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JP7700770B2 - Battery Module - Google Patents
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JP7700770B2 - Battery Module - Google Patents

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Description

本開示は、電池モジュールの構造に関する。 This disclosure relates to the structure of a battery module.

近年、自動車用途として普及している蓄電池は、複数の単電池を接続し、大容量化した組電池が一般的となっている。とりわけ、電気自動車用途の蓄電池は、高出力を要することから、高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が用いられる。 In recent years, storage batteries that have become widespread for use in automobiles are generally large-capacity battery packs made by connecting multiple single cells. In particular, storage batteries for electric vehicles require high output, so lithium-ion secondary batteries with high energy density are used.

特許文献1では、過充電耐性とハイレート耐性を兼ね備えた組電池が開示されている。組電池は、単電池と弾性体を交互に配列し一体としたものである。単電池は、正極と負極を有する電極体と、電極体を収容し、弾性体と対向する一対の長側面を有する電池ケースとを備える。弾性体は、単電池の長側面と対向する面に、反応部の一部を配列方向に押圧する押圧部を備える。押圧部は特定領域のみを押圧し、過度な押圧を回避するように構成されている。 Patent Document 1 discloses a battery pack that is both overcharge resistant and high rate resistant. The battery pack is formed by arranging single cells and elastic bodies alternately and integrating them. The single cells include an electrode body having a positive electrode and a negative electrode, and a battery case that houses the electrode body and has a pair of long sides that face the elastic body. The elastic body includes a pressing portion on the surface that faces the long sides of the single cells, which presses a part of the reaction portion in the arrangement direction. The pressing portion is configured to press only a specific area and avoid excessive pressing.

特開2018-181765号公報JP 2018-181765 A

電気自動車用のバッテリーとして用いられるリチウムイオン二次電池は、安全性の観点から一定の冷却性能を有する必要がある。そのために、リチウムイオン二次電池は、電池を構成する単電池同士の間に冷却用空気を流すための冷却通路が形成された弾性体が設けられており、冷却性能を維持できるように設計されている。しかしながら、電気自動車用途のリチウムイオン二次電池は、容量の高密度化を図るため、単電池が受ける外部からの拘束力が大きく、弾性体の構造次第では単電池に高圧力がかかる構造を有している。そのため、単電池を構成する正極と負極の電極間距離が局所的に小さくなり、電流集中が起こり得る。電流集中は単電池内部でのリチウムの析出を招き、析出したリチウムは内部短絡が起きる原因となり得る。 Lithium-ion secondary batteries used as batteries for electric vehicles need to have a certain level of cooling performance from the viewpoint of safety. To this end, lithium-ion secondary batteries are designed to maintain cooling performance by providing an elastic body with cooling passages between the cells that make up the battery to allow cooling air to flow. However, in order to increase the density of capacity, lithium-ion secondary batteries for electric vehicles are structured so that the cells are subjected to a large external restraining force, and depending on the structure of the elastic body, high pressure is applied to the cells. As a result, the distance between the positive and negative electrodes that make up the cells becomes locally small, which can cause current concentration. Current concentration leads to the precipitation of lithium inside the cells, and the precipitated lithium can cause internal short circuits.

本開示の目的は、外部拘束に起因する電池内部のリチウム析出を抑制した電池モジュールの提供である。 The purpose of this disclosure is to provide a battery module that suppresses lithium precipitation inside the battery due to external constraints.

本開示における第1の観点は電池モジュールに関する。
一方向に交互に配列される複数の電池セルと複数の弾性体とを備える電池モジュールにおいて、
電池セルは、電極体と、電極体の縁部から引き出されている集電箔と、電極体と集電箔を収容する電池ケースと、を備える。電極体は、集電箔が引き出されている縁部を含み充電時に電流が集中する第1領域と、第1領域を挟んで集電箔と反対側に位置し第1領域に比較して充電時の電流の集中が小さい第2領域と、を備える。弾性体は、第1領域と電池ケースを挟んで対向する第1リブと、第2領域と電池ケースを挟んで対向する複数の第2リブと、を備える。第1リブと電池ケースとの接触面積は、複数の第2リブのうち最大のリブと電池ケースとの接触面積より大きい。
A first aspect of the present disclosure relates to a battery module.
A battery module including a plurality of battery cells and a plurality of elastic bodies arranged alternately in one direction,
The battery cell includes an electrode body, a current collecting foil pulled out from an edge of the electrode body, and a battery case that houses the electrode body and the current collecting foil. The electrode body includes a first region that includes the edge from which the current collecting foil is pulled out and in which current concentrates during charging, and a second region that is located on the opposite side of the first region from the current collecting foil and in which current concentrates less during charging than in the first region. The elastic body includes a first rib that faces the first region across the battery case, and a plurality of second ribs that face the second region across the battery case. The contact area between the first rib and the battery case is larger than the contact area between the largest of the plurality of second ribs and the battery case.

本開示によれば、外部拘束に起因する電池内部のリチウム析出を抑制した電池モジュールの提供が可能である。 This disclosure makes it possible to provide a battery module that suppresses lithium precipitation inside the battery due to external constraints.

図1は電池モジュールの全体図である。FIG. 1 is an overall view of a battery module. 図2は電池セルの内部構造の一部を示した概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a part of the internal structure of the battery cell. 図3は弾性体の構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the structure of the elastic body. 図4は電池セル内部の電流の流れを示す概要図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing the current flow inside a battery cell. 図5は電池セルと弾性体の接触状態を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the contact state between the battery cell and the elastic body.

図1は本実施形態における電池モジュールの全体図である。 Figure 1 is an overall view of the battery module in this embodiment.

電池モジュール1は、一方向に交互に配列される複数の電池セル2と複数の弾性体3を備える。さらに、電池モジュール1は、エンドプレート4と、端子接続部5と、拘束プレート6と、カバー7を備える。 The battery module 1 comprises a plurality of battery cells 2 and a plurality of elastic bodies 3 arranged alternately in one direction. The battery module 1 further comprises an end plate 4, a terminal connection portion 5, a restraint plate 6, and a cover 7.

電池セル2は弾性体3により両側から挟持されている。具体的には、1つの電池セル2は、配列方向に一対の長側面を有しており、長側面の両側から2つの弾性体3によって挟持されている。 The battery cells 2 are sandwiched from both sides by elastic bodies 3. Specifically, each battery cell 2 has a pair of long sides in the arrangement direction, and is sandwiched from both sides of the long sides by two elastic bodies 3.

弾性体3は、配列方向において電池セル2を両側から挟持している。具体的には、1つの弾性体3は、両面で2つの異なる電池セル2とそれぞれ接触する。 The elastic body 3 holds the battery cell 2 from both sides in the arrangement direction. Specifically, one elastic body 3 contacts two different battery cells 2 on both sides.

エンドプレート4は、複数の電池セル2と複数の弾性体3を配列方向の両側から挟むように配列方向の両端に配置される。エンドプレート4は、配列方向の両端で電池セル2と接触する。エンドプレート4は拘束プレート6と接し、拘束プレート6から電池セル2及び弾性体3が配列される方向に力を受ける。 The end plates 4 are arranged at both ends in the arrangement direction so as to sandwich the multiple battery cells 2 and multiple elastic bodies 3 from both sides in the arrangement direction. The end plates 4 contact the battery cells 2 at both ends in the arrangement direction. The end plates 4 contact the restraint plates 6 and receive a force from the restraint plates 6 in the direction in which the battery cells 2 and elastic bodies 3 are arranged.

端子接続部5は、電池セル2の外部に引き出された正極端子と別の電池セル2の外部に引き出された負極端子を接続する。本実施形態において、端子接続部5は複数備えられ、複数の電池セル2を連続的に電気接続する。 The terminal connection part 5 connects a positive terminal drawn out to the outside of the battery cell 2 with a negative terminal drawn out to the outside of another battery cell 2. In this embodiment, multiple terminal connection parts 5 are provided, and multiple battery cells 2 are electrically connected in series.

拘束プレート6は、一方向に配列される複数の電池セル2と複数の弾性体3とエンドプレート4を、挟持する。拘束プレート6は配列方向と垂直な方向において対向するように2つ配置される。 The restraint plates 6 clamp the multiple battery cells 2, multiple elastic bodies 3, and end plates 4 that are arranged in one direction. Two restraint plates 6 are arranged facing each other in a direction perpendicular to the arrangement direction.

カバー7は、端子接続部5の上方から複数の電池セル2と複数の弾性体3とエンドプレート4を覆う。 The cover 7 covers the multiple battery cells 2, multiple elastic bodies 3, and end plate 4 from above the terminal connection portion 5.

図2は電池セル2の内部構造の一部を示した概要図である。 Figure 2 is a schematic diagram showing part of the internal structure of the battery cell 2.

電池セル2は、電池ケース21と、正極電極体25と、負極電極体26と、正極集電箔22と、負極集電箔23と、正極電極体25と負極電極体26の間に配置されるセパレータ24とで構成される。 The battery cell 2 is composed of a battery case 21, a positive electrode body 25, a negative electrode body 26, a positive electrode collector foil 22, a negative electrode collector foil 23, and a separator 24 arranged between the positive electrode body 25 and the negative electrode body 26.

電池ケース21は、電池セル2が配列される方向で互いに対向する一対の長側面を有するケースであって、内部に正極電極体25とセパレータ24と負極電極体26が複数配列されている。 The battery case 21 is a case having a pair of long sides facing each other in the direction in which the battery cells 2 are arranged, and multiple positive electrode bodies 25, separators 24, and negative electrode bodies 26 are arranged inside.

正極電極体25には、正極集電箔22が接続されており、負極電極体26には、負極集電箔23が接続されている。正極集電箔22及び負極集電箔23は、それぞれ電極体の外部に電流を取り出すことを目的としてそれぞれ正極電極体25及び負極電極体26に接続されている。 The positive electrode body 25 is connected to a positive electrode collector foil 22, and the negative electrode body 26 is connected to a negative electrode collector foil 23. The positive electrode collector foil 22 and the negative electrode collector foil 23 are connected to the positive electrode body 25 and the negative electrode body 26, respectively, for the purpose of extracting current outside the electrode body.

負極電極体26は、負極集電箔23が引き出されている縁部を含む第1領域E1と、第1領域E1を挟んで負極集電箔23と反対側に位置する第2領域E2とに分けることができる。負極電極体26では、充電時、負極集電箔23が引き出されている縁部付近に電流が集中しやすい。つまり、第1領域E1は、第2領域E2と比べて充電時の電流の集中が大きい領域である。 The negative electrode body 26 can be divided into a first region E1 including the edge where the negative current collector foil 23 is pulled out, and a second region E2 located on the opposite side of the first region E1 to the negative current collector foil 23. In the negative electrode body 26, current tends to concentrate near the edge where the negative current collector foil 23 is pulled out during charging. In other words, the first region E1 is a region where current concentrates more during charging than the second region E2.

負極電極体26での電流集中は、リチウム析出を発生させて充放電効率の低下を招いてしまう。以下に説明する弾性体3には、負極電極体26での電流集中、特に、第1領域E1での電力集中を緩和させるための工夫が施されている。 Current concentration in the negative electrode body 26 causes lithium precipitation, resulting in a decrease in charge/discharge efficiency. The elastic body 3 described below is designed to alleviate current concentration in the negative electrode body 26, particularly power concentration in the first region E1.

図3は弾性体3の構造を示す図である。 Figure 3 shows the structure of the elastic body 3.

弾性体3は、第1リブ31と複数の第2リブ32を有する。第1リブ31及び第2リブ32は、弾性体中心34の両側に対向するように備えられる。第1リブ31及び第2リブ32は、それぞれ別の電池セル2と接する。 The elastic body 3 has a first rib 31 and a number of second ribs 32. The first rib 31 and the second rib 32 are provided on both sides of the elastic body center 34 so as to face each other. The first rib 31 and the second rib 32 each contact a different battery cell 2.

弾性体3は、更に封止部35を有する。弾性体3に備えられたリブの間は、電池セル2を冷却するための冷媒が流れる。本実施形態において、冷媒は空気であり、リブ間を空気が流れるようになっている。封止部35は、冷媒が外部に漏れることを防ぐために設けられた部材である。封止部35は、第1リブ31や第2リブ32と同様に、弾性体中心34の両側に対向するように備えられる。 The elastic body 3 further has a sealing portion 35. A coolant for cooling the battery cells 2 flows between the ribs provided on the elastic body 3. In this embodiment, the coolant is air, and the air flows between the ribs. The sealing portion 35 is a member provided to prevent the coolant from leaking to the outside. The sealing portion 35 is provided so as to face both sides of the elastic body center 34, similar to the first rib 31 and the second rib 32.

第1リブ31は、負極電極体26が有する第1領域E1と電池ケース21を挟んで配列方向について対向する。最大の第2リブ33は、負極電極体26が有する第2領域E2と電池ケース21を挟んで配列方向について対向する。 The first rib 31 faces the first region E1 of the negative electrode body 26 in the arrangement direction, sandwiching the battery case 21 between them. The largest second rib 33 faces the second region E2 of the negative electrode body 26 in the arrangement direction, sandwiching the battery case 21 between them.

第1領域E1での電力集中を緩和させるための工夫が第1リブ31の大きさにある。第1リブ31は全てのリブの中で最大の大きさを有する。より具体的には、第1リブ31と電池ケース21の接触面積は、第2リブ32のうち最大の第2リブ33と電池ケース21の接触面積より大きい。 The size of the first rib 31 is a measure to reduce power concentration in the first region E1. The first rib 31 is the largest of all the ribs. More specifically, the contact area between the first rib 31 and the battery case 21 is larger than the contact area between the second rib 33, which is the largest of the second ribs 32, and the battery case 21.

第2リブ33は、弾性体3の強度を確保するために他の第2リブ32と比べ、大きい。また、最大の第2リブ33は、中央に配置されることにより、より一層の強度向上に寄与している。 The second rib 33 is larger than the other second ribs 32 to ensure the strength of the elastic body 3. In addition, the largest second rib 33 is located in the center, which contributes to further improving the strength.

図4は電池セル内部の電流の流れを示す概要図である。 Figure 4 is a schematic diagram showing the current flow inside a battery cell.

電池セル2は、正極電極体25と負極電極体26がセパレータ24を間に挟んで対向している。正極電極体25は正極集電箔22と接続されており、負極電極体は負極集電箔23と接続されている。 The battery cell 2 has a positive electrode body 25 and a negative electrode body 26 facing each other with a separator 24 in between. The positive electrode body 25 is connected to the positive electrode collector foil 22, and the negative electrode body is connected to the negative electrode collector foil 23.

電池セル2は、充電時において正極電極体25から負極電極体26に対して電流が流れる。具体的には、外部電源から正極集電箔22に電流が流れ、正極電極体25を通じて電極体間に電流が流れる。電極体間において電流は、セパレータ24を通じて、負極電極体26へ流れる。負極電極体26に流れた電流は、負極集電箔23を通り、外部回路へ流れる。 When the battery cell 2 is being charged, a current flows from the positive electrode body 25 to the negative electrode body 26. Specifically, a current flows from an external power source to the positive electrode collector foil 22, and a current flows between the electrodes through the positive electrode body 25. Between the electrodes, the current flows through the separator 24 to the negative electrode body 26. The current that flows to the negative electrode body 26 passes through the negative electrode collector foil 23 and flows to the external circuit.

図4に開示されるように、負極電極体26内部において、電流は負極集電箔23に向かって流れるため、負極集電箔23が引き出されている縁部を含む負極集電箔23直下の領域(第1領域E1)で電流集中が発生する。 As shown in FIG. 4, inside the negative electrode body 26, the current flows toward the negative current collector foil 23, so that current concentration occurs in the area (first area E1) directly below the negative current collector foil 23, including the edge where the negative current collector foil 23 is pulled out.

図5は電池セルと弾性体の接触状態を示す図である。 Figure 5 shows the contact state between the battery cell and the elastic body.

弾性体3は、弾性体3に備わる第1リブ31及び第2リブ32が電池ケース21に接するように配列される。 The elastic body 3 is arranged so that the first rib 31 and the second rib 32 provided on the elastic body 3 are in contact with the battery case 21.

電池セル2は、弾性体3から押圧されており、各リブから受ける圧力により電池ケース21には応力集中領域が生じる。図5には代表して2つの応力集中領域28及び29が示されている。応力集中領域28は、第1リブ31から受ける圧力により発生する領域である。応力集中領域29は、最大の第2リブ33から受ける圧力により発生する領域である。 The battery cell 2 is pressed by the elastic body 3, and stress concentration areas are generated in the battery case 21 due to the pressure from each rib. Two representative stress concentration areas 28 and 29 are shown in Figure 5. Stress concentration area 28 is an area generated by the pressure from the first rib 31. Stress concentration area 29 is an area generated by the pressure from the largest second rib 33.

応力集中領域28は、第1領域E1と重なる領域を有している。また、応力集中領域29は、第2領域E2と重なる領域を有している。他の第2リブ32によって生じる応力集中領域も、第2領域E2と重なる領域を有している。ただし、どの第2リブ32によって生じる応力集中領域も、第1領域E1と重なる領域を有していない。 Stress concentration area 28 has an area that overlaps with first area E1. Furthermore, stress concentration area 29 has an area that overlaps with second area E2. The stress concentration areas caused by the other second ribs 32 also have areas that overlap with second area E2. However, none of the stress concentration areas caused by any of the second ribs 32 has an area that overlaps with first area E1.

第1リブ31と電池ケース21の接触面積は、最大の第2リブ33と電池ケース21の接触面積より大きい。このことは、電池セル2が第1リブ31から受ける圧力は、電池セル2が最大の第2リブ33から受ける圧力より小さいことを意味する。したがって、応力集中領域28にかかる応力は、応力集中領域29を含む第2リブ32によって生じるどの応力集中領域にかかる応力より小さい。 The contact area between the first rib 31 and the battery case 21 is larger than the contact area between the largest second rib 33 and the battery case 21. This means that the pressure that the battery cell 2 receives from the first rib 31 is smaller than the pressure that the battery cell 2 receives from the largest second rib 33. Therefore, the stress applied to the stress concentration area 28 is smaller than the stress applied to any stress concentration area caused by the second rib 32, including the stress concentration area 29.

第1領域E1にかかる応力は、応力集中領域28にかかる応力の影響を受ける。応力集中領域28にかかる応力は他のどの応力集中領域にかかる応力よりも小さいことから、第1領域E1にかかる応力は、第2領域E2のどの部分にかかる応力よりも小さい。本実施形態によれば、第1領域E1にかかる応力が他の領域にかかる応力と比較して緩和されるため、正極電極体25と負極電極体26の間の距離が確保される。したがって、電流集中が起こる第1領域E1において、リチウム析出が抑制される。 The stress applied to the first region E1 is affected by the stress applied to the stress concentration region 28. The stress applied to the stress concentration region 28 is smaller than the stress applied to any other stress concentration region, and therefore the stress applied to the first region E1 is smaller than the stress applied to any part of the second region E2. According to this embodiment, the stress applied to the first region E1 is mitigated compared to the stress applied to other regions, so the distance between the positive electrode body 25 and the negative electrode body 26 is secured. Therefore, lithium deposition is suppressed in the first region E1 where current concentration occurs.

ただし、第1リブ31をあまりに大きくすると、冷媒が流れる通路を狭くして冷却性能に悪影響を及ぼしてしまう。そこで、第1リブ31の大きさには上限が設けられている。詳しくは、第1リブ31と電池ケース21の接触面積は、第2リブ32と電池ケース21の合計接触面積より小さくされている。 However, if the first rib 31 is made too large, it narrows the passage through which the refrigerant flows, adversely affecting cooling performance. Therefore, an upper limit is set for the size of the first rib 31. More specifically, the contact area between the first rib 31 and the battery case 21 is set to be smaller than the total contact area between the second rib 32 and the battery case 21.

具体的には、第1リブ31と電池ケース21の接触面積は、弾性体3が1つの電池ケース21と接触する全面積を100%としたとき、5~15%を占めていてもよい。弾性体3と電池ケース21の全接触面積には、封止部35と電池ケース21の接触面積が含まれる。第1リブ31と電池ケース21の接触面積を上記の範囲に設定することで、冷却性能に関する要件を満たしつつ、電流集中に伴うリチウム析出を抑制することができる。 Specifically, the contact area between the first rib 31 and the battery case 21 may be 5 to 15% when the total area of contact between the elastic body 3 and one battery case 21 is taken as 100%. The total contact area between the elastic body 3 and the battery case 21 includes the contact area between the sealing portion 35 and the battery case 21. By setting the contact area between the first rib 31 and the battery case 21 within the above range, it is possible to suppress lithium deposition due to current concentration while satisfying the requirements for cooling performance.

本実施形態では、第1領域E1にかかる応力を低減するために、第1領域E1と対向する第1リブ31と電池ケース21の接触面積を大きくしているが、それに代えて或いはそれに加えて、第1リブ31を他のリブよりも柔らかい材料で形成してもよい。柔らかい材料とは、ビッカーズ硬さが小さい材料を意味する。 In this embodiment, in order to reduce the stress applied to the first region E1, the contact area between the first rib 31 facing the first region E1 and the battery case 21 is increased, but instead of or in addition to this, the first rib 31 may be formed of a material that is softer than the other ribs. A soft material means a material with a low Vickers hardness.

1 電池モジュール、2 電池セル、3 弾性体、4 エンドプレート、5 端子接続部、6 拘束プレート、7 カバー、21 電池ケース、22 正極集電箔、23 負極集電箔、24 セパレータ、25 正極電極体、26 負極電極体、28 応力集中領域、29 応力集中領域、31 第1リブ、32 第2リブ、33 最大の第2リブ、34 弾性体中心、35 封止部、E1 第1領域、E2 第2領域 1 Battery module, 2 Battery cell, 3 Elastic body, 4 End plate, 5 Terminal connection part, 6 Constraint plate, 7 Cover, 21 Battery case, 22 Positive electrode current collector foil, 23 Negative electrode current collector foil, 24 Separator, 25 Positive electrode body, 26 Negative electrode body, 28 Stress concentration area, 29 Stress concentration area, 31 First rib, 32 Second rib, 33 Largest second rib, 34 Elastic body center, 35 Sealing part, E1 First area, E2 Second area

Claims (2)

一方向に交互に配列される複数の電池セルと複数の弾性体とを備える電池モジュールにおいて、
前記電池セルは、
電極体と、
前記電極体の縁部から引き出されている集電箔と、
前記電極体と前記集電箔を収容する電池ケースと、
を備え、
前記電極体は、
前記集電箔が引き出されている前記縁部を含み充電時に電流が集中する第1領域と、
前記第1領域を挟んで前記集電箔と反対側に位置し前記第1領域に比較して充電時の電流の集中が小さい第2領域と、
を備え、
前記弾性体は、
前記第1領域と前記電池ケースを挟んで対向する第1リブと、
前記第2領域と前記電池ケースを挟んで対向する複数の第2リブと、
を備え、
前記第1リブと前記電池ケースとの接触面積は前記複数の第2リブそれぞれと前記電池ケースとの接触面積のうち最大の接触面積より大きく、かつ、
前記複数の第2リブと前記電池ケースとの合計接触面積は、前記第1リブと前記電池ケースとの接触面積より大きいことを特徴とする電池モジュール。
A battery module including a plurality of battery cells and a plurality of elastic bodies arranged alternately in one direction,
The battery cell includes:
An electrode body;
A current collecting foil drawn out from an edge portion of the electrode body;
a battery case that accommodates the electrode body and the current collecting foil;
Equipped with
The electrode body is
a first region including the edge portion from which the current collecting foil is pulled out and in which current is concentrated during charging;
a second region located on the opposite side of the current collecting foil across the first region, the second region having a smaller current concentration during charging than the first region;
Equipped with
The elastic body is
a first rib that faces the first region with the battery case therebetween;
a plurality of second ribs facing the second region with the battery case interposed therebetween;
Equipped with
a contact area between the first rib and the battery case is larger than a maximum contact area among contact areas between each of the second ribs and the battery case ; and
a total contact area between the plurality of second ribs and the battery case is greater than a contact area between the first rib and the battery case .
前記第1リブと前記電池ケースとの接触面積は、前記第1リブと前記複数の第2リブを含む全てのリブと前記電池ケースとの合計接触面積の5~15%を占めることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。 The battery module according to claim 1, characterized in that a contact area between the first rib and the battery case accounts for 5 to 15% of a total contact area between all ribs, including the first rib and the plurality of second ribs, and the battery case.
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