基于人機(jī)工程的電動(dòng)汽車充電口布置分析

趙建航　魯居印

【摘要】為提高電動(dòng)汽車充電口的人機(jī)舒適性，從人機(jī)工程的角度出發(fā)，綜合人體尺寸和人體舒適活動(dòng)范圍、充電樁參數(shù)、充電槍參數(shù)等對(duì)充電口的高度、角度、位置等布置因素進(jìn)行分析，給出了充電口布置推薦方案，并開(kāi)展了實(shí)際驗(yàn)證與評(píng)價(jià)，同時(shí)針對(duì)充電操作可視性、操作空間給出了設(shè)計(jì)建議，為純電動(dòng)汽車充電口布置提供參考。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車 充電口 人機(jī)工程 充電樁

中圖分類號(hào)：U462.2? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230459

Analysis of Electric Vehicle Charging Port Layout Based on Ergonomics

Zhao Jianhang， Lu Juyin

（FAW-Volkswagen Automotive Co.， Ltd.， Changchun 130013）

【Abstract】To improve the ergonomic comfort of electric vehicle charging ports， this paper analyzed the height， angle， position and other layout factors of the charging ports from the perspectives of ergonomics considering human body size， comfortable range of human activities， charging pile and charging gun parameters， and proposed a charging port layout scheme， which was verified and evaluated. In addition， the paper offered design proposals for charging operational visibility and operation space， which served as reference for charging ports of electric vehicle.

Key words： Pure electric vehicles， Charging port， Ergonomics， Charging pile

【引用格式】趙建航， 魯居印. 基于人機(jī)工程的電動(dòng)汽車充電口布置分析[J]. 汽車工程師， 2024（6）： 29-34.

ZHAO J H， LU J Y. Analysis of Electric Vehicle Charging Port Layout Based on Ergonomics[J]. Automotive Engineer， 2024（6）： 29-34.

1 前言

純電動(dòng)汽車充電需由用戶自行操作，因此充電口的合理設(shè)計(jì)在很大程度上影響用戶的使用感受。目前，充電口的相關(guān)文獻(xiàn)多基于布置空間、與周邊件的關(guān)系、造型需求[1-4]等對(duì)充電口在整車中的布置位置進(jìn)行研究，本文從人機(jī)工程的角度出發(fā)，研究充電口的合理設(shè)計(jì)，以期提升用戶的充電操作體驗(yàn)。

2 充電口高度與角度分析

經(jīng)充電操作習(xí)慣調(diào)研發(fā)現(xiàn)，影響充電口高度舒適性與易操作性的因素主要有人手伸及高度、充電槍長(zhǎng)度、充電口布置角度，如圖1所示，三者間的關(guān)系可表述為：

Hv=Hh-L·sina （1）

式中：Hh為人手握點(diǎn)到地面的距離；Hv為充電槍頭部中心到地面的距離；L為充電槍的長(zhǎng)度，本文按照一種常見(jiàn)且較長(zhǎng)的快充電槍模型取L=240 mm；a為充電槍與水平面的角度。

2.1 手伸及高度

人的身體尺寸和關(guān)節(jié)活動(dòng)角度影響人手的伸及高度，本文使用Ramsis軟件對(duì)中國(guó)2030年人體預(yù)測(cè)的尺寸數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析第5百分位女性和第95百分位男性人體，如表1所示。

理論分析時(shí)參考人體各關(guān)節(jié)角度的舒適范圍[5]，并根據(jù)實(shí)際調(diào)研情況進(jìn)行調(diào)整，如圖2、表2所示。

手伸及位置的上邊界需要考慮第5百分位女性手臂的抬升高度，下邊界需要考慮第95百分位男性彎腰工況下的手伸及高度。

第5百分位女性直立狀態(tài)下大、小臂最大伸展角度分別為10°、90°，此時(shí)手掌高度為994 mm，大、小臂可接受舒展角度分別為45°、100°，此時(shí)手掌高度為1 100 mm。第95百分位男性直立狀態(tài)下大、小臂舒適伸展角度分別為0°、15°，此時(shí)手掌高度為865 mm，45°彎腰狀態(tài)下大、小臂可接受的伸展角度均為0°，此時(shí)手掌高度為707 mm。

綜上，手伸及高度舒適范圍為865～994 mm，可接受范圍為707～1 100 mm。

2.2 充電口高度與角度的關(guān)系

在充電口操作習(xí)慣調(diào)研過(guò)程中，充電口高度及其布置角度是相互影響的，故在充電口布置高度范圍內(nèi)，需考慮a與Hv的關(guān)系。

使用Ramsis軟件進(jìn)行充電口高度與角度的分析，選用第5百分位女性、第50百分位男性和第95百分位男性3種人體模型，將充電口高度和角度設(shè)為變量，在人體站立姿態(tài)下約束小臂與充電槍軸線方向一致進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，利用Ramsis舒適性分析和關(guān)節(jié)使用率分析模塊共同判定假人操作姿勢(shì)的舒適性，結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)對(duì)上、下邊界取均值，得到充電口高度與角度的關(guān)系如圖4所示。

2.3 充電口高度和角度推薦

由于手的高度在一定范圍內(nèi)，且充電口高度和角度存在近似的線性關(guān)系，利用式（1）可得充電口高度和角度的推薦區(qū)域，舒適區(qū)域如圖5所示。

考慮到當(dāng)前車型充電口角度無(wú)負(fù)角度出現(xiàn)，負(fù)角度區(qū)域當(dāng)前未計(jì)算在內(nèi)，故可接受區(qū)域如圖6所示。

2.4 人機(jī)臺(tái)架驗(yàn)證與優(yōu)化

在人機(jī)臺(tái)架上驗(yàn)證充電口高度與角度推薦區(qū)域，邀請(qǐng)50位評(píng)價(jià)者進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)者身高范圍為1 530～1 820 mm，整體樣本呈現(xiàn)正態(tài)分布。試驗(yàn)過(guò)程中采用調(diào)整不同充電口高度、角度后被試人員評(píng)價(jià)打分的評(píng)價(jià)方法，驗(yàn)證過(guò)程中需要保證移動(dòng)快充電槍的力與在充電樁中實(shí)際操作時(shí)一致。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

6分及以上代表可接受狀態(tài)，可接受狀態(tài)的擬合結(jié)果如圖7所示。

實(shí)際調(diào)研結(jié)果與理論分析的結(jié)果基本保持一致，不同的是，調(diào)研中充電口高度在800～1 000 mm區(qū)間時(shí)，充電口可接受角度可以更小，如圖8所示。所以在充電口布置中，可以將實(shí)際調(diào)研所增加的區(qū)域作為第三優(yōu)先級(jí)選擇方案，并在方案實(shí)施后進(jìn)行實(shí)際評(píng)估。

3 充電口布置位置分析

純電動(dòng)汽車充電行為的難易程度除與充電口本身的高度和角度有關(guān)，還與充電槍和充電樁的相關(guān)參數(shù)有關(guān)。

3.1 充電習(xí)慣調(diào)研

與在家充電相比，在充電站充電的困難程度更高，本文以在充電站充電為例進(jìn)行充電習(xí)慣調(diào)研，如圖9所示。在充電站為汽車充電的操作步驟主要分為停車、取下充電槍頭、抬升并移動(dòng)充電槍頭以及插入充電槍等。

在抬升充電槍頭的過(guò)程中，充電槍抬升力與抬升距離相關(guān)，實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖10所示。

此時(shí)充電槍抬升力對(duì)人體造成的負(fù)擔(dān)較小，雙手搬運(yùn)物體時(shí)最大安全承受力為G=160～180 N，設(shè)計(jì)中較合適的承受力為G/4，即約40 N。但在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，如果汽車充電口與充電樁距離較遠(yuǎn)，在抬升充電槍頭的過(guò)程中，連接槍頭與充電樁的充電線纜會(huì)出現(xiàn)離開(kāi)地面的情況，此時(shí)人手握持充電槍的重力顯著增大，即使對(duì)成年男性也較為吃力，因而汽車充電口與充電樁的距離也是充電操作的重要影響因素。

3.2 充電口位置

充電樁與充電口的距離主要影響因素有基站線纜長(zhǎng)度L1、充電線纜距離地面的高度H、停車位與充電樁的距離L2，如圖11所示。

充電站實(shí)際調(diào)研結(jié)果表明，通常H=1 800 mm、L1=4 500～4 800 mm、L2=1 040～1 600 mm。要保證在絕大多數(shù)充電樁充電過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)線纜貼地，通過(guò)建立的軟件模型模擬充電線狀態(tài)可以得到，充電口的中心位置在以輪胎與停止桿接觸點(diǎn)為中心，950 mm為半徑的扇形區(qū)域范圍內(nèi)較為合適，如圖12所示。將輪胎和停止桿的接觸點(diǎn)與充電口中心的距離定義為L(zhǎng)3，即應(yīng)保證L3≤950 mm。對(duì)于充電口布置在翼子板或后側(cè)圍的情況，上述條件同樣適用?？紤]到各項(xiàng)參數(shù)均存在一定變化范圍，且模型設(shè)計(jì)較為理想，充電口位置僅作為設(shè)計(jì)參考。

3.3 平臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)充電口位置的影響

充電口在整車中的位置與平臺(tái)前期設(shè)計(jì)的相關(guān)性較強(qiáng)，優(yōu)先推薦快、慢充電口集成布置，此時(shí)高、低壓線束可以同時(shí)固定和避讓，布置較為方便且線束整體占用空間較小。

高、低壓充電口的常見(jiàn)布置位置有前保險(xiǎn)杠面罩、前翼子板和后側(cè)圍等。其中，布置在前保險(xiǎn)杠面罩時(shí)，前端的輕微碰撞也可能導(dǎo)致充電端口損壞，故此位置已逐漸被舍棄。對(duì)前翼子板和后側(cè)圍的選擇與三電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在很大關(guān)系，如圖13所示。

當(dāng)電驅(qū)系統(tǒng)為三合一時(shí)，推薦充電口與電池高壓接口布置在同側(cè)，如高壓充電口在車后部，建議充電口布置在后側(cè)圍，以縮短線束長(zhǎng)度，降低碰撞帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)等。

當(dāng)電驅(qū)系統(tǒng)為六合一或八合一時(shí)，推薦充電口與電驅(qū)系統(tǒng)布置在同側(cè)，如集成電驅(qū)系統(tǒng)在車頭位置，建議充電口布置在翼子板。

3.4 充電口外蓋板方向

實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，快充槍體遠(yuǎn)重于慢充槍體，快充操作可作為舒適性評(píng)價(jià)的主要影響因素，因而針對(duì)快充側(cè)充電口蓋板打開(kāi)方向提出人機(jī)舒適性要求。

分析中需考慮的因素包括：為方便操作，推薦充電口與充電樁槍體同側(cè)；充電口蓋開(kāi)啟方向?yàn)檫h(yuǎn)離充電樁方向，防止插拔過(guò)程對(duì)槍體與纜線造成干擾。

經(jīng)調(diào)查，快充充電樁槍體方向共有兩種形式，如圖14所示：?jiǎn)螛屝问剑辔挥诔潆姌蹲陨碜髠?cè)；雙槍形式，位于充電樁雙側(cè)。

綜合上述分析，針對(duì)整車快充充電口側(cè)向布置情況，推薦的布置方案如圖15所示：當(dāng)充電口位于前側(cè)圍時(shí)，推薦充電口布置在整車右側(cè)，充電口蓋板開(kāi)啟方向?yàn)檐囄卜较?；?dāng)充電口位于后側(cè)圍時(shí)，推薦充電口布置在整車左側(cè)，充電口蓋板開(kāi)啟方向?yàn)檐囶^方向。

4 充電槍操作方便性

除充電口位置的限制因素，影響充電槍操作方便性的主要因素還有很多，如操作可視性、操作空間等。

4.1 可視性

可視性指充電操作時(shí)視野是否足夠，主要體現(xiàn)在充電口外鈑金、充電口殼體在操作時(shí)對(duì)視野的遮擋。習(xí)慣調(diào)研發(fā)現(xiàn)，操作者對(duì)視野有較為嚴(yán)格的需求，一般需求為：在打開(kāi)充電口外蓋板時(shí)，即可看到充電口的內(nèi)蓋板或者充電口本體。調(diào)研結(jié)果表明，用戶打開(kāi)充電口蓋時(shí)與車輛的距離一般為600 mm，所以推薦第95百分位人體眼點(diǎn)在車側(cè)600 mm遠(yuǎn)處對(duì)充電口可視。

4.2 操作空間

從實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，一般在使用慢充電槍時(shí)易引起抱怨，主要是慢充電槍與充電口處側(cè)圍鈑金的間隙在前期校核時(shí)易出現(xiàn)疏漏。市場(chǎng)上慢充電槍的種類有很多，本文選用槍頭和手柄距離近的充電槍模型進(jìn)行校核，如圖16所示。

為保證操作充電槍時(shí)，手部有足夠的操作空間，約束極限位置手部空間應(yīng)滿足人手尺寸W（如圖17所示）加5 mm的安全余量，即人手距離車側(cè)鈑金35 mm以上。

5 充電口布置對(duì)標(biāo)驗(yàn)證

5.1 高度與角度驗(yàn)證

對(duì)市場(chǎng)上的電動(dòng)車型的充電口布置參數(shù)進(jìn)行實(shí)際調(diào)研，測(cè)量條件為整車整備狀態(tài)，結(jié)果如表4所示。

相關(guān)車型與本文推薦的高度與角度區(qū)域?qū)Ρ冉Y(jié)果如圖18所示。

對(duì)標(biāo)車型充電口高度與角度多數(shù)在可接受區(qū)域范圍內(nèi)，部分處于實(shí)際測(cè)評(píng)可接受的區(qū)域內(nèi)，極少數(shù)突破推薦范圍。

5.2 充電口布置位置驗(yàn)證

對(duì)市場(chǎng)上的電動(dòng)車型的充電口在整車中的布置參數(shù)進(jìn)行實(shí)際調(diào)研，模擬汽車在充電樁的停車狀態(tài)，測(cè)量輪胎和停止桿的接觸點(diǎn)與充電口中心的距離L3，結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，對(duì)標(biāo)車型中充電口布置位置多數(shù)處于推薦區(qū)域內(nèi)。

表5 充電口位置對(duì)標(biāo)信息 mm

6 結(jié)束語(yǔ)

汽車充電口的布置直接影響汽車三電系統(tǒng)的布置優(yōu)劣和用戶的操作舒適性，本文從人機(jī)工程的角度重點(diǎn)研究了充電口的高度、角度要求，進(jìn)一步明確了充電口可視性、操作空間等，并從平臺(tái)的角度出發(fā)給出充電口的布置建議，可為后續(xù)車型充電口的人機(jī)布置提供參考。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年10月18日。