Storage Assisted Recharging for EVSE...

StStorage AAssisted RRecharging for EVSE Facilities

Advancing Intelligence in the 

EV Charging Process

3rd Energy Storage Summit

Chicago, IL   Nov 16th, 2010

Paul Heitmann

ECOtality Utilities Representative

Topics

•

EV Project goals and deployment

•Emergence of EVSE charging 

networks and new business 

models•EVSE/Storage opportunities and barriers 

for V2G / Renewables / Smart Grid 

www.theEVproject.comwww.theEVproject.com www.blinkNetwork.comwww.blinkNetwork.com

www.magiccconsortium.orgwww.magiccconsortium.orgIndustry Ref >

• $230 million project– $115 million grant from 

US Dept. of Energy– $115 million partner match

• Purpose: To build and  study

mature electric 

vehicle charging 

infrastructure in six states 

plus the District of 

Columbia• Product: Lessons learned

Geographic AreasGeographic Areas

Washington State (greater Seattle area)

Oregon (Portland, Eugene, Corvallis, Salem)

California (San Diego, Los Angeles**)

Arizona (Phoenix, Tucson)

Tennessee (Chattanooga, Knoxville, Nashville)

Texas ** (Dallas, Ft Worth)

Washington, DC **

Transportation CorridorsI‐5 Corridor Eugene to Canadian border

I‐5 San Diego to Los Angeles **

I‐10 Phoenix to Tucson

I‐75 Chattanooga to Knoxville

I‐40 Knoxville to Nashville

I‐24 Nashville to Chattanooga

** included in first ** included in first 

program expansionprogram expansion

Equipment DeploymentEquipment Deployment

• 5,700 Nissan Leafs in Market Areas included in EV Project

• 2,600 Chevrolet Volts in Market Areas included in EV Project

• 8,300 Level 2 (240 Volt AC, 6.6 kW) residential and fleet EVSE

• 5,500 Level 2 Commercial EVSE in Market Area

• 125 additional Level 2 in ORNL Solar Project

• 750 Level 2 Public EVSE in Market Areas

• 260 DC Fast Chargers (480 Volt AC, 40 – 60 kW) in Market Areas

• 50 DC Fast Charger for Corridors between major cities

AC Level 2 EVSE CommercialAC Level 2 EVSE Commercial

• Where should they be installed?– Micro‐Climate©

process– Where people shop– Where people play– Where people gather– Target is 1 – 3 hours

• Expand effective operating range of the EV• Allows for unscheduled trips• Provides ‘comfort’

to new EV users: ‘Range 

Anxiety’

• Businesses want to install EVSE• Draws EV customers—they stay longer• Advertising Advantages• Revenue Collection Systems• Advanced DR Business services?

DC Fast Charger DeploymentDC Fast Charger Deployment

• Where do they go?Where energy is needed fast

• Near highways or cross‐town roads• Highway corridors between towns• Busy fleet locations

Where people stay a short time

• Gasoline stations• Rest stops• Convenience Stores• 10 – 15 minute charge

What will it do?

• Fast energy return—50% fill in 30 minutes

• Advanced DR Business services? Microgrid/CES integration?

Scenario: HAN Drive

/ Charge

Dailyw/ Ancillary Services

Price Cat. (Typ.):

<6AM <9AM <Noon <3PM <6PM <9PM <MidNite

Grid Support:

Vehicle Charging:

Vehicle Location:

Energy Transfer:

<3AM

Battery SOC (kW‐hr):

(‐16) kWhr (‐16) kWhr +32 kWhr

-$2.08

RECHARGE

ANCILLARY SERVICES

+6kW x 22 hr

+$3.30

LOW PRICE MED PRICE HI  PRICE

05c 11c 25c $25/MW/hrREG SVCS

Home |HiWay|

Workplace      |HiWay|

Home

+32

kWhr

Net Recharging whileVarying charge rates

A Discussion Framework

• What is Meant By Storage Assisted Recharging??

• What configurations and systems are practical? 

• How will the StAR EVSE be Configured/Integ/Managed

• What operating business models are practical?

• What are the primary risk areas (and mitigations?)

1.

2.

3.

4.

5.

Slides for  StStorage AAssisted RRecharging 

Presentation

Source: Sandia LABSSAND2010‐0815

B

A

A

CC

Source: Sandia LABSSAND2010‐0815

Level 1Level 11.44, 1.92 kW(12A, 16A)

< 19.2 kW(< 80A)

Emerging Standards  SAE J1772TM

• AC Charging– Requires on‐board power inverter 

and BMS

– Power management shared 

between vehicle and EVSE

– Generally lower power transfer 

capabilities

• DC Charging– AC‐DC conversion performed off 

board

– EVSE provides significant power 

management.

– Generally higher power transfer 

capabilities

Level 2Level 2< 19.2 kW(< 80A)

< 90 kW(<200A)

Level 3Level 3TBD kW TBD kW

Advanced DR Business ServicesAdvanced DR Business Services

EVSE Capacity ClassificationEVSE Capacity Classification

Range Extension ComparisonRange Extension Comparison

• The Smart Grid is the increasingly “aware”

electrical distribution system 

that can recognize and proactively manage against potential reliability 

impacts (ie EV clustering)

• The Smart Grid is transactional

in nature, moving markets closer to end 

users and enabling rapid response to market signals.

• Smart EVSE can interconnect as “end nodes”

to the Smart Grid, and thus 

carry out critical EV charging power level adjustments based on grid 

conditions monitored by the electric utility or ISO.

• Smart Grid is only as effective as the educated Smart Consumer who has 

automated their recharging operation to “close the feedback loop”

and 

enable preventive action to be taken. 

• “Genius GridTM” is achieved when EV/EVSE resources are automatically 

identified, authenticated, and proactively managed for bidirectional 

power flow while achieving individual SOC target thresholds.

Smart Grid ChargingSmart Grid Charging

ecoTality North America ~  Confidential Information

EVSE Blink Network SegmentEVSE Blink Network Segment

++ --Typical / more common application Less common application

PRIVATE PUBLIC

SIN

GLE

FAM

ILY

MU

LTI

FAM

ILY

CO

RPO

RAT

E F

LEET

CO

MM

ERC

IAL

GAR

AGE

CO

MM

ER

CIA

L R

ETAIL

CO

MM

UN

ITY

CEN

TER

CU

RBSI

DE

CO

RR

IDO

R/S

TATI

ON

Charging LevelsL2 Charger

APPLICATION

ATTRIBUTES

DC Fast Charge

Operating AspectsCharge Cost (relative)Site/Permit Effort

++ ++-- ++

-- --

LOW MOD LOW-MOD MOD-HI MOD-HI HIGH HIGH HIGH

Hours Used (typ) 6P-6A 6P-6A 6P-6A 7A-1A 10A-9P 9A-6P 9A-9P 24hrs

20 20 40/250 80/?? 50-80 30-50 30-50 25/??Daily Energy (kWhr)1 2 1 4 5-8 3-4 6-10 10+EVs/Day per EVSE

microClimate EVSE Applications

ALL CHARGERS ARE USABLE FOR ANCILLARY SERVICES AS BACKGROUND APPLICATION

4.

What Can Be Achieved With StAR‐smart charging?

• Owner of a StAR EVSE Can:– Automatically limit facility‐peak reinforcement to mitigate Demand Charges – Reduce the grid‐exposed load proportion based on TOU/CPP rates or DR events.– Power facility (s) with stored energy from their storage batteries and/or connected Evs– Load shift to lower cost energy TOU rate periods, consume more wind energy.– Utilize battery storage to service/participate in ISO Ancillary Svcs (Freq Reg or Voltage support)

• Electric Utility and ISO Can:– Load balance (DR) during Peak Load for Emergency or Economic dispatch– Deliver pricing signals for incenting customer behavior change.– Optimally plan distribution infrastructure upgrade and maintenance– Balance the intermittent nature of >20% Renewable energy through

Firming

• Government Regulators Can: – Obtain high quality data on economic benefits of Smart Grid investment– Determine best places to incent fixed storage within public EVSE

infrastructure investment– Establish and maintain meaningful Energy and Capacity markets for ensuring orderly clearing of 

supply/demand

• 50 kW EV power 

draw• 8 Cars at 24 kWhr• Average 30 min.• Assume leveled 

utilization 7x24 

• TYPICAL 

LOCATIONS– Gas Stations– Large Restaurant– Big Box Store– Movie Theater

Example: StAR DC Fast ChargingExample: StAR DC Fast Charging

UTILITY RATE STRUCTURE

328.59 $/mo for General Service

Oct‐Mar Apr‐Sept

8.36 5.57 $/kW Demand

BLDG CARS

Energy Charge: 0.05995 $/kWhr 18000 6000MONTHLY USE (BLDG) PEAK LOAD (BLDG)

MONTH DEMAND ENERGY BLDG ONLY BLDG/CHGR BLDG ONLY BLDG/CHGR

Oct 8.36 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00

Nov 8.36 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00

Dec 8.36 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00

Jan 8.36 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00

Frb 8.36 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00

Mar 8.36 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00

Apr 5.57 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00

May 5.57 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00

June 5.57 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00

July 5.57 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00

Aug 5.57 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00

Sept 5.57 0.05995 $1,079.10 $1,438.80 $209.00 $627.00 $777.70

Additional Cost Per Month

Assume Building Load is constant at 25kW 240 visits

Assume DC Fast Charger Services (8) Evs per day with 1/2 hr ea at 50kW

$3.24 per vehicle

Demand Charge Impact (Example)Demand Charge Impact (Example)

• Tie storage to DC Fast charger to (1) reduce power demand or (2)

utilize 

renewable generation.

• To reduce demand, envision a 20 kWh battery operating at 20 to 40kW 

(1C to 2C discharge rate). This battery will discharge while the

vehicle is 

charging to limit demand on the grid. After vehicle charging is complete, 

the DC fast charger will charge the battery at a rate that will not increase 

the peak demand of the facility, preparing it for the next vehicle charge.

• To utilize renewables, envision a 120 kWh battery that supplies all the 

power and energy to charge a vehicle. This battery is charged at

night 

from the grid using wind generated energy. It then discharges during the 

day to provide vehicle charging.

• We will be developing one demo charger of each. Currently looking for 

battery suppliers. Big battery probably a lead acid. Small battery probably 

a used EV battery.

Key Points for StARKey Points for StAR

Level 2 AC Charger BankLevel 2 AC Charger Bank

20‐40kW‐hr1Cbattery

Level 2 DC Heavy RenewablesLevel 2 DC Heavy Renewables

120‐150kW‐hr1C – 2Cbattery

• ‐

Develop technology demonstration that shows fixed storage support for 

load shifting at Level 3 and DC Fast charging EVSE facilities.

‐

Develop battery management platform that supports charging

optimization for demand side management at commercial buildings.

(aka 

V2H, V2B)

‐

Develop storage and management platforms using physically

distributed but logically aggregated EV/PHEV batteries. Demonstrate V2G 

operation.

‐

Develop control platforms that allow the individual and

aggregated EV/PHEV to participate in load balancing and ramping

support for renewable energy (particularly wind) at Community Power 

and Utility Scale distributed generation.

Alternative ApproachesAlternative Approaches

NOT

AWARDED

DOE  ARPADOE  ARPA‐‐E  FOAE  FOA‐‐290290

• Task 3.14: (Added January 2010) Test Procedure Development for Fast Chargers Utilizing 

Energy Storage Fast chargers for on‐road EVs will soon appear that utilize energy storage. No 

procedural methods currently exist to evaluate the performance of these chargers as used 

with on‐road EVs. This task will conduct modelingconduct modeling

of a fast charger utilizing energy storage 

and will conduct cycling of batteriesconduct cycling of batteries

to develop procedures for evaluation of energy 

storage devices associated with on‐road EV fast chargers.

• A typical on‐road EV fast charger will be modeled to establish performance targets based on 

system loads up to 100% of the total fast charging load for 

– capacity,                   ‐

voltage range,                  ‐

maximum power output, 

– cost,                          ‐

availability, 

• Based on this modeling, a battery test cycle will be developed for testing batteries in the 

laboratory,  and the laboratory test cycle will then be trialed using three different battery 

chemistries. 

• A string of three battery cells from each chemistry will be cycled for a period of three months 

to validate the test cycle. This testing will yield information on how each battery chemistry 

reacts on the proposed test cycle and the ability of the test cycle to quantify battery 

performance in on‐road EV fast charger energy storage duty.

•• DeliverableDeliverable: On‐Road EV Battery Fast Charger Energy Storage Device Test Procedure, 

including a Laboratory Test Cycle and a report describing the validation of such procedure

• Status:  Preliminary research into project has begun.

DOE  AVTA  Program Task 3.14DOE  AVTA  Program Task 3.14

Service Layer

Call CenterInstallation ServicesIntegration ServicesProfessional ServicesBilling ServicesMarketing/Recruitment/Adoption

Hardware Layer

BatteriesPV ArraysCharging StationsGateways ‐

LoadSwitches ‐

PCT ‐

EVSEComms NetworkMeters

Application Layer

EVM ‐

Smart ChargingBusiness AnalyticsEnergy EfficiencyDRMSPortals for Utility&Customer

Foundation Layer

CommunicationsMDMHostingIntegrationSecurity

ECOtality Component

ecoTALITY Partner

ECO

ECO

ECO

ECO

ECO

ECO

ECO

ECO

Storage Assisted Recharging for EVSE Facilities

Thank You!

pheitmann@ecotality.com