리튬이온 배터리의 충전 상태에 따른 유도 탄성파 신호의 매개변수 추출

초록

리튬 이온 배터리(Lithium-Ion Battery, LIB)는 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명으로 인해 에너지 저장 시스템 및 미래 모빌리티의 핵심 요소로 주목받고 있다. LIB의 안전한 사용을 위해서는 배터리 상태의 정확한 모니터링이 필수이며, 특히 SoC(State-of-Charge)는 사용 가능한 에너지를 나타내는 핵심 지표이다. 기존의 SoC 추정은 주로 전기적 신호에 기반해 이루어졌으나, LiFePO₄(LFP) 배터리는 평탄한 전압 특성을 가지므로 전압만으로 SoC를 정확히 추정하는 데 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 배터리 내부의 물리적·화학적 변화를 감지할 수 있는 유도 탄성파(guided ultrasonic wave)를 이용하여 SoC에 따른 신호 변화를 분석하고, 이를 통해 SoC를 추정하고자 한다. 실험은 14.5 Ah 용량의 LFP 배터리(200×150×7.2 mm³)에 2개의 압전 센서를 부착한 후, 35°C의 항온기 내에서 진행되었다. 배터리는 5A 전류로 3.75V까지 충전 후 3시간 동안 안정화 과정을 거친 뒤, 0.5C, 0.7C, 0.9C의 방전율로 각각 2회씩 방전하였다. 중심 주파수 170 kHz의 톤버스트 신호를 사용하여 SoC 1% 간격으로 유도 탄성파를 측정하고, 측정된 신호에 matching pursuit 알고리즘을 적용하여 다양한 신호 매개변수를 추출하였다. 그 결과, 총 7개의 매개변수 중 4개는 SoC와 높은 상관관계(R² > 0.8)를 보였으며, 이를 기계학습에 적용하여 SoC 추정이 가능함을 확인하였다. 본 연구는 전기 신호 기반 추정이 어려운 LFP 배터리의 SoC 변화를 유도 탄성파 기반 신호 분석을 통해 보다 효과적으로 파악할 수 있는 가능성을 제시한다.