Der Eisenbahnmarkt
China ist der größte nationale Markt für Eisenbahntechnologie mit einem geschätzten Volumen von rund 33 Milliarden Euro jährlich, so das spezialisierte Verkehrsforschungsunternehmen SCI Verkehr GmbH.https://sci.de/Obwohl China mit dem umfangreichen Ausbau des Eisenbahnnetzes und insbesondere der Hochgeschwindigkeitsnetze viele Schlagzeilen gemacht hat, befindet sich der nationale Markt im Niedergang. Es wird erwartet, dass der OEM-Markt in den nächsten fünf Jahren jährlich um 51.034 Tonnen zurückgehen wird.
In Westeuropa präsentiert sich die Lage etwas anders: Hier herrscht ein starker Markt mit einem geschätzten Volumen von 45,6 Milliarden Euro und einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 3,81 Milliarden US-Dollar. Osteuropa ist mit 11,2 Milliarden Euro kleiner, verzeichnet aber ein etwas stärkeres Wachstum (durchschnittliches jährliches Wachstum von 4,31 Milliarden US-Dollar). Deutschland ist mit 11 Milliarden Euro der größte Markt in Westeuropa und repräsentiert fast ein Viertel des Gesamtmarktes. Es zählt neben China, den USA, Russland und Frankreich zu den fünf wichtigsten Märkten.
Technologie und Züge
Während der Ausbau der Infrastruktur und des Schienenfahrzeugbestands ein wichtiger Wachstumstreiber auf dem Eisenbahnmarkt ist, trägt auch der verstärkte Einsatz von Technologie zur Steigerung des Marktwerts bei.
Moderne Konsumenten haben hohe Erwartungen, und Bahnbetreiber setzen immer mehr Technologie ein, um diesen Wünschen gerecht zu werden. Moderne Züge verfügen fast immer über ausgefeilte Fahrgastinformationssysteme (visuell und akustisch), die die Fahrgäste über ihre Reise informieren, sowie über moderne Beleuchtung und Klimaanlage/Belüftung für ein angenehmes Reiseklima. Zuverlässiges WLAN war früher ein Luxus und ist heute Standard. Ähnlich wie in Flugzeugen bieten einige Züge Bildschirme in den Rückenlehnen mit On-Demand-Unterhaltung, die den Fahrgästen Unterhaltung und den Betreibern zusätzliche Einnahmen bieten.
Die Technologie kommt jedoch nicht nur den Fahrgästen zugute. Moderne Schienenfahrzeuge sind mit zahlreichen Sensoren ausgestattet, die wichtige Parameter wie die seitlichen Schwingungen des Wagens und die Lagertemperatur messen – hilfreich für die Planung der routinemäßigen Wartung. Ein Großteil der von den Sensoren erfassten Daten wird in Echtzeit an Empfänger entlang der Strecke übertragen und zusätzlich in einem Flugschreiber gespeichert, der den Betreibern nützliche Daten und den Ermittlern im Falle eines Vorfalls wichtige Hinweise liefern kann.
Für sich genommen stellt diese Technologie bereits einen bedeutenden Fortschritt für die Eisenbahn dar. Zugsteuerungs- und -managementsysteme (TCMS) ermöglichen jedoch die Vernetzung aller Sensoren und Funktionen und bieten so eine noch höhere Leistungsfähigkeit sowie Redundanz und die Einhaltung der Sicherheitsstandards (SIL), wodurch ein ausfallsicherer Betrieb gewährleistet wird.
Netzwerksysteme wie TCMS sind im Allgemeinen modular aufgebaut und bestehen aus mehreren Karten, die sich exakt an die jeweiligen Anwendungsanforderungen anpassen lassen. Diese Modularität führt zum Einsatz von verteilten Stromversorgungsarchitekturen (DPA) nach Telekommunikationsstandard, die auf Leistungsmodulen basieren, um die einzelnen Karten mit Strom zu versorgen. Ähnliche Leistungsmodule werden auch für andere Technologien im gesamten Schienenfahrzeug verwendet und sind häufig unter den Sitzen oder in Schränken in den Gängen untergebracht.
Normen und Vorschriften
Eisenbahnen stellen keine optimale Umgebung für moderne Technologien dar, weshalb robuste Geräte zum Einsatz kommen müssen, um vorzeitige Ausfälle zu vermeiden. Um die Eignung der im Eisenbahnwesen verwendeten Geräte sicherzustellen, wurden zahlreiche Normen entwickelt. In der Vergangenheit erfolgte die Entwicklung dieser Normen auf nationaler Ebene, insbesondere in Ländern wie Deutschland (VDE), Frankreich (NFF), Großbritannien (RIA) und Italien (ST). Trotz vieler Gemeinsamkeiten bestanden auch bemerkenswerte Unterschiede, die insbesondere beim grenzüberschreitenden Einsatz von Schienenfahrzeugen zu Herausforderungen führten.
Es wurden große Anstrengungen unternommen, diese Normen auf europäischer Ebene zu harmonisieren, und eine Reihe von Normen sind mittlerweile allgemein üblich. Die bekannteste ist EN 50155 “Elektronische Geräte für Schienenfahrzeuge im Eisenbahnwesen”, obwohl diese über 25 weitere EN- und IEC-Normen zu verwandten Themen verweist.
Wie viele Normen dieser Art zielt auch EN 50155 darauf ab, die Anforderungen an alle Arten von elektronischen Geräten in Schienenfahrzeugen zu erfüllen (die Anforderungen für Anwendungen entlang der Strecke sind etwas weniger streng und werden durch andere Normen abgedeckt). Die wichtigsten Aspekte für Leistungsmodule (einschließlich DC/DC-Wandler) lassen sich jedoch in folgende Kategorien einteilen:
- Anforderungen bezüglich der Eingangsspannung
- Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV/EMI)
- Mechanische / physikalische Anforderungen
- Anforderungen in Bezug auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit
- Anforderungen an die elektrische Trennung
Die Anforderungen an die Eingangsspannung sind in EN 50155 spezifiziert und sind so ausgelegt, dass sie den in Bahnanwendungen typischerweise auftretenden starken Schwankungen der Stromquellen sowie dem Auftreten von Spannungsspitzen und anderen Störungen der Versorgung Rechnung tragen.
Wird das Gerät direkt von einer Batterie ohne jegliche Regelung gespeist, ist ein korrekter Betrieb mit Spannungen im Bereich von 70% bis 125% der Nenneingangsspannung (V) erforderlich.NDarüber hinaus wurden Ausfälle bis zu einer Höhe von 60% von V beobachtet.N für 100 ms und Stoßüberspannungen bis zu 140% von VN für eine Sekunde, ein häufiges Phänomen beim Hochfahren von Geräten.
Die weltweit am häufigsten für die Bordelektronik von Eisenbahnen verwendeten Gleichspannungen, die daher hier hauptsächlich betrachtet werden, sind 24 V, 72 V und 110 V.
Die Norm fordert außerdem, dass kurzzeitige Überspannungen von bis zu 1800 V (50 ms) abgefangen werden können. Dies wird üblicherweise mit einem Überspannungsschutz (TVS) erreicht, der Energien bis zu 1,5 J unterdrücken kann. Die Klemmspannung des TVS muss mit der des DC/DC-Wandlermoduls kompatibel sein.
Während die meisten nationalen Normen mit EN 50155 harmonisiert sind, weicht die britische Norm RIA12 in einem wichtigen Punkt bezüglich des Überspannungsschutzes von EN 50155 ab. RIA12 fordert, dass Geräte einer Überspannung von 3,5 V standhalten müssen.N bis zu 20 ms. Dies liegt außerhalb der Möglichkeiten eines TVS-Sensors, und es ist eine aktive externe Schaltung zum Schutz vor solch schnellen Transienten und Spannungsspitzen erforderlich.
In puncto elektromagnetischer Verträglichkeit stellen Eisenbahnen eine anspruchsvolle Umgebung dar. Die Hochspannungen der Oberleitungen sind eine potenzielle Störquelle, ebenso wie die bordeigenen Transformatoren und Hochleistungsmotoren. Fahrgäste nutzen während der Fahrt zudem häufig Smartphones und Laptops, die allesamt elektromagnetische Störungen (EMI) abgeben können.
EN 50155 behandelt EMV-Anforderungen durch Verweise auf EN 50121-3-2 “Eisenbahnanwendungen – Elektromagnetische Verträglichkeit – Schienenfahrzeuge – Geräte”. Diese Norm definiert Grenzwerte sowohl für elektrische Störungen, die auf elektronische Geräte einwirken, als auch für die von ihnen ausgehenden Emissionen. Im Allgemeinen werden diese Anforderungen durch den Einsatz eines externen EMV-Filters erfüllt. Vorschläge für EMV-Filter für DC/DC-Wandler sind üblicherweise in den jeweiligen Technischen Spezifikationen enthalten. Selbstverständlich müssen jedoch Systemtests am gesamten Endgerät durchgeführt werden, um die vollständige Konformität sicherzustellen.
Neben den elektrischen Störungen stellen Bordanwendungen im Schienenverkehr auch physikalisch anspruchsvolle Umgebungen für elektronische Systeme dar. Während der Fahrt treten ständig Vibrationen auf, die zu Materialermüdung führen. Zudem können Stöße bis zu 5G auftreten, insbesondere beim Rangieren von leeren Waggons.
EN 61373 “Ausrüstung für Schienenfahrzeuge – Stoß- und Schwingungsprüfungen” behandelt speziell die mechanischen Anforderungen an elektronische Geräte (einschließlich Leistungsmodule) für Bahnanwendungen. Die Norm berücksichtigt, dass die Platzierung der Geräte an sieben definierten Standorten (von geschlossenen elektrischen Betriebsräumen bis hin zu dynamischen Außenbereichen) zu unterschiedlichen mechanischen Beanspruchungen führt und trägt dies bei der Klassifizierung der Geräteklassen bei. Geräte mit Leistungsmodulen fallen meist in die Klasse 1B.
Im Bahnbereich werden elektronische Geräte häufig hinter Verkleidungen oder in beengten Räumen unter Sitzen angebracht, was zu erhöhten Betriebstemperaturen der Module führen kann. Ähnlich wie die physikalischen Anforderungen werden auch die Betriebstemperaturen in sechs Klassen mit unterschiedlichen Anforderungen unterteilt.
Tabelle 1: Betriebstemperaturklassen
Sofern nicht anders angegeben, gelten in der Regel die Anforderungen der Kategorie OT3. Bei DC/DC-Wandlern bedeutet die Unterbringung von Geräten in Gehäusen jedoch oft, dass ein zusätzlicher Temperaturanstieg von 15°C berücksichtigt werden muss, sodass ein Betrieb bis zu 85°C erforderlich ist.
Die Luftfeuchtigkeit ist ein weiterer wichtiger Umweltaspekt. Die Norm EN 50155 schreibt vor, dass Leistungsmodule 30 Tage lang bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 951 °C getestet werden müssen. Auf nationaler Ebene fordert die französische Norm NFF 01-510 jedoch 100 °C, während Großbritannien 56 Tage bei 93 °C vorschreibt.
Die letzte wichtige elektrische Anforderung ist die galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang, die gemäß EN 50155 in Abhängigkeit von der Nenneingangsspannung definiert ist. Es ist anzumerken, dass die französischen Anforderungen gemäß NFF etwas strenger sind und für alle Eingangsspannungen den höchsten Wert (1500 V AC / 50 Hz / 1 min) vorschreiben.
Tabelle 2: Die Isolationsanforderungen nach EN 50155 hängen von der Nennspannung ab
In Branchen wie dem Eisenbahnwesen, wo die Zulässigkeit von Leistungsmodulen stark durch Normen definiert ist, können sich Ingenieure auf die Datenblätter der Hersteller als Nachweis der Konformität verlassen. Da diese Normen jedoch regelmäßig aktualisiert werden (wie beispielsweise die umfangreiche Aktualisierung der EN 50155 im Jahr 2017, auf die hier Bezug genommen wird), sollten Ingenieure sicherstellen, dass die Geräte der jeweils aktuellen Version der Norm entsprechen (und im Fall der EN 50155 allen darin referenzierten Normen).
Leistungsmodule für Leistungsanwendungen
Die Leistungsmodule der Serie Flex bieten eine breite Palette an Leistungsmodulen, die sich für den Einsatz in Bahnanwendungen eignen. Im Leistungsbereich von 1,65 W bis 300 W sind verschiedene Gerätefamilien erhältlich, die die Norm EN 50155 erfüllen und somit für Bahnanwendungen geeignet sind.
Das breite Produktsortiment umfasst sowohl vollständig gekapselte als auch offene Gehäuselösungen und bietet eine Vielzahl von Konfigurationen, darunter Einzel- und Doppelausgänge. Die extrem weiten Eingangsspannungsbereiche (9 V bis 75 V und 43 V bis 160 V) bieten Entwicklern Flexibilität und gewährleisten gleichzeitig die Einhaltung der Eingangsspannungsanforderungen der EN 50155.
Abbildung 1: Flex Leistungsmodule bietet eine breite Palette von Leistungsmodulen für Bahnanwendungen
Die kürzlich eingeführte DC/DC-Leistungsmodulserie PKE-A umfasst die Geräte der Serie PKE7000A im Industriestandard-Bauformfaktor 2" x 1". Sie bieten einen Eingangsspannungsbereich von 43 V bis 160 V und sind somit für den Einsatz mit 72-V- oder 110-V-Nennspannungen geeignet, die beide in Bahnanwendungen üblich sind. Die PKE7000A-Geräte liefern eine Leistung von bis zu 30 W, erfüllen die Norm EN 50155 und bieten MTBF-Werte von bis zu 5 Millionen Stunden, was eine lange Lebensdauer auch in anspruchsvollen Anwendungen gewährleistet.