軌道交通節(jié)能技術(shù)專利探析
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在高速發(fā)展的當今社會，軌道交通具有運行效率高、客運量大等優(yōu)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(jié)能技術(shù)領(lǐng)域取得突破。軌道交通中與節(jié)能技術(shù)較為密切的技術(shù)之一是制動系統(tǒng)。本文從專利申請趨勢分析、重點技術(shù)分布分析和重點技術(shù)發(fā)展路線分析等層面，對軌道交通領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)全球?qū)＠M行分析。分析數(shù)據(jù)來源于incoPat科技創(chuàng)新情報平臺2000年1月1日至2020年12月22日公開的全球?qū)＠墨I。軌道交通領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)方面的專利分析，對于幫助企業(yè)了解該技術(shù)發(fā)展態(tài)勢和發(fā)展動向、有針對性地進行技術(shù)研發(fā)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(shù)發(fā)展態(tài)勢，有助于從業(yè)人員對行業(yè)進行整體認識，用于對研發(fā)重點和路線進行適應(yīng)性調(diào)整。如圖1所示，軌道交通領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)專利申請趨勢，可以看出，全球軌道交通領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)的相關(guān)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(shù)發(fā)展較為緩慢，年均專利申請數(shù)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(xiàn)波動增長的狀態(tài)，表明軌道交通領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)具有很大的推廣價值，受到各國政府、研究機構(gòu)和企業(yè)的關(guān)注；第三個階段是快速增長期（2016年至今），相關(guān)技術(shù)專利申請數(shù)量快速增長，呈高速持續(xù)上升的趨勢（注：由于專利數(shù)據(jù)的公開存在18個月左右的滯后期，有關(guān)2019和2020年的數(shù)據(jù)僅做參考）。相對于全球而言，中國軌道交通領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)的相關(guān)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(fā)展期（2016年至今）?？傮w來說，中國軌道交通節(jié)能技術(shù)在早期發(fā)展較為緩慢，相關(guān)專利申請也較少，但增長趨勢穩(wěn)定，波動較少。整體來看，中國軌道交通領(lǐng)域節(jié)能相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢緊隨全球發(fā)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(jié)能技術(shù)相關(guān)專利申請趨勢，這從一定程度上說明，中國在該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)逐漸處于全球領(lǐng)先地位。
2制動系統(tǒng)重點技術(shù)分布分析
軌道交通領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)相關(guān)的制動系統(tǒng)技術(shù)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(wǎng)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(jīng)對檢索出的專利數(shù)據(jù)進行分析，篩選出制動系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)的主要企業(yè)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(tǒng)中節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域詳細技術(shù)分布情況可見，西門子公司在該技術(shù)領(lǐng)域更為注重再生制動/電制動領(lǐng)域的相關(guān)專利申請，其占所有專利申請的56%；其次是余能存儲技術(shù)和能量反饋技術(shù)。再生制動是在制動時把車輛的動能轉(zhuǎn)化為電能，并將其儲存起來或向電網(wǎng)回饋能量等，與節(jié)能技術(shù)聯(lián)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(lǐng)域申請的相關(guān)專利儲備較多。
2.2日立公司
通過圖3日立公司制動系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域詳細技術(shù)分布情況可知，日立公司在該技術(shù)領(lǐng)域更為注重余能存儲領(lǐng)域的相關(guān)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(shù)領(lǐng)域。可以看出，日立公司重視余能儲存和再生制動/電制動領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)，兩個領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量相對均衡，沒有出現(xiàn)太大落差。
2.3三菱公司
通過圖4三菱公司制動系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域詳細技術(shù)分布情況可以看出，三菱公司在該技術(shù)領(lǐng)域更為注重再生制動/電制動領(lǐng)域的相關(guān)專利申請，其占三菱公司制動系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利申請總量的79%。由此可以看出，三菱公司將絕大多數(shù)的研發(fā)力量投入在再生制動/電制動領(lǐng)域，相較于余能存儲和能量反饋領(lǐng)域，三菱公司在再生制動/電制動領(lǐng)域優(yōu)勢較大。
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(tǒng)中節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域詳細技術(shù)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(lǐng)域均有相應(yīng)投入，而再生制動/電制動領(lǐng)域的研發(fā)工作是整個節(jié)能技術(shù)的重點，研發(fā)力量投入最多，產(chǎn)生的專利成果也遙遙領(lǐng)先。
3制動系統(tǒng)重點技術(shù)發(fā)展路線分析
制動系統(tǒng)節(jié)能相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)分支主要集中于再生制動/電制動和余能存儲，而有關(guān)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(fā)展路線，而能量的存儲利用、并網(wǎng)回饋和電空配合的相關(guān)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(guān)研究中，2010年之前主要的研究方向在制動系統(tǒng)的控制及性能優(yōu)化等方面；2010年之后，研發(fā)方向主要在再生制動能量回收等領(lǐng)域。存儲利用相關(guān)研究中，主要是將再生制動產(chǎn)生的能量回收并利用等方面的研究，并網(wǎng)回饋相關(guān)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(guān)研究主要是在2001年以后開始出現(xiàn)，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(guān)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(guān)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(tǒng)實現(xiàn)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(shù)在2008年相關(guān)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(xiàn)，且相關(guān)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(tǒng)電能質(zhì)量的影響。
4結(jié)語
隨著軌道交通的發(fā)展以及節(jié)能環(huán)保的要求，節(jié)能技術(shù)在軌道交通中具有廣闊的應(yīng)用前景。通過上文分析可以得出，中國與全球?qū)＠暾垜B(tài)勢基本相同，專利申請數(shù)量波動增長，尤其在2015年以后，中國軌道交通領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)關(guān)專利申請開始逐漸影響全球的專利申請趨勢。制動系統(tǒng)節(jié)能相關(guān)技術(shù)領(lǐng)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(yè)的專利布局重點，而有關(guān)能量反饋的專利申請相對較少。在軌道交通領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)中，西門子公司、日立公司和三菱公司的技術(shù)起步較早，專利申請數(shù)量較多，且專利布局涉及的技術(shù)較為廣泛，持續(xù)的研發(fā)投入以及技術(shù)改進，使得他們在該技術(shù)領(lǐng)域的綜合實力較強。中國企業(yè)可以在自身獨立研發(fā)的同時，借鑒這些公司的研發(fā)思路，進一步的改進，提高自身綜合技術(shù)實力。
作者:鄧超月 國東芳 單位:中車青島四方機車車輛股份有限公司
