电动汽车能源供给模式研究报告万向.docx
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电动汽车能源供给模式研究报告万向
电动汽车能源供给模式研究报告
万向电动汽车有限公司
2007年10月
一、
项目的背景、意义和目标…………………………………
1
1．
项目的背景……………………………………………….
1
2．
项目的意义与必要性…………………………………….
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3．
项目研究的内容和目标………………………………….
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二、
电动汽车能源供给技术分析……………………………..
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1．
国内外电动汽车能源供给系统现状和发展趋势……….
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2．
电动汽车能源供给系统的关键技术…………………….
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三、
基于车载充电的能源供给模式…………………………..
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1．
技术路线………………………………………………….
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2．
商业模式………………………………………………….
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3．
技术与经济可行性分析………………………………….
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4．
适用领域与发展前景分析……………………………….
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四、
基于电池租赁的能源供给模式…………………………..
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1．
技术路线………………………………………………….
29
2．
商业模式………………………………………………….
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3．
技术与经济可行性分析………………………………….
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4．
适用领域与发展前景分析……………………………….
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五、
基于梯次应用的能源供给模式研究……………………...
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1．
电动汽车的产业化模式分析…………………………….
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2．
基于电池梯次应用的能源供给商业模式分析………….
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3．
充电站布局与规划……………………………………….
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4．
经济性分析……………………………………………….
52
六、
结论与展望………………………………………………...
55
一、项目的背景、意义和目标
1．项目的背景
（1）面临全球交通能源与环境问题，发展电动汽车是必然选择
进入20世纪90年代以来，面对环境保护和石油资源日益严峻的压力，汽车工业正面临着一场革命，交通能源与环境问题是21世纪全球面临的重大挑战。
目前世界汽车保有量约8亿辆，并以每年3000万辆的速度递增，预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆，主要增幅来自发展中国家。
国际能源机构（IEA）的统计数据表明，2001全球57%的石油消费在交通领域（其中美国达到67%）。
预计到2020年交通用油占全球石油总消耗的62%以上。
美国能源部预测，2020年以后，全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口，2050年的供需缺口几乎相当于2000年世界石油总产量的两倍。
与此同时，交通能源消耗也是造成局部环境污染和全球温室气体排放的主要来源之一。
为此，全球已达成共识：
交通能源转型势在必行。
经过多年讨论和探索，国际上对于汽车能源和动力转型比较一致的看法是：
各种高新技术特别是新型动力电池技术的进步赋予了纯电动汽车新的生命力和发展机遇，各国政府和消费者对零排放的交通工具寄予了很高的期望。
鉴于汽车工业在推动国家经济发展和保障国家能源安全方面具有重要作用，发达国家政府都对汽车节能与新能源技术发展给予了高度的重视。
首先是实施大规模的“政府企业合作伙伴”项目，如美国的FreedomCAR计划、清洁城市计划、欧洲的CUTE项目、日本JHFC燃料电池汽车推广应用项目等。
其次是通过各种政策鼓励节能与新能源汽车的推广和应用,例如美国在新的能源法案中对节能汽车的消费者给与一定的财税补贴，其中对纯电动汽车和燃料电池汽车减免4000美元的所得税；日本政府对购买电动汽车汽车的用户给予2000美元的补贴；韩国政府从2006年开始斥资1449亿韩元（约合人民币11.5亿元），用于刺激国内市场对节能新能源动力车的需求，为每辆电动汽车购买者提供2800万韩元的补贴。
发达国家对节能零排放车辆的旺盛需求为我国发展外向型电动乘用车提供了广阔的市场空间和技术成长的舞台。
近年来，我国汽车业迅猛发展。
2005年，我国汽车产销量均超过570万，分别居世界第三位和第二位，自主品牌轿车和汽车出口均出现大幅增长。
预计2020年前我国将成为世界上最大的汽车制造国和主要的汽车出口国之一。
我国目前的汽车人均保有量还很低，2003年每千人汽车保有量仅为美国的2.5%（19辆），大约相当于美国90年前的水平，是世界上汽车市场潜力最大的国家，预计2020年汽车保有量将达到1.3—1.5亿辆。
但是，当我国刚刚到达汽车社会门槛，车用石油消费在石油总消费中的比例（1/3以下）还大大低于世界平均水平时（1/2以上），我们已经感受到了石油供应的日益紧张。
同时，车用石油消耗所产生的空气污染和CO2排放也正在变成愈来愈严重的问题，我国已经成为世界上CO2排放大国，由此产生的国际政治和经济争端将会愈演愈烈。
这充分表明，我国所面临的石油安全与交通能源问题将来势更猛，影响更大，挑战更加严峻。
按传统交通能源动力系统发展下去，不可持续，实现我国交通能源动力系统转型是大势所趋。
我国的资源和能源状况适合发展新能源交通动力系统；我们具有实现交通能源动力系统转型、实现节能与新能源汽车跨越式发展的后发优势；实施汽车动力系统变革，是多年来我国发展清洁汽车和电动汽车成功实践的战略总结和发展的必然要求。
目前国际上新能源汽车尚未形成新兴工业体系，而我国汽车普及率低，在汽车动力系统选择和新能源汽车研发与产业化方面，具有更大的自由度。
1999年4月全国清洁汽车协调领导小组成立，得到了国务院领导及各部委的重视和支持。
随后，全国清洁汽车协调领导小组启动了12个试点示范城市和地区的清洁汽车推广应用工作，启动了清洁汽车关键技术及产业化攻关项目，建立了清洁汽车五个生产基地，开展了燃气汽车的改装技术培训和广泛的技术交流，确定了燃气汽车专用装置零部件检测评价中心，开展了清洁汽车标准制订及检测技术研究工作。
“十五”期间，科技部组织实施了“电动汽车重大科技专项”。
全国200余家单位、2000多名骨干科技人员直接参与实施，初步形成了官、产、学、研合作机制。
目前，小型纯电动车辆已经开始小规模产业化，混合动力汽车已有多个车型通过国家认证成为产品，燃料电池汽车已进入示范考核运行阶段。
自主开发的燃料电池、动力蓄电池、驱动电机和电子控制系统具备批量化生产能力。
为我国应对全球性的能源短缺、环境污染提出的严峻挑战打下了良好的基础。
当前，世界主要汽车大国纷纷将目光瞄准到节能与新能源汽车的研发和大规模产业化。
顺应历史和时代的潮流，我国汽车整车和关键零部件企业也对发展具有我国自主知识产权的电动汽车和清洁替代能源汽车表现出前所未有的积极性，节能与新能源汽车技术到了由科研转入产业化的关键时期，电动汽车产业化是国家“十一五”重大专项的重点。
（2）电池技术是制约电动汽车发展的瓶颈
电动汽车20年来之所以起伏跌宕，关键是电池技术。
目前电动汽车难以普及的瓶颈主要是价格太高,以及一次充电后的行驶里程比较短。
蓄电池单位重量储存的能量太少、较贵、没形成经济规模，故购买价格较贵；至于使用成本，有些试用结果比汽车贵，有些结果仅为汽车的1／3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。
电池是电动汽车发展的首要关键，要想在较大范围内应用电动汽车，要依靠先进的蓄电池。
经过10多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池、锂离子和锂聚合物电池。
氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一倍，其它性能也都优于铅酸电池，但目前价格为铅酸电池的4-5倍，正在大力攻关让它降下来。
锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的3倍，锂聚合物电池为4倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。
我国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。
但是它的关键技术还不成熟，不能满足市场需求，因此在我国研究发展电动汽车必须把攻克电池技术的瓶颈作为一项长远的战略意义考虑。
（3）节能减排工作已纳入国家政策法规
《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》中，提出了“十一五”期间，国内生产总值单位能耗要降低２０％，主要污染物排放总量要减少１０％的约束性指标。
去年全国没有实现年初确定的节能降耗和污染物排放的目标，加大了“十一五”后四年节能减排的工作难度。
今年国务院专门印发了《节能减排综合性工作方案》，进一步明确了节能减排的目标任务、总体要求。
节能减排是全球气候变化的迫切需要。
汽车行业是用油的大户，也是城市大气污染的重要分担者，对提升全国的节能减排水平具有着重要的影响。
汽车业界应该承担起一定的责任，尤其是大型的汽车企业集团，一定要以对国家和人民利益高度负责的态度，争做节能减排工作的表率，这既是一种责任，更是一种义务。
汽车行业企业要按国家建设资源节约型、环境友好型社会的要求，转变发展模式，走可持续发展之路，要不断提高生产技术条件和管理水平，技术研发要将节能、环保作为重要的内容，不断提高自主创新的能力。
科技部部长万钢说，“发展节能与新能源汽车已经成为中国汽车技术创新的重要方向，要在政府引导的以企业为主体的技术创新体制下，集中优势资源，推动中国汽车的技术进步，增强我国汽车工业的国际竞争力”。
目前我国已经形成了有利于清洁与新能源汽车发展的局面，国家发改委已经研究制定并发布了新能源汽车的准入办法，科技部在“十一五”期间将大力推动和促进节能与新能源汽车的技术进步和产业化。
2、项目的意义与必要性
发展节能与新能源汽车是我国国民经济可持续发展的战略需要，是提高汽车工业核心竞争力的迫切要求，是汽车技术不断发展的需求，是和谐社会发展的必然；节能与新能源汽车具有广阔的市场前景。
在全球节能降耗总的趋势下，基于现在电动汽车电池技术的限制和电动汽车即将进入商业化阶段，电动汽车的基础设施有待建设，这些基础设施主要指与大批量电动汽车正常运行有关的基本配套设施和维修服务体系等。
在电动汽车产业化发展的今天，研究和提出电动汽车能源供给模式刻不容缓。
其意义在于：
Ø它采用的是绿色环保能源——电池；
Ø它是目前为解决电池技术瓶颈问题而提出的更合理方案；
Ø它能以最大的效益来满足消费和社会的需求；
Ø它是一种新型的电动汽车运行和维护的商业模式，对推动电动汽车产业化具有积极作用。
3、项目研究的内容和目标
成功实现电动汽车的基础设施建设，必须要求：
Ø使用方便的充电站；
Ø充电收费简便易行；
Ø电动汽车用蓄电池和充电方式的标准化；
Ø制定安全清洁的充电法规；
Ø对电动汽车用户的宣传教育和培训；
Ø电力的供应。
电动汽车基础设施的建设是一项巨大的工程，没有任何一个部门能够支付起独立完成这项工程所需的全部费用。
基础设施建设是—项长期投资，需要待之以恒地长期开发。
此外，基础设施的发展还必须有政府、社会组织、电动汽车厂商、电力部门、电池厂商等各方面的通力合作。
电动汽车能源供给模式研究的内容有：
（1）电动汽车能源供给模式政策支持系统研究：
研究政府、社会组织、电动汽车厂商、电力部门、电池厂商等各方面的职能分配和协作等；解决电力供应、政策支持、场地和商业运营等基础问题；
（2）电动汽车能源供给网络研究；
（3）电池、电池筐的标准化和快速更换技术研究；
（4）充电技术研究：
包括充电通用化、充电快速化、充电智能化以及充电安全性、电能转换的高效性和充电集成性等；
（5）充电模式研究：
包括常规充电、快速充电和电池组快速更换三种基本模式的适用范围和基本要求；
（6）充电设施研究：
包括家用充电设施和公共充电设施的适用范围、特点和要求等；
（7）公共充电设施（充电站）研究：
包括正常充电站、短时充电站、快速充电站、电池更换站、移动式充电区等公共充电设施的适用范围、特点和要求等；
（8）基于电池租赁的能源供给模式研究：
售价偏高，是制约电动汽车大规模推广的瓶颈之一，在销售环节采用“卖车不卖电池”、在使用环节采用“电池租赁、用电收费”方式。
充电站将电池以租赁方式出租给用户，电池租赁公司负责充电、维修、保养、更换和回收等，每月收取租金。
电池租赁方式能够大幅降低电动汽车售价，消除潜在客户的很多顾虑，将极大推动电动汽车的商业化进程。
（9）基于电池梯次应用的能源供给商业模式研究；
（10）充电收费系统研究：
研究公共充电系统的多种可能的收费方案；
通过电动汽车能源供给模式及其相关内容的研究，实现以下目标：
（1）在现阶段有效推动电动汽车产业化和商业化运行；
（2）有效的克服因电池技术而带来的费用高和续驶里程短的问题；
（3）为国家实现“节能减排”的基本目标与任务和人类资源与环境问题直接作贡献。
二、电动汽车能源供给技术分析
1．国内外电动汽车能源供给系统现状和发展趋势
电动汽车发明于1834年。
在十九世纪的最后10年中，美国、英国和法国的一些公司开始生产电动汽车。
由于电池的限制以及内燃机驱动汽车的迅速发展，从1930年开始，电动汽车的研究于生产基本处于停滞状态。
在20世纪70年代，由于石油危机和能源供给的问题，电动汽车的研发重新兴起。
现阶段，世界各国研发电动汽车的推动力主要是环境和能源供给的双重压力。
通过对1984年以来重要国际学术会议上发表的与电动汽车能源供给系统相关的论文的调研，了解到电力驱动和能量来源一直是电动汽车的关键技术。
电动汽车的能源供给被公认为电动汽车商业化的主要问题。
因此，在目前和不远的将来，如何发展能源供给装置将会是电动汽车发展的主要方面，综合考虑各种因素，我们认为能源供给系统应遵循以下发展准则：
（1）使用方便的充（换）电站；
（2）充（换）电收费简便易行；
（3）电动汽车用蓄电池和充电方式的标准化；
（4）制定安全、清洁的充电法规；
（5）电力供应的保障与电网安全；
（6）对电动汽车用户的宣传和培训；
法国电动汽车能源供给系统的研制和推广较为典型。
在法国，法国电力公司（EDF）负责电动汽车充电设施与设备的研制和推广。
EDF将能源供给系统分为三个类别：
常规充电、快速充电和专用充电系统。
常规充电包括三种形式：
家用车库、停车场、路边充电机。
如下图所示：
在巴黎，拥有31个公用停车场充电站、23个路边充电站（点）、5个快速充电站和一个公交线路的专用充电设施。
区别与传统的接触式能源供给系统，在美国、日本和法国，非接触式能源供给系统的研发取得了初步的进展。
非接触式能源供给主要核心技术是感应式充电技术。
法国研制的Tramway（有轨电车）感应式能源供给系统已经在波尔多地区得到应用，其原理图如下所示：
日本研制的下一代非接触式充电系统也是采用感应线圈传递能量的方式，其原理图与实物如下图所示：
由于电动汽车目前还没有大规模的应用推广，在能源供给系统的商务模式研究方面还缺乏比较有效的数据支撑。
在巴黎，由于充电费用远低于停车费用，所以在停车场基本都是实行免费停车充电的政策。
对于家用轿车的充电，法国EDF配售标准家用专用充电设施，以300欧元的优惠价格向电动汽车车主销售，提供安装服务，并装备专用电度表。
2．电动汽车能源供给系统的关键技术
电动汽车能源供给系统涉及到电动汽车、电池组、充电机以及电网等电力传输、存储与使用各个环节，关键技术主要集中在安全供电、安全充电和便捷服务三个方面。
主要关键技术体现在以下几点：
Ø各种应用模式下高效率充电机；
Ø充电站信息采集与自动化控制系统；
Ø能源供给计量计费系统；
Ø电池组模块标准化研究与应用；
Ø大功率充电状态下对电网的干扰与防范；
（1）各种应用模式下高效率充电机
充电机是能源供给系统的关键设备，也是充（换）电站建设的核心设备，衡量充电机性能的主要指标有以下几点：
Ø充电效率（功率因素、功率损耗）；
Ø谐波比例（对电网的影响）；
Ø智能化程度（充电保护、自动调整充电模式）；
电动汽车的充电机分为车载充电机和地面充电设备，考虑电力供应因素，在充电机的前端还考虑配套供电柜。
国内车载充电机一般选用单相220V交流电源作为电力输入，充电机功率在3kw以下，以便于使用民用照明电源。
车载充电机主要应用于微型电动轿车和电动摩托车，充电时间往往设计在6－10小时。
作为车载能源供给设备，车载充电机的安全性要求非常高，在充电阶段，充电机要与整车控制器、电池管理系统以及电气安全控制器保持通信，通过车载信息平台显示能量供给信息和报警信息，并接收整车控制器的指令，执行相应的充电模式切换。
常见的车载充电机如下所示：
地面充电设备的形式较多，按照使用特点可分为整车充电机和模块化充电机。
整车充电机是国内外电动汽车能源供给的常用设备，一般为柜式，通过高频IGBT实现整流和充电控制。
整车充电机功率一般在20kw以上，采用恒压限流、三段式（恒流、恒压、涓流）以及脉冲式（又称间歇式）充电控制技术。
模块化充电机是采用大规模小功率充电机（一般在3kw以下）组网工作，通过建立完善的信息系统对各个充电模块实现集中优化控制，对车用电池采用模块化结构设计，分模块进行能源供给。
模块化充电机的技术与整车充电机相同，相比而言，模块化充电机的整体效率更高，但是信息技术较为复杂。
常见的地面充电设备如下所示：
（2）充电站信息采集与自动化控制系统
充电站的信息采集与自动化控制系统是能源供给系统商业化运营的重要技术支撑。
电动汽车智能充电站是近十年来随着电动汽车商业化运营规模的扩大而提出的新课题。
智能化充电站能够为探索电动汽车的运营模式、经营模式提供大量的技术经济数据，因而成为电动汽车商业化推广的重要技术平台。
充电站信息采集和自动化控制系统的网络拓扑结构如下图所示，系统是一个分布式数据采集控制系统。
系统由n个支点充电站和主控中心构成，每个充电站又由m台充电机和充电站监控计算机构成。
充电站监控计算机与主控中心的通讯采用专用电缆、因特网连接技术；充电站内监控计算机与充电机之间、电池管理系统与充电机之间通过CAN总线进行通讯。
在每一个充电站内，充电机、电池管理系统和监控计算机共同构成信息采集和自动化控制系统，充电站内信息来源主要为充电过程中采集的电池电压、温度以及充放电曲线信息，系统拓扑图如下所示：
（3）能源供给计量计费系统
能量供给计量计费系统是实现电动汽车商业化运营和能源供给的基础，由于电动汽车运营商业模式还不成熟，能源供给的手段和模式也多样化，对能源供给的计量与计费带来了很大的不确定性。
电动汽车能源供给计量计费系统要具有以下技术特点：
Ø投资小、见效快、性价比高。
Ø安全可靠、易于维护，采用成熟、稳定、先进的网络结构和数据库管理系统，有效保证了信息的可靠性、完整性和一致性。
Ø简单易学、贴近用户，本系统界面采用人性化设计，简单易懂、操作快捷，操作员可以在很短时间内就掌握本系统的使用方法。
Ø强大的自定义功能。
发票格式、计量方式、阶梯电价、附加费、滞纳金计算、各种报表格式等，均可灵活定义，可以满足全国各地的电力公司的业务需求。
Ø灵活通用的自定义报表功能。
具备通用报表功能，可以直接从数据库中取数据生成格式报表。
能源供给计量计费系统的建设要与充电站的建设结合进行，能源计量可以在车载端进行，也可以在充电机端设置，一般根据不同的能源供给商务模式而定。
若是提供路边、家用以及公用充电服务，能源计量则应与充电机绑定，用户可以享受自助充电服务；若采用电池租赁与快速更换的商务模式，则能源的计量应与车辆的实际使用能耗相结合，计量装置应与电池管理系统有通讯接口。
计费数据系统一般采用成熟的Client/Server结构。
在主控中心设置MicrosoftSQLServer2000数据库服务器；各充电站通过交换机与数据库服务器组成局域网。
远程收费网点一般采用VPN通过Internet与公司总部的数据库服务器连接。
在主控中心设置一台VPN网关，并接入Internet。
为了减轻操作员的工作量、提高服务速度及准确度、提高工作效率，可采用便携式读卡机进行计量与计费。
读卡机也可以与便携式微型打印机配合，在计量现场直接打印缴费通知单，进一步提高工作效率、方便用户、改善公司形象。
为了方便用户交费、减去收费员收费时查找用户号的工作量，可向用户发放用户卡（磁卡）。
用户持磁卡交费，收费员只需轻轻划卡，就可以轻松完成收费。
磁卡读卡器直接与各收费电脑连接。
能源计量计费系统的硬件拓扑结构如下所示：
（4）电池组模块标准化研究与应用
能源供给系统的标准化建设对电动汽车的电池组提出了更高的工程化要求。
各种类型的电动汽车在商业化运营过程中需要接收同规格的能源供给服务，因此要求各种车型的电池组要采用模块化、标准化的设计。
具体而言，提出了以下要求：
Ø电池组的电压等级要标准化；
Ø电池组的连线方式、接插件规格要标准化；
Ø电池组包含的电池管理系统的通讯协议要标准化；
Ø电池组的尺寸与外形要标准化；
结合国家电网对电动汽车充电机及车用蓄电池标准规范的指导性意见，在能源供给系统的建设中，重点考虑建立48V电源系统的模块，通过模块的串并联保障不同车型对能量存储的需求，如电力流动服务车采用7组100Ah电源模块串连、2组并联的方式，存储能量近80kwh。
标准电池组模块如下图所示：
电池组模块图
（5）大功率充电状态下对电网的干扰与防范
随着电动汽车的推广，充电站高频开关电源的大功率投入使用，高次谐波对电网的影响将不可忽视。
单台充电机功率在50KVA左右，一座中等规模的充电站（每天能够为100台车提供服务）功率应在1000KVA左右。
大功率使用时，对电网影响的研究主要集中在以下几个方面：
Ø高次谐波的产生机理、特征和防范措施研究；
Ø充电站对电网负载率调控作用的研究；
Ø电力供应需求侧管理机制研究；
三、基于车载充电的能源供给模式
车载充电模式在法国已经使用了近二十年，技术比较成熟，是电动汽车商业推广阶段示范运营的主要能源供给模式。
车载充电分为两种方式：
（1）车载小功率智能充电机，从电网获取单相220V或三相380V电源给车载电池组充电；
（2）车上不携带充电机，使用地面大功率充电设备对车载电池组进行能源供给。
基于车载充电的能源供给模式，其优点是方便，只需要有电力供应的地方就能实现对电动汽车能量的补给，适合在停车场、路边停车点以及条件合适的家庭停车库设置能源供给装置。
不利的方面主要在于电池是随车的固定装备，电池组绑定整车使用，车主一次性投入较大；而且随着电池容量的衰减，车载充电模式在商业上成功主要依赖于电池组的寿命和成本；另外，车载充电方式的能量供给模式给计量和计费系统也提出了较高的技术要求，以满足不同地点、不同方式的能量供给计量计费要求。
1．技术路线
车载充电的技术主要在于充电机的选配和电力供应措施两个方面。
一般而言，电动轿车或微型车往往采用车载充电机，并与整车控制系统连接，在充电过程中在车辆仪表上显示充电状态，还可以接收整车控制器和电气安全控制器的控制指令，调整充电模式。
对于商用车，由于电池组能量较大，车载充电机不能满足充电时间的要求，因此大多采用地面整车充电机给车载电池组供给能源，在车辆外表面设置充电口，通过接插件与充电机输出端口连接。
充电状态的显示一般在充电机显示屏显示，充电控制由充电机设置和执行。
为保障车载充电能源供给模式的技术经济可行性，需在以下几个方面开展技术研发工作：
（1）降低电动汽车电池组的成本，使电动汽车整车的全寿命综合性价比优于或近于传统车，结合政府为消费者创造使用电动汽车有利条件和优惠政策，让消费者有能力使用电动汽车。
（2）保障电动汽车的使用安全，首先，电动汽车用动力电池组生产厂家必须解决电池的使用安全性，
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