CN110431701A - 电池模块，尤其用于机动车，具有至少一个加载力的电池单元和至少一个lwrt中间层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池模块(10)，尤其用于机动车的电池模块，其包括至少一个电池单元(12)，所述电池单元以沿着所述间距轴线(A)加载有压力的方式容纳在两个沿着间距轴线(A)彼此间隔开设置的且要相互张紧的压力面(14a，16a)之间，其中沿着所述间距轴线(A)在所述压力面(14a，16a)之间附加地设有至少一个中间层(24，26)。根据本发明提出，所述中间层(24，26)作为LWRT中间层(24，26)包括多孔的LWRT材料，所述LWRT材料具有热塑性结合的纤维线团。

Description

电池模块，尤其用于机动车，具有至少一个加载力的电池单元 和至少一个LWRT中间层
技术领域
本发明涉及一种电池模块，其包括至少一个电池单元，所述电池单元以沿着间距轴线加载有压力的方式容纳在两个沿着间距轴线彼此间隔开设置的且要相互张紧的压力面之间，其中沿着间距轴线在压力面之间附加地设有至少一个中间层。电池模块优选构成用于用作为在机动车中的能量源。
背景技术
此类电池模块例如从DE 102 60 798 B4中已知。所述文件示出平面的、用压力加载的电池单元，所述电池单元设置在两个要相互张紧的压力板之间。在两个压力板和电池单元的每个朝向压力板的侧之间设置有橡胶板作为中间层。从DE 120 60 789 B4中已知的橡胶板设计用于，将从压力板施加到电池单元上的压力尽可能均匀地在电池单元的朝向相应的压力板的面上分布。
也从DE 10 2014 221 493 A1中已知具有权利要求1的前序部分的所有特征的电池模块。所述已知的电池模块具有多个设置在两个端侧的压力板之间的电池单元，其中在压力板和与其分别最近的电池单元之间以及在两个沿着间距轴线相互跟随的电池单元之间分别容纳有中间层。从所述文件中已知的中间层明确地不整面地贴靠在直接与中间层相邻的电池单元上，以便因此仅在中间层和电池单元以彼此直接接触的方式彼此贴靠的贴靠区域中将压力施加到电池单元上，并且以便在中间层的边界面与最近的电池单元间隔开设置的电池单元的间距区域中为体积膨胀提供空间。
在这里讨论的电池模块中，即在电池模块的运行中，在电池单元处产生体积膨胀，在结构方面尝试通过加载压力抵抗所述体积膨胀。因此，电池单元或电池单元组通常夹紧在两个压力面之间。
电池单元在其运行期间连续体积增加的原因是，在电池单元中的在用于电能的化学的储存器中出现的晶体形成和晶体积聚。晶体形成或晶体积聚可以通过施加压力，即通过提高在电池单元中存在的压力来抵抗。由此甚至能减慢晶体形成或晶体增长，然而不完全停止。因此即使在电池单元在压力面之间夹紧的情况下在所述电池单元的使用寿命期间造成体积增加，这对于电池的有效功率而言造成不利。如果电池单元刚性地夹紧在压力面之间，那么所描述的晶体形成和由此带来的电池单元的体积增加造成在电池模块的电池单元中的进一步的压力提高，超出在制造电池模块时通过压力面设定的已经提高的压力。由于在电池单元中在其使用寿命期间的这样继续升高的压力，电池单元可能被损坏，这不利地影响其使用寿命。
电池单元的周期性的体积变化的另一原因是，在电池单元处进行的充电和放电过程，所述充电和放电过程在是电池的化学蓄能器处造成体积增加并且再造成体积减小。
因此，电池单元的体积变化模型式地是连续的体积增加和周期性的体积增加和体积减少的叠加。
如果通过压力板预紧的橡胶板应当保持至少一个剩余弹性，以便考虑与电荷状态相关的周期性的体积变化的体积膨胀比例，那么通过在DE 10260 798B4中所描述的橡胶板施加到电池单元上的压力是受限制的。而如果橡胶板预紧直至其弹性极限，那么在此也必须维持用于电池单元的产生结晶的体积膨胀的膨胀储备。由此，所述已知的电池模块的电池单元仅次优地预紧。
在DE 10 2014 221 493 A1中所描述的解决方案虽然为电池单元提供膨胀空间，但是仅在承受施加压力的减小的面积进而电池单元在其延伸面上不均匀地施加压力的情况下实现。由此，虽然可以避免电池单元由压力导致的损坏，但是与在中间层完全贴靠在电池单元上的情况下相比，不太有效地抑制所描述的晶体形成。
从DE 10 2014 225 367 A1中已知一种电池模块，其中多个电池单元在电池单元之间不设有中间层的情况下设置有用压力加载的压力面。然而，在所述已知的电池模块中具有压力面的压力板可通过负载变化的压力设备被加载压力，使得在所述电池模块中将两个压力面彼此张紧的力是可变的。
由此，由压力面施加到电池单元上的压力可以减小了通过在电池单元中的晶体形成所引起的升高的压力，使得在电池单元中的压力在其使用寿命期间可以保持大致恒定。然而已知的电池模块由于负载变化的压力设备而采用不期望地大的结构空间体积。
发明内容
因此，本发明的目的是，进一步改进开头已知类型的电池模块，使得在至少一个电池单元中的压力在其使用寿命期间可以保持大致恒定，以至于在所述电池单元的基本上整个使用寿命期间通过基本上恒定的压力加载而持久地最优地抑制在电池单元中的晶体形成。因此，在电池单元中的晶体形成可以在尽可能长的时间段内减小至非常小的形成率，这一方面提高电池模块的使用寿命并且另一方面能够实现，电池模块在其使用寿命期间具有尽可能恒定的有效功率。
所述目的根据本发明通过开头提到类型的电池模块实现，其中中间层作为LWRT中间层包括多孔的LWRT材料，其具有热塑性结合的纤维线团。
即令人吃惊地证实的是，多孔的LWRT材料，即多孔的热塑性结合的纤维线团，由于其材料性能而在负载下最优地适合于在电池模块中使用。LWRT材料在对于电池模块常见的数值范围内的外部负荷下同时显示出塑性的和弹性的变形性能。
由此，可以通过LWRT的弹性的材料性能承受开头时阐述的电荷状态相关的、周期性的体积变化，使得包括LWRT的中间层可以随着在通过至少一个电池单元的能量吸收和能量释放时的周期性的体积变化一起变形并且中间层再可逆地复位。
与弹性变形相比，慢地进而在更长的时间段内进行LWRT材料的塑性变形。与慢的且连续的引起结晶的体积增加相比，短期的周期性的体积变化因此由于其相对短的周期时间而不会造成值得注意的塑性变形。相反，缓慢的然而连续的通过晶体形成引起的体积增加不引起弹性变形，而是LWRT材料的通过晶体形成引起的体积增加造成的负荷由所述LWRT材料通过塑性流动再减少。
由此，可以通过使用包括LWRT材料的中间层实现电池模块，虽然在至少一个电池单元的使用寿命期间存在所谓的在至少一个电池单元处出现的体积变化效应，但是所述电池模块保持至少一个电池单元的压力负荷基本上恒定并且在此不占用比相同的额定容量的常规电池模块更大的结构空间。
在此必要的是，LWRT材料是多孔的。因此，所述LWRT材料不需完全压缩成实心的纤维增强的塑料块。多孔性是必要的，以便造成对于在预紧的电池模块中的使用有利的弹性塑性的材料性能。
作为在本申请意义上的电池模块适用所有根据本申请的规定构造的电能的化学储存器。所述化学储存器不必强制性是可再充电的，然而这是优选的。
当前所描述的根据本发明的电池模块可以普遍地使用在需要电能储备的地方。优选的是，根据本发明的电池模块构成用于用作为可移动的电池模块，特别优选构成为在具有电驱动器的车辆中的蓄电池。电驱动器可以是唯一的驱动器或可以通过内燃机对驱动器进行补充。因此，本发明也涉及具有当前所描述的电池模块的车辆。
“LWRT”表示“Low Weight Reinforced Thermoplastics”，即表示轻质增强热塑性材料。通常将其理解为热塑性结合的定向的纤维或纤维线团，其中作为热塑性粘结材料通常使用聚烯烃，即聚丙烯或聚乙烯。当然，不排除其他热塑性粘结材料。作为纤维可考虑任何纤维，只要其在热塑性粘结材料变软或熔化的温度下形状恒定地存在。这种纤维优选是玻璃纤维或碳纤维。然而同样可考虑将矿物纤维，例如石棉，天然纤维，尤其碳化的天然纤维，或也考虑将由具有较高的软化点或/和熔点的塑料构成的或具有这种塑料的塑料纤维用作为粘结材料的纤维。塑料纤维也可以被碳化以实现高的抗拉强度。例如，作为塑料纤维可以使用聚酯纤维，尤其由PET构成的聚酯纤维。
虽然对于实现根据本发明的优点而言可能足够的是，LWRT中间层仅具有多孔的LWRT原料并且此外还包括其他原料或包括非多孔的由也在LWRT材料中使用的原料构成的部段或/和其他原料，但是对于实现根据本发明的优点而言在尽可能大的范围内有利的是，LWRT中间层由多孔的LWRT材料形成。优选地，LWRT中间层是平面的，特别优选平坦的中间层。“平面的”在此意味着，LWRT中间层在其平面延伸上的尺寸明显大于其垂直于平面延伸的厚度方向上的尺寸，例如是其10倍或更大。
虽然根据本发明的电池模块可以具有仅一个唯一的电池单元，但是对于提高电池模块的容量有利的是，在压力面之间容纳有多个沿着间距轴线相继设置的电池单元。
在压力面之间的多个电池单元的优选的设置方式中，所述电池单元形成电池单元组，其中电池单元沿着在电池模块中平行于间距轴线的或与所述间距轴线重合的堆叠轴线堆叠。电池单元优选也是上文所定义的意义上的平面的电池单元，其中每个电池单元具有阴极、阳极和设置在阴极和阳极之间的分离器构件。
非常基本地，LWRT中间层不仅可以设置在两个沿着间距轴线相邻的电池单元之间而且可以设置在压力面和沿着间距轴线与其相邻的电池单元之间。因为通常压力面或具有压力面的构件是固定在壳体上的或固定在架子上的构件，所以LWRT中间层以距压力面增加的间距的设置由于其可变形性而引起邻接于其的电池单元的不仅沿着间距轴线，而且也垂直于其的可移动性。因此，为了实现尽可能稳定的电池模块优选的是，LWRT中间层沿着间距轴线设置在压力面和至少一个电池单元之间。在上文提到的多个电池单元的情况下，LWRT中间层设置在压力面和沿着间距轴线距压力面最近的电池单元之间。这能够实现中间层与压力面的稳定的连接，使得所述连接实际上仅可沿着间距轴线变形。LWRT中间层于是可以例如通过粘接牢固地且安全地固定在压力面上或固定在具有压力面的构件上，例如压力板上。
如果在两个压力面的每个压力面和至少一个电池单元之间分别设置有LWRT中间层，那么可以更大程度地减少通过至少一个电池单元的体积变化引起的负荷。与之相应地，电池模块可以具有多个LWRT中间层。优选所述两个LWRT中间层，在每个压力面上一个LWRT中间层。
以本来已知的方式，压力面中的至少一个可以在压力板上构成。另一个压力板可以在电池模块壳体的部段上，例如在电池模块壳体的壳体底部上构成。
在本申请中的论述：压力面彼此张紧，不应显示出：所述压力面中的每个通过自身的与其相关联的力设备朝向另一压力面加负荷。当一个压力面在固定在壳体上或固定在架子上的构件处实现并且仅仅相应地具有另一压力面的构件朝向所述一个压力面通过力设备用力加载时，对此根据原理actio＝reactio(作用力＝反作用力)足够了。如果在每个压力面上作用有朝向相应地指向另外的压力面的力，那么压力面在本申请的意义上已经“彼此张紧”。
在两个压力面设置在各一个压力板上时，压力板可以经由连接支柱或通过螺丝彼此连接，其中所述连接支柱例如呈螺纹杆或杆的形式，并且分别具有端侧的螺纹，其中通过在支柱上使用至少螺纹端部部段可以特别简单地机械地彼此张紧压力板。通过在连接支柱上的锁紧螺母可以非常准确地设定在压力面之间作用的张紧力。连接支柱也可以螺丝式地构成，也就是说在一个端部区域中具有顶部而在另一端部区域处具有螺纹。
优选的是，两个压力面在各一个压力板上构成。为了特别安全且稳定地将LWRT中间层容纳在压力板上，有利的是，沿着间距轴线直接相邻的压力板对于每个LWRT中间层适用的是：压力板垂直于间距轴线沿着至少一个延伸轴线超出其沿着间距轴线最近的LWRT中间层。
因为压力板通常比LWRT中间层更稳定地构成，也就是说所述压力板在负荷相同的情况下较少程度地变形，所以在如所述那样由压力板超出LWRT中间层时在LWRT中间层的边缘处也不出现边缘效应，如LWRT中间层的边缘区域代替其变形等而移位。出于提到的原因，压力板垂直于间距轴线沿着至少两个彼此垂直的延伸轴线超出其沿着间距轴线最近的LWRT中间层。
出于提到的原因，针对由压力板超出LWRT中间层所描述的内容相应地优选适用于贴靠面，电池单元沿着所述贴靠面贴靠在LWRT中间层上。在此情况下，优选LWRT中间层沿着至少一个贴靠轴线优选沿着两个彼此垂直的贴靠轴线垂直于间距轴线超出贴靠面。
由此，优选压力板在围绕间距轴线的环周方向上完全地并且封闭地包围离其最近的LWRT中间层。同样，LWRT中间层优选完全地和封闭地包围贴靠面，电池单元沿着所述贴靠面贴靠在所述LWRT中间层上。
优选地，LWRT中间层不仅在两个构件之间，优选一方面压力板和另一方面电池单元之间装入，而且固定在构件中的至少一个上。特别简单地，LWRT中间层可以与其沿着间距轴线直接相邻的构件粘接。所述构件可以是承载压力面的构件，例如电池模块壳体的壳体部段或压力板，如上文已经阐述那样。所述构件也可以是电池单元。
可能地，然而不太优选地，LWRT中间层也可以三明治式地设置在两个电池单元之间并且随后与两个电池单元粘接或以任何其他方式连接。
根据所使用的材料可以对贴靠在LWRT中间层上的构件用增附剂覆层，以便促进在构件和LWRT中间层之间的粘性连接。如上文已经描述那样，一个或多个LWRT中间层优选仅直接与两个压力面相邻地设置。由多个电池单元形成的电池单元组可以，例如在其组中心处或以规则的间距，沿着间距轴线在两个相邻的电池单元之间具有LWRT中间层。然而，电池单元组优选地不具有LWRT中间层，使得优选对于由多个间距轴线相继设置的电池单元构成的至少一个子组适用：在子组的各两个沿着间距轴线相继设置的电池单元之间不设有LWRT中间层。
附图说明
下面，根据附图详细阐述本发明。附图示出：
图1示出电池模块的根据本发明的实施方式的大致示意的轮廓图。
具体实施方式
在图1中以大致示意的轮廓图示出的根据本发明的电池模块一般用10表示。
电池模块在示出的实例中包括一叠示例性为十个的沿着堆叠轴线S彼此堆叠的相同类型的电池单元12。优选结构相同的电池单元12优选在其之间不设有任何中间层地直接彼此接触地沿着堆叠轴线S堆叠。
分别是用于电能的化学储存器的电池单元12在其使用寿命期间改变其体积。一方面，由于在电池单元12中存在的物质在电池单元12的使用寿命期间形成晶体，所述晶体占用比相同质量的液相或非晶体相的物质更大的体积。
另一方面，电池单元12的体积周期性地随着电荷状态的变化增加并且再减少。
通过用压力加载电池单元12至少抑制在电池单元12中的结晶，使得结晶过程比在不加载压力的情况下更慢地进行。
因此，电池模块10包括两个压力板14和16，所述压力板沿着与电池单元22的堆叠轴线S重合的间距轴线A彼此间隔开地设置。
每个压力板14和16具有分别指向另一压力板16或14的压力面14a或16a。压力板14和16和分别属于其的压力面14a和16a沿着间距轴线A通过张紧机构18彼此张紧。因此，所述压力板将压力施加到位于其之间的电池单元12上。
原则上可以任意地设计的张紧机构18，在本实例中节省空间地是机械的张紧机构18并且分别包括螺丝20和螺母22。螺丝20的螺丝头20a贴靠在压力板16的与压力面16a相对置的外表面16b上，螺母22贴靠在压力板14的与压力面14a相对置的外表面14b上，所述外表面背离压力板16和电池单元12指向。
代替螺丝和螺母，机械的张紧设备18也可以通过螺纹杆和两个螺母形成。又替选地，可以代替螺纹机构将一个或多个拉杆在拉应力下与压力板焊接。
为了尽可能以相同形式用压力加载电池单元12，电池模块10包括多个张紧机构18，在电池单元12具有矩形的底面并且压力板14和16同样矩形的情况下，例如在矩形的压力板14和16的每个角部区域中包括各一个张紧机构18。
优选地，压力板14和16是结构相同的。
为了可以使电池单元12在其使用寿命期间被加载以大致恒定的压力，在每个压力板14和16和分别最接近其的电池单元12之间设置各一个LWRT中间层24(参见压力板14)和26(参见压力板16)。LWRT中间层24和26中的一个或两个可以多层地构成。
LWRT中间层24和26还优选是结构相同的，也就是说所述LWRT中间层由相同的材料成分制造以及以在安装之前的状态中相同的构件尺寸制造。
LWRT中间层24和26由热塑性结合的纤维线团，优选由玻璃纤维形成，所述玻璃纤维与聚烯烃，例如聚丙烯或聚乙烯，热塑性地结合为多孔的LWRT。
由于LWRT中间层24和26的多孔性，所述LWRT中间层具有同时弹性和塑性的变形性能，所述变形性能具有对于本应用情况足够的变形数值。LWRT材料的塑性变形在此非常慢地，比弹性变形更慢地进行。
因此，电池单元12的与电荷状态相关的周期性的体积变化可以通过LWRT中间层24和26的弹性变形部分来补偿。随着由于电荷变化引起的体积膨胀，LWRT中间层24和26首先被弹性地压缩。如果电荷状态以相反的意义改变，那么LWRT中间层24和26再降低压力至其初始状态中进而造成电池单元12的体积再次减小。
而在LWRT中间层24和26中通过塑性流动消除在电池模块中的机械应力的提高，所述应力的提高通过与周期性体积变化相比缓慢进行的结晶和与其相关联的电池单元12在其使用寿命期间缓慢的然而连续的体积增长而引起。
因此，初始状态在电池模块10的使用寿命期间观察在不同时间分别不同，其中从所述初始状态起LWRT中间层24和26通过电池单元12的周期性的电荷状态变化而弹性地变形。
如果电池单元--假设，根据本发明然而不是这种情况--在没有LWRT中间层24和26设置在中间的情况下，直接贴靠在例如由金属或增强塑料形成的压力板14和16上，那么由压力板14和16施加到电池单元12上的压力(Druckkraft)在制造电池单元时必须选择为，使得所述压力通过电池单元12的不可避免的结晶引起的体积膨胀和从而在电池单元12中在由压力板14和16限界的容纳腔中不可避免地引起的压力升高不会过大程度地提高，使得电池单元12被破坏从而其使用寿命不必要地被缩短。
因此，以不设置在此介绍的LWRT中间层24和26的方式形成的电池模块10在电池模块10的使用寿命起始时可将与可能的和所需的压力相比更小的压力施加到电池单元12上，以便将在电池单元12内部的结晶最优地延迟。结果可能是，结晶首先比所期望的更快地进行，因为在电池单元12中的阻碍结晶的压力首先是过小的。随着结晶的进展，才通过在电池模块10的由压力板14和16限界的容纳体积中的电池单元12的体积膨胀逐渐地产生压力，所述压力越来越多地有效地抵抗在电池单元12中的结晶。然而随后在电池单元12中已经实现一定程度的晶体形成和晶体积聚，所述晶体形成和晶体积聚相对于在根据本发明的电池模块10中的相同类型的电池单元12的使用寿命缩短了电池单元12的使用寿命。
因为LWRT中间层24和26通过塑性的流动来减少在电池模块10中通过电池单元12的体积膨胀引起的压力提高，所以根据本发明的电池模块10可以在其使用寿命起始时已经被加载有对于在电池单元12中的晶体增长的延迟最优的压力。在电池单元22中的结晶由此更慢地进行并且抵抗由于LWRT中间层24和26的塑性流动基本上恒定的反压力。由此，电池模块10的可利用的使用寿命，与容量和构造相同的不具有LWRT中间层的电池模块相比提高。
LWRT中间层24和26与压力板14或16优选通过粘结来连接并且固定在压力板14或16的相应的压力面14a和16a上。压力板14和16有利地沿垂直于堆叠轴线S并且垂直于同轴的间距轴线A的方向优选在四周，例如沿着彼此垂直的延伸轴线E1和E2超出LWRT中间层24和26。
LWRT中间层24和26沿着贴靠面28或30贴靠在沿着间距轴线A距所述LWRT中间层最近的电池单元12上。为了将从压力板14和16之一施加到电池单元12上的压力尽可能均匀地经由所述贴靠面28和30导入到电池单元12中，LWRT中间层24和26沿垂直于间距轴线A的方向同样优选在四周，例如沿着彼此垂直的贴靠轴线B1和B2超出与所述LWRT中间层相关联的贴靠面28或30。
在图1的示出的实例中，所示出的构件：压力板14和16、LWRT中间层24和26和电池单元12优选是矩形的，使得电池模块10的从围绕间距轴线A转动90°的方向观察的视图基本上如同图1的示图地显示。张紧机构18彼此间的间距可以是更短或更长的，因为压力板14和16、LWRT中间层24和26以及电池单元12沿垂直于图1的绘图平面的方向可以具有与图1的示图不同的尺寸，然而不必具有不同的尺寸。

Claims (10)

1.一种电池模块(10)，尤其用于机动车的电池模块，其包括至少一个电池单元(12)，所述电池单元以沿着所述间距轴线(A)加载有压力的方式被容纳在两个沿着间距轴线(A)彼此间隔开设置的且要相互张紧的压力面(14a，16a)之间，其中沿着所述间距轴线(A)在所述压力面(14a，16a)之间附加地设有至少一个中间层(24，26)，
其特征在于，所述中间层(24，26)作为LWRT中间层(24，26)包括多孔的LWRT材料，所述LWRT材料具有热塑性结合的纤维线团。
2.根据权利要求1所述的电池模块(10)，
其特征在于，至少一个LWRT中间层(24，26)由多孔的LWRT材料形成。
3.根据权利要求1或2所述的电池模块(10)，
其特征在于，在所述压力面(14，16)之间容纳有多个沿着所述间距轴线(A)相继设置的电池单元(12)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电池模块(10)，
其特征在于，LWRT中间层(24，26)沿着所述间距轴线(A)设置在压力面(14a，16a)和所述至少一个电池单元(12)之间。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电池模块(10)，
其特征在于，在每个压力面(14a，16a)和所述至少一个电池单元(12)之间设置有各一个LWRT中间层(24，26)。
6.根据权利要求4或5所述的电池模块(10)，
其特征在于，所述压力面(14a，16a)的至少一个在压力板(14，16)上构成，其中所述压力板(14，16)垂直于所述间距轴线(A)沿着至少一个延伸轴线(E1，E2)，优选沿着两个彼此垂直的延伸轴线(E1，E2)超出所述压力板的沿着所述间距轴线(A)最近的LWRT中间层(24，26)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电池模块(10)，
其特征在于，在贴靠面(28，30)中贴靠在电池单元(12)上的LWRT中间层(24，26)沿着至少一个贴靠轴线，优选沿着两个彼此垂直的贴靠轴线(B1，B2)超出所述贴靠面(28，30)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电池模块(10)，
其特征在于，所述至少一个LWRT中间层(24，26)与至少一个所述LWRT中间层的沿着所述间距轴线(A)直接相邻的构件(12，14，16)粘结。
9.根据上述权利要求中任一项，包含权利要求3所述的电池模块(10)，
其特征在于，对于由多个沿着所述间距轴线(A)相继设置的电池单元(12)构成的至少一个子组适用的是：在所述子组的每两个沿着所述间距轴线(A)相继设置的电池单元(12)之间不设有LWRT中间层(24，26)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的电池模块(10)，
其特征在于，所述LWRT中间层(24，26)的所述纤维线团包括玻璃纤维或/和矿物纤维或/和自然纤维或/和塑料纤维。
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