Eine moderne Eisenbahn ist ein verteilter, sicherheitskritischer Computer, der sich über Hunderte Kilometer Strecke erstreckt, und fast jede Sicherheitsentscheidung – ob ein Abschnitt besetzt ist, welchen Begriff ein Signal zeigen darf, welche Fahrterlaubnis eine geschaltete Balise übermittelt – wird von streckenseitiger Elektronik getroffen, die nicht einfach stillstehen darf, wenn die öffentliche Stromversorgung kurz schwankt. Dieser erste Beitrag über Nickel-Metallhydrid-Pufferenergie für die Eisenbahnsignaltechnik erläutert das Funktionsprinzip und das Lastprofil der Geräte, die eine Streckenbatterie tatsächlich versorgen muss. Er beginnt mit einer oft übersehenen Unterscheidung: Eine feste Eurobalise ist ein passiver Transponder, der keine Batterie enthält und ausschließlich durch die BTM-Antenne (Balise Transmission Module) des vorbeifahrenden Zuges gespeist wird, wohingegen eine geschaltete (umschaltbare) Balise kontinuierlich von einer streckenseitigen Elektronikeinheit (Lineside Electronic Unit, LEU) angesteuert wird, die Echtzeit-Signalbegriffe in Telegramme umsetzt und daher eine permanente, gepufferte Versorgung benötigt. Um die LEU herum gruppieren sich Achszählrechner, die die Besetzt- oder Freimeldung eines Abschnitts bestimmen, elektronische Stellwerke, die Fahrstraßen durchsetzen, Zugerfassungs- und Weichenmeldekreise sowie Bahnübergangssteuerungen. Der Beitrag ordnet diese Lasten der europäischen Sicherheitsarchitektur zu, die durch EN 50126 (RAMS), EN 50128 (Software) und EN 50129 (sicherheitsbezogene elektronische Systeme der Signaltechnik) definiert ist; die ERTMS/ETCS-Eurobalise-Schnittstelle ist in UNISIG SUBSET-036 festgelegt, ergänzt durch die Technischen Spezifikationen für die Interoperabilität (TSI) für Zugsteuerung, Zugsicherung und Signalgebung. Anschliessend wird die charakteristische Pufferaufgabe hergeleitet – eine lange, leistungsarme Bereitschaft mit definierten kurzen Spitzen während einer Zugvorbeifahrt, einer Weichenbetätigung oder einer Bahnübergangsauslösung –, und es wird erklärt, warum die Batterie nicht auf eine beliebige Laufzeit, sondern auf die dokumentierte Wiederversorgungszeit des Infrastrukturbetreibers dimensioniert wird. Die Autonomieanforderungen liegen üblicherweise in der Größenordnung einiger Stunden für Stellwerke und Bahnübergänge und höher für entlegene Knoten; diese Werte verstehen sich als Ingenieurspraxis und nicht als eine einheitliche, universell verbindliche Vorgabe.
Die Gleisanlagenausrüstung gliedert sich sauber in passive und gespeiste Elemente. Die in SUBSET-036 beschriebene feste Eurobalise ist passiv: zwischen den Schwellen eingebaut, benötigt sie keine elektrische Versorgung, da die fahrzeugseitige BTM-Antenne sie bei der Vorbeifahrt durch magnetische Induktion speist und sie mit einem gespeicherten Telegramm antwortet. Eine geschaltete Balise hingegen ist mit einer LEU verdrahtet, die das Telegramm laufend aktualisiert, um den aktuellen Signalbegriff, die Geschwindigkeitseinschränkung oder die Fahrstraße wiederzugeben; fällt die LEU aus, kann die geschaltete Balise keinen veränderlichen Begriff mehr melden – genau deshalb sind die LEU und ihre Signalquelle diejenigen Komponenten, die gepuffert werden müssen.
Über die LEU hinaus umfasst die gespeiste Streckenfamilie Achszählrechner mit ihren gleisseitigen Raddetektoren, die feststellen, ob ein Gleisabschnitt besetzt oder frei ist, elektronische Stellwerksrechner, die Fahrstraßen und Signalbegriffe halten, Gleisstromkreise oder andere Zugerfassungssysteme, Weichenantriebe mit ihren Lagekontakten sowie aktive Bahnübergangssteuerungen mit Warnlichtern, Schranken und Glocken. Jede Komponente hat eine andere Stromaufnahme, und die Pufferbatterie muss den definierten sicheren Teil dieser Funktionen über ein festgelegtes Autonomiezeitfenster aufrechterhalten.
Die Eisenbahnsignaltechnik baut auf dem CENELEC-Sicherheitstrio auf. EN 50126 spezifiziert Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Instandhaltbarkeit und Sicherheit (RAMS) sowie den Prozess, aus dem eine Sicherheitsintegritätsanforderung abgeleitet wird; EN 50128 deckt die Software für Eisenbahn-Steuerungs- und -Schutzsysteme ab; und EN 50129 legt die Anforderungen an sicherheitsbezogene elektronische Signaltechnik-Systeme fest, einschließlich Hardware, Fehlerverhalten und des Sicherheitsnachweises, der es einem System erlaubt, einen definierten SIL zu tragen. Die Eurobalise-/LEU-Funktionen und die Achszähl-Zugerfassungsschnittstellen werden darüber hinaus durch die TSI für Zugsteuerung und Signalgebung (EU-Verordnung 2016/919) eingeschränkt.
Für die Stromversorgung hat das eine unmittelbare Konsequenz: Der Ausfall der Netzversorgung ist ein vorhergesehenes externes Ereignis, und die Reaktion des Systems muss deterministisch sein. Die Pufferquelle muss nicht jede Komfortfunktion am Leben halten, aber sie muss die sicherheitsbezogenen Funktionen über die dokumentierte Autonomiezeit betreiben – oder die gesteuerten Geräte in einen sicheren Zustand überführen –, und sie muss das nach langen Stillstandszeiten in einem unbeheizten Außenschrank ohne Wartungsbesuche tun. Diese Kombination aus langer Lager- und Stillstandsfähigkeit, begrenzter, aber garantierter Autonomie und der Rückverfolgbarkeit des Sicherheitsnachweises prägt die Batteriewahl ebenso stark wie die elektrische Last.
Eine LEU ist ein leistungsarmer Industrierechner: ein Prozessor, Kommunikationsschnittstellen zum Stellwerk und die Uplink-Elektronik, die die geschaltete Balise über ein langes Kabel ansteuert (wobei Datentelegramm und Speisesignal gemeinsam auf der Balisenleitung existieren). Ihre Stromaufnahme wird von einem nahezu kontinuierlichen Ruhestrom mit kleinen Telemetrie- und Kommunikationsimpulsen dominiert, der nur ansteigt, wenn sich der Signalbegriff ändert oder ein Zug in der Nähe ist. Ein einzelner LEU-/Balisenkanal ist damit anspruchslos in Watt, doch ein typischer Standort bündelt mehrere Kanäle, einen Achszählrechner und Kommunikation in einem Schrank, sodass der gepufferte Bus einen kleinen, aber ständig aktiven Verbund versorgt.
Die erste animierte Abbildung zeichnet einen repräsentativen Streckenstrom über eine Pufferperiode nach – eine flache Ruhestromgrundlinie für LEU und Achszählrechner, kurze Spitzen bei der Zugvorbeifahrt und dem Lesen der Balise sowie ein größeres, aber kurzes Ereignis, falls ein Weichenantrieb oder ein Bahnübergang zur gepufferten Last gehört. Das Profil ist bewusst das Gegenteil einer Traktionsbatterie: über die meiste Zeit wird kaum Energie bewegt, was eine geringe Selbstentladung und die Fähigkeit, gelegentliche Spitzen ohne Spannungseinbruch zu liefern, besonders wertvoll macht.
Eine Achszählanlage paart Raddetektoren an den Abschnittsgrenzen mit einem Achszählrechner, der Achsen ein- und auszählt und den Abschnitt erst dann als frei meldet, wenn die Zählwerte übereinstimmen. Der Rechner und die Detektoren nehmen wenig Dauerstrom auf, dürfen aber während einer Netzunterbrechung nicht zurücksetzen, da ein Reset eine bewusste, verfahrensgesteuerte Wiederinbetriebnahme des Abschnitts erzwingt. Das Stellwerk ist die Sicherheitsinstanz des Bereichs und hält die Fahrstraßen- und Signallogik; wo es gepuffert wird, muss seine Versorgung sauber und unterbrechungsfrei sein, damit der sichere Zustand erhalten bleibt und nicht aus dem Kaltstart neu hergeleitet werden muss.
Bahnübergänge stellen die anspruchsvollste Mischlast dar: ein stetiger Steuer- und Meldestrom zuzüglich periodischer Hochstromereignisse für Schrankenantriebe, Warnlampen und Glocken. Die Bahnübergangsautonomie wird daher um eine realistische Anzahl von Auslösezyklen während des ungünstigsten Netzausfalls herum spezifiziert und nicht nur über den Ruhestrom. Über alle diese Lasten hinweg sieht die Batterie eine Aufgabe, die überwiegend einem Erhaltungsstrom mit einer kleinen Anzahl definierter Impulse gleicht – ein Profil, das gut zu einer Chemie mit flacher Entladespannung, guter Impulsfähigkeit und sehr geringen Stillstandsverlusten passt.
Die Pufferautonomie ist eine ingenieurtechnische Anforderung, die aus dem Wiederversorgungsplan des Betreibers und dem Verkehrsrisiko der Strecke abgeleitet wird. Nach Industriepraxis für die streckenseitige Signaltechnik liegt die Pufferung von Stellwerken und Bahnübergängen üblicherweise in der Größenordnung einiger Stunden, während entfernte Streckenknoten auf langen Abschnitten teilweise für deutlich längere Zeiten ausgelegt werden; diese Angaben sind Planungsbereiche von Lieferanten und Betreibern und keine einzelne Vorschrift. Der korrekte Wert ist stets die dokumentierte Wiederversorgungszeit des Infrastrukturbetreibers zuzüglich einer Marge. Die Batterie wird anschliessend für das tatsächliche Schrankklima, das von weit unter dem Gefrierpunkt im Winter bis zu sonnenaufgeheizten Höchstwerten im Sommer schwanken kann, sowie für die Alterung bis zum Ende der Nennlebensdauer herunterdimensioniert.
Versiegelte Nickel-Metallhydrid-Zellen sind hier relevant, weil sie eine flache nominelle 1,2-V-Entladung mit einer relativ zu ihrer Kapazität guten Tieftemperaturlieferfähigkeit verbinden, keinen flüssigen Elektrolyt haben, der in einem versiegelten Außenschrank nachgefüllt oder auslaufen könnte, und kein schwermetallhaltiges Cadmium enthalten; der zweite Beitrag entwickelt die Packdimensionierung und vergleicht NiMH aufrichtig mit dem offen entlüfteten Nickel-Cadmium (der traditionellen Eisenbahn-Chemie), der ventilgeregelten Blei-Säure-Batterie (VRLA) und Lithium-Ionen.
Die Analyse führt zu einer konkreten Anforderung: eine versiegelte, wartungsarme Batteriekette mit Ladegerät, die so ausgelegt ist, dass sie den sicherheitsbezogenen Bus über die volle dokumentierte Autonomie am Lebensdauerende und bei den Temperaturextremen des Schranks hält; mit ausreichender Spitzenstromfähigkeit für die definierten Bahnübergangs- oder Weichenereignisse, ohne unter die Abschaltschwelle der Elektronik einzubrechen; einer Überwachung, die Netzausfall, Batteriespannung und verbrauchte Autonomie protokolliert; sowie einer Bauform, die Erschütterung, Feuchte und langen Bereitschaftsparallel-/Standby-Betrieb übersteht. Der Pack und seine Zellen müssen auf anerkannte Batterienormen rückverfolgbar sein und durch die Sicherheitsdokumentation gestützt werden, die der EN-50129-Nachweis erfordert.
Die beiden folgenden Beiträge überführen diese Anforderung in Hardware: Der zweite dimensioniert einen versiegelten NiMH-Streckenpack und stellt ihn gegen NiCd-, Blei- und Lithium-Alternativen, während der dritte die Qualifizierungskampagne abbildet – Umwelttests, EMV nach EN 50121, Batterienormen und die Nachweise, die ein Signaltechnik-Integrator in die Sicherheitsakte einstellen muss.
Weijiang Power entwickelt und fertigt versiegelte Nickel-Metallhydrid-Zellen und darauf abgestimmte Industriepacks für entfernte, netzunabhängige und sicherheitsbezogene Geräte und unterstützt OEM-Partner mit IEC-61951-2-Leistungsdatenblättern, IEC-62133-2-Sicherheitsnachweisen, Impulslast-Charakterisierung, Breittemperaturprüfungen sowie Ladegeräte-/Pack-Co-Validierung. Nennen Sie uns Lastprofil, Spitzenstrom, Temperaturbereich, Autonomieziel und die Normen, die Ihr Produkt erfüllen muss; unsere Ingenieure spezifizieren eine Zellen-/Pack-Kombination, die Laufzeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sichert. Das Sortiment finden Sie auf der Produktseite.
