KR20170022741A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20170022741A
KR20170022741A KR1020150118125A KR20150118125A KR20170022741A KR 20170022741 A KR20170022741 A KR 20170022741A KR 1020150118125 A KR1020150118125 A KR 1020150118125A KR 20150118125 A KR20150118125 A KR 20150118125A KR 20170022741 A KR20170022741 A KR 20170022741A
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Abstract

본 발명은 냉각 성능이 향상되고 용적률이 개선되며, 무게 및 원가가 절감될 수 있는 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 오목한 형태의 수납부가 각각 형성된 좌측 파우치와 우측 파우치의 테두리가 상호 실링된 형태로 구성되고, 상기 수납부에 전극 조립체 및 전해액을 수납하며, 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 나란하게 배열된 복수의 파우치형 이차 전지; 및 판상의 열전도성 재질로 구성되고, 상기 이차 전지의 상부에 위치하며, 상기 좌측 파우치의 상부 표면과 상기 우측 파우치의 상부 표면에 각각 접촉되게 구성된 냉각 부재를 포함한다.

Description

배터리 모듈{Battery module}
본 발명은 하나 이상의 이차 전지를 포함하는 배터리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각 성능이 향상되고 용적률이 개선되며, 무게 및 원가가 절감될 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩과 자동차에 관한 것이다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 파우치 외장재를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
이처럼, 다수의 파우치형 이차 전지를 적층하여 배터리 모듈을 구성하는 경우, 배터리 모듈의 냉각은 매우 중요한 문제이다. 이차 전지는 여름과 같이 고온 환경에서 사용되는 경우가 있을 수 있고, 이차 전지 자체적으로도 열이 많이 발생할 수 있다. 이때, 다수의 이차 전지가 서로 적층된 경우, 이차 전지의 온도는 더욱 높아질 수 있다. 그런데, 이처럼 온도가 높아지면 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 이차 전지의 폭발이나 발화가 발생할 위험도 있다.
배터리 모듈의 냉각을 위해, 종래에는, 배터리 모듈을 구성할 때 파우치형 이차 전지 사이에 금속 재질의 플레이트 형태로 구성된 냉각 핀을 개재시키는 방식이 많이 이용되고 있다. 이 경우, 이차 전지에서 열이 발생하면, 발생된 열은 냉각 핀을 통해 배터리 모듈의 외측으로 전달되어 공기나 물 등의 냉각 유체를 통해 외부로 배출될 수 있다.
그런데, 종래 이와 같은 배터리 모듈의 냉각 구성에 의하면, 냉각 성능이 제대로 확보되기 어렵다는 문제가 있다. 특히, 배터리 모듈의 부피를 줄이기 위해 파우치형 이차 전지의 실링부를 일 방향으로 폴딩시키는 경우가 있는데, 이 경우 폴딩된 실링부가 위치하는 부분에서는 냉각이 충분하게 이루어지지 못할 수 있다.
또한, 종래 배터리 모듈의 냉각 구성에 의하면, 다수의 냉각 핀이 이차 전지 사이에 개재됨으로써, 배터리 모듈의 용적률이 저하되고 무게 및 비용이 상승하는 문제도 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 냉각 성능이 향상되고 용적률이 높아지며 무게 및 비용이 절감될 수 있는 배터리 모듈과, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 오목한 형태의 수납부가 각각 형성된 좌측 파우치와 우측 파우치의 테두리가 상호 실링된 형태로 구성되고, 상기 수납부에 전극 조립체 및 전해액을 수납하며, 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 나란하게 배열된 복수의 파우치형 이차 전지; 및 판상의 열전도성 재질로 구성되고, 상기 이차 전지의 상부에 위치하며, 상기 좌측 파우치의 상부 표면과 상기 우측 파우치의 상부 표면에 각각 접촉되게 구성된 냉각 부재를 포함한다.
여기서, 상기 냉각 부재는, 1개의 이차 전지의 상부를 커버하도록 구성되어, 좌측 단부가 상기 좌측 파우치의 상부 표면에 접촉하고, 우측 단부가 상기 우측 파우치의 상부 표면에 접촉하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 이차 전지는 상기 냉각 부재 측 실링부가 좌측 또는 우측 방향으로 폴딩되고, 상기 냉각 부재는 폴딩된 실링부를 감싸는 형태로 벤딩될 수 있다.
또한, 상기 냉각 부재의 적어도 일측 단부는, 상기 폴딩된 실링부와 파우치의 상부 표면 사이에 삽입될 수 있다.
또한, 상기 냉각 부재의 적어도 일측 단부는, 경사각의 변화가 가능하도록 플렉서블하게 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 판상의 열전도성 재질로 구성되어, 복수의 냉각 부재의 상부에 접촉되게 수평 방향으로 눕혀진 형태로 배치된 쿨링 플레이트를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각 부재는, 인접하는 2개의 이차 전지의 상부를 커버하도록 구성되어, 2개의 이차 전지 각각의 좌측 파우치와 우측 파우치의 상부 표면에 모두 접촉하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 판상의 열전도성 재질로 구성되고, 상기 이차 전지의 하부에 위치하며, 상기 좌측 파우치의 하부 표면과 상기 우측 파우치의 하부 표면에 각각 접촉되게 구성된 하부 냉각 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 적어도 일부의 이차 전지는, 인접하는 이차 전지 간 넓은 면이 서로 대면 접촉하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 냉각 성능이 효과적으로 향상될 수 있다.
특히, 파우치형 이차 전지가 차지하는 공간을 줄이기 위해 이차 전지의 실링부가 폴딩될 때, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 폴딩된 실링부가 위치하는 수납부에도 냉각 부재가 접촉되어 이러한 냉각 부재를 통해 해당 부분의 열이 외부로 신속하게 배출될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 이차 전지의 열이, 이차 전지의 길이 방향으로 통과하여 냉각 부재로 전달되므로, 이차 전지로부터의 열추출 효율이 증대될 수 있다. 즉, 이차 전지는 두께 방향으로의 열전도도에 비해 길이 방향으로의 열전도도가 훨씬 높은 특성을 가질 수 있는데, 본 발명의 이러한 실시예에 의할 경우, 이차 전지의 열이 길이 방향으로 전달될 수 있으므로, 냉각 성능이 현저하게 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 냉각 핀의 적어도 일부분이 플렉서블한 형태로 구성되어, 이차 전지와 냉각 부재의 조립을 용이하게 하고, 부품 공차에 의해 발생하는 손실 면적을 최소화하며, 이차 전지와 냉각 부재 사이의 접촉이 보다 잘 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 용적률이 개선될 수 있다. 여기서, 배터리 모듈의 용적률은 배터리 모듈의 전체 체적에 대한 이차 전지의 체적의 비를 나타낸다고 할 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 냉각 핀이 이차 전지 사이에 개재되지 않으므로, 기존에 냉각 핀이 차지하는 두께만큼 이차 전지를 위치시키거나 배터리 모듈의 전체 크기를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 이차 전지 사이의 냉각 핀이 제거되어 배터리 모듈의 무게를 줄임으로써 배터리 모듈의 경량화 달성에 보다 용이할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의하면, 이러한 냉각 핀이 제거됨으로써, 배터리 모듈의 부품 비용을 줄여 원가 절감에 기여할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 일부 구성에 대한 분리 사시도이다.
도 3은, 도 1의 일부 구성에 대한 정면도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 5는, 도 3의 구성에서 냉각 부재만을 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재가 이차 전지의 상부에 놓인 상태의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은, 도 6의 구성에서 냉각 부재를 가압한 경우의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 상부 일부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 상부 일부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 하부 일부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1의 일부 구성에 대한 분리 사시도이고, 도 3은 도 1의 일부 구성에 대한 정면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 파우치형 이차 전지(100) 및 냉각 부재(200)를 포함할 수 있다.
상기 파우치형 이차 전지(100)는, 전극 조립체, 전해액 및 파우치 외장재를 구비할 수 있다.
여기서, 전극 조립체는, 전극과 분리막의 조립체로서, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막(세퍼레이터)을 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다.
상기 파우치형 이차 전지(100)는, 내부 공간에 전극 조립체 및 전해액이 수납된 채로 파우치 외장재가 실링되는 형태로 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차 전지(100)는, 파우치 외장재로서 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)를 구비할 수 있다. 이때, 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122) 각각에는 오목한 형태의 수납부(I)가 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 파우치의 수납부(I)에는 전극 조립체(110)와 전해액이 수납될 수 있다. 또한, 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)의 외주면에는 실링부(S)가 구비되어 이러한 실링부가 열융착 등의 방식으로 서로 접착됨으로써, 전극 조립체(110) 및 전해액이 수납된 상태로 수납부가 밀폐될 수 있다.
한편, 전극 조립체(110)의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드(130)와 연결될 수 있다. 그리고, 전극 리드(130)는 우측 파우치(122)와 좌측 파우치(121)의 실링부 사이에 개재되어 파우치의 외부로 노출됨으로써, 이차 전지(100)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
이러한 파우치형 이차 전지(100)의 구성에 대해서는, 본원발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 자명한 사항이므로, 보다 상세한 설명을 생략한다. 그리고, 본 발명에 따른 배터리 모듈에는, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 이차 전지가 채용될 수 있다.
상기 파우치형 이차 전지(100)는, 배터리 모듈에 복수 개 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 파우치형 이차 전지(100)는, 각각 상하 방향으로 세워지는 형태로 수평 방향으로 배열될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 파우치형 이차 전지(100)는, 2개의 넓은 면이 좌우 측에 각각 위치하고, 상부와 하부, 전방 및 후방에는 실링부(S)가 위치하도록 대략 지면에 수직하게 세워지는 형태로 구성될 수 있다. 다시 말해, 이차 전지(100)의 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)가 각각 좌우 측에 위치하도록, 이차 전지(100)는 상하 방향으로 세워질 수 있다. 그리고, 이와 같이 세워진 형태의 파우치형 이차 전지(100)는, 넓은 면이 서로 대면되는 형태로 좌우 방향, 즉 수평 방향으로 평행하게 배열될 수 있다.
상기 냉각 부재(200)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 판상으로 형성되어 이차 전지(100)의 상부에 위치할 수 있다. 특히, 상기 냉각 부재(200)는, 이차 전지(100)와 열교환이 가능하도록 열전도성 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각 부재(200)는 알루미늄과 같은 금속 재질로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 냉각 부재(200)는, 좌측 파우치(121)의 상부 표면과 우측 파우치(122)의 상부 표면에 각각 접촉하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 냉각 부재(200)는, 일부분이 좌측 파우치(121)의 상부 표면에 접촉하고, 다른 일부분이 우측 파우치(122)의 상부 표면에 접촉하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100) 내부에서 열이 이차 전지(100)의 길이 방향(도면에서의 상하 방향)으로 이동하여 상부에 위치한 냉각 부재(200)로 전달되므로, 열전달 효율이 크게 높아질 수 있다.
또한, 적층된 이차 전지(100)의 사이 공간마다 냉각용 플레이트, 이를테면 냉각 핀을 배치할 필요가 없으므로, 배터리 모듈의 용적률이 향상되고 무게 및 비용이 절감될 수 있다.
특히, 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122) 모두에 냉각 부재(200)가 접촉됨으로써, 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122) 부분의 열이 모두 냉각 부재(200)로 직접 전달될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100) 내부에서의 열적 불균형이 해소되고, 배터리 모듈의 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각 부재(200)는, 1개의 이차 전지(100)의 상부를 커버하도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 각각의 이차 전지(100)는, 서로 다른 냉각 부재(200)에 의해 상부가 커버될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 구성에서, 좌측에 위치한 냉각 부재(200)는 좌측에 위치한 제1 이차 전지(B1)의 상부를 커버하고, 우측에 위치한 냉각 부재(200)는 우측에 위치한 제2 이차 전지(B2)의 상부를 커버하도록 구성될 수 있다.
이 경우, 각각의 냉각 부재(200)는, 그 하부에 위치한 이차 전지(100)에 대하여, 좌측 단부가 좌측 파우치(121)의 상부 표면에 접촉하고, 우측 단부가 우측 파우치(122)의 상부 표면에 접촉하도록 구성될 수 있다. 여기서, 좌측 파우치(121)의 상부 표면이란, 실링부를 기준으로 좌측 방향으로 돌출되게 형성된 좌측 파우치(121)의 수납부의 상부 표면을 의미하고, 우측 파우치(122)의 상부 표면이란, 실링부를 기준으로 우측 방향으로 돌출되게 형성된 우측 파우치(122)의 수납부의 상부 표면을 의미한다고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100) 내부에서 열이 발생하는 경우, 냉각 부재(200)의 좌측 단부를 통해 좌측 파우치(121) 부분의 열이 배출되고, 냉각 부재(200)의 우측 단부를 통해 우측 파우치(122) 부분의 열이 배출될 수 있다.
한편, 이차 전지(100)는, 배터리 모듈의 부피 감소를 위해, 실링부의 적어도 일부분이 폴딩될 수 있다. 더욱이, 상기 이차 전지(100)는, 냉각 부재(200)가 위치하는 측 실링부가 좌측 또는 우측 방향으로 폴딩되어, 좌측 파우치(121) 또는 우측 파우치(122)의 상부에 놓일 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성을 참조하면, 제1 이차 전지(B1)는 상부 실링부가 우측 방향으로 폴딩되어 우측 파우치(122)의 상부에 위치하고, 제2 이차 전지(B2)는 상부 실링부가 좌측 방향으로 폴딩되어 좌측 파우치(121)의 상부에 위치할 수 있다.
이 경우, 냉각 부재(200)는, 이러한 이차 전지(100)의 폴딩된 실링부를 감싸는 형태로 벤딩될 수 있다. 즉, 냉각 부재(200)는, 대향하는 2개의 넓은 면을 갖는 플레이트 형태로 구성되되, 적어도 일부분이 벤딩됨으로써, 폴딩된 실링부를 감싸도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 3의 구성에서, 좌측 냉각 부재(C1)는, 제1 이차 전지(B1)의 좌측 파우치(121)의 상부 표면을 따라 평평한 경사면을 형성하다가 폴딩된 실링부의 좌측 지점에서 우측 지점까지 상부 방향으로 볼록하게 돌출되는 형태로 벤딩되어, 폴딩된 실링부의 상부 및 측부를 감싸도록 구성될 수 있다.
또한, 도 3의 구성에서, 우측 냉각 부재(C2)는, 제2 이차 전지(B2)의 우측 파우치(122)의 상부 표면을 따라 평평한 경사면을 형성하다가 폴딩된 실링부의 우측 지점에서 좌측 지점까지 상부 방향으로 볼록하게 돌출되는 형태로 벤딩될 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각 부재(200)의 적어도 일측 단부는, 폴딩된 실링부와 파우치의 상부 표면 사이에 삽입되는 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 3의 구성에서, 좌측 냉각 부재(C1)는, 폴딩된 실링부의 외표면을 감싸도록 벤딩되는데, 벤딩된 부분의 우측 단부는, 우측 방향으로 폴딩된 실링부와 제1 이차 전지(B1)의 우측 파우치(122)의 수납부 사이에 개재될 수 있다. 또한, 도 3의 구성에서, 우측 냉각 부재(C2)는, 좌측 방향으로 폴딩된 실링부와 제2 이차 전지(B2)의 좌측 파우치(121)의 수납부 사이에 좌측 단부가 개재될 수 있다. 그리고, 이와 같이 실링부와 파우치의 수납부 사이에 개재된 냉각 부재(200)의 단부는, 수납부의 상부 표면에 접촉될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 폴딩된 실링부가 위치하는 부분에 대해서도 냉각 부재(200)가 파우치와 넓은 접촉 면적을 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성에서 좌측 냉각 부재(C1)를 기준으로 살펴보면, 제1 이차 전지(B1)의 우측 파우치(122)의 상부에 폴딩된 실링부가 존재하지만, 이러한 폴딩된 실링부의 존재에도 불구하고, 좌측 냉각 부재(C1)는 우측 파우치(122)의 상부 표면에 전체적으로 접촉될 수 있다. 또한, 도 3의 구성에서 우측 냉각 부재(C2)를 기준으로 살펴보면, 제2 이차 전지(B2)의 좌측 파우치(121)의 상부에 폴딩된 실링부가 존재하지만, 우측 냉각 부재(C2)는 좌측 파우치(121)의 상부 표면에 전체적으로 접촉할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈의 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 폴딩된 실링부와 수납부 사이에 냉각 부재(200)의 일부가 끼움 결합된 형태로 존재할 수 있으므로, 이차 전지(100)와 냉각 부재(200) 사이의 결합력이 더욱 향상될 수 있다.
더욱이, 냉각 부재(200)에서 실링부와 수납부 사이에 삽입된 부분은, 실링부와 수납부 모두에 접촉되게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성에서 좌측 냉각 부재(C1)의 우측 단부는, 하부 표면이 우측 파우치(122)의 수납부와 접촉되고 상부 표면이 실링부와 접촉될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)와 냉각 부재(200) 사이의 체결성이 향상될 수 있고, 배터리 모듈의 상하 방향 용적률이 보다 증대될 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각 부재(200)의 적어도 일측 단부는, 플렉서블하게 구성될 수 있다. 특히, 상기 냉각 부재(200)는, 적어도 일측 단부에 대하여 경사각의 변화가 가능하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5를 참조하여, 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는, 도 3의 구성에서 냉각 부재(200)만을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 좌측과 우측에 각각 2개의 냉각 부재(200)가 구비되어 있는데, 좌측 냉각 부재(C1)는, 폴딩된 실링부를 감싸기 위해 우측 부분이 벤딩될 수 있다. 이때, 좌측 냉각 부재(C1)의 우측 단부는, 경사각의 변화가 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 좌측 냉각 부재(C1)의 우측 단부에 화살표 F 방향으로 힘이 가해지는 경우, 우측 단부의 말단은 화살표 A 방향으로 표시된 바와 같이 이동될 수 있다. 그리고, 이러한 이동에 의해, 좌측 냉각 부재(C1)의 우측 단부는, 점선으로 표시된 바와 같이, 경사각이 변화할 수 있다. 또한, 우측 냉각 부재(C2)는, 좌측 부분이 벤딩될 수 있는데, 이러한 우측 냉각 부재(C2)의 좌측 단부 역시, 경사각의 변화가 가능하도록 구성될 수 있다. 따라서, 화살표 F' 방향으로 힘이 가해지는 경우, 우측 냉각 부재(C2)의 좌측 단부의 말단은 화살표 A' 방향으로 이동될 수 있다. 그리고, 이러한 이동에 의해, 우측 냉각 부재(C2)의 좌측 단부는, 점선으로 표시된 바와 같이, 경사각이 변화할 수 있다.
이처럼, 냉각 부재(200)의 적어도 일부분이 가압에 의해 유동 가능하게 구성되는 경우, 조립을 용이하게 하면서도 부품 공차에 의해 발생하는 손실 면적이 최소화되도록 할 수 있다. 이에 대해서는, 도 6 및 도 7을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 냉각 부재(200)가 2개의 이차 전지(100)의 상부에 놓인 상태의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6의 구성에서 2개의 냉각 부재(200)를 가압한 경우의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각 부재(200)의 기본 형태는, 이차 전지(100)에서 냉각 부재(200)가 위치하게 될 부분의 형태에 완전하게 대응되지 않고, 상당 부분이 소정 거리 이격되게 구성될 수 있다. 여기서, 기본 형태란, 냉각 부재(200)에 아무런 힘이 가해지지 않았을 때의 형태를 의미한다고 할 수 있다. 이처럼, 냉각 부재(200)가 이차 전지(100)의 형태에 완전히 대응되는 기본 형태를 갖지 않는 것은, 냉각 부재(200)를 이차 전지(100)와 조립할 때 공차를 고려하여, 이차 전지(100)와 냉각 부재(200)의 조립을 용이하게 하기 위함이라고 할 수 있다. 예를 들어, 도 6의 구성에서, 좌측 냉각 부재(C1)가 좌측에 위치한 제1 이차 전지(B1)의 상부에 위치되고 아무런 힘이 가해지지 않는 경우, 좌측 냉각 부재(C1)는 상당 부분이 제1 이차 전지(B1)의 상부 표면으로부터 소정 거리 이격될 수 있다. 또한, 도 6의 구성에서, 우측 냉각 부재(C2)도, 아무런 힘이 가해지지 않는 경우, 상당 부분이 제2 이차 전지(B2)의 상부 표면으로부터 소정 거리 이격될 수 있다.
특히, 이러한 냉각 부재(200)와 이차 전지(100) 사이의 이격 구성은, 냉각 부재(200)의 적어도 일측 단부의 경사각이 이차 전지(100)의 상부 표면 경사각과 다르게 구성됨으로써 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 도 6의 구성에서, 좌측 냉각 부재(C1)의 우측 단부는, 제1 이차 전지(B1)의 우측 파우치(122)의 수납부 상부 표면에 비해 지면에 대하여 이루는 각도가 작도록 구성될 수 있다. 이 경우, 좌측 냉각 부재(C1)는, 우측 단부가 제1 이차 전지(B1)의 우측 파우치(122)의 상부 표면과 적어도 일부분이 소정 거리 이격될 수 있고, 중앙 부분 및 좌측 단부가 제1 이차 전지(B1)의 폴딩된 실링부 및 좌측 파우치(121)의 상부 표면과 소정 거리 이격될 수 있다. 또한, 도 6의 구성에서, 우측 냉각 부재(C2)의 좌측 단부는, 제2 이차 전지(B2)의 좌측 파우치(121)의 수납부 상부 표면에 비해 지면에 대하여 이루는 각도가 작도록 구성될 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 화살표 방향으로 힘이 가해지면, 플렉서블하게 구성된 냉각 부재(200)의 일측 단부가 경사각이 변함으로써, 이차 전지(100)와 냉각 부재(200) 사이의 접촉 면적이 증대될 수 있다.
즉, 도 7의 구성에서, 좌측 냉각 부재(C1)의 경우, 상부에서 하부 방향으로 힘이 가해지면, 지면에 대한 경사각이 더욱 커지도록 우측 단부의 형태가 변화할 수 있다. 따라서, 좌측 냉각 부재(C1)는, 우측 단부가 제1 이차 전지(B1)의 우측 파우치(122)의 상부 표면에 대응되는 형태로 경사각이 변화함으로써 우측 단부와 우측 파우치(122)의 접촉 면적은 커질 수 있다. 또한, 좌측 냉각 부재(C1)는, 우측 단부의 경사각이 커짐에 따라, 좌측 단부 및 중앙 부분이 하부 방향으로 이동할 수 있다. 그리고, 이러한 이동에 의해, 좌측 냉각 부재(C1)의 좌측 단부와 중앙 부분은, 제1 이차 전지(B1)의 좌측 파우치(121) 및 실링부와 비로소 접촉하거나 보다 넓은 면적으로 접촉할 수 있다.
또한, 이와 유사하게, 도 7의 구성에서, 우측 냉각 부재(C2)의 경우, 상부에서 하부 방향으로 힘이 가해지면, 좌측 단부의 지면에 대하여 이루는 경사각이 커짐으로써, 좌측 단부와 제2 이차 전지(B2)의 좌측 파우치(121)의 접촉 면적은 더욱 커질 수 있다. 또한, 우측 냉각 부재(C2)는, 좌측 단부의 경사각이 커짐에 따라, 우측 단부 및 중앙 부분이 하부 방향으로 이동할 수 있다. 그리고, 이러한 이동에 의해 우측 냉각 부재(C2)의 우측 단부와 중앙 부분은, 제2 이차 전지(B2)의 우측 파우치(122) 및 실링부와 비로소 접촉하거나 보다 넓은 면적으로 접촉할 수 있다.
특히, 상기 냉각 부재(200)는, 일측 단부가 플렉서블하면서 탄성을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5의 구성에서 냉각 부재(200)에 대하여 F 및 F' 방향으로 힘이 가해질 때, 냉각 부재(200)의 단부는 힘이 가해지는 방향과 반대 방향, 즉 A 및 A'의 반대 방향으로 되돌아가려는 성질을 갖는 형태나 재질로 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 냉각 부재(200)의 탄성으로 인해 냉각 부재(200)와 이차 전지(100) 사이의 접촉성 및 결합성이 더욱 향상될 수 있다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다. 이러한 도 8의 실시예에 대해서는, 앞서 설명한 실시예와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하고, 설명이 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 쿨링 플레이트(300)를 더 포함할 수 있다.
상기 쿨링 플레이트(300)는, 대략 판상으로 구성되어, 복수의 이차 전지(100) 및 복수의 냉각 부재(200)의 상부에 수평 방향으로 눕혀진 형태로 배치될 수 있다. 즉, 상기 쿨링 플레이트(300)는, 이차 전지(100)의 적층 방향과 평행한 방향으로 눕혀진 형태로 배치될 수 있다. 그리고, 수평 방향으로 배치된 다수의 이차 전지(100) 및 냉각 부재(200)는, 하나의 쿨링 플레이트(300)의 하부에 위치할 수 있다.
특히, 상기 쿨링 플레이트(300)는, 복수의 냉각 부재(200)의 상부에 접촉되게 구성될 수 있다. 다시 말해, 복수의 냉각 부재(200)는, 상부가 쿨링 플레이트(300)의 하부 표면에 접촉하도록 구성될 수 있다. 이때, 쿨링 플레이트(300)와 냉각 부재(200)의 접촉 면적을 증대시키기 위해, 쿨링 플레이트(300)는, 냉각 부재(200)의 외측 표면에 대응되도록 벤딩된 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 쿨링 플레이트(300)는, 열전도성 재질, 이를테면 금속 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 쿨링 플레이트(300)는, 전체적으로 알루미늄이나 구리, 철과 같은 금속의 단일 속성 재질로 이루어지거나, 이들 중 적어도 하나의 합금 재질로 구성될 수 있다. 따라서, 상기 쿨링 플레이트(300)는, 냉각 부재(200)의 열을 흡수하여 배터리 모듈의 외측으로 배출시킬 수 있다. 또한, 상기 쿨링 플레이트(300)는, 배터리 모듈의 강성을 보강하고, 외부 충격 등으로부터 배터리 모듈 내부의 구성요소를 보호할 수 있다.
상기 쿨링 플레이트(300)의 외부, 이를테면 도 8에서 쿨링 플레이트(300)의 상부에는 공기나 물과 같은 냉매가 흐를 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 쿨링 플레이트(300)의 외부로 공기나 물 등을 공급하는 냉매 공급 유닛을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 쿨링 플레이트(300)의 외부로 공기나 물 등의 냉매가 흐르는 경로를 제공하기 위해, 덕트나 파이프와 같은 유로를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 냉각 부재(200)와 쿨링 플레이트(300) 사이 및/또는 냉각 부재(200)와 이차 전지(100) 사이에 접착제나 체결 부품을 구비하여, 이들 사이의 결합력이 보다 안정적으로 확보되도록 할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 상부 일부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 1개의 냉각 부재(200)가 도시되어 있는데, 상기 냉각 부재(200)는, 인접하는 2개의 이차 전지(100)의 상부를 커버하도록 구성될 수 있다. 즉, 앞선 실시예들의 경우, 1개의 냉각 부재(200)는 1개의 이차 전지(100)의 상부만을 커버하도록 구성되었으나, 본 실시예의 경우, 1개의 냉각 부재(200)는 2개의 이차 전지(100)의 상부를 커버하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 인접하는 2개의 이차 전지(100)는, 동일한 냉각 부재(200)에 의해 커버된다고 할 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 상기 냉각 부재(200)는, 2개의 이차 전지(100) 각각의 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)의 상부 표면에 모두 접촉하도록 벤딩될 수 있다. 즉, 도 9의 구성에서, 상기 냉각 부재(200)는, 좌측 부분이 좌측에 위치한 제1 이차 전지(B1)의 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)의 상부 표면에 모두 접촉되도록 벤딩되고, 우측 부분이 우측에 위치한 제2 이차 전지(B2)의 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)의 상부 표면에 모두 접촉되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 냉각 부재(200)의 개수가 줄어들어 배터리 모듈의 조립성이 향상되고, 인접하는 2개의 이차 전지(100)가 하나의 냉각 부재(200)에 결합되어 이차 전지(100) 사이의 결합력이 보다 강화될 수 있다.
더욱이, 이러한 구성에 있어서, 하나의 냉각 부재(200)에 의해 상부가 커버되는 2개의 이차 전지(100)는, 상부 실링부가 서로 반대 방향으로 폴딩될 수 있다. 즉, 도면에 도시된 바와 같이, 좌측에 위치한 제1 이차 전지(B1)의 실링부는 좌측 방향으로 폴딩되고, 우측에 위치한 제2 이차 전지(B2)의 실링부는 우측 방향으로 폴딩되도록 구성될 수 있다.
이 경우, 냉각 부재(200)의 양 단부가 모두 이차 전지(100)의 실링부와 수납부 사이에 삽입될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 2개의 이차 전지(100)에 대하여 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122) 모두에 냉각 부재(200)가 접촉되도록 하는 구성이 용이하게 달성될 수 있다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 상부 일부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 상기 냉각 부재(200)는, 좌측 파우치(121)의 상부 표면과 우측 파우치(122)의 상부 표면에 직접 접촉되도록 구성되되, 폴딩된 실링부와 수납부 사이에 삽입되지 않도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 좌측에 위치한 제1 이차 전지(B1)는, 상부 실링부가 폴딩되어 우측 파우치(122)의 수납부의 상부 일부분에 폴딩된 실링부가 놓일 수 있다. 이때, 좌측 냉각 부재(C1)의 우측 단부는, 제1 이차 전지(B1)의 우측 파우치(122)의 수납부 상부에서 폴딩된 실링부가 위치하지 않는 부분에 접촉되게 구성될 수 있다. 또한, 우측에 위치한 제2 이차 전지(B2)는, 상부 실링부가 폴딩되어 좌측 파우치(121)의 수납부의 상부 일부분에 폴딩된 실링부가 놓일 수 있다. 이 경우, 우측 냉각 부재(C2)의 좌측 단부는 좌측 파우치(121)의 수납부에서 폴딩된 실링부가 위치하지 않는 부분에 접촉되게 구성될 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 냉각 부재(200)가 반대 방향으로 벤딩되지 않을 수 있고, 냉각 부재(200)와 이차 전지(100) 사이의 조립이 보다 용이해질 수 있다.
한편, 도 10의 구성에서, 냉각 부재(200)는, 좌측 냉각 부재(C1)의 우측 단부와 우측 냉각 부재(C2)의 좌측 단부가 서로 연결된 형태로 구성될 수도 있다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 하부 일부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 하부 냉각 부재(400)를 더 포함할 수 있다.
상기 하부 냉각 부재(400)는, 이차 전지(100)의 상부가 아닌 하부에 위치한다는 점에 주요 차이가 있을 뿐, 대체적으로 앞서 설명한 냉각 부재(200)와 유사하게 구성될 수 있다. 즉, 상기 하부 냉각 부재(400)는, 판상의 열전도성 재질로 구성되고, 이차 전지(100)의 하부에 위치하며, 좌측 파우치(121)의 하부 표면과 우측 파우치(122)의 하부 표면에 각각 접촉되게 구성될 수 있다.
특히, 상기 하부 냉각 부재(400)는, 상기 냉각 부재(200)와 상하 대칭되는 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 이러한 하부 냉각 부재(400)에 대해서는, 상기 냉각 부재(200)에 대한 설명이 상하 위치만 변경된 채로 거의 그대로 적용될 수 있다.
더욱이, 이러한 구성에 있어서, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상기 쿨링 플레이트(300)에 상하 대칭되는 형태로 하부 쿨링 플레이트(500)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(100)의 상부에 위치하는 냉각 부재(200)로 인해 냉각 성능이 충분히 달성될 수 있으므로, 이차 전지(100) 사이에 개재되는 종래의 냉각 핀과 같은 구성 요소는 필요로 하지 않을 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 내부에 포함된 복수의 이차 전지(100) 중 적어도 일부의 이차 전지(100)에 대하여, 인접하는 이차 전지(100) 간 넓은 면이 서로 직접적으로 대면 접촉되거나 최대한 밀착되도록 구성될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈의 무게 및 제조 비용이 절감될 수 있고, 좌우 방향 용적률이 개선될 수 있다.
또한, 종래의 냉각 핀이 이차 전지 사이에 개재되지 않을 수 있으므로, 스웰링될 수 있는 여유 공간을 확보하여 이차 전지의 스웰링에 의해 배터리 모듈의 구성이 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 특히, 전기 자동차와 같이 배터리로부터 구동력을 얻는 자동차의 경우, 배터리 모듈의 냉각 성능은 매우 중요하다. 따라서, 이러한 자동차에 본 발명에 따른 배터리 모듈이 적용되는 경우, 효과적인 냉각 성능으로 안정적인 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
예를 들어, 상기 냉각 부재는 배터리 모듈의 놓인 형태나 관측자의 시선 위치에 따라, 배터리 모듈의 하부나 측면에 놓인다고도 볼 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 이차 전지
110: 전극 조립체
120: 파우치 외장재
121: 좌측 파우치, 122: 우측 파우치
130: 전극 리드
I: 수납부, S: 실링부
200: 냉각 부재
300: 쿨링 플레이트
400: 하부 냉각 부재
500: 하부 쿨링 플레이트

Claims (11)

  1. 오목한 형태의 수납부가 각각 형성된 좌측 파우치와 우측 파우치의 테두리가 상호 실링된 형태로 구성되고, 상기 수납부에 전극 조립체 및 전해액을 수납하며, 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 나란하게 배열된 복수의 파우치형 이차 전지; 및
    판상의 열전도성 재질로 구성되고, 상기 이차 전지의 상부에 위치하며, 상기 좌측 파우치의 상부 표면과 상기 우측 파우치의 상부 표면에 각각 접촉되게 구성된 냉각 부재
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 부재는, 1개의 이차 전지의 상부를 커버하도록 구성되어, 좌측 단부가 상기 좌측 파우치의 상부 표면에 접촉하고, 우측 단부가 상기 우측 파우치의 상부 표면에 접촉하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 상기 냉각 부재 측 실링부가 좌측 또는 우측 방향으로 폴딩되고,
    상기 냉각 부재는 폴딩된 실링부를 감싸는 형태로 벤딩된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각 부재의 적어도 일측 단부는, 상기 폴딩된 실링부와 파우치의 상부 표면 사이에 삽입된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각 부재의 적어도 일측 단부는, 경사각의 변화가 가능하도록 플렉서블하게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    판상의 열전도성 재질로 구성되어, 복수의 냉각 부재의 상부에 접촉되게 수평 방향으로 눕혀진 형태로 배치된 쿨링 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 부재는, 인접하는 2개의 이차 전지의 상부를 커버하도록 구성되어, 2개의 이차 전지 각각의 좌측 파우치와 우측 파우치의 상부 표면에 모두 접촉하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    판상의 열전도성 재질로 구성되고, 상기 이차 전지의 하부에 위치하며, 상기 좌측 파우치의 하부 표면과 상기 우측 파우치의 하부 표면에 각각 접촉되게 구성된 하부 냉각 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 일부의 이차 전지는, 인접하는 이차 전지 간 넓은 면이 서로 대면 접촉된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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