軌道交通儲能系統(tǒng)專利技術(shù)研究

王偉　趙麗慧

摘要：該文基于IncoPat專利數(shù)據(jù)庫，以2020年10月16日前軌道交通領(lǐng)域的專利為依據(jù)，運用統(tǒng)計分析法對軌道交通儲能系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠M行梳理，針對儲能系統(tǒng)領(lǐng)域的重點技術(shù)從時間維度、地域維度、主要申請人維度和重點技術(shù)分支維度進行分析。針對儲能系統(tǒng)領(lǐng)域的重點技術(shù)，從多個技術(shù)分支解讀當(dāng)前軌道交通儲能系統(tǒng)領(lǐng)域的主要申請人在某一技術(shù)分支所布局的專利技術(shù)及其重點方向，勾勒出軌道交通領(lǐng)域儲能系統(tǒng)專利技術(shù)的整體發(fā)展態(tài)勢。

關(guān)鍵詞：專利分析 ?儲能系統(tǒng) ?儲能元件 ?軌道交通 ?申請人

中圖分類號：U224 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???文章編號：1672-3791（2021）02（b）-0000-00

?Based on the IncoPat patent database， this paper uses the statistical analysis method to sort out the patents in the field of rail transportation energy storage system based on the patents in the field of rail transportation before October 16， 2020， and analyzes the key technologies in the field of energy storage system from the time dimension， geographical dimension， main applicant dimension and key technology branch dimension. With regard to the key technologies in the field of energy storage systems， the current patent technologies and their key directions laid down by the major applicants in the field of energy storage systems for rail transportation are interpreted from multiple technology branches， outlining the overall development trend of the patent technologies for energy storage systems in the field of rail transportation.

Patent analysis;?Storage system;?Energy storage components;?Rail transportation;?Applicant

隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多不同的儲能元件被應(yīng)用于軌道車輛，包括鎳鉻電池、鉛酸電池、飛輪、超級電容、鋰離子電池、燃料電池和鋁空電池等。近年來，儲能技術(shù)的不斷更新迭代，鎳鉻堿性蓄電池和鉛酸蓄電池逐漸被新興儲能元件替代，而鋰離子電池儲能元件和超級電容器儲能元件所構(gòu)成的儲能系統(tǒng)，正越來越多的在軌道交通領(lǐng)域使用。其中，由于鋰離子電池儲能元件構(gòu)成的儲能系統(tǒng)具有充放電過程穩(wěn)定、能量密度高、維護簡單和造價低等特點;超級電容器儲能元件構(gòu)成的儲能系統(tǒng)具有快速充放電、循環(huán)壽命長的特點，使鋰離子電池儲能系統(tǒng)和超級電容器儲能系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

為掌握新興儲能元件在軌道車輛上的最新研發(fā)和應(yīng)用情況，該文通過對專利申請的時間、地域、主要申請人和重點技術(shù)分支多個維度進行分析，了解當(dāng)下軌道交通儲能系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢。同時，針對軌道交通儲能系統(tǒng)的集成結(jié)構(gòu)、控制管理兩個方面的專利技術(shù)進行重點技術(shù)解讀，了解當(dāng)下儲能系統(tǒng)領(lǐng)域主要申請人的專利布局情況。

1?研究方法

針對軌道交通儲能系統(tǒng)專利文獻(xiàn)，在IncoPat專利數(shù)據(jù)庫進行全球?qū)＠麢z索，檢索時間截止至2020年10月16日，檢索到全球相關(guān)專利申請4 255件。同時，通過聚焦軌道交通儲能系統(tǒng)領(lǐng)域的主要申請人，對主要申請人的專利數(shù)據(jù)進行分析處理，明確主要申請人在軌道交通儲能系統(tǒng)領(lǐng)域不同分支的專利布局。

2?專利態(tài)勢分析

2.1 時間維度分析

圖1為儲能系統(tǒng)領(lǐng)域相關(guān)專利申請趨勢，相關(guān)專利按照申請趨勢變化可劃分為1994—1999年、2000—2012年和2013—2018年這3個階段。

其中，1994—1999年，全球范圍內(nèi)儲能系統(tǒng)專利的年申請量較少，該階段部分申請人開始了軌道交通儲能系統(tǒng)的鋰離子電池儲能系統(tǒng)和超級電容器儲能系統(tǒng)的技術(shù)研究。2000—2012年，該階段專利申請量穩(wěn)步增長，新興儲能系統(tǒng)逐漸開始在軌道車輛上實施應(yīng)用。例如：西門子公司在2002年研制出的SITRASSES超級電容器儲能系統(tǒng);龐巴迪公司在2003年試驗了車載式超級電容儲能系統(tǒng)。2013—2018年，該階段專利申請量同比增長明顯，增速快，申請數(shù)量迅速升高，多種儲能系統(tǒng)的混合搭配使用也成為了該階段研發(fā)方向之一。

2.2 地域維度分析

圖2為儲能系統(tǒng)領(lǐng)域相關(guān)專利地域分布情況，其可間接反映專利權(quán)人對各國家和地區(qū)的重視程度。由圖2可知，軌道交通儲能領(lǐng)域相關(guān)專利申請涉及十余個國家和地區(qū)，其中在中國地區(qū)布局專利數(shù)量最多，布局專利數(shù)量1 694件，相當(dāng)于排名第二至第十的國家和地區(qū)專利申請量的總和，占到了該領(lǐng)域?qū)＠季值摹鞍氡诮健?。可知，中國作為新興市場的代表，市場空間廣闊，為軌道交通儲能系統(tǒng)技術(shù)的最主要的目標(biāo)市場國。同時從專利布局?jǐn)?shù)量也可反映出我國儲能系統(tǒng)領(lǐng)域市場競爭的激烈程度。

緊隨其后的是日本和韓國，軌道交通儲能系統(tǒng)專利布局量分別為490件和475件。德國、美國和歐洲專利局等國家或地區(qū)的專利布局量相對較少，只有在德國專利布局量達(dá)到了200件以上，其他國家和地區(qū)的專利布局量均不足200件。

2.3 主要申請人分析

圖3是軌道交通儲能系統(tǒng)領(lǐng)域全球?qū)＠暾埲说呐琶闆r，由圖可知，軌道交通儲能系統(tǒng)領(lǐng)域的專利多掌握在企業(yè)手中。其中，西門子作為軌道領(lǐng)域的巨頭，在軌道交通儲能系統(tǒng)領(lǐng)域申請了248件專利，其專利申請數(shù)量占據(jù)首位，擁有著大量的核心專利。其次是中車株洲電力機車有限公司，在儲能系統(tǒng)領(lǐng)域申請了164件專利，雖然相較于排名第一的西門子公司專利申請量相對較少，但是相較于軌道交通領(lǐng)域的另一個國際巨頭川崎重工業(yè)株式會社，則有一定的技術(shù)優(yōu)勢。同時，需要注意的是排名前十的主要申請人中，中國申請人占據(jù)其中四席，這說明伴隨著近年來我國在軌道交通領(lǐng)域的技術(shù)突破，中國企業(yè)正積極在軌道交通儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域進行積極的專利布局。

3?軌道交通儲能系統(tǒng)

通過對軌道交通儲能系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)進行梳理，將儲能系統(tǒng)相關(guān)專利技術(shù)劃分為集成結(jié)構(gòu)和控制管理兩個維度。下文重點針對軌道交通儲能系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)和控制管理兩個維度，對專利技術(shù)進行梳理和解讀。

3.1 軌道交通儲能系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)

軌道交通儲能系統(tǒng)集成方面包含蓄電池儲能系統(tǒng)、超級電容器儲能系統(tǒng)和混合動力儲能系統(tǒng)，圖4是近10年軌道交通儲能系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)技術(shù)路線圖，2012年之前，軌道交通儲能系統(tǒng)集成方面專利申請基本為國外企業(yè)，可知國外企業(yè)在軌道交通儲能系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)技術(shù)分支布局專利相對較早，在軌道交通儲能系統(tǒng)領(lǐng)域具有深厚的技術(shù)沉淀。2012年之后，國內(nèi)企業(yè)和科研院所在軌道交通儲能系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)方面專利申請逐漸增多，在超級電容器和混合儲能這兩個涉及超級電容器的技術(shù)領(lǐng)域進行技術(shù)研發(fā)和專利申請。

3.1.1 蓄電池

蓄電池技術(shù)領(lǐng)域，以川崎公司、西門子公司和龐巴迪公司為代表的國外軌道交通企業(yè)在蓄電池集成結(jié)構(gòu)領(lǐng)域布局專利較早。其中，2009年川崎公司公開號JP2010244894A的日本專利公開了一種安裝在例如機動車上的電池模塊，通過具有正負(fù)電極端子板的單元電池層壓而成，無需使用固定結(jié)構(gòu)來固定層壓結(jié)構(gòu)，因此可以減少電池模塊的重量和尺寸。2015年后，國內(nèi)企業(yè)在蓄電池領(lǐng)域也開始布局相關(guān)專利，代表企業(yè)包括株洲電力機車和寧德時代等。比如：2016年株洲電力機車公開號CN106531947B的中國專利公開了一種用于電動車輛的儲能電源模組，采用沿縱向延伸且橫向彎折的連接排將沿橫縱方向排列的單體電池進行串并聯(lián)，節(jié)省組裝工序，保證組裝工藝簡單，并且連接排的結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。

3.1.2 超級電容器

超級電容器技術(shù)領(lǐng)域，以西門子公司和阿爾斯通公司為代表的國外軌道交通企業(yè)在超級電容器集成結(jié)構(gòu)領(lǐng)域布局專利較早。其中，2010年西門子公司公開號US20110038100A的美國專利公開了一種包括一個由多孔導(dǎo)電碳網(wǎng)和偽電容金屬氧化物如氧化錳或氧化鎳組成的多孔納米復(fù)合電極的電容儲能裝置，具有高的輸出功率和能量密度。2013年后，國內(nèi)企業(yè)在超級電容器領(lǐng)域也開始布局相關(guān)專利，代表企業(yè)包括株洲電力機車和中車四方所等。同時，通過比較蓄電池和超級電容器領(lǐng)域的專利申請時間可知，國內(nèi)企業(yè)更多的關(guān)注于超級電容器技術(shù)領(lǐng)域，并積極的進行相關(guān)專利布局。

3.1.3 混合動

混合動力技術(shù)領(lǐng)域，阿爾斯通布局專利相對較少，但從國外企業(yè)數(shù)量可知，國外企業(yè)在混合動力技術(shù)領(lǐng)域布局專利數(shù)量相對較少。而以西南交通大學(xué)、株洲電力機車和北交新能為代表的多家國內(nèi)企業(yè)和科研院所則積極在混合動力技術(shù)領(lǐng)域進行專利布局，比如：2017年西南交通大學(xué)和唐山軌道客車共同申請的公開號CN105313709B的中國專利公開了一種用于混合動力有軌電車的能量管理系統(tǒng)，能量管理系統(tǒng)將燃料電池、超級電容和蓄電池有效地結(jié)合在一起，根據(jù)牽引電車在啟動、加速、勻速和制動等狀態(tài)下的特征，控制燃料電池、超級電容和蓄電池提供牽引電能，由此彌補了由于燃料電池啟動緩慢而造成的加速緩慢，提高了啟動效率。

綜上所述，結(jié)合儲能系統(tǒng)排名前十的專利申請人分析可知，西門子公司在儲能系統(tǒng)領(lǐng)域主要集中在蓄電池方面，中車株洲電力機車有限公司在蓄電池方面、超級電容器以及混合動力驅(qū)動系統(tǒng)均有一定專利申請。川崎重工業(yè)株式會社在儲能系統(tǒng)領(lǐng)域主要集中于蓄電池方面，特別是在鎳氫二次電池的專利申請要多于鋰二次電池的專利申請。日立公司在儲能系統(tǒng)領(lǐng)域主要集中于蓄電池方面以及由發(fā)電機和蓄電池組成的混合動力系統(tǒng)。韓國鐵路研究所技術(shù)涉及燃料電池方面的研究。中國中車股份有限公司下屬整車企業(yè)中，中車株洲電力機車有限公司在儲能系統(tǒng)領(lǐng)域的專利申請相對較多，且在儲能系統(tǒng)的蓄電池、超級電容器和混合動力三個技術(shù)領(lǐng)域均有專利申請。

3.2 軌道交通儲能系統(tǒng)控制管理

儲能系統(tǒng)控制管理需實時監(jiān)控電池的使用狀態(tài)，通過必要措施緩解電池組的不一致性，為儲能系統(tǒng)的使用安全提供保障。其中，軌道交通儲能系統(tǒng)控制管理方面包含電池狀態(tài)監(jiān)測、電池狀態(tài)分析、電池均衡、電池充放電管理、電池?zé)峁芾?、電池安全分析、通信管理等?/p>

由圖5可知，2012年之前，儲能系統(tǒng)控制管理領(lǐng)域申請專利較少，其中，西門子公司在2004年始即在通過電壓、充放電電流的監(jiān)控和檢測技術(shù)方面進行專利布局。川崎公司在電荷狀態(tài)分析技術(shù)方面有較為深入的研究。同時，國內(nèi)企業(yè)中，中車株洲電力機車有限公司在2005年即在電池安全分析的過放電欠壓保護技術(shù)方面出現(xiàn)相關(guān)專利，可知在電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)在技術(shù)研發(fā)方面只是略晚與國外企業(yè)。2012年之后，電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠晟暾埫黠@增多，電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域競爭愈加激烈，國內(nèi)主機廠和科研院所積極在該領(lǐng)域進行專利布局。

3.2.1 電池狀態(tài)分析

電池狀態(tài)分析包括估算電池荷電狀態(tài)SOC、電池健康狀況SOH等。

其中，估算電池荷電狀態(tài)SOC專利技術(shù)方面，比如：2019年，川崎公司公開號JP2019164148A的日本專利提出了基于瞬時充電狀態(tài)估計值和基于電流綜合值的充電狀態(tài)估計值，計算出用于控制可充電電池的估計充電狀態(tài)，以較高的精度估計二次電池的充電情況，并提高二次電池充電情況的估計精度。

3.2.2 電池均衡

為了最大程度利用電池容量，需要通過均衡來讓串聯(lián)的電池在使用過程中保持良好的一致性，避免過充電和過放電，提高電池的使用壽命。

電池均衡專利技術(shù)方面，比如：2017年，寧德時代公司公開號CN108512262B的中國專利提出根據(jù)電池參數(shù)控制所有電池模組根據(jù)均衡策略進行充放電均衡;能夠在儲能電池管理系統(tǒng)的電池中選擇串聯(lián)的單個電池為儲能電池管理系統(tǒng)的電源，以便向儲能電池管理系統(tǒng)的電路板供電，從而通過調(diào)整平衡策略降低額外的不間斷電源（UPS）的成本。該方法能夠提高儲能電池管理系統(tǒng)的電源的穩(wěn)定性。

3.2.3 電池安全分析和保護

電池安全分析和保護即為防止電池過充電、過放電和熱失控等情況，并對電池的開路和短路故障預(yù)警及做出及時的反應(yīng)。

充放電專利技術(shù)方面，比如：2018年，中車株洲電力機車公開號CN109193893A的中國專利提出當(dāng)蓄電池出現(xiàn)欠壓，則立刻控制機車充電機通過受電弓從接觸網(wǎng)取電，為控制蓄電池充電，以防止控制蓄電池虧電。

熱失控專利技術(shù)方面，比如：2019年，寧德時代公開號CN111864155A的中國專利提出電池單體上設(shè)置有防爆閥，電路板上設(shè)置有感溫裝置，在電池模組發(fā)生熱失控時，感溫裝置與電池管理系統(tǒng)形成的回路發(fā)生斷路，提高了電池模組的熱失控報警的準(zhǔn)確性。

4?結(jié)論

軌道交通的飛速發(fā)展在解決城市擁堵、減少空氣污染、提升出行品質(zhì)等方面作出了重要貢獻(xiàn)。無論是在經(jīng)濟發(fā)達(dá)的國家或者是發(fā)展中國家和地區(qū)，軌道交通均成為改善發(fā)展城市交通的重要手段。隨著軌道交通的發(fā)展以及節(jié)能環(huán)保的要求，儲能系統(tǒng)在軌道交通中具有廣闊的應(yīng)用前景。像西門子和龐巴迪這樣的國際巨頭公司已經(jīng)在該領(lǐng)域進行了深厚的技術(shù)儲備，具有明顯的優(yōu)勢。同時近年來，我國企業(yè)及科研院所也不甘落后，在軌道交通儲能系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是在超級電容器儲能系統(tǒng)和混合動力儲能系統(tǒng)兩個技術(shù)領(lǐng)域有趕超老牌國際巨頭的趨勢。

但隨著近年來軌道交通不斷向高速度、低能耗發(fā)展，對儲能系統(tǒng)的性能提出更高的要求。儲能元件及儲能元件集成結(jié)構(gòu)方面，雖然鋰離子電池和超級電容器為當(dāng)下軌道交通的主要儲能元件，全球各公司及科研機構(gòu)均進行深入研究及專利布局，但固態(tài)電池、燃料電池、鋁空氣電池、鎂電池等多種儲能元件在理念上都有較大的發(fā)展空間。儲能系統(tǒng)正極方面，具有較好安全性的磷酸鐵鋰正極材料和具有較高倍率特性和較好循環(huán)性能的納米電極材料等方向作為關(guān)注方向;儲能系統(tǒng)正極方面，富鋰錳基材料、鈦酸鋰材料、5V尖晶石材料和納米硅等極材料等方向作為關(guān)注方向。儲能系統(tǒng)電解液技術(shù)方面，為解決液態(tài)電解液的安全問題，可更多的關(guān)注目前科研界和工業(yè)界都在研發(fā)的全固態(tài)電池及相關(guān)技術(shù)。同時，在軌道交通儲能系統(tǒng)的選擇過程中，還需要根據(jù)車輛自身運行的特性及車輛運行的要求進行相應(yīng)的抉擇，從而使儲能系統(tǒng)在商業(yè)化的規(guī)模和成本方面都能達(dá)到完美的平衡。

儲能系統(tǒng)作為當(dāng)下熱點技術(shù)，國內(nèi)企業(yè)及科研院所在關(guān)注國際巨頭專利的同時，需對主要發(fā)明人的非專利文獻(xiàn)進行關(guān)注，積極了解其研發(fā)動向和布局策略，以期對中國企業(yè)和科研機構(gòu)在產(chǎn)品研發(fā)和專利布局等方面有所啟示。比如：專利布局的地域廣度方面，應(yīng)積極學(xué)習(xí)國外競爭對手專利布局思路，積極在全球重要國家和地區(qū)進行專利申請，針對重要技術(shù)，加強海外專利布局。在專利布局的時間廣度方面充分運用優(yōu)先權(quán)、申請案、延續(xù)案等申請策略保護重點專利技術(shù)的有效時長。

參考文獻(xiàn)

[1]?喬志軍，阮殿波.超級電容在城市軌道交通車輛中的應(yīng)用進展[J].鐵道機車車輛，2019，39（2）：83-86，90.

[2] 林稚松.下一代地鐵車輛儲能系統(tǒng)的設(shè)計[D].北京：北京交通大學(xué)，2018.

[3]?王玙.現(xiàn)代有軌電車車載混合儲能系統(tǒng)能量管理策略及容量配置優(yōu)化研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2020.

[4]?李萍.混合儲能在城市軌道交通中的應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2021.

[5]?秦強強.基于列車發(fā)車間隔的城軌地面混合儲能系統(tǒng)SOC動態(tài)調(diào)整能量管理策略研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2020.

[6]?陳亞愛，王賽，周京華等.軌道交通儲能系統(tǒng)控制策略綜述[J].電氣傳動，2018，48（12）：49-54.

王偉（1987—），女，本科，工程師，工程師，主要從事企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)管理。

趙麗慧（1989—），女，本科，助理工程師，助理工程師，主要從事企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)管理。