電動汽車自動跟隨式充電設(shè)備設(shè)計研究

摘要：隨著新能源汽車的快速普及，社會對智能化、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、兼容性不足及體驗單一，滿足不了多樣化的出行場景。針對此問題研究自動跟隨式充電設(shè)備，融合激光雷達與視覺識別系統(tǒng)、全向底盤與自適應機械臂結(jié)構(gòu)，實現(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，利用太陽能儲能系統(tǒng)實現(xiàn)低碳運轉(zhuǎn)，并通過智能調(diào)度平臺支持多車協(xié)同與路徑優(yōu)化。設(shè)計融入場景化人機交互，為用戶提供引導、休憩與信息服務等，構(gòu)建“充電—服務—體驗”一體化體系。該設(shè)計在功能整合與使用體驗方面提出了新的探索思路，為未來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)計參考與研究方向。

　　關(guān)鍵詞：電動汽車；充電設(shè)備；自動跟隨；新能源

　　一、產(chǎn)品研究概述

　?。ㄒ唬┭芯勘尘?。近年來，隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型與“雙碳”戰(zhàn)略目標的推進，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來了發(fā)展的黃金時期。國家政策的大力扶持、技術(shù)創(chuàng)新的持續(xù)突破以及用戶環(huán)保意識的提升，共同推動了電動汽車市場的擴張，預計2030年中國將保有約8000萬輛電動汽車[1]。然而，充電需求的時間、空間和功率分布不均衡，導致區(qū)域性、時段性的充電服務能力短缺。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“場地難”導致的擴容升級難等問題，移動充放電設(shè)施受到關(guān)注[2]。這影響了用戶的使用體驗與出行效率。目前市面大多數(shù)充電方式仍以固定充電樁為主，依賴固定安裝點供電，缺乏靈活性與可擴展性，難以適應多場景、多車型的復雜需求。隨著智能機器人、視覺識別與自動駕駛等技術(shù)的發(fā)展，對電動汽車充電樁設(shè)計提出新的要求。

　?。ǘ┭芯楷F(xiàn)狀。為實現(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]。中國新能源汽車充電樁市場競爭日趨激烈，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“綠色、低碳、智能”的發(fā)展方向。整體市場仍以技術(shù)性能與工程效率為導向，對產(chǎn)品造型、人機交互及環(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，難以滿足用戶對科技感、審美與舒適體驗的需求。在國際研究方面，如特斯拉與寶馬等企業(yè)已在自動對接與無線充電領(lǐng)域展開實踐探索。例如，特斯拉推出的“自動機械臂充電樁”可通過傳感器實現(xiàn)車輛接口的精準識別與自動插拔，展現(xiàn)出自動化與智能化的應用潛力。因此，當前研究更多集中于技術(shù)層面，而在外觀造型、人機交互與使用體驗等方面仍存在創(chuàng)新空間，這為未來自動跟隨式充電設(shè)備的設(shè)計研究提供了廣闊的發(fā)展方向。

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

　　（四）研究目的。本產(chǎn)品旨在開發(fā)高效智能的自動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。系統(tǒng)可實時追蹤電動汽車的位置與充電需求，結(jié)合激光雷達與視覺識別技術(shù)實現(xiàn)自主定位、路徑規(guī)劃與避障控制，精準移動至車輛并完成無縫對接，提升安全性與效率。結(jié)合充電技術(shù)，可有效縮短等待時間，滿足快速補能需求。系統(tǒng)集成太陽能模塊，利用綠色能源實現(xiàn)可持續(xù)運轉(zhuǎn)，響應低碳出行理念。用戶可通過App實現(xiàn)遠程控制與信息管理，系統(tǒng)自動規(guī)劃最優(yōu)充電路徑，并支持購買飲品、零食等服務，同時提供周邊設(shè)施導航與使用提醒，構(gòu)建多場景下的智能化充電體驗。通過智能定位、綠色能源與便捷服務的融合應用，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)計分析

　?。ㄒ唬┦袌龇治觥ｋS著能源危機和環(huán)境問題的日益嚴峻，我國提出“雙碳”目標，加快推動電動汽車普及和光伏能源使用。中國新能源汽車市場快速擴張，然而，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴重滯后，“車樁矛盾”日益尖銳[5]。目前市場競爭集中在充電功率、速度與支付系統(tǒng)等技術(shù)層面，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重，缺乏外觀與交互創(chuàng)新。部分企業(yè)探索無線充電與智能調(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景。因此充電樁的設(shè)計應該跳出“一樁—位”對應的局限思維。通過設(shè)計實現(xiàn)產(chǎn)品“主動”，從而避免用戶“被動”[6]，推動行業(yè)由“技術(shù)競爭”向“體驗競爭”轉(zhuǎn)型。

　?。ǘ┯脩舴治?。通過用戶訪談與行為觀察發(fā)現(xiàn)，電動汽車用戶在充電過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，希望減少等待與操作環(huán)節(jié)帶來的不確定性與時間成本。多數(shù)用戶會提前規(guī)劃路線、查詢設(shè)備位置，并傾向選擇路徑短、操作簡易的方式，說明充電行為與出行路徑密切相關(guān)。心理層面上，用戶對“安全感”的需求強烈，期望設(shè)備能以燈光或語音清晰反饋傳達充電狀態(tài)，減少誤操作帶來的焦慮感。一些用戶在等待充電時希望設(shè)備具備互動性或情感回應，使過程更具參與感與體驗價值。用戶偏好具備科技感與信任感的產(chǎn)品形象，簡潔造型、柔和燈光和直觀交互可增強舒適度與認同感。隨著充電場景多樣化，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)向體驗升級，關(guān)注的不僅是速度與效率，更是充電過程中的掌控感與情感共鳴[7]。

　?。ㄈ┘夹g(shù)分析。自動跟隨式充電設(shè)備的實現(xiàn)依賴多項智能技術(shù)協(xié)同，主要包括三大核心模塊：目標識別與定位模塊、機械充電模塊和智能控制系統(tǒng)。第一，目標識別與定位模塊是系統(tǒng)基礎(chǔ)，設(shè)備通過融合視覺識別、紅外傳感器和超聲波測距等信息，實現(xiàn)車輛的精準識別與動態(tài)追蹤。系統(tǒng)利用環(huán)境感知與圖像識別算法進行路徑規(guī)劃[8]，可在復雜環(huán)境中自動避障并精準?？?，保障充電安全。第二，機械充電模塊為核心執(zhí)行部分，采用機械插拔式結(jié)構(gòu)與防誤差設(shè)計，確保接口匹配精度與安全性。模塊配備多接口適配系統(tǒng)，可自動調(diào)整角度與距離，實現(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，將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電壓從而為整個節(jié)點持續(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，通過嵌入式芯片與算法協(xié)調(diào)運行，負責路徑規(guī)劃、動作指令及狀態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)自動化與安全性兼?zhèn)涞牟僮黧w驗。整體技術(shù)已較成熟，未來重點在于產(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)進入實際應用場景。

　　三、產(chǎn)品設(shè)計方案

　?。ㄒ唬┰O(shè)計構(gòu)思。設(shè)計以“智能、小巧、親和”為核心理念，旨在打造兼具科技感與實用性的自動跟隨式充電設(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度與設(shè)計感的公共設(shè)備。整體采用流線幾何與柔和曲面的過渡造型語言，體現(xiàn)“能量流動”的概念。機身比例遵循“穩(wěn)重下盤、輕盈上部”的結(jié)構(gòu)邏輯，保證設(shè)備在移動與?？繒r的穩(wěn)定性與靈動感。燈光設(shè)計強化科技氛圍，通過光影變化傳達設(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)，保持整機簡潔完整；側(cè)面預留機械臂與接口空間，實現(xiàn)功能與形態(tài)的自然融合。交互界面與機身曲面一體化，結(jié)合觸控與語音操作，提升直覺化體驗。整體以“功能內(nèi)斂、形式外化”的設(shè)計邏輯，光影與曲面結(jié)合展現(xiàn)流動的科技美，為新能源汽車充電設(shè)施提供兼具功能與美學的創(chuàng)新表達。

　　（二）功能結(jié)構(gòu)設(shè)計。本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計以穩(wěn)定、安全與系統(tǒng)集成為核心目標，強調(diào)功能協(xié)同與空間布局的合理性。整體由底盤驅(qū)動系統(tǒng)、機械臂單元、能源儲存模塊及外殼支撐框架構(gòu)成，采用分層布局以保證運行效率與整機平衡。底盤使用全向輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)前后、橫向及原地旋轉(zhuǎn)，在狹小空間中仍具良好機動性，重心位于結(jié)構(gòu)下部以增強穩(wěn)定性，半隱藏式輪組在靜止時可收納，保持外觀簡潔。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，便于維護與升級。上部結(jié)構(gòu)整合可伸縮機械臂與充電接口系統(tǒng)，機械臂具多自由度運動能力，可根據(jù)不同車型接口位置自動調(diào)整角度與高度，實現(xiàn)精準、安全對接。整體框架采用輕量化鋁合金與復合材料，兼顧強度與重量平衡；結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足功能的同時強化了產(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)計效果展示。圖1為自動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)，通過流線型機身、環(huán)形燈帶與柔和光影，體現(xiàn)其智能、靈動與親和的設(shè)計特征。綜合外觀比例、結(jié)構(gòu)層次及人機交互關(guān)系等設(shè)計要素，使產(chǎn)品形象更加具象化與視覺化，為設(shè)計概念的落地提供直觀參考。

　?。ㄋ模﹥?yōu)點與不足。以“自動跟隨”為核心概念進行設(shè)計，提出兼具智能化與視覺表達的充電設(shè)備形態(tài)，在外觀造型、結(jié)構(gòu)布局與交互體驗上形成創(chuàng)新思路。外觀簡潔流暢，光帶與曲面元素體現(xiàn)科技感與未來感，賦予產(chǎn)品更高的識別度。研究在關(guān)注技術(shù)可行性的同時，重視人機互動與體驗價值，并考慮多場景適應性，為未來新能源汽車充電設(shè)施設(shè)計提供參考方向。目前設(shè)計停留在概念設(shè)計階段，缺乏原型驗證，技術(shù)可行性與工程實現(xiàn)性尚未充分論證。自動跟隨與機械臂對接仍依賴后續(xù)技術(shù)支持與測試,在用戶樣本與場景模擬方面不足，對不同環(huán)境下的穩(wěn)定性與安全性考慮不夠。

　　四、總結(jié)

　　未來，隨著新能源汽車的發(fā)展，充電設(shè)備不僅承擔能源補給功能，更將成為連接人、車與城市的重要交互節(jié)點。自動跟隨式充電設(shè)備的設(shè)計理念為這一轉(zhuǎn)變提供了新的思路。研究內(nèi)容可在智能控制系統(tǒng)與人機交互體驗等方面深化，通過人工智能與物聯(lián)網(wǎng)融合，實現(xiàn)自主識別、路徑規(guī)劃與多車協(xié)同充電，并結(jié)合綠色能源與儲能系統(tǒng)，構(gòu)建高效、低碳的能源循環(huán)體系。產(chǎn)品造型可進一步融入城市環(huán)境，使其兼具功能性與視覺識別度。通過材料與光影語言的創(chuàng)新研究，設(shè)備有望從“能源工具”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸腔鄯照摺?，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。

文章來源：《安徽科技報》http://m.00559.cn/w/qt/35317.html