Fraunhofer automatisiert Röntgenanalyse von E-Auto-Batterien
Das Fraunhofer IIS hat eine Software entwickelt, die Röntgenaufnahmen kompletter E-Auto-Batterien automatisiert auf mechanische Auffälligkeiten untersucht. Das im Forschungsprojekt AIR entwickelte Verfahren soll die klassische Batteriediagnostik ergänzen und insbesondere bei Unfallfahrzeugen sowie vor einer möglichen Second-Life-Nutzung zusätzliche Informationen liefern.
Die Röntgen-Software erkennt verschobene Rundzellen und grenzt verformte Bereiche automatisiert ein.
Bild: Fraunhofer IIS
Das Entwicklungszentrum Röntgentechnik des Fraunhofer IIS hat gemeinsam mit der Hochschule München ein Verfahren entwickelt, mit dem komplette Hochvoltbatterien durchleuchtet werden können, ohne das Batteriegehäuse zu öffnen oder einzelne Komponenten auszubauen. Das AIR-System (AIR steht für Antriebsbatterieinspektion mittels Röntgentechnik) selbst ist dabei nicht neu: Fraunhofer hatte die Prüftechnik bereits 2024 vorgestellt und unter anderem an mehr als 100 privaten Elektroautos erprobt. Neu ist nun eine Softwarebibliothek, die die erzeugten 2D-Röntgenprojektionen automatisiert auswertet.
Nach Angaben des Fraunhofer IIS kann die Software in den bislang untersuchten Batterietypen Rundzellen, prismatische Zellen und Pouchzellen automatisiert lokalisieren. Anschließend lassen sich geometrische Auffälligkeiten erfassen, die etwa auf verschobene oder verformte Zellen sowie Zellanschwellungen hindeuten können.
Der Messaufbau erinnert an eine Waschanlage: Eine oberhalb des Fahrzeugs positionierte Röntgenquelle durchstrahlt Fahrzeug und Unterflurbatterie, während ein Detektor darunter die Strahlung erfasst. Je nach Prüfaufbau kann auch nur das Batteriepack untersucht werden. Das Fraunhofer-Institut hatte für den Scan eines kompletten Fahrzeugs zuvor eine Messzeit von rund zehn Minuten angegeben. Die jetzt vorgestellte automatisierte Auswertung eines Batteriepacks dauerte in der verwendeten Prüfumgebung nach Institutsangaben etwa fünf Minuten. Die gesamte Prüfzeit hängt jedoch unter anderem von Packgröße, Messaufbau und Anzahl der benötigten Projektionen ab.
Für die Bewertung gebrauchter Elektroauto-Batterien gibt es neben der Röntgenanalyse bereits verschiedene Verfahren, die vor allem den elektrischen und elektrochemischen Zustand beziehungsweise den State of Health (SoH) bestimmen. Wie relevant eine individuelle Prüfung ist, zeigte zuletzt etwa eine Auswertung von Aviloo: Bei mehr als 500.000 untersuchten E-Autos schwankte der SoH selbst zwischen Fahrzeugen desselben Modells und mit vergleichbarer Laufleistung teils deutlich.
Der SoH sagt allerdings nicht unmittelbar aus, ob Zellen und Module im Inneren eines geschlossenen Batteriepacks mechanisch unversehrt sind. Alterung, Vibrationen oder Unfälle können zu Verschiebungen und Verformungen führen. Genau hier setzt das Projekt AIR an.
Röntgenanalyse ergänzt klassische Batteriediagnose
Die Röntgenprüfung soll elektrische Batterietests nicht ersetzen. Vielmehr sollen die Bilder zusätzliche Informationen über die mechanische Integrität liefern und damit Teil einer umfassenderen Zustands- und Sicherheitsbewertung werden. Relevant könnte das beispielsweise bei der Entscheidung sein, ob eine Unfallbatterie weiter untersucht, transportiert, gelagert, wiederverwendet oder verwertet werden soll.
Wie das funktionieren kann, untersuchten die Projektpartner unter anderem an einem VW ID.3. Das Fahrzeug war bei DEKRA unter Laborbedingungen mit 79 km/h frontal auf das Heck eines stehenden VW Tiguan aufgefahren. Trotz erheblicher Deformationen im Frontbereich waren in den ausgewerteten Röntgenprojektionen der Unterflurbatterie laut Fraunhofer keine sicherheitskritischen strukturellen Auffälligkeiten erkennbar.
Die Software lokalisierte die Pouchzellen in den neun Batteriemodulen automatisiert und verglich unter anderem die Krümmung ausgewählter Zellkanten. Dabei zeigten sich den Angaben zufolge keine kritischen Abweichungen, Überlagerungen oder Wölbungen.
Die Freigabe der Batterie erfolgte allerdings nicht allein auf Basis dieser Bilder. Ergänzend wurden eine Gefahrenbeurteilung nach DEKRA-Richtlinien, Daten des Event Data Recorders und des Batteriemanagementsystems sowie weitere elektrische Prüfungen herangezogen. Auf Grundlage dieser Gesamtbewertung wurde die Hochvoltbatterie der niedrigsten EUCAR-Gefahrenstufe 0 zugeordnet und zur weiteren Nutzung freigegeben.
Bei einer weiteren Crash-Batterie mit Rundzellen lieferte die Analyse ein anderes Ergebnis. Hier erkannte die Software einen deutlich verformten Bereich und gegenüber einer Referenz verschobene Zellen. Hinweise auf Zellanschwellungen fanden sich zwar nicht, aufgrund der mechanischen Verformung wurde eine Weiterverwendung der Batterie dennoch nicht empfohlen.
Röntgentechnik wird auch an anderer Stelle zur Untersuchung von Batterien eingesetzt. So hat beispielsweise das Fraunhofer EMI eine Hochgeschwindigkeits-Röntgenanlage entwickelt, mit der dynamische Vorgänge innerhalb einzelner großformatiger Batteriezellen während Belastungs- und Sicherheitstests sichtbar gemacht werden können. Eine solche Anlage soll 2028 bei Volkswagens Batterietochter PowerCo in Salzgitter installiert werden.
Beim AIR-Ansatz könnten unterdessen neben Unfallfahrzeugen weitere Use Cases interessant werden. Das Fraunhofer IIS nennt etwa Second-Life-Anwendungen als mögliches Einsatzgebiet. Auch für künftige Prüfkonzepte im Umfeld der Hauptuntersuchung von Elektrofahrzeugen hält das Institut die Technik für potenziell relevant. Konkrete Pläne für einen Einsatz im regulären HU-Prozess nennt Fraunhofer allerdings noch nicht. Perspektivisch soll zudem das geplante „Giant Eye“-CT-System am Entwicklungszentrum Röntgentechnik in Fürth dreidimensionale Analysen kompletter Elektrofahrzeuge ermöglichen.