KR101428997B1 - 배터리팩 조립체 및 이를 사용한 배터리 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리팩 조립체 및 이를 사용한 배터리 조립체에 관한 것으로, 배터리 조립체에서 충방전 중에 발생하는 열을 외부로 원활하게 제거할 수 있도록 하는 것이다. 본 발명에서는 배터리팩 조립체(10)를 구성하는 다수개의 배터리팩(14)의 사이에 발포금속으로 만들어진 방열부재(20)를 설치한다. 상기 방열부재(20)는 발포금속으로 만들어져 내부에 기공들이 형성되어 있다. 상기 방열부재(20)는 상기 배터리팩(14)의 사이에 위치되는 판형상의 몸체부(22)와 상기 배터리팩(14) 사이의 외부로 노출되는 노출부(24)로 구성된다. 상기 노출부(24)는 배터리 조립체(30)의 케이스(31) 내에 설치되었을 때, 내부유로(41)상에 위치되어 케이스(31)의 유입구(38)를 통해 들어온 공기와 직접 또는 간접적으로 접촉하여 열을 배출할 수 있게 된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 차량에서 사용되는 배터리 조립체(30)의 충방전시에 발생하는 열을 외부로 보다 원활하게 배출할 수 있게 되어 배터리 조립체(30)의 동작특성이 좋아지는 이점이 있다.

Description

배터리팩 조립체 및 이를 사용한 배터리 조립체{Battery pack assembly and battery assembly using the same}

본 발명은 배터리팩 조립체 및 이를 사용한 배터리 조립체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각각의 배터리 팩에서 발생하는 열을 외부로 원활하게 배출하기 위해 발포금속을 사용하는 배터리팩 조립체 및 이를 사용한 배터리 조립체에 관한 것이다.

현대사회에서 인간의 생활이나 사회활동에 필수적인 운송수단으로 자리매김한 자동차는 석유와 같은 화석에너지를 에너지원으로 구동된다. 하지만, 화석에너지는 매장량이 한정되어 있어, 시간이 갈수록 고갈되고 있고 그 가격 또한 지속적으로 상승되고 있다.

그리고, 화석에너지는 그 사용과정에서 대기 환경을 오염시키는 다양한 배기가스가 배출될 뿐만 아니라 지구 온난화의 주요원인으로 작용하고 있는 이산화탄소를 다량으로 배출하는 문제점으로 인해 전기를 에너지원으로 이동하는 전기 자동차 또는 전기 및 화석연료를 함께 사용하는 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.

이와 같이 전기를 사용하는 자동차에서는 석유(휘발유, 경유 등)를 이용하거나 천연가스를 이용하는 자동차와 달리 플러그인 방식으로 배터리에 전력을 충전하게 되므로 긴 대기시간으로 인한 소비자의 불편과 충전시설 운영업체의 경제성 결여가 수반되는 문제점이 있었다. 이에 따라 전기 자동차의 배터리에 전원을 직접 충전하지 않고 사전에 배터리를 충전하여 충전이 완료된 배터리 자체를 교환하는 방식이 연구되고 있다.

이러한, 배터리 교체방식에 이용되는 전기 자동차용 배터리는 전기가 충전되는 다수의 배터리팩으로 이루어진 배터리팩 조립체를 배터리 케이스 내부에 수납하여 구성된다. 이와 같이 배터리팩 조립체를 케이스 내부에 수납하여서 된 것을 배터리 조립체라고 하기로 한다.

이와 같은 배터리 조립체에서는 상기 배터리 팩들이 충방전을 하면서 열이 발생하는데, 이와 같은 열을 상기 배터리 케이스의 외부로 효과적으로 배출해야 배터리 조립체가 제 성능을 발휘할 수 있다.

이를 위해 상기 배터리 케이스의 내부에 상기 배터리팩들로부터 발생하는 열을 전달받는 방열판을 두고, 이에 외부 공기나 물을 통과시키면서 방열판의 열을 외부로 배출하는 방식이 많이 사용된다.

한편, 상기 배터리팩들이 다수개가 나란히 결합되어 하나의 배터리팩 조립체를 형성하는데, 상기 각각의 배터리팩에서 발생하는 열을 외부로 배출하기 위해 아래에 기재된 선행기술문헌에서는 단순히 배터리팩들 사이에 공간을 두어 공기가 통과할 수 있도록 하여 방열을 시행했다.

하지만, 상기 배터리팩들 사이에 단순히 공간을 둔 경우에는 배터리팩 들 사이에서 발생하는 스파크나 화재를 차단하기 위해서는 상기 공간이 상대적으로 커져야 하는 문제점이 있다.

그리고, 종래와 같이 배터리팩들 사이에 단순히 공간을 두는 경우에는 상기 공간을 통과하는 공기와 열사이의 접촉면적이 상대적으로 작아 방열이 원활하지 않은 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 10-2012-0033044

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 각각의 배터리팩에서 발생하는 열을 외부로 쉽게 배출할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 배터리팩에서 발생하는 열을 외부로 쉽게 배출할 수 있도록 함과 동시에 배터리팩 사이에서 스파크나 화재의 전달을 차단할 수 있도록 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 배터리셀의 양면에 제1 및 제2프레임이 장착되어 구성되는 다수개의 배터리팩과, 상기 배터리팩들의 사이에 위치되고 입체망상구조로 내외부에 기공이 형성된 발포금속으로 만들어져 상기 배터리셀에서 충,방전중에 발생하는 열을 외부로 전달하는 방열부재를 포함하고, 상기 방열부재는 서로 인접하는 배터리팩의 제1 및 제2 프레임의 사이에 위치되는 판형상의 몸체부와 상기 몸체부의 일단부에 구비되어 상기 배터리팩 사이에서 외부로 돌출되어 위치되는 노출부로 구성되고, 상기 인접하여 설치된 다수개의 배터리팩은 팩케이스의 내부에 안착되고, 상기 노출부는 상기 팩케이스의 개방된 면을 통해 외부로 노출된다.

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본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 외관을 구성하는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 다수개가 소정의 간격을 두고 배치되는 배터리팩 조립체를 포함하고, 상기 배터리팩 조립체의 내부에는 입체망상구조로 내외부에 기공이 형성된 발포금속으로 만들어진 방열부재를 사이에 두고 다수개의 배터리팩이 설치되고, 방열부재는 서로 인접하는 배터리팩의 제1 및 제2 프레임의 사이에 위치되는 판형상의 몸체부와 상기 몸체부의 일단부에 구비되어 상기 배터리팩 사이에서 외부로 돌출되어 위치되는 노출부로 구성되고, 상기 케이스의 내부에는 내부유로가 형성되는데, 상기 내부유로는 상기 케이스의 일측에 형성된 유입구를 통해 공기가 들어가고 상기 내부유로를 통과한 공기는 상기 케이스의 타측에 형성된 유출구를 통해 배출된다.

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상기 노출부는 상기 케이스의 내부에 형성되는 내부유로에 위치된다.

상기 내부유로에는 상기 각각의 배터리팩 조립체의 일측으로 노출된 방열부재의 노출부와 일측이 접촉하는 방열판이 더 설치된다.

본 발명에 의한 배터리팩 조립체 및 이를 사용한 배터리 조립체에서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에서는 배터리팩 조립체를 구성하는 각각의 배터리팩의 사이에 발포금속으로 만들어진 방열부재를 설치하고, 상기 방열부재의 단부에는 배터리 팩 조립체의 외부로 노출되는 노출부를 두었으므로 각각의 배터리팩에서 발생하는 열을 외부로 보다 쉽게 배출하여 배터리 조립체의 성능을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에서는 배터리팩 조립체를 구성하는 각각의 배터리팩의 사이에 위치하는 발포금속으로 만들어진 방열부재가 배터리팩 사이에서 스파크나 화재가 전달되는 것을 차단하는 역할을 하므로 배터리 조립체의 손상을 최소화 할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 배터리팩 조립체의 바람직한 실시예의 구성을 보인 사시도.
도 2는 본 발명 실시예의 배터리팩 조립체의 요부 구성을 보인 분해사시도.
도 3은 본 발명 실시예의 배터리 조립체의 바람직한 실시예의 구성을 보인 사시도.
도 4는 본 발명 실시예의 배터리 조립체의 내부 구성을 보인 부분단면 사시도.

이하 본 발명에 의한 배터리팩 조립체 및 이를 사용한 배터리 조립체의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바에 따르면, 본 실시예의 배터리팩 조립체(10)는 외관을 팩케이스(12)가 형성한다. 상기 팩케이스(12)는 대략 육면체 형상이고, 그 상부가 개방되어 있다. 즉, 상기 팩케이스(12)의 내부공간은 상부를 통해 개방되어 있는 형상이다. 물론, 상기 팩케이스(12)의 상부를 제외한 나머지 부분도 설계조건에 따라서는 일부가 개방되도록 할 수 있다. 상기 팩케이스(12)의 내부에는 다수개의 배터리팩(14)이 소정의 간격을 두고 배치되어 있다.

상기 배터리팩(14)은 대략 사각형 판상으로 된 파우치와 한쌍의 전극으로 구성된 배터리셀(16)의 양면에 각각 제1 및 제2 프레임(18,18')이 서로 결합되도록 설치되어 구성된다. 여기서 상기 제1 및 제2 프레임(18,18')은 상기 배터리셀(16)의 가장자리를 따라 소정의 폭을 가지도록 형성되고 상기 배터리셀(16)의 양측면이 노출되도록 중앙이 개방된 형상으로 된다. 상기 제1 및 제2 프레임(18,18')의 형상은 반드시 도 1에 도시된 형태로 되어야 하는 것은 아니고, 상기 배터리셀(16)의 양측면에서 서로 결합되어 인접하는 배터리팩(14)과의 사이에 소정의 공간을 형성할 수 있도록 구성되면 된다.

한편, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 상기 배터리팩(14)의 사이에는 방열부재(20)가 설치된다. 상기 방열부재(20)는 상기 배터리팩(14)에서 발생하는 열을 외부로 배출하는 역할을 하는 것으로, 본 발명에서는 발포금속으로 만들어진다. 발포금속은 입체망상구조로 내외부에 많은 기공이 있어 기공율이 현저하게 큰 금속 다공체를 말하는데, 다양한 방식으로 만들어질 수 있다.

발포금속을 제조하는 방법의 예를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 금속분말과 발포제를 사용하여 성형 소결하는 방법이 있다. 그리고 융용금속에 점성 및 표면장력을 부여한 후 발포제를 투입하여 제조할 수 있다. 다음으로, 스폰지형태의 금속다공질 고형체를 제조하는 주조법이 있고, 금속섬유나 금속선을 압축 소결하는 방법도 있다. 또한, 얇은 판에 분해분말을 분산한 후 압축 소성 후 가열하는 소성가공법으로 제조할 수도 있다.

본 발명에서 상기 방열부재(20)는 위에서 설명된 발포금속을 제조하는 방법들 중의 어느 하나로 만들어진 것으로, 일반 금속에 비해 상대적으로 기공율이 현저하게 큰 것이다. 이와 같은 특징에 따르면, 방열부재(20) 전체의 표면적이 상대적으로 넓어서, 예를 들면 공기와의 접촉에 의해 열을 보다 빨리 외부로 전달할 수 있다.

상기 방열부재(20)는 서로 인접하는 배터리팩(14)의 제1 및 제2 프레임(18,18') 사이에 위치하는 것으로, 상기 배터리팩(14) 사이의 공간, 특히 상기 제1 및 제2 프레임(18,18') 사이의 공간에 위치하는 몸체부(22)와 상기 서로 인접한 배터리팩(14) 사이의 일단부에 위치하는 노출부(24)로 구성된다. 상기 몸체부(22)와 노출부(24)는 일체로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 몸체부(22)와 노출부(24)의 형상은 본 실시예에 도시된 것에 한정되는 것은 아니며, 상기 몸체부(22)는 상기 제1 및 제2 프레임(18,18') 사이에 형성되는 공간의 형상에 대응되고, 상기 노출부(24)는 방열부재(120)의 몸체부(22)에서 전달된 열을 외부로 쉽게 전달할 수 있는 형상으로 만들어진다. 상기 몸체부(22)가 도시된 실시예에서는 상대적으로 얇은 형태로 만들어져 있으나, 설계상의 조건을 만족하는 범위에서 두께를 정하면 된다.

그리고, 상기 몸체부(22)는 상기 제1 및 제2 프레임(18,18')의 사이에 위치되어 인접한 배터리팩(14)의 배터리셀(16) 사이에서 스파크나 화재가 전달되는 것을 방지할 수 있는 역할도 한다. 상기 몸체부(22)는 그 자체가 전도를 통해 열을 상기 노출부(24)로 전달하기도 하지만, 상기 몸체부(22)에 형성된 기공을 통과하여 공기가 유동함에 의해 공기가 열을 전달받아 외부로 보낼 수도 있다.

상기 노출부(24)는 배터리팩 조립체(10)를 구성함에 있어서 상기 배터리팩(14)의 상단 가장자리에 놓여지는 다른 부품과의 간섭을 피할 수 있도록 만들어져야 한다. 예를 들어, 상기 노출부(24)와 인접하여 상기 배터리팩(14)을 구성하는 기판이나 버스바 등이 있을 경우에는 이들과 간섭되지 않도록 형상을 만들 필요가 있다. 참고로, 도시된 실시예에서는 별도의 구성이 상기 노출부(24)에 인접하여 있지 않은 것으로 하여 노출부(24)의 형상을 만들었다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같은 구성을 가지는 배터리팩 조립체(10)는 도 3에 도시된 바와 같은 배터리 조립체(30)의 내부에 다수개가 배열되어 사용된다. 상기 배터리팩 조립체(10)는 배터리 조립체(30)의 용량에 따라 그 사용되는 갯수가 달라진다.

상기 배터리 조립체(30)의 외관을 케이스(31)가 형성한다. 상기 케이스(31)는 전체적으로 납작한 육면체 형상으로 만들어진다. 상기 케이스(31)는 케이스본체(32), 상부덮개(34) 및 하부덮개(36)가 형성한다. 상기 케이스본체(32)의 상면에는 상부덮개(34)가 놓여지고 상기 케이스본체(32)의 하면에는 하부덮개(36)가 위치된다. 하지만, 상기 케이스(31)의 구성이 반드시 케이스본체(32), 상부덮개(34) 및 하부덮개(36)로만 되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 케이스본체(32)와 상부덮개(34)가 별개로 만들어지고, 상기 하부덮개(36)는 상기 케이스본체(32)에 일체로 만들어질 수도 있다. 도면부호 37은 상기 케이스(31)의 하면, 즉 상기 하부덮개(36)에 형성된 이동가이드홈이다.

상기 케이스(31)의 일측에는 유입구(38)가 형성되고, 상기 유입구(38)가 형성된 반대쪽의 케이스(31)의 타측에는 유출구(40)가 형성된다. 상기 유입구(38)를 통해서는 케이스(31) 외부로부터 내부로 공기가 유입되고, 상기 유출구(40)를 통해서는 케이스(31)의 내부에서 외부로 공기가 유출된다. 상기 유입구(38)를 통해 케이스(31)의 내부로 들어와 유출구(40)를 통해 나가는 공기는 내부의 배터리셀(16)에서 발생한 열을 외부로 배출하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 케이스(31)의 내부에는 상기 유입구(38)에서 유출구(40)까지를 연통시키는 내부유로(41)가 형성된다. 상기 내부유로(41)는 상기 케이스(31)의 내부에 별도로 구획되어 형성될 수도 있으나, 본 실시예에서는 상기 케이스(31) 내부의 개방된 공간으로 보면 된다. 상기 내부유로(41)에 상기 방열부재(20)의 노출부(24)가 위치되도록 된다.

도면중 미설명 부호 42는 커넥터로서 배터리 조립체(30)와 차량의 부하측을 전기적으로 연결하는 역할과 충전시에 충전기 측과 전기적으로 연결하는 역할을 할 수 있다.

한편, 참고로, 상기 내부유로(41)에는 별도의 방열판(도시되지 않음)이 설치될 수 있다. 상기 방열판은 상기 방열부재(20)의 노출부(24)와 적어도 일부가 접촉되고 상기 내부유로(41)를 유동하는 공기가 외면에 접촉할 수 있도록 하는 것이다. 물론, 상기 방열판없이 방열부재(20)와 내부유로(41)를 유동하는 공기만으로 방열이 충분히 이루어질 수 있다면 별도의 방열판이 사용되지 않아도 된다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 배터리팩 조립체 및 이를 사용한 배터리 조립체가 사용되는 것을 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에서 상기 배터리팩(14)의 사이에는 발포금속으로 만들어진 방열부재(20)가 장착되어 배터리셀(16)에서 충방전시에 발생하는 열을 받아 외부로 전달하는 역할을 한다. 상기 방열부재(20)에서의 열전달은 방열부재(20) 자체에서 발생하는 전도에 의한 것과 방열부재(20)에 형성된 기공을 통해 유동되는 공기로의 열전달에 의한 것이 있다.

즉, 상기 방열부재(20)의 몸체부(22)로 상기 배터리셀(16)에서 전달된 열은 전도에 의해 상기 노출부(24)로 전달된다. 상기 노출부(24)는 상기 배터리조립체(30)의 내부유로(41)에 노출되어 있어 상대적으로 낮은 공기와 접하므로 공기로의 열전달이 잘 일어난다. 따라서, 상기 노출부(24)는 상기 몸체부(22)에 비해 온도가 낮게 유지되어 몸체부(22)의 열이 노출부(24)로 잘 전도될 수 있다.

한편, 상기 내부유로(41)로 전달된 공기중에서 일부는 상기 방열부재(20)의 몸체부(22)를 통과할 수 있다. 물론 일정 이상의 압력으로 공기가 유동되어야 상기 몸체부(22)를 통과할 수 있으나, 자연대류에 의한 공기의 유동도 있을 수 있다. 이를 위해서는 상기 팩케이스(12)의 구조가 상기 방열부재(20)의 몸체부(22)를 통한 공기 유동이 잘 될 수 있도록 만들어져야 할 것이다.

이와 같이 하여 상기 배터리팩 조립체(10)에서 발생하는 열은 발포금속으로 만들어진 상기 방열부재(20)를 통해 배터리팩 조립체(10)의 외부로 상대적으로 더 효율적으로 전달되므로 배터리팩 조립체(10)에서 충방전이 보다 잘 수행되어 배터리 조립체(30)의 성능이 상대적으로 더 높아질 수 있다.

그리고, 상기 배터리팩 조립체(10)는 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 배터리 조립체(30)의 외관을 구성하는 케이스(31)의 내부에 다수개가 설치된다. 즉, 다수개의 배터리팩 조립체(10)가 열을 지어 상기 케이스(31)의 내부에 설치되는데, 배터리팩 조립체(10)에서 발생되어 케이스(31)의 내부로 나온 열은 상기 케이스(31)의 유입구(38)를 통해 내부유로(41)로 들어와 상기 유출구(40)를 통해 외부로 나가는 공기로 전달된다. 이와 같이 상기 유입구(38)와 유출구(40)를 통과하여 유동되는 공기는 차량의 주행에 따라 자연스럽게 유동되는 공기이거나 별도의 구동원을 사용하여 가압되어 유동되는 공기일 수 있다.

이와 같이 상기 유입구(38)를 통해서 들어온 공기는 상기 배터리팩 조립체(10)의 방열부재(20)에 있는 노출부(24)에 직접 접촉하여 열을 전달받아 상기 유출구(40)를 통해 배출됨에 의해 배터리 조립체(30)에서 발생된 열을 배터리 조립체(30)의 외부로 내보낼 수 있게 된다.

한편, 상기 방열부재(20)의 몸체부(22)는 상기 각각의 배터리팩(14)들의 사이에 위치하게 되는데, 몸체부(22) 자체가 배터리팩(14)들의 배터리셀(16) 사이를 차단하여 스파크나 화재의 전달을 막아주는 역할을 하고, 배터리 조립체(30)의 사용중에 발생하는 진동도 어느 정도 흡수하는 역할을 한다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

예를 들면, 도시된 실시예에서는 상기 케이스(31)의 내외부로 공기가 유입구(38)와 유출구(40)를 통해 유동되는 것으로 하였으나, 예를 들어 케이스(31)를 구성하는 상부덮개(34) 자체나 상부덮개(34)와 케이스(31) 사이의 틈새를 통해서 내외부로 공기가 유동되는 정도로도 충분히 방열이 가능하다면 별도의 유입구(38)와 유출구(40)를 두지 않을 수도 있다.

10: 배터리팩 조립체 12: 팩케이스
14: 배터리팩 16: 배터리셀
18,18': 제1 및 제2 프레임 20: 방열부재
22: 몸체부 24: 노출부
30: 배터리 조립체 31: 케이스
32: 케이스본체 34: 상부덮개
36: 하부덮개 37: 이동가이드홈
38: 유입구 40: 유출구
41: 내부유로

Claims (8)

1. 배터리셀의 양면에 제1 및 제2프레임이 장착되어 구성되는 다수개의 배터리팩과,
   상기 배터리팩들의 사이에 위치되고 입체망상구조로 내외부에 기공이 형성된 발포금속으로 만들어져 상기 배터리셀에서 충,방전중에 발생하는 열을 외부로 전달하는 방열부재를 포함하고,
   상기 방열부재는 서로 인접하는 배터리팩의 제1 및 제2 프레임의 사이에 위치되는 판형상의 몸체부와 상기 몸체부의 일단부에 구비되어 상기 배터리팩 사이에서 외부로 돌출되어 위치되는 노출부로 구성되고,
   상기 인접하여 설치된 다수개의 배터리팩은 팩케이스의 내부에 안착되고, 상기 노출부는 상기 팩케이스의 개방된 면을 통해 외부로 노출되는 배터리팩 조립체.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 외관을 구성하는 케이스와,
   상기 케이스의 내부에 다수개가 소정의 간격을 두고 배치되는 배터리팩 조립체를 포함하고,
   상기 배터리팩 조립체의 내부에는 입체망상구조로 내외부에 기공이 형성된 발포금속으로 만들어진 방열부재를 사이에 두고 다수개의 배터리팩이 설치되고,
   방열부재는 서로 인접하는 배터리팩의 제1 및 제2 프레임의 사이에 위치되는 판형상의 몸체부와 상기 몸체부의 일단부에 구비되어 상기 배터리팩 사이에서 외부로 돌출되어 위치되는 노출부로 구성되고,
   상기 케이스의 내부에는 내부유로가 형성되는데, 상기 내부유로는 상기 케이스의 일측에 형성된 유입구를 통해 공기가 들어가고 상기 내부유로를 통과한 공기는 상기 케이스의 타측에 형성된 유출구를 통해 배출되는 배터리 조립체.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 4 항에 있어서, 상기 노출부는 상기 케이스의 내부에 형성되는 내부유로에 위치되는 배터리 조립체.
   
8. 제 7 항에 있어서, 상기 내부유로에는 상기 각각의 배터리팩 조립체의 일측으로 노출된 방열부재의 노출부와 일측이 접촉하는 방열판이 더 설치되는 배터리 조립체.
   

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