Die Wiederverwendung von Fahrzeugbatterien kann einen entscheidenden Beitrag zu Ressourcenschonung und zur Verringerung damit verbundener CO₂-Emissionen leisten. Gebrauchte Antriebsbatterien können bei ausreichender Restkapazität und entsprechendem Sicherheitszustand in stationären Second-Life-Anwendungen weiterverwendet werden, etwa als Heim-, Zwischen- oder Netzspeicher.
Am Entwicklungszentrum Röntgentechnik des Fraunhofer IIS wurde in Kooperation mit der Hochschule München mit dem AIR-System ein Verfahren entwickelt, um die mechanische Integrität gebrauchter oder verunfallter Hochvoltbatterien besser zu bewerten – ohne das Batteriegehäuse öffnen oder Komponenten demontieren zu müssen. Es lokalisiert in den bislang untersuchten Batterievarianten Rundzellen, prismatische Zellen und Pouchzellen automatisiert. Zudem erkennt es geometrische Auffälligkeiten, die auf Verschiebungen, Verformungen oder Zellanschwellungen hindeuten können.

Mechanische Integrität als Ergänzung zur SoH-Bewertung

Der elektrische und elektrochemische Zustand einer Batterie wird üblicherweise über den sogenannten State of Health, kurz SoH, bewertet. Für eine Entscheidung über Wiederverwendung, Transport oder weitere Diagnose ist jedoch auch die mechanische Integrität relevant. Alterung, Vibrationen, Unfälle oder Verformungen können Zellen und Module beeinträchtigen und damit sicherheitsrelevant sein. Diese Aspekte lassen sich in geschlossenen Batteriepaketen bislang nur eingeschränkt zerstörungsfrei beurteilen.

Hier setzt das AIR-System an: Es ermöglicht eine Röntgenprüfung kompletter Batteriepakete und liefert zusätzliche Informationen über die innere Geometrie und mögliche strukturelle Auffälligkeiten. Die Röntgenbefunde sind dabei Teil einer Gesamtbewertung und ersetzen weder elektrische Prüfungen noch eine einzelfallbezogene Sicherheitsbeurteilung.

Automatisierte Auswertung von 2D-Röntgenprojektionen

Das AIR-System ist als Durchstrahlungsanlage konzipiert. Je nach Prüfaufbau wird ein Batteriepack oder ein komplettes Fahrzeug durch den Strahlengang geführt. Die nun entwickelte Software analysiert die erzeugten 2D-Röntgenprojektionen automatisiert. In der verwendeten Prüfumgebung dauerte die Auswertung eines Batteriepacks rund fünf Minuten. Die tatsächliche Gesamtprüfzeit hängt unter anderem von der Größe des Batteriepacks, dem Prüfaufbau und der Anzahl der aufgenommenen Projektionen ab.

 

Fallstudie: VW ID.3 nach Frontalcrash

Die Leistungsfähigkeit des AIR-Systems wurde in einer Fallstudie an einem VW ID.3 untersucht. Das Fahrzeug 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 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. Der Befund verdeutlicht, dass die Röntgenanalyse beschädigte Bereiche automatisiert identifizieren und damit Entscheidungen über weiterführende Diagnose, sichere Lagerung, Transport oder Verwertung unterstützen kann.

Potenzial für Wiederverwendung, Sicherheit und Ressourcenschonung

Die Ergebnisse des AIR-Projekts können dazu beitragen, gebrauchte Fahrzeugbatterien gezielter für Second-Life-Anwendungen zu bewerten. Eine fundiertere Einschätzung der mechanischen Integrität kann zudem den Umgang mit verunfallten Fahrzeugen und Batterien unterstützen, etwa bei Transport, Lagerung oder weiterführender Diagnose.

Auch für zukünftige Prüfkonzepte im Umfeld der Hauptuntersuchung von Elektrofahrzeugen könnte die Technologie 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.