JP2003219572A - 組電池システム - Google Patents
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Abstract
定も可能な組電池システムを提供することを目的とす
る。 【解決手段】 組電池と、該組電池を直列に充放電する
第1の充放電手段と、少なくとも1つの電池の電圧を逐
次切り替えて検出する電圧検出手段と、少なくとも1つ
の電池を逐次切り替えて行う第2の充放電手段とを有す
ることを特徴とする組電池システム。
Description
力源とし、モーターおよび組電池システムによってエン
ジンの駆動力をサポートする電動車両用の組電池システ
ムに関するものである。
池を使用するに当たり、電池の容量を有効に利用するた
め、個々の電池の端子電圧を監視しs.o.c.(st
ateof charge)のバラツキを圧縮すること
は従来から行われているが、こうした従来の技術では個
々の電池に1つずつ放電回路を設けs.o.c.の高い
電池を放電して低い電池に合わせる作業を行っていた。
流をバイパスするツェナダイオードを個々の電池に設け
る方法(特開昭61−206179号公報)や個々の電
池の電圧を測定し上限電圧を超えたらバイパス回路に電
流を流す方法(特開平08−213055号公報)や個
々の電池の開路電圧を統計処理しs.o.c.のズレを
検出して個々の電池ごとに設けた放電器で放電し最も
s.o.c.の小さい電池にs.o.c.を合わせる方法
(平10−322925号公報)などが行われていた。
また、電池の異常判定も個々の電池の電圧バラツキ等か
ら判断する方法が行われていた。
は個々の電池ごとに放電器を設けているため、回路が複
雑になり、また容積的にも大きなものなのでコストアッ
プにつながっていた。
の高い電池を低い電池と同じs.o.c.になるように
放電していたため、組電池全体としては大きな電気量を
放電する必要があり、エネルギーロスが大きかった。
式のため放電器を稼動できる期間が限られており、放電
器も大型のものにならざるを得なかった。このため、通
常1/50C相当以上の放電電流を流すことができる放
電器が用いられている。また、通常このような用途に用
いられる電池は容量10Ah前後であり、この場合放電
電流も0.5A以上の電流となり、その結果放電回路は
大きなものになり、大きな電流をON/offするため
に大型の電流素子を使う必要があった。
に電圧の高い電池に抵抗を接続し、同じ電圧になったら
開放していたので、同じs.o.c.になるまでに何度
も放電のON/offを繰り返し、s.o.c.を揃え
るのに長時間を要していた。
いた場合、一部の自己放電の大きな電池が存在するた
め、s.o.c.の均等化処理を実施するのは困難であ
った。なぜならば、s.o.c.が低下していく電池に
合わせて他の電池を放電すると、全ての電池が深い放電
を受けるためである。
c.バラツキを拡大させる原因の1つであり、劣化が進
むとs.o.c.均等化回路の能力を上回った速度で
s.o.c.のバラツキが拡大する。従来は電池電圧の
バラツキにより劣化電池を検出する方法も提案されてい
るが、こうした電流バイパス回路により電圧バラツキが
縮小されるため、劣化がかなり進んだ状態でしか検出で
きず、組電池システムの保全の点で課題があった。
題を解決するために以下に示すような特徴を有するもの
である。
あって、組電池を直列に充放電する第1の充放電手段
と、少なくとも1つの電池の電圧を逐次切り替えて検出
する電圧検出手段と、少なくとも1つの電池の充放電を
逐次切り替えて行う第2の充放電手段を有することを特
徴とするものである。
して過放電に至るが、これを防止するために組電池総電
圧が予め決められた値以下になると第1の充放電手段、
電圧検出手段、第2の充放電手段による処理を一旦中断
する。
に適した時期は、走行が終了して一定時間以上駐車して
いる状態が望ましいが走行頻度が高い場合、静止状態で
の電池電圧バラツキの取得が困難となる。このような一
定期間駐車状態でのOCVの取得が困難な場合、電池電
圧のバラツキを把握するため走行中も計測を行う。その
方法は電池電圧と充放電電流を同時に計測し、電流と電
圧の相関関係より電池のs.o.c.のバラツキを検出
する。
と、第2の電池の充放電手段の逐次切り替え機能を共用
する。
充放電電流を1/100C以下にする。
ために以下のような特徴を有するものである。
の電池のs.o.c.のバラツキを推定し、少なくとも
1つの電池の充電電気量および放電電気量を決定する。
の均等化に当たり、s.o.c.の低い電池に対しては
充電を、高い電池に対しては放電を行う。
c.均等化処理も走行中及び駐停車中も実施する。
偏差を有する電池から優先的に均等化処理を実施する。
動している期間は放電ないし充電の影響が電池電圧に現
れるので、s.o.c.バラツキの把握は実施しない。
処理後経過した時点でs.o.c.バラツキの把握を実
施する。均等化が完了した後は電圧バラツキの監視を行
い、予め決められた巾にバラツキが拡大するまで均等化
動作を停止する。
c.均等動作を継続し続けるため組電池の電力を消耗し
つづける結果となるが、s.o.c.の低い電池は充電
されるため最も低いs.o.c.値は上昇する。
予め定めた値より大であることを判定し、電池を充電ま
たは放電する期間を開始する。
は放電する期間の終了判定条件の1つが、予め決められ
た充電電気量もしくは放電電気量を超えた電池に対する
充電もしくは放電処理の完了である。
時間間隔が予め決められた値より短くなった場合もしく
は均等化頻度が高くなった場合、電池が劣化したと判断
しその旨を組電池ユーザーに警告する。
少なくとも1つの電池に対する累積の充電電気量、放電
電気量の増大を検出する。これにより短絡電池の検出と
共にその電池の特定も可能となる。
とはs.o.c.の均等化をする上で重要なことであ
る。この判定は予め充電電気量の上限値、もしくは充放
電収支の充電側への偏り量の上限を決めておき、これを
超えた電池を検出し、劣化電池とする。
内に少なくとも1つの電池の電圧と充放電電流を計測
し、これらのデータの集まりを逐次時系列的に数十組測
定し、少なくとも1つの電池ごとに電池電圧と充放電電
流が0の時の電池電圧を算出し、これら少なくとも1つ
の電池の該算出電圧より少なくとも1つの電池の放電電
気量及び充電電気量を決定し、それらに基づき少なくと
も1つの電池の充電もしくは放電を行う。
間内に少なくとも1つの電池の電圧と充放電電流と計測
し、これらのデータの集まりを逐次時系列的に数十組測
定し、電池温度を測定し、少なくとも1つの電池ごとに
電池電圧と充放電電流の数十対のデータの回帰分析を行
い、充放電電流が0の時の電池電圧、少なくとも1つの
電池の内部抵抗を算出し、これら少なくとも1つの電池
の該算出電圧、電池温度および少なくとも1つの電池の
内部抵抗値より、少なくとも1つの電池の放電電気量及
び充電電気量を決定し、それらに基づき少なくとも1つ
の電池の充電もしくは放電を行う。
均等化する少なくとも1つの電池の充電手段、放電手段
の必要とされる能力を低く押さえることが可能となり、
電圧検出回路のマルチプレクサを第2の充放電手段が共
用することが可能となる。
いたので均等化での放電電気量を少なくすることがで
き、エネルギー効率の改善を達成できた。さらに短絡モ
ードの劣化電池を正確に検出することによりs.o.
c.均等化が困難な状態を事前に予測することが可能と
なり、組電池の利便性を向上することができる。
動車の構成を図1に示す。動作としてはガソリンエンジ
ンを主たる動力源とし、モーター6と組電池システム2
によりエンジン出力のアシストや回生制動のエネルギー
回収を行う。エンジン4は変速機5を介してモーター6
に接続され、さらにデファレンシャルギヤ8を介して車
輪7に動力を伝達する。加速時は組電池システム2より
インバーター3を介してモーター6に電力が供給され、
エンジン出力をアシストする。減速時は逆にモーター6
で制動力を発生しながら発電を行い、発電した電力をイ
ンバーター3を介して組電池システム2に戻す。
他車両情報、エンジン4からの情報、組電池システム2
からの情報に基づき、エンジン4及びインバータ3を制
御し、最適な燃料効率でエンジン4の稼動を計ると共に
バッテリーの過充電や過放電、過負荷等を防止する。
号を受け車両が走行中、駐車中あるいは停車中かを判断
する。走行中、制御ECU1は組電池システム2からの
情報に基づき電池s.o.c.を約20%〜80%の範
囲になるようにエンジン4やインバータ3、モーター6
を制御する。これは電池を過充電や過放電から守るため
である。
施例Bの組電池システムを示す。
について説明する。図2に示した従来例Aは、n個のL
iイオン二次電池C1〜Cn(標準容量10Ah)、抵
抗放電器10(7Ω)、電圧検出手段12、マルチプレ
クサ9、電流検出手段13、電池ECU11から構成さ
れる。電池ECU11は制御ECUからの情報に基づき
ハイブリッド電気自動車が走行状態か否かを判断する。
スリープ状態に入る。これは外部から電力が供給されな
い状態で組電池システムの電力消費を最小限に押さえる
ためである。
1はマルチプレクサ9を高速(数msec/CH以下)
で切り替えて電圧検出手段により電池C1〜Cnの個々
の電圧を取得する。電池電圧は負荷の影響を受けやすい
ので、負荷変動の少ない短時間の間に完了する。もしく
は車両が停車している時間に完了する。また適当な周期
で温度センサTH1〜TH3及び温度検出手段により電
池温度を計測し、これらに基づき制御ECUに充電要求
や放電要求、充電許可や放電許可を出力する。この際の
電池ECU11の駆動電力は組電池システム2から供給
される。
ことは最も低い電池電圧の電池、すなわちs.o.c.
の最も低い電池により放電許可が制限され、最も高い電
圧の電池、すなわちs.o.c.の高い電池により充電
許可が制限される点である。
c.のズレが拡大してきた場合、充電許可の状態と放電
許可の状態のs.o.c.の間隔が減少し、組電池シス
テムとして利用できる容量が低下する。即ち充放電が可
能な状態領域が減少する。これを図4に示す。
Aでは電圧検出手段12で測定した電池電圧バラツキに
基づき、抵抗放電器10のスイッチを制御し、電池電圧
の均等化を実施する。これによりs.o.c.も均等化
される。その結果組電池として利用可能な容量も回復す
る。
20%の正規分布の場合を示す。
測定し、抵抗R1〜Rnを適宜ONする。この際最低電
圧の電池に対応した抵抗はONされない。電池電圧の監
視を続行し最低電圧の電池と同じ電圧になった電池は放
電を停止する。放電を停止すると放電による分極が解消
し電圧が上昇する。そして再び抵抗がONになる。こう
した動作を繰り返す。そして、最終的には電池電圧を揃
えることにより均一な電圧に各電池は収束する。s.
o.c.の変化を図5(a)均等化前及び(b)均等化
後に示す。
度に設定している。これは1週間で1時間走行する場合
でも、1年で電池容量分のずれを補正する能力を有す
る。従来の市場実績からこの程度の均等化能力が必要で
ある。こうした均等化回路のスイッチ素子は、漏れ電流
が数10μA以下で制御電流が数100mAレベルのも
のが必要であり、素子としても高価なものとなる。また
スイッチ素子、電池、放電期間の配線の容量も必要であ
る。
の電圧検出手段12と単一の充放電手段15はマルチプ
レクサ9を共有している。個々の電池に一対一で対応す
る抵抗放電回路は無く、制御ECUと交換する情報は従
来例Aと同じ内容である。
る。
ECUからの情報に基づき、ハイブリッド電気自動車が
走行状態か否かを判断する。従来例と異なり走行中か否
かに関わらず、組電池システム2は稼動する。次に電池
ECU11の動作シーケンスを示す。まず個々の電池の
充電電気量、放電電気量を求める期間を開始する。
プレクサ9を高速(数msec/CH以下)で切り替え
て、電圧検出手段により電池C1〜Cnの個々の電圧及
び電流値を取得する。電池電圧は負荷の影響を受けやす
いので、負荷変動の少ない短時間の間に完了する。概ね
5%以下の変動に収まるレベルが望ましい。また適当な
周期で温度センサTH1〜TH3及び温度検出手段によ
り電池温度を計測し、これらに基づき制御ECUに充電
要求や放電要求、充電許可や放電許可を出力する。
圧の算出を行う。この方法は電池C1〜Cnに対する電
圧Vc1〜Vcnと電流値Iを一組とし、60組のデー
タを集める。一組のデータは先に述べたように負荷変動
が5%以下の短い時間に取得されたものである。
各々についてV=(開路電圧)−(負荷電流)×(電池
内部抵抗)の関係式に基づき開路電圧を算出する。これ
らの開路電圧を、数1に示す開路電圧とs.o.c.の
関係式に当てはめてs.o.c.を求める。なお数1の
式は図6より求められるものである。
より偏差を求め、これを充放電電気量とする。偏差の求
め方は、全ての電池のs.o.c.の平均値に対する偏
差でも、s.o.c.の中央値に対する偏差でも良い。
但し実際の電池のs.o.c.分布形状の(正規分布を
していない)場合は、中央値の方が好ましい。
場合、電池温度によって電池容量が変化するため電池温
度による補正を実施することが望ましい。
ど流れないため電池電圧、温度を測定し、数1から容易
にs.o.c.を求めることができる。この場合走行中
と異なり短時間内に電圧や電流を測定する必要はない。
通常はこうした期間内に測定を行うことが望ましいが、
走行頻度の高い車両の場合は先に述べた方法で走行中に
求める。これより走行中と同様に充放電電気量を求め
る。こうすることによりs.o.c.を均等化する機能
の稼働率を向上できる。
値を予め定めた値5%と比較し、小さな場合は充電電気
量と放電電気量を求める期間を続行する。
ても求めた偏差自体の精度が不充分なためs.o.c.
バラツキ圧縮の効果が薄いことと、s.o.c.均等化
による個々の電池の放電をエネルギーロスの観点から回
避するためである。また、s.o.c.5%以下であれ
ば、電池の利用可能なs.o.c.範囲の減少も問題と
ならない範囲である。
等化期間に入る。s.o.c.均等化期間では走行時、
駐停車時に限らず充放電手段を用いて負側に偏差してい
る電池を充電し正に偏差している電池を放電する。但し
走行時は電池電圧の監視も重要であるからマルチプレク
サを適宜切り替えながら行う。
各々の電池のs.o.c.の偏差を電池ECUは記憶
し、マルチプレクサを切り替えて電池と充放電手段を直
結しs.o.c.の修正を実施する。駐車中など電圧測
定の必要性がない場合は、s.o.c.偏差の大きい電
池から逐次マルチプレクサを切り替えてs.o.c.の
補正を実施する。予め定められた偏差の電池までs.
o.c.の補正が実施されたらOCVの安定時間として
数時間休止した後に、s.o.c.バラツキの推定モー
ドに入り以上を繰り返す。
スを実施しつづけ、充放電機能の稼働時間を長時間にす
ることにより充放電手段の能力を少なくする。本実施例
では充放電手段の能力は1/200C程度であるが、通
年で1/200×24時間×365日=43C相当の補
正が可能である。通常本実施例のようなハイブリッド電
気自動車のシステム電圧は、240V前後、リチウムイ
オン電池の直列数が80個程度であるので、43Cの補
正能力は従来例Aの通年で1セル当たり1C、組電池当
たり80セル×1C=80Cのほぼ半分である。
みでs.o.c.を均等化した場合と図7に示したよう
に充放電でs.o.c.の均等化を行った場合、充放電
電気量は約1/3になる。したがって本実施例Bは従来
例Aと比較して同等以上の均等化能力を確保できた。
定の電池に顕著に表れること(劣化モードが微短絡の電
池の出現)を考慮すれば、特定の電池を選択して充電も
しくは放電可能な本発明の方がs.o.c.均等化能力
が高いことが判る。また放電によるロスの一例を挙げる
と、従来の方式はs.o.c.50%を中心に偏差±2
0%でばらついていた場合、単電池で見ると最大40%
放電しなければならないが、充電機能を有する本発明の
場合、s.o.c.50%で合わせることが可能であ
り、半分の20%の放電でs.o.c.の均等化が可能
である。図7にそれを示す。
20%の正規分布の場合、組電池全体では無駄に放電さ
れる電気量は1/6程度に削減され、エネルギー効率的
にも有効であることが判る。更に、一般的組電池のs.
o.c.の分布を図8に示す。この様に、一部にs.
o.c.の極端に低下した電池が表れる場合が多い。こ
れは組電池を構成する電池の一部に、微少な内部短絡を
有する電池が発生した場合見かけられる。図8に示した
様な分布の場合は、均等化で放電する電気量は本発明の
充電で補う方法では著しく少なくなる。
数が増えるに連れ均等化に要する時間が長くなるが、こ
れを抑制するためにマルチプレクサを一系統から数系統
に増やすことも可能である。
駐車中も実施する。これは通常このような車両は駐車し
ている時間のほうが走行している時間より長いためであ
る。また従来の場合、s.o.c.を最も低い電池に合
わせるため駐車中にs.o.c.均等化処理を行った場
合、組電池全体のs.o.c.が大きく低下するが、本
発明の場合ほぼ中心のs.o.c.に合わせられるた
め、駐車中のs.o.c.均等化も安全に且効率的にで
きる。更に、駐車中に組電池総電圧監視を行うので、組
電池全体が限界以上に低いs.o.c.に移行すること
を防止できる。
とし、これは従来例と比較すると約1/4の電流であ
る。実際には前述したように、電池のs.o.c.のズ
レの原因は微短絡電池が多く、こうした局所的に発生す
るズレに対しては本発明の方が特定の電池を集中して充
電できるため有利であり、より低い充放電電流でも組電
池システムは成立する。また、s.o.c.の低下の大
きい電池(微短絡電池)を優先的に充電することによ
り、より短時間にs.o.c.のバラツキを圧縮でき
る。
しておけば劣化電池の検出が可能となる。この場合、本
発明のように充放電手段を搭載する数が少ないので定電
流回路を採用することも容易であり、充放電電気量の管
理も容易となる。
し、充放電によりs.o.c.を均等化し、休止時間を
設けて再度電池電圧を検出する方法によると、従来のよ
うに分極によって放電をON/offを繰り返すことが
無いのでより短時間に均等化ができる。
る時間を記録し、その時間が減少することにより劣化判
定を行うことが可能である。同様に充放電電気量、走行
距離などの数値を判定基準に用いても良い。その状況を
表1に示す。従来例Aであれば走行で不具合が発生する
まで(均等化回数:26回)ユーザは気が付かないが、
本発明Bでは不具合発生の約3ヶ月前(均等化回数:2
3回)から劣化を検出できる。
A程度にした場合、電池の電圧検出線や電圧検出用のマ
ルチプレクサと回路を共用できるので、少ない回路構成
でシステムを構成できる。
構成で組電池のs.o.c.の均等化が達成でき、電池
を有効利用できると共に、均等化によるエネルギーロス
を低減することができ、更に精度の高い劣化判定機能を
達成できる。
動車の構成図
図
範囲の関係を示す図
を示す図
を示す図
等化を実施する前のs.o.c.分布図
Claims (16)
- 【請求項1】 蓄電池を2セル以上直列に構成した組電
池と、該組電池を直列に充放電する第1の充放電手段
と、少なくとも1つの電池の電圧を逐次切り替えて検出
する電圧検出手段と、少なくとも1つの電池の充放電を
逐次切り替えて行う第2の充放電手段とを有することを
特徴とする組電池システム。 - 【請求項2】 組電池の総電圧検出手段を有し、検出さ
れた総電圧値が予め設定された値以下になった場合に、
第1の充放電手段、電圧検出手段もしくは第2の充放電
手段による処理を中断することを特徴とする請求項1に
記載の組電池システム。 - 【請求項3】 電圧検出手段を動作させる期間が、第1
の充放電手段が停止している期間に設けることを特徴と
する請求項1または2に記載の組電池システム。 - 【請求項4】 電圧検出手段の逐次切り替え機能と、第
2の充放電手段の逐次切り替え機能を共用したことを特
徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の組電池システ
ム。 - 【請求項5】 第2の充放電手段が、組電池容量に対し
1/100C〜1/10000Cの充放電電流を有する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の組電
池システム。 - 【請求項6】 予め求めておいた電池電圧とs.o.
c.の関係より少なくとも1つの電池のs.o.c.を求
め、前記少なくとも1つの電池のs.o.c.に基づ
き、少なくとも1つの電池の充電電気量及び放電電気量
を求めることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記
載の組電池システム。 - 【請求項7】 少なくとも1つの電池を充放電する際、
電池s.o.c.の偏差の大きいものから順に、s.
o.c.が低い場合充電を行い、s.o.c.が高い場合
放電を行うことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに
記載の組電池システム。 - 【請求項8】 s.o.c.の偏差を、組電池を構成す
る全ての単電池の中央値に対する偏差を用いることを特
徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の組電池システ
ム。 - 【請求項9】 電圧検出手段より得た検出電圧と、少な
くとも1つの電池の充電電気量及び放電電気量を求める
期間と、求めた充電電気量及び放電電気量に基づき少な
くとも1つの電池を充放電する期間を逐次繰り返し実行
することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の
組電池システム。 - 【請求項10】 電圧検出手段より得た検出電圧と、少
なくとも1つの電池の充電電気量及び放電電気量を求め
る期間と、求めた充電電気量及び放電電気量に基づき少
なくとも1つの電池を充放電する期間と、充電もしくは
放電後電池電圧からその影響を解消する休止期間を逐次
繰り返し実行することを特徴とする請求項1〜9のいず
れかに記載の組電池システム。 - 【請求項11】 求めた少なくとも1つの電池のs.
o.c.の偏差が予め定めた値より大であることを判定
し、電池を充電または放電する期間を開始することを特
徴とする請求項9または10に記載の組電池システム。 - 【請求項12】 少なくとも1つの電池を充電または放
電する期間の終了判定条件が、予め決められた充電電気
量もしくは放電電気量を超えた電池に対する充電もしく
は放電処理の完了であることを特徴とする請求項9〜1
1のいずれかに記載の組電池システム。 - 【請求項13】 少なくとも1つの電池に対する累積の
放電電気量もしくは充電電気量を保持する機能を有し、
その値が予め決められた値を超えた場合電池劣化を検出
することを特徴とする請求項1に記載の組電池システ
ム。 - 【請求項14】 少なくとも1つの電池を充電または放
電する期間の終了判定条件が、予め決められた充電電気
量もしくは放電電気量を超えた電池に対する充電もしく
は放電処理の完了であり、次の少なくとも1つの電池を
充電または放電する期間の再開が少なくとも1つの電池
のs.o.c.の偏差が予め定めた値より大で有ること
の判定であり、少なくとも1つの電池の充電または放電
の完了から再開までの時間、もしくは組電池システム全
体の充放電電気量が予め定めた値より減少したことによ
り劣化を検出することを特徴とする請求項1に記載の組
電池システム。 - 【請求項15】 少なくとも1つの電池の充電電気量及
び放電電気量を求める期間に少なくとも1つの電池の電
圧を検出する電圧検出手段と、充放電電流を検出する手
段と、第2の充放電手段を用い、充放電電流の変化が数
%以内の時間内に少なくとも1つの電池の電圧と充放電
電流を計測し、これらのデータの集まりを逐次時系列的
に数十組測定し、少なくとも1つの電池ごとに電池電圧
と充放電電流の数十対のデータの回帰分析を行い、充放
電電流が0の時の電池電圧を算出し、これら少なくとも
1つの電池の該算出電圧より個々の電池の放電電気量及
び充電電気量を決定し、それらに基づき少なくとも1つ
の電池の充電または放電を行うことを特徴とする請求項
1に記載の組電池システム。 - 【請求項16】 蓄電池を2セル以上直列に構成した組
電池と、第1の充放電手段と、電圧検出手段と、充放電
電流を検出する手段と、電池温度を検出する手段と、第
2の充放電手段を有する組電池システムで、充放電電流
の変化が5%以内の時間内に少なくとも1つの電池の電
圧と充放電電流を計測し、これらのデータの集まりを逐
次時系列的に数十組測定し、電池温度を測定し、少なく
とも1つの電池ごとに電池電圧と充放電電流の数十対の
データの回帰分析を行い、充放電電流が0の時の電池電
圧、少なくとも1つの電池の内部抵抗を算出し、これら
少なくとも1つの電池の該算出電圧、電池温度および個
々の電池の内部抵抗値より、少なくとも1つの電池の放
電電気量及び充電電気量を決定し、それらに基づき少な
くとも1つの電池の充電または放電を行うことを特徴と
する請求項1に記載の組電池システム。
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