Die Zukunft der Leistungs­elektronik im Blick

Hohe Leistungsdichten, skalierbare und flexible Systeme sowie die digitale Konnektivität erweitern die Funktionalitäten von Laborstromversorgungen und elektronischen Lasten.

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

EA Elektro-Automatik GmbH & Co. KG

Der Gründer und Geschäftsführer der auf Laborstromversorgungen und elektronische Lasten spezialisierten EA Elektro-Automatik, Helmut Nolden, spricht über Trends der Branche und die Herausforderungen der Zukunft.

ELEKTRONIKPRAXIS: Wo sehen Sie Ihr Unternehmen mittel- und langfristig in Ihrer Branche positioniert?

Helmut Nolden: EA Elektro-Automatik hat die Branche über die letzten Jahrzehnte mit zahlreichen Innovationen vorangetrieben, denken Sie nur an die flexible Ausgangsstufe, die mittlerweile in vielen Hochleistungsnetzgeräten Standard ist. Auch in Zukunft werden wir in der Leistungselektronik im Segment der Laborstromversorgungen und elektronischen Lasten eine führende Rolle einnehmen. Im Bereich bis zu 3 kW gibt es zahlreiche Hersteller, ab 10 kW und höher hingegen sind es nur wenige Unternehmen, die in dieser Liga spielen. Dafür sind qualifizierte und erfahrene Hardwareentwickler notwendig.

Unsere Geräte erzielen derzeit Leistungen bis 15 kW und Systeme bis 480 kW bei Spannungen bis 1500 V. Doch wir können schon heute sagen, dass sich bei unserer neuen Generation von Laborstromversorgungen – uni- und bidirektional sowie elektronische Lasten mit Netzrückspeisung – die Geräteleistung auf 30 kW in einem 4HE-19“-Gehäuse erhöhen wird. Damit bringen wir bis Ende des Jahres Systemleistungen bis 1 MW auf den Markt – und das bei DC-Spannungen bis 2000 V.

Welche Branchen werden mittel- bis langfristig eine stärkere Rolle in Ihrem Unternehmen spielen?

An erster Stelle steht sicherlich die E-Mobility-Branche mit ihren Milliarden an Investitionen, beispielsweise auch in neue Fabs. Elektrisch betriebene Fahrzeuge besitzen eine Vielzahl von DC-Hochleistungsaggregaten und elektronischen Bauteilen, die geprüft werden müssen, um den hohen Qualitäts- und Sicherheitsstandards der Automobilhersteller gerecht zu werden. Mit der Liefervereinbarung LV 123 der Hersteller steigt auch der Bedarf an Hochvolt-Testsystemen für Kraft- und Elektrofahrzeuge. Gefordert wird beispielsweise ein schneller Wechsel vom Quellen- in den Lastmodus, um die Spannungsverläufe nachbilden zu können. Schon im ersten Halbjahr dieses Jahres ist unser Auftragseingang gegenüber dem Vorjahreszeitraum über 40 Prozent gestiegen.

Diese Entwicklung wird sich weiter fortsetzen. Zu diesem Zweck haben wir unser Entwicklerteam auch personell verstärkt. Außerdem sind die Hersteller aufgerufen, energieeffizienter zu werden und die CO₂-Emissionen zu verringern. Beim Testen der Hochvoltkomponenten und Fahrzeugelektronik können hocheffiziente bidirektionale Stromversorgungen sowie elektronische High-Power-Lasten mit Netzrückspeisung einen wesentlichen Beitrag zur Gesamt-CO₂-Bilanz elektrifizierter Fahrzeuge leisten. Weiteres Wachstumspotenzial erzeugt die Industrie der erneuerbaren Energien, die im Zuge der wachsenden Elek­tromobilität weitere Investitionen nach sich ziehen wird.

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Welche neuen Märkte und Anwendungsfelder wird Ihr Unternehmen künftig mit Produkten und Services adressieren?

Im Zusammenhang mit unserer neuen Gerätegeneration bringen wir Ende 2018 eine eigens entwickelte Software für die Batteriesimulation auf den Markt. Dadurch können unsere Geräte in ein HIL-System (Hardware in the Loop) eingebunden und komplexe Systeme realitätsnah getestet werden. Das ist ein weiterer Schritt in Richtung E-Mobility.

Darin sehen wir die Chance, für unsere Kunden Systeme aufzubauen, die sehr flexibel sind und die es quasi von der Stange gibt. Durch die neuen 30-kW-Geräte können wir auch preislich gegen Anbieter mithalten, deren Hochleistungsstromversorgungen auf Kundenwunsch individuell gefertigt werden müssen. Wir sind in der Lage, dem Kunden in kurzer Zeit ein qualifiziertes Angebot zu unterbreiten, weil wir auf ein modulares System zugreifen können, das allen Wünschen gerecht wird.

Wie verändern sich derzeit die Kundenwünsche und wie könnten sich diese mittel- bis langfristig entwickeln?

Gefordert werden immer höhere Leistungen bei den Stromversorgungen. Gleichzeitig müssen die Geräte energieeffizient sein. Die Anwender haben beides im Blick – den ökonomischen sowie den ökologischen Aspekt. Mit unseren Geräten treffen wir da den Nerv der Zeit, beispielsweise mit der bidirektionalen Power Supply PSB 9000, die gleichzeitig als Quelle und Last arbeitet.

Außerdem führen unsere Labornetzgeräte und elektronischen Lasten bis zu 96 Prozent der aufgenommenen Energie wieder in das Drehstromnetz zurück oder versorgen andere Verbraucher. Das spart sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten für Energie und Kühlung. Außerdem müssen Netzgeräte einfach zu bedienen sein, beispielsweise über ein hochauflösendes TFT-Display mit kapazitativem Touchscreen. Wir bei EA gehen diesen Weg seit Jahren und werden mit der neuen Gerätegeneration einen weiteren Fortschritt erzielen. Die Anwender lieben es, unsere Geräte – wie bei einem Smartphone – intuitiv zu bedienen. Auch neue Funktionen, Parametrierungen und spezifische Kundenwünsche lassen sich schnell einarbeiten und sind über ein Update verfügbar. Das kommt bei den Kunden gut an.

Mit neuen Kundenanforderungen wird sich auch das benötigte Knowhow verändern. Wie stellen Sie sich mit Ihrem Unternehmen hier personell für die Zukunft auf?

Für die Forschung & Entwicklung von Hochleistungsstromversorgungen und elektronischen Lasten sind hochqualifizierte und erfahrene Hardware- Entwickler essentiell. Mit der zunehmenden Automatisierung und Digitalisierung ändern sich die Anforderungen kontinuierlich. Wir setzen daher auf regelmäßige Qualifizierungsmaßnahmen unserer Fachkräfte. Eine kontinuierliche Weiterbildung ist sowohl für unsere Mitarbeiter als auch für uns als Unternehmen wettbewerbsentscheidend. Wir stehen in engem Kontakt mit Universitäten und Fachhochschulen und geben den Studenten die Möglichkeit, Praktika sowie Abschlussarbeiten in unserem Unternehmen zu absolvieren. Oftmals finden diese Studenten bei uns eine Festanstellung und werden weiter in der Praxis ausgebildet. In den „neuen“ Branchen – wie der Elektromobilität – reagieren wir mit spezialisierten Produktmanagern.

Gute Nachwuchskräfte sind heiß umworben – wie begeistern Sie neue Fachkräfte für Ihr Unternehmen, und wie halten Sie die guten Mitarbeiter?

Wir haben das Glück einer sehr geringen Fluktuation. Diese beträgt bei uns weniger als zwei Prozent. Viele Mitarbeiter sind schon Jahre bei uns tätig. Doch wir gehen auch mit der Zeit. Insbesondere für unsere jüngeren Fachkräfte spielt die Vereinbarung von Beruf und Familie eine große Rolle. Dem versuchen wir so gut es geht mit flexiblen Arbeitszeiten, Arbeitszeitmodellen und Elternschutz zu entsprechen. Neben den „hard facts“ zählen auch die weichen Faktoren. Eine gute Unternehmenskultur ist mir persönlich sehr wichtig. Und die versuchen wir jeden Tag mit Leben zu füllen – sei es mit gemeinsamen Mittagessen oder Betriebsfeiern. Außerdem haben wir flache Hierarchien und führen eine offene Diskussionskultur. Jeder Mitarbeiter kann sich in die Prozesse einbringen und Verantwortung übernehmen. Mein Ziel ist es, dass jeder Einzelne gerne in das Unternehmen kommt.

Wie schützen Sie Ihr Knowhow vor Produktpiraterie, und wird dieses Problem in Zukunft noch größer?

Es war schon immer so, dass gute Produkte kopiert werden und das wird auch so bleiben. Gerade in jüngster Vergangenheit sind viele Produkte von Mitbewerbern mit identischen Parametern unserer Stromversorgungen und auch elektronischen Lasten mit Netzrückspeisung auf den Markt gekommen.

Besonders beliebt sind unsere Geräte als Kopiervorlage in China und Taiwan. Doch kopiert wird nicht nur im asiatischen Raum, sondern auch in Europa. Wir können uns nicht ganz davor schützen, aber wir können versuchen, den „Kopierläden“ immer einen Schritt voraus zu sein. Dieser Anspruch treibt unsere Entwicklungsabteilung nach vorne. Mit unseren neuen Produkten wird uns dies wieder gelingen: Der Anteil der digitalen Regelung wird zunehmen und es allen schwieriger machen, unsere Produkte zu kopieren. Wenn man weiß, dass seine eigenen Produkte kopiert werden, dann weiß man auch, dass man einiges richtig gemacht hat. Wir dürfen uns aber nicht auf den Lorbeeren ausruhen und müssen unsere Produkte auch in Zukunft so weiterentwickeln, dass sie Trends setzen.

Wie sehen Sie das Thema Abwanderung der Fertigung in den asiatischen Raum? Was bleibt in Europa und was verschwindet?

Europa, insbesondere Deutschland, ist ein Hightech-Industrieland. „Made in Germany“ ist nach wie vor ein Gütesiegel. Auch EA entwickelt und fertigt am Hauptstandort in Viersen. Die Produktion ist so komplex, dass sie ständig überprüft und kontrolliert werden muss, um den hohen Qualitätsstandard aufrecht zu halten. Die örtliche Nähe der Produktionsstätten ermöglicht eine intensive Qualitätskon­trolle sowie einen besseren Austausch zwischen unserer Forschungs- und Entwicklungsabteilung und der Produktion. Dies ist auch ein wichtiger Aspekt für unsere Innovationsfähigkeit. Dadurch, dass wir die Forschung und Entwicklung und die Produktion im Haus haben, ergibt sich die nächste Innovation oft von selbst. Der Grund für eine Produktion in Asien ist letztendlich die Erschließung neuer Märkte, weniger der Kostenvorteil. Hinzu kommt, dass mit den automatisierten Produktionsprozessen und der Digitalisierung die Fertigung auch hierzulande günstiger wird.

Für uns ist nach wie vor Europa der Hauptabsatzmarkt, aber auch Asien wächst im zweistelligen Prozentbereich. Dies ist ein Grund dafür, dass wir unsere bereits seit mehr als 20 Jahren bestehenden Joint Ventures weiterführen, auch wenn sich kein entscheidender Kostenvorteil ergibt. Dort werden insbesondere Geräte der kleinen Leistungsklassen gebaut. Durch regelmäßige Lieferantenaudits sorgen wir dafür, dass die Qualität auf einem hohen Level gehalten wird. Für den Fertigungsstandort Deutschland sprechen entscheidende Argumente – die kürzeren Lieferzeiten und der schnelle Kundenservice. Die Produktion in Deutschland sichert uns die Flexibilität, um bei den heutigen Anforderungen kurze Entwicklungszeiten und optimierte Baugruppen zu liefern. Wir können wesentlich schneller auf Marktimpulse reagieren.

Wie wirkt sich die zunehmende Digitalisierung auf Ihr Unternehmen aus? Sind Sie hier Vorreiter oder warten Sie eher ab?

EA gehörte zu den ersten Herstellern, die ihre Geräte mit den notwendigen digitalen Schnittstellen ausgerüstet haben. Die am meisten benötigten Schnittstellen haben wir on-board ausgeführt. Durch einen Schnittstellen-Port können digitale und analoge Schnittstellen, die alle galvanisch getrennt sind, nachgerüstet oder gleich ab Werk für den Kunden bestückt werden. Schnittstellen wie EtherCAT, Profibus und Profinet, CAN-Bus und CANopen und einige weitere können für den automatischen industriellen Einsatz verwendet werden. Darüber hinaus haben wir mit der EA Power Control eine eigene Fernsteuerungssoftware entwickelt, mit der alle Geräte über den PC oder mithilfe einer iOS App auf dem iPad überwacht und ferngesteuert werden können.

Welche besonderen technologischen Herausforderungen gibt es bei Stromversorgungen und elektronischen Lasten?

Bei den programmierbaren DC-Strom­versorgungen werden immer höhere Leistungsdichten gefordert – bei den Einzelgeräten sowie bei den Systemen. Die höheren Taktfrequenzen, um die Leistungsdichte zu erhöhen sowie das Volumen zu reduzieren, erfordern zunehmend komplexere Schaltungen in der Leistungselektronik.

Zudem stellen wir eine steigende Nach­frage nach unseren skalierbaren und flexiblen Systemen fest. Außerdem sind energieeffiziente Netzgeräte und elektronische Lasten mit Energierückgewinnung gefragt. Weitere Trends sind integrierte Funktionsgeneratoren und Simulationen, beispielsweise von Photovoltaik- und Brennstoffzellen sowie Batterien. Für den automatisierten, industriellen Einsatz ist ferner eine digitale Konnektivität über die wichtigsten Schnittstellen und Treiber notwendig, um über unterschiedliche Systeme gesteuert und ausgelesen werden zu können. Dazu zählen CAN, Ethernet, EtherCAT, Profibus, Profinet sowie dbc files (Vector), VI (Labview) und IVI (Microsoft).

Wie stellen Sie sicher, dass ein Gerät eine bestimmte Lebensdauer erreicht?

Schon in der Entwicklungsphase wird akribisch darauf geachtet, nur Komponenten hoher Güte einzusetzen und genügend Leistungsreserven bei den Bauteilen einzuplanen. Gerade bei den Komponenten, die maßgeblich an der Lebensdauer beteiligt sind – insbesondere Halbleiter, Kondensatoren, Elkos und Lüfter – setzen wir auf Produkte führender Hersteller wie Infineon, Cree, Wima, NCC und Pabst. Da machen wir ungern Kompromisse, auch wenn sich dadurch der eine oder andere Euro sparen ließe.

Später wird durch unsere Test- und Prüfkompetenz gewährleistet, dass sich die eindesignten Parameter auch bestä­tigen. Sowohl während der Fertigungs­prozesse als auch bei der Endkontrolle durchlaufen unsere Baugruppen und Geräte verschiedene computergesteuerte Tests zur Qualitätssicherung. Bei allen Prüfungen – angefangen bei den Baugruppenprüfungen über den Gerätetest mit Kalibrierung bis hin zur Hochspannungsprüfung, dem Burn-In- und Finaltest – gibt es Prüfprotokolle, welche die Qualität der Geräte bestätigen. Für diese im Haus entwickelten Prüfsysteme ist eine eigene Abteilung verantwortlich, die direkt der Technik angegliedert ist. So können schon bei der Entwicklung neuer Produkte die bestmöglichen Prüfprozesse ausgewählt werden.

Wie sehen Sie die Verlagerung von Hardware zu Software, und was bedeutet das für Ihr Unternehmen?

Mit dem Einsatz von Software haben sich in der Vergangenheit sehr viele Möglichkeiten ergeben, die Funktionalitäten unserer Geräte zu erweitern, beispielsweise bei Überwachungseinrichtungen zum Schutz der Geräte oder der angeschlossenen Verbraucher.

Früher waren hier Komparatoren und jede Menge Hardware notwendig, was heutzutage mit ein paar Zeilen Code umgesetzt werden kann. Diese Funktionen werden von unseren Softwareexperten in Zusammenarbeit mit den erfahrenen Hardwareentwicklern programmiert. Auch bei den Bedienpanels hat sich viel getan: Wo früher Potis und 7-Segment-Anzeigen ihren Dienst verrichteten, steht heute ein hochauflösendes TFT-Display mit Touchfunktion im Mittelpunkt. Ich glaube, wir sind hier bei weitem noch nicht am Ende mit dem, was wir mittels Software noch erreichen können.

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