借助NI LabVIEW和CompactRIO控制世界上最大的燃料电池混合动力机车

传统的开关机车原动机是功率介于1到2 MW之间的柴油发动机，负责驱动为牵引电机和机车辅助系统供电的交流发电机。这些传统的开关机车需要高功率的柴油发动机，而柴油发动机一般耗油量大，且尾气排放较多。后来，开关机车便转向混合动力设计。由于发动机的体积缩小了，且电池可储存高功率瞬变所需的能量，因此整体排放量以及燃料消耗量也相应减少。

然而，城市柴油微粒污染的主要来源之一仍是铁路站场的柴油动力机车。为了减少这种污染，北美一家公私合营机构针对城市轨道交通的燃料电池混合动力开关机车进行了原型验证，并将柴油发动机替换为一个250 kW的净燃料电池动力装置，这是世界上最大的燃料电池混合动力机车。

科罗拉多州丹佛的Vehicle Projects LLC使用CompactRIO嵌入式控制器和LabVIEW图形化设计软件，设计了燃料电池的控制系统。我们的目标是减少城市轨道交通（包括与港口相关的调车场）的空气污染，以及在军事基地电网发生故障或民用救灾行动时为重要基础设施提供移动备用电源。

燃料电池和混合动力列车

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转换成电能的电化学发电装置。电池通过氢燃料和氧化物的化学反应产生电和水，这是电解水的逆过程。虽然燃料电池的工作原理与电池相同，但不同的是燃料电池的电化学活性物质（氢燃料和氧化物）存储在外部，由外部向设备连续不断地供给，而非存储在电极中。燃料电池可以像发动机一样定期补充燃料，而不是充电。与电池类似，每个燃料电池以“堆栈”方式组合在一起，提供所需的电压或功率

燃料电池混合动力列车采用一个燃料电池原动机以及一个辅助电力/能源存储装置，可在工作周期内为车辆提供功率峰值并在制动过程中恢复动能或势能。对于稳态运行，原动机的连续有效功率必须等于或超过工作周期的平均功率。初步研究显示，混合开关动力机车可以降低资本投入和日常运营成本。

使用CompactRIO设计控制系统

我们在开发大型氢燃料电池机车时面临着若干设计和集成方面的挑战，包括重量、封装及安全等注意事项。恶劣的工作条件要求组件系统具备高度的坚固耐用性，尤其是耦合到机车时产生的冲击负荷。此外，燃料电池控制系统需要与现有商用车辆控制器进行通信，方便解读操作人员的需求，然后调整燃料电池动力装置的参数，从而满足电力需求。CompactRIO嵌入式控制器提供了可满足这些要求的理想组成结构，同时提供了符合应用需求的I/O组合。可编程自动化控制器(PAC)可管理和执行所有动力装置的功能，并可持续监测氢储存和燃料电池动力系统的性能和安全性。

基于LabVIEW的软件架构

运行LabVIEW Real-Time模块和LabVIEW FPGA模块的CompactRIO嵌入式控制器可控制燃料电池动力装置的运行。用户通过安装在机车驾驶室的触摸面板来监测控制系统。控制应用程序由互相通信的模块化控制算法VI和使用基于标签的架构的现场可编程门阵列(FPGA) I/O系统组成，我们可以根据LabVIEW应用程序分配的名称引用每个I/O点。每个标签都包含相关的属性，包括报警限值、单位换算（从电压转换为工程单位）以及事件（比如用户需要将标签记录到磁盘中）。我们在基于PAC的系统中部署了一个可编程逻辑控制器(PLC)。

借助LabVIEW和CompactRIO开发完美的控制平台

我们之所以选择LabVIEW和CompactRIO，是因为集成信号调理功能的NI C系列模块可帮助我们快速监测各种I/O点，同时也可连接到流量计和压力传感器等各种专用传感器。

此外，我们还能够以非常快的循环速率执行比例积分微分控制之外的复杂控制算法。其中一些控制算法包含我们用LabVIEW开发的数学模型，这是PLC平台等灵活性较低的开发环境无法实现的。而且，由于部分控制算法可放置在FPGA中执行，因此达到了我们所需的快速循环速率

作者信息：

Tim Erickson
Vehicle Projects LLC
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