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Fahrplan bis 2020 – Stromversorgungslösungen für den Bahnsektor

Autor / Redakteur: Patrick Le Fèvre / Benjamin Kirchbeck

Eine Studie aus dem Jahr 2016 ergab, dass die Bahnindustrie bis 2020 ein Marktvolumen von 185 Mrd. Euro erreichen wird. Im Vergleich zu Schienenfahrzeugen und Infrastruktur dürfte der Anteil, der dabei auf Stromversorgungen entfällt, eher marginal sein, und doch läuft auch auf der Schiene nichts ohne Stromversorgungen. Daher lohnt ein Blick auf die zahlreichen Herausforderungen.

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Welche Herausforderungen existieren für die Hersteller von Stromversorgungen?
Welche Herausforderungen existieren für die Hersteller von Stromversorgungen?
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Jahrzehntelang galt es für Hersteller von Stromversorgungen - gerade im Bahnbereich - hochspezialisierte Stromversorgungslösungen zu entwickeln, die den komplexen Marktanforderungen entsprechen. Dabei ging es um drei Hauptbereiche: Neuausrüstung, Modernisierung sowie Wartung bzw. Ausbau von Systemen, die seit 10 Jahren oder länger in Betrieb waren. Jeder dieser Bereiche stellt besondere Anforderungen an die Entwickler und setzt spezielle Kompetenzen und Fachkenntnisse voraus.

Der Bahnbereich ist ein konservativer Sektor, in dem Beständigkeit und Ausfallsicherheit höchste Priorität genießen. Doch die neue Technikergeneration, die an und mit Digitaltechnologien ausgebildet wurde, integriert bei der Entwicklung neuer Schienenanlagen und Bahnsysteme immer stärker auch digitale Steuerungen und setzt energiesparender Netzstrukturen wie Galliumnitrid-Halbleiter ein. Dieser, für den Bahnsektor neue, Ansatz erfordert umfassendere Qualifizierung in der Produktentwicklung und bringt neue Auflagen für die Ingenieure mit sich, von denen Lösungen verlangt werden, die auch in zwanzig Jahren noch problemlos laufen. Für Entwicklungsingenieure ist dieser Aspekt äußerst interessant und bietet die Chance, direkt mit den Entwicklungsabteilungen von Großkunden im Bahnsektor zusammenzuarbeiten.

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Von Point-of-Load zu Multi-kW – Compliance inbegriffen

Das Anwendungsspektrum im Bahnsektor ist sehr breit. Es reicht von einfachen Spannungsreglern über Point-of-Load (POL)-Wandler bis zu Umwandlern und Umrichtern von mehreren hundert Kilowatt für Zugmaschinenmotoren (siehe Abb. 1). Betrachtet man den Bahnsektor insgesamt exklusive des Servicebereichs, so entfällt der größte Anteil dieser Anwendungen auf Schienenfahrzeuge, gefolgt von Infrastruktur und schließlich Streckenumgebung und Signaltechnik. In jedem dieser Subsegmente sind eigene, vom Umfeld abhängige Anforderungen zu erfüllen. So versorgen sich beispielsweise die so genannten Low Battery Voltage Starter (LBVS) mit Strom aus der Oberleitung, den sie umwandeln und so eine niedrige Batteriespannung sichern. Dabei ist eine extrem starke Isolierung erforderlich und es müssen höchste Sicherheitsauflagen erfüllt sein (Abb. 2). Zusätzlich müssen alle Bordanlagen die entsprechenden Normen erfüllen, so zum Beispiel EN 50155 für elektronische Einrichtungen auf Bahnfahrzeugen (diese Norm umfasst zahlreiche weitere, darunter EN 50121-3-2 zur elektromagnetischen Verträglichkeit). Der Bahnsektor ist im hohen Maße genormt. Am Anfang jeder Produktentwicklung stehen eine Analyse des Anwendungsfalls und der betreffenden Normen.

Zusätzlich zu den herkömmlichen Normen zu Betriebsqualität, Betriebsparametern und Sicherheit trat in diesem Jahr – nach über zwei Jahrzehnten Entwicklung – die bereits 2013 veröffentlichte Norm EN 45545 (Brandschutz und Brandverhalten) für alle Schienenfahrzeuge in Kraft. Ziel der Norm ist es, im Falle technischer Störungen Brände sowie giftige Rauchentwicklung zu verhindern. Für Hersteller von Netzteilen bedeutet dies den Einsatz normgerechter Komponenten ebenso wie zusätzliche Tests, um sicherzugehen, dass sämtliche Vorgaben der verschiedenen Abschnitte von EN 45545 erfüllt sind.

Neben der großen Anzahl an Normen gibt es im Bahnsektor bei vielen Anwendungen sehr genau spezifizierte Anforderungen an Gehäuse und Anschlüsse, sodass viele Produkte nur für einen bestimmten Kunden entwickelt werden. Zwar geht der Trend in Richtung standardisierte Kartenmodule wie z.B. DC/DC-Wandler (Abb. 3), doch bei komplexeren Produkten, darunter Starter-Wandler für Lokomotiven oder dezentrale Batterieladeanlagen bleibt die On-Demand-Produktion Standard. Von den Herstellern fordern solche Produkte viel Entwicklungskapazität und hohe Flexibilität in der Produktion. So bleibt das Volumen von Netzteilen für die Bahnindustrie trotz des wachsenden Marktes für Stromversorgungen gering bspw. im Vergleich der Millionen Einheiten, die der Telekommunikationssektor abnimmt. Hersteller wie Powerbox müssen daher ihre Produktion an viele unterschiedliche und sehr konkrete Anforderungen anpassen.

Priorität Produktlebensdauer

Für einen Großteil der Kunden im Bahnsektor müssen wichtige Systemkomponenten mindestens 30 Jahre lang betriebsfähig sein. Diese Betriebslebensdauer gilt es bei der Entwicklung zu berücksichtigen. Auch das Design muss so angelegt sein, dass Komponenten wie Elektrolytkondensatoren im Laufe dieser Lebensdauer ausgetauscht werden können. Netzteile und Stromversorgungen für die Bahnindustrie sind in vielen Fällen extremen Umweltbedingungen ausgesetzt: Temperaturschwankungen, Erschütterungen und Vibrationen. Zu den Spezifikationen der Erstausrüstungshersteller zählt daher auch der Punkt „Austausch und Neukalibrierung von Komponenten“. Nicht selten kommen Produkte, deren Auslieferung 15 Jahre zurückliegt, zur Überprüfung und Aktualisierung zurück zum Hersteller. Diese Praxis zählt zu den besonderen Eigenheiten des Bahnsektors und wirkt sich deutlich auf die Konzeptionierung des Produktdesigns und die Fertigung aus.

Bei einem Produkt, das 30 Jahre oder länger im Betrieb sein soll, müssen die Ingenieure Komponenten mit geringem Alterungsrisiko verbauen und dabei gleichzeitig die Möglichkeit von Aktualisierungen im Laufe dieser Lebensdauer im Design berücksichtigen. Hierdurch erhöht sich der Komplexitätsgrad, während dem Einsatz neuer Technologien Grenzen gesetzt sind. Wie zuvor erwähnt, gibt es seitens der Entwickler der Bahnsysteme von morgen ein deutliches Interesse, neue Technologien zu nutzen. Doch die Tatsache, dass bisher nur wenig über Lebenszyklus, Haltbarkeit und Nachhaltigkeit dieser Technologien bekannt ist, macht ihre Einführung zu einem möglichen Risiko. Dieses Thema wird in der Bahnindustrie derzeit stark diskutiert. Auf der einen Seite steht der Wunsch, die Stromversorgungssysteme auf den neusten Stand zu bringen, damit sie energieeffizienter und besser vernetzt sind, auf der anderen das Bedürfnis nach gesicherter Langlebigkeit.

Produktentwicklung unter Zeitdruck

Im Grundsatz unterscheiden sich die Technologien, die bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen für den Bahnsektor zum Einsatz kommen, nicht wesentlich von denen in anderen Bereichen. Dank ihrer jahrelangen Erfahrung sind die Entwickler der erstgenannten in der Lage, verhältnismäßig schnell neue Produkte zu entwickeln. Neue Normen und Vorgaben sowie die Einführung neuer Technologien führen jedoch zu längeren Entwicklungszeiten. Das Spektrum an Stromversorgungslösungen und -anwendungen im Bahnbereich ist breit. Sieht man von so genannten „Standardprodukten“ wie beispielsweise Leiterplattenmodulen ab, deren Entwicklungszyklus bei etwa vierzehn Monaten liegt, so lässt sich sagen, dass die Entwicklung von komplexeren Kundenprojekten leicht 24 Monate oder sogar mehr dauern kann, und dies ohne Einberechnung des zeitlichen Aufwands für die Zulassung. Dies bedeutet eine enge Zusammenarbeit mit Herstellern von Originalteilen, die – angesichts dieser langen Fristen und des zunehmenden Konkurrenzdrucks durch asiatische Anbieter – auf die Entwicklung von Funktionsblöcken drängen, die sich für mehrere Projekte nutzen lassen.

Der Modernisierungsdruck im Bahnbereich ist hoch und nimmt weiter zu. Dementsprechend kurz sind die Vorlaufzeiten bei der Entwicklung. Dies erfordert einen neuen Ansatz. Im Falle der Schienenfahrzeuge gilt es dabei zahlreiche Aspekte zu berücksichtigen, darunter Vorgaben und Zertifizierungen. Die Auflagen bei Steuerungs- und Signalanlagen sind weniger streng. Hier lassen sich auch bereits vorhandene Stromversorgungslösungen einsetzen, beispielsweise solche für die DIN-Schienenmontage. Vorhandene Lösungen wie bspw. das Batterie-Backup-System (BBU-S) von Powerbox lassen sich innerhalb von weniger als drei Monaten auf spezielle Anforderungen anpassen und zum Beispiel um eine Funkübertragung von Telemetriedaten erweitern (Abb. 4). Erstausrüster haben mittlerweile begonnen, diese Art von Modularität bei Schienenfahrzeugen zu implementieren, doch es wird noch dauern, bis der Ansatz sich durchgesetzt hat.

Die Modernisierung der Bahnnetze wirkt sich in vielerlei Hinsicht auf Stromversorgungslösungen aus, denn Strecken müssen trotz Modernisierungsmaßnahmen in Betrieb bleiben und die bestehende Infrastruktur kann nicht einfach komplett ausgetauscht werden. Bei den Schienenfahrzeugen bedeutet Modernisierung im Allgemeinen auch die Einführung zusätzlicher Technologien, so z.B. WLAN als Fahrgastservice oder On-Board-Telemetrie zur Erhöhung der Sicherheit. Die Stromversorgungen hier sind meistens eher Standardtypen und werden als Teil des entsprechenden Systems installiert, ohne dass an dem Schienenfahrzeug weitere Veränderungen vorgenommen werden müssten.

Wird jedoch ein kompletter Zug modernisiert bzw. überarbeitet, der bereits lange im Betrieb ist, so wünschen sich die Ausrüstungsanbieter alternative Stromversorgungslösungen, die den 3F-Prinzip entsprechen: „Fit, Form und Function.“ Die überarbeiteten und verbesserten Lösungen sollen also in puncto Kompatibilität, Passgenauigkeit und Funktion den alten Lösungen entsprechen, sich ohne Verzögerungen einbauen lassen und der Systemumgebung viele weitere Jahre Betriebszeit sichern. Die Entwicklung einer 3F-Lösungen ähnelt der von kundenspezifischen Lösungen, doch durch die Verbindung aus Entwicklerkompetenz, der Nutzung von Plattformen spezialisierter Hersteller und der Wiederverwendung von Originalgehäusen lassen sich die Entwicklungszeiten hier signifikant verkürzen.

Der Hauptteil der Modernisierungsmaßnahmen im europäischen Bahnsystem entfällt auf Schienennetze und Signalsysteme. Die Ausrüstungsschränke bleiben hier meistens erhalten, sodass auch hier 3F-Lösungen gefragt sind, die sich anstelle der alten Systeme installieren lassen. Hier kann also relativ einfach Altes gegen Neues ausgetauscht. Handelt es sich um sehr alte Systeme, so wird meist ein Industriegehäuse in den alten Schrank eingebaut, das die Standard-Racks aufnehmen kann. Das verringert den Zeitaufwand für Aktualisierungen und Erweiterungen, bspw. bei der Ergänzung um Lösungen für Funk-Telemetrie-Systeme oder der Anschluss eines Schrankes in ein Glasfasernetz.

Der allgemeine Trend bei Stromversorgungslösungen im Bahnbereich geht dahin, die Entwicklungszeiten durch den Einsatz standardisierter oder modifizierter Unterbaugruppen zu verringern. Damit kommt die Branche der Stromversorgungshersteller dem Wunsch der Ausrüstungshersteller nach, zunehmend für schienennahe Systeme und integrierte Anwendungen standardisierte Konverter-Karten oder übliche Gehäusekasetten zu verwenden. Dennoch wird es auch weiterhin hochspezialisierte Stromversorgungslösungen geben, für die es mit Erfahrung und Fachkompetenz kundenspezifische On-Demand-Lösungen zu entwickeln gilt.

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