电动汽车自动跟随式充电设备设计研究

摘要：随着新能源汽车的快速普及，社会对智能化、灵活化充电设施的需求迫切。传统固定式充电桩位置受限、兼容性不足及体验单一，满足不了多样化的出行场景。针对此问题研究自动跟随式充电设备，融合激光雷达与视觉识别系统、全向底盘与自适应机械臂结构，实现自主定位、路径规划与避障功能，适配不同车型便捷充电。同时，利用太阳能储能系统实现低碳运转，并通过智能调度平台支持多车协同与路径优化。设计融入场景化人机交互，为用户提供引导、休憩与信息服务等，构建“充电—服务—体验”一体化体系。该设计在功能整合与使用体验方面提出了新的探索思路，为未来智慧交通与城市能源基础设施的可持续发展提供了设计参考与研究方向。

　　关键词：电动汽车；充电设备；自动跟随；新能源

　　一、产品研究概述

　　（一）研究背景。近年来，随着全球能源结构的转型与“双碳”战略目标的推进，新能源汽车产业迎来了发展的黄金时期。国家政策的大力扶持、技术创新的持续突破以及用户环保意识的提升，共同推动了电动汽车市场的扩张，预计2030年中国将保有约8000万辆电动汽车[1]。然而，充电需求的时间、空间和功率分布不均衡，导致区域性、时段性的充电服务能力短缺。为有效解决充电资源利用率低、固定充电车位被占用、配电网容量和“场地难”导致的扩容升级难等问题，移动充放电设施受到关注[2]。这影响了用户的使用体验与出行效率。目前市面大多数充电方式仍以固定充电桩为主，依赖固定安装点供电，缺乏灵活性与可扩展性，难以适应多场景、多车型的复杂需求。随着智能机器人、视觉识别与自动驾驶等技术的发展，对电动汽车充电桩设计提出新的要求。

　　（二）研究现状。为实现低碳发展，在碳排放中占比较大的能源行业成为节能减排的主力军[3]。中国新能源汽车充电桩市场竞争日趋激烈，众多企业将研发重心放在充电技术与智能系统创新上，致力于推动“绿色、低碳、智能”的发展方向。整体市场仍以技术性能与工程效率为导向，对产品造型、人机交互及环境融合的关注度不足。多数充电设备仍沿用“柱状”或“柜式”结构[4]，外观单一、视觉吸引力弱，难以满足用户对科技感、审美与舒适体验的需求。在国际研究方面，如特斯拉与宝马等企业已在自动对接与无线充电领域展开实践探索。例如，特斯拉推出的“自动机械臂充电桩”可通过传感器实现车辆接口的精准识别与自动插拔，展现出自动化与智能化的应用潜力。因此，当前研究更多集中于技术层面，而在外观造型、人机交互与使用体验等方面仍存在创新空间，这为未来自动跟随式充电设备的设计研究提供了广阔的发展方向。

　　（三）研究内容。自动跟随式新能源汽车充电设备旨在通过外观造型与结构创新，提升充电设施的可移动性、安全性与使用体验。将造型美学、结构逻辑与智能技术融合，对充电设备进行实用性设计。外观造型以小巧流线为主，运用柔和光带表现“能量流动”的特征，结构上采用半隐藏式轮组与耐候性外壳，增强稳定性与环境融合感。系统层面开发自动跟随系统，使设备能依据车辆位置自主移动、智能规划路径并精准停靠；采用模块化机械结构与可伸缩机械臂设计，实现多车型兼容与精准对接，保障充电过程的安全与高效。交互设计注重人性化体验，配备直观操作界面与语音反馈系统，提升使用便捷性。项目还构建智能调度平台，通过大数据算法优化多设备运行与资源分配，形成功能与美学并重的设计方案，使产品成为智慧出行体系中具备温度的智能化服务载体。

　　（四）研究目的。本产品旨在开发高效智能的自动跟随式新能源汽车充电系统，打造集便捷性、可持续性与人性化于一体的充电体验。系统可实时追踪电动汽车的位置与充电需求，结合激光雷达与视觉识别技术实现自主定位、路径规划与避障控制，精准移动至车辆并完成无缝对接，提升安全性与效率。结合充电技术，可有效缩短等待时间，满足快速补能需求。系统集成太阳能模块，利用绿色能源实现可持续运转，响应低碳出行理念。用户可通过App实现远程控制与信息管理，系统自动规划最优充电路径，并支持购买饮品、零食等服务，同时提供周边设施导航与使用提醒，构建多场景下的智能化充电体验。通过智能定位、绿色能源与便捷服务的融合应用，突破传统充电模式局限，为新能源汽车用户提供高效、安全、贴心的一站式充电解决方案，推动城市出行系统向智能与可持续方向发展。

　　二、产品可行性与设计分析

　　（一）市场分析。随着能源危机和环境问题的日益严峻，我国提出“双碳”目标，加快推动电动汽车普及和光伏能源使用。中国新能源汽车市场快速扩张，然而，充电基础设施建设严重滞后，“车桩矛盾”日益尖锐[5]。目前市场竞争集中在充电功率、速度与支付系统等技术层面，产品同质化严重，缺乏外观与交互创新。部分企业探索无线充电与智能调度技术，但因高成本与能效低，尚未商业化。随着用户对充电设备的便捷化与智能化需求上升，传统固定桩的单一功能难以满足多样化场景。因此充电桩的设计应该跳出“一桩—位”对应的局限思维。通过设计实现产品“主动”，从而避免用户“被动”[6]，推动行业由“技术竞争”向“体验竞争”转型。

　　（二）用户分析。通过用户访谈与行为观察发现，电动汽车用户在充电过程中的心理与行为呈现多层特征。用户普遍追求高效、便捷且安全的体验，希望减少等待与操作环节带来的不确定性与时间成本。多数用户会提前规划路线、查询设备位置，并倾向选择路径短、操作简易的方式，说明充电行为与出行路径密切相关。心理层面上，用户对“安全感”的需求强烈，期望设备能以灯光或语音清晰反馈传达充电状态，减少误操作带来的焦虑感。一些用户在等待充电时希望设备具备互动性或情感回应，使过程更具参与感与体验价值。用户偏好具备科技感与信任感的产品形象，简洁造型、柔和灯光和直观交互可增强舒适度与认同感。随着充电场景多样化，用户期望设备具备环境感知与灵活部署能力，能适应家庭、商业及公共空间。总体而言，用户需求正从功能满足转向体验升级，关注的不仅是速度与效率，更是充电过程中的掌控感与情感共鸣[7]。

　　（三）技术分析。自动跟随式充电设备的实现依赖多项智能技术协同，主要包括三大核心模块：目标识别与定位模块、机械充电模块和智能控制系统。第一，目标识别与定位模块是系统基础，设备通过融合视觉识别、红外传感器和超声波测距等信息，实现车辆的精准识别与动态追踪。系统利用环境感知与图像识别算法进行路径规划[8]，可在复杂环境中自动避障并精准停靠，保障充电安全。第二，机械充电模块为核心执行部分，采用机械插拔式结构与防误差设计，确保接口匹配精度与安全性。模块配备多接口适配系统，可自动调整角度与距离，实现多车型兼容，并配置射频能量收集的可充电传感器节点，将射频能量转换为直流电压从而为整个节点持续供电[9]，保证充电稳定可靠。第三，智能控制系统作为中枢，通过嵌入式芯片与算法协调运行，负责路径规划、动作指令及状态监控，实现自动化与安全性兼备的操作体验。整体技术已较成熟，未来重点在于产品化整合与外观优化，使设备以更安全、高效、人性化的形态进入实际应用场景。

　　三、产品设计方案

　　（一）设计构思。设计以“智能、小巧、亲和”为核心理念，旨在打造兼具科技感与实用性的自动跟随式充电设备形态，摆脱传统充电设备笨重、单一的印象，使其成为城市空间中具有辨识度与设计感的公共设备。整体采用流线几何与柔和曲面的过渡造型语言，体现“能量流动”的概念。机身比例遵循“稳重下盘、轻盈上部”的结构逻辑，保证设备在移动与停靠时的稳定性与灵动感。灯光设计强化科技氛围，通过光影变化传达设备状态与交互反馈。材质上选用哑光金属与高分子复合材料，兼顾，耐蚀性与现代感。底部采用半隐藏式轮组结构，保持整机简洁完整；侧面预留机械臂与接口空间，实现功能与形态的自然融合。交互界面与机身曲面一体化，结合触控与语音操作，提升直觉化体验。整体以“功能内敛、形式外化”的设计逻辑，光影与曲面结合展现流动的科技美，为新能源汽车充电设施提供兼具功能与美学的创新表达。

　　（二）功能结构设计。本产品的结构设计以稳定、安全与系统集成为核心目标，强调功能协同与空间布局的合理性。整体由底盘驱动系统、机械臂单元、能源储存模块及外壳支撑框架构成，采用分层布局以保证运行效率与整机平衡。底盘使用全向轮驱动结构，可实现前后、横向及原地旋转，在狭小空间中仍具良好机动性，重心位于结构下部以增强稳定性，半隐藏式轮组在静止时可收纳，保持外观简洁。中部为控制与能源核心区，集成电池、传感器及路径规划模块，以模块化方式布置，便于维护与升级。上部结构整合可伸缩机械臂与充电接口系统，机械臂具多自由度运动能力，可根据不同车型接口位置自动调整角度与高度，实现精准、安全对接。整体框架采用轻量化铝合金与复合材料，兼顾强度与重量平衡；结构设计在满足功能的同时强化了产品的稳定性与一体化特征，为外观造型与智能性能提供了可靠支撑。

　　（三）设计效果展示。图1为自动跟随式新能源汽车充电设备的整体造型与产品爆炸图。产品在城市停车区中的工作状态，通过流线型机身、环形灯带与柔和光影，体现其智能、灵动与亲和的设计特征。综合外观比例、结构层次及人机交互关系等设计要素，使产品形象更加具象化与视觉化，为设计概念的落地提供直观参考。

　　（四）优点与不足。以“自动跟随”为核心概念进行设计，提出兼具智能化与视觉表达的充电设备形态，在外观造型、结构布局与交互体验上形成创新思路。外观简洁流畅，光带与曲面元素体现科技感与未来感，赋予产品更高的识别度。研究在关注技术可行性的同时，重视人机互动与体验价值，并考虑多场景适应性，为未来新能源汽车充电设施设计提供参考方向。目前设计停留在概念设计阶段，缺乏原型验证，技术可行性与工程实现性尚未充分论证。自动跟随与机械臂对接仍依赖后续技术支持与测试,在用户样本与场景模拟方面不足，对不同环境下的稳定性与安全性考虑不够。

　　四、总结

　　未来，随着新能源汽车的发展，充电设备不仅承担能源补给功能，更将成为连接人、车与城市的重要交互节点。自动跟随式充电设备的设计理念为这一转变提供了新的思路。研究内容可在智能控制系统与人机交互体验等方面深化，通过人工智能与物联网融合，实现自主识别、路径规划与多车协同充电，并结合绿色能源与储能系统，构建高效、低碳的能源循环体系。产品造型可进一步融入城市环境，使其兼具功能性与视觉识别度。通过材料与光影语言的创新研究，设备有望从“能源工具”转变为“智慧服务者”，为新能源汽车基础设施的创新与可持续发展提供方向。

文章来源：《安徽科技报》https://www.zzqklm.com/w/qt/35317.html