CN109891660A - 用于印刷电路板的连接器以及包括印刷电路板和连接器的电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池系统，该电池系统包括：电池模块，包括多个可再充电的电池单元；壳体，容纳电池模块；印刷电路板，布置在电池模块上并包括面向电池模块的第一表面、面向第一表面的第二表面，以及设置在第二表面上的多个弯曲端子部分；以及连接器，连接印刷电路板和外部电部件，并包括多个金属夹具，所述多个金属夹具通过夹紧连接到印刷电路板的弯曲端子部分。根据本发明的电池系统可以允许在连接器和印刷电路板之间实现连接而无需焊接导线。

Description

用于印刷电路板的连接器以及包括印刷电路板和连接器的电 池系统
技术领域
本发明涉及一种用于将印刷电路板(PCB)连接到外部电子元件的用于印刷电路板的连接器、包括印刷电路板和连接器的电池系统、以及包括该电池系统的车辆。
背景技术
可再充电电池被广泛用于各种装置中，因为它们能够被反复充电和放电。低容量可再充电电池用作小型电子装置诸如移动电话、膝上型计算机和便携式摄像机的电源，高容量可再充电电池用作驱动电机的电源，诸如用于混合动力车辆。
通常，可再充电电池包括：电极组件，包括正电极、负电极以及插设在正电极和负电极之间的隔板；壳体，用于在其中容纳电极组件；以及电连接到电极组件的电极端子。壳体可以被修改以适应使用目的和装置的设计，诸如具有圆柱形状或矩形形状。
根据所需的能量密度，可再充电电池用作将多个单元电池串联和/或并联的电池模块。也就是，电池模块通过将多个电池单元的电极端子彼此连接来连接符合所需电量的多个单元电池的电极端子，从而实现可再充电电池。
电池模块可以以块或模块方式实现。在块方式中，每个电池单元联接到公共集电结构和公共电池管理系统，并设置在壳体内。在模块方式中，一些电池单元连接到子模块，并且一些子模块彼此连接以构成模块。因此，用于电动车辆、混合动力车辆等的高功率可再充电电池可以通过结合至少一个电池模块来实现。为了构造电池系统，至少一个电池模块配备有热管理系统，并机械地和电地集成以与至少一个耗电装置(诸如消耗电力的电路或器件)通信。
用于电力输出和充电的静态控制方法不足以动态地满足连接到电池系统的各种耗电装置的各种电力需求。电池系统需要被实现为在电池系统和耗电装置的控制器之间执行连续的信息传输。此信息包括重要信息诸如电池系统的实际充电状态(SoC)、潜在的电性能、充电能力和内部电阻以及实际或预测的电力需求和消费者的剩余额。
电池模块可以提供包括用于感测和分析这样的参数的单元监督电路(CSC)的印刷电路板(PCB)。PCB还可以执行连接到电池系统(诸如电池管理系统(BMS))的电子控制装置和/或外部装置(诸如车载网络)的功能。
在包括多个互连的电池单元的高容量电池模块的情况下，在PCB内部会需要大量导线以监控每个电池单元并将PCB连接到BMS和/或外部装置，从而导线复杂性增加，连接的部件容易损坏。此外，布线图案通常由铜(Cu)制成，其是昂贵的。而且，由于每个导线需要被单独地焊接，所以无法进行自动布线组装。
因此，本发明的一目的是提供一种电池系统，其包括用于将PCB连接到外部连接器或耗电装置的连接器，其消除或减少了上述缺点中的至少一些。
发明内容
技术问题
本发明致力于提供一种电池系统，其包括用于将PCB连接到外部连接器或耗电装置的连接器，其消除或减少了上述缺点中的至少一些。
技术方案
根据本发明的一方面，通过提供用于将外部电部件与电池系统的PCB连接的不需要导线的连接器，可以降低使用铜导线的成本并提高连接的稳定性。
根据本发明的另一方面，通过提供用于将电池系统的PCB与外部电部件连接的连接器，可以实现组装过程的容易组装和自动化，从而减少制造时间和成本。
本发明的示范性实施方式提供一种电池系统，该电池系统包括：电池模块，配置为包括多个可再充电的电池单元；壳体，配置为容纳电池模块；印刷电路板，设置在电池模块上以包括面对电池模块的第一表面和与第一表面相反的第二表面；以及连接器，配置为连接印刷电路板和外部电部件，其中印刷电路板包括设置在第二表面上的多个弯曲端子部分，并且连接器包括分别连接到印刷电路板的所述多个弯曲端子部分的多个金属夹具。印刷电路板可以设置在电池模块上，并可以包括在印刷电路板的第一表面上分别连接到电池单元的多个端子。优选地，印刷电路板可以包括在第一表面上的分别连接到电池单元的第一端子和第二端子的多个第一端子和第二端子。
金属夹具可以布置为沿着第一方向X延伸。优选地，每个金属夹具可以包括：金属夹具的第一子集，具有沿着垂直于第一方向的第二方向Y的第一位置；以及金属夹具的第二子集，具有沿着第二方向的第二位置。第一位置和第二位置之间的差异可以根据PCB上的弯曲端子部分的布置来设定，并且优选地根据夹具的位置以及弯曲端子部分的布置考虑电绝缘要求来设定第一位置和第二位置之间的差异。
优选地，弯曲端子部分和夹具可以彼此间隔开以超过沿面放电路径。沿面放电路径取决于施加的电压，但是第一位置和第二位置之间的间隔可以在2mm和20mm之间，更优选地在4mm和10mm之间。
金属夹具可以由导电材料诸如铜或铝制成。金属夹具还可以包括导电材料的混合物。每个弯曲端子部分可以由“L”形的金属片制成。
优选地，连接器还可以包括支撑金属夹具并在第一方向上延伸的夹具载体，并且夹具载体可以设置在壳体内以包括垂直于夹具载体设置的密封板和配置为沿着密封板的与夹具载体在其上延伸的表面相反的表面延伸的连接器头，连接器头可以设置在壳体外面。
壳体可以具有用于将夹具载体插入到壳体中的开口。优选地，密封板可以平行于壳体的侧壁延伸，并可以配置为在夹具载体插入到壳体中时覆盖该开口。
夹具载体、密封板和连接器头可以用塑料材料模制。夹具载体、密封板和连接器头可以由增强的塑料材料制成，诸如纤维或颗粒增强的塑料。特别优选的，组分包括填充有纤维(诸如玻璃纤维)的聚对苯二甲酸丁二醇酯。
优选地，连接器头可以包括多个金属引脚，并且金属引脚可以分别电连接到金属夹具。金属引脚可以沿着两个平行的列布置。
优选地，每个金属夹具可以包括主体和从主体延伸的两个臂。两个臂中的每个可以包括从主体延伸并与第二方向平行设置的直线部分和从直线部分延伸的尖端，并可以朝向彼此弯曲以相对于第二方向形成角度。两个臂的尖端之间的间隙可以小于两个臂的直线部分之间的距离。
优选地，每个弯曲端子部分可以包括平行于PCB的表面延伸并固定到印刷电路板的平坦部分、以及垂直于平坦部分延伸的突起。突起的厚度可以大于金属夹具的两个臂之间的间隙。
臂的尖端可以具有包括弯曲部分和直线部分的轮廓，并且主体的在两个臂之间的部分可以具有凹入形状。
如详细描述的，根据本发明的另一方面，提供一种包括具有连接器的电池系统的车辆。连接器可以连接到车辆的电气板和/或电部件，诸如电池管理系统(BMS)。特别优选地，连接器可以通过BMS连接到48V的车载网络。
有益效果
根据本发明的实施方式，连接器提供有多个金属夹具以连接到印刷电路板的弯曲端子部分，并且它们通过夹紧而彼此联接，使得连接器和PCB之间的连接可以在没有导线或焊接的情况下实现，从而提供具有降低的成本和改进的稳定性的电池系统。
附图说明
从以下参照附图对各种实施方式的详细描述，本发明的特征对于本领域技术人员将变得明显。
图1示出包括多个电池单元的电池模块的示意性透视图。
图2示出根据本发明的示范性实施方式的包括图1所示的电池模块和连接器的电池系统的剖视图。
图3示出根据本发明的示范性实施方式的连接器的透视图。
图4示出包括图2所示的连接器的电池系统的俯视平面图。
图5示出联接到图4所示的弯曲端子部分的金属夹具的详细放大透视图。
图6a示出根据本发明的示范性实施方式的金属夹具的结构的示意图。
图6b示出图6a所示的区域A的放大图。
具体实施方式
下面将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出本发明的示范性实施方式。从以下结合附图的详细描述，本发明的以上和其它的目的、特征和优点将更加明显。为了清楚地描述本发明，在整个说明书中，相同的附图标记被给予相同或相似的元件。
术语“第一”和“第二”用于描述各种构成元件，但是构成元件不限于此。该表述仅用于将一个构成元件与另一个构成元件区分开。例如，第一构成元件可以被称为第二构成元件，同样地，第二构成元件可以被称为第一构成元件，在不脱离本发明的范围内。
在附图中，为了使各种构成元件清楚，可以夸大尺寸。例如，尽管在附图中任意地示出尺寸或厚度以清楚地示出每个部件，但是本发明不必限于所示出的那些。
空间表述诸如“在……下面”、“在……之下”、“在底部”、“在……之上”、“在……上方”和“在顶部”旨在将一个部件的特性相对于另一个部件比较，如附图所示。另一方面，由于根据装置的使用或操作，部件可以不同地取向，所以该空间表述不限于所示的。如果附图所示的装置的取向被颠倒，则相对于相对构成元件描述为“在……下面”、“在……之下”或“在底部”的一个构成元件将取向为“在……之上”、“在……上方”和“在顶部”。因此，诸如下面和上面的表述可以包括上和下两种方向。此外，该装置将被解释为设置在各种方向上，诸如旋转90度在另一个方向上。
当一部件或层被称为“在”另一部件或层“上”、“连接到”或“联接到”另一部件或层时，在部件或层之间可以存在一个或更多个部件或层。此外，当描述一个部件或层存在于两个其它的部件或层之间时，在所述部件或层之间还可以包括至少一个其它中间部件或层。
根据本发明的示范性实施方式的电子或电装置和/或其它相关器件或构成元件可以以硬件、固件、专用集成电路、软件、或固件、硬件和软件的组合来实现。例如，该装置的各种构成元件可以配置在集成电路(IC)中或在单个IC中。此外，该装置的各种构成元件可以在柔性印刷电路膜、带载封装(TCP)、印刷电路板(PCB)或一个基板上实现。该装置的各种构成元件可以在至少一个处理器中执行，并可以在至少一个计算装置中执行，或者可以是执行计算机程序指令并与其它系统的构成元件交互以执行该装置的各种功能的进程或线程。计算机程序指令可以使用标准存储器件(诸如随机存取存储器(RAM))存储在计算装置中。计算机程序指令还可以存储在非易失性计算机可读介质(诸如CD-ROM、闪存驱动器等)中。此外，本发明所属的领域内的普通技术人员可以在本发明的示范性实施方式的范围内将各种计算装置的功能合并或集成到单个计算装置中。
图1示出电池模块100的示意性透视图。如图1所示，电池模块100包括：多个电池单元10，配置为在一方向上对齐；一对端板18，配置为在电池单元10外面分别面对电池单元10的宽的表面；以及连接板19，配置为通过将该对端板18彼此连接而将电池单元10固定在一起。形成在电池模块100的相反两侧的紧固部分18a通过螺栓固定到支撑板31。支撑板31是壳体30的围绕电池单元10的部分。
每个电池单元10是角形(或四边形)电池，并且电池模块100通过将电池在其宽的表面的顶部上堆叠而形成。电池壳由盖组件14封闭和密封。盖组件14包括具有不同极性的正端子11和负端子12、以及通气孔13。作为每个电池单元10的安全机构的通气孔13用作将电池单元10中产生的气体排放到外部的通道。彼此相邻的电池单元10的正端子11和负端子12可以通过汇流条15电连接，汇流条15可以通过紧固工具诸如螺母16固定。
通常，电池单元10在充电/放电期间产生大量的热量。产生的热量积聚在电池单元10中，加速电池单元10的劣化。因此，电池模块100还可以包括热交换构件110，热交换构件110与电池单元10的底表面相邻地提供从而冷却电池单元10。此外，由橡胶或另外的弹性材料制成的弹性构件120可以插设在支撑板31和热交换构件110之间。
图2示出根据本发明的示范性实施方式的电池系统200的剖视图。电池系统200包括：电池模块100；配置为围绕电池模块100的壳体30；设置在电池模块100上的PCB 50；以及联接到PCB 50的连接器40。电池模块100对应于图1所示的电池模块100，因此将省略其详细描述。
电池模块100由壳体30围绕和容纳。壳体30包括设置在电池模块100的底表面上的支撑板31、以及配置为围绕电池模块100的沿着支撑板31的外侧延伸的侧壁32。壳体30还可以包括连接到侧壁32的上板33，使得电池模块100容纳在如此构造的内部空间中。根据图2所示的本发明的示范性实施方式，PCB 50提供在壳体30内，并提供在电池模块100和壳体30的上板33之间。PCB 50可以是柔性PCB 50。然而，本发明不限于此。
或者，提供在电池模块100的上部处的PCB 50可以连接到侧壁32，从而密封壳体30。在这种情况下，PCB 50用作壳体30的顶板，并可以被提供为具有电池模块100的保护功能的硬印刷电路板。PCB 50的主体可以由刚性和电绝缘材料制成，诸如聚酰亚胺(PI)或聚乙烯(PET)。根据本发明的示范性实施方式，壳体30可以具有矩形盒形状，但是本发明不限于此。
PCB 50包括用于穿过其下表面(设置为面对电池模块100)连接电池单元10的多个连接端子51和52。半导体元件54(见图4)可以设置在PCB 50的顶表面上。半导体元件54可以包括集成电路(IC)，并且集成电路(IC)可以检测和分析相关参数，该相关参数包括充电状态(SoC)、潜在电性能、温度、充电能力和电池单元的内部电阻中的至少一个并具有取决于其它要求的参数。特别优选地，PCB 50配置为连接到每个电池单元10，以通过使用半导体元件54确定每个电池单元10的电压。此外，半导体元件54可以施加用于控制电池单元10的操作的信号。特别地，半导体元件54可以通过电池单元10的大电流线控制充电或放电范围。此外，半导体元件54可以产生指示电池单元10的电压、电流和温度的信号，例如用于防止过充电或过放电。
为此，半导体元件54可以通过连接器40将与电池单元10相关的信息发送到外部电子装置，并且外部电子装置可以包括各种装置，诸如车辆的电子部件或电池系统200。这里，与电池单元10的电压、电流、SoC和温度有关的信息可以通过多个弯曲端子部分53(见图4和图5)传送到连接器40和半导体元件54，该多个弯曲端子部分53位于PCB 50的上表面上，与PCB 50的面对电池模块100的表面相对。弯曲端子部分53可以由弯曲成L形的金属片制成，并可以包括平行于PCB 50的表面延伸的平坦部分53a和垂直于平坦部分53a延伸的突起53b。平坦部分53a通过焊接等固定到PCB 50的表面。突起53b具有在4mm至10mm的范围内(在Z方向上延伸)的高度以及在4mm至10mm的范围内(在Y方向上延伸)的长度。此外，弯曲端子部分53的厚度可以在4mm至10mm的范围内。
图3示出根据本发明的示范性实施方式的连接器40的透视图，图4示出图2的电池系统200和图3的连接器40的俯视平面图，图5示出联接到弯曲端子部分53的金属夹具41的放大透视图。
参照图3和图4，连接器40包括多个金属夹具41、夹具载体42、密封板43和连接器头44。金属夹具41被设计为连接到PCB 50的弯曲端子部分53从而将信号从PCB 50传送到连接器头44以及从连接器头44传送到PCB 50，并且连接器头44配置为连接到外部电子装置。
金属夹具41通过沿着第一方向X延伸来布置。每个金属夹具41具有大致矩形形状，并由金属片制成以具有与第一方向X平行的宽度以及沿着垂直于第一方向X的第二方向Y延伸的高度Hc。每个金属夹具41包括两个子集41a和41b，第一子集41a和第二子集41b设置在沿着第二方向Y的不同位置。也就是，第一子集41a和第二子集41b沿着第二方向Y彼此间隔开。结果，可以避免冲压网格(stamping grid)的碰撞。金属夹具41分别对应于PCB 50的弯曲端子部分53形成。
夹具载体42沿着第一方向X延伸为条形以支撑金属夹具41。密封板43是在相对于第一方向X的平面中垂直延伸的平坦部分。夹具载体42从密封板43的面对电池模块100的第一侧延伸。连接器头44在远离电池模块100的方向上从密封板43的第二表面延伸。夹具载体42、密封板43和连接器头44可以用塑料材料(诸如聚对苯二甲酸丁二醇酯)一体地模制，并填充有诸如玻璃纤维的纤维。
根据本发明的示范性实施方式，连接器40的框架几何形状是其中两个构成元件被二次成型在一起的结构，并且第一构成元件包括连接器头44和金属引脚441，而第二构成元件包括在密封板43的另一端处的夹具载体42。连接器40可以包括其它的构成元件，诸如用于使大电流流动的金属螺栓。
连接器头44包括多个金属引脚441，并且每个金属引脚441电连接到对应的金属夹具41。金属引脚441根据PCB 50上的弯曲端子部分53的位置来设置。通常，金属引脚441可以根据特定的连接器要求设置在任何位置。在本示范性实施方式中，金属引脚441沿着两列布置。金属夹具41和金属引脚441之间的电连接由嵌入连接器40中的冲压网格制成。连接器头44是电插座，其能够基本上被紧固到外部电装置。
如图4所示，由于金属夹具41的紧固结构(其将在后面详细描述)，连接器40可以容易地联接到PCB 50。PCB 50的弯曲端子部分53设置在PCB 50的面对电池模块100的表面上。弯曲端子部分53可以焊接到PCB 50的表面。夹具载体42首先通过提供在一个侧壁32中的开口32a水平地插入到壳体30中，用于PCB 50和连接器40之间的连接。连接器40可以被固定到壳体30的侧壁32，例如通过将密封板43螺钉连接到侧壁32。连接器40可以被热冲压到PCB支架(未示出)，该PCB支架配置为在其中容纳PCB 50。接合方法或注射成型方法可以被应用作为其它固定方法。
在连接器40被固定到壳体30和PCB支架之后，PCB 50沿着垂直方向(图2中的Z方向)插入到壳体30中，并且弯曲端子部分53被分别紧固到金属夹具41。以这种方式，PCB 50可以容易地电连接到连接器40。结果，PCB 50和连接器40可以以简单的线性定位安装，并且组装过程可以自动化，从而减少制造时间。此外，由于PCB 50和连接器40之间不需要导线，所以可以提高连接的可靠性。
图6a示出根据本发明的示范性实施方式的金属夹具41的示意图，图6b示出图6a所示的区域A的放大图。
金属夹具41由金属片制成，因此与PCB 50的上表面平行地基本平坦。金属夹具41可以由具有弹性特性的导电材料制成，诸如铝或铜。此外，金属夹具41可以根据用途由铅制成。
每个金属夹具41基本上为U形，并包括附接到夹具载体42的主体411和沿着第二方向Y从主体411延伸的两个臂412。主体411的宽度可以在5mm至10mm的范围内，主体411的高度H可以在4mm至8mm的范围内。臂412的高度h可以在4mm至10mm的范围内，金属夹具41的整个高度Hc可以在15mm至22mm的范围内。
两个臂412中的每个包括从主体411延伸的直线部分412a和从直线部分412a延伸的尖端413，其朝向彼此弯曲以相对于第二方向Y形成角度α。因此，在远离主体411的方向上延伸的两个臂412的尖端413之间形成的间隙W小于两个臂412的直线部分412a之间的距离。间隙W可以在0.2mm至0.6mm的范围内。金属夹具41的厚度可以在0.5mm至1.5mm的范围内，并可以优选地在0.3mm至1.0mm的范围内。
当压力施加到尖端413的内部时，两个臂412可以彼此远离地移动以扩大该间隙，因为金属夹具41由具有弹性特性的材料制成，从而端子部分53可以通过该间隙插入。
PCB 50的弯曲端子部分53的厚度大于形成在尖端413之间的间隙W，并且当臂412返回到初始位置时，弯曲端子部分53稳定地装配在金属夹具41的两个臂412之间。根据本发明的示范性实施方式，臂412的每个尖端413具有包括弯曲部分413a和直线部分413b的轮廓。主体411的形成在两个臂412之间的部分可以具有凹入形状。如图6a和图6b所示，PCB 50的弯曲端子部分53和连接器40的金属夹具41提供彼此顺利且稳定的紧固。而且，根据金属夹具41和PCB 50的弯曲端子部分53的结构，该配置可以允许在垂直方向上的高达2mm的连接公差。因此，形成具有导致简单的组装和改善的稳定性的连接特性的连接器。
尽管已经结合目前被认为是实用的示范性实施方式描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所公开的实施方式。相反，本发明旨在覆盖被包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。
<标记的描述>
10：电池单元 413a：弯曲部分
100：电池模块 413b：直线部分
200：电池系统 41a、41b：第一子集和第二子集
30：壳体 42：夹具载体
31：支撑板 43：密封板
32：侧壁 44：连接器头
32a：开口 441：金属引脚
33：上板 50：印刷电路板
40：连接器 51、52：连接端子
41：金属夹具 53：弯曲端子部分
411：主体 53a：平坦部分
412：臂 53b：突起
413：尖端 54：半导体元件

Claims (15)

1.一种电池系统，包括：
电池模块，配置为包括多个可再充电的电池单元；
壳体，配置为容纳所述电池模块；
印刷电路板，设置在所述电池模块上以包括面对所述电池模块的第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；以及
连接器，配置为连接所述印刷电路板和外部电部件，
其中所述印刷电路板包括设置在所述第二表面上的多个弯曲端子部分，并且所述连接器包括多个金属夹具，所述多个金属夹具分别连接到所述印刷电路板的所述多个弯曲端子部分。
2.根据权利要求1所述的电池系统，其中
所述金属夹具布置在多行中以沿着第一方向延伸。
3.根据权利要求2所述的电池系统，其中
每个所述金属夹具包括第一子集和第二子集，该第一子集具有沿着垂直于所述第一方向的第二方向的第一位置，该第二子集具有沿着所述第二方向的第二位置，并且
所述第一位置与所述第二位置不同。
4.根据权利要求1所述的电池系统，其中
所述金属夹具由导电材料制成。
5.根据权利要求1所述的电池系统，其中
每个所述弯曲端子部分由具有“L”形状的金属片制成。
6.根据权利要求2所述的电池系统，其中
所述连接器还包括：
夹具载体，配置为支撑所述金属夹具，并沿着所述第一方向延伸以设置在所述壳体内；
密封板，垂直于所述夹具载体设置；以及
连接器头，配置为从所述密封板的一表面延伸，该表面与所述密封板的让所述夹具载体在其上延伸的表面相反，
其中所述连接器头设置在所述壳体外面。
7.根据权利要求6所述的电池系统，其中
所述壳体配置为具有用于将所述夹具载体插入到所述壳体中的开口，
所述密封板覆盖所述开口。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的电池系统，其中
所述夹具载体、所述密封板和所述连接器头用塑料材料模制。
9.根据权利要求6所述的电池系统，其中
所述连接器头包括分别电连接到所述金属夹具的多个金属引脚。
10.根据权利要求2所述的电池系统，其中
所述金属夹具包括主体以及从所述主体沿着垂直于所述第一方向的第二方向延伸的两个臂。
11.根据权利要求10所述的电池系统，其中
所述两个臂中的每个包括从所述主体延伸并与所述第二方向平行设置的直线部分和从所述直线部分延伸的尖端，并朝向彼此弯曲以相对于所述第二方向形成一角度，并且
所述两个臂的所述尖端之间的间隙小于所述两个臂的所述直线部分之间的距离。
12.根据权利要求11所述的电池系统，其中
所述印刷电路板的所述弯曲端子部分包括平行于所述印刷电路板的表面延伸并固定到所述印刷电路板的平坦部分以及垂直于所述平坦部分延伸的突起，并且所述突起的厚度大于所述金属夹具的所述两个臂之间的间隙。
13.根据权利要求1所述的电池系统，其中
所述印刷电路板还包括多个连接端子，用于将每个所述电池单元电连接到所述印刷电路板，并且
所述印刷电路板配置为检测每个所述电池单元的电压。
14.一种车辆，包括根据权利要求1所述的电池系统。
15.根据权利要求14所述的车辆，其中
所述连接器的所述连接器头电连接到电气板网。
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