Während die streckenseitige Signalisierung den Fahrweg absichert, sichert die bordseitige Zugsteuerung die Autorität ab, unter der ein Zug überhaupt fahren darf. Im Führerstand und im Geräteschrank befinden sich der European Vital Computer (EVC), der Bremskurven und Fahrterlaubnisse überwacht, das Balise Transmission Module (BTM) mit Antenne, das Eurobalisen-Telegramme liest, das Driver-Machine Interface (DMI), das Geschwindigkeit und Autorität anzeigt, die Juridical Recording Unit (JRU), die die Sicherheitsgeschichte des Zuges aufzeichnet, und das GSM-R-Datenfunkgerät, das in ETCS Level 2 mit dem Radio Block Centre kommuniziert. Dieser Beitrag erläutert Arbeitsprinzip und Lastprofil der Stromversorgung, die diese Kette am Leben halten muss, wenn die reguläre Versorgung des Zuges gestört ist. Anders als eine stationäre USV-Anlage lebt die bordseitige Pufferung in einer der rauesten Umgebungen der Elektronik: EN 50155 definiert die Nennbatteriespannungen (üblicherweise 24, 36, 48, 72 und 110 V), die Betriebstemperaturklassen von -25/-40 °C bis +55/+70/+85 °C, eine Startanforderung von -40 bis +85 °C über mindestens zehn Minuten sowie Schock und Vibration nach EN 61373. Die Zugbatterie speist über Wandler einen Hilfs-Gleichspannungsbus; lokale Hold-up- und Puffermodule müssen Versorgungsunterbrechungen überbrücken, ein kontrolliertes Herunterfahren unterstützen – das den JRU-Datensatz und die aktuelle Fahrterlaubnis sichert – und bei kritischen Funktionen Wachsamkeit und Notkommunikation so lange aufrechterhalten, bis der Zug in einen sicheren Zustand überführt ist. Der Beitrag entwickelt die charakteristische Last: einen stabilen Grundlaststrom von Vitalrechner und Funk, periodische BTM-Sendeimpulse beim Passieren von Balisen, DMI-Hinterleuchtungs- und Audiospitzen sowie die Forderung, Unterbrechungen und Spannungseinbrüche zu überbrücken, wie sie EN 50155 und die Bordnetzarchitektur vorgeben. Er stellt die spezifische Eisenbahn-Batterienorm IEC 62973 vor, deren Teil 4 sekundäre versiegelte Nickel-Metallhydrid-Zellen für die Bordnetzversorgung von Schienenfahrzeugen abdeckt, und bereitet die in den Folgebeiträgen behandelte Auswahl und Qualifizierung vor.
Der EVC ist der Sicherheitskern: Er fusioniert Balisen-Positionsreferenzen, Odometrie, GSM-R-Fahrterlaubnisse und Zugdaten, um die Geschwindigkeit zu überwachen und eine Bremsung zu befehlen, wenn der Fahrer das zulässige Profil verlässt. Das BTM versorgt über die Unterflurantenne die Balisen mit Energie und liest sie; das DMI stellt Bremskurve, Zielgeschwindigkeit, Meldungen und Warnungen dar; die JRU zeichnet sicherheitsrelevante Daten zur nachträglichen Analyse kontinuierlich auf; das GSM-R-Funkgerät hält die leitungs- oder paketvermittelte Verbindung zum Blockzentrum. Jede Einheit hat eine andere Stromsignatur, doch allen gemeinsam ist eine Eigenschaft: ein unkontrollierter Stromausfall während der Fahrt ist selbst ein Sicherheitsereignis.
Der Hilfsbatteriebus des Zuges ist das primäre Energiereservoir, bei Hauptbahnfahrzeugen typisch 110 V oder 72 V, bei U- und Straßenbahnen 24/48 V; Gleichspannungswandler leiten daraus die Logikspannungen ab. Lokale Puffer- und Hold-up-Module liegen zwischen Bus und Vitalelektronik, um Unterbrechungen zu glätten und – wo gefordert – definierte Funktionen nach dem Busausfall weiter zu betreiben. Die Dimensionierung dieser Pufferung beginnt mit einem genauen Lastprofil der gesamten Kette, nicht mit der Nennleistung eines einzelnen Kastens.
EN 50155 ist die Referenz für elektronische Geräte auf Schienenfahrzeugen und bestimmt jede Energieentscheidung. Sie definiert Nennversorgungsspannungen sowie die Unterbrechungen, Einbrüche und Überspannungen, die das Gerät tolerieren muss, sechs Betriebstemperaturklassen (OT1 bis OT6, von -25 oder -40 °C bis +55, +70 oder +85 °C Gerätetemperatur), Lagerklassen und ein Startvermögen von -40 bis +85 °C über mindestens zehn Minuten. Geräte nahe Wärmequellen oder in unbelüfteten Schränken können den höheren Klassen zugeordnet werden, Unterflur- und Außengeräte den kältesten.
Schock und Vibration beziehen sich auf EN 61373 (Kategorie 1, Klasse B ist ein häufiger Standardwert), die EMV auf die EN 50121-Reihe und das Brandverhalten zunehmend auf EN 45545. Ein versiegeltes NiMH-Puffermodul muss seine Hold-up-Energie daher nach Kältelagerung liefern, dauerhafte Breitbandvibration ohne Ermüdung der Innenverbindungen überstehen, Werkstoffe mit geringer Brandlast verwenden und im dichten Schrank weder gasen noch Elektrolyt verlieren – Anforderungen, die den beiläufigen Einsatz von Verbraucherzellen oder offenen Chemien ausschließen.
Die bordseitige Pufferung ist keine einheitliche Dauer, sondern eine Hierarchie von Aufgaben. Auf kürzester Skala überbrücken Hold-up-Kondensatoren und kleine Batteriemodule Versorgungsunterbrechungen und Umschaltlücken (Millisekunden bis Sekunden), damit der EVC in Schutzstrecken, bei Stromabnehmer-Sprüngen oder Wandlerumschaltungen nicht zurücksetzt. Auf mittlerer Skala ermöglicht die Pufferung ein geordnetes Herunterfahren – Abschluss des JRU-Schreibvorgangs, Sichern von Zustand und Fahrterlaubniskontext, Parken des DMI –, damit das System deterministisch neu startet, statt eine lange, kapazitätszehrende Neuinitialisierung zu erzwingen.
Auf der längsten Skala können ausgewählte Sicherheits- und Kommunikationsfunktionen (Wachsamkeit, Notbeleuchtung und Befehlskreise, das GSM-R-Funkgerät für einen definierten Anruf) aufrechterhalten werden, damit der Fahrer kommunizieren und den Zug vor einer Räumung in einen sicheren Zustand bringen kann. Die erste animierte Abbildung zeigt diese gestufte Zeitachse vor fallender Busspannung: Durchreiten, geordnetes Abschalten und, wo spezifiziert, erweiterte Notversorgung. Jede Stufe entspricht einem anderen Energie- und Leistungsbedarf; sie zu verwechseln – Überdimensionierung fürs Durchreiten oder Unterdimensionierung fürs Abschalten – ist ein häufiger Konstruktionsfehler.
Über eine Fahrt gemessen zieht die bordseitige Kette einen nahezu konstanten Vital-Kern (EVC, JRU, Funk-Standby, BTM-Empfänger), dem Spitzen überlagert sind: der BTM-Sendeimpuls zur Versorgung jeder Balise, GSM-R-Sendeimpulse bei Handover und Verbindungsaufbau, DMI-Hinterleuchtung und Sprachansagen sowie das Anziehen von Relais oder Ventilen bei einem Notbremsbefehl. Die Pufferung muss die Logikschiene durch den höchsten plausiblen Gleichzeitigkeitspeak bei niedriger Temperatur halten, wenn der Innenwiderstand am größten und der Spannungseinbruch am tiefsten ist.
Die zweite animierte Abbildung stellt eine normale Fahrt einem kalten Ereignis mit eingebrochenem Bus gegenüber. Die flache Spannungslage und das gute Pulsverhalten des versiegelten NiMH passen zu diesem Mischprofil; seine Chemie verträgt die flachen, seltenen Entladungen und die lange Float-/Bereitschaftslagerung, die bordseitige Pufferung tatsächlich erlebt – das Modul verbringt fast sein ganzes Leben geladen und wartend und liefert nur selten Energie, sodass Ladungserhaltung und Float-Stabilität wichtiger sind als die Energiedichte für tiefe Zyklen.
Historisch dominieren bei Hilfsbatterien von Schienenfahrzeugen offene Nickel-Cadmium-Zellen wegen ihrer extremen Robustheit, daneben Blei in einigen Fahrzeugen und zunehmend Lithium-Ionen. Die IEC 62973-Reihe strukturiert die Qualifizierung heute nach Chemie: Teil 1 enthält allgemeine Anforderungen und Prüfungen für Hilfsbatterien, Teil 2 deckt NiCd ab, Teil 3 Blei, Teil 4 sekundäres versiegeltes Nickel-Metallhydrid und Teil 5 Lithium-Ionen. Ein eigener Teil für versiegeltes NiMH gibt Konstrukteuren einen eisenbahnanerkannten Weg zu einer gewarteten, wartungsreduzierten Chemie direkt am Fahrzeug.
Versiegeltes NiMH eignet sich besonders für verteilte und lokale Puffermodule – am EVC-Gestell, im BTM-Schrank oder bei DMI/Funk – statt die gesamte hochkapazitive Zug-Hilfsbatteriebank zu ersetzen. Es erspart Nachfüllen und freien Elektrolyt, enthält kein Cadmium, verträgt flache Float-Last und Kälte gut und lässt sich nah bei der geschützten Elektronik verbauen. Der nächste Beitrag dimensioniert diese Module und vergleicht die Chemien unter EN 50155.
Die zusammengeführte Anforderung lautet: ein versiegeltes, vibrationsfester NiMH-Modul, dimensioniert über die drei Laststufen, angebunden über Ladegerät und Trennung, die Nennbus und seine Unterbrechungen respektieren, überwacht hinsichtlich Zustand und Gesundheit, qualifiziert für die Temperaturklasse, die mechanischen Pegel nach EN 61373, die EMV nach EN 50121 und das Brandverhalten nach EN 45545 des Einbauorts. Seine Zellen und sein Aufbau müssen auf IEC 62973-4 sowie die zugrunde liegenden Zell-Leistungs- und Sicherheitsnormen rückverfolgbar sein.
Die folgenden Beiträge liefern Hardware und Nachweise: Der zweite dimensioniert das Pack, wählt das Ladegerät und vergleicht NiMH mit NiCd, Blei und Lithium unter Schienenfahrzeug-Randbedingungen; der dritte beschreibt die EN 50155-Typprüfung und die Sicherheitsintegrationskampagne einschließlich Kaltstart, Vibration, EMV, Brandverhalten und des Eisenbahn-Batteriedossiers, das ein OEM oder Signallieferant zur Zulassung vorlegen muss.
Weijiang Power entwickelt und fertigt versiegelte Nickel-Metallhydrid-Zellen und darauf abgestimmte Industriepacks für entlegene, netzunabhängige und sicherheitsrelevante Geräte und unterstützt OEM-Partner mit IEC 61951-2-Leistungsdateien, IEC 62133-2-Sicherheitsnachweisen, Pulslast-Charakterisierung, Weittemperaturprüfung und gemeinsamer Ladegerät/Pack-Validierung. Nennen Sie uns Lastzyklus, Spitzenstrom, Temperaturbereich, Autonomieziel und die Normen, die Ihr Produkt erfüllen muss; unsere Ingenieure legen eine Zelle-Pack-Kombination fest, die Laufzeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer schützt. Die gesamte Übersicht finden Sie auf der Produktseite.
