JP2018060671A - 電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】電池モジュールの大型化を回避しつつ内部の圧力調整を可能とし、かつ、電池性能の損失を抑制することができる電池モジュールを提供する。【解決手段】電池モジュール10は、複数のセル60のそれぞれに対応して樹脂ケース30に設けられ、ケース30の内部の圧力の上昇に応じてケース30の壁部31の内面31bから外面31aにかけて延びる通路を開通させる圧力開放弁70と、樹脂ケース30の外部に設けられ、通路に連通可能なガス貯留空間Sを画成する外部フレーム80と、外部フレーム80に形成された開口81を塞ぐように取り付けられ、ガス貯留空間Sの圧力変化に応じて開口81を開閉することでガス貯留空間Sの圧力を調整する圧力調整弁90と、を備える。【選択図】図2
Description
本発明は、電池モジュールに関する。
集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極を備えるバイポーラ電池が知られている(特許文献1参照)。この電池では、セパレータと集電体とシール部材とで画成された空間に、電解液が封入されている。電解液を含浸したセパレータからなる電解質層を介して、バイポーラ電極が積層されている。電池には、シール部を貫通するチューブが設けられている。チューブの一端は上記の空間に臨み、他端は電池の外部空間に臨む。電池を使用している間、内部の圧力が上昇すると、このチューブが安全弁として機能する。
上記バイポーラ電池のように、1つのセルに対して安全弁としてのチューブが設けられると、セルの異常が発生した場合に内部の圧力を逃すことができる。内部の圧力の増加に起因して筐体が破損したり内部の電解液が飛散したりすることが防止され得る。しかし、チューブが取り付けられた構造では、チューブがシール部を貫通するようにチューブを取り付ける必要があるため、所定のスペースを要する。よって、電池の大型化を招く可能性がある。また、電池が大気開放された状態が継続すると、セル内の電極の劣化が進行し、電池性能が損失する可能性がある。
本発明は、電池モジュールの大型化を回避しつつ内部の圧力調整を可能とし、かつ、電池性能の損失を抑制することができる電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、複数のセルを備えた電池モジュールであって、複数のセルのそれぞれは、正極と、負極と、正極および負極の間に配置されたセパレータと、正極、負極、およびセパレータを収容するケースとを有し、複数のセルのそれぞれに対応してケースに設けられ、ケースの内部の圧力の上昇に応じてケースの壁部の内面から外面にかけて延びる通路を開通させる圧力開放弁と、ケースの外部に設けられ、通路に連通可能なガス貯留空間を画成する外部フレームと、外部フレームに形成された開口を塞ぐように取り付けられ、ガス貯留空間の圧力変化に応じて開口を開閉することでガス貯留空間の圧力を調整する圧力調整弁と、を備える。
この電池モジュールによれば、複数のセルのそれぞれに対応して、ケースには圧力開放弁が設けられている。圧力開放弁は、小さなスペースに対しても設置可能であるので、電池モジュールの大型化を回避できる。圧力開放弁は、ケースの内部の圧力が上昇した場合に、通路を開放させて内部のガスを放出する。この圧力開放弁の作動により、ケースが破損したり内部の電解液が飛散したりすることが防止される。放出されたガスは、外部フレームのガス貯留空間に貯留される。外部フレームには圧力調整弁が取り付けられているため、セルが大気開放された状態は長く継続せず、ガス貯留空間を含む密閉空間が形成される。さらにガス貯留空間の圧力が上昇した場合には、圧力調整弁が作動し、外部フレームの開口を一時的に開放することでガス貯留空間の圧力が調整される。このように、圧力開放弁と圧力調整弁とが組み合わせて用いられることにより、内部の圧力調整が可能になっている。しかも、圧力調整弁は、セルが大気開放された状態を長く継続させずに密閉空間を形成するので、電極の劣化の進行を食い止め、電池性能の損失を抑制することができる。
外部フレームは複数のセルに対して設けられ、1つのガス貯留空間が複数の圧力開放弁に対して設けられてもよい。この場合、外部フレーム、ガス貯留空間、および圧力調整弁の各構成を簡易化できる。
圧力調整弁は、開口を覆う位置で外部フレームに取り付けられた蓋体と、蓋体内に収容されて開口を塞ぐ弁体と、を有し、ガス貯留空間の圧力変化に応じて弁体が変形および/または移動することにより開口を開閉してもよい。この場合、弁体の変形および/または移動することにより開口が開閉されるので、簡易な構成で圧力調整弁を実現できる。
圧力開放弁は、通路の一部をなすと共に、壁部の外面に開口する第1端と壁部の内面から所定長さの位置にある第2端とを含む穴部と、穴部の第2端と内面との間において所定長さに相当する厚みをもった薄肉部と、を有し、ケースの内部の圧力の上昇に応じて薄肉部が破断することにより穴部と内部とを連通させて通路を開通させてもよい。この場合、圧力開放弁は、ケースの壁部に形成された穴部と薄肉部とによって実現されるので、圧力開放弁の設置スペースを更に小さくできる。
複数のセルは、セパレータを介して積層された複数のバイポーラ電極と複数のセパレータとから構成され、複数のバイポーラ電極のそれぞれは、集電体と集電体の第1の面に設けられた正極と集電体の第2の面に設けられた負極とを有し、複数のバイポーラ電極はケースとしての樹脂ケースに収容されており、集電体の周縁部は樹脂ケースによってシールされてもよい。バイポーラ電極ではセルとセルとの間隔が非常に小さいが、ケースに圧力開放弁が設けられ、ケースの外部に圧力調整弁が設けられる構成により、内部の圧力調整を可能とし、かつ、電池性能の損失を抑制することができる。
本発明のいくつかの態様によれば、電池モジュールの大型化を回避しつつ内部の圧力調整を可能とし、かつ、電池性能の損失を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図1に示される電池モジュール10は、蓄電装置である。電池モジュール10は、例えばニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等の二次電池であってもよいし、電気二重層キャパシタであってもよい。電池モジュール10は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車、電気自動車等の車両に搭載され得る。なお、図1には、XYZ直交座標系が示されている。
図1に示されるように、電池モジュール10は、複数のバイポーラ電極12を備える。複数のバイポーラ電極12は、セパレータ14を介して直列に積層される。複数のバイポーラ電極12のそれぞれは、第1の面16a及び第1の面16aとは反対側の第2の面16bを有する集電体16と、第1の面16aに設けられた正極層(正極)18と、第2の面16bに設けられた負極層(負極)20とを有している。正極層18及び負極層20は、複数のバイポーラ電極12の積層方向(以下、Z軸方向ともいう)に交差する平面(例えばXY平面)に沿って延在している。
セパレータ14はシート状であってもよいし、袋状であってもよい。セパレータ14は例えば多孔膜又は不織布である。セパレータ14は電解液を透過させ得る。セパレータ14の材料としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリイミド、アラミド繊維などポリアミド系等が挙げられる。また、フッ化ビニリデン樹脂化合物で補強されたセパレータ14が使用されてもよい。電解液としては、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液が使用され得る。
集電体16は、例えば金属箔である。集電体16は、ニッケル箔であってもよいし、SPCC等の鋼板であってもよい。集電体16は、ニッケル箔以外の金属箔にニッケルめっきが施された部材であってもよい。集電体16は、導電性樹脂フィルム等の導電性樹脂部材であってもよい。集電体16の厚みは、例えば0.1〜1000μmである。正極層18は、正極活物質を含む。電池モジュール10がニッケル水素二次電池の場合、正極活物質は、例えば水酸化ニッケル(Ni(OH)2)の粒子である。電池モジュール10がリチウムイオン二次電池の場合、正極活物質は、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等である。負極層20は、負極活物質を含む。電池モジュール10がニッケル水素二次電池の場合、負極活物質は、例えば水素吸蔵合金の粒子である。電池モジュール10がリチウムイオン二次電池の場合、負極活物質は、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、SiOx(0.5≦x≦1.5)等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等である。
Z軸方向において、複数のバイポーラ電極12及び複数のセパレータ14は、電極112及び電極212によって挟まれてもよい。電極112及び電極212は、Z軸方向において最も外側に位置する電極である。電極112は、集電体116と、集電体116のセパレータ14側の面に設けられた正極層18とを備える。電極212は、集電体116と、集電体116のセパレータ14側の面に設けられた負極層20とを備える。集電体116は、Z軸方向において集電体16よりも厚いこと以外は集電体16と同じ構成を備える。
電池モジュール10は、複数のバイポーラ電極12を支持する樹脂ケース30を備えてもよい。各バイポーラ電極12の集電体16の周縁部24(図2参照)が樹脂ケース30内に埋設される。樹脂ケース30は、電極112及び電極212を支持してもよい。樹脂ケース30は、隣接するセル間における絶縁性を確保するための絶縁ケースである。例えば、電極112及び電極212の集電体116の端部が樹脂ケース30内に埋設される。樹脂ケース30は、複数のバイポーラ電極12及び複数のセパレータ14を収容し得る筒状部材であってもよい。樹脂ケース30内には電解液が充填される。
電池モジュール10は、正極プレート40及び負極プレート50を備えてもよい。正極プレート40及び負極プレート50は、Z軸方向において、複数のバイポーラ電極12及び複数のセパレータ14を挟持する。正極プレート40及び負極プレート50は、電極112、電極212及び樹脂ケース30を挟持してもよい。電極112は正極プレート40とセパレータ14との間に配置される。電極212は負極プレート50とセパレータ14との間に配置される。正極プレート40には正極端子42が接続される。負極プレート50には負極端子52が接続される。正極端子42及び負極端子52により電池モジュール10の充放電を行うことができる。
正極プレート40及び負極プレート50には、Z軸方向に延びるボルトBを貫通するための貫通孔が設けられる。貫通孔は、Z軸方向から見て樹脂ケース30の外側に配置される。ボルトBは正極プレート40から負極プレート50に向かって挿通され得る。ボルトBの先端にはナットNが螺合される。これにより、正極プレート40及び負極プレート50は、複数のバイポーラ電極12、複数のセパレータ14、電極112、電極212及び樹脂ケース30を拘束できる。その結果、樹脂ケース30内は密封され得る。
集電体16の周縁部24が樹脂ケース30に埋設されることにより、樹脂ケース30は、集電体16の周縁部24に密着し、周縁部24をシールしている。樹脂ケース30が周縁部24をシールすることにより、集電体16,16間の空間は密閉されている。集電体16,16間の空間に存在するガスおよび電解液は、当該空間の外部に移動できなくなっている。
電池モジュール10では、集電体16の第1の面16a側の正極層18と、隣接する集電体16の第2の面16b側の負極層20と、正極層18および負極層20の間のセパレータ14と、第1の面16aおよび第2の面16bの間の空間を密閉する樹脂ケース30とによって、一層のセル60が構成されている。樹脂ケース30は、あるセル60から他のセル60へとガスおよび電解液が移動することを規制している。これにより、隣接するセル60,60の間における絶縁性が確保されている。
このように、電池モジュール10は、Z軸方向に積層されて直列に接続された複数のセル60(バイポーラ電池)を備えている。複数のセル60は、Z軸方向に積層された複数のバイポーラ電極12および複数のセパレータ14と、樹脂ケース30とから構成されている。
複数のバイポーラ電極12を収容する樹脂ケース30は、各セル60のケースに相当する。言い換えれば、電池モジュール10においては、すべてのセル60のケースが一体化されている。これらのケースの集合体として、1つの樹脂ケース30が設けられている。なお、上記構成とは異なり、1つのセル60が、他のセル60のケースとは別体とされて独立した1つのケースを有してもよい。
本実施形態の電池モジュール10には、各セル60の内部の圧力が増加した場合に、セル60の破損等を防止するセル60の保護機構が設けられている。以下、図2〜図4を参照して、セル60の保護機構について説明する。
図2は、電池モジュール10における樹脂ケース30の壁部31付近を示す断面斜視図である。図4は、電池モジュール10を模式的に示すブロック構成図である。図2および図4に示されるように、電池モジュール10は、複数(図では5つ)の圧力開放弁70と、複数の圧力開放弁70に対して設けられた1つの圧力調整弁90とを備える。圧力開放弁70は、破断式の安全弁であり、樹脂ケース30の内部の圧力の上昇に応じて一旦開くと、開放された状態を維持する。圧力調整弁90は、復帰式の安全弁であり、内部(後述するガス貯留空間S)の圧力が設定圧力以上である場合に開き、内部の圧力が設定圧力未満である場合に閉じる。
圧力開放弁70は、すべてのセル60に対して、たとえば1つずつ設けられる。圧力開放弁70は、樹脂ケース30の壁部31に設けられている。より詳細には、圧力開放弁70は、壁部31の外面31a側に設けられた穴部71と、穴部71と内面31bとの間に設けられた薄肉部72とを有する。
穴部71は、Z軸方向に交わる方向(たとえばX軸方向またはY軸方向)に延びる細長い穴であり、壁部31の外面31aに開口する第1端71aと、壁部31の内面31bから所定長さの位置にある第2端71bとを含む。第2端71bは、たとえば、隣り合う集電体16,16の周縁部24,24の間に位置する。第2端71bと内面31bとの間には薄肉部72が形成されている。薄肉部72は、上記の所定長さに相当する厚み(X軸方向またはY軸方向の厚み)をもつ。薄肉部72は、たとえば、隣り合う集電体16,16の周縁部24,24の間に位置する。電池モジュール10では、隣り合う集電体16,16の間隔は、たとえば0.02〜0.5mm程度であり、非常に限られたスペースである。圧力開放弁70は、このような限られたスペースに対しても容易に設置可能である。
圧力開放弁70の薄肉部72は、樹脂ケース30の内部すなわちセル60の内部の圧力が上昇した場合に、その圧力の上昇に応じて破断する。言い換えれば、薄肉部72の厚みが、内部の所定の圧力に応じて破断するように設定されている。薄肉部72が破断すると、壁部31の内面31bから外面31aにかけて延びる通路が開通する。この通路は、元々存在する穴部71と、薄肉部72の破断によって形成される貫通孔とからなる。この貫通孔により、穴部71と樹脂ケース30の内部とが連通し、通路が開通する。穴部71および薄肉部72は、公知の方法により成形され得る。穴部71は、X軸方向またはY軸方向に延びる溝状の部分であってもよい。複数の圧力開放弁70(複数の穴部71)は、図2に示されるように互いに近接して設けられなくてもよい。樹脂ケース30の周方向において、セル60ごとに異なる位置に圧力開放弁70が設けられてもよい。
図2および図3に示されるように、樹脂ケース30の外部には、断面C字状の外部フレーム80が設けられている。外部フレーム80は、樹脂ケース30の外面31aとの間に、密閉空間であるガス貯留空間Sを画成している。外部フレーム80は、外面31aに略平行に設けられた天壁部82と、天壁部82のZ軸方向の端部と壁部31の外面31aとを接続する一対の端壁部83とを有する。
1つの外部フレーム80が、複数(図2の例では5つ)の圧力開放弁70を覆うように固定されている。外部フレーム80は、樹脂ケース30の外周の全周を覆うように設けられてもよいし、樹脂ケース30の外周の一部を覆うように設けられてもよい。外部フレーム80が樹脂ケース30の外周の一部を覆うように設けられる場合、天壁部82のX軸方向またはY軸方向の端部には、ガス貯留空間Sの気密性を確保するための端壁部が設けられてもよい。
外部フレーム80によって画成されるガス貯留空間Sは、複数の穴部71に連通している。薄肉部72が破断して穴部71が通路となった際には、ガス貯留空間Sは、当該通路に連通する。このように、ガス貯留空間Sは、いずれの圧力開放弁70が作動した場合にも、作動した圧力開放弁70に対応して形成され得る通路に連通可能になっている。
外部フレーム80の天壁部82には、開口81が形成されている。圧力調整弁90は、この開口81を覆う位置に取り付けられる。圧力調整弁90は、開口81を覆う位置で外部フレーム80の天壁部82に取り付けられた蓋体91と、蓋体91内に収容されて開口81を塞ぐ弁体92(図3参照)とを有する。
弁体92は、たとえばゴム等の弾性部材によって形成されている。弁体92は、たとえば直方体状をなしており、蓋体91内に充填されるように配置される。弁体92は、蓋体91によって天壁部82に対して押圧されており、開口81を塞いでいる。さらに、蓋体91には通気口93が形成されており、弁体92は、この通気口93を塞いでいる。弁体92は、開口81を通じて圧力を受けることにより、弾性変形または移動することができる。蓋体91と弁体92との間には、開口81および通気口93を除く位置において、隙間が形成されてもよい。
セル60の内部においてガスが発生して内部の圧力が上昇し、圧力開放弁70が作動した際には、ガス貯留空間Sにガスが貯留され、ガス貯留空間Sの圧力が上昇し得る。ガス貯留空間Sの圧力が設定値以上になると、その圧力に応じた弁体92の変形および/または移動により、開口81および通気口93の閉塞が解除される。その結果、開口81からガスが流出し、通気口93からガスが放出される。ガス貯留空間Sの圧力が設定値未満になると、弁体92は、開口81および通気口93を塞ぐ。以上の開閉動作により、圧力調整弁90は、セル60の内部の圧力およびガス貯留空間Sの圧力を調整する。
電池モジュール10によれば、樹脂ケース30には、複数のセル60のそれぞれに対応して圧力開放弁70が設けられている。圧力開放弁70は、小さなスペース(たとえば、集電体16,16の間のスペース)に対しても設置可能であるので、電池モジュール10の大型化が回避されている。圧力開放弁70は、樹脂ケース30の内部の圧力が上昇した場合に、通路を開放させて内部のガスを放出する。この圧力開放弁70の作動により、樹脂ケース30が破損したり内部の電解液が飛散したりすることが防止される。放出されたガスは、外部フレーム80のガス貯留空間Sに貯留される。外部フレーム80には圧力調整弁90が取り付けられているため、セル60が大気開放された状態は長く継続せず、ガス貯留空間Sを含む密閉空間が形成される。さらにガス貯留空間Sの圧力が上昇した場合には、圧力調整弁90が作動し、外部フレーム80の開口81を一時的に開放することでガス貯留空間Sの圧力が調整される。このように、圧力開放弁70と圧力調整弁90とが組み合わせて用いられた2段式の安全弁機構により、内部の圧力調整が可能になっている。しかも、外部フレーム80および圧力調整弁90は、セルが大気開放された状態を長く継続させずに密閉空間を形成するので、バイポーラ電極12の劣化の進行を食い止め、電池性能の損失を抑制することができる。
上記実施形態とは別に、次の構造も考えられる。すなわち、セルの内部の圧力が増加した場合にケースが破損したり内部の電解液が飛散したりすることを防止するため、たとえば、各ケースに圧力開放弁のみを設置する構造が考えられる。しかしながら、圧力開放弁が作動すると、大気開放された状態が継続し、セルの電極の劣化が進行してしまう。その結果、当該セルに連結された周辺の複数のセルの電極も劣化し、電池モジュール全体の電池性能が損失するおそれがある。上記した本実施形態の電池モジュール10によれば、劣化するのは圧力開放弁70が作動したセル60のみであるため、電池モジュール10の電池性能の一部(たとえば数%程度)の劣化に止めることができ、電池モジュール10全体の電池性能の損失が防止される。
外部フレーム80が複数のセル60に対して設けられ、1つのガス貯留空間Sが複数の圧力開放弁70に対して設けられているので、外部フレーム80、ガス貯留空間S、および圧力調整弁90の各構成を簡易化できる。
圧力調整弁90において、弁体92が変形および/または移動することにより開口81が開閉されるので、簡易な構成で圧力調整弁90を実現できる。
圧力開放弁70は、樹脂ケース30の壁部31に形成された穴部71と薄肉部72とによって実現されるので、圧力開放弁70の設置スペースを更に小さくできる。
バイポーラ電極12ではセル60とセル60との間隔が非常に小さいが、樹脂ケース30に圧力開放弁70が設けられ、樹脂ケース30の外部に圧力調整弁90が設けられる構成により、内部の圧力調整が可能になっており、かつ、電池性能の損失が抑制されている。特に、電池モジュール10がニッケル水素二次電池である場合には、セル60内の圧力変動が比較的大きくなり得る。セル60内の圧力変動が大きい場合でも、圧力開放弁70、外部フレーム80によるガス貯留空間S、および圧力調整弁90を適宜に調整することにより、好適な内圧の調整が可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。
たとえば、圧力開放弁や圧力調整弁の具体的形態は、上記の形態に限られない。圧力調整弁は、ばね等を内蔵した機構であってもよいし、アクチュエータを用いて開口を開閉する機構であってもよい。ガス貯留空間Sの圧力を検知して開口の開閉制御を行ってもよい。
1つの圧力開放弁70に対して1つの圧力調整弁90が設けられてもよい。いくつかの圧力開放弁70に対して1つの圧力調整弁90が設けられ、電池モジュール10全体として、複数の圧力調整弁90が設けられてもよい。
セル60がバイポーラ電極12から構成される態様に限られない。金属箔の一方の面または両面に正極活物質層が設けられた正極と、金属箔の一方の面または両面に負極活物質層が設けられた負極とがセパレータを介して積層された電池であってもよい。
10…電池モジュール、12…バイポーラ電極、14…セパレータ、16…集電体、16a…第1の面、16b…第2の面、18…正極層(正極)、20…負極層(負極)、30…樹脂ケース(ケース)、31…壁部、31a…外面、31b…内面、60…セル、70…圧力開放弁、71…穴部、71a…第1端、71b…第2端、72…薄肉部、80…外部フレーム、81…開口、90…圧力調整弁、91…蓋体、92…弁体、S…ガス貯留空間。
Claims (5)
- 複数のセルを備えた電池モジュールであって、
前記複数のセルのそれぞれは、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に配置されたセパレータと、前記正極、前記負極、および前記セパレータを収容するケースとを有し、
前記複数のセルのそれぞれに対応して前記ケースに設けられ、前記ケースの内部の圧力の上昇に応じて前記ケースの壁部の内面から外面にかけて延びる通路を開通させる圧力開放弁と、
前記ケースの外部に設けられ、前記通路に連通可能なガス貯留空間を画成する外部フレームと、
前記外部フレームに形成された開口を塞ぐように取り付けられ、前記ガス貯留空間の圧力変化に応じて前記開口を開閉することで前記ガス貯留空間の圧力を調整する圧力調整弁と、を備える電池モジュール。 - 前記外部フレームは前記複数のセルに対して設けられ、1つの前記ガス貯留空間が複数の前記圧力開放弁に対して設けられている、請求項1に記載の電池モジュール。
- 前記圧力調整弁は、前記開口を覆う位置で前記外部フレームに取り付けられた蓋体と、前記蓋体内に収容されて前記開口を塞ぐ弁体と、を有し、前記ガス貯留空間の圧力変化に応じて前記弁体が変形および/または移動することにより前記開口を開閉する、請求項1または2に記載の電池モジュール。
- 前記圧力開放弁は、前記通路の一部をなすと共に、前記壁部の前記外面に開口する第1端と前記壁部の前記内面から所定長さの位置にある第2端とを含む穴部と、前記穴部の前記第2端と前記内面との間において前記所定長さに相当する厚みをもった薄肉部と、を有し、前記ケースの前記内部の圧力の上昇に応じて前記薄肉部が破断することにより前記穴部と前記内部とを連通させて前記通路を開通させる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記複数のセルは、前記セパレータを介して積層された複数のバイポーラ電極と複数の前記セパレータとから構成され、
前記複数のバイポーラ電極のそれぞれは、集電体と前記集電体の第1の面に設けられた前記正極と前記集電体の第2の面に設けられた前記負極とを有し、
前記複数のバイポーラ電極は前記ケースとしての樹脂ケースに収容されており、前記集電体の周縁部は前記樹脂ケースによってシールされている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電池モジュール。
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