轨道交通节能技术专利探析

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在高速发展的当今社会，轨道交通具有运行效率高、客运量大等优秀的特征，但其对电能等能源消耗也非常大。让轨道交通成为真正意义上的绿色交通，需要在节能技术领域取得突破。轨道交通中与节能技术较为密切的技术之一是制动系统。本文从专利申请趋势分析、重点技术分布分析和重点技术发展路线分析等层面，对轨道交通领域节能技术全球专利进行分析。分析数据来源于incoPat科技创新情报平台2000年1月1日至2020年12月22日公开的全球专利文献。轨道交通领域节能技术方面的专利分析，对于帮助企业了解该技术发展态势和发展动向、有针对性地进行技术研发等都具有十分重要的意义。

1专利申请趋势分析

专利申请趋势分析可以反映该技术发展态势，有助于从业人员对行业进行整体认识，用于对研发重点和路线进行适应性调整。如图1所示，轨道交通领域节能技术专利申请趋势，可以看出，全球轨道交通领域节能技术的相关专利近20年大致可以分为三个阶段：第一个阶段为萌芽期（2000年-2006年），技术发展较为缓慢，年均专利申请数量在30件以下；第二个阶段为缓步增长期（2007年-2015年），专利申请呈现波动增长的状态，表明轨道交通领域节能技术具有很大的推广价值，受到各国政府、研究机构和企业的关注；第三个阶段是快速增长期（2016年至今），相关技术专利申请数量快速增长，呈高速持续上升的趋势（注：由于专利数据的公开存在18个月左右的滞后期，有关2019和2020年的数据仅做参考）。相对于全球而言，中国轨道交通领域节能技术的相关专利申请也分为三个阶段：萌芽期（2000年-2004年），缓步增长期（2005年-2015年），快速发展期（2016年至今）。总体来说，中国轨道交通节能技术在早期发展较为缓慢，相关专利申请也较少，但增长趋势稳定，波动较少。整体来看，中国轨道交通领域节能相关技术的发展趋势紧随全球发展趋势的脚步，且在2015年以后，开始逐渐影响全球轨道交通节能技术相关专利申请趋势，这从一定程度上说明，中国在该技术领域的发展已经逐渐处于全球领先地位。

2制动系统重点技术分布分析

轨道交通领域节能技术相关的制动系统技术可分为再生制动/电制动、余能存储和能量反馈。其中，再生制动/电制动包括控制方法和控制装置、存储利用、并网回馈、电空配合和过分相；余能存储主要包括控制方法和控制装置以及存储形式，主要的存储形式有电池、飞轮和电容。经对检索出的专利数据进行分析，筛选出制动系统的节能技术的主要企业有：西门子公司、日立公司、三菱公司和中车株洲电力机车研究所有限公司。

2.1西门子公司

通过图2西门子公司制动系统中节能技术领域详细技术分布情况可见，西门子公司在该技术领域更为注重再生制动/电制动领域的相关专利申请，其占所有专利申请的56%；其次是余能存储技术和能量反馈技术。再生制动是在制动时把车辆的动能转化为电能，并将其储存起来或向电网回馈能量等，与节能技术联系更为紧密，日益成为首选制动方式，西门子公司在再生制动/电制动领域申请的相关专利储备较多。

2.2日立公司

通过图3日立公司制动系统中节能技术领域详细技术分布情况可知，日立公司在该技术领域更为注重余能存储领域的相关专利申请，其占所有专利申请的58%；其次是再生制动/电制动技术领域。可以看出，日立公司重视余能储存和再生制动/电制动领域的技术研发，两个领域专利数量相对均衡，没有出现太大落差。

2.3三菱公司

通过图4三菱公司制动系统中节能技术领域详细技术分布情况可以看出，三菱公司在该技术领域更为注重再生制动/电制动领域的相关专利申请，其占三菱公司制动系统中节能技术领域相关专利申请总量的79%。由此可以看出，三菱公司将绝大多数的研发力量投入在再生制动/电制动领域，相较于余能存储和能量反馈领域，三菱公司在再生制动/电制动领域优势较大。

2.4中车株洲电力机车研究所有限公司

通过图5中车株洲电力机车研究所有限公司制动系统中节能技术领域详细技术分布情况可以看出，中车株洲电力机车研究所公司在再生制动/电制动、余能储存和能量反馈领域均有相应投入，而再生制动/电制动领域的研发工作是整个节能技术的重点，研发力量投入最多，产生的专利成果也遥遥领先。

3制动系统重点技术发展路线分析

制动系统节能相关技术领域的技术分支主要集中于再生制动/电制动和余能存储，而有关能量反馈的专利申请相对较少。在再生制动/电制动方面，控制方法和控制装置的研究贯穿整个发展路线，而能量的存储利用、并网回馈和电空配合的相关研究主要集中于2013年至2018年间。控制方法和控制装置的相关研究中，2010年之前主要的研究方向在制动系统的控制及性能优化等方面；2010年之后，研发方向主要在再生制动能量回收等领域。存储利用相关研究中，主要是将再生制动产生的能量回收并利用等方面的研究，并网回馈相关专利申请较少，主要研究提高制动性能和架空线再生电力的再生率等方面。电空配合主要的研究在于控制电制动和空气制动的配合，主要的申请人是三菱公司。在余能存储方面，相关研究主要是在2001年以后开始出现，控制方法和控制装置的研究集中在2008年至2012年，存储形式相关的研究则比较分散。存储形式主要以电池、电容和飞轮为主，其中电池和电容的相关专利申请较多，涉及铁路车辆的电池充放电、使用超级电容器系统实现车载电能存储等研究。余能存储的控制方法和控制装置技术在2008年相关专利申请最多，主要研究控制存储在蓄电装置中的电量以及何时进行充放电等。能量反馈方面研究在2012年才开始出现，且相关的专利申请也较少。主要研究方向有车辆制动能量回馈装置和降低回馈能量对电力系统电能质量的影响。

4结语

随着轨道交通的发展以及节能环保的要求，节能技术在轨道交通中具有广阔的应用前景。通过上文分析可以得出，中国与全球专利申请态势基本相同，专利申请数量波动增长，尤其在2015年以后，中国轨道交通领域节能技术关专利申请开始逐渐影响全球的专利申请趋势。制动系统节能相关技术领域的专利申请主要集中在2006年以后，再生制动/电制动和余能存储是各个企业的专利布局重点，而有关能量反馈的专利申请相对较少。在轨道交通领域节能技术中，西门子公司、日立公司和三菱公司的技术起步较早，专利申请数量较多，且专利布局涉及的技术较为广泛，持续的研发投入以及技术改进，使得他们在该技术领域的综合实力较强。中国企业可以在自身独立研发的同时，借鉴这些公司的研发思路，进一步的改进，提高自身综合技术实力。

作者:邓超月 国东芳 单位:中车青岛四方机车车辆股份有限公司