Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS hat im Projekt AIR (Antriebsbatterieinspektion mittels Röntgentechnik) eine Softwarebibliothek zur automatisierten Auswertung von 2D-Röntgenprojektionen von Fahrzeugbatterien entwickelt. Das am Entwicklungszentrum Röntgentechnik gemeinsam mit der Hochschule München entwickelte Verfahren soll die mechanische Integrität gebrauchter oder verunfallter Hochvoltbatterien bewerten, ohne das Batteriegehäuse zu öffnen oder Komponenten zu demontieren.
In den bislang untersuchten Batterievarianten lokalisiert das System Rundzellen, prismatische Zellen und Pouchzellen automatisiert und erkennt geometrische Auffälligkeiten, die auf Verschiebungen, Verformungen oder Zellanschwellungen hindeuten können.
Gebrauchte Antriebsbatterien können bei ausreichender Restkapazität und entsprechendem Sicherheitszustand in stationären Second-Life-Anwendungen etwa als Heim-, Zwischen- oder Netzspeicher weiterverwendet werden.
Neben dem üblicherweise über den Gesundheitszustand (State of Health/SoH) bewerteten elektrischen und elektrochemischen Zustand ist für Wiederverwendung, Transport oder weitere Diagnose auch die mechanische Integrität relevant. Die Röntgenbefunde des AIR-Systems liefern zusätzliche Informationen über innere Geometrien und mögliche strukturelle Auffälligkeiten. Sie ersetzen allerdings laut den Forschern weder elektrische Prüfungen noch eine einzelfallbezogene Sicherheitsbeurteilung.
Das AIR-System ist als Durchstrahlungsanlage ausgelegt, bei der je nach Prüfaufbau ein Batteriepack oder ein komplettes Fahrzeug durch den Strahlengang geführt wird. Die entwickelte Software analysiert die dabei erzeugten 2D-Röntgenprojektionen automatisiert. In der verwendeten Prüfumgebung dauerte die Auswertung eines Batteriepacks rund fünf Minuten, wobei die tatsächliche Gesamtprüfzeit unter anderem von Batteriegröße, Prüfaufbau und Zahl der Projektionen abhängt.
Fallstudie: VW ID.3 nach Frontalcrash
Die Leistungsfähigkeit des AIR-Systems wurde in einer Fallstudie an einem VW ID.3 untersucht. Das Kompakt-Elektroauto war zuvor bei DEKRA unter Laborbedingungen einem Frontalcrash unterzogen worden. Dabei prallte der ID.3 mit einer Geschwindigkeit von 79 km/h auf das Heck eines stehenden VW Tiguan. Trotz erheblicher Deformationsschäden im Frontbereich des Fahrzeugs zeigte die Röntgenuntersuchung der im Unterboden verbauten Hochvoltbatterie keine in den ausgewerteten Projektionen erkennbaren sicherheitskritischen strukturellen Auffälligkeiten.
Die radiographische Analyse der neun Batteriemodule ergab eine gleichmäßig angeordnete Zellgeometrie. Die Zellgrenzen verliefen in den untersuchten Röntgenprojektionen parallel, Überlagerungen oder Wölbungen wurden nicht festgestellt. Die Bildauswertungssoftware lokalisierte die Pouchzellen automatisiert und verglich die Krümmung ausgewählter Zellkanten. Dabei zeigten sich keine kritischen Abweichungen, die auf strukturelle Beschädigungen hindeuteten.
Ergänzt wurde die Röntgenuntersuchung durch eine Gefahrenbeurteilung nach DEKRA-Richtlinien, die Auswertung der Daten des sogenannten Event Data Recorders, das Auslesen des Batteriemanagementsystems sowie weitere elektrische Prüfungen. Auf Grundlage der Gesamtbewertung wurde die Hochvoltbatterie im konkreten Fall der niedrigsten EUCAR-Gefahrenstufe 0 zugeordnet und für eine weitere Nutzung freigegeben.
Rundzellen: Deutlich verformte Batterie automatisiert erkennen
Auch bei einer Traktionsbatterie mit zylindrischen Rundzellen wurde das Verfahren nach einem Crash erprobt. Das AIR-System analysierte eine Röntgen-Draufsicht des Batteriepacks und bestimmte die Positionen der einzelnen Zellen automatisiert. Die Auswertung zeigte einen durch die mechanische Belastung deutlich verformten Bereich. Im Vergleich zu einer Referenz waren Zellen sichtbar verschoben. Die automatisierte Positionsanalyse erfasste die Abweichungen und grenzte den betroffenen Bereich ein. Hinweise auf Zellanschwellungen zeigten sich in den untersuchten Röntgenprojektionen nicht.
„Trotz fehlender Hinweise auf Anschwellungen ist eine Weiterverwendung dieser Traktionsbatterie aufgrund der eindeutig erkennbaren mechanischen Verformung nicht zu empfehlen“, erklären die Experten. „Der Befund verdeutlicht, dass die Röntgenanalyse beschädigte Bereiche automatisiert identifizieren und damit Entscheidungen über weiterführende Diagnose, sichere Lagerung, Transport oder Verwertung unterstützen kann.“
Die Ergebnisse des AIR-Projekts können den Forschern zufolge dazu beitragen, gebrauchte Fahrzeugbatterien gezielter für Second-Life-Anwendungen zu bewerten und den Umgang mit verunfallten Fahrzeugen und Batterien bei Transport, Lagerung oder weiterführender Diagnose zu unterstützen. Die Technologie könnte außerdem für zukünftige Prüfkonzepte im Umfeld der Hauptuntersuchung von Elektrofahrzeugen relevant sein. Perspektivisch soll das geplante Giant-Eye-CT-System am Entwicklungszentrum Röntgentechnik des Fraunhofer IIS in Fürth die Möglichkeiten zur dreidimensionalen Analyse kompletter Elektrofahrzeuge erweitern.
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