Die Auslegung der bordseitigen Notversorgung der Zugsteuerung wird von zwei unnachsichtigen Randbedingungen bestimmt: den in der EN 50155 festgeschriebenen Versorgungs- und Temperaturextremen sowie der sicherheitlichen Folge eines unkontrollierten Rücksetzens des Vitalrechners. Dieser Beitrag überführt das Lastprofil des ersten Beitrags in die Auslegung einer versiegelten Nickel-Metallhydrid-Notversorgung für eine ETCS-Bordbaugruppe – European Vital Computer, BTM und Antennenelektronik, DMI, Juridical Recording Unit und GSM-R-Funk. Zuerst wird die Bordnetzarchitektur durchgearbeitet, weil die nominelle Zugbatterie mit 24, 36, 48, 72 oder 110 V und ihre definierten Unterbrechungen und Überspannungen bestimmen, wo Isolation, Hold-up und das Notversorgungsmodul sitzen; danach folgen Energie- und Leistungsdimensionierung für die Ebenen Ride-through, kontrolliertes Herunterfahren und erweiterte Unterstützung; anschließend die von der EN 50155 unverzichtbar geforderte Kaltstartreserve, wonach Geräte zwischen -40 und +85 °C starten und in der gewählten OT-Klasse arbeiten müssen. Behandelt werden ferner die nach EN 61373 (Vibration) und EN 45545 (Brand) geforderte mechanische und brandschutzgerechte Konstruktion, die Lade- und Erhaltungsladeregelung, die ein versiegeltes Paket über Jahre überwiegenden Bereitschaftsbetriebs gesund hält, sowie die Überwachung, die dem Zugmanagementsystem den Gesundheitszustand meldet. Durchgehend wird versiegeltes NiMH offen mit der im Bahnbereich traditionellen entlüfteten Nickel-Cadmium-Batterie (IEC 62973-2), Blei (Teil 3) und Lithium-Ionen (Teil 5) verglichen und gezeigt, wo das versiegelte, wartungsreduzierte und cadmiumfreie NiMH-Modul – nun ausdrücklich durch IEC 62973-4 abgedeckt – am besten zur verteilten bordseitigen Notversorgung passt und wo die anderen Chemien ihre berechtigten Rollen behalten.
Die Zugbatterie speist den Hilfsbus mit der Nennspannung des Fahrzeugs (110 V und 72 V sind auf Hauptbahnfahrzeugen üblich, 24/48 V bei Metro und Straßenbahn), und die EN 50155 definiert die Unterbrechungen, Einbrüche, Restwelligkeiten und Überspannungen, die angeschlossene Geräte überstehen müssen. Eine robuste Architektur legt Eingangsschutz und Isolation in den Schrank, die Massen-Hold-up an den Wandler und ein versiegeltes NiMH-Notversorgungsmodul lokal bei der vitalen Elektronik; es wird über eine strombegrenzte, temperaturgeführte Stufe vom Bus geladen und durch eine Dioden- oder MOSFET-ORing-Schaltung so entkoppelt, dass es nur unterstützen, niemals zurückspeisen oder überladen werden kann.
Das Modul wird auf die lokale Logikschiene dimensioniert, nicht auf das ganze Fahrzeug. Dadurch bleibt es kompakt und kann gemeinsam mit dem EVC oder BTM untergebracht werden, den es schützt. Das Ladegerät muss während des Normalbetriebs die Bereitschaft aufrechterhalten, ohne eine dauernde Überladung aufzuprägen, die versiegelte Zellen austrocknen würde; eine temperaturkompensierte Nachlade- oder Pulsregelung kombiniert mit Zellen geringer Selbstentladung erlaubt jahrelange Erhaltungsladung, wobei das Paket nach langer Stillstandszeit trotzdem den vollen Hold-up liefern kann.
Der Ride-through für sekundenlange Unterbrechungen wird oft durch Kondensatoren plus einen kleinen Batteriebeitrag gedeckt und ist leistungsbegrenzt – entscheidend ist, ob die Schiene durch den tiefsten Einbruch gehalten werden kann, nicht wie viel Energie gespeichert ist. Die Ebene des kontrollierten Herunterfahrens ist energiebegrenzt und berechenbar: JRU-Schreibvorgang abschließen, Logs sichern, Autoritäts- und Odometriekontext speichern, DMI und Funk in einen definierten Zustand versetzen. Die erweiterte Unterstützung für Notfallkommunikation oder Wachsamkeit fügt ein separat spezifiziertes Energiebudget hinzu.
Die erste animierte Abbildung baut das Energiebudget Ebene für Ebene auf. Die Leistungsfähigkeit wird separat am kalten Extrem geprüft, denn der gleichzeitige GSM-R-Sendeimpuls und eine Relais-/Ventillast bei -40 °C ergeben den stärksten Spannungseinbruch; die Zellenzahl wird so gewählt, dass die Schiene auch dann über der Abschaltschwelle der Elektronik bleibt – dies bestimmt die Auslegung oft stärker als die Gesamtenergie.
Die Startanforderung der EN 50155 – Betrieb von -40 bis +85 °C für mindestens zehn Minuten während des Starts – und die gewählte Betriebsklasse (OT4/OT6 erreichen -40, OT5/OT6 erreichen +85) bedeuten, dass die Notversorgung nicht bei Raumtemperatur spezifiziert werden darf. Elektrochemische Kapazität und Leistung sinken in der Kälte, während der Innenwiderstand steigt; der Konstrukteur dimensioniert Zellen und Leiterquerschnitte für das Kälte-Leistungsereignis und verifiziert das Paket durch Kältelagerung und Kälteentladung; danach wird die Hochtemperatur-Erhaltungsladungslebensdauer geprüft, um die kalendarische Alterung in heißen Schränken zu begrenzen.
Versiegeltes NiMH zeigt bei niedriger Temperatur vergleichsweise gute Leistung gegenüber Blei, friert nicht und reißt nicht wie eine geflutete oder geierte Blezelle und vermeidet den Thermomanagement-Aufwand von Lithium an den Extremen. Die thermische Auslegung bleibt wichtig: Das Modul ist fern von Kühlkörpern und Traktionswandlern anzuordnen, und die eigene Ladewärme des Pakets muss abfließen können, damit es innerhalb der Klasse bleibt. Die zweite animierte Abbildung vergleicht die nutzbare Kälteleistung qualitativ über die Chemien und zeigt, warum Bleis nominaler Vorteil bei billigen Amperestunden bei -40 schwindet.
Die EN 61373 ordnet Vibrations- und Stoßspektren nach Einbauort zu (aufgebaut auf Wagenkasten, Drehgestell oder Achse); ein Schrankmodul sieht typischerweise die Werte der Kategorie 1 (wagenkastengelagert), aber lang andauernde Zufallsvibration, die Zellfahnen, Schweißungen und Verbinder ermüden kann. Die Konstruktion verwendet fixierte Zellen, vibrationshemmende Halterung, geschweißte oder robust versteifte Verbindungen und zugentlastete Kabel statt loser Konsumenten-Batteriehalter.
Die EN 45545 regelt das Brandverhalten in Schienenfahrzeugen mit Gefährdungsstufen und Anforderungssätzen nach Fahrzeugkategorie und Einbauort; Gehäuse, Isolation, Kennzeichnungen und jede Vergussmasse nutzen Materialien mit geringer Flammenausbreitung und geringer Rauch-/Toxizitätsentwicklung, und die versiegelte Chemie vermeidet freien Elektrolyt und minimiert die Gasabgabe. Diese Konstruktionsregeln sind ebenso Teil der Qualifizierung wie die elektrischen Prüfungen.
Eine Notversorgung, die unbemerkt altert, ist ein latenter Sicherheitsausfall; deshalb wird das Modul überwacht: Spannung, Temperatur, Lade-/Entladestrom und ein periodischer automatisierter Selbsttest oder Kapazitätscheck gehen an das Zugsteuerungs- und -managementsystem, das Wartungsalarme auslöst, wenn die Hold-up-Fähigkeit unter die Anforderung fällt. Eine Ereignisprotokollierung erfasst jede Netz-/Busunterbrechung und die überbrückte Dauer, korreliert mit dem JRU-Eintrag.
Die Integration respektiert die Sicherheitsarchitektur: Die Notversorgung wird als Element behandelt, das eine Sicherheitsfunktion unterstützt, mit definiertem Verhalten bei Zellausfall (sicheren Zustand einnehmen, Alarm, kein Brand), Trennung bei externem Kurzschluss und ohne Möglichkeit, den Vitalbus zu verfälschen. Diese Nachweise speisen das Sicherheitsargument im Stil von EN 50126/50128/50129 für das bordseitige Zugsteuerungssystem, auch wenn die EN 50155 die umweltbezogene Gerätenorm ist.
Entlüftetes NiCd (IEC 62973-2) bleibt der Maßstab für Extremtemperatur- und Missbrauchstoleranz in großen Hilfsbatterien, braucht aber Wasserwartung, gast ab und enthält Cadmium; für kleine verteilte Notversorgungsmodule sind Wartungs- und Umweltlast unattraktiv. Blei ist preiswert, aber schwer, kälteschwach, in der Erhaltungsladungslebensdauer bei hoher Temperatur begrenzt und enthält Säure – schlecht passend zu einem kompakten, kältebewerteten, langlebigen Elektronikmodul.
Lithium-Ionen (IEC 62973-5) ist energiedicht, verlangt aber ein Batteriemanagementsystem für Balancierung und Schutz sowie einen stärkeren thermischen/brandtechnischen Sicherheitsnachweis nach EN 45545. Versiegeltes NiMH (IEC 62973-4) nimmt eine pragmatische Mitte ein: versiegelt und wartungsreduziert, cadmiumfrei, kältefähig, tolerant gegenüber flacher Erhaltungsladung und grundsätzlich weniger anfällig für thermisches Durchgehen als Lithium. Für lokale, langlebige, kältebewertete bordseitige Notversorgung ist es häufig die Wahl mit dem geringsten Risiko und den niedrigsten Lebenszykluskosten; der folgende Qualifizierungsbeitrag legt die dafür erforderlichen Nachweise dar.
Weijiang Power entwickelt und fertigt versiegelte Nickel-Metallhydrid-Zellen und darauf abgestimmte Industriepakete für entlegene, netzunabhängige und sicherheitsbezogene Geräte und unterstützt OEM-Partner mit IEC-61951-2-Leistungsdaten, IEC-62133-2-Sicherheitsnachweisen, Pulslast-Charakterisierung, Breittemperaturprüfung sowie Ladegerät-/Paket-Co-Validierung. Nennen Sie uns Lastspiel, Spitzenstrom, Temperaturbereich, Autonomieziel und die Normen, die Ihr Produkt erfüllen muss; unsere Ingenieure spezifizieren eine Zellen-Paket-Kombination, die Laufzeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sichert. Die Produktpalette finden Sie auf der Produktseite.
