Today

1

Charger

Active balancing DC‐DC

DrivetrainDC‐DC

HV‐to‐LV DC‐DC

12V battery,Lights, Electronics, …

AC motor drive

Options (U.S.)AC Level 1: 120Vrms ACAC Level 2: 240Vrms AC

DC

Charging infrastructure and chargers

• Charging standards: AC Levels 1, 2, DC• An example AC Level 1,2 charger: power electronics and control 

Charging standards: AC

2

Battery system

Charger+

Vbat_

ACpowergrid

Electric Vehicle Supply 

Equipment (EVSE)

AC

signals signals

Ichg

Vehicle

SAE J1772 connector

AC Level 1 120 V

Voltage [RMS] Max current [RMS]

16 A

AC Level 2 240 V 32 A (2001)80 A (2009)

SAE J1772 connector: single‐phase AC charger standard

3

Society of Automotive Engineers (SAE) J1772 

Conductive Charge Coupler

SAE J1772 signals: 

• Proximity Detection: to prevent movement of the car while connected to the charger.

• Control Pilot: a 1 kHz square wave at +/‐ 12 volts is generated by the EVSE on the pilot pin to detect the presence of the vehicle, communicate the maximum allowable charging current, and control charging.

EVSE at South Boulder Rec Center

1. AC line 12. AC line 23. Ground4. Control Pilot5. Proximity Detection signals

J1772 signaling circuit

4

CP

PE

PP

Charging standards: DC [under development]

5

Battery system

+Vbat_

ACpowergrid

Electric Vehicle Supply 

Equipment (EVSE)Charger

DC

signals

Ichg

Vehicle

connector

DC charging: standards under development

6

SAE J1772 "combo“ connector 

CHAdeMO Associationup to 500V DC, up to 125 A

DC Level 1 200‐450 V

Voltage [DC] Max current [DC]

DC Level 2 200‐450 V

80 A

200 A

DC Level 3 200‐600 V 400 A

Nissan LEAF charging portsDC CHAdeMO (left) and AC J1772 (right)

7

Tesla (Proprietary)

8

• Mobile charger: 120 V – 240 V, up to 40 A• High power wall charger: 208 V ‐ 240 V, single phase, up to 70 A• Supercharger: 480 V DC, 250 A (up to 120 kW)• Battery swap: “full charge in 90 seconds”

Charger Implementation

9

Battery system

Charger+

Vbat_

ACpowergrid

Electric Vehicle Supply 

Equipment (EVSE)

AC

signals signals

Ichg

Vehicle

vac(t)

iac(t)

+Vbat_

Ichg

AC‐DC rectifier

DC‐DC converter

Charger

AC systems: power factor

10

Power electronics textbook Chapter 16

11

12

13

Conventional “peak‐detection” rectifier

Power factor = P

Vrms Irms

is very low  (0.55)

Maximum power obtainable from 120V, 15A outlet (AC Level 1)

Charger implementation

16

Power electronics textbook, Chapter 18, PWM rectifiers

Ideal lossless rectifier

17

Unity power factor rectifier operation

18

Unity power factor rectifier control loops

19

Power electronics textbook, Section 6.3

DC‐DC Converter: full‐bridge isolated buck 

converter example

Batterysystem

20

Full‐bridge isolated buck converter operating 

waveforms

21

Batterysystem

DC‐DC converter: control loops

22

Research and development directions

23

• Fast DC chargers

• Charge management• Minimize cost

• Utilize excess generation from renewables

• Minimize stress on electric power distribution

• Minimize impact on battery life

• Vehicle‐to‐grid V2G concepts

• Inductive (wireless) charging

Grid‐Interactive DC‐Link PV Charging StationCU‐Boulder project sponsored by DOE/Hawaii Renewable Energy Development Venture

• Ultra high-efficiency (>98%) DC charging of EV’s and PHEV’s directly from the PV array and/or from the grid

• Re-use of resources, reduced cost

• Improved grid integration of PV power system, controlled ramp rates

EVUtility Control

PHEV

Grid‐interactive inverter

Fast (Level‐3) 

DC Chargers

10kWh packcharger

CU‐Boulder CoPEC lab test setup

DC bus (500 V)

Wireless (inductive) EV Charging

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Stationary

In‐motion