JP2007323810A - 2次電池温度調整装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】車両駆動用の2次電池温度調整装置であって、低温状態にある2次電池を効率よく昇温させる。
【解決手段】2次電池16の通気流路に、ヒータ30が取り付けられた再循環管路28と、吸気切替弁38と、排気切替弁40とを備える。2次電池16が低温の際には、各切替弁38,40を切替えて再循環流路を構成し、ヒータ30をオンにして、2次電池16への通気を排気管路24から吸込み管路23に再循環させて、2次電池16の加温を行う。2次電池16の加温が終了したら各切替弁38,40を切替えて、空気取り入れ口13から2次電池16を通って排気管路24から排気される冷却流路を構成し、2次電池16の冷却を行う。
【選択図】図2
【解決手段】2次電池16の通気流路に、ヒータ30が取り付けられた再循環管路28と、吸気切替弁38と、排気切替弁40とを備える。2次電池16が低温の際には、各切替弁38,40を切替えて再循環流路を構成し、ヒータ30をオンにして、2次電池16への通気を排気管路24から吸込み管路23に再循環させて、2次電池16の加温を行う。2次電池16の加温が終了したら各切替弁38,40を切替えて、空気取り入れ口13から2次電池16を通って排気管路24から排気される冷却流路を構成し、2次電池16の冷却を行う。
【選択図】図2
Description
本発明は、モータジェネレータによって駆動される車両に搭載される2次電池温度調整装置の構造に関する。
ハイブリッド車両等のモータジェネレータから得られる駆動力を車両の推進力として利用する車両には、充放電可能な走行用の2次電池、例えば鉛蓄電池、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池など、が搭載されており、この2次電池に蓄えられた電力をインバータ回路で駆動用電力に変換して取り出して上記のモータジェネレータを駆動したり、逆に発電電力を2次電池に充電したりするようになっている。このような、2次電池は内部抵抗を有しているため、充放電に際しては発熱をともなう。そのため、2次電池の充放電が繰り返されるにしたがって2次電池の温度は上昇する。このような2次電池の温度上昇を防止するために、2次電池を冷却して2次電池の保護が図られている(例えば、特許文献1参照)。
一方、冬季などに2次電池の温度が低温状態となってしまうことがある。一般的に、2次電池が低温状態にある場合、常温時と比べて、電池内部の活性化レベルが低下すると考えられ、同一出力の場合でも2次電池の電圧低下が大きくなる。このため、連続出力可能時間も短くなり電池から取り出せる電力量が著しく低下する。このように、2次電池の温度が低温状態になった場合には、2次電池の冷却空気入口に設置したヒータによって吸気温度を上げて2次電池加温し、2次電池が通常の性能を発揮できるようにする方法(例えば、特許文献2参照)が提案されている。
しかし、特許文献2に開示されたような従来技術で2次電池を加温する場合には、2次電池より温度の高い排気を大気に放出してしまうことがあるので、2次電池の加温効率が悪く、多くの空気量とこれを加温するための多くのエネルギーが必要となってしまう。また、投入エネルギーの割に2次電池の温度の上昇が遅く、2次電池が通常の性能を発揮できるまでに長い時間がかかってしまうという問題があった。
また、2次電池の冷却流路中にヒータを設置していることから、吸込み空気の加温が必要ない場合でも吸込み空気がヒータを通過し、流路の圧力損失が増大する。このため2次電池の加温装置を装備すると通気ファンの必要駆動力や回転数が大きくなり騒音が増加するという問題があった。
本発明は、低温状態にある2次電池を効率よく昇温させることを目的とする。また、本発明は、通気ファンの騒音の増加を抑えつつ2次電池の加温装置を装備することかできることを目的とする。
本発明に係る2次電池温度調整装置は、2次電池に空気を通気する通気ファンと、前記通気ファンに吸込み空気を導く吸込み流路と、前記通気ファンの吸込み空気温度を検出する吸込み空気温度測定手段と、前記2次電池に通気した空気を排気する排気流路と、前記2次電池の温度を検出する2次電池温度検出手段と、前記2次電池温度が所定の温度よりも低い際に、前記通気ファンの吸込み空気を加温する空気加温手段と、を備えた車両駆動用2次電池の温度調整を行う2次電池温度調整装置において、前記排気流路と前記吸込み流路とを接続し、排気を通気ファンの吸気に再循環させる再循環流路を有することを特徴とする。更に、前記再循環流路の空気流量と前記2次電池の通気空気流量との割合を調節する再循環空気量調節手段を備えていることとしてもよいし、前記空気加温手段は前記再循環流路に配設されていることとしても好適である。また、前記空気加温手段は前記吸込み流路に配設され、更に、前記空気加温手段を備えた前記吸込み流路をバイパスするバイパス吸込み流路と、前記バイパス吸込み流路の空気流量と前記2次電池の通気空気流量との割合を調節するバイパス空気流量調節手段とを備えていること、としても好適である。
本発明は、低温状態にある2次電池を効率よく昇温させることができるという効果を奏する。
本発明の好適な実施形態について図1〜3を参照しながら説明する。図1は本発明に係る2次電池温度調整装置を搭載した車両の側断面図であり、図2は前記2次電池温度調整装置の系統を示した図であり、図3は前記2次電池温度調整装置の制御を示すブロック図である。図1に示すように、車両駆動用の2次電池16は車両10のリアシート12後方のトランク床板14の下に搭載されている。2次電池16は、必要な電力容量(電圧値)が得られるように、単電池(たとえば出力電圧が1.2Vのバッテリセル)を複数(たとえば6個)接続して一体的に連結して構成されたバッテリモジュール20を所定の個数だけ直列に接続して、200V〜300Vの高電圧の出力を有するように構成されている。
これらの各バッテリモジュール20の間には通常運転中の冷却用空気流路が形成されている。2次電池16の冷却用空気はリアシート12の脇に設けられた空気取り入れ口13から空気吸込み管路22、吸込み流路である吸込み管路23を通って通気ファン26に吸い込まれ、通気ファン26によって加圧された後、2次電池16に通気される。2次電池16に通気された空気は、バッテリモジュール20の隙間を流れてバッテリモジュール20を冷却し、排気流路である排気管路24から車両10の外に排出される。通気ファン26はモータ駆動の遠心式のファンあるいはブロワであるが、軸流式のファンあるいはブロワであってもよい。
図1及び図2に示すように、排気管路24と吸込み管路23とは再循環管路28によって接続されている。排気管路24と再循環管路28の分岐部には排気切替弁40が配設され、再循環管路28及び吸込み管路23との合流部には吸気切替弁38が配設されている。各管路は四角い断面形状をしたダクトでもよいし、円形あるいはその他の断面形状をしたダクトでもよい。再循環管路28の管路内には空気を加温するヒータ30が配設されている。ヒータは電源をオンすれば自己温度制御性によって温度を自己調節する、PTC(Positive Temperature Coefficient)ヒータを取り付けることが好ましいが、電熱ヒータなど測定温度によってフィードバック制御をするような加温源であってもよい。また、流路抵抗が小さくなるように管路の壁面に板状のヒータを取り付けたり、管路の外面に加温のための電熱線、加温管路などを取り付けて、管路壁面を介して空気を加温したりするようにしてもよい。
排気切替弁40は空気の流れを排気管路24側と再循環管路28側とに切り替える一つの板状の弁体を有し、排気切替弁40の外側に隣接してその弁体を駆動するアクチュエータ41が取り付けられている。吸気切替弁38は空気の流れを空気吸込み管路22から吸い込み管路23に向かう方向と再循環管路28から吸込み管路23に向かう方向とに切り替える一つの板状の弁体を有し、吸気切替弁38の外側に隣接してその弁体を駆動するアクチュエータ39が取り付けられている。吸気切替弁38と排気切替弁40とは協調して制御され、冷却用空気流路を排気管路24から再循環管路28を経て吸込み管路23に戻る再循環流路に切替える。この吸気切替弁38と排気切替弁40の協調動作によって再循環空気流量と2次電池の通気空気流量の割合が調整される。冷却用空気流路が形成されている状態では、再循環空気流量の割合はゼロであり、再循環流路が構成されている場合には2次電池通気空気流量の全量が再循環となり、各切替弁が中間位置となっているときには2次電池の通気空気流量の一部が再循環する。本実施形態では、吸気切替弁38、排気切替弁40は一つの板状の弁体を動かすことによって流路を切り替えるように構成したが、空気吸込み管路22、排気管路24、再循環管路28にそれぞれ一つずつ弁を配設し、これを組み合わせて協調動作させることとして構成しても好適である。
図2に示すように、吸込み管路23には吸気温度センサ32が取り付けられ、2次電池16にも2次電池温度センサ36が配設されている。これらのセンサは内部に差し込まれて固定された熱電対のようなセンサであってもよいし、サーミスタなどの測温抵抗であってもよい。
各ハードウェアはそれぞれ、吸気切替弁インターフェース52、ヒータインターフェース54、吸気温度センサインターフェース56、通気ファン駆動インターフェース58、2次電池温度センサインターフェース60、排気切替弁インターフェース62を介してCPUを備える制御部64に接続されている。これらの各インターフェースは、各ハードウェアからの信号を制御部への入力信号に変換したり、制御部64からの指令信号を各ハードウェアの駆動信号に変換したりするものである。また。制御部64は制御用データを記憶している記憶部66とデータバスにて接続されている。
図3を参照しながら、2次電池温度調整装置の動作について説明する。図3のステップS101に示すように、制御部64は2次電池温度センサ36の検出温度信号データを2次電池温度センサインターフェース60から取得する。そして、図3のステップS102に示すように、制御部64は2次電池16の温度が所定の温度、例えば5℃等、よりも低いかどうかを判断する。そして、制御部64は、2次電池の温度が上記の所定の温度よりも低い場合には、図3のステップS201に示すように、通気ファン駆動インターフェース58に通気ファン26を短時間回転する指令を出力する。この短時間は、吸込み管路23に空気取り入れ口13からの外気が入り込んでくる程度の短時間、例えば10秒間等、の時間である。通気ファン駆動インターフェース58はこの指令によって、通気ファン26を短時間だけ回転させて、すぐに停止させる。通気ファン26が回転すると、吸込み管路23には空気取り入れ口13から外気が入り込む。図3のステップS202に示すように、その温度は吸気温度センサ32によって検出され、制御部64は検出信号データを吸気温度センサインターフェース56から取得する。図3のステップS203に示すように、制御部64はこの吸気温度センサ32からの検出温度信号と2次電池温度センサ36からの検出温度信号とを比較する。そして、吸気温度が2次電池温度よりも低いと判断された場合には、制御部64は、図3のステップS204に示すように、吸気切替弁インターフェース52、及び排気切替弁インターフェース62に再循環流路を形成するように各切替弁38,40を協調して切り替えるよう指令を出力する。各インターターフェースはこの指令に従って、アクチュエータ39,41を駆動させ、各弁の弁体の位置を切り替える。この各切替弁38,40の協調切替動作によって、2次電池16の通気流路は当初の空気取り入れ口13から空気吸込み管路22、吸込み管路23から通気ファン26、2次電池16を経て排気管路24に流れていく冷却流路構成から、外気が入ってこない再循環流路へ切り替えられる。このように再循環流路が構成されると、2次電池16の通気流路は、吸込み管路23から通気ファン26、2次電池16、排気管路24、再循環管路28を経て吸い込み管路23に戻る様になる。
上記のように再循環流路が構成されると、図3のステップS205に示すように、制御部64はヒータインターフェース54にヒータ30をオンとする指令を出力する。ヒータはPTCヒータであるので、電源がオンとなると、これによって自己温度制御を開始しながら空気を加温していく。ヒータ30がオンになった後、制御部64は、図3のステップS201に示すように、先に述べたのと同様、通気ファン26を短時間回転させ、図3のステップS202に示すように吸気温度センサ32からの吸気温度検出信号を取得し、図3のステップS203に示すように、この吸気温度センサ32からの検出温度信号と2次電池温度センサ36からの検出温度信号とを比較する。この動作を、吸気空気温度が2次電池温度よりも高いと判断されるまで繰り返す。2次電池よりも温度の低い空気を大量に通気して2次電池の温度を更に低下させないためである。
そして、制御部64において吸気温度が2次電池温度よりも高くなったと判断された場合には、図3のステップS206に示すように、制御部64は、通気ファン26を加温回転数で連続回転させるよう指令を通気ファン駆動インターフェース58に出力する。通気ファン駆動インターフェース58はこの指令に基づいて、通気ファン26の駆動信号を出力し通気ファン26を加温回転数で回転させる。加温回転数は外気温度によらず一定の回転数としてもよいし、2次電池16の温度が低い時には風量を多くし、2次電池16の温度が上昇してきたら風量を少なくしていくというように回転数を低くしてもよい。加温回転数を可変とする場合には、2次電池温度と加温回転数の関係を規定した制御マップを記憶部66に格納しておき、このマップに基づいて加温回転数を可変としてもよい。また、吸込み空気温度によって加温回転数を可変としてもよい。
このように通気ファン26が加温回転数で回転を開始すると、図3のステップS207に示すように、2次電池16の加温が開始される。2次電池16の加温中には、図3のステップS208に示すように、制御部64は、2次電池温度センサ36の検出温度信号データを2次電池温度センサインターフェース60から取得してその温度を監視する。そして制御部64において、2次電池16の温度が所定の温度まで上昇したと判断された時には、図3のステップS209に示すように、制御部64はヒータ30をオフとする指令をヒータインターフェース54に出力する。ヒータインターフェース54はこの信号に基づいて、ヒータ30への通電を停止する。
ヒータ30への通電を停止した後、図3のステップS210に示すように、制御部64は吸気切替弁インターフェース52、及び排気切替弁インターフェース62に冷却流路を形成するように各切替弁38,40を協調して切り替えるよう指令を出力する。各インターターフェースはこの指令に従って、アクチュエータ39,41を駆動させ、各弁の弁体の位置を切替える。この各切替弁38,40の協調切替え動作によって、2次電池16の通気流路は、吸込み管路23から通気ファン26、2次電池16、排気管路24、再循環管路28を経て吸い込み管路23に戻る再循環流路から、2次電池16の通気流路は当初の空気取り入れ口13から空気吸込み管路22、吸込み管路23から通気ファン26、2次電池16を経て排気管路24に流れていく冷却流路構成となる。以上の動作によって、2次電池の加温動作は終了する。
上記の2次電池16の加温動作において、2次電池16の通気流路は、吸込み管路23から通気ファン26、2次電池16、排気管路24、再循環管路28を経て吸い込み管路23に戻る循環流路となっている。このため、ヒータ30によって加温された空気は循環流路外に流れ出すことがなく、外部の冷たい空気がこの循環流路に入り込むこともないので、加温した空気によって効率的に2次電池16を加温することができるという効果を奏する。このため短時間で2次電池16の温度を上昇させることができるという効果を奏する。
2次電池16の加温動作が終了すると、図3のステップS101に戻り、制御部64は2次電池16の温度を2次電池温度センサ36の検出信号データを2次電池温度センサインターフェース60から取得して、図3のステップS102に示すように2次電池の加温が必要かどうかを判断する。2次電池16の加温動作の終了後では、2次電池16の温度は加温が必要ないと判断される温度となっていることから、制御部64は、図3のステップS103に示すように、2次電池温度を監視しながら、通常の2次電池冷却動作を行う。車両10の走行による充放電によって2次電池16の温度が所定の温度、例えば40℃程度まで高くなってくると、図3のステップS104に示すように、制御部64は2次電池の通気流路が冷却流路構成となっているかを確認し、冷却流路構成となっていない場合には、上記のステップS210と同様に流路構成を冷却流路構成となるように切り替える。
制御部64は、図3ステップS105に示すように、通気ファン駆動インターフェース58に通気ファン26を短時間回転する指令を出力する。この短時間は、吸込み管路23に空気取り入れ口13からの外気が入り込んでくる程度の短時間、例えば10秒間等、の時間である。通気ファン駆動インターフェース58はこの指令によって、通気ファン26を短時間だけ回転させて、すぐに停止させる。通気ファン26が回転すると、吸込み管路23に空気取り入れ口13から外気が入り込む。図3のステップS106に示すように、その温度は吸気温度センサ32によって検出され、制御部64は検出信号データを吸気温度センサインターフェース56から取得する。図3のステップS107に示すように、制御部64はこの吸気温度センサ32からの検出温度信号と2次電池温度センサ36からの検出温度信号とを比較する。そして、吸気温度が2次電池温度よりも高いと判断された場合には、制御部64は、図3のステップS108に示すように、車室内クーラーを始動する指令を出力する。2次電池冷却用空気温度が2次電池温度よりも高い場合には、通気ファン26によって空気を通気しても2次電池16を冷却できないためである。また、車室内クーラーを駆動するのは、2次電池16の冷却空気は車室内の空気を使用しているため、車室内の空気を冷却して2次電池16の冷却用空気の温度を下げるためである。
図3のステップS107に示すように、制御部64は、吸気温度センサ32の検出温度信号データを吸気温度センサインターフェース56から取得し、2次電池温度センサ36の検出温度信号データを2次電池温度センサインターフェース60から取得してその温度差の監視を続ける。そして制御部64において、吸気温度が2次電池16の温度よりも低くなったと判断された時には、図3のステップS109に示すように、制御部64は通気ファン26を通常回転とする指令を通気ファン駆動インターフェース58に出力する。通気ファン26はこの信号に基づいて、通気ファン26を通常回転駆動する。通気ファン26の通常回転は、2次電池16の温度が高い時には風量が増えるように通気ファン26の回転数が高くなり、2次電池16の温度が低い時には風量が少なくなるように通気ファン26の回転数が低くなるような可変回転数である。可変制御は2次電池16の温度と通気ファン26の回転数との関係を規定した制御マップを記憶部66に格納しておき、このマップに基づいて回転数を制御しても良いし、2次電池16の温度に比例した回転数としてもよい。また、回転数を一定としてもよい。通気ファン26が通常回転となると、図3のステップS110に示すように、2次電池16の冷却が開始される。
2次電池16の冷却動作では、図3のステップS111に示すように、制御部64は、2次電池温度センサ36の検出温度信号データを2次電池温度センサインターフェース60から取得してその温度を監視する。そして制御部64において、2次電池16の温度に応じて通気ファン26の回転数を可変させてその温度を制御する。そして、図3のステップS112に示すように、2次電池16の温度が通気ファン26の停止温度まで低下した場合には、図3のステップS101に戻って、制御部64は2次電池16の温度監視に入り、2次電池の温度によって、冷却あるいは加温の動作を行う。また、図3のステップS113に示すように、車両10が停止状態となったときには通気ファン26の回転を停止し、2次電池16の温度調整動作を終了する。
このように、通常の冷却動作においては、2次電池16の通気流路は、空気取り入れ口13から空気吸込み管路22、吸込み管路23から通気ファン26、2次電池16を経て排気管路24に流れていく冷却流路構成となっており、通気空気はヒータ30を通らない。従って、2次電池16の加温が可能な装置であっても通常の冷却動作の際の空気抵抗を2次電池の加温装置を有しない装置と同程度とすることができる。これによって、通気ファン26の回転数を上げたり、大型のファンとしたりすることによる騒音の増加を抑えつつ2次電池16の加温装置を装備することができるという効果を奏する。また、吸気切替弁38と排気切替弁40を協調制御して各弁体位置を中間位置とすることによって、外気を取り込みながら2次電池16への通気の一部を加温することができる。これによって2次電池16への通気温度を制御し、2次電池16の温度を細かく調整することもできる。
以上、述べたように本実施形態によれば、2次電池16の加温動作において、ヒータ30によって加温した空気によって効率的に2次電池16を加温することができるという効果を奏する。このため短時間で2次電池16の温度を上昇させることができるという効果を奏する。また、通常の冷却動作においては、空気抵抗の増加を抑えて通常の通気ファン26の運転をすることができる。これによって通気ファン26の騒音の増加を抑えて2次電池16の加温装置を装備することができるという効果を奏する。
図4を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図1〜3と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図4に示すように、この実施形態は空気取り入れ口13と吸込み管路23との間に、管路内にヒータ30と吸気切替弁38とを備えた加温吸込み管路23aと、管路中に大きな流路抵となるものがない吸込みバイパス管路23bと、この加温吸込み管路23aと吸込みバイパス管路23bとを切り替えるバイパス管路切替弁70,72を備えている。そして、再循環管路28は排気管路24から加温吸い込み管路23aに接続されている。各バイパス管路切替弁70,72は一枚の板状の弁体を有し、協調して制御されて各管路23a,23bの空気流量の割合を調整し、吸込みバイパス管路23bの空気流量と2次電池16の通気空気流量との割合を調整できるように構成されている。また、各バイパス管路切替弁70,72はその外部に隣接して弁体を駆動するアクチュエータ71,73を備えている。各アクチュエータ71,73はそれぞれバイパス管路切替弁インターフェース74,76を介して制御部64に接続され、制御部64からの指令によって駆動されるように構成されている。
この実施形態では、図1に示した実施形態と同様に、吸気切替弁38と排気切替弁40を協調して切り替えて、2次電池16の通気流路を2次電池16から排気管路24、再循環管路28加温吸い込み管路23a、吸込み管路23、通気ファン26をへて2次電池16に戻る再循環流路として2次電池16を効率的に加温することができる。この時、バイパス流路切替弁70,72は加温吸込み管路23aに空気が流れるように連動して切り替えられている。そして、通常の冷却動作においては、バイパス管路切替弁70,72を連動して加温吸込み管路23a側に倒してバイパス管路23bに空気が流れるようにし、排気切替弁40も連動して外気へ排気する方向に弁を切り替える。そして、空気取り入れ口13から吸込みバイパス管路23b、吸込み管路23、通気ファン26、2次電池16、排気管路24から外気に排出する冷却流路に通気ファン26によって通気を流し、2次電池16の冷却を行う。この冷却流路は、ヒータ30を通過しないので冷却動作の時の圧力損失の増加を抑えることができる。このため通気ファンの大型化、高回転等による騒音の増加を抑えることができる。また、本実施形態は、バイパス管路切替弁70,72の弁体位置を中間位置とすることによって、吸込み空気の一部を加温することができ、これによって2次電池16への通気温度を制御し、2次電池16の温度を細かく調整することができる。
本実施形態においても、効率的に2次電池16を加温することができ、通気ファン26の騒音の増加を抑えて2次電池16の加温装置を装備することができるという効果を奏する。
10 車両、12 リアシート、13 空気取り入れ口、14 トランク床板、16 2次電池、20 バッテリモジュール、22 空気吸込み管路、23 吸込み管路、23a 加温吸込み管路、23b 吸込みバイパス管路、24 排気管路、26 通気ファン、28 再循環管路、30 ヒータ、32 吸気温度センサ、36 2次電池温度センサ、38 吸気切替弁、39,41 アクチュエータ、40 排気切替弁、52 吸気切替弁インターフェース、54 ヒータインターフェース、56 吸気温度センサインターフェース、58 通気ファン駆動インターフェース、60 2次電池温度センサインターフェース、62 排気切替弁インターフェース、64 制御部、66 記憶部、70,72 バイパス管路切替弁、71,73 アクチュエータ、74,76 バイパス管路切替弁インターフェース。
Claims (4)
- 2次電池に空気を通気する通気ファンと、前記通気ファンに吸込み空気を導く吸込み流路と、前記通気ファンの吸込み空気温度を検出する吸込み空気温度測定手段と、前記2次電池に通気した空気を排気する排気流路と、前記2次電池の温度を検出する2次電池温度検出手段と、前記2次電池温度が所定の温度よりも低い際に、前記通気ファンの吸込み空気を加温する空気加温手段と、を備えた車両駆動用2次電池の温度調整を行う2次電池温度調整装置において、
前記排気流路と前記吸込み流路とを接続し、排気を通気ファンの吸気に再循環させる再循環流路を有することを特徴とする2次電池温度調整装置。 - 請求項1に記載の2次電池温度調整装置であって、
更に、前記再循環流路の空気流量と前記2次電池の通気空気流量との割合を調節する再循環空気量調節手段を備えていること、
を特徴とする2次電池温度調整装置。 - 請求項1又は2に記載の2次電池温度調整装置において、
前記空気加温手段は前記再循環流路に配設されていること、
を特徴とする2次電池温度調整装置。 - 請求項1又は2に記載の2次電池温度調整装置において、
前記空気加温手段は前記吸込み流路に配設され、
更に、前記空気加温手段を備えた前記吸込み流路をバイパスするバイパス吸込み流路と、
前記バイパス吸込み流路の空気流量と前記2次電池の通気空気流量との割合を調節するバイパス空気流量調節手段とを備えていること、
を特徴とする2次電池温度調整装置。
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