrid Silverado  Hybrid

1,001

469

‐53.10%

1.8

NIMH

Chevrolet

Tahoe Hybrid Tahoe Hybrid

519

533

2 70% 2.70%

18 1.8

NIMH

Ford



10,935

N/A

1.4

Li Ion

Ford

C‐Max Hybrid Escape Hybrid  (No longer  available)

10 089 10,089

1 441 1,441

‐85.70% 85 70%

18 1.8

NIMH

Ford

Fusion Hybrid

11,286

14,100

24.90%

1.4

Li Ion

GMC 

Yukon Hybrid

598

560

‐6.40%

1.8

NIMH

GMC 

Sierra Hybrid

164

471

187.20%

1.8

NIMH

Lincoln

MKZ

5,739

6,067

5.70%

1.8

NIMH

32 163 32,163

66 522 66,522

107%

Total US Total US

Hitachi Primearth  PEVE) Primearth  PEVE) Panasonic  (Sanyo) Panasonic  (Sanyo) Panasonic  (Sanyo) Primearth  PEVE) Primearth  Primearth PEVE) Panasonic  (Sanyo)

21 29 21 21 47

32 47 21 21 45

US producers are transitioning to lithium ion from NIMH.  Asian producers still sticking  with NIMH.

US Hybrid Sales for Asian Producers Mfr

Model

Acura

ILX Hybrid

CY 11

CY 2012 



972

CY 12 vs 11 

Battery Energy  (kWh) or Power  (kW)

NA

20 kW

Battery  Chemistry

Battery Supplier

Combined  city/hwy  gasoline  (mpg/kpl) NA

Honda

Civic Hybrid

4,703

7,156

52.20%

20 kW

Lithium ion

Honda

CR Z CR‐Z

11 330 11,330

4 192 4,192

63 00% ‐63.00%

20 kW 20 kW

Lithium ion Lithium ion

Blue Energy (JV  Blue Energy (JV of GS Yuasa and  Honda) Blue Energy (JV  of GS Yuasa and  Honda)

Honda

Insight

15,549

5,846

‐62.40%

0.6 kWh

NIMH

Sanyo

42

Hyundai

Sonata

19,673

20,754

5.50%

1.4 kWh

Lithium ion

LG Chem

36

Infiniti

M Hybrid

378

691

82.80%

1.3 kWh

Lithium ion

AESC

29

Kia

Optima Hybrid

403

10,084

2402.20%

1.4 kWh

Lithium ion

LG Chem

36

14,381

17,671 7,041

22.90% NA

1.3 kWh 1.6 kWh

NIMH NIMH

PEVE PEVE

42 40

Lexus Lexus

CT200h ES 300 Hybrid ‐

44

37

Lexus

GS 450h

282

607

115.20%

1.6 kWh

NIMH

PEVE

31

Lexus

HS 250h

2,864

649

‐77.30%

1.3 kWh

NIMH

PEVE

35

Lexus

LS 600h

84

54

‐35.70%

1.6 kWh

NIMH

PEVE

20

Lexus Toyota

RX 400 / 450 h Avalon Hybrid ‐

10,723

12,223 747

14.00% NA

1.6 kWh 1.6 kWh

NIMH NIMH

PEVE PEVE

30 NA

Toyota

9,241

45,656

394.10%

1.6 kWh

NIMH

PEVE

41

Toyota

Camry Hybrid  Highlander  Hybrid

4,549

5,921

30.20%

1.87 k

NIMH

PEVE

28

Toyota T Toyota Toyota

Prius Liftback Pi V Prius V Prius C ‐

128,064 8 399 8,399

147,503 40 669 40,669 35,733

15.20% 384 20% 384.20% NA

1.3 kWh 1 3 kWh 1.3 kWh 0.94 k

NIMH NIMH NIMH

PEVE PEVE PEVE

50 50 50

234,343

364,362

55%

Total Asia

US Hybrid Sales for European Producers US Hybrid Sales for European Producers Mfr

Model

Audi

Q5 Hybrid ActiveHybrid 3  (335ih) ActiveHybrid 5  (535ih) 7‐Series  ActiveHybrid

BMW BMW  BMW  BMW  Mercedes

Porsche

S400HV Hybrid Cayenne  Hybrid Panamera S Panamera S  Hybrid

Volkswagen

Jetta Hybrid

Volkswagen

Touareg Hybrid

Porsche

Total Europe

CY 11

CY 2012 

CY 12 vs 11 

Battery Size  (kWh)

Battery  Chemistry

Battery  Supplier

Combined  city/hwy  gasoline  (mpg/kpl)



270

NA

1.3

Lithium ion

Sanyo

26



402

N/A

13 1.3

Lithi Lithium ion i

A123

28



404

N/A

1.3

Lithium ion

A123

26

338

231

‐31.70%

1.3

Lithium ion

A123

25

309

121

‐60.80%

0.9

Lithium ion

Saft

21

1,571

1,180

‐24.90%

1.7

NIMH

Sanyo

21

52

570

996.20%

1.7

NIMH

Sanyo

25



162

N/A

1.1

Lithium ion

Sanyo

45

390

250

‐35.90%

1.7

NIMH

Sanyo

21

2703

3324

23%

Low sales in US, but dominated by lithium ion.  Mostly luxury hybrid vehicles  imported to US from Europe

US Sales for Plug‐in US Sales for Plug in and Battery electric vehicles and Battery electric vehicles Manufacturer

Model

CY 11 CY 11

CY 2012 CY 2012 

CY 12 vs 11 CY 12 vs

Battery Size  (kWh)

BMW

ActiveE



671

N/A

32

Battery  Supplier SB LiMotive  (now Robert  Bosch Battery  Lithium ion Systems)

BYD BYD

Qin e6 BEV

_ _

_ _

_ _

10 60

Lithium ion Lithium ion Lithium ion

Chery Chevrolet

S18 Volt

_ 7,671

_ 23,461

_ 205.80%

40 16.5

Lithium ion Lithium ion

BYD BYD Wanxiang  Group LG Chem

Chevrolet Fisher

Spark Karma

Unknown

20 20

Lithium ion Lithium ion

A123 A123

Ford Ford Honda

C‐Max Energi Focus Fit EV

N/A 8462.50% N/A

7.6 23 20

Lithium ion Lithium ion Lithium ion

Honda

Accord Plug‐ in Hybrid y

6.75

Lithium ion

Panasonic LG Chem Toshiba Blue Energy  (JV of GS  Yuasa and  Honda))

New ‐ 8 ‐

2,374 685 93

New

Battery  Chemistry

Continued next slide

Combined  city/hwy  Electric range  gasoline  (miles/km) (mpg/kpl)

94/151

N/A

31/50 200/321

_ N/A

93/150 38/61 80 to 90/130 80 to 90/130  to 140 33/53

N/A 37/15.7

21/34 76/122 82/131

43/18.3 N/A N/A

13/21

46/19.6

N/A 20/8.5

US Sales for Plug‐in and Battery electric vehicles  US Sales for Plug in and Battery electric vehicles (continued) Manufacturer Model Mitsubishi

i

Mitsubishi

Outlander

Nissan

Leaf

Smart

CY 11

CY 2012 

CY 12 vs 11

Battery Size  Battery Size (kWh)

Battery Battery  Chemistry

Battery Battery  Supplier

80

588

635.00%

16

Lithium ion

Toshiba

12

Lithium ion

New

Electric range  Electric range Combined city/hwy  Combined city/hwy (miles/km) gasoline (mpg/kpl) 62/99

N/A

37/62

AESC (JV of  Nissan ‐ NEC ‐ Lithium ion NEC Devices) Li‐Tec (JV of  Daimler ‐ Lithium ion Evonik)

9,674

9,819

1.50%

24

forTwo EV

388

139

‐64.20%

17.6

Tesla

Model S*



2,400 (Est)

N/A

40, 60, 85

Lithium ion

Panasonic

Toyota

Prius Plug In



12,750

N/A

4.4

Lithium ion

Toyota Coda  Automotive

RAV4 EV



192

N/A

41.8

Lithium ion

Panasonic Tesla  (Panasonic  cells)

Sedan



Unknown

N/A

31

Lithium ion

Lishen

Total

17821

53172

198%

73/117

N/A

68/109 NA, 208,  265/NA, 338,  431

N/A

N/A

18‐Nov

50/21.3

100/161

N/A

88/141

N/A

US EPA website:  hybrid vs. non‐hybrid comparison  y y p between similarly equipped vehicles Ford Fusion: hybrid  vs. standard int.  combustion engine

Ford fusion hybrid has  lithium ion battery

Hybrid

Non‐hybrid

Difference

MSRP

$27995

$24515

$3480

Combined mpg

46.8

26.2

20.6

Fuel savings/mo

$78.7

Fuel savings/yr

$944

Gallons fuel/yr

320

572

152

Fuel cost/yr

$1202

$2147

$944

Years to payback

3.7

C diti Conditions: 15000 mi/yr,  55 city/45 highway,  $3.75 per gal. fuel cost      i/      it /  hi h   $     l  f l  t 

Hybrids vs Plug‐in hybrids vs EV Hybrids vs. Plug‐in hybrids vs. EV  In general, hybrids compare favorably with non‐hybrids with relatively  g , y p y y y

small incremental costs and 10 to 40% fuel improvement  Micro hybrids have only modest improvement in fuel use  Mild hybrids are intermediate, with full hybrids giving largest savings  Plug‐ins have better fuel savings , but incremental costs are higher so  payback is longer  The optimum electric range for different driving patterns  is still not  settled ‐ l d  EPA web site can be used to personalize the driving pattern as  EPA  b  i    b   d    li   h  d i i       well as total miles and fuel costs  EVs are not selling well and are expensive because of battery costs.   Industr  is reorienting to ard plug in h brids in order to impro e sales  Industry is reorienting toward plug‐in hybrids in order to improve sales  Fuel standards may entice some manufacturers to go with losses in ev sales in order to satisfy requirements in US and other countries  If battery costs come down as predicted, ev If battery costs come down as predicted  ev sales should benefit the  most, but plug‐ins will also benefit, particularly if power capability  increases

Cell Properties for Asian Producers Cell Properties for Asian Producers Battery  Battery Developer AESC

Nominal  Voltage  Voltage Capacity  Capacity (V) (Ah) Weight (kg) Volume (l)

Specific  Energy  Energy (Wh/kg)

Energy  Density  Density (Wh/l)

0.277

89

171

0.331

0.194

67

114

50

?

0.92

?

174

3.65

20

0.428

0.202

173

360

carbon/LMO

3.6

4.8

0.24

0.194

72

123

Country

Cell  Cell Designation

Cell Type

Electrode  Electrode chemistry

Japan

L3‐10

Laminated/fla t

carbon/LMO

3.6

13

0.527

EH‐6

Wound/ Wound/  prismatic

carbon/NMC

3.7

6

Polymer/flat

carbon/LFP

3.2

C020

Polymer/flat

carbon/NMC

Blue Energy

Japan

BYD

China

EIG

Korea

Hitachi  Vehicle  Energy

Japan

Generation IV

Wound/  prismatic

LG Chem

Korea

E2

Polymer/flat

carbon/mixed  cathode

3.7

10

0.243

0.135

152

273

Lishen

China

LP2770108ab

Prismatic

carbon/LFP

3.2

13.5

0.42

0.224

102

146

Lithium  Energy  Japan

Japan

LEV50

Rectangular /  prismatic

carbon/LMO

3.7

50

1.7

0.865

108

213

Toshiba

Japan

SCiB

Rectangular /  prismatic

LTO/LMO

23 2.3

20

0 51 0.51

0 296 0.296

90

177

LMO – lithium manganese oxide, NMC – nickel manganese cobalt, LFP – lithium iron  phosphate, NCA – nickel cobalt aluminum oxide

Battery Properties for US and European Producers Battery  Developer

A123

Enerdel Johnson  Controls

Saft Dow  Kokkam

Nominal  Voltage  Capacity  (V) (Ah) Weight (kg) Volume (l)

Specific  Energy  (Wh/kg)

Energy  Density  (Wh/l)

0.263

124 @ 3.1V

236

0.43

0.252

147

250

27

?

0.338

?

291

Country

Cell  Designation

Cell Type

Electrode  Chemistry

US

AMP20

Pouch/flat

carbon/LFP

3.3

20

0.5

US

C175‐360

Pouch/flat

carbon/Mixed  Oxide

3.6

17.5

US

PL27M  (Plan for  Rectangular/  4Q2013) prismatic Graphite/NMC

3.65

France

41M

Cylindrical

Graphite/NCA

3.6

41

1.07

0.51

139

289

US

HE 40

Pouch/flat

carbon/NMC

3.6

40

0.87

0.483

166

298

About 170 Wh/kg for NMC with adequate power and pouch cell 7 / g q p p Up to 120 Wh/kg for  LFP in pouch cell, about 100 for LMO Cylindrical lowest in energy, coiled prismatic intermediate, pouch cell highest

Ford Presentation by Nancy Gioia y y July, 2010 y,

Improvements are clearly needed to have sufficiently good technology and low  y yg gy enough cost to have a mass market, customer driven product in evs and phevs!   Note the increased power capability needed for lower range plug –in vehicles

Cost projections for EV batteries from various sources Cost projections for EV batteries from various sources Source McKinsey & Co. Bloomberg  New Energy  Finance Ford Institute of  Information Information  Technology  (Takeshita) BYD  Presentation Element Energy  Report to CCC  (UK) US DOE goals

Date

Cost now  (US$/kWh)

Jul, 2012 

600

Apr 2012 Apr. 2012

689

Apr. 2012

522‐650

Projection 2015 Projection 2020 Projection 2025 Projection 2030  (US$/kWh) (US$/kWh) (US$/kWh) (US$/kWh) 200

160

150

380 (Cell basis) 380 (Cell basis) 

120 (Cell basis) 120  (Cell basis) 

Mar. 2012

532 (cellx1.4)

170 (cellx1.4)

2011

300

Mar. 2012

725

2012

1000 in 2008

205

320 300

125 in 2022

If costs can be brought to close to DOE goals, the ev If  t    b  b ht t   l  t  DOE  l  th   market will benefit  k t  ill b fit  substantially

Conclusions  Hybrid vehicles are now well established in the market 

with over 3% penetrlation in US light vehicles.  Both NIMH and Li ion will contribute and most vehicles will 

require at least a stop‐start technology and even mild hybrids  i    l       h l   d    ild h b id   will come on strong.  Payback time looks very good for full  hybrids.

 Plug‐in hybrids will continue to develop and will benefit 

substantially from cost reductions in Li ion batteries. C   ill h       d    l i  i     i h   Consumers will have to get used to plugging in every night  and be more aware of range and acceleration to get maximum  benefit  Li ion batteries will certainly come down in price.  The  survivor companies will probably be the ones with the most  flexibility in production and the most advanced SAFE  technology

Conclusions 2  All electric vehicles will develop much more slowly  Range anxiety is a major factor at present and will require a lot  of consumer education 

Range limitations are no different from running out of gas, but the  l d ff f f b h charging times require major infrastructure development to  accommodate the motorist with high power charging stations and  cars equipped to handle it

 Li ion battery cost is the limiting feature to any consumer 

acceptance.  Payback times for electric vs. gasoline are far too  long at present  Japan and Korea present formidable competition to US  companies in battery manufacturing  for vehicles  China will probably devote its production to domestic use for  some time to come