KR20190093133A - 차량의 전지 팩을 위한 고정 요소 및 이를 포함한 차량용 전지 팩 - Google Patents

차량의 전지 팩을 위한 고정 요소 및 이를 포함한 차량용 전지 팩 Download PDF

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KR20190093133A
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칼-마이클 마사릭
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

차량용 전지 팩이 제공된다. 전지 팩은, 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 적어도 하나의 전지 모듈, 상기 적어도 하나의 전지 모듈을 지지하기 위한 금속 프레임으로서, 상기 프레임은 상기 전지 팩의 바닥 측으로부터 대향하는 장착 측으로 연장되는 복수의 슬롯을 포함하는, 금속 프레임, 및 상기 프레임과 동종의 재료로 만들어지고, 고정 요소를 수용하기 위한 관통 구멍을 포함하는, 각각의 슬롯 내에 단단히 끼워 맞춰진 인서트를 포함한다.

Description

차량의 전지 팩을 위한 고정 요소 및 이를 포함한 차량용 전지 팩{FIXING ELEMENT FOR BATTERY PACK OF VEHICLE, AND BATTERY PACK FOR VEHICLE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 차량용 전지 팩, 특히 전지 팩을 차량의 운반 구조물에 장착하는데 유용한 고정 요소(fixing element)에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안, 물건과 사람들의 운송 수단은 전력을 운전의 원천으로 사용하여 개발되었다. 이러한 전기 자동차는 충전식 전지에 저장된 에너지를 사용하여 전기 모터에 의해 추진되는 자동차이다. 전기 자동차는 전적으로 전지에 의해 구동되거나, 예를 들어 가솔린 발전기에 의해 구동되는 하이브리드(hybrid) 자동차의 형태일 수 있다. 또한, 차량은 전기 모터와 종래의 연소 엔진의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전기 자동차 전지(EVB, Electric-Vehicle Battery) 또는 견인 전지(traction battery)는 전지 전기 자동차(BEV, Battery Electric Vehicles)의 추진에 사용되는 전지다. 전기 자동차 전지는 지속 시간 동안 전력을 공급할 수 있도록 설계되었으므로 시동, 조명 및 점화 전지와는 다르다. 충전식 또는 이차 전지는 충전 및 방전이 반복될 수 있다는 점에서 1 차 전지와 다르며, 후자는 화학 물질을 전기 에너지로 비가역적 변환만 제공한다. 저용량의 충전식 전지는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원으로 사용되는 반면, 고용량의 충전식 전지는 하이브리드 자동차 등의 전원으로 사용된다.
일반적으로, 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통해 전지의 충 방전을 가능하게 하기 위해 전해질 용액을 상기 케이스에 주입한다. 예를 들어, 원통형 또는 직사각형인 케이스의 형상은 전지의 용도에 따라 다르다. 랩톱 및 가전 제품에서 사용되는 것으로 널리 알려진 리튬 이온(및 유사한 리튬 폴리머) 전지는 개발중인 최신 전기 자동차 그룹에서 가장 두드러진다.
이차 전지는 고 에너지 밀도를 제공하기 위해, 특히 하이브리드 자동차의 모터 구동을 위해 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 단위 전지 셀로 형성된 전지 모듈로서 사용될 수 있다. 즉, 전지 모듈은 필요한 전력량에 따라 고출력 이차 전지를 구현하기 위하여 복수의 단위 전지 셀의 전극 단자를 연결함으로써 형성된다.
전지 팩은 여러 개의 (바람직하게는 동일한) 전지 모듈의 세트이다. 이들은 원하는 전압, 용량 또는 전력 밀도를 제공하기 위해 직렬, 병렬 또는 두 가지 혼합 방식으로 구성될 수 있다. 전지 팩의 구성 요소에는 개별 전지 모듈과, 그 사이에 전기 전도성을 제공하는 상호 연결부가 포함된다. 전지가 안전 작동 영역 외부에서 작동하지 않도록 보호하고, 그 상태를 모니터링하고, 보조 데이터를 계산하고, 그 데이터를 보고하고, 그 환경을 제어하고, 이를 인증하거나 또는 균형 맞추는 것 등에 의해 전지 팩을 관리하도록 전지 관리 시스템(BMS, Battery Management System)이 제공된다.
전지 팩의 열 제어를 제공하기 위해, 이차 전지로부터 발생된 열을 효율적으로 발산, 방출 및/또는 방산함으로써 적어도 하나의 전지 모듈을 안전하게 사용하기 위한 열 관리 시스템이 필요하다. 상기 열의 발산/방출/방산이 충분히 수행되지 않으면, 각 전지 셀 사이에서 온도 편차가 발생하여 상기 적어도 하나의 전지 모듈이 원하는 양의 전력을 생성할 수 없게 된다. 또한, 내부 온도의 상승은 그 내부에서 비정상적인 반응을 일으켜 이차 전지의 충전 및 방전 성능이 저하되고 이차 전지의 수명이 단축된다. 따라서, 셀로부터 효과적으로 열을 발산/방출/방산하기 위한 셀 냉각이 요구된다.
그러한 전지 팩의 기계적 통합은 개별 부품들, 일례로 전지 모듈 사이, 및 이들과 차량의 지지 구조물 사이의 적절한 기계적 연결을 필요로 한다. 이러한 연결은 전지 시스템의 평균 서비스 수명 동안 기능을 유지하고 오래가야 한다. 또한, 특히 자동차 응용 분야에서, 설치 공간 및 호환성 요구 사항을 충족해야 한다.
전지 모듈의 기계적 통합은 캐리어 프레임(carrier framework)을 제공하고 전지 모듈을 그 위에 배치함으로써 달성될 수 있다. 전지 셀 또는 서브 모듈을 고정하는 것은 프레임에 갖추어진 함몰부 또는 볼트 또는 나사와 같은 기계적인 상호 연결부에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 전지 모듈은 캐리어 프레임 구조물의 측면에 측판을 고정함으로써 구속된다. 또한, 커버 플레이트는 전지 모듈의 상단 및 하단에 고정될 수 있다.
전지 팩의 캐리어 프레임은 차량의 운반 구조물에 장착된다. 전지 팩이 차량의 바닥에 고정되어야 하는 경우, 전지 팩의 캐리어 프레임을 통과하는, 예를 들어 볼트에 의해 아래쪽에서 기계적 연결이 설정될 수 있다. 프레임은 일반적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어져 구조의 총 중량을 낮춘다. 그러나, 차량용 전지 팩은 600kg 이상의 중량을 가질 수 있으므로, 차량의 운반 구조물과 함께 여러 위치에 고정될 필요가 있다. 이러한 각 고정 장치는 전지 팩의 견고성과 기계적 안정성을 보장해야 한다. 기존 기술에서, 상기 고정은, 프레임의 슬롯에 삽입되고 나사용 관통 구멍을 제공하는, 특별히 설계된 강철 부싱(bushing)의 사용을 포함한다. 이러한 부싱은 프레임과 함께 부식 과정을 피하기 위해 부식 방지층으로 코팅될 필요가 있다. 또한, 강철 부싱의 하부 측 뿐만 아니라 나사가 너트에 의해 고정되는 상부 측에 밀봉부가 형성될 필요가 있다. 마지막으로, 강철 부싱은, 프레임의 슬롯 내에서 강철 부싱의 비틀림을 피하기 위해 비틀림 방지 요소를 포함한다. 결과적으로, 차량의 운반 구조물에 전지 팩을 장착하는 제조 공정이 복잡하고 공정의 자동화에 장애가 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 기존 기술의 단점들 중 적어도 일부를 극복하거나 감소시키고, 차량의 운반 구조물에 보다 쉽게 장착될 수 있는 전지 팩을 제공하는 것이다. 특히 이 해법을 통해 제조 프로세스를 자동화할 수 있어야 한다.
기존 기술의 하나 이상의 단점은 본 발명에 의해 회피되거나 또는 적어도 감소될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전지 팩은, 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 적어도 하나의 전지 모듈, 상기 적어도 하나의 전지 모듈을 지지하기 위한 금속 프레임으로서, 상기 프레임은 상기 전지 팩의 바닥 측으로부터 대향하는 장착 측으로 연장되는 복수의 슬롯(slot)을 포함하는, 금속 프레임, 및 상기 프레임과 동종의 재료로 만들어지고, 고정 요소를 수용하도록 마련된 관통 구멍을 포함하는, 각각의 슬롯 내에 단단히 끼워 맞춰진 인서트(insert)를 포함한다.
환언하면, 본 발명의 전지 팩은 지지 프레임의 일부, 즉 프레임의 내부 공간을 세분하고 내부에 조립된 전지 모듈을 지지하는 주위 프레임(circumferential frame) 또는 크로스 부재(cross-member) 내에 형성된 슬롯을 포함한다. 슬롯은 전지 팩의 바닥 측으로부터 전지 팩이 차량의 운반 구조물에 고정되는 장착 측으로 연장한다. 이 슬롯 내에는 전지 팩이 차량에 장착될 때, 고정 요소, 특히 나사가 통과하는 중심 관통 구멍을 포함하는 특정 인서트가 제공된다. 본 발명의 인서트의 주된 이점은 인서트 몸체가 프레임과 유사한(특히 동일한) 재료로 제조된다는 것이다. 재료가 유사하기 때문에, 예를 들어 기존 기술에서의 강철 부싱(bushing)과 알루미늄 프레임을 사용하는 것과 비교하여 인서트의 별도의 부식 방지 코팅이 필요하지 않다. 또한, 인서트 및 프레임은 동일한 열팽창 계수를 갖는다. 바람직하게는, 프레임 및 인서트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진다.
인서트는, 자동으로 수행될 수 있는 빠르고 간단한 작동 방식으로 전지 팩의 프레임의 슬롯 내로 압입될 수 있다. 또한 거대한 밀봉 표면으로 인한 간단한 밀봉이 가능하다. 예를 들어, 간단하고 평평한 가스켓이 인서트의 양쪽에 사용될 수 있다. 또한, 인서트를 포함하는 전지 팩을 차량의 운반 구조물에 장착하는 것은, 고정 요소만이 인서트의 관통 구멍을 통과해야 하고 부싱 또는 카운터 너트(counter nuts)와 같은 추가 요소가 필요 없다는 사실 때문에 단순해진다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 구멍이 상기 프레임의 측면으로부터 상기 슬롯을 향해 연장되고, 상기 인서트는 상기 구멍 내에 위치된 용접 접합부에 의해 슬롯 내에 고정된다. 즉, 상기 프레임의 슬롯 내에서의 상기 인서트의 고정은 용접에 의해 달성된다. 원칙적으로, 이러한 용접은 상기 프레임의 바닥 측 또는 장착 측에서 수행될 수도 있지만, 고르지 않은 표면이 형성되어 상기 전지 팩의 밀봉을 악화시킬 수 있다. 따라서, 용접은 상기 프레임의 측면에 제공된 구멍을 통해 상기 인서트의 측면으로부터 상기 슬롯의 단부까지 수행된다. 동종의 재료, 특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진 부품들 사이의 용접 지점을 설정하는 것은 다른 재료로 만들어진 부품의 용접과 비교하여 더 쉽다. 용접은 자동으로 수행될 수 있다. 마지막으로, 추가적인 비틀림 방지 요소가 상기 용접된 인서트에 설치될 필요가 없다.
상기 인서트는 상기 슬롯 내에 단단히 끼워 맞춰질 때, 회전될 수 없는 형상을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 실시예는 용접하는 동안 상기 인서트의 위치가 회전에 대해 고정된다는 이점을 가질 수 있다. 특히, 상기 인서트는, 제조 공정이 간단하고, 상기 밀봉면이 모서리에 의해 방해 받지 않으며, 상기 인서트의 상부 및 하부 표면이 구멍과 같은 추가 기능 요소를 운반하기 위해 용이하게 사용될 수 있기 때문에, 타원형 베이스를 갖는 원통형 몸체가 될 수 있다(아래 참조). 그러나, 슬롯에서 회전할 수 없는 다른 인서트 형상이 실현될 수 있다.
전지 팩의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 인서트의 상단의 표면은 상기 장착 측을 덮는 플레이트를 장착하기 위한 구멍을 포함하거나, 상기 인서트 하단의 표면은 상기 전지 팩의 바닥 측을 덮는 플레이트를 장착하기 위한 구멍을 포함한다. 즉, 상단 및 하단 전지 커버의 부착은, 예를 들어 셀프-태핑(self-tapping) 나사에 의해 단순화될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 전술 한 전지 팩을 포함하는 차량이 제공된다. 상기 전지 팩은 상기 인서트의 관통 구멍을 통과하는, 나사와 같은 고정 요소에 의해 차량의 운반 구조물에(직접 또는 간접적으로) 장착된다.
본 발명의 다른 양태는 종속 청구항 또는 하기의 설명으로부터 알 수 있다.
특징들은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세하게 설명함으로써 당업자에게 명백해질 것이다:
도 1은 전지 팩을 포함하는 차량의 개략도이다.
도 2는 기존의 관통 구멍 나사 결합을 포함하는 기존의 기술에 따른 전지 팩의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 전지 팩에 사용된 기존의 관통 구멍 나사 결합의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 차량 부품에 고정을 확립하기 위한 인서트를 포함하는 전지 팩을 도시한 부분 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예에 사용된 인서트에 대한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 효과 및 특징, 그리고 그 구현 방법을 설명한다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타내고, 중복되는 설명은 생략된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련 열거된 항목의 임의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예를 기술할 때 "할 수 있다"를 사용하는 것은 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다.
여기에서, 용어 "상부" 및 "하부"는 z 축에 따라 정의된다. 예를 들어, 상부 커버는 z 축의 상부에 위치하고, 하부 커버는 그 하부에 위치한다. 도면에서, 구성요소의 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 각 구성요소의 크기 또는 두께는 설명의 목적으로 임의로 제시될 수 있으며, 따라서 본 발명의 실시예는 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
전기 또는 하이브리드 자동차에서, 전지 팩은 일반적으로 하부 차체, 즉 바닥 내부에 거대한 공간을 요구한다. 따라서 전지 팩은 차량 운반 구조물에 고정하기 위해 여러 가지 고정 장치를 제공해야 한다. 도 1은 차량(300)의 운반 구조물의 바닥에 장착된 전지 팩(10)을 포함하는 차량(300)을 간단하게 도시하고 있다.
도 2는, 기존의 고정 장치에 의해, 도 1에 개략적으로 도시된 것과 같은, 차량의 운반 구조물에 장착되는 기존 기술의 전지 팩(10)의 개략적인 단면도이다. 전지 팩(10)은 다수의 전지 모듈(12)을 포함하는데, 각각의 전지 모듈은 복수의 이차 전지 셀(여기서는 상세히 도시되지 않음)을 포함한다. 전지 모듈(12)은, 전체 주위 프레임(16) 및 각각의 전지 모듈(12) 사이에 개재된 몇몇 크로스 부재(18)를 포함하는 금속 프레임(14) 내에 조립된다. 전지 모듈(12)을 지지하기 위한 금속 프레임(14)은 전지 팩(10)의 바닥 측으로부터 대향하는 장착 측으로 연장하는 복수의 관통 구멍(20)을 포함한다. 관통 구멍(20)은 고정 부재로서의 나사(22)를 수용하도록 되어있다. 프레임(14)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조될 수 있다.
여기서, BIW("Body In White") 또는 차량의 고정 지점은 전지 팩(10)의 뒤에 위치하고, 보다 구체적으로, 예시적인 전지 팩(10)은 도 1의 실시예에 따른 차량 바닥에 바닥 아래에 설치하는 애플리케이션(application)으로서 장착된다. 따라서, 장착 방향은 전지 팩(10)의 바닥 측으로부터 장착 측을 향한다. 견고한 연결을 보장하기 위해, 나사 연결부는 관통 구멍(20)을 이용하여 전지 팩(10)의 전체 두께를 통합한다. 나아가, 전지 팩(10)의 기밀성은 전지 수명이 다할 동안 어떤 방식으로든 이러한 관통 구멍(20)에 의해 영향을 받지 않아야 한다.
도 2의 기존의 전지 팩(10)의 관통 구멍 나사 결합을 형성하는 방법이 도 3에 도시되어 있다. 여기서, 회전된 강철부 또는 강철 부싱(24)이 카운터 너트(26)에 의해 전지 팩(10)에 부착된다. 강철 부싱(24)의 헤드는 비틀림 보호 요소(28)를 포함한다. 예시된 해법의 단점은 다음과 같다: 강철 부싱(24)의 제조는 복잡하며, 성형, 나사 절삭, 코팅(이는 강철 부싱과 알루미늄 프레임의 재질이 다르기 때문에 필요하다), 비틀림 보호의 확립, 및 강철 부싱(24)의 하부 측에 밀봉을 이루는 단계로 구성된다. 강철 부싱(24)의 전지 팩에 대한 조립은 카운터 너트(26)를 부착함으로써 이루어지며, 또한 카운터 너트(26)는 그에 따라 밀봉되는 것이 필요하다. 따라서, 이러한 기존의 나사 연결을 이루기 위해, 코팅된 강철 부싱(24), 카운터 너트(26) 및 나사(22)의 세 부분이 요구된다. 따라서, 공정의 자동화가 복잡하다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 실시예의 세부 사항을 도시하고 있다. 보다 구체적으로, 도면은 차량 부품, 특히 그 운반 구조물에 보다 용이하게 고정하기 위한 본 발명의 인서트(200)를 포함하는 전지 팩의 일부에 대한 사시도를 도시한다. 기본적으로, 도시된 실시예에 따른 전지 팩은 나사 연결을 위한 기존의 관통 구멍(20)의 존재를 제외하고 도 2에 도시된 것과 동일 할 수 있다. 전지 팩은 도 1에 개략적으로 표시된 것처럼 차량의 바닥에 장착될 수 있다.
도 4의 실시예는 타원형 베이스의 슬롯(102)이 프레임(100)을 절개하여 그 내부에 공간을 확보함으로써 형성된다는 점에서 도 2에 도시된 예시적인 기존의 형태에서 벗어난다. 슬롯(102)은 전지 팩의 바닥 측으로부터 장착 측까지 연장된다. 프레임은 알루미늄 또는 그 합금으로 제조될 수 있다. 슬롯(102) 내에서 인서트(200)는 단단히 끼워진다. 즉, 인서트(200)는 슬롯(102)의 형상에 대응하는 타원형 베이스를 갖는 원통 형상을 갖는다.
프레임(100)은 그 측면에 슬롯(102) 내부로 이어지는 구멍(110)을 더 포함하며, 이 구멍(110)은 프레임의 길이 방향에 대하여 수직으로 슬롯(102) 상부를 향해 연장된다. 인서트(200)를 슬롯(102) 내에 위치시킨 후에, 용접 접합부(220)가 구멍(110) 내에 설정되어 프레임과 인서트(200) 사이를 결합하도록 용접이 수행된다. 용접 접합부(220)에는 덧붙임 소재가 확립될 수 있다.
인서트(200)는 도 5에 개별적으로 도시되어 있으며 중앙에 위치한 관통 구멍(202)을 포함한다. 관통 구멍(202)은 전지를 차량의 운반 구조물에 부착하는데 필요한 나사(122, 도 4 참조)를 수용한다. 인서트(200)는 프레임과 동일한 재료, 특히 압출된 알루미늄으로 제조될 수 있다.
인서트(200)의 상부면(204)에는 장착 측(즉, 차량의 운반 구조물에 대향하는 측면)에 구멍(210)이 형성될 수 있으며, 이는 인서트(200)의 장착 측을 덮을 수 있는 플레이트를 고정하기 위해 제공된다. 또한, 인서트(200)의 하부면 상에는 전지 팩(도시되지 않음)의 바닥 측을 덮는 또 다른 플레이트를 고정하기 위한 구멍이 더 제공될 수 있다.
상기에서는 본 기재의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (7)

  1. 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 적어도 하나의 전지 모듈;
    상기 적어도 하나의 전지 모듈을 지지하기 위한 금속 프레임으로서, 상기 프레임은 상기 전지 팩의 바닥 측으로부터 대향하는 장착 측으로 연장되는 복수의 슬롯(slot)을 포함하는, 금속 프레임; 및
    상기 프레임과 동종의 재료로 만들어지고, 고정 요소를 수용하도록 마련된 관통 구멍을 포함하는, 각각의 슬롯 내에 단단히 끼워 맞춰진 인서트
    를 포함하는 차량용 전지 팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 및 인서트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 전지 팩.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 구멍이 상기 프레임의 측면으로부터 상기 슬롯을 향해 연장되고 상기 인서트가 상기 구멍 내에 위치된 용접 접합부에 의해 상기 슬롯 내에 고정되는, 전지 팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 인서트는 상기 슬롯 내에 단단히 끼워 맞춰질 때, 회전될 수 없는 형상을 갖는, 전지 팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 인서트는 타원형 베이스를 갖는 원통형 몸체인, 전지 팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 인서트 상단의 표면은 상기 장착 측을 덮는 플레이트를 장착하기 위한 구멍을 포함하거나, 상기 인서트 하단의 표면은 상기 전지 팩의 바닥 측을 덮는 플레이트를 장착하기 위한 구멍을 포함하는, 전지 팩.
  7. 전지 팩을 포함하는 차량에 있어서,
    복수의 이차 전지 셀을 포함하는 적어도 하나의 전지 모듈;
    상기 적어도 하나의 전지 모듈을 지지하기 위한 금속 프레임으로서, 상기 프레임은 상기 전지 팩의 바닥 측으로부터 대향하는 장착 측까지 연장되는 복수의 슬롯을 포함하는, 프레임; 및
    상기 프레임과 동종의 재료로 만들어지고, 고정 요소를 수용하도록 마련된 관통 구멍을 포함하는, 각각의 슬롯 내에 단단히 끼워 맞춰진 인서트를 포함하고,
    상기 전지 팩은 상기 인서트의 관통 구멍을 통과하는 고정 요소에 의해 상기 차량의 운반 구조물에 장착되는, 차량.
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