JP7062203B2 - 電池セルの冷却及び固定構造が統合したバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック - Google Patents

電池セルの冷却及び固定構造が統合したバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック Download PDF

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Description

本発明は、バッテリーモジュールに関し、より詳しくは、バッテリーモジュール内に円筒状電池セルの安定的固定と冷却効率の向上のための新規な組立構造が適用されたバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックに関する。
本出願は、2017年10月27日出願の韓国特許出願第10-2017-0141450号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
通常、二次電池は、充電が不可能な一次電池とは異なり、充放電が可能な電池を意味し、携帯電話、ノートブックPC、カムコーダーなどの電子機器または電気自動車などに広く使われている。特に、リチウム二次電池は、電子装備の電源としてよく用いられるニッケル-カドミウム電池またはニッケル-水素電池よりも大きい容量を有し、単位重量当たりのエネルギー密度が高いことから活用程度が急増している。
リチウム二次電池は、外装材の形状によって、電極組立体が金属缶に収納されている缶型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに収納されているパウチ型二次電池とに分けることができる。ここで、缶型二次電池は、金属缶の形態によって円筒状二次電池及び角形二次電池を含み得る。
一方、パウチ型二次電池は、積層が容易であり、エネルギー密度の高いという長所があるが、機械的剛性が低くて外部衝撃に弱いという短所がある。これに対し、缶型二次電池は、機械的剛性に優れており、外部衝撃に対する耐久性がパウチ型二次電池よりも優秀である。したがって、安全性の面で見れば、缶型二次電池がパウチ型二次電池よりも有利であると評価されている。
ところが、缶型二次電池を用いて中・大型バッテリーモジュールないしバッテリーパックを構成しようとするとき、必要な出力電圧または充放電容量を満すには多数の缶型二次電池が必要となり、これらの缶型二次電池を効果的にモジュールケース内に配置及び固定することが容易ではない。
また、バッテリーモジュールは、このような缶型二次電池が狭い空間に密集する形態で製造されるため、各電池セルで発生する熱を効果的に放出することが重要となる。電池セルの充放電過程は電気化学的反応によって行われるため、充放電過程で発生したバッテリーモジュールの熱が効果的に除去されなければ、熱蓄積が起こり、結果的にバッテリーモジュールの劣化が促進され、場合によっては発火または爆発につながり得る。したがって、一例として、韓国公開特許公報第10-2011-0118807号(2011.11.01)に開示されているように、特に、大容量のバッテリーモジュールは、電池セルを冷却する冷却装置が必ず必要である。
本発明は、上記のような課題を解決するためのものであって、円筒状電池セルの安定的固定及び冷却効率の向上のための新規な組立構造を有するバッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパックを提供することを目的とする。
本発明によるバッテリーモジュールは、複数個の円筒状電池セルと、前記円筒状電池セルが起立して配置されるように前記円筒状電池セルを支持する第1固定フレームとを含むバッテリーモジュールであって、
前記第1固定フレームは、トレイ形状で板上に予め指定された位置ごとに前記円筒状電池セルを立てて一つずつ挟み込むように設けられるセル下端ホルダー部と、前記セル下端ホルダー部の間に上下方向へ貫通して形成される貫通孔と、を備え、前記貫通孔を通じて前記第1固定フレームの下部から上部へ流入する熱伝導性接着液を含み得る。
前記セル下端ホルダー部は、前記円筒状電池セルの直径に対応して上下方向に貫通して形成された下端挿入ホールと、前記下端挿入ホールの周り方向に沿って所定の間隔ごとに不連続的に突出した曲面を有する柱状で前記円筒状電池セルの下端部の外周面の周りを部分的に支持するように形成された下端周り支持体と、を含み得る。
前記円筒状電池セルを中心にして周り方向に沿って、前記貫通孔と前記下端周り支持体とが交互に形成され得る。
前記第1固定フレームは、前記第1固定フレームの下面で前記下端挿入ホールの鉛直下部へ一端が水平に延びて配置され、前記円筒状電池セルの下面の一部を支持する下端支持体をさらに含み得る。
前記下端支持体は複数のブランチ部を有し、前記ブランチ部の一端は、互いに隣接して配置された複数個の前記下端挿入ホールの鉛直下部に配置され得る。
トレイ形状で板上に予め指定された位置ごとに前記円筒状電池セルの上端部を各々覆うセル上端ホルダー部を備え、前記複数個の円筒状電池セルを間に置いて前記第1固定フレームと相互結合する第2固定フレームをさらに含み得る。
前記セル上端ホルダー部は、前記セル下端ホルダー部の前記下端挿入ホールに一対一対応するように上下方向へ貫通して形成された上端挿入ホールを備え得る。
前記第2固定フレームは、前記第2固定フレームの上面で前記上端挿入ホールの鉛直上部へ一端が水平に延びて配置され、前記円筒状電池セルの上面の一部を支持して前記下端支持体と共に前記円筒状電池セルの上下動を制限する上端支持体をさらに含み得る。
容器形状を有する冷却トレイであって、内部に前記熱伝導性接着液及び前記第1固定フレームを収容する冷却トレイをさらに含み得る。
本発明の他の様態によれば、上述のバッテリーモジュールを含むバッテリーパックを提供することができる。
本発明の一面によれば、円筒状電池セルの安定的固定及び冷却効率の向上のための新規な組立構造を有するバッテリーモジュールを提供することができる。
より具体的に、熱伝導性接着液が外部から第1固定フレームの貫通孔を通して第1固定フレームに流入し、円筒状電池セルの外周面に接触することで、冷却効率性及び電池セル固定性が大幅向上する。
また、本発明の他面によれば、第1固定フレーム及び第2固定フレームによって円筒状電池セルの上下左右の動きが完全に阻まれることによって、構造的に安定したバッテリーモジュールを提供することができる。
本発明の効果は上述の効果に限定されず、言及していない効果は、本明細書及び添付の図面から本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者に明確に理解されるだろう。
本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示した斜視図である。 図1における第1固定フレームに組み立てられた円筒状電池セルを示した斜視図である。 図1における第1固定フレームの斜視図である。 図3の部分拡大図である。 本発明の一実施例によって熱伝導性接着液が第1固定フレームに投入される過程を説明するための参照図である。 本発明の一実施例によって熱伝導性接着液が第1固定フレームに投入される過程を説明するための参照図である。 図1における第2固定フレームの斜視図である。 図7の部分拡大図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
本発明の実施形態は、通常の技術者に本発明をより完全に説明するために提供されるものであり、図面における構成要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張または省略されるか、概略的に示されることがある。したがって、各構成要素の大きさや割合は、実際の大きさや割合を全的に反映することではない。
図1は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの構成を概略的に示した斜視図であり、図2は、図1の第1固定フレームに組み立てられた円筒状電池セルを示した斜視図であり、図3は、図1における第1固定フレームの斜視図であり、図4は、図3の部分拡大図である。
図1を参照すれば、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール10は、複数個の円筒状電池セル100、第1固定フレーム200、熱伝導性接着液300、第2固定フレーム400、冷却トレイ500及びトレイカバー600を含み得る。
本発明によるバッテリーモジュール10を構成する円筒状電池セル100は、電極組立体が金属缶に収納されている缶型二次電池の一種である。図面に詳しく図示してはいないが、円筒状電池セル100は、円筒状電池缶と、電池缶の内部に収容されるゼリーロール形態の電極組立体と、電池缶の上部に結合するキャップ組立体と、を含み得る。ここで、前記円筒状電池缶は、アルミニウム、ステンレススチールまたはこれらの合金のような軽量の伝導性金属材質から形成され得る。
前記円筒状電池セル100は、バッテリーモジュール10に要求される出力及び容量によって直列及び/または並列に接続し得る。例えば、円筒状電池セル100は、銅板から製作されたバスバーによって相互電気的に直列及び/または並列接続し得る。
一方、本発明の権利範囲が必ずしも円筒状電池セル100に限定されることではなく、代案的な実施例として他の形態の缶型二次電池、例えば、角形電池セルでバッテリーモジュール10を構成することも可能である。
第1固定フレーム200は、円筒状電池セル100の下端部を支持及び固定する構造物である。円筒状電池セル100は、図2に示したように、第1固定フレーム200に密集して起立して配置され得る。
具体的に、図3及び図4を参照してこのような第1固定フレーム200について詳しく説明すれば、前記第1固定フレーム200は、トレイ形状であって板上に予め指定された位置ごとに円筒状電池セル100を立てて一つずつ挟みこむように設けられるセル下端ホルダー部210と、セル下端ホルダー部210の間々に上下方向へ貫通して形成される貫通孔220、及び板状体の下面に設けられる下端支持体230を含み得る。
先ず、セル下端ホルダー部210は、各々下端挿入ホール211及び下端周り支持体213から構成され得る。下端挿入ホール211は、円筒状電池セル100の直径に対応するように第1固定フレーム200の板面を上下方向へ貫通させた形態を有し、下端周り支持体213は、下端挿入ホール211の周り方向に沿って突出した曲面を有する柱状として設けられ得る。ここで、下端周り支持体213の曲面は、円筒状電池セル100の外周面に対応する曲率を有する。
円筒状電池セル100は、前記下端挿入ホール211の中に挟まれ、この際、円筒状電池セル100の下端部外周面は、下端周り支持体213によって支持され得る。特に、本実施例による下端周り支持体213は、下端挿入ホール211の周り方向に沿って所定の間隔ごとに不連続的に突出しており、円筒状電池セル100の下端部外周面の周りを部分的に囲むように設けられる。これによれば、円筒状電池セル100を第1固定フレーム200に組み立てたとき、不連続的な下端周り支持体213の間に空間を確保することができる。この空間に、後述する熱伝導性接着液300が容易に拡散でき、熱伝導性接着液300と円筒状電池セル100の外周面との間の接触面積を広げることができる。
このようなセル下端ホルダー部210は、一定のサイズの第1固定フレーム200の単位面積当たり可能なだけ多い数の円筒状電池セル100が配置できるように前記第1固定フレーム200の板上面に設けることが望ましい。
例えば、図3のように、相互隣接して配列された3個の下端挿入ホール211の中心点を仮想の直線で連結して正三角形になる構図で下端挿入ホール211を密集させて配置し得る。そして、下端周り支持体213は、前記3個の下端挿入ホール211の間で3個の曲面を有する柱状として設けて、3個の下端挿入ホール211が一つの下端周り支持体213を共有するように形成し得る。このようなパターンで下端挿入ホール211及び下端周り支持体213を第1固定フレーム200の板上に反復的に形成することでセル下端ホルダー部210の密集度を高めることができる。
特に、本発明による第1固定フレーム200は、前記下端挿入ホール211の外部に複数の貫通孔220をさらに備え得る。前記貫通孔220は、外部から熱伝導性接着液300が流入する通路の役割を果すものであって、セル下端ホルダー部210の間に設けられ得る。
具体的に、前記貫通孔220は、円筒状電池セル100を中心にして周り方向に沿って下端周り支持体213と交互に配置されるように設けられ得る。例えば、図4に示したように、本実施例の場合、一つの下端挿入ホール211の周りに3個の貫通孔220と3個の下端周り支持体213とが交互に設けられ得る。
図5及び図6を参照すれば、熱伝導性接着液300が前記貫通孔220を通じて第1固定フレーム200の下から上へ流入する場合、第1固定フレーム200は、3個の下端周り支持体213の間の空間から熱伝導性接着液300で満たされ、熱伝導性接着液300の量によっては3個の下端周り支持体213よりも高い位置まで熱伝導性接着液で満たされ得る。この場合、円筒状電池セル100は、熱伝導性接着液300によって固定され、充放電時に発生する熱が前記熱伝導性接着液300を介して外部へ速く放出可能である。
下端支持体230は、円筒状電池セル100の下部で円筒状電池セル100の下面の一部を支持する構成であって、第1固定フレーム200の下面で相互隣接して配置された複数個の下端挿入ホール211の鉛直下部に一端が配置されるように複数のブランチ部で水平に延び得る。
本実施例の場合、さらに図4を参照すれば、一つの下端支持体230は、3個の下端挿入ホール211の間で三つのブランチ部で延びて3つのブランチ部の一端が各々の下端挿入ホール211の鉛直下部に位置するように構成される。下端支持体230は、第1固定フレーム200の下面にこのようなパターンで複数個が反復的に設けられ得る。
このような構成によれば、円筒状電池セル100を第1固定フレーム200の下端挿入ホール211に挿入したとき、下端挿入ホール211が開放されていることから、円筒状電池セル100はその下面が外部に露出した状態で下端支持体230によって支持される。
円筒状電池セル100を第1固定フレーム200に組み立て(図1参照)、冷却トレイ500の上面に載置すると、前記下端支持体230のため円筒状電池セル100が冷却トレイ500の上面から前記下端支持体230の高さだけ離隔した状態で載置される。即ち、円筒状電池セル100の下面と冷却トレイ500の上面との間には、図6のように若干のギャップGが形成され得、このようなギャップGに熱伝導性接着液300が満たされることで円筒状電池セル100の下面と冷却トレイ500の上面との接触抵抗を大幅減少して熱伝導率が向上する。
また、上記のようなギャップGが形成されることで熱伝導性接着液300が第1固定フレーム200の貫通孔220を通じてより円滑に第1固定フレーム200の下部から上部へ流入することで、円筒状電池セル100に対する冷却効率及び固定性がさらに向上する。
前記熱伝導性接着液300は、熱伝導性と接着性とを共に有する物質であって、円筒状電池セル100の熱を冷却トレイ500のような冷却媒体に伝達する役割と、第1固定フレーム200及び円筒状電池セル100を固定する役割とを兼ねる構成である。
例えば、熱伝導性接着液300は、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂であり得る。当然ながら、本発明の権利範囲がこれに限定されることではなく、前記エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂の外にも、熱伝導性と接着性とを共に有する接着液ないし接着剤であれば、本発明の熱伝導性接着液300として用いることができる。
本発明のバッテリーモジュール10は(図1参照)、上述したように、円筒状電池セル100と第1固定フレーム200とを熱伝導性接着液300が満たされた冷却トレイ500に収納する方式で組み立てられ得る。この際、第1固定フレーム200は、別のマウンティング部品なく熱伝導性接着液300によって冷却トレイ500に接着固定でき、円筒状電池セル100の外周面は、第1固定フレーム200の貫通孔220を通して流入した熱伝導性接着液300と接触し得る。
上記のような熱伝導性接着液300及び第1固定フレーム200の構成によれば、第1固定フレーム200がプラスチック射出成形物であって熱伝導性が低く、冷却トレイ500と接触抵抗が大きい表面粗度を有する構造物であるとしても、熱伝導性接着液300が第1固定フレーム200に染みこんで円筒状電池セル100の熱を冷却トレイ500に速く伝達できるため、円筒状電池セル100の安定的な固定及び冷却効率が大幅向上する。
続いて、図7及び図8を参照して第2固定フレーム400について説明する。第1固定フレーム200は、第2固定フレーム400と構造が類似であるため、 第1固定フレーム200と重複する説明は省略する。
図7は、図1の第2固定フレーム400の斜視図であり、図8は、図7の部分拡大図である。
第2固定フレーム400は、円筒状電池セル100を間に置いて、例えば、縁部がスナップフィット(snap-fit)またはボルト締結方式で第1固定フレーム200(図1参照)と上下結合し得る。
第2固定フレーム400は、円筒状電池セル100の上端部を支持及びホルドするトレイ形状の構造物であって、貫通孔220部分を除いては第1固定フレーム200と対応する形態として設けられ得る。
具体的に、図面を参照すれば、第2固定フレーム400は、予め指定された位置ごとに前記円筒状電池セル100の上端部を各々覆うセル上端ホルダー部410と、上端支持体430と、を含み得る。
前記セル上端ホルダー部410は、各々セル下端ホルダー部210の下端挿入ホール211に一対一で対応するように上下方向へ貫通して形成された上端挿入ホール411と、下端周り支持体213に一対一で対応する上端周り支持体413と、を含み得る。
このようなセル上端ホルダー部410の構成によれば、円筒状電池セル100の上端部は上端挿入ホール411に挟まれ、その外周面は上端周り支持体413によって支持される。
上端支持体430は、第2固定フレーム400の上面において上端挿入ホール411の鉛直上部へ一端が水平に延びて配置され、円筒状電池セル100の上面の一部を支持して下端支持体230と共に円筒状電池セル100の上下動きを制限できる。
このような上端支持体430は、下端支持体230と同じパターンで隣接して配置された複数個の上端挿入ホール411の鉛直上部にブランチ部の一端が配置されるように複数のブランチ部で延びるように形成され得る。即ち、一つの上端支持体430は、3個の上端挿入ホール411の中心に位置し、三つのブランチ部に延びるように設けられ得る。
また、上端支持体430は、円筒状電池セル100の上面の一部のみを支持するように設けられることで、円筒状電池セル100の上面の多くは、上端挿入ホール411の外部に露出できる。この場合、上端挿入ホール411の外部に露出している円筒状電池セル100の上面に、バスバーのような電気的接続部品を容易に装着できる。
上記のような構成の本実施例による第2固定フレーム400を第1固定フレーム200と共に使えば、円筒状電池セル100の垂直/水平方向への動きを完全に防ぐことができる。即ち、円筒状電池セル100は、第1固定フレーム200と第2固定フレーム400との間でセル上端ホルダー部410及びセル下端ホルダー部210によって水平方向への動きが防止され、上端支持体430及び下端支持体230によって垂直方向への動きが防止される。このような本発明によれば、一体になった円筒状電池セル100が第1固定フレーム200及び第2固定フレーム400に安定的に固定されることで、外部の衝撃からも構造的/電気的に安定したバッテリーモジュール10を提供することができる。
一方、冷却トレイ500は、前述のように、熱伝導性接着液300と、第1固定フレーム200と、円筒状電池セル100と、円筒状電池セル100を間に置いて前記第1固定フレーム200と上下結合する第2固定フレーム400と、を収容できる収容空間を有する容器形状の構造物であり得る。
冷却トレイ500は、ほぼ広くて扁平な密閉した底面を有すれば、熱伝導性接着液300を予め設定された高さまで満たすことができるように設けられ得る。また、冷却トレイ500は、円筒状電池セル100の熱を吸収できるように熱伝導性に優れた金属材質から形成され得る。冷却トレイ500は、トレイカバー600と結合して収容空間が遮蔽され、円筒状電池セル100を外部から保護できる。このような冷却トレイ500の下部には、図示していないが、ヒートシンクが配置され得る。
ヒートシンクは、内部の流路に冷媒を通過させて熱接触によって冷却トレイ500から熱を吸収して円筒状電池セル100を間接冷却する役割を果す構成品であって、冷却トレイ500の下面に接触して配置され得る。前記流路に流れる冷媒は、流路で容易に流れ、かつ冷却性に優れた流体であれば、特に制限されない。例えば、潜熱が高くて冷却効率を極大化できる水であり得る。しかし、これに限定されず、流れが発生するものであれば、不凍液、ガス冷媒、空気などであってもよい。
本発明によるバッテリーパックは、本発明による上述のバッテリーモジュール10を一つ以上含み得る。また、本発明によるバッテリーパックは、このようなバッテリーモジュール10に加え、バッテリーモジュール10を収納するためのパックケース、バッテリーモジュール10の充放電を制御するための各種装置、例えば、BMS、電流センサー、ヒューズなどをさらに含み得る。
本発明によるバッテリーモジュール10は、電気自動車やハイブリッド自動車のような自動車または電力貯蔵装置(ESS)に適用することができる。
以上、本発明の望ましい実施例について図示し説明したが、本発明は上述した特定の望ましい実施例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨から外れることなく当該発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者であれば、だれでも多様に変形できることは言うまでもなく、かかる変形は請求範囲内に含まれる。
なお、本明細書において、上、下、左、右、前、後のような方向を示す用語が使用されたが、このような用語は相対的な位置を示し、説明の便宜のためのものであるだけで、対象となる事物の位置や観測者の位置などによって変わり得ることは、当業者にとって自明である。
10 バッテリーモジュール
100 円筒状電池セル
200 第1固定フレーム
210 セル下端ホルダー部
211 下端挿入ホール
213 下端周り支持体
220 貫通孔
230 下端支持体
300 熱伝導性接着液
400 第2固定フレーム
410 セル上端ホルダー部
411 上端挿入ホール
413 上端周り支持体
430 上端支持体
500 冷却トレイ
600 トレイカバー

Claims (7)

  1. 複数個の円筒状電池セルと、前記円筒状電池セルが起立して配置されるように前記円筒状電池セルを支持する第1固定フレームとを含むバッテリーモジュールであって、
    前記第1固定フレームは、
    トレイ形状で板上に予め指定された位置ごとに前記円筒状電池セルを立てて一つずつ挟み込むように設けられるセル下端ホルダー部と、
    前記セル下端ホルダー部の間に上下方向へ貫通して形成される複数の貫通孔と、
    を備え、
    前記貫通孔を通じて前記第1固定フレームの下部から上部へ流入する熱伝導性接着液を含み、
    前記セル下端ホルダー部が、
    前記円筒状電池セルの直径に対応して上下方向に貫通して形成された複数の下端挿入ホールを含み、
    前記貫通孔は、互いに隣り合う前記下端挿入ホール同士の間に設けられており、
    前記第1固定フレームは、
    前記第1固定フレームの下面で前記下端挿入ホールの鉛直下部へ一端が水平に延びて配置され、前記円筒状電池セルの下面の一部を支持する下端支持体をさらに含み、
    前記下端支持体は複数のブランチ部を有し、前記ブランチ部の一端は、互いに隣接して配置された前記下端挿入ホールの鉛直下部に配置されており、
    前記セル下端ホルダー部が、
    前記下端挿入ホールの周り方向に沿って所定の間隔ごとに不連続的に突出した曲面を有する柱状で前記円筒状電池セルの下端部の外周面の周りを部分的に支持するように形成された複数の下端周り支持体を含み、
    前記複数の貫通孔のそれぞれは、前記複数の下端周り支持体の間に設けられていることを特徴とするバッテリーモジュール。
  2. 前記円筒状電池セルを中心にして周り方向に沿って、前記貫通孔と前記下端周り支持体とが交互に形成されることを特徴とする請求項1に記載のバッテリーモジュール。
  3. トレイ形状で板上に予め指定された位置ごとに前記円筒状電池セルの上端部を各々覆うセル上端ホルダー部を備え、前記複数個の円筒状電池セルを間に置いて前記第固定フレームと相互結合する第2固定フレームをさらに含むことを特徴とする請求項に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記セル上端ホルダー部が、
    前記セル下端ホルダー部の前記下端挿入ホールに一対一で対応するように上下方向へ貫通して形成された上端挿入ホールを備えることを特徴とする請求項に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記第2固定フレームが、
    前記第2固定フレームの上面で前記上端挿入ホールの鉛直上部へ一端が水平に延びて配置され、前記円筒状電池セルの上面の一部を支持して、前記下端支持体と共に前記円筒状電池セルの上下動を制限する上端支持体をさらに含むことを特徴とする請求項に記載のバッテリーモジュール。
  6. 容器形状を有する冷却トレイであって、内部に前記熱伝導性接着液及び前記第1固定フレームを収容する冷却トレイをさらに含むことを特徴とする請求項1~のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
  7. 請求項1から請求項のいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含む、バッテリーパック。
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