自动充电机器人在新能源汽车领域的应用与发展

摘 要：在当今世界清洁能源和可持续发展的大背景下，新能源汽车被广泛视为取代传统燃料汽车的重要项目。随着新能源汽车市场的快速发展，充电站的设备缺乏和充电效率低下等问题正逐渐成为阻碍该行业发展的瓶颈。随着人工智能、深度学习、传感器技术等领域的快速发展，为新能源汽车自动充电机器人的实现提供了技术支持。新能源汽车自动充电机器人不仅能提升了充电的便捷性、效率和安全性，同时也能推动了新能源汽车行业的发展，因此新能源汽车自动充电机器人具有广阔的应用与发展前景。

关键词：新能源汽车 自动充电机器人 应用与发展 充电效率

0 引言

随着全球加深对于降低碳排放的共识，新能源汽车成为替代传统燃油车的重要选择。新能源汽车的普及率的速度快速增长，一方面是得益于电池技术的进步和成本的下降，另一方面还与全球各国政府对绿色交通政策的支持密不可分。但是在自动充电技术方面存在一些短板。充电过程的自动化不仅能够提高用户体验，减少充电等待时间。自动充电机器人作为智能充电装备的代表，这类机器人通过高度自动化和智能化的方式实简化了充电操作流程。不仅如此，自动充电机器人的应用还能够减轻因手动插拔充电枪而导致的安全隐患，从而提升充电过程的安全性和便捷性。

1 发展新能源汽车自动充电机器人的意义

1.1 自动充电机器人提升了充电的便捷性

传统充电方式需要车主亲自寻找充电桩，进行插拔等操作，这样一来不仅耗时耗力，还可能因为操作而导致充电失败或安全问题。自动充电机器人无需车主参与就能通过识别和定位等技术，自动寻找充电口并对接，完成充电过程[1]。

1.2 自动充电机器人提高充电的效率

自动充电机器人还可以通过智能调度，实现充电资源的合理分配，避免了充电桩的闲置和浪费。还能够在多台汽车之间快速切换，因此充电效率大大提高，减少了车主的等待时间。

1.3 自动充电机器人提升了充电过程的安全性

自动充电机器人具备精确的识别和定位能力，可以确保充电接口的准确对接，避免了车主操作不当导致的安全问题。同时，机器人还具备自动断电、过载保护等安全功能，确保充电过程的安全可靠。

1.4 推动新能源汽车行业的发展

随着新能源汽车市场的不断扩大，自动充电机器人一方面可以提高新能源汽车充电的效率，另一方面还能解决充电设施的不足和分布不均的问题，从而促进新能源汽车的普及和发展。

2 新能源汽车自动充电机器人关键技术

2.1 充电口的空间位置定位系统

用于帮助自动驾驶汽车或机器人等设备准确地将充电插头对准充电口以完成充电过程。这种系统通常结合了多种传感器和算法，以实现精确的定位和对准。常见的技术包括激光雷达、摄像头、超声波传感器、惯性测量单元（IMU）等，通过这些传感器获取车辆或机器人与充电口之间的相对位置和姿态信息，并利用算法进行实时计算和调整，确保插头正确对准充电口，从而实现可靠的充电连接。

首先是双目视觉系统，即利用两部相机来实现定位。对物体上一个特征点，用两部固定于不同位置的相机摄得物体的像，分别获得该点在两部相机像平面上的坐标。只要知道两部相机精确的相对位置，就可用几何的方法得到该特征点在固定一部相机的坐标系中的坐标，即确定了特征点的位置。其次是单目视觉系统，首先利用单目对物体进行拍照，再通过前期的标定对比即可实现空间的定位。相比双目，单目硬件成本低但算法较为复杂。最后是充电口激光扫描方法，该方法是基于激光测距原理，通过机械臂驱动激光测距模块沿直线扫描，测量直线上存在高度差的临界点[6]，获取充电口上两个临界点之间的弦长K；判断弦长K是否满足W＜K＜S，根据弦长K和充电口的中心的对应关系，得到充电口的位置信息，如图1所示。

2.2 机械臂模块

新能源汽车自动充电机器人的机械臂模块是指该机器人中负责操控充电插头的部件。这个模块通常由多个关节组成的机械臂构成，能够在空间中自由运动和调整姿态，以完成充电插头的对准和插拔操作。

由于工业机械臂不具备碰撞保护，因此不适合运用在自动充电中，那么其他机械臂的特点是什么呢：首先是笛卡尔坐标机械臂，其特点是外形尺寸较大，在实际运用中布置较少；SCARA关节机械臂的特点是效率较高，但是负载也小，在自动充电中一般适合交流慢充；协作臂适合0到50℃环境下使用，负载不超过15公斤，成本上面也是较高的；蛇形臂的IP等级较高，可以在-40℃到60℃进行工作，造价低，适用范围广。

机械臂模块是新能源汽车自动充电机器人中至关重要的部件之一，其性能和功能直接影响着充电机器人的操作效率和充电过程的安全性。

2.3 蛇形机械臂

关节臂一般由关节电机和伺服减速器或谐波减速器构成，但是绝大多数减速器被国外企业垄断，受此影响，关节臂的成本相对较高。蛇形臂则不同于关节臂，它是由绳索来驱动，每个关节均由绳索实现驱动转动，通过对转动盘周边的多根绳索进行斜角控制即可控制机械臂末端的运动轨迹[2]。

3 新能源汽车自动充电机器人应用

自动充电机器人大体上可分为五大类：固定式交流慢充机器人、固定式直流快充机器人、移动式自动充电机器人、抓抢式自动充电机器人、蛇形自动充电机器人。

3.1 固定式交流慢充机器人

自动充电机器人固定在车位上的某一指定位置，一般占用车位空间不超过0.5m×0.3m（L×W），一般适合私家车配合AVP自主代客泊车场景使用。

3.2 固定式直流快充机器人

自动充电机器人固定在车位上的某一指定位置，一般占用车位空间不超过0.5m×0.4m（L×W），一般适合公共停车场配合AVP自主代客泊车场景使用，也适合出租车、网约车等规模车队和港口、矿山、物流车等场景使用[4]。

3.3 移动式自动充电机器人

自动充电机器人停在公共停车场的某一指定位置，当有车辆需要充电时，车主可以通过手机APP通过云端调度系统召唤自动充电机器人。机器人将根据车辆停放的目标定位位置，自动移动到目标车位。适合公共停车场配合AVP使用[3]。移动式自动充电机器人能够自主移动并为电动车提供充电服务的智能设备。它们被设计成小型车辆或者机器人的形态，具备自主导航、充电枪操作、电动车识别等功能。机器人通常配备有激光雷达、摄像头、超声波传感器等导航设备，可以在预设的区域内自主移动，找到需要充电的电动车。移动式自动充电机器人的出现，提高电动车充电的效率，降低人工成本，并改善用户体验。它们为电动车的普及和使用提供了更便捷、更可靠的充电解决方案。

3.4 抓枪式自动充电机器人

一个车位部署一套自动充电机器人，对于公共停车场来说，投资成本较高。为此采用一套自动充电机器人负责多辆车充电的解决方案，分摊到单车位的成本就会大幅降低。这种机器人通常设计为移动式或固定式，能够在充电需求出现时自主地前往车辆位置，并执行充电任务。机器人通过激光、摄像头或其他传感器技术，能够自动定位到电动车的停放位置。一旦机器人到达目标位置，它会使用视觉或其他感知技术来识别电动车的充电接口位置和类型。机器人配备有机械臂或其他夹持装置，可以准确地抓取充电枪，并将其对准电动车的充电接口。机器人会精确地将充电枪插入电动车的充电接口中，开始充电过程。充电完成后，机器人会自动将充电枪取出。在充电过程中，机器人会监测电池温度、充电电流等参数，确保充电过程安全可靠。电动车抓枪式自动充电机器人的优势在于提高了充电效率，降低了人工成本，增强了用户体验，并且有助于减少电动车充电过程中的人为操作错误。这种技术有望为电动交通领域的发展和普及提供重要支持。

3.5 蛇形自动充电机器人

蛇形自动充电机器人是一种特殊设计的充电机器人，其外形或运动方式类似于蛇形。蛇形机器人通常采用分段式设计，每个段落之间通过关节连接，使得整个机器人能够像蛇一样灵活地弯曲和扭转，从而适应不同形状和空间的车辆。蛇形自动充电机器人既可以采取固定在车位，也可以采取移动方式。蛇形自动充电机器人具有IP65三防等级，可以在-40℃至65℃环境下稳定工作[5]，负载大（超过30kg），寿命长（10年使用寿命）、成本低等优点，特别适合无人化自动充电的场景。蛇形自动充电机器人是一种创新的设计，能够有效解决传统充电设备无法适应各种车辆形状和空间的问题，提高充电过程的自动化程度和效率。

4 促进自动充电机器人在新能源汽车领域发展的措施和建议

4.1 加强技术研发与创新

自动充电机器人的发展离不开持续的技术创新。加大对自动充电机器人技术的研发投入，特别是在高精度识别、柔顺控制等关键技术上取得突破。鼓励高校、科研机构与企业形成产学研联盟，共享研发资源，推动技术创新成果的快速转化和应用。

4.2 优化充电设施布局与建设

自动充电机器人的普及需要与之配套的充电设施作为基础。建议加大对充电设施建设的投入，特别是在城市核心区域、交通枢纽等地方增加充电站点。优化充电设施的布局和配置，提高充电效率，降低用户等待时间。

4.3 加强市场推广与示范应用

自动充电机器人作为新兴技术，需要通过市场推广和示范应用来提高公众的认知度和接受度。建议选取一些重点城市或区域，开展自动充电机器人的示范应用项目，展示其在实际运行中的优势。鼓励企业加强产品宣传，通过媒体、展览、论坛等多种渠道，提高自动充电机器人的知名度和影响力。

5 结语

综上所述，自动充电机器人随着技术的不断发展还是有广阔的应用前景的。自动充电机器人不仅可为车主提供了更安全、便捷的充电体验，还能促进新能源汽车行业的发展。

基金项目：广州新华学院2023年大学生创新创业训练计划项目“基于Faster R-CNN的新能源汽车充电口识别的智慧充电系统”（202313902005）；广州新华学院粤嵌信息技术产业学院（项目编号：2023CYXY003）。

参考文献：

[1]杨磊，浑连明，祖国强，等.电动汽车充电机器人发展现状和标准需求[J/OL].中国电力，1-11[2024-03-17].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3265.TM.20231117.1544.014.html.

[2]陈勃言，谢中祥，顾峰，等.自动充电机器人技术路线及发展趋势分析[J].汽车电器，2022（10）：4-6.

[3]李星辉.自动充电机器人插拔过程轨迹规划和柔顺控制技术[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.

[4]李聪利，徐善军，任书楠，等.基于双目视觉的电力机器人三维定位方法[J].制造业自动化，2021，43（10）：138-143.

[5]姚安庆，徐建明.基于双目视觉的电动汽车充电孔识别定位系统[J].传感器与微系统，2021，40（07）：81-84.

[6]朱浩. 基于视觉定位的电动汽车自动充电装置路径规划研究[D].青岛：青岛大学，2023.