陈勃言，谢中祥，顾 峰，张传荣，赵 佳，2

（1.宁波吉利汽车研究开发有限公司，浙江 宁波 315000；2.清华大学，北京 100084）

1 自动充电机器人的发展现状

充电安全、充电时间及充电便捷性是影响充电体验的三大要素。随着电动汽车渗透率的逐年提升，消费者对充电体验愈发关注。近几年，充电安全和充电时间虽然发展较快，甚至取得了一些技术突破，但仍然无法超越加油体验。与传统汽车能源补给只能去加油站不同的是，电动汽车可以选择在公共停车场、小区停车库等场所进行即时补能。随着充电桩布局速度的加快，停车即可充电，甚至不停车也可充电的场景正逐渐从科幻走进现实。自动充电机器人技术可将人力从电动汽车的充电过程中解放出来，通过智能化设备实现充电线缆的自动插接，成为了继自动驾驶技术之后的电动汽车超越燃油汽车使用体验的第2条绝佳赛道。因此，特斯拉、大众等国际知名汽车公司正积极布局相关技术。

特斯拉公司在2015年推出了一款蛇形自动充电桩，如图1所示。当汽车停靠在蛇形机械臂附近时，系统接收充电信号，蛇形机械臂通过摄像头定位到充电口的位置后引导蛇形机械臂运动到充电口位置处，并进行准确地自动插接充电。

图1 特斯拉自动充电机器人

大众汽车于2015年宣布名为E-Smart Connect的项目计划，该项目至今已联合顶级机器人公司KUKA共同开发出了多款不同形式的自动充电机器人，如图2所示。

图2 大众自动充电机器人

2020年底，大众汽车发布了移动充电概念机器人——Mobiler Laderoboter。整套自动充电方案含一个自动运行的机器人以及灵活的能量存储设备（也可称之为电池车，见图3）。每个电池车都内置容量为25kWh的电池组，每个充电机器人可以同时携带数辆电池车行进。当使用APP或V2X通信调用时，它能自动将储能设备带到电动车旁，并将两者连接起来。储能装置集成有充电设备，可为车辆提供50kW的直流快速充电。

图3 大众MobilerLaderoboter自动充电方案

国内方面，爱驰汽车在2020年发布了CARL自动移动充电机器人，如图4所示。目前提供20kWh、40kWh、60kWh这3种容量版本，可满足不同车型充电需求。

图4 爱驰汽车自动充电方案

除主机厂外，国内许多高校、科研院所也在孵化相关技术及产品，可提供电动汽车自动充电整体解决方案。

2 工作原理及需要突破的关键问题

自动充电机器人技术的工作原理并不复杂，一套基本的自动充电机器人主要由机械运动机构及运动控制算法、充电口感知系统及定位算法、充电枪及传导充电线束3部分组成。当车辆泊车后，充电机器人通过感知系统自动定位充电口的空间位姿，机械运动机构根据充电口的空间位姿坐标自动将充电枪头对准充电口并实施插入动作，直至充电枪插接到位。在充电过程中，机械运动机构一直保持充电枪的可靠连接状态，充满电后，运动机构自动进行拔枪操作，自动充电过程结束。移动式自动充电机器人在基础机构上增加了带有储能装置的AGV小车，从而实现移动充电功能。

工作原理虽然简单，但在考虑到实际应用场景之后，自动充电机器人想要大规模普及必须要突破两大关键技术问题。

1）复杂环境下充电口的精确识别与定位问题。电动汽车停靠的环境往往呈现光线不足、光照不均、背景错综复杂等情况，这为基于机器视觉的充电口识别与定位带来了挑战，先进的图像识别与定位算法可以帮助充电机器人更快更准确地找到充电座。

2）机械臂运动与插拔过程中的柔顺性控制问题。柔顺作业包含两部分内容：运动过程柔顺与插拔柔顺。运动过程柔顺是指机械臂在工作空间内进行作业时避免运动轨迹的波动；插拔柔顺是指在末端执行器与工作环境发生接触时（进行插拔作业）避免出现力的波动。电动汽车充电插座的安装位置和角度各不相同，工作过程如果控制不当，很容易造成碰撞或者充电座及充电枪非正常磨损等问题。因此，机械运动机构的柔顺性控制技术十分关键，既要快速调整好姿态，又要避免运动过程出现波动。

除了技术问题之外，自动充电机器人的成本及可靠性问题同样十分关键。毕竟对于大众化的产品而言，普通消费者关注的还是性价比。

3 技术路线及对比分析

针对上述两项亟需突破的关键技术问题，不同的技术路线给出了差异化的解决方案，优劣势对比分析分别如表1和表2所示。

表1 充电口识别与定位技术路线分析

表2 插拔过程柔顺性控制技术路线分析

根据技术黑箱理论，核心技术的发展总是从功能性技术到性能性技术再到可靠性技术。目前的技术路线实现了自动充电的功能，许多性能性技术尚需要深入挖掘，然后突破自动充电机器人的可靠性技术，最终形成成熟的产品。随着研究的不断深入，现有问题的解决方案必将催生新的技术路线。

4 发展趋势

机器人代替人为电动汽车充电是已经可以看得到摸得着的趋势。虽然目前还没有普及，但自动充电的需求随着电动汽车的普及及消费者对充电体验的提升正在慢慢发酵。现阶段，电动汽车车身充电口的设计方案还没有摆脱加油口的思维逻辑，仍然通过机械操作打开。未来的充电口也将实现智能化，可以实现与充电机器人的信息交互，自动将充电口的坐标信息发送给充电机器人。通过合作特征的加入，可以大幅度降低充电口及充电座的识别定位门槛，提升识别速度和准确度，为自动充电机器人的普及铺平道路。自动充电机器人通过提升充电体验，未来将与电动汽车产业形成战略互补力，有效促进中国新能源汽车又好又快发展。