Bordnetzsimulation für Schienenfahrzeuge

Die Auslegung des Bordnetzes von Schienenfahrzeugen und das Verhalten der Batterien im Bordnetz werden von der Bordnetzstruktur, der Zahl und der Größe der elektrischen Verbraucher, der Kapazität und Eigenschaften der Batterie, der Spannungslage, Ladekennlinie und der Leistung der Stromversorgungsgeräte und den ohmschen Verlusten auf den Leitungen beeinflusst. Die Dimensionierung und Auswahl von Batterien und Stromversorgungen erfolgt zurzeit auf der Grundlage der Addition der Leistung aller Verbraucher und Annahme gewisser Gleichzeitigkeitsfaktoren für den Betrieb. Tendenziell werden damit Batterien und Stromversorgungsgeräte überdimensioniert. Dies kann die Zuverlässigkeit erhöhen, führt aber ganz sicher in manchen Fällen zu einer wirtschaftlich fragwürdigen Lösung. Müssen Verbraucher geändert oder weitere Verbraucher zur Erhöhung des Kundenkomforts installiert werden, ist bei einer derartigen Auslegung letztlich unklar, ob die Batteriegröße dann noch ausreicht und welche Auswirkungen sich auf die zu erwartende Lebensdauer und Ersatzzeiträume ergeben.
Derartige Zusammenhänge experimentell zu untersuchen ist aufwändig. Sie können einfacher durch ein Simulationsprogramm, das alle Aspekte in einem ganzheitlichen Ansatz berücksichtigt, geklärt werden. Das Programm soll einfach parametrisierbar sein und die Simulation von Fahrten für unterschiedliche Fahrzeuge, Bordnetzstrukturen und Batterien bei veränderlicher Umgebungstemperatur durchführen können. Bestehende Programme, die sich für diese Problematik eignen, würden viele Parameter zur Eingabe erfordern, aber dennoch nicht alle Anforderungen erfüllen. Es existiert kein Programm, welches die Spannung der Batterie für das Laden und Entladen mit konstantem Strom, für das Laden mit konstanter Spannung und für Hochstromentladungen gleichermaßen berechnen kann.
Es wurde ein modular aufgebautes Bordnetz-Simulationsprogramm entwickelt. Damit wurde erreicht, dass zusätzliche Programmteile oder Daten ohne großen Aufwand in das Gesamtprogramm implementiert werden können. Die Programmteile und Datenbanken bleiben, bis auf durch unterschiedliche Simulationsprogrammteile gekoppelte Simulationsparameter, von Erweiterungen unbeeinflusst. Durch den modularen Aufbau können also sowohl weitere Zugdaten und Nutzungsdaten, wie zusätzliche Verbraucher, andere Strecken, neue Bordnetzstrukturen, als auch weitere Simulationsprogramme eingefügt werden.
Großer Vorteil des Bordnetzsimulations-Programms BNS ist die einfache Parametrisierung; für die vollständige Beschreibung der Lade- und Entladecharakteristik werden lediglich zwei Entlade- und eine Ladekurve benötigt. Für das Hochstrom-Modell ist nur die Angabe des Innenwiderstands nach DIN notwendig.

Das erstellte Programm BNS ist in der Lage, den Spannungs-, Temperatur- Ladezustands- und Gasungsstromverlauf quantitativ und qualitativ richtig zu beschreiben. Eine Verifizierung der Ergebnisse im Labor bei verschiedenen Umgebungstemperaturen und Lade bzw. Entladeströmen lieferte eine hohe Übereinstimmung.
Auf Basis eines ereignisorientierten Ansatzes wurden ein Lebensdauermodell sowie ein Kostenmodell implementiert. Erstmals eingesetzt bei der Deutschen Bahn Systemtechnik hat das Bordnetzsimulations-Programm inzwischen auch seinen Praxistest bestanden. Das Projekt konnte mit Abgabe der Software im März 2006 erfolgreich abgeschlossen werden.

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