KR101929189B1 - 배터리 팩 - Google Patents

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제임스 어니스트 허칭스
다니엘 엠. 토르센
그레고리 세스 밴디
존 토마스 새들러
킴벌리 앤 웬저
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엑셀리스 인코포레이티드
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Abstract

배터리 팩은 배터리 구획, 상기 배터리 구획 내에 둘 이상의 배터리를 유지시키기 위해 상기 배터리 구획 내에 위치되는 단자 플레이트, 및 상기 배터리 구획을 둘러싸는 커버를 포함하며, 상기 커버로 배터리 구획을 둘러쌀 때, 상기 커버는 상기 둘 이상의 배터리 중 하나의 외면을 상기 둘 이상의 배터리 중 다른 하나의 외면에 대해 압박하도록 구성되어, 상기 둘 이상의 배터리 사이에 물리적 및 열적 접촉을 형성한다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 일반적으로 배터리 팩(battery pack), 특히 영하 20℃에서 또는 그 미만에서 작동하기 적합한 배터리 팩에 관한 것이다.
통상의 배터리 팩에서, 다수의 원통형으로 밀봉된 알카라인 배터리가 외장(enclosure) 내에 수용된다. 배터리의 단자들은 단자 플레이트(terminal plate) 등에 의해 서로 직렬로 또는 병렬로 전기 접속(electrically connected)된다. 통상의 배터리 팩들은 보통은 추운 온도에서 작동하기에 적합하지 않다. 배터리 팩 내의 배터리들은 일반적으로 배터리 직경의 ¼ 내지 ½의 거리만큼 서로 이격되어 있어서, 작동시 하나의 배터리에 의해 발생된 열은 인접하는 배터리들에 직접적으로 전도되지 않으며, 배터리들에 의해 발생된 열은 배터리 팩의 외부로 급속하게 방사된다(radiates). 영하 20℃에서 또는 그 미만에서 유지되는 추운 환경에서, 예를 들면 배터리 전압 및 그에 따라 배터리 수명은 배터리가 열 에너지를 대기로 방사하기 때문에 급격히 격감한다.
긴 배터리 수명은 제품 소유 비용을 감소시키며, 유지보수 요건을 감소시킨다. 전술한 바를 고려하여, 배터리 수명, 열 관리, 성능, 중량, 비용 및 제조성(manufacturability)을 위해, 배터리 팩을 더 개발 및 개량하는 것이 끊임없이 요구된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 배터리 팩은 배터리 구획, 상기 배터리 구획 내에 둘 이상의 배터리를 유지시키기 위해 상기 배터리 구획 내에 위치되는 단자 플레이트(terminal plate), 및 상기 배터리 구획을 둘러싸는(enclose) 커버를 포함하며, 상기 커버로 배터리 구획을 둘러쌀 때, 상기 커버는 상기 둘 이상의 배터리 중 하나의 외면을 상기 둘 이상의 배터리 중 다른 하나의 외면에 대해 압박(urge)하도록 구성되어, 상기 둘 이상의 배터리 사이에 물리적 및 열적 접촉 모두를 형성한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 배터리 팩은 둘 이상의 배터리를 포함한다.
본 발명의 여타 양태가 도면을 고려할 때 하기에서 세부적인 논의로부터 보다 명확해질 것이다. 하기의 논의는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고자 하는 것뿐임이 이해되어야 한다. 그러나 본 발명은 도시된 실시예에 제한되는 것이 아니라 본 명세서에 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한된다.
본 발명은 첨부 도면에 관하여 읽을 때 하기의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 일반적인 실행예에 따라, 도면의 다양한 구성들은 일정한 비율로 도시되지 않음이 강조된다. 도면에는 하기의 도면들이 포함된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따라, (배터리가 생략된) 개방 위치로 회전된, 비어 있는 배터리 팩의 사시도를 도시하고,
도 2는 폐쇄 위치에 있는 것으로 도시되고 배터리로 채워진 도 1의 배터리 팩의 단면도를 도시한다.
일반적으로 도면을 참조하고 본 발명의 일 양태에 따르면, 배터리 팩(8)은 배터리 구획(11), 상기 배터리 구획(11) 내에 둘 이상의 배터리(20)를 유지시키기 위해 상기 배터리 구획(11) 내에 위치되는 단자 플레이트(terminal plate; 13) 및 상기 배터리 구획(11)을 둘러싸는 커버(12)를 포함하며, 상기 커버(12)로 배터리 구획(11)을 둘러쌀 때, 상기 커버(12)는 상기 둘 이상의 배터리(20) 중 하나의 외면을 상기 둘 이상의 배터리(20) 중 다른 하나의 외면에 대해 압박(urge)하도록 구성되어, 상기 둘 이상의 배터리(20) 사이에 물리적 및 열적 접촉 모두를 형성한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따라, 개방 위치로 회전되어 도시된, 비어 있는 배터리 팩(8)의 사시도를 도시한다. 도 2는 폐쇄 위치에 있는 것으로 도시되며 (집합적으로 배터리(20)로서 지칭되는) 알칼라인 배터리(20A 내지 20C)로 채워지는 도 1의 배터리 팩(8)의 단면도를 도시한다. 비제한적인 예로서, 본 명세서에 기재된 배터리 팩 또는 배터리 팩의 변형된 버전은 헬멧에 장착된 야간 투시 시스템(night vision system) 또는 임의의 다른 전자 장치에 사용될 수 있다.
배터리 팩(8)은 일반적으로 상단 커버(top cover; 12)를 포함하는 외장(enclosure; 10)을 포함하며, 상단 커버는 힌지(16)에 의해 회전 축('A')을 따라 하단 커버(bottom cover; 14)에 피봇 가능하게 결합된다. 상단 커버(12)는 개방 위치(도 1)와 폐쇄 위치(도 2) 사이에서 피봇한다. 커버(12)의 폐쇄 위치에서, 외장(10)의 커버들은 밀폐된 배터리 구획(11)을 형성한다.
상단 커버(12)는 상단 벽(top wall) 및 그 전체 둘레에 걸쳐서 연장하는 측벽(25)을 포함한다. 커버(12)의 벽들은 단부가 개방된(open-ended) 내부 영역을 형성한다. 커버(12)의 측벽(25)은 밀봉 표면(27)을 포함하고, 이 밀봉 표면은, 시일(24)이 이 밀봉 표면(27)에 대해 압축되도록, 외장(10)의 폐쇄 위치에서 시일(24)에 대해 위치설정 가능하다. 상단 커버(12)의 둘레는 실질적으로 직사각형이지만, 임의의 원하는 형상일 수 있다. 상단 커버(12)는 폐쇄 위치(도 2)로 회전될 때 하단 커버(14)의 배터리 구획(11)을 가린다(conceals).
하단 커버(14)는 상단 벽 및 그 둘레에 걸쳐서 연장하는 측벽(21)을 포함한다. 커버(14)의 벽들은 단부가 개방된 내부 영역을 형성한다. 하단 커버(14)의 개방된 내부 영역은 하나 또는 그보다 많은 배터리를 저장하기 위해 단부가 개방된 배터리 구획(11)을 형성한다. 하단 커버(14)의 둘레는 실질적으로 직사각형이지만, 상단 커버(12)의 형상을 보완하는 임의의 원하는 형상일 수 있다.
커버(14)의 측벽(21)은 시일(24)과 맞물리는 밀봉 표면(23)을 형성한다. 미리 결정된 갭이 상단 커버(12)의 밀봉 표면(27)과 하단 커버(14)의 밀봉 표면(23) 사이에 형성된다. 탄성 중합체 방사상 시일(24)이 밀봉 표면들(23, 27) 사이에 위치되어서, 외장(10)의 폐쇄된 배터리 구획(11)으로부터 열의 형태로 열 에너지가 빠져나가는 것을 방지함과 함께 외장(10)의 배터리 구획(11) 안으로 유체 또는 다른 오염물의 유입을 방지한다.
직사각형 슬롯 형태의 패킹 누르개(gland; 22)가 측벽(21)의 외향 밀봉 표면(23)의 원주 둘레에 형성된다. 방사상 시일(24)이 패킹 누르개(22)에 장착된다. 커버(12)가 폐쇄 위치로 회전될 때, 방사상 시일(24)은(도시된 바와 같이) 아래 방향으로 압축되어서 외장(10)의 밀봉된 내부로부터 열의 형태로 열 에너지가 빠져나가는 것과 외장(10)의 밀봉된 내부로 유체 또는 다른 오염물이 유입되는 것을 방지한다.
가요성 잠금 탭(26)이 상단 커버(12)의 측벽(25)으로부터 연장한다. 가요성 잠금 탭(26)은 하단 커버(14)의 측벽(21) 상에 형성되는 직사각형 슬롯(28)과 해제 가능하게 결합하도록 구성된다. 잠금 탭(26)과 슬롯(28) 사이의 형상 결합(positive engagement)은 커버들(12, 14)을 함께 잠근다. 추가로, 탭(26)을 슬롯(28)과 결합시킬 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 시일(24)은 상단 커버(12)의 밀봉 표면(27)에 대해 압축되며, 상단 커버(12)의 절연 시트(15)는 배터리(20B)의 원통형 표면에 대해 하향력(downward force)을 가한다. 잠금 탭(26)은 커버(12, 14) 중 하나를 개방 위치로 회전시키고, 하단 커버(14)의 측벽(21)을 향해 잠금 탭(26)의 자유 단부를 병진이동시킴으로써 슬롯(38)으로부터 해제될 수 있다.
절연 시트(15)는 상단 커버(12)의 최상부 내부 표면에 장착된다. 도 2에 도시된 바와 같은 외장(10)의 폐쇄 위치에서, 절연 시트(15)는 배터리(20B)에 하향력을 가하며, 이는 배터리(20B)의 원통형 표면이 배터리(20A, 20C)의 원통형 표면들을 압박하게 한다. 배터리(20B)의 원통형 외부 표면은 인접한 배터리(20A, 20C)들의 원통형 외부 표면과의 길이 치수를 따라 선 접촉부('C')를 형성하여서, 열 에너지가 이러한 선 접촉부('C')를 통해 배터리들 사이에서 전도될 수 있도록 한다. 시트(15)의 두께 치수는 탭(26)이 슬롯(28) 내에 잠기도록 하면서 배터리(20)들 사이에 물리적 선 접촉부('C')를 형성하도록 맞춰진다(tailored). 본 명세서에 개시되지 않은 다른 예시적 실시예에 따르면, 절연 시트(15)는 생략되며, 커버(12)는 유사한 결과를 얻기 위해 배터리(20B)의 원통형 표면을 직접적으로 압박한다.
단자 플레이트(13)가 하단 커버(14) 내에 장착된다. 단자 플레이트(13)는 배터리(20)들의 단자들과 전기 접속을 형성한다. 배터리 단자들은 단자 플레이트(13)에 의해 서로 직렬로 또는 병렬로 전기 접속된다. 단자 플레이트는 반원통형 리세스(17A 내지 17C)를 포함하며, 이들 리세스는 각각 단일한 배터리(20)를 유지시킬 수 있는 크기로 만들어진다. 통상의 단자 플레이트와 달리, 단자 플레이트(13)의 반원통형 리세스(17A 내지 17C)는 도 2에 도시된 바와 같이 배터리(20)들 사이에 물리적 선 접촉부('C')를 형성하도록 설계된다. 반원통형 리세스(17B)는 반원통형 리세스(17A, 17C)의 높이에 비해 상단 커버(12)에 더 가까운 높이에 위치되어서, 시트(15)가 배터리(20B)를 압박하고, 배터리(20B)가 배터리(20A, 20C)를 압박한다. 반원통형 리세스(17A 내지 17C)는 선택적으로 외장(10) 내에 동일한 높이로 위치된다.
배터리(20)들은 임의의 특정한 크기, 유형, 모양 또는 형상일 수 있으며, 도시된 바에 대해 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 반원통형 리세스(17A 내지 17C)의 크기 및 형상과 구성은 상이한 크기 및 형상의 배터리들을 수용하도록 도시되고 기재된 바와 다를 수 있다.
절연 시트(19)가 하단 커버(14)에 장착되고 단자 플레이트(13) 아래에 위치되어, 외장(10)의 하단부를 절연시키고, 결과적으로 외장(10)의 배터리 구획(11)의 외부로의 열 에너지 이동을 방지한다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 외장(10)의 배터리 구획(11) 내에서 유지중인 열 에너지는 배터리(20)의 온도를 증가시키며, 이는 추운 온도에서 배터리들의 수명을 향상시킨다.
배터리(20)들은 방전을 수반하는 화학 반응을 통해 반응 열 및 줄 열(joule heat)을 발생시킨다. 전기 용량이 더 클수록, 더 많은 열 에너지가 발생되며, 배터리(20)들이 밀봉되기 때문에, 배터리(20) 외부로의 열의 방사가 느려지며, 열의 형태의 열 에너지가 배터리(20)의 내부에 축적된다. 배터리(20)들의 물리적 접촉과 열적 접촉을 모두 유지시킴으로써, 배터리(20)들에 의해 발생된 열이 배터리 팩의 외부로 방사되는 것이 아니라, 그 대신 인접한 배터리(20)들로 전도됨으로써, 모든 배터리(20)의 온도를 상승시킨다.
배터리(20)들을 보다 높은 온도에 유지시키는 것은, 예를 들면 영하 20℃와 같이 추운 온도에서 이들의 수명을 증가시킨다. 반대로, 통상의 배터리 팩에서, 배터리 팩 내의 배터리들은 직접적으로 물리적 접촉하여 위치되지 않음으로써, 작동시 하나의 배터리에 의해 발생된 열이 인접한 배터리들로 전도되지 않으며, 배터리들에 의해 발생된 열이 배터리 구획을 통해 급속하게 방사된다.
배터리 팩(8)의 전술한 열 관리 특징 외에도, 배터리 팩(8)은 하기의 추가 열 절연 제공, 즉: 외장(10)의 균일한 밀봉 특성 및 배터리에 걸쳐서 적용되는 절연 시트(미도시)를 포함한다.
배터리 팩(8)의 균일한 밀봉 특성에 관하여, 외장(10)은 X 및 Y 방향으로 하단 커버(14)에 대한 상단 커버(12)의 병진 이동(또는 그 반대)을 수용하도록 구성되는 2개의 힌지(16)를 포함한다. 즉, 힌지(16)는 시일(24)이 압축될 때, 회전 축('A')을 따르는 (즉, Y축을 따르는) 상단 커버(12)의 축방향 이동뿐 아니라, X축을 따르는 외장(10)의 회전 축('A')의 횡방향 이동(transverse shifting)을 제공한다. 힌지 디자인은 하단 커버(14) 상에 상단 커버(12)의 중심을 맞추도록 상단 커버(12)에 의해 시일(24)이 압축되기 때문에 시일(24)에 의해 가해지는 힘을 이용하는 장점을 가진다. 즉, 시일(24)은 실질적으로 균일한 압축력이 시일(24)의 길이를 따라 가해지도록, X 및 Y 방향으로 상단 커버(12)의 병진이동을 야기한다. 보다 균일한 시일이 외장(10)의 둘러싸인 내부 영역 내에서 배터리(20)들에 의해 발생되는 열을 유지시키는 것을 돕는다. 외장(10)의 균일한 밀봉 특성의 자세한 내용은 모든 목적을 위해 전체로서 본 명세서에서 참조로 통합되는 John Sadler 등의 U.S.특허출원 제XX/XXX,XXX호에서 설명된다.
배터리에 걸쳐서 적용되는 절연 시트(미도시)에 대하여, 이 시트는 이들 배터리(20)를 절연시키기 위해 배터리(20)를 둘러싼다. 시트는 하기의 재료들 중 하나 이상: 알루미늄 테잎, 오픈 셀 폴리우레탄 발포체(open celll polyurethane foam) 및/또는 스티로폼(Styrofoam)으로 구성될 수 있다. 절연 배터리(20)들은 배터리(20)들의 온도를 증가시키며, 이는 추운 온도에서 배터리들의 수명을 향상시킨다.
이제 외장(10)의 재료에 관하여 언급하면, 커버(12, 14)는 사출성형 플라스틱 구성요소이다. 단자 플레이트(13)는 판금(sheet-metal)으로 구성된다. 절연 시트(15)는, 예를 들면 스티로폼과 같은 절연 재료로 구성된다. 절연 시트(19)는 0.006 인치 두께의 난연 폴리프로필렌(flame retardant polypropylene)으로 구성된다. 외장(10)의 개별적인 구성요소들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 당업자에게 공지되어 있는 임의의 성형 과정에 의해 제조되고 임의의 재료로 구성될 수 있음이 이해되어야 한다.
본 발명은 특정한 실시예에 관하여 본 명세서에 도시되고 기재되지만, 본 발명은 도시된 세부사항에 제한되지 않을 것이다. 오히려, 본 발명의 사상을 벗어나지 않고, 특허청구범위에 대한 동등물의 범위 및 범주 내에서 세부 사항에 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
예를 들면, 배터리 팩은 모듈형 디자인으로 제한되지 않으며, 배터리 팩의 구성요소들은 본 발명의 사상 또는 범주를 벗어나지 않고 전자 장치에 직접적으로 통합될 수 있다. 이러한 일례에서, 단자 플레이트(13)는 전자 장치의 배터리 구획 내에 위치되며, 상단 커버(12)는 전자 장치의 배터리 구획 내에 위치되는 배터리들을 압박하고 배터리 구획을 가리도록 전자 징치에 해제 가능하게 장착된다. 추가로, 배터리(20)들은 임의의 크기, 유형, 모양 또는 형상일 수 있으며, 도시된 바에 제한되지 않는다.

Claims (20)

  1. 배터리 팩으로서,
    추운 환경에서의 개선된 작동(enhanced operation)을 위한 배터리 구획;
    상기 배터리 구획 내에 둘 이상의 배터리들을 유지시키도록 상기 배터리 구획 내에 위치되는 단자 플레이트; 및
    상기 배터리 구획을 둘러싸는(enclose) 커버;를 포함하며,
    상기 커버로 상기 배터리 구획을 둘러쌀 때, 상기 커버가 상기 둘 이상의 배터리들 중 하나의 외면을 상기 둘 이상의 배터리들 중 다른 하나의 외면에 대해 압박하도록 구성되어, 상기 둘 이상의 배터리들 사이에 물리적 및 열적 접촉 모두를 형성하고,
    상기 커버는 상기 커버에 장착되는 탄성 시트(resilient sheet)를 포함하며, 상기 배터리 구획을 상기 커버로 둘러쌀 때, 상기 커버의 상기 시트는 상기 둘 이상의 배터리들 중 하나의 외면을 상기 둘 이상의 배터리들 중 다른 하나의 외면에 대해 압박하도록 위치되는,
    배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    둘 이상의 배터리들을 더 포함하는,
    배터리 팩.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 시트는 열 절연 재료로 구성되는,
    배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시트는 상기 둘 이상의 배터리들 중 하나의 외면과 접촉하도록 위치되는,
    배터리 팩.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 구획과 단자 플레이트 사이에 위치되는 열 절연 시트를 더 포함하는,
    배터리 팩.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버에 힌지에 의해 피봇 가능하게 장착되는 제2 커버를 더 포함하며,
    상기 커버는 상기 제2 커버에 대해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 피봇하며, 상기 배터리 구획은 상기 커버의 폐쇄 위치에서 둘러싸이는,
    배터리 팩.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 배터리 구획 내의 배터리들에 의해 발생되는 열 에너지를 유지하도록 커버들 사이에 위치되는 탄성 중합체 시일을 더 포함하는,
    배터리 팩.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 힌지는 하나의 커버를 다른 커버에 대해 제한된 병진 운동할 수 있도록 하여, 상기 시일의 길이를 따라 상기 시일의 균일한 압축을 얻는,
    배터리 팩.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 힌지는 상기 배터리 팩의 2개의 상이한 축들을 따라 하나의 커버를 다른 커버에 대해 제한된 병진 운동할 수 있도록 하는,
    배터리 팩.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 단자 플레이트는 둘 이상의 반원형 리세스들을 형성하며, 상기 반원형 리세스들은 각각 내부에 배터리를 수용하는 크기로 만들어지는,
    배터리 팩.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 단자 플레이트는 셋 이상의 반원형 리세스들을 형성하며, 상기 반원형 리세스들은 각각 내부에 배터리를 수용하는 크기로 만들어지며,
    상기 반원형 리세스들 중 하나는 상기 커버에 대해 다른 반원형 리세스들과 상이한 높이에 위치되는,
    배터리 팩.
  13. 배터리 팩으로서,
    추운 환경에서의 개선된 작동을 위한 배터리 구획;
    상기 배터리 구획 내에 포함되는 둘 이상의 배터리들;
    상기 배터리 구획 내에 둘 이상의 배터리들을 유지시키도록 상기 배터리 구획 내에 위치되는 단자 플레이트; 및
    상기 배터리 구획을 둘러싸는 커버;를 포함하며,
    상기 커버로 상기 배터리 구획을 둘러쌀 때, 상기 커버가 상기 둘 이상의 배터리들 중 하나의 외면을 상기 둘 이상의 배터리들 중 다른 하나의 외면에 대해 압박하도록 구성되어, 상기 둘 이상의 배터리들 사이에 물리적 및 열적 접촉 모두를 형성하고,
    상기 커버는 상기 커버에 장착되는 탄성 시트를 포함하며, 상기 배터리 구획을 상기 커버로 둘러쌀 때, 상기 커버의 상기 시트는 상기 둘 이상의 배터리들 중 하나의 외면을 상기 둘 이상의 배터리들 중 다른 하나의 외면에 대해 압박하도록 위치되는,
    배터리 팩.
  14. 삭제
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 커버에 힌지에 의해 피봇 가능하게 장착되는 제2 커버를 더 포함하며,
    상기 커버는 상기 제2 커버에 대해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 피봇하며, 상기 배터리 구획은 상기 커버의 폐쇄 위치에서 둘러싸이는,
    배터리 팩.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 배터리 구획 내의 배터리들에 의해 발생되는 열 에너지를 유지하도록 커버들 사이에 위치되는 탄성 중합체 시일을 더 포함하는,
    배터리 팩.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 힌지는 하나의 커버를 다른 커버에 대해 제한된 병진 운동할 수 있도록 하여, 상기 시일의 길이를 따라 상기 시일의 균일한 압축을 얻는,
    배터리 팩.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 힌지는 상기 배터리 팩의 2개의 상이한 축들을 따라 하나의 커버를 다른 커버에 대해 제한된 병진 운동할 수 있도록 하는,
    배터리 팩.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 단자 플레이트는 둘 이상의 반원형 리세스들을 형성하며, 상기 반원형 리세스들은 각각 내부에 배터리를 수용하는 크기로 만들어지는,
    배터리 팩.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 단자 플레이트는 셋 이상의 반원형 리세스들을 형성하며, 상기 반원형 리세스들은 각각 내부에 배터리를 수용하는 크기로 만들어지며,
    상기 반원형 리세스들 중 하나는 상기 커버에 대해 다른 반원형 리세스들과 상이한 높이에 위치되는,
    배터리 팩.
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