CN113966563A - 具有三个以上接触板层的接触板装置 - Google Patents

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汉斯-约阿希姆·普夫鲁格
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Abstract

根据一个方面，涉及一种用于电池模块的接触板装置。接触板装置包括连接到第一并联电池组(P电池组)的第一端子和第二P电池组的第二端子的第一接触板，部分地堆叠在第一接触板上的第二接触板，第二接触板连接到第二P电池组的第一端子和第三P电池组的第二端子，以及部分堆叠在第二接触板上的第三接触板，第三接触板连接到第三P电池组的第一端子。

Description

具有三个以上接触板层的接触板装置
相关申请的交叉引用
本专利申请要求申请日为2019年2月26日，代理案号为TIV-180010P1，申请号为62/810,774，名称为“具有三个以上接触板层的接触板装置”的美国临时申请的权益，所述美国临时申请转让给本发明的受让人并且由此以引用的方式整体明确地并入本文。
技术领域
实施例涉及接触板装置，并且更具体地，涉及包括三个或更多个接触板层的接触板装置。
背景技术
储能系统可依赖于电池单元来存储电力。例如，在某些传统的电动车辆(EV)设计(例如，全电动车辆，混合动力电动车辆等)中，电动车辆中安装的电池外壳容纳有多个电池单元(例如，多个电池单元可以单独地安装到电池外壳中或可选地以分组的方式安装在各自的电池模块内，每个电池模块包括一组电池单元，各个电池模块安装在电池外壳中)。电池外壳中的电池模块经由汇流条连接到电池接线盒(BJB)，以将电能分配到驱动电动车辆的电动机，以及电动车辆的各种其他电气部件(例如，无线电、控制台、车辆供暖设备、通风和空调(HVAC)系统、内部灯、诸如头灯和刹车灯等的外部灯)。
发明内容
一实施例涉及一种用于电池模块的接触板装置，包括连接到第一并联电池组(P电池组)的第一端子且连接到第二P电池组的第二端子的第一接触板、堆叠在第一接触板上的第二接触板，连接到第二P电池组的第一端子且连接到第三P电池组的第二端子的第二接触板，以及部分堆叠在第二接触板上的第三接触板，第三接触板连接到第三P电池组的第一端子。
附图说明
通过结合以下附图参考下文详细描述，本公开内容的实施方式将变得更加易于了解，并因而可获得对这些实施方式的完全理解。附图仅出于说明目的，并不旨在对本公开内容构成限制。附图中：
图1示出了金属离子(如锂离子)电池的示例，其中本文所述的部件、材料、方法、其他技术或其组合可根据各种实施方式在其内得以应用。
图2为根据本发明实施方式的由P电池组(并联电池组)1……N串联而成的电池模块的高电平电气示意图。
图3示出了组装过程中电池单元插入后的电池模块。
图4A-4C示出了接触板相对于电池模块的电池单元的一般设置方式。
图5示出了现有多层接触板的各层的示例。
图6示出了根据本发明实施例的电池模块的接触板装置。
图7示出了包括图6的接触板装置的电池模块。
图8图示了根据本发明实施例的用于电池模块的接触板装置。
图9示出了横跨图8的接触板结构的各个接触板的电流流动。
图10示出了包括图8的接触板装置的电池模块。
图11-12示出了根据本发明另一实施例的接触板装置的分解图和俯视图。
图13示出了根据本发明实施例(由下至上)构造的各层以构成图11中的接触板装置的层结构或“堆叠”结构。
图14示出了根据本发明实施例图11中接触板装置处于连接到P电池组1……6的连接状态下的俯视图。
图15A示出了根据本发明实施例处于如图14所示的连接状态下的接触板装置的放大图，用箭头指示从P电池组1到P电池组6的跨特定电池单元的电流流动。
图15B示出了图15A中描绘的电流流动的替代表示。
图15C示出了根据本发明替代实施例的与图15A中描绘的电流流动相反的电流流动的表示。
具体实施方式
本公开内容的各实施方式将呈现于下文及相关附图中。在不脱离本公开内容范围的情况下，还可想出替代实施方式。此外，本发明将不对众所周知的要素进行详细描述，或者将省去对这些要素的描述，以免模糊了对本发明有意义的细节的描述。
能量存储系统可依赖电池存储电力。例如，在某些传统的电动车辆(EV)设计(例如，全电动车辆，混合动力电动车辆等)中，电动车辆中安装的电池外壳容纳有多个电池单元(例如，多个电池单元可以单独地安装到电池外壳中或可选地以分组的方式安装在各自的电池模块内，每个电池模块包括一组电池单元，各个电池模块安装在电池外壳中)。电池外壳中的电池模块经由汇流条连接到电池接线盒(BJB)，以将电能分配到驱动电动车辆的电动机，以及电动车辆的各种其他电气部件(例如，无线电、控制台、车辆供暖设备、通风和空调(HVAC)系统、内部灯、诸如头灯和刹车灯等的外部灯)。
图1所示为金属离子(如锂离子)电池的示例，其中本文所述的部件、材料、方法、其他技术或其组合可根据各种实施方式在其内得以应用。此处，出于说明目而示出了圆柱形电池单元，但是还可根据需要使用包括棱柱形电池或袋装电池(薄片类型)在内的其他类型电池。例示电池100包括负极(阳极)102，正极(阴极)103，置于阳极102和阴极103之间的隔膜104，浸渍隔膜104的电解质(隐含性地示出)，电池壳105以及将电池壳105密封的密封元件106。
本发明的实施方式涉及可部署为能量存储系统一部分的电池模块的各种构造。在一示例中，虽然图中未明确示出，但是根据本文所述任意实施方式的多个电池模块可针对能量存储系统进行部署(例如，通过相互串联而向能量存储系统提供更高的电压，或者通过相互并联而向能量存储系统提供更高的电流，或者以这两种方式的组合方式连接)。
图2为根据本发明实施方式的由P电池组(并联电池组)1……N串联而成的电池模块200的高电平电气示意图。在一示例中，N可以为大于或等于2的整数(例如，如果N＝2，则图1中标示为2……N-1的中间P电池组可省略)。每一P电池组包括并联的电池单元1……M(例如，每一电池单元的结构如图1的电池单元100所示)。第一串联P电池组(或P电池组1)的负极端子与电池模块200的负极端子205连接，而最后一个串联P电池组(或P电池组N)的正极端子与电池模块200的正极端子210连接。在本文中，电池模块可由在其内部串联的P电池组的数量进行表征。具体而言，具有2个串联在一起的P电池组的电池模块称为“2S”系统；具有3个串联在一起的P电池组的电池模块称为“3S”系统；依此类推。
图3所示为组装过程中电池单元305插入后的电池模块300。在一些设计中，电池模块300内电池单元的正极端子(阴极)和负极端子(阳极)可设于同一侧(如顶侧)。例如，中央电池单元“头部”可对应于正极端子，而环绕该电池单元头部的电池单元边缘可对应于负极端子。在此类电池模块中，各P电池组通过设于电池单元305上方的多个接触板彼此电气串联。
图4A-4C所示为接触板相对于电池模块的电池单元的一般设置方式。如图4A-4C所示，在一些设计中，接触板可以与相应电池单元的正极和负极端子紧密接近的方式设置于电池单元的顶部。
接触板可存在多种构造方式。例如，接触板可构造为实心铝块或铜块，其中，接触板与电池单元的正极和负极端子之间通过点焊焊接有接合连接件。或者，也可使用含有一体式电池单元端子连接层的多层接触板。
图5所示为现有多层接触板的各层的示例。在图5中，多层接触板500包括夹在顶部导电板510和底部导电板515之间的柔性电池单元端子连接层505。在一示例中，顶部导电板510和底部导电板515可构造为实心铜板或铝板(如铜或铝的合金)，而柔性电池单元端子连接层505构造为箔层(如钢箔或Hilumin(电镀镍扩散退火钢)箔)。顶部导电板510和底部导电板515中冲出若干开口(如开口520)，而柔性电池单元端子连接层505的某些部分延伸出并进入开口520内。在电池模块组装过程中，柔性电池单元端子连接层505延伸进入开口520内的一部分可随后先被下压至与设于开口520下方的一个或多个电池单元的正极或负极端子接触，然后通过焊接而获得在机械上稳定的板至端子的电连接。
参考图5，多层接触板500的各层可通过软钎焊(soldering)或硬钎焊(brazing)连接(例如，通过在施加热量之前设置于各层之间的软钎焊膏或硬焊膏连接)，从而在各层之间形成软钎焊或硬钎焊“焊接点”。这些焊接点同时实现：(1)多层接触板500的层间机械连接；以及(2)多层接触板500的层间电连接。
参考图5，以与周围的顶部导电板510和底部导电板515(如铜、铝或其合金)不同的材料(如钢或Hilumin)构造柔性电池单元端子连接层505的其中一项优点在于，可通过类似金属实现用于电池单元端子连接的焊接。例如，电池单元端子一般由钢或Hilumin制成。然而，钢并不是一种特别好的导体。因此，顶部导电板510和底部导电板515由导电性优于钢的材料(如铜、铝或其合金)制成，而钢用于柔性电池单元端子连接层505中，以避免将完全不同的金属焊接在一起来用于电池单元端子的连接。
在图5中描绘的接触板结构的替代实施例中。与在两块实心板之间包夹端子连接箔层的结构不同，接触板(如由铜、铝或其合金制成，但是该接触板也可以为多层结构)可以镀上不同金属(如钢或Hilumin)的薄层，该金属适于焊接到一个或多个电池单元端子。该镀层的接触板可通过局部冲压或刻蚀处理而具有特定部分，该特定部分(1)可灵活移动，或(2)可构造为熔断，或(3)可适于焊接至电池单元端子。
图6示出了根据本发明实施例的电池模块的接触板装置600。接触板装置600被配置为具有单层接触板结构。如本文所用，接触板布置成单层意味着接触板彼此不重叠(或堆叠)，因此不需要“竖直”电绝缘层(尽管可以布置绝缘件以提供“水平”电绝缘)。特别地，接触板装置600包括“负极”接触板605、“中心”接触板610和“正极”接触板615。接触板装置600被配置为将两个不同的P电池组(即，如上文关于图2所描述的不同的并联电池单元组)串联在一起。为此，“负极”接触板605包括一组用于连接到一组P电池组1的负极电池单元端子的负极接合连接件，“中心”接触板610包括一组用于连接至P电池组1的一组正极电池单元端子的一组正极接合连接件，和一组用于连接至P电池组2的一组负极电池单元端子的一组负极接合连接件，并且“正极”接触板615包括用于连接P电池组2的一组正极电池单元端子的一组接合连接件。图7示出了包括图6的接触板装置600的电池模块700。
在图6-7所示的实施例中，接触板装置600将总共12个电池单元连接在一起，每个电池P组有6个电池单元。在一示例中，接触板605-615可以布置为多层接触板(例如，由夹着钢层(Hilumin)的铝制成的顶板/底板，每个多层接触板的总平均厚度为约1.8毫米)。
本公开的实施例涉及具有三个或更多个接触板层的接触板装置。通过使用额外的接触板层，相对于接触板装置600可以减少每个P电池组中的电池单元的数量，并且相对于接触板装置600也可以减小每个接触板的总厚度。此外，在一些设计中，这种接触板可以在没有焊接/铜焊的情况下生产。
图8示出了根据本公开实施例的用于电池模块的接触板装置800。接触板装置800配置有三层接触板结构。特别地，接触板装置800包括“负极”接触板805[L3]、中心接触板810[L1]、815[L2]和820[L1]，以及“正极”接触板825[L3]，其中L1表示接触板层1，L2表示接触板层2，L3表示接触板层3。
如图8所示，相应接触板可以“部分地”堆叠于较低的接触板层的上方(即，在Z方向竖直布置于较低的接触板层的上方)，其中相应接触板的一部分(在重叠的区域中)布置于较低的接触板层的接触板上方。如本文所用，“较高的”接触板层通常可以表征为远离各个接触板所连接到的电池单元端子，并且“较低的”接触板层通常可以表征为远离各个接触板所连接到的电池单元端子。在一些设计中，在非重叠的区域中，较高的层中的接触板可能下降到或低于较低的层中的接触板的“高度”。此外，一些接触板部件(例如，接合连接器)可以在较低层中的接触板下方向下延伸。
图9示出了流过图8中接触板装置800的各个接触板的电流流动。图10示出了包括图8中接触板装置800的电池模块1000。
在图8的实施例中，接触板装置800将总共12个电池单元连接在一起，每个P电池组(即P电池组1、2、3和4)有3个电池单元。在其他设计中，每个P电池组可以实现不同数量的电池单元(例如，每个P电池组4个电池单元，每个P电池组5个电池单元等)。在一些设计中，接触板装置800的每个接触板可以比接触板装置600的接触板(平均)制造得更薄。例如，接触板装置600可以布置有多层接触板(例如，顶层/底层板由夹着Hilumin钢层的铝制成，每个多层接触板具有大约1.8mm的总平均厚度)，而接触板装置800可以布置有更薄的接触板(例如，钢(Hilumin)或铝或铜的单板或这些层的夹层)。如下文将更详细地解释的，在一些设计中，使用三个较薄的接触板层而不是一个厚的接触板层可以减小接触板装置的总厚度。
可以理解，将更多的P电池组串联在一起起到增加相关电池模块的电压的作用。所以，虽然图8-10涉及包括四个P电池组(每个P电池组三个电池)的电池模块，还可以添加额外的P电池组以用于更高电压的应用。
图11-12示出了根据本公开的另一实施例的接触装置1100的分解立体图图和顶部立体图。参考图11-12，接触装置1100包括底部接触板层(或“层1”)，其包括多个接触板1105[L1]，中间接触板层(或“层2”)，其包括多个接触板1105[L2]，顶部接触板层(或“层3”)，其包括多个接触板1125[L3]。每个接触板层的接触板数量和每个接触板的“指状物”数量都可扩展以适应任何数量的P电池组和/或不同尺寸的P电池组。因此，基本的三层架构可以扩展到特定的电池模块结构。
接触装置1100还包括布置在第一层和第二层之间的第一绝缘层1110[L1/L2]和布置在第二层和第三层之间的第二绝缘层1120[L2/L3]。相应的绝缘层可以由任何合适的电绝缘材料(例如，塑料等)制成。
如图12所示，当接触装置1100的各个层堆叠在一起时，来自每个接触板层的接触片延伸到布置在各个层中的开口(或接触区域)中以在电池模块组装期间与布置在接触装置1100下方的电池单元的相应端子形成电连接。
图13示出了根据本公开的实施例的被构造(从底部到顶部)的各个层以创建接触装置1100的分层或“堆叠”结构。
如上所述，在某些设计假设下，图6的接触板装置600的结构可以具有大约1.8mm的总平均厚度。在相同的设计假设下(例如，同类型的圆柱电芯等)，每个接触板层的平均厚度可以约为0.15mm，每个绝缘层的平均厚度可以约为0.3mm，使得接触板装置800和1100可以构造成具有大约1.05mm的总平均厚度(0.15mm+0.3mm+0.15mm+0.3mm+0.15mm＝1.05mm)。或者，如果以每层0.15毫米的厚度添加额外的顶层/底层绝缘层，则总厚度变为1.35毫米。在任一情况下，增加P电池组的数量同时减少每个P电池组的电池单元数量允许每个接触板(平均)更薄，这起到减小接触板装置的整体厚度的作用(例如，从大约图6中的1.8mm至约1.05mm或约1.35mm，具体取决于上述操作假设)。在一些设计中，取决于电池模块设计和相关的功率要求，接触板层可以具有从大约0.15mm到大约0.2mm范围内的厚度。
此外，虽然一些设计可以使用“夹心”接触板结构，该结构包括将更薄的箔层夹在中间的两个板，但是关于图8-10的接触装置8所描述的更薄的接触板结构也可以在一些设计中包括单个导电层(例如，单个板)。在这种情况下，不需要进行促进夹层结构所需的层间焊接或硬钎焊，这导致接触板具有更高的结构完整性和导电性。
图14图示了根据本公开的实施例的处于连接到P电池组1…6的状态的接触板装置1100的俯视立体图。如图14所示，接触板装置1100在每个接触板的“指状物”数量和/或每个接触板层的接触板数量方面是可扩展的(或扩张的)以适应各种电池模块结构。在图14所示的接触板装置1100的特定部分中，P电池组1…6串联连接在一起(即，P电池组1串联连接到P电池组2，P电池组2又串联连接到P电池组3，依此类推)。在该示例中，P电池组1的正极侧连接到“正极”接触板(例如，其可用作电池模块本身的正极端子)。此外，虽然未在图14中明确显示，P电池组6可以串联连接到另一个P电池组，依此类推。
图15A示出了根据本公开实施例处于如图14所示的连接状态的接触板装置1100的放大图，其中，用箭头指示跨从P电池组1到P电池组6的特定单元的电流流动。图15B示出了图15A中描绘的电流流动的替代表示。
在图15B中，正极接触板1125_1[L3]部分地堆叠在接触板1105_1[L1]上，并且连接到P电池组1的正极端子。接触板1105_1[L1]连接到P电池组1的负极端子和P电池组2的正极端子。接触板1115_1[L2]部分堆叠在接触板1105_1[L1]上，并连接到P电池组2的负极端子和P电池组3的正极端子。接触板1125_2[L3]部分堆叠在接触板1115_1[L2]上，并连接到P电池组3的负极端子和P电池组4的正极端子。接触板1105_2[L1]连接到P电池组4的负极端子和P电池组5的正极端子。接触板1115_2[L2]部分堆叠在接触板1105_2[L1]上，并连接到P电池组5的负极端子和P电池组6的正极端子。接触板1125_3[L3]部分堆叠在接触板1115_2[L2]上，并且至少连接到P电池组6的负极端子。在一示例中，接触板1125_3[L3]可以被布置为用于电池模块的负极接触板。在替代示例中，接触板1125_3[L3]可以是又一个“中心”接触板，在这种情况下，接触板1125_3[L3]将进一步连接到P电池组7的正极端子(图15B中未示出)。因此，经由层L1、L2、L3、L1、L2、L3等串联连接的P电池组的接触板反映了图15B的实施例。
在其他实施例中，相邻的串联P电池组可以以不同的顺序(例如，L3-L2-L1-L3-L2-L1等)连接到各自的接触板层。这一方面反映在图15C中。在图15C中，P电池组1-6的极性和流过P电池组1-6的电流被颠倒，使得电流从P电池组6流向P电池组5，依次类推。接触板1125_1[L3]由此变成图15C中的正极接触板，而不是负极接触板。应当理解，相邻P电池组(例如，就串联连接的情况下的电相邻而言，P电池组1与P电池组2相邻，P电池组2与P电池组1和P电池组3相邻，依次类推)之间的层顺序改变可能因实施而异。
在其他实施例中，正极和/或负极接触板可以布置在与L3层相对的其他层(例如，L2或L1)处。在其他设计中，可以添加额外的层(例如，L4、L5等)，并且相邻P电池组之间的各种层变化可以对应任何可能的顺序(例如，L1-L2-L3-L5-L4、L1-L3-L5-L2-L4等)，同样正极/负极接触板可以布置在任何层(例如，L1、L2、L3、L4、L5等)。
如上所述，分层接触板结构(对于三层接触板装置)的特征在于第一、第二和第三接触板层，由此多个接触板可以属于每个相应的接触板层。通常，所谓的“顶部”接触板层可以包括在底部和/或中间接触板层之间的接触板上部分堆叠(即，在垂直方向上重叠)的接触板。中间接触板层同样可以部分地堆叠在底部接触板层之上。可以限定孔或间隙，以允许来自中间和/或顶部接触板层中的每个相应接触板层的相应接触片向下延伸以形成连接到相应P电池组的电池单元端子的焊接连接。
本文关于本发明的任何实施例描述的任何数值范围不仅旨在限定相关数值范围的上限和下限，而且还隐含公开了该范围内的每个离散值的单位或增量，其与表征上下限的精度水平保持一致。例如，从7nm到20nm的数值距离范围(即，以1为单位或增量为精度水平)涵盖(以nm为单位)集合[7、8、9、10，...，19、20]，就如同明确公开了以1为单位或增量的中间数字8到19一样。在另一示例中，30.92％～47.44％(即以百分之一为单位或递变步长的精度水平)这一百分比数值范围涵盖(以单位为％的)集合[30.92，30.93，30.94，……，47.43，47.44]，就如同明确公开了以百分比为单位或增量的中间数值30.92～47.44一样。因此，所公开的任何数值范围所涵盖的任何中间数值均旨在被理解为这些数值等同于已经被明确公开，而且任何此类中间数值均可因此本身构成落入所述数值范围内的子范围的上限和/或下限。因此，每一子范围(例如将更大范围的至少一个中间数值作为上限和/或下限的每一更小范围)旨在被理解为借助于更大范围的明确公开而被隐含性地公开。
以上描述旨在使得本领域任何技术人员能够做出或使用本发明的实施方式。然而，应该该理解的是，对于本领域技术人员而言，对这些实施方式做出各种修改将是显而易见的，因此本发明不限于本文公开的具体配方、工艺步骤和材料。也就是说，在不脱离本公开内容的实施方式的精神或范围的情况下，本文中给出的普遍原理可应用至其他实施方式。

Claims (18)

1.一种接触板装置，用于电池模块，其特征在于，包括：
第一接触板，连接到第一并联电池组的第一端子和第二并联电池组的第二端子；
第二接触板，部分地堆叠在所述第一接触板上方，所述第二接触板连接到所述第二并联电池组的第一端子和第三并联电池组的第二端子；和
第三接触板，部分地堆叠在所述第二接触板上方，所述第三接触板连接到所述第三并联电池组的第一端子。
2.如权利要求1所述的接触板装置，其特征在于，所述第一端子是负极端子，所述第二端子是正极端子。
3.如权利要求1所述的接触板装置，其特征在于，所述第一端子是正极端子，所述第二端子是负极端子。
4.如权利要求1的接触板装置，其特征在于，
所述第一接触板和至少一个附加接触板被布置为第一接触板层的一部分，
所述第二接触板和至少一个附加接触板被布置为第二接触板层的一部分，
所述第三接触板和至少一个附加接触板被布置为第三接触板层的一部分，
其中，所述第三接触板层中的每个接触板部分地堆叠在所述第一接触板层和/或所述第二接触板层中的至少一个接触板上方，
其中，所述第二接触板层中的每个接触板部分地堆叠在所述第一接触板层中的至少一个接触板上方。
5.如权利要求1所述的接触板装置，其特征在于，还包括：
第一绝缘层设置在所述第一接触板和所述第二接触板之间，
第二绝缘层设置在所述第二接触板和所述第三接触板之间。
6.如权利要求1所述的接触板装置，其特征在于，所述第一并联电池组、所述第二并联电池组和所述第三并联电池组均包括相同数量的电池单元。
7.如权利要求6所述的接触板装置，其特征在于，所述第一并联电池组、所述第二并联电池组和所述第三并联电池组均包括三个电池单元。
8.如权利要求1所述的接触板装置，其特征在于，所述第一接触板、所述第二接触板和所述第三接触板中的至少一者被构造为单层接触板。
9.如权利要求1所述的接触板装置，其特征在于，所述第一接触板、所述第二接触板和所述第三接触板中的至少一者被配置为多层接触板，使得电池单元端子连接层部分地夹在两个实心板层之间。
10.如权利要求1所述的接触板装置，其特征在于，所述第一接触板、所述第二接触板和所述第三接触板中的至少一者包括钢、铝、铜或其任意组合。
11.如权利要求1所述的接触板装置，其特征在于，所述第三接触板为所述电池模块的负极接触板或所述电池模块的正极接触板。
12.如权利要求1所述的接触板装置，其特征在于，所述第三接触板还连接到第四并联电池组的第二端子。
13.如权利要求12所述的接触板装置，其特征在于，还包括：
第四接触板，连接到第四并联电池组的第一端子和第五并联电池组的第二端子，所述第三接触板部分地堆叠在所述第四接触板上方；
第五接触板，部分地堆叠在所述第四接触板上方，所述第五接触板连接到第五并联电池组的第一端子和第六并联电池组的第二端子；和
第六接触板，部分地堆叠在所述第五接触板上方，所述第六接触板连接到第六并联电池组的第一端子。
14.如权利要求13所述的接触板装置，其特征在于，所述第一端子是负极端子，所述第二端子是正极端子。
15.如权利要求13所述的接触板装置，其特征在于，所述第一端子是正极端子，所述第二端子是负极端子。
16.如权利要求13所述的接触板装置，其特征在于，所述第六接触板为所述电池模块的负极接触板或所述电池模块的正极接触板。
17.如权利要求1所述的接触板装置，其特征在于，还包括：
另一个接触板连接到所述第一并联电池组的第二端子。
18.如权利要求17所述的接触板装置，其特征在于，所述另一接触板是所述电池模块的正极接触板或所述电池模块的负极接触板。
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