Ученые КНИТУ-КАИ предложили усовершенствованный способ оценки электрического импеданса электрохимических источников энергии, а также устройство для его создания. Импеданс-отклик помогает судить о внутренних процессах в системе и о ее текущем состоянии.
Вообще, оценка импеданса важна в самых разных сферах, при проектировании и контроле качества электронных компонентов, диагностике неисправностей, изучении свойств материалов и состояния аккумуляторов и батарей, исследовании коррозии. В биомедицине импедансная спектроскопия помогает изучать ионные каналы, клеточные мембраны, разрабатывать новые методы диагностики.
В запатентованной казанскими учеными разработке речь идет об оценке электрического импеданса топливных элементов, первичных и вторичных гальванических элементов. Способ оценки адаптирован для работы во время нормального функционирования электрохимического источника энергии.
На самом деле, импеданс - это комплексная величина, характеризующая сопротивление системы переменному (гармоническому) воздействию и связывающая амплитуды и фазовые соотношения силы и отклика. Проще говоря, импеданс показывает, насколько система «препятствует» передаче переменного сигнала, причем учитывается не только величина сопротивления потоку энергии, но и сдвиг фаз между воздействием и откликом. Применение электрического импеданса позволяет наблюдать электрохимические свойства того или иного элемента непосредственно в процессе работы, а не только в лабораторном режиме.
Измерение импеданса дает более полную картину, чем простое измерение сопротивления, потому что учитывает частотную зависимость и фазовые сдвиги между напряжением и током.
Прототипом изобретения коллектива авторов из КНИТУ-КАИ является запатентованный способ и устройство его реализации [CN 111830419 A, МПК: G01R 31/378, G01R 31/389, 27.10.2020]. В этом случае способ оценки электрического импеданса электрохимических источников энергии (способ онлайн-измерения импеданса топливного элемента) основан на регистрации во времени сигналов напряжения и тока исследуемого элемента с последующей их вейвлет-обработкой.
Уточним, что вейвлет-преобразование сигналов напряжения и тока - это математический инструмент, который позволяет разложить эти сигналы на составляющие, показывая, как частотные компоненты меняются во времени. Вейвлет-коэффициенты напряжения и тока являются результатами такого разложения: они содержат информацию о локальных особенностях сигнала (например, всплесках, разрывах или гармонических искажениях) в разные моменты времени. В основе метода лежит вейвлет-функция, которая хорошо локализована и во временной, и в частотной области. К ней можно применять две операции: сдвиг (по времени) и масштабирование (сжатие или растяжение).
На первом этапе процесса задают набор частот измерения импеданса. Затем в реальном времени измеряют сигналы напряжения u(t) и тока i(t). После этого выполняют вейвлет-преобразование каждого из сигналов, получают соответствующие вейвлет-коэффициенты и по ним рассчитывают импеданс топливного элемента на каждой из заданных частот. Процедуру повторяют до завершения обработки всего частотного набора. При необходимости параметры вейвлет-функции изменяют и выполняют перерасчет. Недостатком способа и устройства для его реализации является ограниченная точность измерений, обусловленная влиянием собственных шумов измерительной аппаратуры на результаты обработки. Кроме того, к недостаткам ряда других изобретений в этой области относят длительность измерительной процедуры.
Импедансная спектрометрия является одним из наиболее развитых подходов для исследования процессов в электрохимических системах, к преимуществам которого следует отнести большой объем экспериментальных и теоретических работ, развитые модели и подходы к идентификации их параметров и интерпретации полученных результатов, - поясняет профессор кафедры радиоэлектроники и информационно-измерительной техники КНИТУ-КАИ Евгений Денисов. - Однако одним из основных недостатков существующих методов является сложное и дорогое измерительное оборудование, а также продолжительная процедура измерения.
Последний недостаток приводит к снижению оперативности принятия решений системой управления, а также возникновением некорректных результатов измерений, связанных с изменением рабочих режимов или внутреннего состояния электрохимического источника энергии в процессе измерения.
В рамках своей работы ученые КНИТУ-КАИ решали проблему уменьшения времени измерения при сохранении точностных характеристик.
Технический результат, связанный с увеличением точности, достигался за счет использования математического аппарата вейвлет-преобразований и пороговой обработки вейвлет-коэффициентов напряжения и тока, а уменьшение времени оценки импеданса - за счет использования широкополосных измерительных сигналов.
Предлагаемый способ включает в себя этапы, на которых формируют набор частот для измерения электрического импеданса, формируют зондирующее воздействие на электрохимический источник энергии, синхронно измеряют сигналы напряжения и тока, выполняют вейвлет-преобразования сигналов напряжения и тока, отбирают только вейвлет-коэффициенты выше предварительно заданного порога, вычисляют импеданс электрохимического источника энергии на наборе частот для измерения электрического импеданса.
Изобретение позволяет быстро измерить импеданс батарей и топливных элементов во время их обычной работы, без долгого ожидания и без сложной поочередной проверки на каждой частоте, - уточняет Евгений Денисов. - Обычно импеданс измеряют, подавая на источник синусоидальный сигнал на одной частоте за раз и ждут, пока система «успокоится». В нашем изобретении используется широкополосное тестовое воздействие, например, скачок, импульс или псевдослучайный сигнал, чтобы сразу получить отклик на многих частотах. Потом одновременно измеряют ток и напряжение, анализируя их через вейвлет-преобразование.
Вейвлет-анализ помогает увидеть, на каких частотах и в какие моменты времени в сигнале есть полезная информация. Но на высоких частотах вместе с полезным откликом часто сильно «виден» шум, поэтому из расчетов убирают слабые вейвлет-коэффициенты ниже порога. Это снижает влияние помех и делает оценку импеданса точнее.
Обычная импедансная спектроскопия требует измерений на множестве отдельных частот и времени на установление режима, поэтому процедура может быть долгой. В предлагаемом устройстве один широкополосный сигнал позволяет собрать информацию сразу по набору частот, поэтому измерение занимает меньше времени. Это особенно важно для электрохимических источников, потому что их состояние и режим работы могут меняться прямо во время диагностики.
Устройство включает контактный модуль, измерители тока и напряжения, блок сбора и предварительной обработки данных, блок вычисления вейвлет-коэффициентов, блок оценки импеданса и блок управления. Дополнительно в нем есть модуль формирования тестового сигнала и модуль синхронизации измерений, чтобы ток и напряжение измерялись одновременно и согласованно с воздействием. Именно эта синхронность важна, ведь если измерять несогласованно, расчет импеданса будет менее надежным.
Авторы разработки заявляют два главных технических эффекта от применения новации. Это более точная оценка импеданса и меньшее время измерения. Точность повышается за счет вейвлет-анализа и пороговой фильтрации шумов, а скорость - за счет широкополосного тестового сигнала вместо продолжительной серии отдельных измерений. Иными словами, это попытка сделать диагностику электрохимического источника более быстрой, устойчивой к помехам и пригодной для работы непосредственно в процессе эксплуатации.
Работа была выполнена за счет средств Программы стратегического академического лидерства Казанского национального исследовательский технического университета имени А. Н. Туполева-КАИ («ПРИОРИТЕТ-2030»).
В 2026 году Федеральная служба по интеллектуальной собственности выдала казанским ученым Патент RU 2 864 537.
Источник: Минобрнауки России
