KR20210071380A - 전지 모듈 및 이를 포함한 전지 팩 - Google Patents

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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 기재의 전지 모듈은, 적어도 하나의 전지 셀을 포함하는 셀 조립체, 상기 셀 조립체의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 단자 버스바와, 상기 셀 조립체를 적어도 일측에서 커버하는 버스바 프레임을 포함하는 버스바 조립체, 및 상기 버스바 조립체를 외측에서 덮는 절연 프레임을 포함하고, 상기 단자 버스바에 인접하고, 상기 절연 프레임의 내부에 공간이 구비된 너트 삽입실에 실장되는 너트를 포함하고, 상기 너트는 일측과 타측을 모두 관통하도록 형성된 쓰루 홀(through hole)을 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함한 전지 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈과 전지 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로 단자 연결구조를 통해 전기적으로 연결된 전지 모듈을 포함한 전지 팩에 관한 것이다.
이차 전지는 제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지기 때문에, 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
상기 전기 자동차 등에 적용되는 전지 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀을 포함하는 다수의 셀 조립체를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차 전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 전지 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
복수개의 전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지 팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지 셀로 이루어지는 전지 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 상기 전지 팩에 포함되는 전지 모듈의 개수, 또는 전지 모듈에 포함되는 전지 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
복수의 전지 모듈을 서로 연결하기 위하여 단자 연결 구조물을 서로 이웃한 전지 모듈 간에 체결할 수 있으며, 이 때 볼트 및 너트 체결 구조가 적용될 수 있다. 종래에는, 도 6에 도시한 바와 같이, 절연 프레임(30)의 너트 삽입실(31)에 실장되는 너트(50)가, 하부가 막혀있는 형태의 홀(51)을 포함하도록 형성되었다. 그러나 이러한 구조에 있어서, 너트(50) 제조시 발생하는 가공 칩 등의 이물질이 완벽하게 제거 되기 어렵고, 이와 같이 잔존하는 칩에 의해 조립 및 전기적 접촉시 불량이 발생하는 문제가 있었다. 또한, 너트(50)의 부식 방지를 위한 도금 적용시, 홀(51)의 바닥 및 구석진 부분에까지 일정한 두께를 갖는 도금을 형성할 수 없어서, 부식이 쉽게 발생할 수 있다는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 제조 과정에서 발생하는 이물질의 제거가 용이하고, 균일한 도금층을 형성할 수 있는 단자 버스바용 너트를 포함하는 전지 모듈을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 적어도 하나의 전지 셀을 포함하는 셀 조립체, 상기 셀 조립체의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 단자 버스바와, 상기 셀 조립체를 적어도 일측에서 커버하는 버스바 프레임을 포함하는 버스바 조립체, 및 상기 버스바 조립체를 외측에서 덮는 절연 프레임을 포함하고, 상기 단자 버스바에 인접하고, 상기 절연 프레임의 내부에 공간이 구비된 너트 삽입실에 실장되는 너트를 포함하고, 상기 너트는 일측과 타측을 모두 관통하도록 형성된 쓰루 홀(through hole)을 포함한다.
상기 너트는 너트 본체 및 상기 본체 본체의 전체 면을 덮는 도금층을 포함할 수 있다.
상기 도금층은 상기 쓰루 홀의 내부면 전체를 덮고 있다.
상기 너트 삽입실은 상기 너트가 위치하는 제1 공간, 및 상기 제1 공간의 하부로 연장되어 상기 쓰루 홀을 관통한 볼트가 위치할 수 있는 제2 공간을 포함할 수 있다.
상기 너트 삽입실과 상기 너트 사이에는 상기 너트가 유동할 수 있는 간격이 존재할 수 있다.
상기 단자 버스바에 체결 구멍이 형성되고, 상기 너트는 나사 구멍이 상기 체결 구멍과 적어도 일부분 중첩하도록 상기 너트 삽입실 내에 실장될 수 있다.
상기 절연 프레임의 외측에 결합되는 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 너트는 금속의 단조 가공 및 탭핑 가공에 의해 형성될 수 있다.
상기 너트 본체는 스틸을 포함하고, 상기 도금층은 아연, 니켈, 또는 이들의 조합 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은, 상기한 적어도 하나의 전지 모듈, 및 상기 적어도 하나의 전지 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기한 적어도 하나의 전지 팩을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 단자 버스바로 사용되는 너트의 구조에 있어서, 일측과타측을 모두 관통하도록 형성된 쓰루 홀을 포함함으로써, 쓰루 홀 내의 이물질을 용이하게 제거하고, 균일한 도금층을 형성하는 것이 가능한바, 조립 및 전기적 접촉시 불량 발생을 방지하고, 또한 부식 발생을 방지할 수 있는 단자 버스바용 너트를 포함하는 전지 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 버스바 조립체, 절연 프레임 및 엔드 플레이트를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에서 단자 버스바의 결합 이전의 상태에서 III-III 선을 따라 잘라서 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 너트의 단면을 잘라서 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 너트를 제조하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 6는 종래 기술의 전지 모듈에서 절연 프레임의 너트 삽입실에 너트가실장된 상태를 잘라서 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에"있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 버스바 조립체, 절연 커버 및 엔드 플레이트를 도시한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 셀 조립체와 이를 수용하며 전지 모듈(100)의 외관을 형성하는 모듈 케이스(135)의 적어도 일측에 버스바 프레임(155), 절연 프레임(163) 및 엔드 플레이트(165)을 포함한다. 버스바 프레임(155)은 셀 조립체의 전극 리드가 인출되는 방향의 측면에 위치하고, 버스바 프레임(155)에 버스바(151)가 외측을 향해 고정되어 버스바 조립체를 구성할 수 있다. 셀 조립체의 전극 리드는 버스바 프레임(155)에 형성된 슬릿을 통과하여 버스바(151)와 전기적으로 연결될 수 있다. 절연 프레임(163)은 버스바 프레임(155)의 외측에 위치한다. 절연 프레임(163)는 버스바 프레임(155)과 인접하게 위치하고, 엔드 플레이트(165)는 절연 프레임(163)를 덮으며 그 외측에 위치한다.
절연 프레임(163)과 버스바 프레임(155)은 각각 비전도성 사출물로 이루어질 수 있고, 엔드 플레이트(165)는 금속 재료로 이루어질 수 있다.
셀 조립체를 구성하는 전지 셀은 파우치형 이차 전지로 구비될 수 있고, 셀 조립체 내에 복수 개로 적층되어 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 전지 셀들은 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 전지 셀 각각은 전극 조립체와 이를 수용하는 전지 케이스 및 상기 전지 케이스 밖으로 돌출되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 리드를 포함할 수 있다.
또한, 전지 모듈(100)은 각종 전장 부품들을 포함할 수 있으며, 일례로 ICB (Internal Circuit Board) 및 BMS (Battery Management System) 등을 포함할 수 있다. 상기 ICB 및 BMS 보드 등의 전장 부품들은 상기 복수 개의 전지 셀들과 전기적으로 연결될 수 있다.
전지 모듈(100)은 복수 개가 서로 이웃하여 전기적으로 결합될 수 있도록 모듈 단자부를 형성할 수 있다. 본 실시예에서 전지 모듈(100)은 버스바 프레임(155)에 고정되는 버스바들 중에서 양쪽 최외곽에 위치한 단자 버스바(153)를 구비할 수 있다. 단자 버스바(153)는 상단에서 버스바 프레임(155)의 주된 면에 대하여 수직하게 절곡되는 플레이트를 포함하여, 상기 플레이트에 체결 구멍이 형성될 수 있다.
도 3은 도 1에서 단자 버스바의 결합 이전의 상태에서 III-III 선을 따라 잘라서 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 너트의 단면을 잘라서 나타낸 도면이다.
절연 프레임(163) 내에 단자 버스바(153)와 인접하여 너트 삽입실(168)이 구비될 수 있다. 너트 삽입실(168)에는 너트(173)가 실장될 수 있도록 공간이 마련되고, 너트(173)는 너트 삽입실(168)에 실장된다.
너트(173)는 너트(173)의 일측과 타측을 모두 관통하도록 형성된 쓰루 홀(H)을 포함한다. 쓰루 홀(H)은 단자 버스바(153)의 체결 구멍 및 모듈간 버스바의 체결 구멍과 정렬하여, 볼트가 이들 체결 구멍 및 쓰루 홀(H)을 관통하는 것에 의해 인접하는 전지 모듈(100) 간의 전기적 연결을 달성할 수 있다. 너트(173)의 쓰루 홀(H)이 관통 형태로 형성되는 것에 의해, 후술하는 너트(173)의 제조 과정에서 발생하는 가공 칩 또는 기타 이물질이, 쓰루 홀(H)내부에 남지 않고 용이하게 제거될 수 있기 때문에, 칩 등에 의해 조립 및 전기적 접촉시 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 너트(173)는 너트 본체(1731) 및 너트 본체(1731)의 전체 면을 덮는 도금층(1732)을 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때, 도금층(1732)은 쓰루 홀(H) 내부면 전체를 덮도록 형성되어, 너트(173)의 부식을 방지하는 역할을 한다. 쓰루 홀(H) 내부에 도금층(1732)을 형성하는 과정에서 종래와 같이 일측이 막혀있는 구조라면, 도금층(1732)을 형성하기 위한 재료가 내부에까지 충분하기 도포되지 못하거나, 일부에 정체될 수 있고, 또는 구석진 부분에 도달하지 못하는 현상이 발생하여, 도금층(1732)의 두께가 균일하게 형성되지 못하는 문제가 있다. 이 경우, 도금층(1732)이 얇게 형성된 부분에서는 부식이 쉽게 발생할 우려가 있고, 도금층(1732)이 두껍게 형성된 부분에서는 원하는 치수대로 부품이 형성되지 않는다는 문제가 발생할 수 있다. 그러나, 본 실시예에서와 같이, 너트 본체(1731) 전체를 관통하는 형태의 쓰루 홀(H)을 포함하는 것에 의해, 도금층(1732)을 균일하게 형성할 수 있는바, 상술의 문제들을 해결할 수 있다. 너트 본체(1731)은 스틸로 이루어질 수 있고, 도금층(1732)은 아연, 니켈 또는 이들의 조합 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
너트 삽입실(168)은, 도 3에 도시한 바와 같이 너트(173)가 위치하는 제1 공간(1681) 및 제1 공간(1681)의 하부로 연장되어, 쓰루 홀(H)을 관통한 볼트(도시하지 않음)가 위치할 수 있는 제2 공간(1682)을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 볼트의 단부가 절연 프레임(163)의 외측으로 노출되지 않도록 할 수 있기 때문에, 부품의 손상이나 단락을 방지할 수 있다.
너트(173)가 너트 삽입실(168)에 실장될 때, 너트(173)와 너트 삽입실(168) 사이에는 너트(173)가 약간의 유동을 할 수 있는 간격이 존재할 수 있다. 이러한 간격이 존재하는 것에 의해 볼트 및 단자 버스바(153)와 결합하는 과정에서 쓰루 홀(H), 단자 버스바(153)의 체결 구멍, 및 볼트가 정렬될 때, 정위치에서 다소 벗어난 경우라도 간격 내의 너트(173)가 유동하는 것에 의해 정위치로 정렬할 수 있다.
너트(173)가 실장된 너트 삽입실(168) 상부에는 단자 버스바(153)가 위치할 수 있다. 이는 단자 버스바(153)가 고정된 버스바 조립체(150)와 너트 삽입실(168)이 구비된 절연 프레임(163)가 서로 결합할 때 위치가 설정된다. 단자 버스바(153)에는 체결 구멍이 형성되는데, 볼트가 단자 버스바(153)를 관통하여 너트(173)에 체결될 때 상기 체결 구멍을 통해 체결될 수 있다. 그리고 너트(173)는 나사 구멍이 상기 체결 구멍과 적어도 일부분 중첩하도록 너트 삽입실(168) 내에 실장된다. 이로써 전지 모듈간의 전기적 연결을 위해 볼트를 너트(173)에 삽입할 때 체결 용이성을 향상시킬 수 있으며 작업 속도를 높일 수 있다.
이러한 너트 삽입실(168)과 이에 삽입되는 너트(173)는 절연 프레임(163)의 평면 방향의 양쪽, 즉 제1 방향으로 양쪽에 하나씩 배치될 수 있다. 양쪽에 배치된 너트(173)에 각각 단자 연결 구조물이 볼트를 통해 체결되어 양쪽으로 이웃한 전지 모듈과의 전기적 연결에 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 너트를 제조하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이 스틸 등으로 이루어진 금속봉을, 소정의 길이로 절단한 후, 단조(Forging)가공을 통해 두드려서 원하는 형상을 얻을 수 있다. 원하는 형상으로 얻어진 너트 본체(1731)에 대해, 탭핑(Tapping) 가공을 통해, 쓰루 홀(H)을 형성할 수 있다. 이 과정에서, 구멍이 형성될 때 발생하는 가공 칩 등이, 쓰루 홀(H) 내부에 남아 있지 않고 용이하게 완전히 제거하는 것이 가능하기 때문에, 제조 후 해당 너트(173)를 조립 및 전기적 접촉에 적용하더라도 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 한편, 쓰루 홀(H) 내부에는 나사산이 형성될 수도 있고, 단지 매끈한 표면을 갖도록 형성될 수도 있으며 특별히 한정되지는 않지만, 체결되는 볼트의 형상에 따라 적절히 가공할 수 있다. 이러한 가공 방법에 의하면, 저렴한 비용으로 대량의 너트를 생산할 수 있다는 면에서 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 단자 버스바의 결합을 위한 너트(173)의 형상을, 너트(173)의 일측 및 타측을 관통하는 쓰루 홀(H)을 포함하도록 형성하는 것에 의해, 쓰루 홀(H) 내부에 가공 칩 등의 이물질을 용이하게 제거할 수 있고, 내부의 도금층 두께도 균일하게 할 수 있다. 이에 의해, 조립 및 전기적 접촉시 불량 발생을 방지하고, 또한 부식 발생을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 단자 연결 구조물을 통하여 서로 전기적으로 연결되면서 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 형성할 수 있다. 즉, 서로 인접한 전지 모듈의 단자 버스바를 연결하는 모듈간 버스바를 볼트를 이용하여 고정함으로써 복수의 전지 모듈을 전기적으로 연결할 수 있으며, 이로써 전지 팩을 구성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전지 모듈 135: 모듈 케이스
150: 버스바 조립체 151: 버스바
153: 단자 버스바 155: 버스바 프레임
163: 절연 프레임 165: 엔드 플레이트
168: 너트 삽입실 173: 너트
H: 쓰루 홀

Claims (11)

  1. 적어도 하나의 전지 셀을 포함하는 셀 조립체;
    상기 셀 조립체의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 단자 버스바와, 상기 셀 조립체를 적어도 일측에서 커버하는 버스바 프레임을 포함하는 버스바 조립체; 및
    상기 버스바 조립체를 외측에서 덮는 절연 프레임
    을 포함하고,
    상기 단자 버스바에 인접하고, 상기 절연 프레임의 내부에 공간이 구비된 너트 삽입실에 실장되는 너트를 포함하고,
    상기 너트는 일측과 타측을 모두 관통하도록 형성된 쓰루 홀(through hole)을 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 너트는 너트 본체 및 상기 너트 본체의 전체 면을 덮는 도금층을 포함하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 도금층은 상기 쓰루 홀의 내부면 전체를 덮고 있는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 너트 삽입실은 상기 너트가 위치하는 제1 공간, 및 상기 제1 공간의 하부로 연장되어 상기 쓰루 홀을 관통한 볼트가 위치할 수 있는 제2 공간을 포함하는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 너트 삽입실과 상기 너트 사이에는 상기 너트가 유동할 수 있는 간격이 존재하는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 단자 버스바에 체결 구멍이 형성되고,
    상기 너트는 나사 구멍이 상기 체결 구멍과 적어도 일부분 중첩하도록 상기 너트 삽입실 내에 실장된 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 절연 프레임의 외측에 결합되는 엔드 플레이트를 더 포함하는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 너트는 금속의 단조 가공 및 탭핑 가공에 의해 형성되는 전지 모듈.
  9. 제2항에서,
    상기 너트 본체는 스틸을 포함하고, 상기 도금층은 아연, 니켈, 또는 이들의 조합 중 선택된 어느 하나를 포함하는 전지 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 전지 모듈, 및
    상기 적어도 하나의 전지 모듈을 패키징하는 팩 케이스
    를 포함하는 전지 팩.
  11. 제10항에 따른 적어도 하나의 전지 팩을 포함하는 디바이스.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114784437A (zh) * 2022-04-22 2022-07-22 远景动力技术(江苏)有限公司 一种电池包及其组装方法

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