電動(dòng)汽車自動(dòng)跟隨式充電設(shè)備設(shè)計(jì)研究

摘要：隨著新能源汽車的快速普及，社會(huì)對(duì)智能化、靈活化充電設(shè)施的需求迫切。傳統(tǒng)固定式充電樁位置受限、兼容性不足及體驗(yàn)單一，滿足不了多樣化的出行場(chǎng)景。針對(duì)此問(wèn)題研究自動(dòng)跟隨式充電設(shè)備，融合激光雷達(dá)與視覺識(shí)別系統(tǒng)、全向底盤與自適應(yīng)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自主定位、路徑規(guī)劃與避障功能，適配不同車型便捷充電。同時(shí)，利用太陽(yáng)能儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過(guò)智能調(diào)度平臺(tái)支持多車協(xié)同與路徑優(yōu)化。設(shè)計(jì)融入場(chǎng)景化人機(jī)交互，為用戶提供引導(dǎo)、休憩與信息服務(wù)等，構(gòu)建“充電—服務(wù)—體驗(yàn)”一體化體系。該設(shè)計(jì)在功能整合與使用體驗(yàn)方面提出了新的探索思路，為未來(lái)智慧交通與城市能源基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展提供了設(shè)計(jì)參考與研究方向。

　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電設(shè)備；自動(dòng)跟隨；新能源

　　一、產(chǎn)品研究概述

　　（一）研究背景。近年來(lái)，隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型與“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的推進(jìn)，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了發(fā)展的黃金時(shí)期。國(guó)家政策的大力扶持、技術(shù)創(chuàng)新的持續(xù)突破以及用戶環(huán)保意識(shí)的提升，共同推動(dòng)了電動(dòng)汽車市場(chǎng)的擴(kuò)張，預(yù)計(jì)2030年中國(guó)將保有約8000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車[1]。然而，充電需求的時(shí)間、空間和功率分布不均衡，導(dǎo)致區(qū)域性、時(shí)段性的充電服務(wù)能力短缺。為有效解決充電資源利用率低、固定充電車位被占用、配電網(wǎng)容量和“場(chǎng)地難”導(dǎo)致的擴(kuò)容升級(jí)難等問(wèn)題，移動(dòng)充放電設(shè)施受到關(guān)注[2]。這影響了用戶的使用體驗(yàn)與出行效率。目前市面大多數(shù)充電方式仍以固定充電樁為主，依賴固定安裝點(diǎn)供電，缺乏靈活性與可擴(kuò)展性，難以適應(yīng)多場(chǎng)景、多車型的復(fù)雜需求。隨著智能機(jī)器人、視覺識(shí)別與自動(dòng)駕駛等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)提出新的要求。

　?。ǘ┭芯楷F(xiàn)狀。為實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，在碳排放中占比較大的能源行業(yè)成為節(jié)能減排的主力軍[3]。中國(guó)新能源汽車充電樁市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，眾多企業(yè)將研發(fā)重心放在充電技術(shù)與智能系統(tǒng)創(chuàng)新上，致力于推動(dòng)“綠色、低碳、智能”的發(fā)展方向。整體市場(chǎng)仍以技術(shù)性能與工程效率為導(dǎo)向，對(duì)產(chǎn)品造型、人機(jī)交互及環(huán)境融合的關(guān)注度不足。多數(shù)充電設(shè)備仍沿用“柱狀”或“柜式”結(jié)構(gòu)[4]，外觀單一、視覺吸引力弱，難以滿足用戶對(duì)科技感、審美與舒適體驗(yàn)的需求。在國(guó)際研究方面，如特斯拉與寶馬等企業(yè)已在自動(dòng)對(duì)接與無(wú)線充電領(lǐng)域展開實(shí)踐探索。例如，特斯拉推出的“自動(dòng)機(jī)械臂充電樁”可通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)車輛接口的精準(zhǔn)識(shí)別與自動(dòng)插拔，展現(xiàn)出自動(dòng)化與智能化的應(yīng)用潛力。因此，當(dāng)前研究更多集中于技術(shù)層面，而在外觀造型、人機(jī)交互與使用體驗(yàn)等方面仍存在創(chuàng)新空間，這為未來(lái)自動(dòng)跟隨式充電設(shè)備的設(shè)計(jì)研究提供了廣闊的發(fā)展方向。

　?。ㄈ┭芯?jī)?nèi)容。自動(dòng)跟隨式新能源汽車充電設(shè)備旨在通過(guò)外觀造型與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，提升充電設(shè)施的可移動(dòng)性、安全性與使用體驗(yàn)。將造型美學(xué)、結(jié)構(gòu)邏輯與智能技術(shù)融合，對(duì)充電設(shè)備進(jìn)行實(shí)用性設(shè)計(jì)。外觀造型以小巧流線為主，運(yùn)用柔和光帶表現(xiàn)“能量流動(dòng)”的特征，結(jié)構(gòu)上采用半隱藏式輪組與耐候性外殼，增強(qiáng)穩(wěn)定性與環(huán)境融合感。系統(tǒng)層面開發(fā)自動(dòng)跟隨系統(tǒng)，使設(shè)備能依據(jù)車輛位置自主移動(dòng)、智能規(guī)劃路徑并精準(zhǔn)停靠；采用模塊化機(jī)械結(jié)構(gòu)與可伸縮機(jī)械臂設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多車型兼容與精準(zhǔn)對(duì)接，保障充電過(guò)程的安全與高效。交互設(shè)計(jì)注重人性化體驗(yàn)，配備直觀操作界面與語(yǔ)音反饋系統(tǒng)，提升使用便捷性。項(xiàng)目還構(gòu)建智能調(diào)度平臺(tái)，通過(guò)大數(shù)據(jù)算法優(yōu)化多設(shè)備運(yùn)行與資源分配，形成功能與美學(xué)并重的設(shè)計(jì)方案，使產(chǎn)品成為智慧出行體系中具備溫度的智能化服務(wù)載體。

　?。ㄋ模┭芯磕康?。本產(chǎn)品旨在開發(fā)高效智能的自動(dòng)跟隨式新能源汽車充電系統(tǒng)，打造集便捷性、可持續(xù)性與人性化于一體的充電體驗(yàn)。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)追蹤電動(dòng)汽車的位置與充電需求，結(jié)合激光雷達(dá)與視覺識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主定位、路徑規(guī)劃與避障控制，精準(zhǔn)移動(dòng)至車輛并完成無(wú)縫對(duì)接，提升安全性與效率。結(jié)合充電技術(shù)，可有效縮短等待時(shí)間，滿足快速補(bǔ)能需求。系統(tǒng)集成太陽(yáng)能模塊，利用綠色能源實(shí)現(xiàn)可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，響應(yīng)低碳出行理念。用戶可通過(guò)App實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與信息管理，系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃最優(yōu)充電路徑，并支持購(gòu)買飲品、零食等服務(wù)，同時(shí)提供周邊設(shè)施導(dǎo)航與使用提醒，構(gòu)建多場(chǎng)景下的智能化充電體驗(yàn)。通過(guò)智能定位、綠色能源與便捷服務(wù)的融合應(yīng)用，突破傳統(tǒng)充電模式局限，為新能源汽車用戶提供高效、安全、貼心的一站式充電解決方案，推動(dòng)城市出行系統(tǒng)向智能與可持續(xù)方向發(fā)展。

　　二、產(chǎn)品可行性與設(shè)計(jì)分析

　?。ㄒ唬┦袌?chǎng)分析。隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，我國(guó)提出“雙碳”目標(biāo)，加快推動(dòng)電動(dòng)汽車普及和光伏能源使用。中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)快速擴(kuò)張，然而，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后，“車樁矛盾”日益尖銳[5]。目前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)集中在充電功率、速度與支付系統(tǒng)等技術(shù)層面，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，缺乏外觀與交互創(chuàng)新。部分企業(yè)探索無(wú)線充電與智能調(diào)度技術(shù)，但因高成本與能效低，尚未商業(yè)化。隨著用戶對(duì)充電設(shè)備的便捷化與智能化需求上升，傳統(tǒng)固定樁的單一功能難以滿足多樣化場(chǎng)景。因此充電樁的設(shè)計(jì)應(yīng)該跳出“一樁—位”對(duì)應(yīng)的局限思維。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品“主動(dòng)”，從而避免用戶“被動(dòng)”[6]，推動(dòng)行業(yè)由“技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)”向“體驗(yàn)競(jìng)爭(zhēng)”轉(zhuǎn)型。

　?。ǘ┯脩舴治?。通過(guò)用戶訪談與行為觀察發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車用戶在充電過(guò)程中的心理與行為呈現(xiàn)多層特征。用戶普遍追求高效、便捷且安全的體驗(yàn)，希望減少等待與操作環(huán)節(jié)帶來(lái)的不確定性與時(shí)間成本。多數(shù)用戶會(huì)提前規(guī)劃路線、查詢?cè)O(shè)備位置，并傾向選擇路徑短、操作簡(jiǎn)易的方式，說(shuō)明充電行為與出行路徑密切相關(guān)。心理層面上，用戶對(duì)“安全感”的需求強(qiáng)烈，期望設(shè)備能以燈光或語(yǔ)音清晰反饋傳達(dá)充電狀態(tài)，減少誤操作帶來(lái)的焦慮感。一些用戶在等待充電時(shí)希望設(shè)備具備互動(dòng)性或情感回應(yīng)，使過(guò)程更具參與感與體驗(yàn)價(jià)值。用戶偏好具備科技感與信任感的產(chǎn)品形象，簡(jiǎn)潔造型、柔和燈光和直觀交互可增強(qiáng)舒適度與認(rèn)同感。隨著充電場(chǎng)景多樣化，用戶期望設(shè)備具備環(huán)境感知與靈活部署能力，能適應(yīng)家庭、商業(yè)及公共空間?？傮w而言，用戶需求正從功能滿足轉(zhuǎn)向體驗(yàn)升級(jí)，關(guān)注的不僅是速度與效率，更是充電過(guò)程中的掌控感與情感共鳴[7]。

　　（三）技術(shù)分析。自動(dòng)跟隨式充電設(shè)備的實(shí)現(xiàn)依賴多項(xiàng)智能技術(shù)協(xié)同，主要包括三大核心模塊：目標(biāo)識(shí)別與定位模塊、機(jī)械充電模塊和智能控制系統(tǒng)。第一，目標(biāo)識(shí)別與定位模塊是系統(tǒng)基礎(chǔ)，設(shè)備通過(guò)融合視覺識(shí)別、紅外傳感器和超聲波測(cè)距等信息，實(shí)現(xiàn)車輛的精準(zhǔn)識(shí)別與動(dòng)態(tài)追蹤。系統(tǒng)利用環(huán)境感知與圖像識(shí)別算法進(jìn)行路徑規(guī)劃[8]，可在復(fù)雜環(huán)境中自動(dòng)避障并精準(zhǔn)?？?，保障充電安全。第二，機(jī)械充電模塊為核心執(zhí)行部分，采用機(jī)械插拔式結(jié)構(gòu)與防誤差設(shè)計(jì)，確保接口匹配精度與安全性。模塊配備多接口適配系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)整角度與距離，實(shí)現(xiàn)多車型兼容，并配置射頻能量收集的可充電傳感器節(jié)點(diǎn)，將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電壓從而為整個(gè)節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電[9]，保證充電穩(wěn)定可靠。第三，智能控制系統(tǒng)作為中樞，通過(guò)嵌入式芯片與算法協(xié)調(diào)運(yùn)行，負(fù)責(zé)路徑規(guī)劃、動(dòng)作指令及狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與安全性兼?zhèn)涞牟僮黧w驗(yàn)。整體技術(shù)已較成熟，未來(lái)重點(diǎn)在于產(chǎn)品化整合與外觀優(yōu)化，使設(shè)備以更安全、高效、人性化的形態(tài)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

　　三、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

　?。ㄒ唬┰O(shè)計(jì)構(gòu)思。設(shè)計(jì)以“智能、小巧、親和”為核心理念，旨在打造兼具科技感與實(shí)用性的自動(dòng)跟隨式充電設(shè)備形態(tài)，擺脫傳統(tǒng)充電設(shè)備笨重、單一的印象，使其成為城市空間中具有辨識(shí)度與設(shè)計(jì)感的公共設(shè)備。整體采用流線幾何與柔和曲面的過(guò)渡造型語(yǔ)言，體現(xiàn)“能量流動(dòng)”的概念。機(jī)身比例遵循“穩(wěn)重下盤、輕盈上部”的結(jié)構(gòu)邏輯，保證設(shè)備在移動(dòng)與?？繒r(shí)的穩(wěn)定性與靈動(dòng)感。燈光設(shè)計(jì)強(qiáng)化科技氛圍，通過(guò)光影變化傳達(dá)設(shè)備狀態(tài)與交互反饋。材質(zhì)上選用啞光金屬與高分子復(fù)合材料，兼顧，耐蝕性與現(xiàn)代感。底部采用半隱藏式輪組結(jié)構(gòu)，保持整機(jī)簡(jiǎn)潔完整；側(cè)面預(yù)留機(jī)械臂與接口空間，實(shí)現(xiàn)功能與形態(tài)的自然融合。交互界面與機(jī)身曲面一體化，結(jié)合觸控與語(yǔ)音操作，提升直覺化體驗(yàn)。整體以“功能內(nèi)斂、形式外化”的設(shè)計(jì)邏輯，光影與曲面結(jié)合展現(xiàn)流動(dòng)的科技美，為新能源汽車充電設(shè)施提供兼具功能與美學(xué)的創(chuàng)新表達(dá)。

　?。ǘ┕δ芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以穩(wěn)定、安全與系統(tǒng)集成為核心目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)功能協(xié)同與空間布局的合理性。整體由底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械臂單元、能源儲(chǔ)存模塊及外殼支撐框架構(gòu)成，采用分層布局以保證運(yùn)行效率與整機(jī)平衡。底盤使用全向輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)前后、橫向及原地旋轉(zhuǎn)，在狹小空間中仍具良好機(jī)動(dòng)性，重心位于結(jié)構(gòu)下部以增強(qiáng)穩(wěn)定性，半隱藏式輪組在靜止時(shí)可收納，保持外觀簡(jiǎn)潔。中部為控制與能源核心區(qū)，集成電池、傳感器及路徑規(guī)劃模塊，以模塊化方式布置，便于維護(hù)與升級(jí)。上部結(jié)構(gòu)整合可伸縮機(jī)械臂與充電接口系統(tǒng)，機(jī)械臂具多自由度運(yùn)動(dòng)能力，可根據(jù)不同車型接口位置自動(dòng)調(diào)整角度與高度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、安全對(duì)接。整體框架采用輕量化鋁合金與復(fù)合材料，兼顧強(qiáng)度與重量平衡；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足功能的同時(shí)強(qiáng)化了產(chǎn)品的穩(wěn)定性與一體化特征，為外觀造型與智能性能提供了可靠支撐。

　?。ㄈ┰O(shè)計(jì)效果展示。圖1為自動(dòng)跟隨式新能源汽車充電設(shè)備的整體造型與產(chǎn)品爆炸圖。產(chǎn)品在城市停車區(qū)中的工作狀態(tài)，通過(guò)流線型機(jī)身、環(huán)形燈帶與柔和光影，體現(xiàn)其智能、靈動(dòng)與親和的設(shè)計(jì)特征。綜合外觀比例、結(jié)構(gòu)層次及人機(jī)交互關(guān)系等設(shè)計(jì)要素，使產(chǎn)品形象更加具象化與視覺化，為設(shè)計(jì)概念的落地提供直觀參考。

　?。ㄋ模﹥?yōu)點(diǎn)與不足。以“自動(dòng)跟隨”為核心概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出兼具智能化與視覺表達(dá)的充電設(shè)備形態(tài)，在外觀造型、結(jié)構(gòu)布局與交互體驗(yàn)上形成創(chuàng)新思路。外觀簡(jiǎn)潔流暢，光帶與曲面元素體現(xiàn)科技感與未來(lái)感，賦予產(chǎn)品更高的識(shí)別度。研究在關(guān)注技術(shù)可行性的同時(shí)，重視人機(jī)互動(dòng)與體驗(yàn)價(jià)值，并考慮多場(chǎng)景適應(yīng)性，為未來(lái)新能源汽車充電設(shè)施設(shè)計(jì)提供參考方向。目前設(shè)計(jì)停留在概念設(shè)計(jì)階段，缺乏原型驗(yàn)證，技術(shù)可行性與工程實(shí)現(xiàn)性尚未充分論證。自動(dòng)跟隨與機(jī)械臂對(duì)接仍依賴后續(xù)技術(shù)支持與測(cè)試,在用戶樣本與場(chǎng)景模擬方面不足，對(duì)不同環(huán)境下的穩(wěn)定性與安全性考慮不夠。

　　四、總結(jié)

　　未來(lái)，隨著新能源汽車的發(fā)展，充電設(shè)備不僅承擔(dān)能源補(bǔ)給功能，更將成為連接人、車與城市的重要交互節(jié)點(diǎn)。自動(dòng)跟隨式充電設(shè)備的設(shè)計(jì)理念為這一轉(zhuǎn)變提供了新的思路。研究?jī)?nèi)容可在智能控制系統(tǒng)與人機(jī)交互體驗(yàn)等方面深化，通過(guò)人工智能與物聯(lián)網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別、路徑規(guī)劃與多車協(xié)同充電，并結(jié)合綠色能源與儲(chǔ)能系統(tǒng)，構(gòu)建高效、低碳的能源循環(huán)體系。產(chǎn)品造型可進(jìn)一步融入城市環(huán)境，使其兼具功能性與視覺識(shí)別度。通過(guò)材料與光影語(yǔ)言的創(chuàng)新研究，設(shè)備有望從“能源工具”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸腔鄯?wù)者”，為新能源汽車基礎(chǔ)設(shè)施的創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展提供方向。

文章來(lái)源：《安徽科技報(bào)》http://www.12-baidu.cn/w/qt/35317.html