CN113795971A - 电池模块、其制造方法及电池组 - Google Patents

电池模块、其制造方法及电池组 Download PDF

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Abstract

根据本发明的一个实施方式的电池模块包括：电池单元堆，该电池单元堆中堆叠有多个电池单元；U形框架，该U形框架容纳电池单元堆并且具有敞开的上部；上板，该上板在U形框架的敞开的上部上覆盖所述电池单元堆；导热层，该导热层位于所述U形框架与所述电池单元堆之间；以及结构粘合剂层，该结构粘合剂层位于所述上板与所述电池单元堆之间。

Description

电池模块、其制造方法及电池组
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年7月18日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2019-0087073的权益，该韩国专利申请的全部公开内容通过引用合并于此。
本公开涉及电池模块、制造该电池模块的方法和电池组，并且更具体地，涉及提高空间利用率并改善可加工性的电池模块、制造该电池模块的方法和电池组。
背景技术
容易应用于各种产品组并且具有诸如高能量密度的电特性的二次电池不仅普遍应用于便携式装置，而且还普遍应用于由电驱动源驱动的电动车辆或混合动力电动车辆、蓄电系统等。这种二次电池作为用于提高能源效率的新型环保能源受到关注，因为其具有显著减少化石燃料使用的主要优点，并且根本不会从能源使用中产生副产品。
小型移动装置针对各个装置使用一个或多个电池单元，而中型或大型装置(诸如车辆)需要高功率和大容量。因此，使用具有彼此电连接的多个电池单元的中型或大型电池模块。
优选地，中型或大型电池模块被制造为具有尽可能小的尺寸和重量。因此，可以以高集成度堆叠并且具有小的重量/容量比的方形电池或袋形电池通常用作中型或大型电池模块的电池单元。同时，为了保护电池堆叠体免受外部冲击、热或振动，电池模块可以包括框架构件，该框架构件的前表面和后表面开口，以便将电池单元堆容纳在内部空间中。
图1是示出了具有现有技术的整体框架的电池模块的立体图。
参照图1，电池模块可以包括：通过层叠多个电池单元11而形成的电池单元堆12；整体框架20，该整体框架的前表面和后表面开口，以覆盖电池单元堆12；以及端板60，该端板覆盖整体框架20的前表面和后表面。为了形成这种电池模块，需要水平组装以使得电池单元堆12沿着图1中的通过箭头示出的X轴方向插入到整体框架20的敞开的前表面或后表面中。然而，为了稳定这种水平组装，必须在电池单元堆12与整体框架20之间确保足够的空隙。在本文中，空隙是指通过装配等产生的间隙。当空隙较小时，在水平组装过程中可能会导致部件损坏。因此，考虑到电池单元堆12的最大高度和插入过程中的组装空隙，应将整体框架20的高度设计为更大，这可能导致出现不必要的空间浪费。
此外，可以在电池单元堆12与整体框架20之间注入导热树脂，以形成导热树脂层，并且该导热树脂层可以用于将从电池单元堆12产生的热传递至电池模块的底部。另外，由于导热树脂层具有粘合强度，因此可以防止由于外部振动和冲击导致电池单元11在电池模块内部移动。
然而，在注入导热树脂的过程期间，由于电池模块中的部件的空隙，可能超过预期量过量地注入导热树脂。结果，存在难以识别导热树脂的注入量和涂覆状态的缺点。
发明内容
技术问题
本公开的一个目的是提供电池模块、制造这种电池模块的方法以及电池组，所述电池模块通过修改围绕电池单元堆的框架构件的结构并且改变电池单元堆与框架构件之间的粘合方式来提高空间利用率并改善可加工性。
然而，将由本公开的实施方式解决的问题不限于上述问题，并且可以在被包括在本公开中的技术思想的范围内进行各种扩展。
技术方案
根据本公开的实施方式的电池模块包括：电池单元堆，所述电池单元堆中堆叠有多个电池单元；U形框架，所述U形框架容纳所述电池单元堆并且具有敞开的上部；上板，所述上板在所述U形框架的所述敞开的上部上覆盖所述电池单元堆；导热层，所述导热层位于所述U形框架与所述电池单元堆之间；以及结构粘合剂层，所述结构粘合剂层位于所述上板与所述电池单元堆之间。
所述U形框架包括底部和面向彼此的两个侧表面部，所述底部包括第一部分和第二部分，所述第一部分位于基于所述电池单元的纵向方向来说的边缘处，所述第二部分位于所述第一部分的内侧，并且所述第一部分的厚度比所述第二部分的厚度薄。
所述导热层可以由硅基导热膏、液体热辐射材料或导热压缩垫形成。
所述电池模块还包括汇流条框架，所述汇流条框架连接至所述电池单元堆，其中，所述U形框架在基于所述电池单元堆的电极引线的突出方向彼此相反的两侧敞开，并且所述汇流条框架在所述U形框架的敞开的两侧连接至所述电池单元堆，并且所述汇流条框架可以包括与所述电极引线的突出方向垂直地布置的主框架以及从所述主框架的下部延伸的弯折部。
所述弯折部可以位于所述底部的所述第一部分上。
所述弯折部和所述第一部分的总厚度可以比所述第二部分的厚度薄。
所述电池单元可以包括在宽度方向上形成的突出部，其中，所述突出部可以位于所述弯折部上。
所述电池单元堆的与所述多个电池单元的堆叠方向垂直的下表面可以安装在所述U形框架的底部上。
所述电池模块还包括端板，所述端板联接至所述U形框架的敞开的两侧中的每一者，并且所述U形框架的所述敞开的两侧可以基于所述电池单元堆的电极引线的突出方向面向彼此。
所述结构粘合剂层可以由环氧基材料形成。
根据本公开的另一实施方式的电池组包括上述电池模块。
根据本公开的另一实施方式的制造电池模块的方法包括以下步骤：在具有敞开的上部的U形框架的底部上形成导热层；安装电池单元堆，使得所述电池单元堆在所述导热层上容纳在所述U形框架中；将结构粘合剂层施加在所述电池单元堆上；安装上板，使得所述上板在所述U形框架的所述敞开的上部上覆盖所述电池单元堆；以及联接所述上板和所述U形框架，其中，所述电池单元堆通过所述结构粘合剂层结合至所述上板。
制造电池模块的所述方法还包括以下步骤：将端板联接至所述U形框架的敞开的两侧中的每一者，其中，可以使所述电池单元堆沿着与所述U形框架的所述底部垂直的方向移动而安装在所述U形框架的所述底部上。
制造电池模块的所述方法还可以包括以下步骤：在将所述电池单元堆安装在所述U形框架的所述底部上之前，使汇流条框架在与所述电池单元堆中所包括的所述电池单元的电极引线的突出方向相反的方向上移动而连接所述电池单元堆和所述汇流条框架。
有益效果
根据一个实施方式，实现了U形框架，使得与现有技术相比，减小了电池单元堆与框架之间的空隙，从而提高了空间利用率。
此外，可以省除组装期间防止损坏所必需的保护罩的使用。
此外，可以通过对U形框架的底部的边缘进行处理来减小电池单元堆与U形框架之间的间隙，从而提高高度方向上的空间利用率。
此外，可以在电池单元堆与框架构件之间施加导热压缩垫，以改善可生产加工性，并且可以通过接触所需区域来确保准确的热传递性能。
此外，可以通过以涂敷方式而不是注入方案使用结构粘合剂来优化粘合剂的类型和量。
附图说明
图1是示出了具有现有技术的整体框架的电池模块的分解立体图。
图2是示出了根据本公开的实施方式的电池模块的分解立体图。
图3是示出了图2的电池模块的元件被联接的状态的立体图。
图4是示出了被包括在图2的电池单元堆中的一个电池单元的立体图。
图5是示出了图2的电池模块中的U形框架的立体图。
图6是示出了图2的电池模块中的汇流条框架的立体图。
图7是沿着XZ平面截取的截面图，该XZ平面是图3中的电池单元堆的纵向方向。
图8是与图7的比较例相对应的电池模块的截面图。
图9至图11是示出了根据本公开的另一实施方式的制造电池模块的过程的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的各种实施方式，使得本领域技术人员可以容易地实现所述各种实施方式。本公开可以以各种不同的方式修改，并且不限于本文阐述的实施方式。
与说明书无关的部分将被省略，以清楚地描述本公开，并且在整个说明书中，相同的附图标记表示相同元件。
此外，在附图中，为了便于描述，任意地例示了各个元件的尺寸和厚度，并且本公开不必限于附图中例示的内容。在附图中，为了清楚起见，放大了层、区域等的厚度。在附图中，为了便于描述，一些层和区域的厚度被示出为被放大。
另外，将理解，当诸如层、膜、区域或板的元件被称为在另一元件“上”或“上方”时，所述元件可以直接在另一元件上，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接在”另一元件“上”时，这意味着不存在其它中间元件。此外，用语“上”或“上方”意味着设置在参考部上或上方，并且不一定意味着设置在参考部的朝向重力的相反方向的上端上。
此外，在整个说明书中，当部分被称为“包括”或“包含”某个部件时，这意味着所述部分还可以包括其它部件，而不排除其它部件，除非另有说明。
此外，在整个说明书中，当称为“平面”时，这意味着从顶部观察目标部分；并且当称为“截面”时，这意味着从垂直切开的截面的一侧观察目标部分。
图2是示出了根据本公开的实施方式的电池模块的分解立体图。图3是示出了图2的电池模块的元件被联接的状态的立体图。图4是示出了被包括在图2的电池单元堆中的一个电池单元的立体图。
参照图2和图3，根据本实施方式的电池模块100包括：电池单元堆120，该电池单元堆包括多个电池单元110；U形框架300，该U形框架具有敞开的上表面、前表面和后表面；上板400，该上板覆盖电池单元堆120的上部；端板150，该端板分别位于电池单元堆120的前表面和后表面；以及汇流条框架130，该汇流条框架位于电池单元堆120与端板150之间。
当将U形框架300的敞开的两侧分别称为第一侧和第二侧时，U形框架300被构造成板状结构，该板状结构弯折成连续地围绕除了电池单元堆120的与第一侧和第二侧相对应的表面之外的剩余外表面之中的、彼此相邻的前表面、下表面和后表面。与U形框架300的下表面相对应的上表面是敞开的。
上板400被构造为覆盖除了由U形框架300围绕的前表面、下表面和后表面之外的剩余上表面的单板形状的结构。U形框架300和上板400可以通过将彼此对应的拐角部的接触区域利用焊接等联接来形成围绕电池单元堆120的结构。即，U形框架300和上板400可以通过创建联接部(CP)来实现框架构件，在该联接部中，利用诸如焊接之类的联接方式来形成彼此对应的拐角部。
根据本实施方式的电池模块100包括位于U形框架300与电池单元堆120之间的导热层310以及位于上板400与电池单元堆120之间的结构粘合剂层330。结构粘合剂层330可以包括环氧基材料。稍后将描述这些部分的详细说明。
电池单元堆120包括在一个方向上堆叠的多个电池单元110，并且所述多个电池单元110可以如图2所示在Y轴方向上堆叠。电池单元110优选地是袋型电池单元。例如，参照图4，根据本实施方式的电池单元110具有两个电极引线111和112面向彼此并从电池主体113的一端114a和另一端114b突出的结构。可以通过以下方式来制造电池单元110：在电极组件(未示出)容纳在电池壳体114中的状态下，将电池壳体114的两端114a和114b与连接所述两端的两个侧表面114c结合。换言之，根据本实施方式的电池单元110具有总共三个密封部分(114sa、114sb、114sc)，其中，密封部分(114sa、114sb、114sc)处于利用诸如热熔合的方式密封的结构，而剩余另一侧部分可以由连接部115形成。电池壳体114的两端114a和114b之间的距离被限定为电池单元110的纵向方向，并且所述一个侧表面114c与连接电池壳体114的两端114a和114b的连接部115之间的距离被限定为电池单元110的宽度方向。
连接部115是沿着电池单元110的一个外围延伸的区域，并且电池单元110的突出部110p可以形成在连接部115的一个端部处。突出部110p可以形成在连接部115的两端中的至少一端上，并且可以在与连接部115延伸的方向垂直的方向上突出。突出部110p可以位于电池壳体114的两端114a和114b的密封部分114sa和114sb中的一者与连接部115之间。
电池壳体114通常由树脂层/金属薄膜层/树脂层的层叠结构形成。例如，在层叠多个电池单元以形成中型或大型电池模块的情况下，由O(定向)尼龙层形成的电池壳体的表面趋于容易受到外部冲击而滑动。因此，为了防止这种滑动并保持电池单元的稳定的层叠结构，可以通过将粘合剂构件(例如，诸如双面胶带的粘性粘合剂或通过化学反应接合的化学粘合剂)附接至电池壳体的表面来形成电池单元堆120。在本实施方式中，电池单元堆120在Y轴方向上堆叠并且在Z轴方向上容纳在U形框架300中，然后可以通过稍后将描述的导热树脂层冷却。作为该示例的比较例，存在如下情况：电池单元形成为盒状部件，使得通过组装电池模块框架来进行电池单元之间的固定。在该比较例中，由于存在盒状部件，所以冷却作用可能很少或者在电池单元的表面方向上进行，从而不能很好地朝向电池模块的高度进行冷却。
根据本实施方式的U形框架300的侧表面部300b和上板400的宽度可以相同。换言之，沿着上板400的X轴方向和U形框架300的侧表面部300b的X轴方向相交的拐角部可以通过诸如焊接之类的方式联接。
图5是示出了图2的电池模块中的U形框架的立体图。
参照图5，根据本实施方式的U形框架300包括底部300a和面向彼此的两个侧表面部300b。在图2描述的电池单元堆120安装在U形框架300的底部300a上之前，可以在U形框架300的底部300a上形成导热层310。导热层310可以将从电池单元110产生的热传递至电池模块100的外部。根据本实施方式的导热层310可以由具有低粘合性能的硅基导热膏、应用于浸入式冷却的液体热辐射材料或者导热压缩垫形成。导热层310具有比上述结构粘合剂层330低的粘合强度。
可以将导热压缩垫施加在电池单元堆120与U形框架300的底部之间，以改善可生产加工性，并且待被接触的目标可以在期望的区域中彼此接触，以确保准确的热传递性能。通过使用现有技术中的具有粘合强度以及导热功能的导热树脂，可以防止电池单元110由于外部振动和冲击而在电池模块100内部移动。然而，在这种情况下，由于必须使用具有高粘合性能的聚氨酯和环氧基产品，因此可以采用的导热树脂的产品系列存在局限性，这导致生产率和质量控制方面的困难。
导热层310位于U形框架300的底部300a与电池单元堆120之间。导热层310可以用于将从电池单元110产生的热传递至电池模块100的底部。在这种情况下，由于导热层310不具有很强的粘合强度，因此导热层310不足以固定电池单元堆120。
图6是示出了图2的电池模块中的汇流条框架的立体图。
参照图6，根据本实施方式的汇流条框架130包括：主框架130a，该主框架与图4中描述的电极引线111和112突出的方向垂直地设置；以及弯折部130b，该弯折部从汇流条框架130的下部延伸。汇流条框架130连接至如图2和图3所描述的电池单元堆120。电极引线可以穿过主框架130a中的狭缝，以形成与汇流条组合的结构。弯折部130b可以相对于主框架130a以大约90度弯折并且位于U形框架300的底部300a上。将参照图7进一步描述弯折部130b及其周围构造。
图7是沿着XZ平面截取的截面图，该XZ平面是图3中的电池单元堆的纵向方向。图8是与图7的比较例相对应的电池模块的截面图。
参照图7，根据本实施方式的电池单元110包括在宽度方向上形成的突出部110p，其中，突出部110p位于弯折部130b上。在本文中，电池单元110的宽度方向可以指图7的Z轴方向。根据本实施方式的U形框架的底部300a包括第一部分300a1和第二部分300a2，其中，第一部分300a1位于相对于电池单元110的纵向方向来说的边缘处，并且第二部分300a2位于第一部分300a1内侧。在这种情况下，第一部分300a1的厚度优选地比第二部分300a2的厚度薄。在本文中，电池单元110的纵向方向可以指图7的X轴方向。
参照图6和图7，本实施方式中的汇流条框架130的弯折部130b位于U形框架的底部300a的第一部分300a1中。在这种情况下，弯折部130b和第一部分300a1的总厚度优选地比第二部分300a2的厚度薄。这是因为，电池单元110的突出部110p被第一部分300a1与第二部分300a2之间的台阶卡住，使得可以防止电池单元110由于外部冲击而移动。另外，可以通过对U形框架的底部300a的这种处理来减小电池单元110与框架之间的间隙。该间隙减小导致可以通过在高度方向上的组装获得的间隙减小的协同效果，从而使整体空间效率最大化。可以对U形框架的底部300a进行处理，使得U形框架的结构与底部300a的台阶一起形成。这样的台阶可以通过压模或NC(数控)处理来形成。
导热层310位于底部300a的第二部分300a2与电池单元110之间。根据该实施方式，结构粘合剂层330位于上板400与电池单元110之间。结构粘合剂层330施加在上板400与图2的电池单元堆120的上端之间，以优化粘合剂的形状和量。
参照图8，当与图7的实施方式相比时，导热树脂注入或施加在底部300a的第二部分300a2与电池单元110之间，以形成导热树脂层310’。如上所述的通过注入或施加导热树脂而形成的导热树脂层310’在生产率和质量控制方面存在问题，因为必须伴随着昂贵的设备的应用和管理。另外，可能会进行过量注入，以同时满足热传递和粘合强度。换言之，现有的导热树脂层310’必须具有导热性和粘合强度两者，并且必须被准确地注入/施加到用于热传递性能的指定区域，但是由于导热填料的含量，所以会给注入设备带来高负荷，从而导致生产率和质量控制方面的问题。相比之下，根据上述本实施方式，在需要热传递的部分中形成导热层310，并且结构粘合剂仅施加于需要粘合强度的部分中的最小面积或更大的区域，使得可以实现高生产率和高质量控制。导热层310由具有低粘合性能的硅基导热膏、应用于浸入式冷却的液体热辐射材料、或者导热压缩垫形成，以促进作业。
在下文中，将说明制造上述根据本实施方式的电池模块的方法的示例。
图9至图11是示出了根据本公开的另一实施方式的制造电池模块的方法的图。
参照图9，制造根据本实施方式的电池模块的方法包括在具有敞开的上部的U形框架300的底部300a上层叠电池单元堆120。在这种情况下，电池单元堆120优选地在与被包括在电池单元堆120中的多个电池单元110的堆叠方向垂直的方向(Z轴方向)上插入到U形框架300的底部300a中。
制造根据本实施方式的电池模块的方法还可以包括：在将电池单元堆120安装在U形框架300的底部300a上之前，在与电池单元110的电极引线突出的方向相反的方向上移动汇流条框架130的同时，连接电池单元堆120和汇流条框架130。此外，制造电池模块的方法还可以包括：在将电池单元堆120安装在U形框架300的底部300a上之前，在U形框架300的底部300a上形成导热层310。
相比之下，如图1所示，可以在电池单元堆12的下部与整体框架20之间形成用于传递热量并固定电池单元堆的导热树脂层。通常，在将电池单元堆12插入到整体框架20中之后，通过将导热树脂注入到在整体框架20中形成的注入孔中来形成导热树脂层。然而，在上述注入方法的情况下，由于电池模块中各个部件的空隙，所以难以定量地注入导热树脂，并且形成具有均匀厚度的导热树脂层受到限制。
参照图10，制造根据本实施方式的电池模块的方法包括：安装上板400，以在敞开的U形框架300的上部覆盖电池单元堆120。在该实施方式中，由于上板400利用诸如焊接等的方式在Z轴方向(该Z轴方向是垂直方向)上联接至U形框架300的上部，所以，可以省略在将电池单元堆12插入图1的整体框架20的过程中保护电池单元11所需的保护罩(未示出)。根据本实施方式，在安装上板400之前，结构粘合剂层300可以形成在上板400的一个表面上或形成在电池单元堆120的上端上。
参照图11，制造根据本实施方式的电池模块的方法包括：将上板400和U形框架的侧表面部300b联接，然后分别将端板150联接在U形框架的两个敞开侧上。可以通过使用焊接方式、使用粘合剂的粘合方式、螺栓紧固方式、铆接和胶带联接方式等来将上板400和U形框架的侧表面部300b联接。
同时，根据本公开的示例性实施方式的一个或更多个电池模块可以被包装在电池组壳体中，以形成电池组。
上述电池模块和包括该电池模块的电池组可以应用于各种装置。这些装置可以应用于诸如电动自行车、电动车、混合动力车辆的车辆，但是本公开不限于此，并且可以应用于可以使用电池模块和包括该电池模块的电池组的各种装置，这也属于本公开的范围。
尽管上面已经详细描述了本公开的优选实施方式，但是本公开的范围不限于此，并且本领域技术人员使用所附权利要求书中限定的本公开的基本概念进行的各种修改和改进也属于权利范围。
附图标记说明
100：电池模块
110p：突出部
130a：主框架
130b：弯折部
150：端板
300：U形框架
310：导热层
330：结构粘合剂层
400：上板

Claims (15)

1.一种电池模块，所述电池模块包括：
电池单元堆，所述电池单元堆中堆叠有多个电池单元；
U形框架，所述U形框架容纳所述电池单元堆并且具有敞开的上部；
上板，所述上板在所述U形框架的所述敞开的上部上覆盖所述电池单元堆；
导热层，所述导热层位于所述U形框架与所述电池单元堆之间；以及
结构粘合剂层，所述结构粘合剂层位于所述上板与所述电池单元堆之间。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，
所述U形框架包括底部和面向彼此的两个侧表面部，
所述底部包括第一部分和第二部分，所述第一部分位于基于所述电池单元的纵向方向来说的边缘处，所述第二部分位于所述第一部分的内侧，并且所述第一部分的厚度比所述第二部分的厚度薄。
3.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述导热层由硅基导热膏、液体热辐射材料或导热压缩垫形成。
4.根据权利要求1所述的电池模块，
所述电池模块还包括汇流条框架，所述汇流条框架连接至所述电池单元堆，
其中，所述U形框架在基于所述电池单元堆的电极引线的突出方向彼此相反的两侧敞开，并且所述汇流条框架在所述U形框架的敞开的两侧连接至所述电池单元堆，并且
所述汇流条框架包括与所述电极引线的突出方向垂直地布置的主框架以及从所述主框架的下部延伸的弯折部。
5.根据权利要求4所述的电池模块，
其中，所述弯折部位于所述底部的所述第一部分上。
6.根据权利要求5所述的电池模块，
其中，所述弯折部和所述第一部分的总厚度比所述第二部分的厚度薄。
7.根据权利要求6所述的电池模块，
其中，所述电池单元包括在宽度方向上形成的突出部，其中，所述突出部位于所述弯折部上。
8.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述电池单元堆的与所述多个电池单元的堆叠方向垂直的下表面安装在所述U形框架的底部上。
9.根据权利要求1所述的电池模块，
所述电池模块还包括端板，所述端板联接至所述U形框架的敞开的两侧中的每一者，
所述U形框架的所述敞开的两侧基于所述电池单元堆的电极引线的突出方向面向彼此。
10.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述结构粘合剂层由环氧基材料形成。
11.一种制造电池模块的方法，所述方法包括以下步骤：
在具有敞开的上部的U形框架的底部上形成导热层；
安装电池单元堆，使得所述电池单元堆在所述导热层上容纳在所述U形框架中；
将结构粘合剂层施加在所述电池单元堆上；
安装上板，使得所述上板在所述U形框架的所述敞开的上部上覆盖所述电池单元堆；以及
联接所述上板和所述U形框架，
其中，所述电池单元堆通过所述结构粘合剂层结合至所述上板。
12.根据权利要求11所述的制造电池模块的方法，
所述方法还包括以下步骤：将端板联接至所述U形框架的敞开的两侧中的每一者，
其中，使所述电池单元堆沿着与所述U形框架的所述底部垂直的方向移动而安装在所述U形框架的所述底部上。
13.根据权利要求12所述的制造电池模块的方法，
所述方法还包括以下步骤：在将所述电池单元堆安装在所述U形框架的所述底部上之前，使汇流条框架在与所述电池单元堆中所包括的所述电池单元的电极引线的突出方向相反的方向上移动而连接所述电池单元堆和所述汇流条框架。
14.根据权利要求11所述的制造电池模块的方法，
其中，所述导热层由导热压缩垫形成。
15.一种电池组，所述电池组包括根据权利要求1所述的电池模块。
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