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[NI技术]借助NI LabVIEW和 CompactRIO 控制世界上最大的燃 料电池混合动力机车 我们选择 LabVIEW和 CompactRIO 是因为集成了信号调 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。 - Tim Erickson, Vehicle Projects LLC The Challenge: 控制250 kW燃 料电池混合动力机车 的运行。 The Solution: 使用NI CompactRIO 控制器来监视和控制 燃料电池机车和控制 器局域网 (CAN) 总线的 安全和运行，并通过 使用NI LabVIEW软件 编程的触摸屏来告知 操作人员发动机的运 行状态。 我们拆下柴油箱及发 电机组，以准备改装 燃料电池发电装置和 储氢罐。照片由 Railpower Hybrid Technologies 提供。 Author (s): Tim Erickson - Vehicle Projects LLC 使用NI CompactRIO 控制器来监视和控制 燃料电池机车和控制 器局域网 (CAN) 总线的 安全和运行，并通过 使用NI LabVIEW软件 编程的触摸屏来告知 操作人员发动机的运 行状态。 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，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 的开关机车需要一个 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。之后开关 机车便转向混合动力 设计，由于发动机的 体积减小了，且电池 可储存高功率瞬变所 需的能量，整体排放 以及燃料消耗也相应 减少了。 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 市轨道交通设计了一 个燃料电池混合动力 开关机车的原型，并 采用一个250 kW的净燃料电池动 力装置取代柴油发动 机，这是世界上最大 的燃料电池混合动力 机车。 美国科罗拉多州丹佛 市的 Vehicle Projects LLC采用 CompactRIO 嵌入式控制器与 LabVIEW图形 化设计软件来设计用 于燃料电池的控制系 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 提供军事基地电网发 生故障或民用救灾行 动时重要基础设施的 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 化学活性材料——氢 燃料和氧化物是存储 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 电池相同的是每个燃 料电池以“堆栈”方 式组合在一起 ，以 提供所需的电压或功 率。 燃料电池混合动力 列车采用了一个燃料 电池原动机以及一个 辅助电力/能源存储 装置，以在工作周期 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 若干个设计和集成方 面的挑战，包括重 量、包装及安全等因 素。恶劣的工作条 件，特别是耦合到机 车时产生的冲击负 荷，需要组件系统具 有高度的坚固耐用 性。此外，燃料电池 控制系统需要与现有 商用车控制器进行通 信，以解读操作人员 的需求，然后调整燃 料电池动力装置的参 数以满足电力需 求。 CompactRIO 嵌入式控制器提供了 理想的组成结构来满 足所有这些要求，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 和LabVIEW FPGA模块的 CompactRIO 嵌入式控制器负责控 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 摸面板监视控制系 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，使 我们可以根据 LabVIEW应用 程序分配的名称引用 每个I / O点。 每个标签都包含与其 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