JP5523334B2 - バッテリパック - Google Patents

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Description

本発明は、電動車両又は電動ハイブリッドドライブを備える車両のためのバッテリパックに関する。
近年、関心は、電動モータの駆動力によって駆動される車両、例えばハイブリッド車両、燃料電池車両、電動車両等に向けられている。この種の車両は、一般に、内燃機関のみによって駆動される自動車と比較して環境に与える負担が少ない。これらの車両は、単数又は複数の電動モータに供給すべき電気エネルギを貯蔵するためのバッテリ、キャパシタ又はこれに類するものを装備している。
本明細書の意味での「バッテリ」という概念は、電気エネルギのアキュムレータと解すべきであって、再充電可能であっても、再充電不能であってもよい。そのかぎりでは、明細書本文は、「アキュムレータ」という概念と、「バッテリ」という概念とを区別するものではない。本明細書の意味における「バッテリ」という概念は、キャパシタと解されてもよい。
電気化学的な電圧源としてのバッテリは、しばしば、場合によっては多数のバッテリセルの直列接続及び／又は並列接続によって形成される多数のバッテリモジュールの直列接続及び／又は並列接続を有する。バッテリセルは、セパレータによって隔離されている２つの電極と、一般に液状又はゲル状の電解質とを有する。
例えば、現在のリチウムイオン又はリチウム金属バッテリあるいはアキュムレータは、リチウムが高反応性の金属であり、リチウムイオンアキュムレータの成分が可燃性であるので、気密にカプセル化されている。このようなバッテリセルは、機械的な影響に対して敏感であって、機械的な影響は、例えば内部での短絡に至りかねない。内部での短絡や、空気との接触によって、リチウムイオンバッテリあるいはリチウム金属バッテリは、発火する場合がある。所要スペースが比較的小さくて、アキュムレータ容量が著しく高いために、リチウムイオンをベースとするバッテリセルは、特に、電動車両用のバッテリを製造するために適している。しかし、車両へのバッテリの組付けは、機械的及び熱的な影響に対するバッテリセルの保護に関して特別な要求を課す。
電動車両のために、比較的高いアキュムレータ容量及び比較的高い端子電圧を有するバッテリを提供しなければならないことは容易に想像がつく。特に、自動車産業、例えば電気自動車のために、バッテリセルは、相応に大きくなければならず、電極の高い比重に基づいて高い絶対重量を有する。既に前述したように、例えばリチウムイオン又はリチウム金属をベースとするバッテリセルは、機械的に敏感であるので、自動車へ組み付ける際には、バッテリセルを機械的な影響から保護するために特別な対策を講じなければならない。現代の乗用車においては、通常の運転サイクルにおいて、各空間軸における重力加速度の２倍から３倍の加速度力が予測される。このような力は、車両に対して、加速時、減速時、カーブ走行時及び凹凸の乗上げ時に作用する。さらに、自動車内に組み付けられたバッテリを、衝突に起因する機械的な影響及び衝突に起因する加速度力から保護することが絶対に必要である。さらに、バッテリ、ひいてはバッテリセル、及びその接続は、車両特有の振動に曝されている。
最後に、バッテリは、充電サイクル及び放電サイクルにおいて発熱する。太陽入射に基づいて、乗用車のパッセンジャルーム内を、駆動装置及びバッテリの熱的な影響とは無関係に、６０℃までの温度が支配している場合がある。このことは、やはり車両バッテリの設計時に留意すべきである。
従来技術
主に個々のバッテリセルの自由な対流式の冷却を可能にするように設計されているハイブリッド機関車のための大型のバッテリパックが、例えばＷＯ２００７／０４７８０９Ａ２において公知である。このバッテリパックは、公知の形式で、個々のモジュールからなる。個々のモジュールは、支持構造として形成されている棚システムの引出し内に配置されている。個々のモジュールは、それぞれ２つのセルを有する。セルは、引出し内に互いに間隔を置いて固定されている。引出しは、個々のモジュールが熱的に互いに隔離されているように形成されている。セルは、上方への熱導出を可能にする少なくとも１つの対流通路が形成されるように、互いに間隔を置いて配置されている。すべての棚アッセンブリは、ショックアブソーバとしての水平及び鉛直のアイソレータによって支持される。これらのショックアブソーバは、通気されるか、あるいは機械的に送風可能なフードによって包囲されているアッセンブリ全体の制限された可動性を与える。
ＷＯ２００７／０４７８０９Ａ２に記載される、１５ｔ〜３０ｔのオーダの重量を有するアッセンブリは、確かに、電気駆動車両あるいは電気機関車での使用に適しており、この関連でバッテリのための最適な保護を提供するかもしれないが、乗用車での使用にとって、このようなアッセンブリは、特にスペース上の理由からも不適である。
バッテリの個々のセル又はモジュールの、対流式の熱導出の理由から孤立した、振動保護されたアッセンブリを、乗用車の狭小な組付けスペースにおいて実現することは不可能である。
課題
まさに現代のリチウムイオンバッテリ又はリチウム金属バッテリは、高いエネルギ密度の点で優れており、この高いエネルギ密度は、リチウムイオンバッテリ又はリチウム金属バッテリが乗用車での使用に適しているように思わせる。
それゆえ、本発明は、振動及び例えば入力する加速度力に基づくバッテリセルの機械的な影響からの十分な保護を、乗用車において与えられている組付けスペースを最適に空間利用しながら可能にする、電動車両又は電気駆動を有する車両のためのバッテリパックを提供することである。さらに、本発明に係るバッテリパックは、バッテリセルの熱的な過負荷が大幅に回避されるように形成されていることも望まれる。
解決手段
上記課題は、電動車両又は電動ハイブリッドドライブを備える車両のためのバッテリパックにおいて、バッテリハウジングと、該バッテリハウジング内に配置される、複数の独立したあるいはそれ自体閉じたバッテリセルとを備え、該バッテリセルが、所望の端子電圧を達成するために電気的に互いに接続されており、複数のバッテリセルが、それぞれ互いに間隔を置いて固定フレーム内に配置されて、それぞれセルモジュールを形成しており、該セルモジュールがそれぞれ、前記バッテリハウジングに配設あるいは配列される固定要素上に配置されており、該固定要素は、前記セルモジュール間のスペーサとして形成され、かつ前記バッテリハウジングとともに１つの支持ユニットを形成していることによって解決される。
本発明に係るバッテリパックは、特に、極めてコンパクトかつ省スペースな構造形式の点で優れている。特に、セルモジュールのスペーサがバッテリハウジングとともに支持ユニットを形成していることによって、車両に組み付けられた状況において発生するすべての力が個々のセルからバッテリハウジングへと伝達されることが保証される。この種の力伝達は、セルの振動が発生しないか、又はセルとバッテリハウジングとの間の相対運動が発生しないことを保証する。
有利には、前記固定要素のうちの少なくとも幾つかが、前記バッテリハウジングの周囲壁のうちの少なくとも２つを互いに支持するプロフィル材として形成されている。
本発明に係るバッテリパックの有利な態様では、前記セルモジュールの前記固定フレームが前記支持ユニットの一部を形成する。これにより、安定性の獲得は、付加的な材料を使用することなく達成される。個々の固定フレームは、固定フレーム内に配置されたセルを互いに間隔を置いて保持するので、セルは、車両の加速時又は減速時に実質的に力の作用から解放されて保持され、発生した力は、固定フレームを介して固定要素に、かつ固定要素からバッテリハウジングに導入される。バッテリハウジングは有利には自動車の対応する収容部に固定されている。
有利には、前記セルが１つの固定フレーム内で少なくとも一空間軸方向で柔軟に支承されている。セルは、例えばエラストマーストリップ、フェルトストリップ、熱可塑性プラスチック又はこれに類するものからなるストリップを介装した状態で固定フレーム内に懸装されていてよい。本発明における構造は、個々のセルの制限された可動性を可能にするので、セルは隣接するセルの力を受容する必要がない。
有利には、前記セルモジュールが電気的なコネクタを介して互いに接続されている。前記コネクタは例えば軽金属からなっていてよい。本発明に係るバッテリパックの一態様では、前記コネクタがアルミニウムからなる。こうして、周囲への特に優れた熱放出が保証されている。
本発明に係るバッテリパックの特に有利な態様では、前記コネクタが、０．３〜２．０の面積／体積比（ｍ２／ｍ３）を有する長方形プレートとして形成されている。この態様は、熱放出に関して、特に有利であることが判っている。
バッテリハウジングの最適な空間使用の目的で、前記セルモジュールが列状に、複数の列をなして前記バッテリハウジング内に配置されていてもよい。
その際、熱的な理由から、前記セルモジュールの列状の配置は、それぞれ相並んで配置された列のセル間の中間室が互いに一列あるいは面一になるようにか、あるいは互いに連通するように選択されていると特に有利である。こうして、バッテリハウジングの好適な空気貫流が達成される。
本発明に係るバッテリパックの一態様では、列状に重なり合わせにかつ／又は隣り合わせに配置される複数の前記セルモジュールの前記固定要素が、互いに結合されて、格子構造を形成している。
前記バッテリハウジングが、前記バッテリハウジングの動圧誘導された通流及び対流による通流を可能にする少なくとも１つの通気開口及び排気開口を備えると有利である。この目的で、バッテリハウジングを例えば通気開口により自動車の空気通路に接続してもよい。自動車の停止時には、走行動態に基づく動圧誘導された空気流動は欠如する。この場合、対流式の熱放出又は付加的な送風機によるバッテリハウジングの貫流が考慮される。
有利には、バッテリハウジングに分配配置される前記プロフィル材がＴ形のプロフィルとして形成されている。
有利には、前記バッテリセルが、プラスチックシート内に収容された電極として、該電極間に配置されたセパレータと液状の電解質とを備えて形成され、かつそれぞれ２つのフレキシブルな接続タブを有しており、該接続タブは、前記バッテリセルと前記コネクタとの間の相対運動によって、言及すべき程の力がバッテリセルに導入されないようにコネクタに接続されている。
バッテリセル内に設けられたセパレータは、例えばセラミックの表面を有しており、面状の、多数の開口を備えるフレキシブルな基板からなり、基板は、この基板上及び基板内に存在するコーティングを有する。基板の材料は、織られた又は織られていない、電気不導性の天然繊維又はポリマー繊維からなることができる。コーティングは、多孔質の電気絶縁性のセラミックコーティングであってよい。セパレータは、支持塩及び基本成分を有する電解質組成によって満たされていてよい。基本成分は、５０質量％より大の割合を有する主成分として、１００℃より低い融点を有する少なくとも１つのイオン液体を有する。
電極及びセパレータは、それぞれ、アルミニウム‐ポリマー材料からなるバッグ内に封入されていてよい。各々のセルは、例えば約４０アンペア時の容量を有していてよい。このようなバッテリセルの大きさは、例えば約２０×３０×１０ｍｍであってよい。このようなバッテリセルは、例えば１ｋｇの重量を有する。本発明に係るバッテリパックは、１００〜２００個のこのようなセルを有していてよい。
以下に、本発明について図面に示した実施の形態を参照しながら説明する。
開放されたバッテリハウジングを、内部に配置された固定要素及び内部に配置されたセルモジュールとともに示す斜視図である。 列状にバッテリハウジング内に配置されたセルモジュールを、バッテリハウジングの周囲壁なしに示す斜視図である。 本発明に係るバッテリパックのセルモジュールの斜視図である。 本発明に係るバッテリパックのセルモジュールの斜視図である。 通気開口がバッテリハウジングの観察者側に来るように配置されている、閉鎖されたバッテリハウジングを備える本発明に係るバッテリパックの斜視図である。 部分的に開放されたバッテリハウジングを、内部に列状に配置されたセルモジュールとともに示す背面図である。
図面には、本発明に係るバッテリパック１の一実施の形態が示されている。バッテリパック１は、バッテリハウジング２と、バッテリハウジング２内に懸装されるバッテリセル３とを備える。バッテリセル３は、リチウムをベースとする電気化学的な電圧源として形成されている。各々のバッテリセル３は、リチウムイオンバッテリあるいはリチウムイオンアキュムレータとして形成されており、既に前述したように、セパレータによって隔離された２つの電極を備える。電極は、電解質とともに、プラスチックバッグ内に溶接により封入されている。バッテリセル３は、ハーメチックにシールされたバッテリセル３として、それぞれ２つの接続タブを備えて形成されている。
それぞれ２つのバッテリセル３は、互いに並列に接続されている。それぞれ２つの並列に接続されたバッテリセル３は、１つのセルモジュール４内で直列に接続されている。
セルモジュール４は、例示的に図３及び図４に示されている。これらのセルモジュール４は、バッテリハウジング２内で、図２に示されているように列状に配置されており、電気的に直列に接続されている。セルモジュール４同士の接続は、横断面で見て長方形のアルミニウムプレートとして形成されているコネクタ５ａによってなされている。コネクタ５ｂを介して、それぞれ２つのバッテリセル対が、１つのセルモジュール４内で互いに直列に接続されている。
図３及び図４には、セルモジュール４がそれぞれ斜視的に示されている。既に前述したように、各々のセルモジュール４は、４つのバッテリセル３を備える。４つのバッテリセル３は、１つの固定フレーム６内に懸装されている。固定フレーム６は、打抜き加工されたアルミニウム薄板として通気開口８を備えて形成されている２つの端面側のカバー７と、カバー７の間、かつ個々のバッテリセル３の間を延在するスペーサ９とを備える。スペーサ９は、横断面で見てＴ字形の輪郭を有し、アルミニウム押出し成形プロフィルとして形成されている。図３及び図４に見て取れるように、それぞれ６つのスペーサ９が、それぞれ、端面においてカバー７に螺設されている。カバー７は、それぞれ、カバー７を組付け位置において保持可能な、孔を備える４つの固定ラグ１０を備える。
以下に、まず、図１について説明する。図１には、バッテリハウジング２の一部が、やはりバッテリパック１の支持部分として形成されるセルモジュール４なしに示す。バッテリハウジング２は、計６つの周囲壁１１により形成される。６つの周囲壁１１のうち、図２には２つの端面側の周囲壁１１だけが示されている。これらの周囲壁１１の間には、やはりスペーサ１２が延在している。スペーサ１２は、バッテリハウジング２を横断し、かつスペーサ１２がセルモジュール４及び周囲壁１１とともに支持ユニットを形成するように周囲壁１１を支持している。符号１２を付したスペーサも、Ｔ字形の横断面を有するアルミニウム押出し成形プロフィルとして形成されている。やはり図１に示されているように、セルモジュール４を形成する固定フレーム６のカバー７の固定ラグ１０は、ねじ結合部によってスペーサ１２に保持されている。
図１、図２及び図５には、本発明に係るバッテリパック１が組付け位置で、前面が観察者に対面するように示されている。参照目的で、図１から看取される鉛直線をＹ方向として規定し、バッテリハウジング２の長手方向延在長さをＸ方向として規定し、バッテリハウジング２の奥行きをＺ方向として規定する。図面から支障なく看取され得るように、固定要素として働くスペーサ１２は、バッテリハウジング２内を、Ｙ軸及びＺ軸の方向でのみ延在し、これに対してＸ軸の方向では延在していない。Ｘ軸方向での安定性は、セルモジュール４によって、かつセルモジュール４同士の結合によって形成される。
特に図３からも見て取れるように、セルモジュール４は接続プレート１３を備える。接続プレート１３はコネクタ５ａ，５ｂを受容する。接続プレート１３は、堅固にカバー７に結合されている。図３に示したコネクタ５ａを介して、それぞれ、１つのセルモジュール４の２つのバッテリセル３が互いに直列に接続されている。コネクタ５ａは、接続プレート１３のベース１４に螺設されている。各々の接続プレート１３は、このようなベース１４を４つ備える。図３で見てフリーのベースは、コネクタ５ｂを受容するために役立つ。コネクタ５ｂによって、セルモジュールは互いに列状に結合され、すなわち、結合されることによって自立形のビーム（Ｒｉｅｇｅｌ）を形成する。セルモジュール４相互の配置は、特に図２から見て取れる。
セルモジュールは、それぞれ、３列に、すなわち、１つの縦置きの列１５と、２つの横置きの列１６の３列において接続されて、１つのバッテリを形成している。
当業者であれば、一列中のセルモジュール４の数及び列の数や、列１５，１６相互の配置も、バッテリパック１のパッケージング次第であることは自明である。
符号１７はバッテリパック１の接続端子である。
冒頭で既に述べたように、コネクタ５ａ，５ｂは、長方形の横断面を備えるアルミニウムプレートとして形成されている。これらのコネクタ５ａ，５ｂは、バッテリパック１内における支持機能に加えて、運転中の熱導出のためにも役立つ。
次に図５について説明する。図５には、バッテリハウジング２が完全に閉鎖された状態でバッテリパック１が、詳細には前方から見た図として示されている。
バッテリハウジング２の前面の周囲壁１１には、２つの通気開口１８が設けられている。通気開口１８は、動圧誘導（ｓｔａｕｄｒｕｃｋｉｎｄｕｚｉｅｒｔ）された空気流動のための流入開口として役立つ。この空気流動は、ブロアによって形成されても、このバッテリパック１が組み付けられている自動車の走行動態に基づく流動によって形成されてもよい。空気流動は、Ｚ軸の方向でバッテリハウジング２内に流入し、セルモジュール４の縦置きの列１５を貫流する。これらのセルモジュール４は、各々のセルモジュール４のカバー７の通気開口８が流動に対面しているように配置されている。個々のセル３は、既に前述したように、セルモジュール４内にスペーサ９によって互いに間隔を置いて配置されている。
冷却空気は、セルモジュール４の縦置きの列を通流した後に、流動は、上下に重なって位置する列１６を通って、バッテリハウジング２内で、符号１９を付した空気出口から再び流出する流動経路（Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｓｗａｌｚｅ）が生じるように循環する。加えて、この空気出口１９は、接続端子１７の接近性を保証する。
図６には、バッテリハウジング２あるいはバッテリパック１の背面図が示されている。背面の周囲壁は、描写上の理由から省略してある。
特に図５から看取されるように、周囲壁１１は、スペーサ１２として形成されるプロフィル材あるいは形材（Ｐｒｏｆｉｌｓｔａｂ）に螺設されている。こうして、全体構造は、組付け状況において例えばバッテリパック１に作用する加速度力に対する極めて高い安定性を得る。前述したように、Ｘ軸方向で作用する力は、この方向で互いに支持する固定フレーム６によって受容され、その際、各々のバッテリセル３は、固定フレーム内において所定の限度内で可動に懸装されている。このことは、スペーサ９とセルとの間にそれぞれフェルトストリップが配置されていることによって達成される。フェルトストリップは、個々のバッテリセル３を実質的に力フリーに保持する。フェルトストリップの代わりに、エラストマーストリップ又はこれに類するものを、スペーサ９とそれぞれのバッテリセル３との間に配置してもよい。
冒頭で既に述べたように、バッテリセル３は、それぞれ、シートバッグ（Ｆｏｌｉｅｎｔａｓｃｈｅ）として形成されている。スペーサ９は、それぞれ断面Ｔ形の輪郭を有する。各々のスペーサ９は、辺の長さがバッテリセル３の厚さのほぼ半分に相当するアングルを形成する。これにより、バッテリセル３は、窓枠内の窓ガラスと比較可能に、それぞれ２つの上側のスペーサ９と、２つの下側のスペーサ９との間に、フェルトストリップ又はシートストリップ又はエラストマーストリップを介在させた状態で可動に支承されていることができる。
コネクタ５ｂは、個々の固定フレーム６間の電気的かつ機械的な結合を形成する。その結果、これらのコネクタ５ｂは、やはり支持構造の一部を形成することができる。
１ バッテリパック
２ バッテリハウジング
３ バッテリセル
４ セルモジュール
５ａ，５ｂ コネクタ
６ 固定フレーム
７ カバー
８ 通気開口
９ スペーサ
１０ 固定ラグ
１１ 周囲壁
１２ スペーサ
１３ 接続プレート
１４ ベース
１５ セルモジュールの縦置きの列
１６ セルモジュールの横置きの列
１７ 接続端子
１８ 通気開口
１９ 空気出口

Claims (12)

  1. 電動車両又は電動ハイブリッドドライブを備える車両のためのバッテリパック（１）において、バッテリハウジング（２）と、該バッテリハウジング（２）内に配置される、複数の独立したバッテリセル（３）とを備え、該バッテリセル（３）が、所望の端子電圧を達成するために電気的に互いに接続されており、複数のバッテリセル（３）が、それぞれ互いに間隔を置いて固定フレーム（６）内に配置されて、それぞれセルモジュール（４）を形成しており、該セルモジュール（４）がそれぞれ、前記バッテリハウジング（２）に配設される固定要素上に配置されており、該固定要素は、前記セルモジュール（４）間のスペーサ（１２）として形成され、かつ前記バッテリハウジング（２）とともに支持ユニットを形成しており、
    前記バッテリセル（３）が１つの固定フレーム（６）内で該固定フレーム（６）に関して少なくとも一方向で柔軟に支承されていることを特徴とする、バッテリパック。
  2. 電動車両又は電動ハイブリッドドライブを備える車両のためのバッテリパック（１）において、バッテリハウジング（２）と、該バッテリハウジング（２）内に配置される、複数の独立したバッテリセル（３）とを備え、該バッテリセル（３）が、所望の端子電圧を達成するために電気的に互いに接続されており、複数のバッテリセル（３）が、それぞれ互いに間隔を置いて固定フレーム（６）内に配置されて、それぞれセルモジュール（４）を形成しており、該セルモジュール（４）がそれぞれ、前記バッテリハウジング（２）に配設される固定要素上に配置されており、該固定要素は、前記セルモジュール（４）間のスペーサ（１２）として形成され、かつ前記バッテリハウジング（２）とともに支持ユニットを形成しており、
    前記セルモジュール（４）が電気的なコネクタ（５ａ，５ｂ）を介して互いに接続されており、
    前記コネクタ（５ａ，５ｂ）が、０．３〜２．０の面積／体積比（ｍ２／ｍ３）を有する長方形プレートとして形成されていることを特徴とする、バッテリパック。
  3. 電動車両又は電動ハイブリッドドライブを備える車両のためのバッテリパック（１）において、バッテリハウジング（２）と、該バッテリハウジング（２）内に配置される、複数の独立したバッテリセル（３）とを備え、該バッテリセル（３）が、所望の端子電圧を達成するために電気的に互いに接続されており、複数のバッテリセル（３）が、それぞれ互いに間隔を置いて固定フレーム（６）内に配置されて、それぞれセルモジュール（４）を形成しており、該セルモジュール（４）がそれぞれ、前記バッテリハウジング（２）に配設される固定要素上に配置されており、該固定要素は、前記セルモジュール（４）間のスペーサ（１２）として形成され、かつ前記バッテリハウジング（２）とともに支持ユニットを形成しており、
    列状に重なり合わせにかつ／又は隣り合わせに配置される複数の前記セルモジュール（４）の前記固定要素が、互いに結合されて、格子構造を形成していることを特徴とする、バッテリパック。
  4. 前記固定要素が、前記バッテリハウジング（２）の周囲壁（１１）のうちの少なくとも２つを互いに支持するプロフィル材として形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のバッテリパック。
  5. 前記セルモジュール（４）の前記固定フレーム（６）が前記支持ユニットの一部を形成する、請求項１から４までのいずれか１項記載のバッテリパック。
  6. 前記セルモジュール（４）が電気的なコネクタ（５ａ，５ｂ）を介して互いに接続されている、請求項１又は３記載のバッテリパック。
  7. 前記コネクタ（５ａ，５ｂ）がアルミニウムからなる、請求項２又は６記載のバッテリパック。
  8. 前記セルモジュール（４）が列状に、複数の列をなして前記バッテリハウジング（２）内に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のバッテリパック。
  9. 前記セルモジュール（４）の列状の配置は、それぞれ相並んで配置された列のセル間の中間室が互いに一列になるようにか、あるいは互いに連通するように選択されている、請求項８記載のバッテリパック。
  10. 前記バッテリハウジング（２）が、前記バッテリハウジング（２）の動圧が引き起こされた通流及び対流による通流を可能にする少なくとも１つの通気開口及び排気開口（１８，１９）を備える、請求項１から９までのいずれか１項記載のバッテリパック。
  11. 前記プロフィル材がＴ形のプロフィルとして形成されている、請求項４記載のバッテリパック。
  12. 前記バッテリセル（３）がそれぞれ、プラスチックシート内に収容された電極として、該電極間に配置されたセパレータと液状の電解質とを備えて形成され、かつそれぞれ２つのフレキシブルな接続タブ（３ａ，３ｂ）を有しており、該接続タブ（３ａ，３ｂ）が前記コネクタ（５ａ，５ｂ）に接続されている、請求項２又は６記載のバッテリパック。
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