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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Schutzprofil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Schutzprofil für ein derartiges Kraftfahrzeug.
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Bei Kraftfahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Zusatzantrieb (Elektro- oder Hybridfahrzeugen) kann es im Falle eines Unfalls zu einer Deformation der Hochvoltbatterie (Traktionsbatterie) oder aber zur Intrusion von Kleinteilen (Schrauben, Schweißbolzen, etc.) in die Traktionsbatterie kommen. Eine zu große Deformation im Crashfall kann jedoch zu einem Kurzschluss der Traktionsbatterie führen, wodurch im schlimmsten Fall ein Brand ausgelöst werden kann. Aus diesem Grund werden Traktionsbatterien, insbesondere in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, in einem crashstabilen Gehäuse bzw. einem Crashrahmen untergebracht, der Deformationen innerhalb der Traktionsbatterie zumindest minimieren, vorzugsweise sogar gänzlich vermeiden soll.
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Aus der
DE 10 2009 053 138 A1 ist ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einem heckseitigen Querträger und einem Schutzprofil zum Schutz einer Traktionsbatterie bekannt, wobei das Schutzprofil zwischen der Traktionsbatterie und dem heckseitigen Querträger angeordnet und aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist.
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Aus der
DE 10 2005 004 780 B3 ist ein Deformationselement bekannt, welches beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist.
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Aus der
DE 10 2011 012 115 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einer als Traktionsbatterie ausgebildeten Batterie bekannt, wobei zwischen einem Bauteil und der Traktionsbatterie ein Schutzprofil angeordnet ist, welches im Crashfall energieabsorbierend deformiert werden kann.
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Aus der
DE 10 2011 102 412 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie bekannt, die in einem Heckbereich des Kraftfahrzeuges zwischen zwei Längsträgern angeordnet ist. Über Befestigungsstellen ist dabei die Traktionsbatterie an einem Tragrahmen gehalten. Des Weiteren ist ein mit dem Tragrahmen verbundener Deformationsquerträger vorgesehen, der zur Aufnahme von Aufprallkräften bei einer Heckkollision um einen freien Deformationsweg hinter dem Tragrahmen angeordnet ist. Bei einer Heckkollision wird somit unter Verformung des Deformationsquerträgers Aufprallenergie absorbiert, ohne dass übermäßig große Aufprallkräfte in die vom Tragrahmen umrahmte Traktionsbatterie eingeleitet werden. Insbesondere sind aufgrund des dem Tragrahmen vorgeschalteten Deformationsquerträgers die Batteriebefestigungsstellen zwischen dem Batteriegehäuse und dem Tragrahmen von dem, die Crashkräfte aufnehmenden Deformationsquerträger entkoppelt. Hierdurch soll ein erhöhter Schutz für die Traktionsbatterie bereitgestellt werden können.
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Aus der
DE 10 2010 033 123 A1 ist eine Anordnung einer Energiespeichereinrichtung an einem Rohbau eines Kraftfahrzeuges bekannt, bei welcher die Energiespeichereinrichtung zumindest mittelbar an dem Rohbau des Kraftfahrzeugs gehalten ist. Darüber hinaus ist wenigstens ein Betätigungselement vorgesehen, mittels welchem die Energiespeichereinrichtung vor oder bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung des Kraftfahrzeuges relativ zum Rohbau bewegbar ist. Durch dieses Betätigungselement soll die Energiespeichereinrichtung in Crash-/Lastfällen vor einer unerwünschten Beschädigung und/oder Zerstörung geschützt werden, indem die Energiespeichereinrichtung relativ zum Rohbau und zumindest überwiegend, insbesondere komplett, aus dem Anprallbereich des Rohbaus bzw. aus dem Bereich, der bei einem Unfall und damit bei einem vorgegebenen Lastfall mit Kräften beaufschlagt und gegebenenfalls deformiert wird, bewegt wird. Hierdurch soll sich insbesondere ein verbessertes Unfallverhalten des Kraftfahrzeuges ergeben.
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Aus der
EP 2 353 971 A1 ist ebenfalls ein Kraftfahrzeug mit einer in einem Heckbereich angeordneten Traktionsbatterie bekannt. Um diese Traktionsbatterie gegen Heckaufprallkräfte besser schützen zu können, ist neben einem Fahrzeugquerträger zusätzlich ein Aussteifungsträger vorgesehen, der in Fahrzeugquerrichtung zwischen den beiden Fahrzeuglängsträgern verläuft und der beabstandet zur Traktionsbatterie angeordnet ist, so dass eine Verformung des Aussteifungsträgers bei einem Heckaufprall zunächst ohne direkte Einwirkung auf die Traktionsbatterie erfolgen kann. Auch hierdurch soll das Crashverhalten des Kraftfahrzeugs verbessert bzw. die Gefahr einer Beschädigung der Traktionsbatterie bei einem Heckaufprall gemindert werden.
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Auch aus der
JP 2002-186101 A ist eine crashstabilisierende Struktur zum Schutz einer Traktionsbatterie bei einem Crash eines Kraftfahrzeugs bekannt.
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Aus der
US 6 062 632 A1 ist ein Aufprallenergie-Absorptionssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, das aus einer Anordnung von Platten aus leichtem Kernmaterial gebildet wird, die sandwichartig in Verstärkungs- oder Versteifungshäuten angeordnet und mit diesen verbunden sind.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Kraftfahrzeug der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere einen verbesserten Schutz einer Traktionsbatterie bei einem Fahrzeugcrash bewirken soll.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Heckbereich eines Kraftfahrzeuges, welches insbesondere als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist und deshalb eine als Hochvoltbatterie ausgebildete Traktionsbatterie besitzt, zwischen dieser Traktionsbatterie und einem heckseitigen Querträger ein zusätzliches Schutzprofil anzuordnen, welches aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist. Dieses Schutzprofil ist dabei in einem ohnehin vorhandenen freien Bauraum zwischen der Traktionsbatterie und dem Querträger angeordnet und schützt die Traktionsbatterie sowohl vor einer unerwünschten Deformation als auch vor einer unerwünschten Intrusion von Kleinteilen, wie beispielsweise Schrauben oder Bolzen. Eine zu große Deformation bzw. eine Intrusion von Kleinteilen kann nämlich im schlimmsten Fall zum Brand des Kraftfahrzeuges führen, was unbedingt vermieden werden muss. Durch das erfindungsgemäße Schutzprofil ist das Kraftfahrzeug in der Lage zusätzlich Aufprallenergie zu absorbieren und sofern das Absorptionsvermögen des Schutzprofils nicht ausreicht, die noch verbleibende Aufprallenergie nicht punktuell oder linienförmig, sondern flächig auf die Traktionsbatterie zu leiten, wodurch gefährliche Spannungsspitzen an der Traktionsbatterie im Crashfall vermieden werden können, zumindest aber deren Gefahr reduziert werden kann. Um dabei für das erfindungsgemäße Schutzprofil sowohl den Anforderungen hinsichtlich der Crashstabilität bzw. des Energieabsorptionsvermögens als auch eines möglichst geringen Gewichts gerecht werden zu können, ist das erfindungsgemäße Schutzprofil aus faserverstärktem Kunststoff und damit vergleichsweise leicht ausgebildet, was insbesondere im Sportwagenbau von großem Vorteil ist. Das Schutzprofil kann dabei Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern oder Naturfasern aufweisen, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, insbesondere in Polyamid, Polypropylen, Polyblend oder Polybutylenterephthalat. Bereits die nicht abschließende Aufzählung unterschiedlichster Fasern bzw. Kunststoffe lässt erahnen, welch großer Spielraum einem Entwickler bei der Gestaltung des erfindungsgemäßen Schutzprofils gegeben ist. Ebenso zum Einsatz kommen können sogenannte Organobleche, wie beispielsweise als glasmattenverstärkte Thermoplaste, als mit Blecheinlegeteilen verstärkte Kunststoffteile oder als Schaumverstärkungen ausgebildet sind. Verwendung finden können dabei insbesondere ein- oder mehrlagige Organobleche, die stoffschlüssig auf das Schutzprofil aufgebracht werden. Verwendung finden können darüber hinaus sämtliche Aufbauarten derartiger Organobleche, insbesondere unidirektionale, bidirektionale, quasi isotrope sowie alle verfügbaren Gewebearten.
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Zweckmäßig ist das Schutzprofil im Spritzgussverfahren oder im Pultrusionsverfahren hergestellt. Das Spritzgießen bzw. Spritzgussverfahren wird bereits langjährig in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt und ermöglicht eine qualitativ hochwertige und zugleich kostengünstige Herstellung direkt verwendbarer Formteile in großer Stückzahl. Mit entsprechenden Spritzformen lassen sich selbstverständlich auch Aussteifungs- bzw. Versteifungskonturen, wie beispielsweise Rippen oder Sicken einfach mitformen. Die den Kunststoff verstärkenden Fasern können dabei entweder in die Spritzgussform eingelegt und mit dem flüssigen Kunststoff umspritzt werden oder aber in einem nachfolgenden Arbeitsschritt auf das fertig gespritzte Werkstück auflaminiert werden. In ähnlicher Weise kann auch ein sogenanntes Pultrusionsverfahren oder generell ein Strangziehverfahren zur Herstellung der faserverstärkten Schutzprofile eingesetzt werden. Bei den bekannten Pultrusionsverfahren wird grundsätzlich zwischen dem offenen und dem geschlossenen Verfahren unterschieden, wobei beim offenen Verfahren die Verstärkungsfasern über eine Tauchwalze von ihren Stelllagen in eine Harzwanne geführt werden. Ein sogenanntes Kardiergitter sorgt dabei für die gewünschte Verteilung der Fasern im späteren Profil. Anschließend werden die Fasern in einer Harzwanne mit Kunststoff getränkt und durchlaufen mehrere Vorformstationen, die das Faserharzgemisch immer mehr an die gewünschte, endgültige Form heranführen. Beim geschlossenen Verfahren treten die gesamten Verstärkungsfasern erst im formgebenden Werkzeug mit dem Harz in Kontakt, wodurch höhere Faservolumengehalte bei gleichzeitig besserer Tränkung erreicht werden können.
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Zweckmäßig besitzt das Schutzprofil mehrere eingeschlossene Kammern, die sich bei einer Lasteinwirkung auf das Schutzprofil verformen und dadurch eine möglichst flächige Lasteinleitung in die Traktionsbatterie bewirken. Die Kammern können dabei insbesondere wabenförmig ausgebildet sein. Eine Achse der jeweiligen Kammern verläuft dabei in Fahrzeuglängsrichtung, so dass die einzelnen Kammern in Fahrzeugquer- und - hochrichtung nebeneinander angeordnet sind. Durch das Vorsehen mehrerer derartiger Kammern kann das Deformationsverhalten des Schutzprofils gesteuert werden und beispielsweise eine punktförmig eingeleitete Crashlast in eine flächige auf die Traktionsbatterie einwirkende Kraft umgelenkt werden. Die möglichst großflächige Einwirkung der einzuleitenden Kräfte auf die Traktionsbatterie hilft mit, Spannungsspitzen an der Traktionsbatterie zu minimieren und dadurch das Deformationsverhalten der Traktionsbatterie zu verbessern.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist das Schutzprofil wenigstens ein metallisches Einlegeteil auf. Ein derartiges Einlegeteil kann beispielsweise ein Blecheinlegeteil aber auch ein Stahl- oder Aluminiumeinlegeteil sein, welches eine besonders hohe Steifigkeit aufweist oder welches für die gewünschte flächige Krafteinleitung in die Traktionsbatterie sorgt.
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Erfindungsgemäß weist das Schutzprofil wenigstens ein sogenanntes Triggerelement auf, welches eine Versagensweise des Schutzprofils definiert. Ein derartiges Triggerelement ermöglicht es variantenunabhängig das Versagensbild des Schutzprofils zu steuern und dadurch den Energieabbau zu optimieren. Derartige Triggerelemente können beispielsweise in der Art von Sollbruchstellen oder Querschnittschwächungen ausgebildet sein.
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In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung kann eine Schaumverstärkung zum Einsatz kommen, wie diese beispielsweise im Fußgängerschutz Verwendung findet. Der Kunststoffschaum kann insbesondere in die Kammern des Schutzprofils eingespritzt werden, wobei der Kunststoffschaum im Crashfall bis zur Blockbildung deformiert wird und dann die Kräfte flächig an die Traktionsbatterie weiterleitet. Eine derartige zusätzliche Schaumverstärkung zeichnet sich vor allem durch eine erhöhte Energieabsorptionsfähigkeit sowie einen erhöhten Intrusionsschutz aus. Die Schaumverstärkung kann dabei auch mit Organoblechen, glasmattenverstärkten Thermoplasten oder Blecheinlegeteilen kombiniert werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Eigenschaften nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
- 1 einen Ausschnitt aus einem Eckbereich eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer zwischen einem heckseitigen Querträger und einer in Fahrtrichtung davor angeordneten Traktionsbatterie angeordneten Schutzprofil,
- 2 eine erste mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schutzprofils mit wabenförmigen Kammern, bei asymmetrischer Ausführung,
- 3 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei symmetrischer Ausführung,
- 4 ein mehrteilig ausgebildetes Schutzprofil mit rechteckförmigen Kammern,
- 5 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Schutzprofils mit wabenförmigen Kammern gleicher Größe,
- 6 eine Ansicht auf das erfindungsgemäße Schutzprofil mit einem metallischen Einlegeteil,
- 7 eine Darstellung wie in 6, jedoch mit einem Organoblech,
- 8 das erfindungsgemäße Schutzprofil mit Schaumstoffverstärkung.
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Entsprechend der 1 weist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1, von welchem lediglich ein Ausschnitt aus einem Heckbereich dargestellt ist, einen heckseitigen Querträger 2 sowie eine in Fahrtrichtung 3 davor gelegene Traktionsbatterie 4 auf. Zum Schutz dieser Traktionsbatterie 4 bei einem Heckaufprall ist nun zwischen der Traktionsbatterie 4 und dem heckseitigen Querträger 2 ein Schutzprofil 5 angeordnet, welches aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist. Das Kraftfahrzeug 1 kann beispielsweise als Elektro- oder als Hybridfahrzeug ausgebildet sein, wobei in diesem Fall die Traktionsbatterie 4 als Hochvoltbatterie ausgebildet ist. Derartige Hochvoltbatterien reagieren jedoch auf Deformationen bzw. auch auf die Intrusion von Kleinteilen, wie beispielsweise Schrauben oder Bolzen, unter Umständen mit einem Brand, was unbedingt vermieden werden muss. Aus diesem Grund ist zwischen dem Querträger 2 und der Traktionsbatterie 4 das erfindungsgemäße Schutzprofil 5 angeordnet, welches in der Lage ist, selbst punkt- oder linienförmige auf das Schutzprofil 5 eintreffende Lasten in eine großflächige Flächenlast aufzuteilen und diese soweit sich dies nicht vermeiden lässt, an die Traktionsbatterie 4 zu übertragen. Durch das Erzeugen einer Flächenlast können insbesondere Spannungsspitzen an der Traktionsbatterie 4 abgebaut oder eliminiert werden, wodurch insbesondere die Brandgefahr reduziert werden kann. Selbstverständlich kann die Traktionsbatterie 4 zusätzlich in bekannter Weise von einem Crashrahmen 6, das heißt beispielsweise einem Gehäuse, umhüllt sein, der die Deformationen innerhalb der Traktionsbatterie 4 minimieren bzw. ganz vermeiden soll. Dieser Crashrahmen 6 ist jedoch nicht in der Lage, die Traktionsbatterie 4 bei hohen Aufprallgeschwindigkeiten ausreichend schützen zu können. Hierfür wäre eine nachträgliche Änderung des Crashrahmens 6 erforderlich, was mit erheblichem finanziellem Aufwand verbunden wäre. Mittels des zusätzlich vorgesehenen Schutzprofils 5 kommt es jedoch zu einer Entkopplung, was einen Verzug des Crashrahmens 6 und dadurch auch eine Deformation der Traktionsbatterie 4 im Crashfall minimiert.
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Die Ausbildung des Schutzprofils 5 aus faserverstärktem Kunststoff weist darüber hinaus den großen Vorteil auf, dass das Schutzprofil 5 eine hohe Steifigkeit bzw. Festigkeit mit gleichzeitig geringem Gewicht besitzt, was insbesondere im Sportwagenbau von großem Vorteil ist. Hergestellt werden kann das erfindungsgemäße Schutzprofil 5 beispielsweise im Pultrusionsverfahren oder im Spritzgussverfahren. Die in der Art eine Bewährung integrierten Fasern im Schutzprofil 5 können beispielsweise Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern oder Naturfasern sein, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, insbesondere in Polyamid, Polypropylen, Polyblend oder Polybutylenterephthalat.
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Betrachtet man die 2 und 3, so kann man erkennen, dass innerhalb des Schutzprofils 5 Kammern 7 vorgesehen sind, die darüber hinaus eine unterschiedliche Größe aufweisen und im vorliegenden Fall wabenförmig ausgebildet sind. Der Unterschied zwischen den beiden Schutzprofilen 5 gemäß den 2 und 3 ist die symmetrische Ausbildung des Schutzprofils gemäß der 3, rechte Darstellung sowie die asymmetrische Ausbildung des Schutzprofils 5 gemäß der 2, siehe rechte Darstellung. Das Schutzprofil 5 kann dabei einteilig, insbesondere einstückig, aber auch mehrteilig ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in den 4 bis 8 dargestellt ist. Um das Schutzprofil 5 zusätzlich aussteifen zu können, kann dieses Rippen 12, Sicken oder andere Aussteifungskonturen aufweisen.
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Betrachtet man beispielsweise die 5, so kann man erkennen, dass hier ein Schutzprofil 5 mit wabenförmigen und insbesondere gleich großen Kammern 7 vorgesehen ist, welche mittels einer Platte 8 abgedeckt sind. Die Platte 8 kann dabei entweder lediglich randseitig mit dem Schutzprofil 5 verklebt, insbesondere verschweißt sein, oder aber an sämtlichen Stegen, wodurch die Steifigkeit des Schutzprofils 5 zusätzlich gesteigert werden kann. Zusätzlich oder alternativ ist selbstverständlich auch eine rein mechanische Verbindung, beispielsweise eine Clipsverbindung zwischen dem Schutzprofil 5 und der Platte 8 denkbar. In gleicher Weise ausgebildet ist das Schutzprofil 5 gemäß der 4, wobei hier jedoch rechteckige Kammern 7 vorgesehen sind. Die Platte 8 kann auch in diesem Fall lediglich randseitig mit dem Schutzprofil 5 verschweißt werden oder aber zusätzlich an sämtlichen Stegen der einzelnen Kammern 7. Zur weiteren Aussteifung des Schutzprofils 5 kann innerhalb der Kammern 7 auch eine Schaumverstärkung 9 (vergleiche 8) vorgesehen sein, welche bewirkt, dass bei einem Aufprall zunächst die Schaumverstärkung 9 auf Block verformt wird, und erst anschließend die Kraft an die Traktionsbatterie 4 bzw. den diese umgebenden Crashrahmen 6 weiterleitet. Eine derartige Schaumverstärkung 9 kann ähnlich wie Kunststoffschäume im Fußgängerschutz ausgebildet sein. Die Schaumverstärkung 9 erhöht insbesondere die Energieabsorptionsfähigkeit des Schutzprofils 5 und den Intrusionsschutz. Rein theoretisch ist es dabei denkbar, dass das Schutzprofil 5 mittels den dargestellten Platten 8 abgedeckt bzw. mit diesen verschweißt ist, wobei jedoch auch eine offene Ausführung, das heißt ohne Platte 8, denkbar ist. Ebenfalls vorgesehen sein kann ein sogenanntes Triggerelement, beispielsweise in der Art einer Sollbruchstelle, welches es ermöglicht, das Versagensbild des Schutzprofils 5 zu steuern und dadurch den Energieabbau zu optimieren. Ein derartiges Triggerelement kann insbesondere auch in der Art einer Querschnittsschwächung vorgesehen werden.
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Betrachtet man die 6, so kann man erkennen, dass zusätzlich an dem Schutzprofil 5 ein metallisches Einlegeteil 10 angeordnet ist, welches das Schutzprofil 5 zusätzlich aussteift. Anstelle des metallischen Einlegeteils 10 kann auch ein sogenanntes Organoblech 11 vorgesehen werden, wie dies beispielsweise bei dem Schutzprofil 5 gemäß der 7 dargestellt ist. Unter Organoblechen versteht man allgemein verstärkte Kunststoffteile, wie glasmattenverstärkte Thermoplaste, Kunststoffteile mit Blecheinlegeteilen oder Schaumverstärkungen. Glasmattenverstärkte Thermoplaste können beispielsweise stoffschlüssig auf das Schutzprofil 5 aufgebracht werden, wobei als Verstärkungsfasern des glasmattenverstärkten Thermoplasts Glasfasern, aber auch Kohle- oder Aramidfasern eingesetzt werden können. Blecheinlegeteile 10 können ebenfalls formschlüssig auf das Schutzprofil 5 aufgebracht werden, wobei als Werkstoff für derartige Blecheinlegeteile 10 Metalle, wie beispielsweise Stahl oder Aluminium verwendet werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Schutzprofil 5 kann insbesondere bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen eine Traktionsbatterie 4 vor einer unerwünschten und zum Teil auch gefährlichen Deformation bzw. einer unerwünschten Intrusion von Kleinteilen besser geschützt werden. Das Schutzprofil 5 weist dabei aufgrund seines faserverstärkten Kunststoffes ein hohes Energieabsorptionsvermögen mit gleichzeitig geringem Gewicht auf, was insbesondere im Sportwagenbau von großem Vorteil ist.
