Tim Erickson, Vehicle Projects LLC
250kW 연료 전지 하이브리드 기관차 동작 제어
NI CompactRIO 컨트롤러를 사용하여 연료 전지 기관차의 안전 및 작동을 모니터 및 컨트롤하고, CAN 버스를 사용하여 NI LabVIEW 소프트웨어로 프로그램되는 터치패널을 통해 운영자와 엔진 상태 통신
전통적인 스위치 기관차를 움직이는 주요 원동력은 1–2MW의 디젤 엔진으로, 교류발전기를 구동하여 견인 전동기 및 기관차 보조 시스템에 전력을 공급합니다. 이같은 전통적인 스위치 기관차에는 고출력 디젤 엔진이 필요한데, 일반적으로 디젤 엔진은 연료 효율성이 떨어지며 연소 제어가 제한적입니다. 스위치 기관차의 후속 설계는 하이브리드 전자 설계로 이동했으며, 이로써 엔진이 작아지고 배터리가 고전력 과도현상에 대비해 에너지를 저장하기 때문에 전체 방출 및 연료 소모가 절감되었습니다.
그러나, 여전히 도심 지역 대부분의 디젤 입자 공해는 철도 조차장의 디젤 동력 기관차에서 비롯됩니다. 이와 같은 오염을 줄이기 위해, 한 북미 공공 민간 협력사는 도시 철도 분야를 위한 연료 전지 하이브리드 스위치 기관차를 프로토타입하고, 디젤 엔진을 250kW급 연료 전지 발전소로 대체하여, 세계 최대 규모의 연료 전지 하이브리드 기관차를 구현했습니다.
콜로라도 주 덴버의 Vehicle Projects LLC는 CompactRIO 임베디드 컨트롤러와 LabVIEW 그래픽 설계 소프트웨어를 사용하여 이 연료 전지용 제어 시스템을 개발했습니다. 우리의 목표는 항구 도시의 야드 스위치 같은 도시 철도 대기 오염을 줄이고 군대 그리드 오작동 또는 재해 구호작업시 중대한 인프라의 이동식 백업 전원으로 사용할 수 있는 시스템을 구축하는 것입니다.
연료 전지는 연료의 화학 에너지를 전력으로 직접 전환하는 전자화학 전력 디바이스입니다. 전지는 수소 연료 및 산소로부터 전기와 물을 생성하며, 이는 물전해의 역과정입니다. 연료 전지는 배터리와 작동 기본원리가 같지만, 전기화학적인 활성 물질 (수소 및 산소)을 저장하거나 외부에서 공급할 수 있으며 전극에 저장되지 않고 연속적으로 디바이스로 제공된다는 점에서 다릅니다. 연료 전지는 전기적으로 재충전되는 것이 아니라 엔진처럼 주기적으로 연료를 충전 받습니다. 배터리와 마찬가지로, 개별 셀은 “스택”으로 모여 필요한 전압 또는 전원을 제공합니다.
연료 전지 하이브리드 파워 트레인은 듀티 사이클의 전력 피크에서 차량을 움직이고 제동 중 운동 또는 전위 에너지를 회복하기 위해 연료 전지 원동기 및 보조 전원/에너지 저장 디바이스를 사용합니다. 정상 상태 작동을 위해 원동기의 연속 순 전력은 반드시 듀티 사이클의 평균 전력과 같거나 그 이상이어야 합니다. 사전 연구는 하이브리드 스위치 기관차가 자본 및 경상 운영 비용을 절감한다는 것을 밝혔습니다.
대형 수소 연료 전지 차량을 개발하면서 무게, 패키지, 안전 등에 있어 여러 설계 및 통합 문제에 봉착했습니다. 거친 작동 조건, 특히 철도 차량 결합시에 발생하는 충격 때문에 매우 견고한 구성요소 시스템이 요구되었습니다. 또한, 연료 전지 컨트롤 시스템은 운전사의 요구를 파악하고 연료 전지 발전소 파라미터를 조정하기 위해 기존의 상용 차량 컨트롤러와 통신해야 했습니다. CompactRIO 임베디드 컨트롤러는 적절한 I/O 조합을 통해 이러한 요구 스펙을 충족하는 이상적인 폼 팩터를 제공했습니다. 이 프로그램 가능한 자동화 컨트롤러 (PAC)는 모든 발전소 기능을 관리 및 실행하고 수소 저장 및 연료 전지 전력 시스템의 성능과 안전을 지속적으로 모니터링했습니다.
LabVIEW Real-Time 및 LabVIEW FPGA 모듈을 실행하는 CompactRIO 임베디드 컨트롤러가 연료 전지 발전소의 작동을 제어합니다. 사용자는 기관실에 설치된 터치 패널을 통해 제어 시스템을 모니터합니다. 제어 어플리케이션은 서로 통신하는 모듈형 제어 알고리즘 VI와 태그 기반 아키텍처를 사용하는 FPGA I/O 시스템으로 구성되어 있어, LabVIEW 어플리케이션 내에서 지정된 이름으로 각 I/O 포인트를 참조할 수 있습니다. 각 태그에는 알람 제한, 단위 변환 (전압에서 다른 공학 단위로 변환), 사용자가 디스크 기록을 명령하는 등의 이벤트 같은 프로퍼티가 연결되어 있습니다. 우리는 프로그램 가능한 로직 컨트롤러 (PLC) 기능을 우리의 PAC 기반 시스템에 탑재했습니다.
LabVIEW 및 CompactRIO를 선택함으로써 통합된 신호 컨디셔닝이 있는 NI C 시리즈 모듈을 통해 다양한 I/O 포인트에 대한 신속한 모니터링을 실행하는 동시에 유량계와 압력 센서 같은 광범위한 특수 센서에 연결할 수 있었습니다.
또한, 매우 빠른 루프 속도에서 간단한 PID (proportional integral derivative) 제어를 능가하는 복합 제어 알고리즘을 수행했습니다. 몇 가지 제어 알고리즘은 LabVIEW로 구현된 수학 모델인데, PLC 플랫폼과 같은 유연성이 부족한 환경에서는 개발할 수 없었을 것입니다. 게다가, FPGA에 제어 알고리즘을 탑재할 수 있었으므로 요구되는 신속한 루프 속도를 구현할 수 있었습니다.
Tim Erickson
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