Evaluation of cyclic battery ageing for railway vehicle application

Mobile transportation systems rely heavily on hydrocarbon based internal combustions engines (ICE) as the prime mover of vehicles. For rail applications electrification of the route provides an opportunity to improve efficiency and eliminate local emissions at point of use. However, route electrification is not always cost effective for secondary routes which see lower passenger volumes and less frequent trains; there is therefore an increasing interest in railway vehicles being equipped with energy storage based propulsion systems. Most of the railway vehicles that use an electrical traction energy storage system are at a prototype stage. Therefore, long-term real life data for the behaviour of traction batteries is not available up to now. The study presented in this paper describes ageing characterisation of two battery chemistries (Nickel-Manganese-Cobalt (NMC) and Lithium-Iron-Phosphate (LFP)) for representative rail duty cycles. Test bench trials are performed to represent roughly 1500 h of battery operation. A Battery Only and a Hybrid Energy Storage System case are considered

Next Generation Train - Tomorrow's Propulsion System

Am Institut für Fahrzeugkonzepte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt wird an neuartigen Konzepten und Technologien für Straßen- und Schienenfahrzeuge geforscht. Der Fokus der Forschungstätigkeiten liegt dabei auf alternativen Antriebskonzepten und neuartigen Leichtbau- und Strukturbauweisen. Die Forschungskompetenzen des DLR im Bereich Schienenfahrzeuge werden im Projekt „Next Generation Train“ (NGT) gebündelt. Dabei wird gezeigt, wie zukünftige Zugverkehre schneller, komfortabler, energieeffizienter und wartungsfreundlicher gestaltet werden können. Anhand des NGT LINK, einem am DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte entwickelten Konzept für einen schnellen Zubringerzug, wird das Potenzial neuartiger Antriebskonzepte mit alternativen Energiewandlern und Energiespeichern erforscht, die als Alternative zum reinen Dieselbetrieb auf teilelektrifizierten Strecken eingesetzt werden können. Dazu erfolgt für die teilelektrifizierte Strecke Stuttgart – Ulm – Oberstdorf die Auswahl, Dimensionierung und Bewertung verschiedener Antriebskonzepte, wie z.B. eines Brennstoffzellenhybridantriebs (FCMU) und eines batterieelektrischen Antriebs (BEMU). Um das Potential alternativer Antriebssysteme für Schienenfahrzeuge zu verdeutlichen, erfolgt eine techno-ökonomische Gegenüberstellung verschiedener Antriebskonzepte auf Basis eines existierenden Nahverkehrs-Verbrennungstriebzuges (BR 612, DMU). Hierzu werden alternative Antriebskonfigurationen für eine durchgängig nicht-elektrifizierte Strecke (Ulm-Oberstdorf) analysiert. Aufbauend auf Fahrzeugsimulationen werden die erforderlichen Antriebs- und Speicherkomponenten eines FCMU und BEMU ausgelegt und hinsichtlich ihrer Lebenszykluskosten bewertet. Abschließend werden Aussagen zur generellen Eignung der Konzepte für das dargestellte Einsatzszenario abgeleitet

The Potential of Hybrid Energy Storage Systems for Railway Vehicle Applications

This paper evaluates the potential of hybrid energy storage systems (HESS) for heavy railways. A HESS describes the combination of at least two different types of energy storage with diverging characteristics in an integrated energy storage system. Thus, several advantages (e.g. compact design, longer lifetime and higher efficiency) can be achieved, compared to single type energy storage. In the first part of the paper, the demand for electrical energy storage systems in railway applications is highlighted and the general characteristics of hybrid energy storage systems are discussed. Then the potential of a HESS is analysed, using the Next Generation Train feeder train concept “NGT LINK” as an application example. Finally, the boundary conditions for a reasonable usage of a HESS are derived, considering different load profiles

Railway vehicles and energy storages - A contradiction?

Besides automotive applications, the railway sector becomes a more and more important field of application for energy storages. The fact that the service conditions of a railway vehicle deviate from a car, e.g. railway vehicles have a higher energy consumption of auxiliary aggregates, suggests that different rules of dimensioning have to be considered for energy storages. This underlines the importance to have a well-directed focus on this means of transport. As there are many different railway vehicles who offer a potential to include (or already use) energy storages, it is important to determine the specific edge conditions of every vehicle segment. Each of the railway vehicle segments offers different individual constraints. That includes station spacing, mileage, performance, weight and cross section amongst others. These boundary conditions have a strong influence on the selection of an appropriate energy storage system –e.g.: while a (comparatively) low weight is an important factor for standard gauge railways, a heavy weight might have a positive impact for shunting locos that need a certain axial force, to transmit the required traction force. The fact that only ~50% of today’s tracks are electrified in Germany and Europe causes that diesel-driven vehicles are still a dominant technology in day-to-day passenger and goods rail transport. While fuel prices are expected to experience a steady increase in the next years, hybrid drivetrains or even fully electrified drivetrains come to the fore. The paper will discuss different applications for energy storages, like Light Rail Vehicles and Trams, shunting locos and standard gauge railways. In addition to possible scopes of application, the paper will discuss limitations and special restrictions, which result from the usage of energy storages in railway vehicles. A state-of-the-art review will focus on realized projects (R&D) and railway vehicles that already use energy storages. Furthermore the paper will show possible “new markets”, like the usage of traction energy storages for railway vehicles passing partly electrified tracks or non-electrified tracks. Finally an example for the design of a battery-driven and a hybrid railway vehicle will be presented. The dimensioning will be based on simulation results of a reference vehicle, running on a reference track. Therefore a simulation model, based on Dymola, will be used and described briefly

Design, Dimensioning and Analysis of a novel, locally emission-free Propulsion Concept for Regional Trains on non-electrified Railway Lines

This paper describes a novel, locally emission-free propulsion concept for regional trains on non-electrified railway lines. The propulsion concept is designed and dimensioned for the Next Generation Train – LINK (NGT LINK) train concept, a fast, double deck feeder train developed by German Aerospace Center (DLR). First, the NGT LINK is introduced and a novel propulsion concept based on on-board energy storage units (ESU) and inductive energy transfer system (IETS) is developed. For the dimensioning of the components a round-trip on the modified German relation Ulm - Oberstdorf - Ulm is considered as a non-electrified reference route. Furthermore an implementation strategy pictures out, how the transition from current status quo to complete implementation of the novel propulsion concept may be achieved

High-Speed Passenger Train NGT Link: Propulsion and Electrical Power Supply Concept

In this paper the concept for a next-generation high speed trainset will be presented with special focus on the drive and power supply concept. The NGT Link train concept is being developed within the "next generation train" (NGT) project at the German Aerospace Center. The NGT Link is designed as a feeder train and should be able to be used on partly electrified lines. Accordingly the propulsion and power supply concept has to cope with these special requirements and has to ensure a safe and reliable operation with a non-continuous energy supply

Zubringer-Hochgeschwindigkeitstriebzug NGT LINK Fahrzeug-, Antriebs- und Energieversorgungskonzept

Seit 2008 bündelt das Next Generation Train (NGT) Projekt Forschungstätigkeiten im Bereich von Schienenfahrzeugen am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das Projekt ist in drei Phasen aufgeteilt. Während in der ersten Phase des Projekts (2008 bis Ende 2010) der Ultra-Hochgeschwindigkeitszug NGT HGV im Fokus stand, wurden die Forschungsarbeiten in der zweiten Phase mit einem weiteren Fahrzeug der NGT Familie, dem NGT LINK fortgeführt. Der NGT LINK ist ein 230 km/h schneller, interregionaler Zubringerzug der kleinere Städte miteinander und mit den NGT Hauptstrecken verbindet. In den letzten Jahrzehnten wurden Züge in Europa und Asien für immer höhere Geschwindigkeiten ausgelegt. In Deutschland kam die Erhöhung von 200 km/h auf 300 km/h mit der Einführung der ICE Züge, in China hat sich die maximale Reisegeschwindigkeit von 160 km/h auf 350 km/h mit der Einführung der CRH Züge mehr als verdoppelt. Die Erhöhung der Reisegeschwindigkeiten ist für den Energiebedarf und die Lärmemissionen der Züge aber nicht ohne Folgen geblieben. Die Züge der NGT Familie werden durch gezielten Leichtbau, innovative Technologien und durchdachte Fahrzeugkonzepte leiser, effizienter und dabei noch schneller als heutige Züge fahren. Für den NGT LINK werden Erkenntnisse, die in der Erforschung des NGT HGV gewonnen wurden, aufgegriffen und um die spezifischen Anforderungen des NGT LINK erweitert. Während der NGT HGV primär für Strecken mit induktiver Energieübertragung konzipiert ist, soll der NGT LINK zusätzlich auf bereits existierenden konventionellen und teilelektrifizierten Strecken eingesetzt werden können. Der NGT LINK ist ein siebenteiliger, doppelstöckiger, ultraleichter Triebzug mit einer Länge von 120 m. Bei der Entwicklung des Fahrzeugs stehen vor allem Leichtbau und Effizienz im Vordergrund. Der Wagenkastenrohbau eines Mittelwagens wiegt zwischen fünf und sechs Tonnen. Voll ausgestattet und beladen wiegt ein Mittelwagen je nach Klasse und Innenausstattung zwischen 30,8 und 34 Tonnen. Da jeder Mittelwagen über zwei Einzelrad-Einzelfahrwerke verfügt, überschreitet der NGT LINK nicht die 17 Tonnen Achslast, die z.B. für französische lignes à grande vitesse erlaubt sind. Durch das neuartige Fahrwerkskonzept ergeben sich neue Möglichkeiten hinsichtlich Bauraumnutzung und Fahrdynamik. Da jedes Rad einzeln angetrieben wird, entfällt die Notwendigkeit einer Achse zwischen den Rädern. Ähnlich wie beim NGT HGV ermöglicht dies einen stufenlosen Durchgang auf beiden Ebenen und macht den NGT LINK so zu einem echten Doppelstockzug. Da sich die Räder unabhängig voneinander drehen können, wird kein natürlicher Sinuslauf erzeugt. Durch Sensoren in den Achsen und eine schnelle rechnergesteuerte Regulierung der Drehmomente der Fahrmotoren kann das Fahrwerk aber sicher und ohne Spurkranzanlaufen in der Spur gehalten werden. Ein künstlicher Sinuslauf kann so eingestellt werden, dass sich die Räder ideal abnutzen. An das Antriebssystem des NGT LINK werden vielfältige Ansprüche gestellt. Um den Forderungen des Lastenhefts und der gängigen Normen und Richtlinien, wie z.B. der HS TSI RST, zu entsprechen, muss für den NGT LINK eine Antriebsleistung von rund 2,5 MW sowie eine Anfahrzugkraft von 381 kN vorgesehen werden. Der spezifische Energiebedarf des NGT LINK lässt sich gegenüber dem des ICE-TD für das UIC-Fahrprofil Intercity um rund 51 % reduzieren. Damit wird die im Lastenheft gestellte Anforderung einer Halbierung des spezifischen Energiebedarfs gegenüber dem ICE-TD erfüllt. Um die Wirkungsgradverluste im Fahrzeug zu reduzieren und um das Gewicht zu senken, wird für den NGT LINK der Einsatz eines Mittelfrequenztransformators vorgesehen. Hierdurch ergibt sich auch die Möglichkeit einer Kopplung mit der fahrdrahtlosen Energieübertragung. Das Antriebssystem muss darüber hinaus einen Betrieb auf teilelektrifizierten Strecken ermöglichen und benötigt daher eine autarke Energieversorgung. Hierzu wurden für den NGT LINK verschiedene Möglichkeiten untersucht, wobei auch eine exemplarische Auslegung einer Lithium-Ionen Traktionsbatterie für die Referenzstrecke Stuttgart-Ulm-Oberstdorf erfolgte. Diese Strecke ist zwischen Ulm und Oberstdorf nicht elektrifiziert. Es zeigt sich, dass hierdurch ein hohes Gewicht von rund 20 t in Kauf genommen werden muss. Auch die Investitions-/Betriebskosten sind momentan höher als bei einem vergleichbaren Dieselfahrzeug. Nichtsdestotrotz stellt diese Konfiguration aufgrund der stetig steigenden Dieselpreise und verringerten Schadstoffemissionen eine Alternative gegenüber den konventionell betriebenen Dieselfahrzeugen dar. Zukünftig werden auch Antriebskonfigurationen mit hybriden Energiespeichern und Brennstoffzellen untersucht und auf ihre Eignung hin geprüft. Auf elektrifizierten Strecken erfolgt die Stromübertragung bei Vollbahnen konventionell über Oberleitungen und Stromabnehmer. Dieses Übertragungssystem ist durch eine Reihe betrieblicher Nachteile gekennzeichnet, die im Wesentlichen aus der kontaktbehafteten Stromübertragung resultieren - wie z.B. dem Verschleiß von Fahrdraht und Schleifleisten oder dem durch den Stromabnehmer hervorgerufenen aerodynamischen Widerstand sowie die von ihm erzeugten Schallemissionen. Vor dem Hintergrund der genannten Nachteile wird derzeitig am DLR in Kooperation mit der Universität Stuttgart die Machbarkeit für eine Anwendung eines induktiven, berührungslosen Energieübertragungssystems für Vollbahnen untersucht. Die wesentlichen Herausforderungen für eine induktive Energieübertragung im Vollbahnbereich sind der vergleichsweise große Luftspalt und dessen betrieblich bedingten Schwankungen (etwa 80…265 mm infolge von Einfederung und Radverschleiß), die hohe Fahrzeuggeschwindigkeit und vor allem die großen Übertragungsleistungen. Einschließlich aller Nebenverbraucher beträgt die notwendige Übertragungsleistung des NGT LINK etwa 3,5 MW. Das Integrationskonzept sieht vor, dass die Komponenten der induktiven Energieübertragung (Wicklungssystem, Leistungselektronik) in Form von stets baugleichen Modulen im Unterflurbereich des Fahrzeuges integriert werden. Beim NGT LINK können maximal drei Module pro Mittelwagen und zwei Module pro Endwagen installiert werden. Bei einer vollständigen Bestückung mit 19 Modulen beträgt die übertragene Leistung somit 185 kW pro Modul. Durch die hohe Ausnutzung der unterflur zur Verfügung stehenden Fläche beträgt die erforderliche Leistungsdichte etwa 50 kW/m² und liegt damit deutlich unter dem Wert bereits realisierter Anwendungen. Für einen Betrieb auf teilelektrifizierten Strecken und für Fahrzeugkonzepte, wie die des NGT LINK, bietet das induktive Energieübertragungssystem vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Die abschließende Beurteilung der Machbarkeit kann jedoch nur nach einer hinreichenden Bewertung der Wirtschaftlichkeit des Systems erfolgen. Um kurze Reisezeiten zu ermöglichen, sind für Fahrzeuge des interregionalen Verkehrs neben einer hohen Reisegeschwindigkeit kurze Haltezeiten sehr wichtig. Wissenschaftliche Studien zeigen, dass unter anderem sitzplatz- und bodennahe Gepäckablagen, eine gleichmäßige Verteilung der Türen, großzügige Eingangsbereiche und ein stufenloser Einstieg den Fahrgastwechsel beschleunigen können. Diese Aspekte werden beim Design des NGT LINK berücksichtigt, um einen möglichst schnellen und reibungslosen Fahrgastwechsel zu gewährleisten. Schienenfahrzeuge sehen sich zunehmend mit einer Ressourcenknappheit, schärferen Umweltbestimmungen sowie steigenden Mobilitäts- und Komfortansprüchen konfrontiert. Um die Wettbewerbsfähigkeit von Schienenfahrzeugen zu erhalten, besteht ein Bedarf an modernen Fahrzeugen, die diesen Anforderungen gerecht werden. Das Konzept des NGT LINK zeigt, wie Züge zukünftig gestaltet sein können, um ein konkurrenzfähiges, ökonomisches und ökologisches Verkehrsmittel anzubieten, das sowohl Effizienz als auch Komfort vereint

Fahrdrahtlose Energieüber-tragung bei Schienenfahr-zeugen des Vollbahnverkehrs

Damit das fahrdrahtlose Energieübertragungssystem (FEÜ) eine Alternative zu den bestehenden Energieübertragungssystemen von Bahnfahrzeugen sein kann, muss das System für das gesamte Leistungsspektrum von Vollbahnen geeignet sein. Von entscheidender Bedeutung ist hierbei die an das System gestellte Höchstanforderung. Aus diesem Grund wurden ein Referenzfahrzeug der Ultra-Hochgeschwindigkeitszug NGT HGV für die Untersuchungen herangezogen, welcher im Rahmen des Projektes „Next Generation Train“ (NGT) am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelt wird. Dieser 202 m lange doppelstöckige Triebzug besteht aus zwei End- sowie acht Mittelwagen und erreicht eine Betriebsgeschwindigkeit von 400 km/h. Der maximale Gesamtleistungsbedarf des NGT HGV einschließlich Verluste sowie des Leistungsbedarfs für Hilfs- und Komforteinrichtungen beträgt ≈ 25 MW. Die Stromübertragung erfolgt bei Vollbahnen in der Regel über Oberleitungen und Stromabnehmer. Dieses Übertragungssystem ist durch eine Reihe betrieblicher Nachteile gekennzeichnet, die im Wesentlichen aus der kontaktbehafteten Stromübertragung resultieren. Zum einen führt die Stromübertragung über einen Gleitkontakt zum Verschleiß der Kontaktmaterialien. Zum anderen führt der Stromabnehmer zu einem erhöhten Energiebedarf infolge des aerodynamischen Widerstands und vor allem bei höheren Geschwindigkeiten zu signifikanten Schallemissionen. Hinzu kommt, dass das Übertragungssystem äußeren Einflüssen unterliegt, welche das Kontaktverhalten zusätzlich negativ beeinflussen und die Verfügbarkeit des Gesamtsystems einschränken können bis hin zum temporären Systemausfall. Aus den genannten Gründen ist es erstrebenswert, eine Alternative zu dem bisherigen System zu entwickeln. Ein berührungsloses Energieübertragungssystem kompensiert dabei die genannten Nachteile des konventionellen Stromabnehmer-Oberleitung-Systems. Aufgrund der Spezifika der Anwendung im Vollbahnbereich mit hohen Übertragungsleistungen wurde zu Projektbeginn festgelgt, dass die Energieübertragung induktiv nach dem transformatorischen Prinzip erfolgen soll