IEC 62928：轨道交通——机车车辆——车载锂离子牵引蓄电池

IEC 62928于2017年发布，规定了安装在铁路机车车辆上的车载锂离子牵引蓄电池系统的设计、性能和安全要求。随着轨道交通行业加速向更清洁、更灵活的能源解决方案转型，锂离子电池技术已成为无接触网城市有轨电车、混合动力动车组和应急牵引电源应用的关键使能技术。该标准建立了一个统一的认证框架，专门应对铁路运行环境的独特挑战，包括极端振动、宽温度范围、高瞬态电流和严格的消防安全要求。

IEC 62928的范围涵盖标称电压超过60 V DC、用于牵引动力和车载辅助服务的蓄电池系统。它适用于单体电池、电池模块、电池托盘以及包括电池管理系统（BMS）、热管理系统和外壳在内的完整蓄电池系统。标准根据功率需求和使用工况将铁路应用分为三类：城市轨道交通（频繁启停、短距离）、通勤铁路（中等速度、中距离）和干线铁路（高速、长距离）。每种类别对蓄电池系统在功率密度、能量容量和循环寿命方面的设计要求各不相同。

蓄电池系统设计与安全要求

标准规定了涵盖单体、模块和系统层面的多层次安全方法。在单体层面，锂离子电池必须通过一系列滥用测试，包括过充电、外部短路、热滥用、机械挤压和针刺测试。用于铁路应用的单体电池必须在模块层面达到至少120 Wh/kg的能量密度目标，同时在150 deg C以下保持热稳定性而不发生热失控蔓延。对于电池模块，标准要求任何单个电池引发的热失控不得蔓延至相邻电池——这一要求称为”不蔓延”或”电池间蔓延预防”。这通过强制热失控测试进行验证，其中故意加热一个电池直至其进入热失控状态，同时监测所有相邻电池的温度。

电池管理系统被视为安全关键组件，必须至少提供以下保护功能：过电压保护（逐电池电压监测，跳闸阈值根据电池化学体系定义）、欠电压保护、过电流保护（包括充电和放电）、基于硬件的快速中断短路检测（响应时间低于100微秒）、电池组内多个位置的过温保护、绝缘监测（用于IT系统的IEC 61557-8），以及荷电状态和健康状态估算（具有定义的精度要求）。对于可能导致危险事件的保护功能，BMS必须达到IEC 61508规定的至少SIL 2的安全完整性等级。对于安装在载客车辆上的系统，关键功能（如过电压和过温保护）需要达到SIL 3。

性能测试与环境鉴定

标准规定了涵盖电气、机械和气候鉴定的广泛测试程序。电气性能测试包括多种放电倍率下的容量测定、不同荷电状态下的功率能力测试、循环寿命测试（城市轨道交通应用在80%残余容量时最少2,000次循环，具有频繁再生制动功能的轻轨需5,000次循环）、以及在25 deg C下完整充放电循环的能量效率测量（最低90%的往返效率）。对于干线应用（蓄电池主要作为备用或削峰装置），循环寿命要求可降至1,000次，但日历寿命必须至少延长至10年。

机械测试对于铁路应用尤其严苛。标准要求车身安装蓄电池系统按照IEC 61373（铁路设备冲击和振动试验）类别1等级B进行振动测试，包括所有三个轴向的随机振动，垂直轴向RMS加速度水平最高达1.34 m/s²，频率范围5-150 Hz。对于底架安装的蓄电池系统，更严格的类别1等级A适用，RMS加速度最高达5.4 m/s²，并包括5,000次循环耐久性测试。冲击测试要求在每个轴向施加10 g半正弦脉冲，模拟车钩力和轨道不平顺。蓄电池外壳还必须通过EN 45545-2（铁路防火保护）规定的15分钟耐火测试，证明外壳能防止火灾从蓄电池舱蔓延至客舱至少15分钟。

铁路蓄电池集成工程设计要点

从系统集成角度来看，有几个设计考虑值得特别关注。首先，热管理系统的设计必须考虑铁路运行中遇到的宽环境温度范围（大多数应用中为-40 deg C至+55 deg C）。对于加速和再生制动期间充放电倍率可能超过3C的高功率城市轨道交通应用，通常需要采用水-乙二醇混合液的主动液冷系统。冷却系统必须将电池温度保持在15-35 deg C的最佳工作窗口内，并确保蓄电池系统中任意两个电池之间的最大温差不超过5 deg C，以防止不均匀老化和容量失衡。对于低功率应用，自然冷却或强制风冷可能可接受，但标准要求在环境温度高达55 deg C且车顶安装外壳承受太阳辐射时进行验证。

其次，蓄电池系统到车辆结构的机械集成需要对车辆耐撞性进行仔细分析。蓄电池外壳在某些安装中必须设计为承载结构件，或者必须证明其不会影响车辆的碰撞能量管理。标准要求蓄电池安装点能够同时承受纵向高达5 g（紧急制动）、侧向3 g和垂向2 g的加速力，而不发生安装结构的永久变形。底架安装的蓄电池系统必须达到IEC 60529规定的IP 65防护等级，以承受来自轨道清洗的水雾和雨水，车顶安装系统需达到IP 67防护等级。

第三，电气集成必须考虑蓄电池系统与现有牵引系统之间的相互作用。蓄电池直流-直流变换器或直接牵引耦合必须在所有运行模式下保持母线电压稳定，包括牵引和再生制动之间的转换。标准建议蓄电池系统为无接触网运行提供构网能力，此时蓄电池系统通过直流母线电压（有轨电车通常为600-750 V，干线应用为1,500-3,000 V）作为牵引的主要能源。对于蓄电池与柴油发动机或燃料电池并联运行的混合动力应用，功率管理策略必须在车辆集成前通过硬件在环仿真进行验证，涵盖至少20种不同的故障场景，包括传感器故障、执行器故障和蓄电池管理系统与车辆控制单元之间的通信丢失。

第四，蓄电池系统必须包含车辆使用寿命期间的诊断监测功能。BMS必须记录和存储关键运行数据，包括充放电次数、放电深度、最高和最低电池电压、最高温度和累计能量吞吐量。这些数据对于预测性维护和确定最佳电池更换时机至关重要。标准要求至少10年运行数据的数据存储容量，并且数据可通过标准诊断接口检索。此外，蓄电池系统应支持远程健康监测和BMS固件空中升级，以延长使用寿命并适应不断变化的运行模式，无需将车辆返回检修库。