轨道交通储能系统专利技术研究

王伟　赵丽慧

摘要：该文基于IncoPat专利数据库，以2020年10月16日前轨道交通领域的专利为依据，运用统计分析法对轨道交通储能系统领域专利进行梳理，针对储能系统领域的重点技术从时间维度、地域维度、主要申请人维度和重点技术分支维度进行分析。针对储能系统领域的重点技术，從多个技术分支解读当前轨道交通储能系统领域的主要申请人在某一技术分支所布局的专利技术及其重点方向，勾勒出轨道交通领域储能系统专利技术的整体发展态势。

关键词：专利分析  储能系统  储能元件  轨道交通  申请人

中图分类号：U224  文献标识码：A   文章编号：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

随着轨道交通行业的不断发展，越来越多不同的储能元件被应用于轨道车辆，包括镍铬电池、铅酸电池、飞轮、超级电容、锂离子电池、燃料电池和铝空电池等。近年来，储能技术的不断更新迭代，镍铬碱性蓄电池和铅酸蓄电池逐渐被新兴储能元件替代，而锂离子电池储能元件和超级电容器储能元件所构成的储能系统，正越来越多的在轨道交通领域使用。其中，由于锂离子电池储能元件构成的储能系统具有充放电过程稳定、能量密度高、维护简单和造价低等特点;超级电容器储能元件构成的储能系统具有快速充放电、循环寿命长的特点，使锂离子电池储能系统和超级电容器储能系统在轨道交通领域具有很好的应用前景。

为掌握新兴储能元件在轨道车辆上的最新研发和应用情况，该文通过对专利申请的时间、地域、主要申请人和重点技术分支多个维度进行分析，了解当下轨道交通储能系统的发展态势。同时，针对轨道交通储能系统的集成结构、控制管理两个方面的专利技术进行重点技术解读，了解当下储能系统领域主要申请人的专利布局情况。

1 研究方法

针对轨道交通储能系统专利文献，在IncoPat专利数据库进行全球专利检索，检索时间截止至2020年10月16日，检索到全球相关专利申请4 255件。同时，通过聚焦轨道交通储能系统领域的主要申请人，对主要申请人的专利数据进行分析处理，明确主要申请人在轨道交通储能系统领域不同分支的专利布局。

2 专利态势分析

2.1 时间维度分析

图1为储能系统领域相关专利申请趋势，相关专利按照申请趋势变化可划分为1994—1999年、2000—2012年和2013—2018年这3个阶段。

其中，1994—1999年，全球范围内储能系统专利的年申请量较少，该阶段部分申请人开始了轨道交通储能系统的锂离子电池储能系统和超级电容器储能系统的技术研究。2000—2012年，该阶段专利申请量稳步增长，新兴储能系统逐渐开始在轨道车辆上实施应用。例如：西门子公司在2002年研制出的SITRASSES超级电容器储能系统;庞巴迪公司在2003年试验了车载式超级电容储能系统。2013—2018年，该阶段专利申请量同比增长明显，增速快，申请数量迅速升高，多种储能系统的混合搭配使用也成为了该阶段研发方向之一。

2.2 地域维度分析

图2为储能系统领域相关专利地域分布情况，其可间接反映专利权人对各国家和地区的重视程度。由图2可知，轨道交通储能领域相关专利申请涉及十余个国家和地区，其中在中国地区布局专利数量最多，布局专利数量1 694件，相当于排名第二至第十的国家和地区专利申请量的总和，占到了该领域专利布局的“半壁江山”。可知，中国作为新兴市场的代表，市场空间广阔，为轨道交通储能系统技术的最主要的目标市场国。同时从专利布局数量也可反映出我国储能系统领域市场竞争的激烈程度。

紧随其后的是日本和韩国，轨道交通储能系统专利布局量分别为490件和475件。德国、美国和欧洲专利局等国家或地区的专利布局量相对较少，只有在德国专利布局量达到了200件以上，其他国家和地区的专利布局量均不足200件。

2.3 主要申请人分析

图3是轨道交通储能系统领域全球专利申请人的排名情况，由图可知，轨道交通储能系统领域的专利多掌握在企业手中。其中，西门子作为轨道领域的巨头，在轨道交通储能系统领域申请了248件专利，其专利申请数量占据首位，拥有着大量的核心专利。其次是中车株洲电力机车有限公司，在储能系统领域申请了164件专利，虽然相较于排名第一的西门子公司专利申请量相对较少，但是相较于轨道交通领域的另一个国际巨头川崎重工业株式会社，则有一定的技术优势。同时，需要注意的是排名前十的主要申请人中，中国申请人占据其中四席，这说明伴随着近年来我国在轨道交通领域的技术突破，中国企业正积极在轨道交通储能系统等领域进行积极的专利布局。

3 轨道交通储能系统

通过对轨道交通储能系统相关技术进行梳理，将储能系统相关专利技术划分为集成结构和控制管理两个维度。下文重点针对轨道交通储能系统集成结构和控制管理两个维度，对专利技术进行梳理和解读。

3.1 轨道交通储能系统集成结构

轨道交通储能系统集成方面包含蓄电池储能系统、超级电容器储能系统和混合动力储能系统，图4是近10年轨道交通储能系统集成结构技术路线图，2012年之前，轨道交通储能系统集成方面专利申请基本为国外企业，可知国外企业在轨道交通储能系统集成结构技术分支布局专利相对较早，在轨道交通储能系统领域具有深厚的技术沉淀。2012年之后，国内企业和科研院所在轨道交通储能系统集成结构方面专利申请逐渐增多，在超级电容器和混合儲能这两个涉及超级电容器的技术领域进行技术研发和专利申请。

3.1.1 蓄电池

蓄电池技术领域，以川崎公司、西门子公司和庞巴迪公司为代表的国外轨道交通企业在蓄电池集成结构领域布局专利较早。其中，2009年川崎公司公开号JP2010244894A的日本专利公开了一种安装在例如机动车上的电池模块，通过具有正负电极端子板的单元电池层压而成，无需使用固定结构来固定层压结构，因此可以减少电池模块的重量和尺寸。2015年后，国内企业在蓄电池领域也开始布局相关专利，代表企业包括株洲电力机车和宁德时代等。比如：2016年株洲电力机车公开号CN106531947B的中国专利公开了一种用于电动车辆的储能电源模组，采用沿纵向延伸且横向弯折的连接排将沿横纵方向排列的单体电池进行串并联，节省组装工序，保证组装工艺简单，并且连接排的结构简单，工作可靠。

3.1.2 超级电容器

超级电容器技术领域，以西门子公司和阿尔斯通公司为代表的国外轨道交通企业在超级电容器集成结构领域布局专利较早。其中，2010年西门子公司公开号US20110038100A的美国专利公开了一种包括一个由多孔导电碳网和伪电容金属氧化物如氧化锰或氧化镍组成的多孔纳米复合电极的电容储能装置，具有高的输出功率和能量密度。2013年后，国内企业在超级电容器领域也开始布局相关专利，代表企业包括株洲电力机车和中车四方所等。同时，通过比较蓄电池和超级电容器领域的专利申请时间可知，国内企业更多的关注于超级电容器技术领域，并积极的进行相关专利布局。

3.1.3 混合动

混合动力技术领域，阿尔斯通布局专利相对较少，但从国外企业数量可知，国外企业在混合动力技术领域布局专利数量相对较少。而以西南交通大学、株洲电力机车和北交新能为代表的多家国内企业和科研院所则积极在混合动力技术领域进行专利布局，比如：2017年西南交通大学和唐山轨道客车共同申请的公开号CN105313709B的中国专利公开了一种用于混合动力有轨电车的能量管理系统，能量管理系统将燃料电池、超级电容和蓄电池有效地结合在一起，根据牵引电车在启动、加速、匀速和制动等状态下的特征，控制燃料电池、超级电容和蓄电池提供牵引电能，由此弥补了由于燃料电池启动缓慢而造成的加速缓慢，提高了启动效率。

综上所述，结合储能系统排名前十的专利申请人分析可知，西门子公司在储能系统领域主要集中在蓄电池方面，中车株洲电力机车有限公司在蓄电池方面、超级电容器以及混合动力驱动系统均有一定专利申请。川崎重工业株式会社在储能系统领域主要集中于蓄电池方面，特别是在镍氢二次电池的专利申请要多于锂二次电池的专利申请。日立公司在储能系统领域主要集中于蓄电池方面以及由发电机和蓄电池组成的混合动力系统。韩国铁路研究所技术涉及燃料电池方面的研究。中国中车股份有限公司下属整车企业中，中车株洲电力机车有限公司在储能系统领域的专利申请相对较多，且在储能系统的蓄电池、超级电容器和混合动力三个技术领域均有专利申请。

3.2 轨道交通储能系统控制管理

储能系统控制管理需实时监控电池的使用状态，通过必要措施缓解电池组的不一致性，为储能系统的使用安全提供保障。其中，轨道交通储能系统控制管理方面包含电池状态监测、电池状态分析、电池均衡、电池充放电管理、电池热管理、电池安全分析、通信管理等。

由图5可知，2012年之前，储能系统控制管理领域申请专利较少，其中，西门子公司在2004年始即在通过电压、充放电电流的监控和检测技术方面进行专利布局。川崎公司在电荷状态分析技术方面有较为深入的研究。同时，国内企业中，中车株洲电力机车有限公司在2005年即在电池安全分析的过放电欠压保护技术方面出现相关专利，可知在电池管理系统领域，国内企业在技术研发方面只是略晚与国外企业。2012年之后，电池管理系统领域专利年申请明显增多，电池管理系统领域竞争愈加激烈，国内主机厂和科研院所积极在该领域进行专利布局。

3.2.1 电池状态分析

电池状态分析包括估算电池荷电状态SOC、电池健康状况SOH等。

其中，估算电池荷电状态SOC专利技术方面，比如：2019年，川崎公司公开号JP2019164148A的日本专利提出了基于瞬时充电状态估计值和基于电流综合值的充电状态估计值，计算出用于控制可充电电池的估计充电状态，以较高的精度估计二次电池的充电情况，并提高二次电池充电情况的估计精度。

3.2.2 电池均衡

为了最大程度利用电池容量，需要通过均衡来让串联的电池在使用过程中保持良好的一致性，避免过充电和过放电，提高电池的使用寿命。

电池均衡专利技术方面，比如：2017年，宁德时代公司公开号CN108512262B的中国专利提出根据电池参数控制所有电池模组根据均衡策略进行充放电均衡;能够在储能电池管理系統的电池中选择串联的单个电池为储能电池管理系统的电源，以便向储能电池管理系统的电路板供电，从而通过调整平衡策略降低额外的不间断电源（UPS）的成本。该方法能够提高储能电池管理系统的电源的稳定性。

3.2.3 电池安全分析和保护

电池安全分析和保护即为防止电池过充电、过放电和热失控等情况，并对电池的开路和短路故障预警及做出及时的反应。

充放电专利技术方面，比如：2018年，中车株洲电力机车公开号CN109193893A的中国专利提出当蓄电池出现欠压，则立刻控制机车充电机通过受电弓从接触网取电，为控制蓄电池充电，以防止控制蓄电池亏电。

热失控专利技术方面，比如：2019年，宁德时代公开号CN111864155A的中国专利提出电池单体上设置有防爆阀，电路板上设置有感温装置，在电池模组发生热失控时，感温装置与电池管理系统形成的回路发生断路，提高了电池模组的热失控报警的准确性。

4 结论

轨道交通的飞速发展在解决城市拥堵、减少空气污染、提升出行品质等方面作出了重要贡献。无论是在经济发达的国家或者是发展中国家和地区，轨道交通均成为改善发展城市交通的重要手段。随着轨道交通的发展以及节能环保的要求，储能系统在轨道交通中具有广阔的应用前景。像西门子和庞巴迪这样的国际巨头公司已经在该领域进行了深厚的技术储备，具有明显的优势。同时近年来，我国企业及科研院所也不甘落后，在轨道交通储能系统领域，尤其是在超级电容器储能系统和混合动力储能系统两个技术领域有赶超老牌国际巨头的趋势。

但随着近年来轨道交通不断向高速度、低能耗发展，对储能系统的性能提出更高的要求。储能元件及储能元件集成结构方面，虽然锂离子电池和超级电容器为当下轨道交通的主要储能元件，全球各公司及科研机构均进行深入研究及专利布局，但固态电池、燃料电池、铝空气电池、镁电池等多种储能元件在理念上都有较大的发展空间。储能系统正极方面，具有较好安全性的磷酸铁锂正极材料和具有较高倍率特性和较好循环性能的纳米电极材料等方向作为关注方向;储能系统正极方面，富锂锰基材料、钛酸锂材料、5V尖晶石材料和纳米硅等极材料等方向作为关注方向。储能系统电解液技术方面，为解决液态电解液的安全问题，可更多的关注目前科研界和工业界都在研发的全固态电池及相关技术。同时，在轨道交通储能系统的选择过程中，还需要根据车辆自身运行的特性及车辆运行的要求进行相应的抉择，从而使储能系统在商业化的规模和成本方面都能达到完美的平衡。

储能系统作为当下热点技术，国内企业及科研院所在关注国际巨头专利的同时，需对主要发明人的非专利文献进行关注，积极了解其研发动向和布局策略，以期对中国企业和科研机构在产品研发和专利布局等方面有所启示。比如：专利布局的地域广度方面，应积极学习国外竞争对手专利布局思路，积极在全球重要国家和地区进行专利申请，针对重要技术，加强海外专利布局。在专利布局的时间广度方面充分运用优先权、申请案、延续案等申请策略保护重点专利技术的有效时长。

参考文献

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王伟（1987—），女，本科，工程师，工程师，主要从事企业知识产权管理。

赵丽慧（1989—），女，本科，助理工程师，助理工程师，主要从事企业知识产权管理。