Simulation und Analyse von Energiekonzepten für Schienenfahrzeuge (Auslegung und Betrieb)
Der Energiefluss im Betrieb von Schienenfahrzeugen durchläuft eine Vielzahl komplexer Prozesse – von der Energiebereitstellung an der Ladestation oder Tankstelle über die intelligente Steuerung von Energieträgern (z. B. Batterie und Brennstoffzelle) bis hin zur effizienten Nutzung für Antrieb und die Versorgung interner Verbraucher wie Klimatisierung. Für eine bedarfsgerechte, wirtschaftliche Auslegung sowie einen effizienten Betrieb ist eine ganzheitliche Betrachtung dieses gesamten Energiepfads unerlässlich.
Motivation
Betreiber stehen vor der Herausforderung, alternative Antriebskonzepte auf bestehender Infrastruktur zu integrieren, ohne über umfassende Betriebserfahrungen mit diesen neuen Technologien zu verfügen. Vor diesem Hintergrund ist eine datenbasierte, ganzheitliche Planung entscheidend: Auf Grundlage betrieblicher Anforderungen und der vorhandenen Infrastruktur müssen sowohl eine kosteneffiziente Auslegung des Antriebssystems als auch gegebenenfalls notwendige Infrastrukturmaßnahmen abgeleitet werden.
Im laufenden Betrieb alternativer Antriebe besteht zudem ein wachsender Bedarf an systematischer Erfassung und Analyse von Flottendaten, um Optimierungspotenziale zu identifizieren. Durch die simulative Nachbildung realer Betriebsabläufe lassen sich Wirkungsgrade, Energieverbräuche und Betriebsstrategien schnell bewerten. So können Schwachstellen erkannt und gezielte Maßnahmen zur Energieeinsparung sowie zur Optimierung von Lade- und Betankungsvorgängen, Fahrweise, Fahrplan und Instandhaltung entwickelt werden.
Forschungsportfolio
Aufbauend auf unserer langjährigen Erfahrung in der Modellierung mit Python, MATLAB, Simulink und Dymola entwickeln wir digitale Systemmodelle mit virtuellen Komponentenabbildern, um fundiertes Wissen für nachhaltige und bedarfsgerechte Transportlösungen im Schienenverkehr zu generieren.
Mit pySimRail – einem mehrstufigen, modularen Python-Framework – können wir den gesamten Betriebsablauf (alternativ angetriebener) Schienenfahrzeuge digital abbilden. Es kombiniert detaillierte Teilmodelle für:
- Längsdynamik zur Simulation der Fahrzeugbewegung,
- Fahrgastraummodell mit Fokus auf Heizung, Lüftung und Klimatisierung,
- Energiemanagementsystem zur intelligenten Leistungsverteilung und effizienten, komponentenschonenden Betriebsführung (z. B. von Batterie und Brennstoffzelle),
- Betankungsmodell für Wasserstofffahrzeuge.
Unser Ansatz unterstützt sowohl in der Konzeptphase bei der Entwicklung wirtschaftlicher Fahrzeug- und Infrastrukturkonzepte als auch im laufenden Betrieb durch einen umfassenden Service zur Erfassung, Analyse und Optimierung realer Betriebsdaten alternativer Antriebssysteme.
Projektreferenzen
Veröffentlichungen
- Wird auf dem World Congress of Railway Research (WCRR) 2025 vorgestellt
- electronic library - The FCH2RAIL Project: A Demonstration of a Modular Fuel Cell Hybrid Power Pack
- electronic library - Efficient Air Conditioning of Battery-Electric Multiple Units (BEMU): Modeling and Optimization
- electronic library - IRSA 2023 Proceedings: Comparison of simulative methods for dimensioning of fuel cell-battery hybrid powertrains in FCH2Rail and VirtualFCS