Interview mit Prof. Leo Lorenz Bei der PCIM rücken Batterien in den Fokus

Bild 6: Professor Leo Lorenz (rechts), Konferenzdirektor der PCIM Europe, im Gespräch mit unserem Redakteur Ralf Higgelke.
Professor Leo Lorenz (rechts), Konferenzdirektor der PCIM Europe, im Gespräch mit D&E-Redakteur Ralf Higgelke.

Auch wenn dieses Jahr die PCIM Europe nur als Online-Event stattfindet, wollen wir Ihnen nicht die Höhepunkte der ursprünglich geplanten Konferenz vorenthalten. Denn sie zeigen deutlich, in welche Richtung sich die Leistungselektronik entwickelt. Dazu befragten wir den Konferenzdirektor Leo Lorenz.

DESIGN&ELEKTRONIK: Herr Professor Lorenz, ein Thema, dem sich die Konferenz verstärkt widmen wird, sind Batteriespeicher. Warum?

Prof. Leo Lorenz: Bei den Batteriespeichern, über die wir reden wollen, geht es nicht um die in Smartphones und Tablets verbauten, sondern um große stationäre Speicher, mit denen wir das Versorgungsnetz der Zukunft stabilisieren wollen und müssen. Ahmed Elasser, Principal Systems Engineer für den Geschäftsbereich Electric Power bei GE, wird uns in seiner Keynote auf eine Reise von der Vergangenheit über die Gegenwart in die Zukunft der stationären Batteriespeicher mitnehmen. Mit dem prozentualen Anstieg der erneuerbaren Energiequellen vor allem aus Photovoltaik und Windkraftanlagen, aber auch in »Eco-Systemen« wie der Eigenstromversorgung in Einkaufszentren oder Schnellladestationen entlang der Autobahnen sind große Energiespeicher zwingend notwendig. GE ist da führend, und in seiner Keynote wird Elasser uns eine Anlage mit vier Megawattstunden im Detail vorstellen – ausgehend von der Zellenstruktur, den Schaltungstopologien der einzelnen Zellen bis hin zu den Lebensdauer-Überwachungssystemen und den Schutzfunktionen.

Bei den großen »rollenden« Speichern – den Elektroautos – wird uns Robert Plikat, Leiter der Konzernforschung bei Volkswagen, einen Überblick zum derzeitigen Stand der leistungselektronischen Systeme im Auto, einschließlich des ersten in Serie produzierten vollelektronischen Antriebssystems bei Audi zeigen. Mit dieser Eigenentwicklung des elektrischen Antriebsstrangs, den Hochvoltspeichern und Ladesystemen geht Audi neue Wege. Darüber hinaus wird uns Robert Plikat auch einen Ausblick geben, wie die nächsten Schritte bei der Elektrifizierung des Automobils aussehen werden.

D&E: Dass die Batterien auf der Konferenz einen prominenten Platz einnehmen, sieht man auch an den Special Sessions, denn zwei der vier Special Sessions befassen sich damit.

Lorenz: Wir wollen das Thema Batterien bei der PCIM weiter forcieren, weil ohne elektrische Speicher die Leistungselektronik der Zukunft nicht mehr denkbar ist. Und die Special Sessions spiegeln genau die eben angesprochenen zwei Pfeiler wider – stationäre Speicher und Elektromobilität. Besonders diese beiden Themen wollen wir in den nächsten Jahren in der Konferenz weiter ausbauen.

D&E: Noch einmal zur Konkretisierung: Will sich die PCIM mehr mit Zellchemie beschäftigen?

Lorenz: Nein, natürlich nicht. Uns geht es nicht um die Batteriezelle, sondern um das Batteriemanagement, also die intelligente Sensorik, die Steuer- und Leistungselektronik drum herum. Dabei gibt es im Wesentlichen drei Funktionsblöcke: funktionale Sicherheit, Ladezustandsüberwachung zur Optimierung der Lebensdauer, der Kommunikation und Regelung sowie Information über den Zustand der Batterie. Diese Themen wollen wir bei der Konferenz zukünftig weiter ausbauen. Wir dürfen hierbei nicht vergessen, dass der Energiespeicher im Auto eine der teuersten Komponenten ist und dadurch die sorgfältige Pflege insbesondere die Aufrechterhaltung der Lebensdauer eine große Bedeutung hat.

Um nur einen Vortrag aus dieser Session hervorzuheben: Judy Amanor-Boadu wird zeigen, dass gepulstes Laden die Zyklenzahl und damit die Lebensdauer eine Lithium-Ionen-Batterie erhöhen kann (siehe [1] und Bild 1; Anm. d. Red.).

Eine weitere Special Session wird sich mit Direktumrichtern für Züge befassen. Philippe Ladaux von der Universität Toulouse wird dort ausführen, wie durch neue Topologien und den Einsatz von SiC-Schaltern in Solid-State-Transformatoren der Traktionsantrieb direkt am Mittelspannungsnetz betrieben werden kann. Dadurch wird nicht nur der große Niederfrequenztransformator, der 80 Prozent der Lokomotive ausfüllt, eingespart. Auch der Gesamtwirkungsgrad des Antriebes steigt um 30 Prozent, und das Bauvolumen des Wechselrichters schrumpft um 60 Prozent.

D&E: Eine andere Special Session befasst sich mit additiver Fertigung. Warum ist dieses Thema aus Ihrer Sicht so wichtig?

Lorenz: Durch den 3D-Druck lassen sich mittlerweile ganze mechatronische Subsysteme aufbauen, etwa Kühlkörper oder Substrate bis hin zum Einbetten von Leistungselektronik in die Leiterplatte. Ich bin überzeugt, dass die additive Fertigung auch dabei helfen wird, geistiges Eigentum besser zu kontrollieren und zu schützen. Durch Funktionalisierung lassen sich Kosten senken und die Gestaltungsmöglichkeiten vergrößern. Auch gedruckte Elektronik eignet sich für dreidimensionale Anwendungen in verschiedenen Branchen. Vor allem die Automobilindustrie ist an dieser Entwicklung sehr interessiert.

Außerdem kann man in der Entwicklungsphase viel mehr ausprobieren. Das betrifft beispielsweise verschiedene Kühlkörperkonzepte, denn man muss dann nicht kostspielig ein neues Strangpresswerkzeug herstellen, sondern muss nur ein paar Veränderungen in der Software machen. Das macht den Entwicklungsprozess schneller und flexibler.

D&E: Auch lassen sich die Bauelemente dann darin einbetten.

Lorenz: Genau. Das haben wir beispielsweise auf einem ECPE-Workshop im Oktober 2019 in Hamburg diskutiert (siehe [2]; Anm. d. Red.).

D&E: Ein Thema, das die PCIM zum ersten Mal groß diskutieren wird, sind Datenzentren.

Lorenz: Richtig. Eine Keynote wird sich mit dem Thema Energieversorgung und Power-Management in Datenzentren beschäftigen. Und ich freue mich, dass wir Roland Hümpfner von Huawei dafür als Sprecher gewinnen konnten.

Wie drängend dieses Thema ist, wurde mir im Januar 2020 auf einem Workshop in Japan deutlich vor Augen geführt. Können Sie sich vorstellen, wie viel Energie ein Datenzentrum benötigt? Ich war sehr erstaunt, als ich dort hörte, dass im Jahr 2050 alle Datenzentren weltweit zusammen 2500 Terawattstunden an Energie brauchen werden. Zum Vergleich: Japan – und ich meine damit das gesamte Land – soll im selben Jahr mit 600 bis 700 Terawattstunden auskommen! Das heißt, die benötigte Energie für alle Rechenzentren weltweit wird dann dreimal so hoch sein wie die für eine hoch industrialisierte Volkswirtschaft mit 120 Millionen Einwohnern.

Es kommt da etwas Riesiges auf uns zu, und daher ist es wichtig, die Verluste zu minimieren. Die heutige Energiebereitstellungskette – Mittelspannungstrafo, die USV, dann noch ein Trafo und dann das Servernetzteil und die Point-of-Load-Wandler – hat einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 84 Prozent. Der nächste Schritt ist gerade in der Planung; man will die ersten drei Bestandteile zu einer sogenannten »Power Distribution Box« zusammenfassen, die von der Mittelspannung auf 400 Volt Gleichspannung wandelt. Damit kann der Wirkungsgrad bereits auf 90 Prozent erhöht werden. In der Zukunft wird man, so hoffe ich, Solid-State-Transformatoren nutzen, die dann von der Mittelspannung in einem Schritt direkt auf 48 Volt Gleichspannung wandeln.

Das alleine wäre noch an sich kein Gewinn, aber gleichzeitig steigt der Wirkungsgrad dadurch stark. Auf dem Workshop in Japan sprach man von bis zu 98 Prozent Wirkungsgrad. Das macht bei 2500 Terawattstunden schon eine Menge aus! Und da spielen natürlich Wide-Bandgap-Halbleiter eine zentrale Rolle.