基于用户需求的电动汽车公共充电桩设计

2022-03-31西南林业大学机械与交通学院杨家正杨洁通讯作者

工业设计 2022年3期

随着生产条件以及市场的日益成熟，商品经济的重心从“产品”逐渐转变为“人”，以人为本的设计理念要求产品充分考虑用户的多层次需求

。而现有充电设备多注重充电功率，不重视用户的多元需求，制约了电动汽车的快速发展

。当前对公共充电桩的研究主要有：基于情景分析的公共充电桩选址研究、充电服务设计策略研究、充电桩的差异化竞争策略及互联网背景下充电设备的智能化设计等

，为研究充电桩的用户需求提供了理论基础。充电桩的发展越来越注重需求多元化、智能化及运营策略的科学性。文章选取公共充电桩为设计对象，对充电设施现状及电动汽车用户进行了深入研究，并运用马斯洛需求层次理论与Kano 需求模型对用户在充电桩使用过程中的真实需求进行分析，提出一个能满足用户需求的公共充电桩设计方案，以期为公共充电桩的发展提供参考。

1 电动汽车公共充电桩设计现状

截至2021 年11 月我国电动汽车保有量784 万辆，而公共充电桩保有量仅109.2 万台，远低于车桩比1：1 的目标，难以满足用户的正常充电需求。通过实地观察与阅读文献，发现由于充电桩故障、充电车位被占等原因导致大量公共充电桩闲置，全国平均使用率不足15%，用户可用的充电桩变得更加稀少，电动汽车用户常常陷入里程焦虑中，缺乏对用户操作习惯、服务流程等设计因素的重视。

2 用户需求分析

用户需求通常是由用户进行表达或者设计师通过情景模拟用户使用产品体验或个人生活经验而得出的，但所获取的用户需求无法确定是否是用户在产品使用过程中的真实需求。因此，需要运用马斯洛需求层次理论与Kano 模型来充分发掘用户需求，明确用户的具体需求类型

。

2.1 收集用户需求信息

用户需求是有层级关系的，在分析用户需求信息时，马斯洛需求层次理论是最常被用到的分析理论，美国心理学家亚伯拉罕·马斯洛将其由低到高分为生存需求、安全需求、社交需求、尊重需求、自我实现需求五个层次

。通过实地调查、查阅相关文献与新闻，以及对20 位电动汽车车主的访谈调查，总结出对应的五个用户需求属性（如图1）。

本研究以某大型高速齿轮制造企业年产2 917台风电齿轮箱涂装生产线为例，运用工业代谢分析方法绘制物质代谢图，定量分析物质代谢输入输出过程，结果表明，风电齿轮箱涂装生产线表面处理水耗高、对挥发性高的清洗剂及油性漆的过分依赖，是导致废物排放量大、末端处理处置难的症结所在；同时，大量“废物”不可循环利用而是直接进行废物集中处理，“废物”只是从水体或大气中转移进入土壤，这部分“资源”浪费严重。最后针对物质代谢系统的总体结构特征，从原料选择、作业方式、三废循环利用和治理思路等方面提出若干优化代谢过程和减少三废排放的对策建议。

通过对上文得出的五个需求属性进行分析，并与相关充电桩从业者沟通，提出了14 条合理可行的具体需求（如表1）。

2.2 应用Kano 模型分析需求

某发电厂1000 MW机组汽轮机回热系统优化完成后，机组升负荷全过程锅炉给水温度平均值提高约9 ℃。90%THA负荷工况锅炉平均给水温度提高3.5 ℃；75%THA负荷工况为9.9 ℃；50%THA负荷工况为13.8 ℃。由于系统优化设计未充分考虑0号抽汽在低负荷工况存在较大的节流损失[19]，锅炉给水提升幅度小于优化方案预期。

2)解决车位资源矛盾。虽然明令禁止燃油车停放在充电车位，但是随着经济发展，城市停车位紧缺问题日益严重，车位被无充电需求车辆占据的问题不应该被简单归结为大众的素质问题，而是运行模式存在缺陷

。为了解决该问题，文章提出一种可移动充电桩的运行模式，在长排的车位后方安装轨道及位置传感器，使充电桩可以通过轨道进行移动。在空闲时，充电桩会停放在轨道两头，当用户有充电需求时，可以通过手机小程序输入车位号，充电桩自主移动到指定位置并接入电源，满足用户对车辆进行充电的需求。该运行模式可以有效降低用户寻找充电车位的难度，同时提高充电桩的使用率。随着城市中心功能区域车位资源的紧张，移动式充电设备是未来发展的主要趋势，目前特斯拉、大众公司都在积极探索移动式的充电桩运行模式，而轨道式移动充电桩已在上海浦东机场停车场进行试运营。

表4 中的Better 指数是用来衡量该设计提供某一功能因素或满足某一需求时，增加用户满意度的程度；Worse 指数是用来衡量该设计不提供某一功能因素或不满足某一需求时，降低用户满意度的程度。根据所得数据绘出Better-Worse 象限图（如图2）。

在设计过程中，受限于生产条件与现有资源，设计者难以满足用户的全部需求，因此日本东京理工大学教授狩野纪昭提出Kano 需求模型来进一步分析用户对各需求因素的满意程度，从而确定产品实现过程中各项功能的优先级。狩野纪昭教授认为可以将用户需求分为五类：基本型需求(M)、期望型需求（O）、兴奋型需求（A）、无差异型需求（I）、反向型需求（R）。基本型需求是指产品必须具备的核心功能，该需求理所应当被满足，解决用户的痛点问题，满足此类需求不会增加用户的满意度，但是如果缺少此类功能将会大大降低用户对该产品的好感；期望型需求是指用户期待产品具备的功能，也可被称为痒点，这部分需求如果被满足会增加用户好感，如果无法满足则会降低用户好感。期望型需求大多为市面上已经出现或已被提出的功能因素，期望型需求的满足程度是一个产品是否具备竞争力的关键；兴奋型需求是指用户潜在的需求，可以称为暗点，此需求如果不满足不会降低用户的好感，但如果在产品设计过程中恰当的满足用户的此类需求，将会大大提升用户对产品的忠诚度；反向型需求是指用户不需要的功能，如果提供，会降低用户的使用体验；而无差异需求是指可有可无的功能，提供之后，无法提升用户好感，不提供也不会使用户体验变差。反向型需求和无差异需求都是在设计过程中应当尽避免的

。

Kano 模型通过量化调查问卷进行分析，文章根据上文提出的14 条具体需求制作Kano 调查问卷，对113 名电动汽车用户进行问卷调查，选取其中的100 份有效的问卷进行数据整理，把用户的满意程度分为5 级：非常满意、理应如此、无所谓、勉强喜欢、很不喜欢。以用户对满足某一功能因素时和不满足某一功能因素时的满意程度为基础，得到针对某一功能因素的二维评价对照表（如表2），M、O、A、I、R 分别代表五种需求类型，Q代表可疑结果。分别计算各类需求所占比例，每个具体需求以所选人数最多的需求类型作为该具体需求的需求类型，并根据如下公式（1）、（2）计算Better 指数和Worse 指数，得到用户对各项外观及功能需求的满意度数据（如表3）。

3 电动汽车公共充电桩设计思路

3.1 色彩设计

色彩是产品外观设计中至关重要的一项，不仅能够带给用户最直接的视觉感受，还能凸显产品结构，满足用户突出功能区的需求，除此之外符合用户需求的产品色彩往往会给用户留下良好的第一印象。色彩的选择不仅要与环境整体和谐，满足用户基本的功能需求，也要满足用户多元的审美需求和生活习惯。

1)注重设备的安全性与易用性。通过实地观察与用户交谈，发现用户在寻找充电桩时经常会遇到故障设备导致无法进行充电，极大地降低了用户的使用体验。因此，可以增加设备故障自动上报功能，设备向管理人员进行自动反馈，有助于管理人员发现问题设备，降低用户遇到故障设备的概率。而设备安全监测功能，也是充电桩必须具备的安全保障措施，通过电路监测设备实时监测设备安全。

3.2 造型设计

公共充电桩的造型设计中除了应满足圆润造型与艺术美感，同时还要考虑停车场的有限空间，注重造型的空间利用率，运用圆角、曲线造型进行过渡，采用嵌面、分面等方式，打破单调的平面，改变传统充电站方正、呆板的造型（如图3）。

产品的外观包括实用性、艺术性、科学性三个层面。结合公共停车场的地形与空间，实用性方面要满足充电桩的基本充电功能；在艺术性上通过艺术设计手法使其具有感染力，带给用户优良的感官体验，符合用户的审美习惯；在科学性方面要注重结构的可行性，同时要符合人机工程学，方便用户操作

。

教师讲解阶段是教学的第一阶段，主要是指对分割后知识点进行讲解，这一阶段的和谐课堂教学工作应在课堂开始后前15分钟进行，而且讲解工作必须做到细致、充分。仍以乘法口诀为例，将乘法口诀分割完毕后，选取1-3阶段的运算方法作为知识点，在讲解时，应该从1讲起，由于1的运算是最多的，可以将其与其他8个数字的运算方式列成一个竖列，通过多媒体设备展现出来，详解1和其他8个数字的计算。确定学生理解之后，在第二列写出2和其他数字的运算方式、结果，并进行详细讲解。在第四列以后不再标写数字、结果，只留空白，讲解阶段结束。

3.3 功能设计

功能作为产品的第一要素，是设计的核心与最终目的，而功能的设计要遵从以用户为中心的原则。

当前，电动汽车色彩设计以“灰色调”为主，而充电设备作为配套设施，应与电动汽车保持协调性。因此，公共充电桩的色彩设计应选用如黑色、灰色等无明显色相的色彩作为主体色彩，搭配小面积白色等高明度色彩及灯光突出功能区域，营造出科技感与艺术美感。

授予单位应针对来华留学生特点指定详细的留学生论文撰写要求。①撰写语言，考虑到中文的学习难度、大部分来华留学生采取英文授课等情况，笔者认为除了语言文学、中医等极少数专业外，应采用英文作为留学生博士论文撰写语言。②无论博士论文采用何种语言撰写，都应有详细的中文摘要。中文摘要不仅利于博士论文编目加工，对于留学生博士论文的查找和利用也十分重要。除此之外，授予单位应该对留学生博士论文封面、题名页等信息做出明确规定。留学生博士论文封面信息应为中文。作者名应为英文全名，如果有中文名可以在英文全名后附带中文名。导师名、专业名、授予单位、提交日期等均为中文。留学生博士论文应有中文题名。

3)交互便利性。随着科学技术的发展，人机交互从实体按键发展到触屏控制，再到如今各类手机APP 的远程控制，产品的交互方式发生了巨大的变化，给用户生活带来了极大的便利，但用户对于操作流程不够了解，APP 应具备操作指引，帮助用户快速了解产品的功能及使用流程。除此之外，用户希望APP 操作可以带来新的使用体验，例如充电资源共享，整合各品牌充电桩的信息，降低用户寻找充电桩的时间成本，增加用户使用流程中的便利性，提升产品的竞争力。用户调查结果显示，车友互动属于用户的兴奋型需求。通过在充电应用中划分独立的用户互动版块，供用户分享电动汽车日常驾驶、充电与旅途中的经验、感受，通过引导者不断的更新相关内容，维持模块热度，吸引更多用户参与其中，自发的进行信息交流，满足用户的社交需求，将服务进行延伸，使用户从中获得社会认同感，进而在心理上达到自我实现的层面，增加用户粘性

。

4 基于用户需求的电动汽车公共充电桩设计实践

通过对用户色彩、造型和功能三方面的需求进行分析，确定了公共充电桩的创新设计要点。在色彩设计方面，选用经典黑白配色，突出功能区域，配合呼吸灯显示充电桩状态。在造型设计方面，主体造型选用空间利用率较高的扁平立方体，区别于现有充电桩棱角分明的造型，利用圆角与渐变面进行面与面之间的过渡，提升艺术美感；在功能设计方面，通过完善的检测功能保证用户的使用安全，并赋予其移动功能，通过轨道与传感器移动至目标车位，用户无需再寻找专用充电车位，能有效改善充电专用车位与燃油车的矛盾问题。文章从公共充电桩的可用、安全、便利、交流及美观性出发，对充电桩的产品端与交互端进行设计，并确定最终设计方案（如图4、图5）。

本文采用基于IBC 体系的加密方案。本方案不需要证书来保存公钥和私钥的信息，可根据接收方的任何数据发送方都可以根据接收方身份信息计算出相应的公钥，接收方通过自己的私钥进行解密，获取密文的对称秘钥。确保了信息安全的同时也简化了安全系统的结构，解决了数据在前端和后台之间传输泄密的问题。