陳 潔，楊 燦，竇汝振，李頂根

（1. 華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074；2. 中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300162）

車用動力電池熱防護與散熱集成研究

陳 潔1，楊 燦1，竇汝振2，李頂根1

（1. 華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074；2. 中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300162）

針對車用動力電池組存在散熱與熱失控防護設(shè)計需求不一致的問題，提出了在電池組內(nèi)交替安置隔熱板與熱管的集成熱管理方案。利用 Mat1ab/Simu1ink 仿真軟件以方形三元鋰離子電池為對象建立電池組仿真模型，通過對比分析 4種熱管理方案在正常和熱失控兩種工況下的性能優(yōu)劣，驗證此集成系統(tǒng)散熱和熱防護性能的可靠性。結(jié)果表明，此集成系統(tǒng)熱管理性能明顯優(yōu)于單一的熱管冷卻系統(tǒng)或熱防護裝置，不僅可以有效提高電池組散熱能力，改善電池組內(nèi)部溫度分布均勻性，同時能夠延緩熱失控傳播，提高電池組運行安全性。

鋰離子電池；熱管冷卻；熱防護；熱管理

鋰離子電池以其大功率密度和高充電效率等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種電動汽車。但鋰離子電池能量儲存部分與能量轉(zhuǎn)化部分存在于同一空間，在過充電、針刺、碰撞情況下易引起連鎖放熱反應(yīng)，造成冒煙、失火甚至爆炸等熱失控事故。目前，鋰離子動力電池組熱失控事故時有發(fā)生，有關(guān)鋰離子動力電池系統(tǒng)熱失控的研究也不再局限于單體級別的熱失控產(chǎn)生機理及特性方面，而是逐步擴展到由單體熱失控觸發(fā)繼而傳播到整個電池組的熱失控安全問題。近年來，針對電池組的熱失控傳播問題主要通過熱防護技術(shù)解決[1-2]。

熱防護技術(shù)是在電池組內(nèi)增加隔熱層，以阻斷熱失控從失控單體向周圍單體傳播，降低了電池組的損害以及附帶的破壞作用。Tes1a 公司在其汽車鋰離子電池組的專利中設(shè)計了一種由隔熱材料和彈性材料復(fù)合制成的隔離板，放置于電池模塊不同列單體之間，以此來阻斷相鄰單體間的熱失控傳播。MUNIZ[3]提出了一種熱防護措施，通過在方形電池單體之間設(shè)置隔熱層，阻斷失控單體向臨近單體傳熱，同時，隔熱層不完全封閉，單體之間留有對流通道，有利于失控單體產(chǎn)生的熱量在整個電池包內(nèi)散熱，避免局部過熱。這些專利列舉的熱失控阻隔措施較為詳盡，但是針對添加隔離層后導(dǎo)致電池組散熱性能降低的情況，一般的冷卻系統(tǒng)很難滿足散熱需求。

YAN 等[4]提出了一種結(jié)合熱防護和散熱的復(fù)合板熱管理系統(tǒng)，復(fù)合板由相變材料和隔熱板組成，分析了正常工況下電池組的散熱性能，同時以10 C 工況為例，分析復(fù)合板散熱與隔熱性能。但是相變材料的相變潛熱有限，為達到散熱效果，復(fù)合板厚度為10 mm，而且由于相變材料導(dǎo)熱性能差，吸收的熱量不易釋放，影響其運行時的冷卻性能。為了有效阻斷鋰離子動力電池系統(tǒng)的熱失控傳遞，同時又能保證電池組高效散熱，采用了基于熱管冷卻的熱失控防護裝置，并通過建模仿真，分別對正常工況和熱失控工況下集成結(jié)構(gòu)的散熱與隔熱性能進行分析，以驗證該集成系統(tǒng)散熱和熱防護性能的可靠性[5-6]。

1 熱防護與冷卻散熱集成系統(tǒng)

采用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的額定容量為 10 Ah 的方形三元材料鋰離子電池作為研究對象，參數(shù)見表1。

基于熱管冷卻的熱防護結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它包括電池組、隔熱板、熱管組、冷卻介質(zhì)（圖中未標出）。每兩個電池單體之間錯落放置熱管組或熱隔離層，達到均勻散熱和有效阻隔的作用。其中，熱管組設(shè)置為銅片-熱管（4根并列）-銅片的夾層結(jié)構(gòu)，銅片的作用是增強電池與熱管之間的導(dǎo)熱性能。為提高熱管散熱性能，熱管蒸發(fā)段被擠壓成3 mm 厚的平板，增大了與銅片的接觸面積[7-8]。

圖1 熱防護結(jié)構(gòu)示意圖

基于熱管冷卻的熱防護裝置結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖如圖2所示。以中間一組隔熱板-電池-熱管-電池-隔熱板為一個集成系統(tǒng)單元，給出一維熱阻網(wǎng)絡(luò)圖。熱阻網(wǎng)絡(luò)圖由RC電路表示，其中電阻代表熱阻，電容代表比熱容，電源代表電池單體的自發(fā)熱量。

圖2 熱防護結(jié)構(gòu)與原理示意圖

正常運行時，電池單體連續(xù)產(chǎn)熱，小部分熱量通過隔熱板傳遞到鄰近的電池單體上，主要熱量通過冷卻方式散熱。因此，要提高熱管理性能，必須采取有效的散熱手段。熱管由于其高導(dǎo)熱性、結(jié)構(gòu)緊湊、形狀可變的優(yōu)點成為較有優(yōu)勢的冷卻方式[9-10]。

當某電池單體觸發(fā)熱失控時，產(chǎn)熱量驟增，散熱量遠小于產(chǎn)熱量，熱量向周圍電池傳遞，會迅速引發(fā)周邊電池大規(guī)模熱失控，形成安全隱患。因此有必要在電池單體之間增加隔熱板，減緩熱失控的傳播速度，為采取進一步消防措施爭取時間。

2 熱防護與冷卻散熱集成系統(tǒng)建模

為驗證所提出的熱防護與冷卻散熱集成系統(tǒng)的有效性，建立該系統(tǒng)的集總傳熱模型，對電池組正常運行工況和單體電池發(fā)生熱失控時進行仿真研究。該模型將電池、隔熱板和熱管各層均視為具有質(zhì)量、熱容以及熱阻的質(zhì)點，通過計算電池的產(chǎn)熱量和各個單元之間的傳熱量得到各部分的溫度變化情況。

2.1 鋰離子電池導(dǎo)熱模型

針對電池組的熱管理系統(tǒng)模擬主要側(cè)重于各電池單體之間的溫差分布，以及某單體觸發(fā)熱失控后在電池組中的傳播情況，所以采用電池單體的集總模型。同時考慮到采用的電池沿 x、y方向的導(dǎo)熱系數(shù)遠高于 z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，將電池組簡化為 z方向的一維傳熱模型。

2.2 鋰離子電池熱失控產(chǎn)熱模型

鋰離子電池的熱失控包含了一系列復(fù)雜而劇烈的物理化學(xué)過程，其中的產(chǎn)熱包括電池內(nèi)部材料的分解，相互反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱和正負極短路產(chǎn)生的焦耳熱。

將單體電池視為一個集總的熱源，其產(chǎn)熱量包括化學(xué)反應(yīng)熱和短路產(chǎn)生的焦耳熱[11]：

式中：Qr（t）為 化學(xué) 反應(yīng) 產(chǎn) 熱， J；Qj（t）為短路導(dǎo)致的焦耳熱，J。Qr（t）滿足：

式中：QSEI為 SEI膜分解產(chǎn)熱，J；Qanode為負極分解產(chǎn)熱，J；Qseparator為 隔 膜 分 解產(chǎn)熱，J；Qe1ectro1yte為電解液分解產(chǎn)熱，J；Qcathode為正極分解產(chǎn)熱，J。其中，Qcathode（t）包括兩項：

對任意反應(yīng)x，其產(chǎn)熱量取決于化學(xué)反應(yīng)速率和單位反應(yīng)的產(chǎn)熱量，而各反應(yīng)的反應(yīng)速率滿足Arrhenius 方程，具體可見文獻 [3]。

焦耳熱 Qj（t）可表示為：短路過程中釋放的總熱量，J；Tshort為發(fā)生短路的溫度。對于本研究所建立的熱失控傳播模型，第一塊單體電池因針刺導(dǎo)致短路引發(fā)的熱失控，即在0時刻 發(fā) 生 短 路， 所 以 Tshort=T(0)。 其 它 電 池 由 于 隔 膜受熱分解引發(fā)熱失控，所以 Tshort=160 ℃為隔膜崩潰的溫度。

2.3 熱管模型

2.3.1 熱管的結(jié)構(gòu)

熱管結(jié)構(gòu)與原理如圖3所示，從外到內(nèi)分別為銅殼、毛細芯和蒸發(fā)腔。熱管的一段為蒸發(fā)段，由直徑 8 mm 的圓柱體壓成 3 mm 厚的平板以減少熱管與銅片的接觸熱阻；中間段為絕熱段；另一段為冷凝段。當熱管的一段受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸汽在微小的壓力差下流向另一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料利用毛細作用流回蒸發(fā)段。

圖3 熱管結(jié)構(gòu)與原理示意圖

考慮到模擬的時效性及針對性，以及方便熱設(shè)計者們進行熱管對于電池熱管理系統(tǒng)的傳熱研究，有必要在保證模擬精度的前提下合理簡化模型。PRASHER 等[6]在毛細芯完全充滿液體、毛細芯內(nèi)無蒸發(fā)的條件下提出了熱管固體等效模型，即將熱管看成由銅殼、毛細芯、蒸汽核三部分固體組成的三明治結(jié)構(gòu)，并通過試驗驗證其可行性。YE 等[7-8]采用該簡化固體模型研究快充條件下的熱管冷卻情況，其結(jié)果與試驗值基本吻合。

圖3中還給出了簡化熱管的等效熱組圖，熱量傳遞分為徑向和軸向兩方面。徑向來看，熱量在蒸發(fā)段依次經(jīng)過銅殼、毛細芯到液汽表面，在冷凝段則相反，其中毛細芯熱阻較大為主要熱阻，液汽表面熱阻較小可忽略不計；軸向來看，毛細芯熱阻較大，屬于低導(dǎo)熱區(qū)簡化為斷路，而蒸發(fā)腔內(nèi)蒸汽軸向傳遞系數(shù)非常高，熱阻幾乎忽略不計。

2.3.2 銅殼

由于銅殼在模擬中的熱傳遞方式是純熱傳導(dǎo)，所以直接取銅的密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等熱參數(shù)值。

2.3.3 毛細芯

目前選擇的熱管載熱能力上限高于本研究的正常工況熱負荷，所以運行過程中不會出現(xiàn)冷卻液蒸發(fā)干的情況。本文引用 CHI等[12]基于假設(shè)毛細芯主體可以看成是在多孔結(jié)構(gòu)充滿液體的條件下，提

式中：k1和 ks分別為工作液體熱傳導(dǎo)和燒結(jié)銅粉多孔毛細結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)系數(shù)；ε為孔隙率，其值為 0.5。

毛細芯的密度和比熱容分別通過平均體積法計算，包括毛細芯和相變液體兩部分：

式中：ρwick、ρ1、ρs分 別為毛細芯、 相變液體和銅粉的密度，kg/m3；Cwick、C1、Cs分別為銅粉的比熱容，J/（kg·K）。

2.3.4 蒸發(fā)腔

對蒸發(fā)腔內(nèi)蒸汽的簡化基于以下假設(shè)：蒸汽是不可壓縮的；蒸汽流動處于層流充分發(fā)展段，隨溫度變化的壓降遵循C1apeyron 方程以及理想氣體定律。圓柱形熱管內(nèi)相變產(chǎn)生的蒸汽熱傳導(dǎo)系數(shù)可以簡化為：溫度區(qū)間在 20 ～ 45 ℃，設(shè)定熱管內(nèi)飽和蒸汽的溫度為 40 ℃，計算得 kvapor=4.83×106W/（m·K）。

2.3.5 熱管模型驗證

由于熱管模型比較復(fù)雜，這里僅對簡化熱管進行驗證。熱管采用分段的簡化三層固體模型，其中冷凝段分為6段，絕熱段分為2段，蒸發(fā)段分為7段。

YE 等[7-8]在熱管蒸發(fā)段分別設(shè)置 18.6 W、28 W、38 W 恒定熱源，用試驗的方式得到隨熱管沿長度方向的溫度分布。同時采用上述簡化三層固體模型仿真，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致。為驗證所采用模型的可靠性，設(shè)置熱管的邊界條件與文獻 [8] 中的相同，并以文獻 [8] 中采用的模型所得到的溫度曲線為參考值。仿真結(jié)果如圖4所示，在不同熱源條件下熱管隨長度方向的溫度曲線與參考值基本吻合。當蒸發(fā)段輸入功率較大時，模擬結(jié)果略低于參考值；而隨著蒸發(fā)段輸入功率降低，即電池組運行工況接近于正常工況時，模擬結(jié)果幾乎與參考值重合。

圖4 熱管模型仿真驗證

2.4 隔熱板參數(shù)

目前采用的隔熱材料有泡沫塑料、超細玻璃棉、高硅氧棉、真空隔熱板等。電池組內(nèi)隔熱板主要考慮耐高溫、防振動、不產(chǎn)生有毒氣體而且質(zhì)輕價低，同時由于其具有均低導(dǎo)熱性，本研究采用的隔熱板導(dǎo)熱系數(shù)約為 0.002 W/（m·K）。

2.5 邊界條件

電池與環(huán)境之間主要通過對流換熱與輻射換熱，因此換熱系數(shù)h主要由兩個因素決定，分別為對流換熱系數(shù) h1以及輻射換熱系數(shù) h2，其中h1約為 10 W/（m·K），h2由以下方程確定：

3 仿真結(jié)果分析

為簡化計算，這里取6個電池為一組，使用Mat1ab/Simu1ink 軟件搭建一維電池組熱模型。為驗證該集成系統(tǒng)的散熱和阻熱性能，分別與其它不同方案對比。其中，方案一代表電池單體間不添加任何散熱隔熱措施，方案二代表電池單體間安置隔熱板，方案三代表電池單體間安置熱管組，方案四代表單體間錯落安置隔熱板與熱管組。

3.1 正常工況下的溫度分布

為研究集成系統(tǒng)正常工況下的散熱性能，分別考慮了 1 C、3 C、5 C、10 C 等不同放電倍率下，電池組在同一放電工況下工作時的溫度分布。

由圖 5 可知，4 種不同方案在 3 C 放電時的溫度分布，由于電池組是對稱結(jié)構(gòu)，圖中只顯示出了ce111、ce112、ce113 的溫度隨時間變化曲線。由圖可知，方案一與方案二的溫度分布趨勢基本相似，且最高溫度在 1 200 s 時均為 57 ℃左右。這表明僅依靠增加隔熱板并不能改善電池散熱，因為此時各電池單體之間產(chǎn)熱量相近，而兩側(cè)電池單體的空氣接觸面較大，受到自然對流及熱輻射作用較強，中間電池單體需要向兩側(cè)電池單體傳熱，而隔熱板的存在阻斷了這一熱量傳播過程。相比于方案一與方案二，方案三與方案四達到穩(wěn)態(tài)的時間較短，同時，最高溫度較低，分別降低了 12 ℃和 10 ℃。這表明熱管冷卻可以有效帶走熱量，保證電池組運行的散熱性能。除方案三外，其它方案電池組內(nèi)電池單體最高溫度都在中心，兩側(cè)電池溫度較低。方案三由于內(nèi)部熱管冷卻量遠高于周邊的空氣對流及輻射換熱，隨著時間增加逐步呈現(xiàn)中心溫度低于兩側(cè)溫度的現(xiàn)象。

圖6 方案二和方案四下電池組內(nèi)最高溫度以及最大溫差比較

由圖6可知，方案二與方案四在不同放電倍率下電池組最高溫度與最大溫差隨時間分布。在方案二中，隨著放電倍率增大，放熱明顯增加，導(dǎo)致最高溫度與最大溫差隨放電倍率迅速增長。當放電倍率由 1 C 增到 10 C 時，最高溫度由 43.4 ℃增至 91.5 ℃，最大溫差則由 5.4 ℃降至 4.1 ℃。因為隔熱板阻礙電池單體間傳熱，放電倍率越大，周邊散熱影響越小，中心電池溫度驟升，與兩側(cè)電池間的溫差則逐步減小。與此相比，方案四的溫度隨放電倍率增長緩慢。最高溫度和最大溫差分別由 41.07 ℃和 1.379 ℃增至73.22 ℃和 2.417 ℃。根據(jù) LING 等[10]的總 結(jié)，正常工況下鋰離子電池最高溫度不易超過 45 ℃，以及PESARAN 等[11]的總結(jié)，電池組內(nèi)最大溫差不宜超過 5 ℃，在 3 C 放電倍率下方案四基本滿足條件。

3.2 不同模式的散熱性能對比

圖7表示4種方案下電池組內(nèi)最高溫度及最大溫差對比。如圖 7a所示，方案一與方案二的最高溫度基本相似，表明僅通過設(shè)置隔熱層和外部對流散熱不能加強散熱性能。與此同時，方案三和方案四的散熱性能明顯比前兩者好。

由圖 7a可知，隨著放電倍率增大，方案四的最高溫度一直略高于方案三，在 10 C 時，溫差有增大的趨勢。由于熱管帶走熱量的多少與熱管數(shù)量密切相關(guān)，方案四要兼顧熱失控隔熱，將方案三中部分熱管置換為隔熱板。而由圖 7b可知，當放電倍率由 1 C 升至 10 C 時，方案三的最大溫差由 0.94 ℃驟升至 7.56 ℃，而方案二最大溫差變化平穩(wěn)?？紤]到電動車正常運行工況在 3 C 以下，且方案四隨工況變化溫差較小，表明電池組溫度散熱性能更穩(wěn)定高效。

圖7 不同方案下電池組內(nèi)溫度分布

圖8 不同方案下單體電池熱失控觸發(fā)時間

3.3 熱失控時的熱性能分析

當熱失控觸發(fā)后，分析4種方案對于熱失控的阻斷作用，同時探究隔熱板厚度分別為 1 mm 和2 mm 時對熱失控傳播的影響。

由圖 8 可知，四種不同方案下 ce111 電池單體觸發(fā)熱失控后觸發(fā) ce112 到 ce116 發(fā)生熱失控的時間。方案一與方案三在熱失控觸發(fā)后，熱失控迅速傳播，ce111 到 ce116 相繼在 500 s 內(nèi)發(fā)生熱失控。方案三發(fā)生熱失控的時間比方案一稍慢，這是因為熱管冷卻能夠帶走部分熱量，但在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)移熱失控爆發(fā)熱量的能力有限，在沒有防護措施的輔助下熱失控傳播只能比方案一延遲幾十秒。同時由于熱管外殼為銅，有利于相鄰電池之間傳熱，促使熱失控迅速蔓延。對比結(jié)果顯示，方案二阻熱作用最好，熱失控以穩(wěn)定速度從 ce112 傳播到 ce116，電池單體之間觸發(fā)約需 700 s，由此可見隔熱板對于熱失控傳播阻斷效果明顯。

方案四阻熱效果明顯高于方案一與方案三，但低于方案二，同時時間隨電池單體傳播順序呈梯度變化。主要由于隔熱板熱傳導(dǎo)系數(shù)較小，兩側(cè)電池單體溫差較大且熱失控傳播較慢，耗時明顯長于隔熱板之間電池單體的傳播時間，分別約為 790 s和 72 s。

表2 四種不同方案下電池組內(nèi)各單體的最高溫度 Tmax單位：℃

4種不同方案下熱失控觸發(fā)后電池組內(nèi)各單體的最高溫度，以及改變方案四中隔熱板厚度對熱失控的影響，見表2。由表可知，方案二熱失控時達到的最高溫度遠高于其它方案，其中 ce113 的最高溫度高達 924.6 ℃，因為設(shè)置隔熱板雖然有利于電池組阻熱性能，卻增加了散熱難度，中間電池單體散熱性能變差，增加了熱失控電池起火的風(fēng)險。方案三和方案四則明顯降低了熱失控觸發(fā)后的最高溫度，以 ce113 為例，分別下降了 85.5 ℃和 88.3 ℃。方案四的 ce112 和 ce114 在熱失控傳播過程中的最高溫度呈現(xiàn)小幅度上升，因為隔熱板阻斷相鄰電池單體之間傳熱，隔熱板前的失控電池單體會出現(xiàn)少量聚熱現(xiàn)象。

為了分析隔熱板厚度對熱失控傳播的阻斷影響，將隔熱板厚度由 1 mm 增至 2 mm。由表 2 可知，熱失控由 ce111 傳遞到 ce112 之后就不再傳播了，因為隔熱板低導(dǎo)熱性延緩了失控電池的傳熱速度，為快速散熱提供了時間，在熱失控還未傳遞到臨近電池之前失控電池單體就被有效冷卻了。

4 結(jié)論

以熱防護與散熱集成系統(tǒng)為對象，以模擬仿真為主要研究手段，對4種方案下正常工況與熱失控時電池組的散熱與隔熱性能進行分析，對比驗證該集成系統(tǒng)的熱管理性能，并探究了隔熱板厚度對于熱失控傳播的阻隔作用，得到以下結(jié)論。

（1）四種方案對比表明，方案二阻熱性能突出，可有效延緩熱失控傳播，但是散熱性能較差，僅僅依賴隔熱板和自然散熱無法滿足電池組熱管理需求。方案三散熱性能良好，但隨著放電倍率增大最大溫差驟升。同時，熱失控觸發(fā)后阻熱性能遠低于方案二和方案四。而方案四不僅大大增強了電池組的散熱能力和電池組內(nèi)各單體溫度均勻性，其高隔熱性能還可有效阻斷熱失控傳播。

（2）通過改變隔熱板厚度，增強電池組散熱能力，可有效阻斷熱失控傳播。當隔熱板厚度由1 mm 增加到 2 mm 時，在保證熱管正常工作的前提下，可將熱失控阻斷在隔熱板之前。

（3）合理的隔熱措施與冷卻方式相結(jié)合不僅能有效提高電池組工作溫度區(qū)間的穩(wěn)定性，還能有效阻斷熱失控。可在以后的研究中考慮將圓柱熱管改為平板熱管與隔熱板集成，減少冷卻裝置的占用空間。

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作者介紹

責任作者：陳潔（1990-），女，江蘇鹽城人。碩士研究生，主要從事電池熱管理設(shè)計及熱仿真計算。

Te1：13429861126

E-mai1：1213280124@qq.com

Study on an Integrated Lithium Battery System in EV Combining Cooling and Thermal Runaway Protection

CHEN Jie1，YANG Can1，DOU Ruzhen2，LI Dinggen1
（1. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China; 2. China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300162，China）

Aiming at the contradictory requirements of cooling and thermal runaway protection, an integrated lithium battery pack combining cooling and thermal runaway protection had been proposed. The prismatic MnNiCo ternary battery was taken as research object and a simulation model was built based on Matlab/Simulink. The performances of four thermal management schemes under both normal and thermal runaway conditions were discussed respectively to verify the reliability of the integrated system. The analysis shows, the performance of this integrated system is clearly superior to that of a single heat pipe cooling system or other thermal protection devices. It can not only improve the uniformity of temperature distribution, but also delay the spread of a thermal runaway to adjacent cells, increasing the safety of battery pack operation.

lithium ion battery；heat pipe cooling；thermal protection；thermal management

TM911

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.02

李頂根（1977-），男，安徽桐城人。副教授，主要從事動力電池測控、動力機械電子控制技術(shù)研究。

2017-02-09 改稿日期：2017-03-03

“十二五”國家科技支撐計劃重大計劃（2015BAG17B02）

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Te1：027-87542418

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