传统调车机车的原动机是 1 到 2 MW 的柴油机这个项目把柴油机换成 250 kW 净功率的燃料电池动力装置做出了全球最大的燃料电池混合动力机车控制系统用 CompactRIO 与 LabVIEW 搭建。氢燃料电池机车与测试机柜LabVIEW 界面监测功率输出与电气参数01 挑战给一台调车机车换掉柴油机调车机车干的是调车场里的活儿——编组、推送、连挂。这类车传统上靠一台 1 到 2 MW 的柴油机当原动机柴油机带动发电机发电机再给牵引电机和机车辅助系统供电。问题恰恰出在这台柴油机上。它功率大通常并不省油排放控制的手段也有限。而在城市地区柴油颗粒物污染有相当大一部分仍然来自调车场里那些烧柴油的机车。为了缓解这部分污染一个公私合作项目开始做燃料电池混合动力调车机车的样机面向城市轨道交通应用。做法是把柴油机换掉改用 250 kW 净功率的燃料电池动力装置这台车也因此成为全球最大的燃料电池混合动力机车。项目的设计目标指向两个方向一是降低城市轨道交通的空气污染包括海港相关的调车作业二是作为移动备用电源在基地电网故障或民用救灾行动中支撑关键基础设施。控制系统要干的事很明确用一个 CompactRIO 控制器监测并控制这台燃料电池机车的安全与运行再用 CAN 总线把发动机状态通过触摸屏送到操作员面前。02 难点冲击载荷、既有控制器和一条能量约束装车之前要面对的是一组很实际的设计与集成约束重量、布置空间、安全。其中最硬的一条来自工况。机车运行环境严酷尤其是连挂车钩时产生的冲击载荷这类冲击对部件的要求是高度坚固得在选型阶段就当硬指标而不是等装车以后再补救。第二条难点在接口。燃料电池控制系统不是孤立的它需要和车上已有的商用整车控制器通信从中解读操作员的功率需求反过来调整燃料电池动力装置的参数去满足这个需求。也就是说新系统必须嫁接到一套既有的整车控制逻辑里去。第三条难点来自燃料电池本身的物理特性。燃料电池是把燃料的化学能直接转成电能的电化学装置氢气和氧气反应产生电和水过程正好是电解水的逆反应。它和电池的原理有相通之处但差别很关键活性物质氢和氧储存在外部、被连续供给用完了像发动机一样定期加注而不是像电池那样充电。单体电池能提供的电压或功率有限要把它们成组串成电堆才能拿到需要的电压或功率。再叠加上混合动力的要求。燃料电池混合动力传动系统由燃料电池主动力加一套辅助供能/储能装置组成后者负责撑过工况循环里的功率峰值并在制动时回收动能或势能。稳态运行时有一条绕不过去的约束主动力的持续净功率必须大于或等于工况循环的平均功率。03 方案CompactRIO 为核心标签化架构硬件上最终选的是 CompactRIO 嵌入式控制器。看中的是它形态规格合适I/O 组合正好对得上这个应用。这个可编程自动化控制器PAC管理并执行燃料电池动力装置的全部功能同时持续监测氢储存系统和燃料电池动力系统的性能与安全。选它的直接理由很具体C Series 模块自带集成信号调理既能实现对各个 I/O 点的快速监测又能接上流量计、压力传感器这类专用传感器。软件上CompactRIO 上跑 LabVIEW Real-Time 和 LabVIEW FPGA 模块控制燃料电池动力装置的运行操作员则在驾驶室里通过一块触摸屏监控整个控制系统。控制应用由一组模块化的控制算法 VI 组成。这些 VI 彼此之间、以及与 FPGA I/O 系统之间的通信用的是基于标签的架构——每个 I/O 点在 LabVIEW 应用里用分配好的名字来引用。每个标签都带属性包括报警限值、标定把电压换算成工程量以及事件比如用户希望它什么时候记录到磁盘。这相当于把 PLC 的思维方式搬进了一套基于 PAC 的系统。算法层面这个项目跑的是超出简单 PID 的复杂控制算法而且环路速率很快。其中一部分控制算法包含数学模型用 LabVIEW 实现换成 PLC 平台这类不够灵活的环境这些算法做不出来。而之所以能达到所需的高环路速率是因为有能力把一部分控制算法放到 FPGA 上执行。04 结果这套系统交付后的能力边界是清楚的。CompactRIO 作为 PAC 管理并执行动力装置的全部功能持续监测氢储存与燃料电池动力系统的性能和安全CAN 总线把发动机状态送到驾驶室操作员通过触摸屏掌握机组情况。承载这套控制系统的是全球最大的燃料电池混合动力机车样机——它用 250 kW 净功率的燃料电池动力装置替换掉了柴油机。从设计目标看这个平台指向两个应用方向降低城市轨道交通的空气污染包括海港相关的调车作业以及在基地电网故障或民用救灾行动中充当关键基础设施的移动备用电源。而在平台选择这件事上判断标准很明确当算法复杂度超出 PID、环路速率要求又高的时候PLC 那类平台会先出局。另外一条值得记下的背景是混合动力调车机车可以降低资本支出和经常性运营成本。05 这类项目能给我们什么启示先定硬件底线再谈算法冲击载荷、振动这类工况要在选型阶段就写进规格。连挂车钩的冲击是轨道交通项目里容易被低估的约束等装车之后再补救代价会高得多。标签化架构是中型系统的性价比拐点I/O 点多、算法模块多的时候用名字引用每个 I/O 点把报警限值、标定量、记录事件挂在标签上比到处传通道号好维护得多。这是从 PLC 思维迁移到 PAC 的典型做法。算法复杂度决定平台选择如果只是若干 PID 回路PLC 够用一旦要跑超越 PID 的复杂算法、要在很快的环路速率下跑数学模型平台灵活性和 FPGA 就从加分项变成必需品。选平台前先算算法这笔账。混合动力的能量约束要提前算主动力的持续净功率必须大于或等于工况循环的平均功率。这条约束是设计输入不是调参阶段能绕开的问题控制策略只能在它之上做优化。06 写在最后新能源动力系统的控制难点不在单台设备而在多种能量源之间的协同燃料电池、储能电池、牵引电机要按同一套策略分配功率还要把状态实时送到司机面前。这类多能量源协同控制的软件我们在轨道交通与重型装备方向有积累。我们专注 LabVIEW 软件开发与测试测量系统集成从硬件选型、方案设计到现场交付调试提供一站式服务。像这类把 LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA 与 CAN 总线整合到一台车载控制器上的系统正是我们擅长的场景。有需求欢迎在评论区留言身边朋友有类似项目也欢迎帮忙引荐。