Entwicklung eines Simulationstools für Batterie-Thermomanagement-Systeme von Schienenfahrzeugen

Kurzfassung

Batterieelektrische Triebzüge stellen im Kontext der europäischen Klimaziele und der angestrebten Reduktion verkehrsbedingter CO₂-Emissionen eine vielversprechende Alternative für den Betrieb auf nicht oder nur teilweise elektrifizierten Schienenstrecken dar. Besonders auf Regionalstrecken, auf denen bisher dieselbetriebene Fahrzeuge eingesetzt werden, können Batteriezüge zur Dekarbonisierung des Schienenverkehrs beitragen. Ein hohes Anwendungspotenzial ergibt sich insbesondere in Ländern mit relevantem Anteil nicht elektrifizierter Strecken, wie beispielsweise Deutschland. Neben der elektrischen Energie- und Leistungsbereitstellung gewinnt dabei das thermische Verhalten der Traktionsbatterie an Bedeutung, da Batterietemperaturen die Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Alterung des Speichersystems beeinflussen. Bestehende Simulationswerkzeuge am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt ermöglichen bereits die Abschätzung elektrischer Leistungs- und Energiebedarfe batterieelektrischer Schienenfahrzeuge, berücksichtigen jedoch bislang keine thermischen Vorgänge innerhalb der Traktionsbatterie sowie keinen zusätzlichen Energiebedarf eines Batterie-Thermomanagementsystems. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines modularen, systemlevelbasierten Simulationsframeworks zur Untersuchung des thermischen Verhaltens von Traktionsbatterien und des daraus resultierenden Heiz- und Kühlbedarfs eines Batterie-Thermomanagementsystems. Hierfür wird ein Python-basiertes Modell entwickelt, das zeitabhängige Batterieleistungsprofile mit einem vereinfachten elektrischen Verlustmodell, einem nulldimensionalen thermischen Batteriemodell und einem abstrahierten BTMS-Modell koppelt. Die Wärmeentstehung wird effizienzbasiert aus der elektrischen Leistungsanforderung abgeleitet. Das BTMS wird über definierte Temperaturgrenzen, verfügbare Heiz- und Kühlleistungen sowie konstante energetische Wirkungsgrade beschrieben. Das Framework ermöglicht eine konfigurationsbasierte Variation zentraler Einflussgrößen wie Umgebungstemperatur, Temperaturkontrollband, BTMS-Leistung und Batteriekapazität. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Umgebungstemperatur den dominierenden externen Einfluss auf das Batterietemperaturniveau darstellt. Unter moderaten Bedingungen kann das definierte Temperaturband weitgehend eingehalten werden, während bei extrem niedrigen oder hohen Umgebungstemperaturen längere Heiz- beziehungsweise Kühlphasen und thermische Grenzbereichsverletzungen auftreten. Die verfügbare Heiz- und Kühlleistung beeinflusst die thermische Stabilität wesentlich. Ein engeres Temperaturkontrollband verbessert die Temperaturführung, erhöht jedoch den elektrischen Eigenbedarf des BTMS. Die Variation der Batteriekapazität zeigt einen messbaren, jedoch im Vergleich zu Umgebungstemperatur und BTMS-Leistung geringeren Einfluss. Die Arbeit zeigt, dass ein vereinfachter systemebenenbasierter Modellierungsansatz geeignet ist, thermische Anforderungen und energetische Auswirkungen eines BTMS in frühen Konzept-, Sensitivitäts- und Anforderungsanalysen nachvollziehbar abzuschätzen. Das entwickelte Framework liefert keine finale komponentenspezifische Auslegung eines realen 4 BTMS, stellt jedoch ein geeignetes Auslegungstool zur systematischen Bewertung zentraler Einflussgrößen und Zielkonflikte zwischen Temperaturführung und zusätzlichem Energiebedarf dar.