리튬이온 배터리는 일상 생활에서 점점 더 널리 사용되고 있다. 그러나 배터리는 다양한 물질로 봉지되어 있기 때문에, 내부 상태를 실시간으로 모니터링하기는 어렵다. 따라서, 배터리의 내부 상태에 대한 실시간 모니터링이 요구된다. 이에 대해, 초음파 검사는 초음파의 투과성과 비파괴성을 사용하는 검사로서 배터리 실시간 모니터링에 매우 적합한 검사방식이다.
본 연구에서는 먼저 리튬 배터리의 단일 셀 구조를 3D로 모델링하고, 서로 다른 충전 단계(SoC)에서 리튬 이온 배터리의 초음파 응답 신호를 전송 방법을 사용하여 처리하고 연구했다. 또한 시뮬레이션을 통해 초음파 신호의 비행 시간(ToF), 진폭, 중심 주파수, 대역폭이 배터리 SoC와 밀접한 관련이 있음을 확인했다. 시간 영역 신호에서는 배터리 SoC가 증가함에 따라 초음파의 비행 시간이 감소하고, SoC가 증가함에 따라 피크 값이 증가하는 것으로 나타났다. 초음파 신호의 고유값을 보다 포괄적으로 관찰하기 위해 FFT(고속 푸리에 변환)를 통해 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 변환하여 주파수 도메인에 대한 연구도 진행했다. 주파수 고유값을 추출한 결과, SoC가 증가함에 따라 초음파 응답 신호의 중심 주파수와 -6dB 대역폭이 증가하며 비례 관계를 보였다. 실험적 검증을 통해 얻은 초음파 응답 특성의 시간 영역 신호의 피크 값 변화, 주파수 영역 신호의 중심 주파수와 대역폭, 세 가지 고유값은 배터리의 SoC와 밀접한 상관 관계를 갖을 확인할 수 있었다. 그리고 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 유한 요소 모델의 정확성도 검증할 수 있었다. 그 중 ToF는 변동이 있으나 단조적 경향을 나타내지 않으며, 이러한 거동을 보이는 구체적인 이유에 대해서는 추가 연구가 필요하다. 설계한 리튬이온 배터리 등가 시뮬레이션 모델이 실제 모델과 잘 매칭될 수 있도록, 매개변수 역산법을 이용하여 음향 시뮬레이션에 적합한 리튬 배터리 등가 모델을 구축하였다. 이 모델의 음향 응답 신호는 실험 음향 응답 신호의 첫 번째 수신 피크와 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 등가 모델 구축을 통해 실제 배터리의 상세한 계층 모델을 계산하는 것보다 시뮬레이션에 소요되는 시간을 효과적으로 줄일 수 있었다. 향후 이 모델을 활용해 리튬 배터리 검출 연구를 다방면으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.