|
DOI: 10.14489/td.2025.04.pp.013-022
Денисов Е. С., Евдокимов Ю. К., Шиндор О. В., Коньков К. В.
ОЦЕНКА ИМПЕДАНСА ВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА
(c. 13-22)
Аннотация. Повышение эффективности и надежности твердополимерных топливных элементов требует разработки средств оперативного контроля и диагностики технического состояния. Предложена методика оценки электро-химического импеданса на основе непрерывного вейвлет-преобразования с использованием комплексного вейвлета Морзе. Преимуществом данного подхода является возможность лучшего согласования зондирующих сигналов и частотных характеристик импеданса с позиции частотно-временного разрешения. Показано, что высокая точность оценки частотных характеристик импеданса в частотном диапазоне 0,1…100 Гц достигается при использовании зондирующего сигнала с продолжительностью 2…10 с. Установлено, что в качестве зондирующего воздействия могут использоваться последовательности прямоугольных импульсов и другие сигналы со схожим спектральным составом. Анализ влияния собственных шумов измерительной аппаратуры на точность оценки частотных характеристик импеданса показал возможность реализации системы оценки на коммерчески доступных измерительных усилителях. Практическая значимость полученных результатов заключается в предоставлении возможности расширения функциональных и эксплуатационных характеристик методов и приборов импедансного контроля твердополимерных топливных элементов и других электрохимических источников энергии при использовании естественных или вынужденных импульсных возмущений электрического режима работы топливного элемента в априорно неизвестные моменты времени.
Ключевые слова: водородный топливный элемент, электрохимический импеданс, широкополосный сигнал, вейвлет-анализ, вейвлет Морзе, собственные шумы измерительной аппаратуры.
Denisov E. S., Evdokimov Yu. K., Shindor O. V., Konkov K. V.
HYDROGEN FUEL CELL IMPEDANCE ESTIMATION BASED ON WAVELET TRANSFORM
(pp. 13-22)
Abstract. Improving the efficiency and reliability of Proton Exchange Membrane Fuel Cells requires the development of on-line monitoring and diagnostics means. In the paper a method of electrochemical impedance estimation based on continuous wavelet transformation using Morse wavelet is proposed. The advantage of this approach is the possibility for better matching the probing signals and the impedance frequency characteristics under consideration from the point of view of frequency-time resolution. The high precision the frequency characteristics of impedance estimation in the frequency range of 0.1…100 Hz is achieved using a probing signal in the form of rectangular pulses with a total duration 2…10 s. It is established that sequences of rectangular pulses and other signals with similar spectral composition can be used as a probing signal. The analysis of influence the measuring equipment’s intrinsic noise on the accuracy of impedance estimation was carried out. The results of the analysis showed that is possible to implement an evaluation system on commercially available measuring amplifiers. The practical significance of the obtained results is the possibility of extending the functional and operational characteristics of the methods and devices of impedance monitoring of proton exchange membrane fuel cells when using both natural and artificial perturbations of the electrical operation mode of the fuel cell operation at a priori unknown moments of time.
Keywords: hydrogen fuel cell, electrochemical impedance, broadband signal, wavelet analysis, morse wavelet, intrinsic noise of measuring equipment.
Е. С. Денисов, Ю. К. Евдокимов (ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИ», Казань, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
О. В. Шиндор (ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», Казань, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
К. В. Коньков (ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИ», Казань, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
E. S. Denisov, Yu. K. Evdokimov (Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev ‒ KAI, Kazan, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
O. V. Shindor (Kazan (Volga region) Federal University, Kazan, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
K. V. Konkov (Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev ‒ KAI, Kazan, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
1. Yuan X., Wang H., Colin Sun J., Zhang J. AC Impedance Technique in PEM Fuel Cell Diagnosis: A Review // International Journal of Hydrogen Energy. 2007. V. 32, No. 17. P. 4365 ‒ 4380.
2. Nasser-Eddine A., Huard B., Gabano J.-D., et al. Fast Time Domain Identification of Electrochemical Systems at Low Frequencies using Fractional Modeling // Journal of Electroanalytical Chemistry. 2020. V. 862. P. 113957.
3. Jianfeng Lv., Kuang J., Zhongliang Yu., et al. Diagnosis of PEM Fuel Cell System Based on Electrochemical Impedance Spectroscopy and Deep Learning Method // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2023. V. 71, No. 1. P. 657 ‒ 666.
4. Oldenburger M., Bedürftig B., Gruhle A., et al. Investigation of the Low Frequency Warburg Impedance of Liion Cells by Frequency Domain Measurements // Journal of Energy Storage. 2019. V. 21. P. 272280.
5. Spielbauer M., Berg P., Ringat M., et al. Experimental Study of the Impedance Behavior of 18650 Lithiumion Battery Cells under Deforming Mechanical Abuse // Journal of Energy Storage. 2019. V. 26. P. 101039.
6. Shi Y., He W., Xie B., et al. PEMFC Fault Diagnosis Based on an Equivalent Circuit and OS-ELM Frame-work // IEEE Transactions on Industry Applications. 2023. V. 60, No. 1. P. 1277 ‒ 1287.
7. Денисов Е. С. Малосигнальная электрическая модель твердополимерного водородного топливного элемента // Южно-Сибирский научный вестник. 2023. № 3(49). С. 152 ‒ 158.
8. Астафьев Е. А. Сравнение метода и аппаратуры электрохимического импеданса с методом измерения и анализа электрохимических шумов // Электрохимия. 2018 Т. 54, № 12. С. 1044 ‒ 1054.
9. Денисов Е. С., Никишина Г. В., Коньков К. В. Оценка влияния собственных шумов измерительной аппаратуры при измерении импеданса водородных топливных элементов на основе широкополосных зондирующих сигналов // Южно-Сибирский научный вестник. 2024. № 2(54). С. 33 ‒ 39.
10. Денисов Е. С. Система измерения электрохи-мического импеданса водородных топливных элементов на основе широкополосных зондирующих сигналов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева. 2022. Т. 78, № 1. С. 92 ‒ 98.
11. Wang H., Gaillard A., Hissel D. A Review of DC/DC Converter-Based Electrochemical Impedance Spectroscopy for Fuel Cell Electric Vehicles // Renewable Energy. 2019. V. 141. P. 124 ‒ 138.
12. Wang H., Gaillard A., Hissel D. Online Electro-chemical Impedance Spectroscopy Detection Integrated with Stepup Converter for Fuel Cell Electric Vehicle // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. V. 44, No. 2. P. 1110 ‒ 1121.
13. Klotz D., Schönleber M., Schmidt J. P., Ivers-Tiffée E. New Approach for the Calculation of Impedance Spectra out of Time Domain Data // Electrochimica Acta. 2011. V. 56, No. 24. P. 8763 ‒ 8769.
14. Alavi S. M., Birki C. R., Hawey D. A. Timedomain Fitting of Battery Electrochemical Impedance Models // Journal of Power Sources. 2015. V. 288. P. 345 ‒ 352.
15. Ruan H., Sun B., Jiang J., et al. A Modified-Electrochemical Impedance Spectroscopy-Based Multi-Time-scale Fractional-Order Model for Lithiumion Batteries // Electrochimica Acta. 2021. V. 394. P. 139066.
16. Денисов Е. С., Никишина Г. В., Енилиев Р. Р., Никишин Т. П. Особенности реализации метода контроля технического состояния литиевых источников тока на основе анализа релаксационных процессов, вызванных изменением нагрузки // Контроль. Диагностика. 2023. Т. 26, № 7(301). С. 36 ‒ 43.
17. Nusev G., Juričić Đ., Gaberšček M., et al. Fast Impedance Measurement of Li-ion Battery using Discrete Random Binary Excitation and Wavelet Transform // IEEE Access. 2021. V. 9. P. 46152 ‒ 46165.
18. Steiner N. Y., Hissel D., Moçotéguy Ph., Candusso D. Non Intrusive Diagnosis of Polymer Electrolyte Fuel Cells by Wavelet Packet Transform // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. V. 36, No. 1. P. 740 ‒ 746.
19. Шиндор О. В., Денисов Е. С., Евдокимов Ю. К. Исследование диагностических возможностей вейвлет-преобразования для анализа электрических флуктуаций водородного топливного элемента // Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Ту¬полева. 2013. № 4. С. 120 ‒ 124.
20. Шиндор О. В., Денисов Е. С., Евдокимов Ю. К. Прогнозирование режимов работы водородного топливного элемента на основе вейвлет-анализа // Нелинейный мир. 2011. Т. 9, № 12. С. 813 ‒ 817.
21. Ma T., Lin W., Yang Y., et al. Water Content Diagnosis for Proton Exchange Membrane Fuel Cell Based on Wavelet Transformation // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. V. 45, No. 39. P. 20339 ‒ 20350.
22. Астафьева Н. М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук. 1996. Т. 166, № 11. С. 1145 – 1170.
23. Flandrin P. Time-Frequency/Time-Scale Analysis // Wavelet Analysis and its Applications. V. 10. San Diego: Academic Press, 1999. 386 p.
24. Iatsenko D., McClintock P. V. E., Stefanovska A. Nonlinear Mode Decomposition: A Noise-Robust, Adaptive decomposition Method // Physical Review E. 2015. V. 92. P. 032916 ‒ 032941.
25. Daubechies I. Ten Lectures on Wavelets. Philadelphia: SIAM, 1992. 350 p.
26. Коньков К. В. Исследование возможности оценки спектральных характеристик сигналов посредством вейвлет-преобразования // XXVI Туполевские чтения: cб. докл. Казань, 9–10 ноября 2023 г. Казань: ИП Сагиев А. Р., 2023. С. 3556 ‒ 3560.
27. Martinez-Ríos E. A., Bustamante-Bello R., Navarro-Tuch S., Perez-Meana H. Applications of the Generalized Morse Wavelets: A Review // IEEE Access. 2023. V. 11. P. 667 ‒ 688.
28. Lilly J. M., Olhede S. C. Generalized Morse Wavelets as a Superfamily of Analytic Wavelets // IEEE Transactions on Signal Processing. 2012. V. 60. P. 60366041.
29. Lilly J. M., Olhede S. C. On the Analytic Wavelet Transform // IEEE Transactions on Information Theory. 2010. V. 56, No. 8. P. 41354156.
1. Yuan X., Wang H., Colin Sun J., Zhang J. (2007). AC Impedance Technique in PEM Fuel Cell Diagnosis: A Review. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 32 17, 4365 ‒ 4380.
2. Nasser-Eddine A., Huard B., Gabano J.-D. et al. (2020). Fast Time Domain Identification of Electrochemical Systems at Low Frequencies using Fractional Modeling. Journal of Electroanalytical Chemistry, 862.
3. Jianfeng Lv., Kuang J., Zhongliang Yu. et al. (2023). Diagnosis of PEM Fuel Cell System Based on Electrochemical Impedance Spectroscopy and Deep Learning Method. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 71(1), 657 ‒ 666.
4. Oldenburger M., Bedürftig B., Gruhle A., et al. (2019). Investigation of the Low Frequency Warburg Impedance of Liion Cells by Frequency Domain Measurements. Journal of Energy Storage, 21.
5. Spielbauer M., Berg P., Ringat M., et al. (2019). Experimental Study of the Impedance Behavior of 18650 Lithiumion Battery Cells under Deforming Mechanical Abuse. Journal of Energy Storage, 26.
6. Shi Y., He W., Xie B., et al. (2023). PEMFC Fault Diagnosis Based on an Equivalent Circuit and OS-ELM Framework. IEEE Transactions on Industry Applications, 60(1), 1277 ‒ 1287.
7. Denisov E. S. (2023). Low-signal electric model of solid polymer hydrogen fuel cell. Yuzhno-Sibirskiy nauchniy vestnik, 49(3), 152 ‒ 158. [in Russian language]
8. Astaf'ev E. A. (2018). Comparison of the method and apparatus of electrochemical impedance with the method of measurement and analysis of electrochemical noise. Elektrohimiya, 54(12), 1044 ‒ 1054. [in Russian language]
9. Denisov E. S., Nikishina G. V., Kon'kov K. V. (2024). Evaluation of the influence of intrinsic noise of measuring equipment in measuring the impedance of hydrogen fuel cells based on broadband probing signals. Yuzhno-Sibirskiy nauchniy vestnik, 54(2), 33 ‒ 39. [in Russian language]
10. Denisov E. S. (2022). Hydrogen Fuel Cell Electrochemical Impedance Measurement System Based on Broadband Probing Signals. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. A. N. Tupoleva, 78(1), 92 ‒ 98. [in Russian language]
11. Wang H., Gaillard A., Hissel D. (2019). A Review of DC/DC Converter-Based Electrochemical Impedance Spectroscopy for Fuel Cell Electric Vehicles. Renewable Energy, 141, 124 ‒ 138.
12. Wang H., Gaillard A., Hissel D. (2019). Online Electrochemical Impedance Spectroscopy Detection Integrated with Step-up Converter for Fuel Cell Electric Vehicle. International Journal of Hydrogen Energy, 44(2), 1110 ‒ 1121.
13. Klotz D., Schönleber M., Schmidt J. P., Ivers-Tiffée E. (2011). New Approach for the Calculation of Impedance Spectra out of Time Domain Data. Electrochimica Acta, Vol. 56 24, 8763 ‒ 8769.
14. Alavi S. M., Birki C. R., Hawey D. A. (2015). Timedomain Fitting of Battery Electrochemical Impedance Models. Journal of Power Sources, 288, 345 ‒ 352.
15. Ruan H., Sun B., Jiang J., et al. (2021). A Modified-Electrochemical Impedance Spectroscopy-Based Multi-Time-scale Fractional-Order Model for Lithiumion Batteries. Electrochimica Acta, 394.
16. Denisov E. S., Nikishina G. V., Eniliev R. R., Nikishin T. P. (2023). Implementation peculiarities of method for lithium batteries technical state monitoring based on analysis of relaxation processes caused by load variations. Kontrol'. Diagnostika, Vol. 26 301(7), 36 ‒ 43. [in Russian language]. DOI: 10.14489/td.2023.07.pp.036-043
17. Nusev G., Juričić Đ., Gaberšček M., et al. (2021). Fast Impedance Measurement of Li-ion Battery using Discrete Random Binary Excitation and Wavelet Transform IEEE Access, (9), 46152 ‒ 46165.
18. Steiner N. Y., Hissel D., Moçotéguy Ph., Candusso D. (2011). Non-Intrusive Diagnosis of Polymer Electrolyte Fuel Cells by Wavelet Packet Transform. International Journal of Hydrogen Energy, 36(1), 740 ‒ 746.
19. Shindor O. V., Denisov E. S., Evdokimov Yu. K. (2013). Investigation of the diagnostic capabilities of wavelet transform for the analysis of electrical fluctuations of hydrogen fuel cell. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. A. N. Tupoleva, (4), 120 ‒ 124. [in Russian language]
20. Shindor O. V., Denisov E. S., Evdokimov Yu. K. (2011). Prediction of Hydrogen Fuel Cell Operating Modes Based on Wavelet Analysis. Nelineyniy mir, 9(1), 813 ‒ 817. [in Russian language]
21. Ma T., Lin W., Yang Y., et al. (2020). Water Content Diagnosis for Proton Exchange Membrane Fuel Cell Based on Wavelet Transformation. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 45(39), 20339 ‒ 20350.
22. Astaf'eva N. M. (1996). Wavelet Analysis: Basic Theory and Application Examples. Uspekhi fizicheskih nauk, 166(11), 1145 – 1170. [in Russian language]
23. Flandrin P. (1999). Time-Frequency/Time-Scale Analysis. San Diego: Wavelet Analysis and its Applications. (10). Academic Press. Retrived from http://www.academicpress.com/
24. Iatsenko D., McClintock P. V. E., Stefanovska A. (2015). Nonlinear Mode Decomposition: A Noise-Robust, Adaptive decomposition Method. Physical Review E, 92, 032916 ‒ 032941.
25. Daubechies I. (1992). Ten Lectures on Wavelets. Philadelphia: SIAM.
26. Kon'kov K. V. (2023). Study of the possibility of estimating the spectral characteristics of signals using wavelet transform. XXVI Tupolev Readings: collection of reports, 3556 ‒ 3560. Kazan: IP Sagiev A. R. [in Russian language]
27. Martinez-Ríos E. A., Bustamante-Bello R., Navarro-Tuch S., Perez-Meana H. (2023). Applications of the Generalized Morse Wavelets: A Review. IEEE Access, (11), 667 ‒ 688.
28. Lilly J. M., Olhede S. C. (2012). Generalized Morse Wavelets as a Superfamily of Analytic Wavelets. IEEE Transactions on Signal Processing, 60.
29. Lilly J. M., Olhede S. C. (2010). On the Analytic Wavelet Transform. IEEE Transactions on Information Theory, 56(8).
Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).
Стоимость статьи 700 руб. (в том числе НДС 20%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.
После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.
Для заказа скопируйте doi статьи:
10.14489/td.2025.04.pp.013-022
и заполните форму
Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.
.
This article is available in electronic format (PDF).
The cost of a single article is 700 rubles. (including VAT 20%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.
After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.
To order articles please copy the article doi:
10.14489/td.2025.04.pp.013-022
and fill out the form
.
|
Текущий номер
">
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»