軌道交通領域的節能技術專利分析

◎ 中車青島四方機車車輛股份有限公司 鄧超月 國東芳

在高速發展的當今社會，軌道交通具有運行效率高、客運量大等優秀的特征，但其對電能等能源消耗也非常大。讓軌道交通成為真正意義上的綠色交通，需要在節能技術領域取得突破。軌道交通中與節能技術較為密切的技術之一是制動系統。本文從專利申請趨勢分析、重點技術分布分析和重點技術發展路線分析等層面，對軌道交通領域節能技術全球專利進行分析。分析數據來源于incoPat科技創新情報平臺2000年1月1日至2020年12月22日公開的全球專利文獻。軌道交通領域節能技術方面的專利分析，對于幫助企業了解該技術發展態勢和發展動向、有針對性地進行技術研發等都具有十分重要的意義。

1 專利申請趨勢分析

專利申請趨勢分析可以反映該技術發展態勢，有助于從業人員對行業進行整體認識，用于對研發重點和路線進行適應性調整。

如圖1所示，軌道交通領域節能技術專利申請趨勢，可以看出，全球軌道交通領域節能技術的相關專利近20年大致可以分為三個階段：第一個階段為萌芽期（2000年-2006年），技術發展較為緩慢，年均專利申請數量在30件以下；第二個階段為緩步增長期（2007年-2015年），專利申請呈現波動增長的狀態，表明軌道交通領域節能技術具有很大的推廣價值，受到各國政府、研究機構和企業的關注；第三個階段是快速增長期（2016年至今），相關技術專利申請數量快速增長，呈高速持續上升的趨勢（注：由于專利數據的公開存在18個月左右的滯后期，有關2019和2020年的數據僅做參考）。

圖1 軌道交通領域節能技術專利申請趨勢

相對于全球而言，中國軌道交通領域節能技術的相關專利申請也分為三個階段：萌芽期（2000年-2004年），緩步增長期（2005年-2015年），快速發展期（2016年至今）。總體來說，中國軌道交通節能技術在早期發展較為緩慢，相關專利申請也較少，但增長趨勢穩定，波動較少。

整體來看，中國軌道交通領域節能相關技術的發展趨勢緊隨全球發展趨勢的腳步，且在2015年以后，開始逐漸影響全球軌道交通節能技術相關專利申請趨勢，這從一定程度上說明，中國在該技術領域的發展已經逐漸處于全球領先地位。

2 制動系統重點技術分布分析

軌道交通領域節能技術相關的制動系統技術可分為再生制動/電制動、余能存儲和能量反饋。其中，再生制動/電制動包括控制方法和控制裝置、存儲利用、并網回饋、電空配合和過分相；余能存儲主要包括控制方法和控制裝置以及存儲形式，主要的存儲形式有電池、飛輪和電容。

經對檢索出的專利數據進行分析，篩選出制動系統的節能技術的主要企業有：西門子公司、日立公司、三菱公司和中車株洲電力機車研究所有限公司。

2.1 西門子公司

通過圖2西門子公司制動系統中節能技術領域詳細技術分布情況可見，西門子公司在該技術領域更為注重再生制動/電制動領域的相關專利申請，其占所有專利申請的56%；其次是余能存儲技術和能量反饋技術。再生制動是在制動時把車輛的動能轉化為電能，并將其儲存起來或向電網回饋能量等，與節能技術聯系更為緊密，日益成為首選制動方式，西門子公司在再生制動/電制動領域申請的相關專利儲備較多。

圖2 西門子公司制動系統中節能技術領域詳細技術分布

2.2 日立公司

通過圖3日立公司制動系統中節能技術領域詳細技術分布情況可知，日立公司在該技術領域更為注重余能存儲領域的相關專利申請，其占所有專利申請的58%；其次是再生制動/電制動技術領域。可以看出，日立公司重視余能儲存和再生制動/電制動領域的技術研發，兩個領域專利數量相對均衡，沒有出現太大落差。

圖3 日立公司制動系統中節能技術領域詳細技術分布

2.3 三菱公司

通過圖4三菱公司制動系統中節能技術領域詳細技術分布情況可以看出，三菱公司在該技術領域更為注重再生制動/電制動領域的相關專利申請，其占三菱公司制動系統中節能技術領域相關專利申請總量的79%。由此可以看出，三菱公司將絕大多數的研發力量投入在再生制動/電制動領域，相較于余能存儲和能量反饋領域，三菱公司在再生制動/電制動領域優勢較大。

圖4 三菱公司制動系統中節能技術領域詳細技術分布

2.4 中車株洲電力機車研究所有限公司

通過圖5中車株洲電力機車研究所有限公司制動系統中節能技術領域詳細技術分布情況可以看出，中車株洲電力機車研究所公司在再生制動/電制動、余能儲存和能量反饋領域均有相應投入，而再生制動/電制動領域的研發工作是整個節能技術的重點，研發力量投入最多，產生的專利成果也遙遙領先。

圖5 中車株洲電力機車研究所有限公司公司制動系統中節能技術領域詳細技術分布

3 制動系統重點技術發展路線分析

制動系統節能相關技術領域的技術分支主要集中于再生制動/電制動和余能存儲，而有關能量反饋的專利申請相對較少。

在再生制動/電制動方面，控制方法和控制裝置的研究貫穿整個發展路線，而能量的存儲利用、并網回饋和電空配合的相關研究主要集中于2013年至2018年間。控制方法和控制裝置的相關研究中，2010年之前主要的研究方向在制動系統的控制及性能優化等方面；2010年之后，研發方向主要在再生制動能量回收等領域。存儲利用相關研究中，主要是將再生制動產生的能量回收并利用等方面的研究，并網回饋相關專利申請較少，主要研究提高制動性能和架空線再生電力的再生率等方面。電空配合主要的研究在于控制電制動和空氣制動的配合，主要的申請人是三菱公司。

在余能存儲方面，相關研究主要是在2001年以后開始出現，控制方法和控制裝置的研究集中在2008年至2012年，存儲形式相關的研究則比較分散。存儲形式主要以電池、電容和飛輪為主，其中電池和電容的相關專利申請較多，涉及鐵路車輛的電池充放電、使用超級電容器系統實現車載電能存儲等研究。余能存儲的控制方法和控制裝置技術在2008年相關專利申請最多，主要研究控制存儲在蓄電裝置中的電量以及何時進行充放電等。

能量反饋方面研究在2012年才開始出現，且相關的專利申請也較少。主要研究方向有車輛制動能量回饋裝置和降低回饋能量對電力系統電能質量的影響。

4 結語

隨著軌道交通的發展以及節能環保的要求，節能技術在軌道交通中具有廣闊的應用前景。通過上文分析可以得出，中國與全球專利申請態勢基本相同，專利申請數量波動增長，尤其在2015年以后，中國軌道交通領域節能技術關專利申請開始逐漸影響全球的專利申請趨勢。

制動系統節能相關技術領域的專利申請主要集中在2006年以后，再生制動/電制動和余能存儲是各個企業的專利布局重點，而有關能量反饋的專利申請相對較少。

在軌道交通領域節能技術中，西門子公司、日立公司和三菱公司的技術起步較早，專利申請數量較多，且專利布局涉及的技術較為廣泛，持續的研發投入以及技術改進，使得他們在該技術領域的綜合實力較強。中國企業可以在自身獨立研發的同時，借鑒這些公司的研發思路，進一步的改進，提高自身綜合技術實力。（文責自負）