Fraunhofer automatisiert die Röntgenanalyse von E-Autobatterien
Das Fraunhofer IIS hat Software entwickelt, die Röntgenbilder vollständiger EV-Batterien automatisch auf mechanische Unregelmäßigkeiten überprüft. Die im Forschungsprojekt AIR entwickelte Methode soll die klassische Batteriediagnostik ergänzen und zusätzliche Informationen für bei Unfällen beschädigte Fahrzeuge sowie vor einer möglichen Wiederverwendung liefern.
Die Röntgen-Software erkennt verschobene runde Zellen und markiert automatisch die verformten Bereiche.
Bild: Fraunhofer IIS
In Zusammenarbeit mit der Münchner Hochschule für Angewandte Wissenschaften hat das Röntgentechnologieentwicklungszentrum am Fraunhofer IIS eine Methode entwickelt, mit der vollständige Hochvoltbatterien ohne Öffnen des Batteriekastens oder Entfernen einzelner Komponenten röntgt werden können. Das AIR-System (AIR steht für *Antriebsbatterieinspektion mittels Röntgentechnik*, also Inspektion von Antriebsbatterien mit Röntgentechnologie) ist nicht neu: Fraunhofer stellte diese Prüftechnologie erstmals im Jahr 2024 vor und testete sie unter anderem an mehr als 100 privaten Elektroautos. Neu ist jedoch eine Softwarebibliothek, die die erzeugten 2D-Röntgenprojektionen automatisch auswertet.
Laut Fraunhofer IIS kann die Software automatisch zylindrische Zellen, prismatische Zellen sowie Pouch-Zellen bei den bislang untersuchten Batterietypen erkennen. Anschließend kann sie geometrische Unregelmäßigkeiten feststellen, die auf verschobene oder verformte Zellen sowie auf eine Schwellung der Zellen hindeuten können.
Die Messanlage ähnelt einer Autowaschanlage: Eine Röntgenquelle, die über dem Fahrzeug positioniert ist, scannt das Fahrzeug sowie den Unterboden-Akku, während ein Detektor darunter die Strahlung auffängt. Je nach Testanlage kann auch nur der Akkupack untersucht werden. Fraunhofer hatte zuvor eine Messzeit von etwa zehn Minuten für das Scannen eines vollständigen Fahrzeugs angegeben. Im verwendeten Testumfeld dauerte die neu vorgestellte automatisierte Bewertung eines Akkupacks laut dem Institut etwa fünf Minuten. Allerdings hängt die Gesamttestzeit von Faktoren wie der Größe des Akkupacks, der Messanlage sowie der Anzahl der erforderlichen Projektionen ab.
Neben der Röntgenanalyse gibt es bereits verschiedene Methoden zur Bewertung von gebrauchten EV-Batterien, insbesondere um ihren elektrischen und elektrochemischen Zustand oder den Gesundheitszustand (SoH) zu bestimmen. Die Relevanz der individuellen Prüfung wurde kürzlich durch eine Bewertung von Aviloo unter Beweis gestellt: Bei mehr als 500.000 überprüften EVs variierte der SoH erheblich – selbst bei Fahrzeugen derselben Modellreihe mit vergleichbarer Laufleistung.
Doch der SoH gibt nicht direkt an, ob die Zellen und Module innerhalb eines geschlossenen Batteriepacks mechanisch intakt sind. Alterung, Vibrationen oder Unfälle können Veränderungen und Deformationen verursachen. Genau hier kommt das AIR-Projekt ins Spiel.
Röntgenanalyse ergänzt die klassische Batteriediagnostik
Die Röntgeninspektion dient nicht dazu, die Tests von Elektrobatterien zu ersetzen. Vielmehr dienen die Bilder dazu, zusätzliche Informationen über die mechanische Integrität zu liefern und somit Teil einer umfassenderen Bewertung des Zustands sowie der Sicherheit zu werden. Dies kann beispielsweise bei der Entscheidung relevant sein, ob eine durch einen Unfall beschädigte Batterie weiter untersucht, transportiert, gelagert, wiederverwendet oder recycelt werden soll.
Zur Demonstration der Funktionsweise untersuchte das Projekt unter anderem einen VW ID.3. Unter Laborbedingungen bei DEKRA wurde das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit von 79 km/h in den hinteren Teil eines stationären VW Tiguan gelenkt. Trotz erheblicher Deformationen im vorderen Bereich gab das Fraunhofer-Institut an, in den untersuchten Röntgenaufnahmen der unter dem Boden befindlichen Batterie keine sicherheitskritischen strukturellen Unregelmäßigkeiten festgestellt zu haben.
Die Software lokalisierte automatisch die Pouch-Zellen in den neun Batteriemodulen und verglich unter anderem die Krümmung der Ränder ausgewählter Zellen. Laut dem Institut wurden keine kritischen Abweichungen, Überschneidungen oder Ausbuchtungen festgestellt.
Doch allein aufgrund dieser Bilder wurde die Batterie nicht für weitere Verwendung freigegeben. Zu den zusätzlichen Bewertungen gehörten eine Gefährdungsbewertung nach DEKRA-Richtlinien, Daten aus dem Ereignisdatenrekorder und dem Batteriemanagementsystem sowie weitere elektrische Tests. Auf der Grundlage dieser umfassenden Bewertung wurde die Hochvoltbatterie in das niedrigste EUCAR-Gefährdungslevel 0 eingestuft und für weitere Verwendung genehmigt.
Bei einer weiteren durch einen Unfall beschädigten Batterie mit zylindrischen Zellen ergab die Analyse ein anderes Ergebnis. Hier erkannte die Software einen deutlich deformierten Bereich sowie Zellen, die sich im Vergleich zu einer Referenz verschoben hatten. Obwohl keine Anzeichen für Zellanschwellung festgestellt wurden, wurde die Batterie aufgrund der mechanischen Deformation dennoch nicht für weitere Verwendung empfohlen.
X-Röntgen-Technologie wird auch an anderen Stellen eingesetzt, um Batterien zu untersuchen. Beispielsweise hat Fraunhofer EMI ein Hochgeschwindigkeits-X-Röntgensystem entwickelt, das dynamische Prozesse innerhalb einzelner Großformat-Batteriezellen während Belastungs- und Sicherheitstests visualisieren kann. Ein solches System soll 2028 bei Volkwagens Batterie-Tochtergesellschaft PowerCo in Salzgitter installiert werden.
In der Zwischenzeit könnte der AIR-Ansatz für weitere Anwendungsfälle außerhalb von Unfallfahrzeugen relevant sein. Fraunhofer IIS nennt Anwendungen im Sekundärmarkt als möglichen Einsatzbereich. Das Institut hält die Technologie zudem für potenziell relevant bei zukünftigen Inspektionskonzepten im Rahmen der periodischen technischen Überprüfung (HU) von Elektrofahrzeugen. Bisher hat Fraunhofer jedoch noch keine konkreten Pläne für eine Einbindung in den regulären HU-Prozess bekannt gegeben. In Zukunft soll das geplante „Giant Eye“-CT-System am Röntgentechnologieentwicklungszentrum in Fürth es ebenfalls ermöglichen, vollständige Elektrofahrzeuge dreidimensional zu analysieren.