IEC 62973-52023 铁路设施.机车车辆.辅助电源系统用电池.第5部分锂离子电池标准立项发展报告

铁路设施机车车辆辅助电源系统用电池第5部分：锂离子电池标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:RailwayApplications-RollingStock-BatteriesforAuxiliaryPowerSupplySystems-Part5:Lithium-ionBatteries摘要随着全球轨道交通装备向智能化、绿色化方向加速转型，机车车辆辅助电源系统的技术升级已成为行业发展的关键议题。锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等显著优势，正逐步替代传统铅酸蓄电池和镍镉电池，成为新一代轨道交通辅助电源系统的优选方案。然而，锂离子电池在轨道交通领域的应用面临安全性要求高、环境适应性复杂、系统集成难度大等挑战，亟需统一的国际标准予以规范和引导。在此背景下，国际电工委员会（IEC）于2023年8月30日正式发布IEC62973-5:2023《铁路设施机车车辆辅助电源系统用电池第5部分：锂离子电池》，成为全球轨道交通锂离子电池应用领域的重要里程碑。本报告对该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容和行业影响进行系统梳理与分析，重点阐述标准在安全性能要求、环境适应性验证、电池管理系统功能规范及系统集成匹配性等方面的技术突破，并深入介绍主要起草单位的贡献。该标准的发布实施填补了国际轨道交通锂离子电池应用标准的空白，对推动全球轨道交通装备绿色低碳转型具有重要的指导意义和引领作用。关键词：轨道交通；机车车辆；辅助电源系统；锂离子电池；国际标准；IEC62973-5；安全性能Keywords:RailwayTransportation;RollingStock;AuxiliaryPowerSupplySystem;Lithium-ionBattery;InternationalStandard;IEC62973-5;SafetyPerformance一、引言1.1轨道交通辅助电源系统技术演进背景轨道交通机车车辆辅助电源系统是保障列车安全、可靠运行的重要组成部分，其主要功能是为列车照明、空调、车门控制、通信信号、制动系统等辅助设备提供稳定的电力供应。长期以来，铅酸蓄电池和镍镉蓄电池凭借技术成熟、成本低廉、安全性可靠等优势，在轨道交通辅助电源领域占据主导地位。然而，随着轨道交通运营里程的持续扩展、列车运行速度的不断提升以及旅客对乘坐舒适性要求的日益提高，传统蓄电池在能量密度、循环寿命、维护成本和环保性能等方面的局限性日益凸显。近年来，锂离子电池技术快速发展，其能量密度可达铅酸蓄电池的3至5倍，循环寿命可达2000至5000次以上，同时具有无记忆效应、自放电率低、工作温度范围宽等突出优势，为轨道交通辅助电源系统的技术升级提供了新的解决方案。国内外多家轨道交通装备制造企业和运营单位已开始尝试将锂离子电池应用于机车车辆的应急启动、后备供电及再生能量吸收等场景，取得了良好的应用效果。1.2标准制定必要性分析尽管锂离子电池在轨道交通领域的应用前景广阔，但相较于消费电子和电动汽车领域，轨道交通应用环境更为苛刻，对电池的安全性、可靠性和耐久性提出了更高的要求。轨道交通车辆运行时间长、振动冲击大、温度变化范围宽（-40℃至+70℃），且涉及大量乘客生命安全，任何电池故障都可能酿成严重安全事故。然而，在IEC62973-5发布之前，国际上尚缺乏专门针对轨道交通机车车辆辅助电源系统用锂离子电池的统一标准，行业内主要参考电动汽车用锂离子电池标准或其他通用电池标准，存在适用性不足、技术要求不匹配等突出问题。具体而言，现有的IEC62660系列标准主要针对电动汽车用锂离子电池，其振动工况、温度范围和安全要求与轨道交通应用场景存在显著差异；IEC62973系列标准的第1至第4部分则主要涵盖铅酸蓄电池和镍镉蓄电池的技术要求，未涉及锂离子电池的特殊技术特征。因此，制定专门适用于轨道交通机车车辆辅助电源系统用锂离子电池的国际标准，对于规范产品设计、统一测试方法、保障运用安全、促进国际贸易和技术交流具有十分重要的意义。1.3标准编制工作启动基于上述背景，IEC/TC9（国际电工委员会轨道交通电气设备与系统技术委员会）在充分调研行业需求和技术发展现状的基础上，于2019年前后正式启动IEC62973-5标准的编制工作。该标准的编制工作吸引了来自中国、德国、法国、日本、韩国、瑞士等多个国家的标准化专家和企业代表积极参与，经过多轮草案讨论、技术评审和意见征集，最终于2023年8月30日正式发布实施。二、标准概述2.1标准基本信息IEC62973-5:2023《铁路设施机车车辆辅助电源系统用电池第5部分：锂离子电池》是IEC62973系列标准的重要组成部分，该系列标准由IEC/TC9归口管理。标准文本以英语和法语两种语言出版，版本为电子版加密PDF格式。标准编号对应国际标准分类法中的酸性蓄电池类目，但其技术内容实际涵盖锂离子电池的安全要求、性能测试和应用规范等方面内容。该标准的发布标志着国际轨道交通领域锂离子电池应用标准化工作取得了重大进展，与IEC62973-1（通用要求和试验方法）、IEC62973-2（铅酸蓄电池）、IEC62973-3（镍镉蓄电池）、IEC62973-4（其他电化学体系电池）等标准共同构成了完整的轨道交通辅助电源系统用电池标准体系。2.2标准定位与适用范围IEC62973-5:2023的发布机构明确指出，该标准主要适用于安装在铁路机车车辆上的、用于辅助电源系统的锂离子蓄电池，涵盖电池单体、电池模组和电池系统三个层级。标准规定了锂离子电池在轨道交通应用中的技术要求、试验方法、安全要求和标记标识等内容，适用于地铁、轻轨、市域快轨、干线铁路机车车辆等多种轨道交通制式。需要特别指出的是，该标准重点针对辅助电源系统的应用场景进行规范，不涵盖牵引动力电池系统的技术要求——后者通常需遵循其他专门的标准和法规。该标准的发布填补了国际标准体系中轨道交通锂离子电池辅助电源应用的技术空白，为锂离子电池在轨道交通领域的推广应用提供了有力的技术支撑和规范依据。三、标准核心技术内容3.1标准体系框架IEC62973-5:2023在IEC62973系列标准的总体框架下编制，充分继承了系列标准的通用技术要求和试验方法，同时针对锂离子电池的技术特征进行了专项规定。标准主要包括以下技术章节：范围与规范性引用文件、术语和定义、使用条件分类、通用要求、安全要求、性能要求、型式试验、例行试验、标记与文档等。3.2关键技术要求3.2.1性能要求在性能要求方面，标准对锂离子电池的额定容量、能量密度、功率特性、充放电效率、自放电率、循环寿命等关键性能参数进行了明确规定。标准根据轨道交通辅助电源系统的实际应用需求，设定了严格的容量保持率指标，要求在规定的充放电制度和环境条件下，电池在达到规定循环次数后的容量保持率不低于初始容量的80%。同时，标准还对不同温度条件下的容量特性进行了规定，确保电池在-20℃至+45℃的工作温度范围内能够满足辅助电源系统的使用要求。3.2.2安全要求安全性能是锂离子电池应用于轨道交通领域的关键约束条件。IEC62973-5:2023从电安全、机械安全、热安全和功能安全等多个维度，对锂离子电池的安全性能提出了系统要求。在电安全方面，标准规定了过充电、过放电、外部短路等异常工况下的安全性能要求，确保电池在上述情况下不发生起火、爆炸等危险事件。在机械安全方面，标准规定了振动、冲击、挤压、跌落等机械应力作用下的安全性能要求，以适应轨道交通车辆运行过程中产生的持续振动和随机冲击。在热安全方面，标准规定了加热、热冲击、针刺等热滥用条件下的安全性能要求，同时要求电池系统配备有效的热管理措施，防止热失控及其扩展。此外，标准还特别关注了锂离子电池在轨道交通应用中的特有安全风险，如电池系统在列车长期停放状态下的安全监控要求、电池管理系统（BMS）的故障诊断和保护功能要求等。3.2.3环境适应性要求考虑到轨道交通车辆运行环境的复杂性，标准对锂离子电池的环境适应性提出了严格要求。涵盖高温性能、低温性能、温度交变、湿热性能、盐雾腐蚀、防尘防水等多个方面。标准根据轨道交通车辆的不同安装位置和使用条件，将环境条件划分为若干等级，对不同等级下的试验方法和性能指标进行了差异化规定，既保证了标准的适用性，也兼顾了不同应用场景的实际需求。3.2.4电池管理系统要求电池管理系统是保障锂离子电池安全可靠运行的核心部件。IEC62973-5:2023对BMS的功能要求进行了系统规定，包括电池状态监测（电压、电流、温度）、荷电状态估算、健康状态评估、均衡管理、热管理控制、故障诊断与保护、数据记录与通信等。标准要求BMS应具备完善的故障分级保护机制，在检测到异常情况时能够及时采取降功率运行、切断输出等保护措施，确保电池系统在任何情况下均处于安全可控状态。3.3试验方法与验证体系为确保各项技术要求的可验证性和可操作性，IEC62973-5:2023建立了系统的试验验证体系。标准规定了型式试验和例行试验两个层级的试验要求。型式试验针对产品设计进行全面的性能和安全验证，涵盖容量试验、倍率放电性能试验、不同温度下的性能试验、循环寿命试验、存储性能试验等性能类试验项目，以及过充电、过放电、外部短路、振动、冲击、挤压、加热、热冲击等安全类试验项目。例行试验针对每批次出厂产品进行关键项目的检验，确保产品的一致性和可靠性。标准对每项试验的试验条件、试验方法、样品数量、判定准则和试验报告等均进行了详细规定，具有较强的可操作性和可复现性。四、标准创新点与技术突破4.1首次建立轨道交通锂离子电池专项国际标准IEC62973-5:2023是国际上首个专门针对轨道交通机车车辆辅助电源系统用锂离子电池的技术标准。该标准的发布填补了国际标准体系的空白，改变了以往轨道交通锂离子电池应用"无标可依"或"借用其他行业标准"的局面，为全球轨道交通锂离子电池的研发、制造、检测和应用提供了统一的技术依据。4.2建立轨道交通工况导向的试验方法体系该标准的一大技术创新在于针对轨道交通安全完整性要求高的特点，引入了基于安全完整性等级（SIL）的电池系统功能安全要求，将电池管理系统和热管理系统的功能安全与整车安全需求关联起来。同时，标准的试验方法充分考虑了轨道交通车辆的实际运行工况特点——如持续运行时间长、振动频带宽、制动再生能量冲击等——建立了轨道交通工况导向的试验方法体系，使试验结果能够更真实地反映电池在实际应用中的性能表现。4.3全生命周期安全设计理念IEC62973-5:2023提出了覆盖电池全生命周期的安全设计理念。该理念涵盖电池的选材设计、制造工艺、运输存储、装车运用、维护检修和退役回收等各个阶段，对每一阶段的安全风险进行了系统识别和有效管控。标准要求电池系统应设计与整车同寿命或具备可维护性设计，便于运行阶段的检测、维护和更换，同时考虑梯次利用和回收利用的可行性，体现了绿色循环发展的理念。五、主要起草单位介绍IEC62973-5:2023的编制工作汇聚了全球轨道交通和电池领域的顶尖技术力量。其中，中国铁道科学研究院集团有限公司作为该标准的主要起草单位之一，在标准编制过程中发挥了重要的技术支撑作用。5.1中国铁道科学研究院集团有限公司简介中国铁道科学研究院集团有限公司（简称"铁科院"）是中国铁路行业唯一的多学科、多专业的综合性研究机构，成立于1950年，隶属于中国国家铁路集团有限公司。铁科院拥有轨道交通领域的系统研发能力，涵盖机车车辆、通信信号、铁道建筑、工程材料、信息技术等多个专业方向，是中国铁路行业标准规范的主要制定单位之一。5.2在标准编制中的主要贡献在IEC62973-5:2023的编制过程中，铁科院充分发挥了中国铁路装备运营场景丰富、数据积累深厚的独特优势，在多个关键技术环节贡献了中国方案和中国智慧。在标准框架设计方面，铁科院专家基于中国铁路锂离子电池应用的实际经验，提出了将电池系统安全要求与功能安全要求相结合的框架性建议，获得了各国专家的认可并纳入标准体系。在安全要求制定方面，铁科院针对中国高铁和城市轨道交通的运用场景，提供了大量锂离子电池在复杂运行环境下的实测数据，为标准中温度范围、振动工况等关键参数的确定提供了重要的数据支撑。在试验方法验证方面，铁科院组织开展了多项标准试验方法的实验室间比对验证工作，为验证标准试验方法的科学性和可操作性提供了实验依据。此外，来自德国西门子交通、法国阿尔斯通、日本日立制作所、韩国现代Rotem等国际知名企业的专家以及IEC/TC9的各国国家委员会代表也深度参与了该标准的编制工作，为标准的最终发布贡献了各自的技术专长和实践经验。六、标准实施意义与行业影响6.1对轨道交通行业发展的推动作用IEC62973-5:2023的发布实施对全球轨道交通行业具有深远的影响。首先，标准为锂离子电池在轨道交通辅助电源系统中的应用提供了统一的技术门槛和质量基准，有利于构建公平竞争的市场环境，促进先进技术和优质产品的推广应用。其次，标准为轨道交通装备制造企业的产品研发提供了明确的技术导向，有利于缩短研发周期、降低研发风险。再次，标准为运营单位的电池选型、采购、验收、运维和退役管理提供了全生命周期的技术依据，有利于提高运维效率和安全性水平。6.2对电池产业发展的带动效应该标准的发布对锂离子电池产业也将产生积极带动作用。轨道交通领域对电池的安全性、可靠性和环境适应性要求极为严格，相关技术指标普遍高于消费电子和一般工业应用领域。满足轨道交通标准的电池产品在技术水平和质量可靠性方面通常能够形成显著的竞争优势。标准的发布为电池制造企业提供了明确的技术攻关方向，有利于推动高安全、长寿命、宽温域锂离子电池技术的创新突破，促进电池产业向高端化、差异化方向发展。6.3对国际标准体系的完善IEC62973-5:2023的发布进一步完善了IEC/TC9的标准体系框架。该标准与IEC62973系列其他部分形成了互相配套和衔接的标准族群，为轨道交通辅助电源系统用各类电池提供了全面的技术标准支撑。同时，该标准的发布也丰富了IEC在锂离子电池应用领域的技术标准供给，与IEC62660（电动汽车用锂离子电池）、IEC62619（工业用锂离子电池）等标准共同构建了完善的锂离子电池国际标准矩阵。七、结论与展望7.1结论IEC62973-5:2023《铁路设施机车车辆辅助电源系统用电池第5部分：锂离子电池》的发布实施是国际轨道交通标准化工作的一项重要成果，填补了轨道交通锂离子电池应用专项国际标准的空白。该标准在充分借鉴其他领域锂离子电池标准经验的基础上，紧密结合轨道交通应用的特殊需求，建立了一套涵盖性能要求、安全要求、环境适应性要求、管理系统要求和试验验证方法的完整技术标准体系，具有科学性、先进性和可操作性等突出特点。该标准的发布将有效规范和引导锂离子电池在全球轨道交通领域的应用实践，推动轨道交通辅助电源系统的技术升级和绿色转型，助力全球轨道交通行业实现安全、高效、绿色发展目标。7.2展望展望未来，随着锂离子电池技术的持续进步，更高能量密度、更高安全性的新型电池体系（如固态电池、钠离子电池等）将不断涌现。IEC62973-5:2023所建立的标准框架和技术方法，将为未来新型电池体系的标准化工作提供重要的方法论借鉴和体系基础。同时，随着智能化和数