JP2008278688A - バッテリ状態監視回路及びバッテリ装置 - Google Patents

バッテリ状態監視回路及びバッテリ装置 Download PDF

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Atsushi Sakurai
敦司 桜井
Kazusuke Sano
和亮 佐野
Tomoyuki Koike
智幸 小池
Seiji Yoshikawa
清至 吉川
Yoshihisa Taya
良久 田家
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Abstract

【課題】 バッテリ数の変動に容易に対応でき、容易な回路構成のバッテリ状態監視回路及びバッテリ装置を提供する。
【解決手段】 各バッテリに対する各バッテリ状態監視回路は同一の回路構成であるので、バッテリ装置の仕様変更によってバッテリ数が変動したことに対し、その変動に基づいてバッテリ装置は同一の回路構成のバッテリ状態監視回路を追加または削除することのみにより、バッテリ装置は容易に対応できる。また、バッテリ毎にそれぞれ1個の半導体装置として構成されたバッテリ状態監視回路が設けられて回路構成が容易なので、1個のバッテリ状態監視回路が不良品になった場合、その回路だけが良品と交換されることにより、バッテリ装置が正常に動作する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、バッテリの状態を監視するバッテリ状態監視回路、及び、その回路を複数個搭載するバッテリ装置に関する。
従来のバッテリ装置について説明する。図4は、従来のバッテリ装置のブロック図である。
各バッテリの状態を監視する制御回路402内部に各バッテリの電圧を検出する電圧検出回路(図示せず)が設けられていて、バッテリ201とバッテリ202とバッテリXとの電圧はモニターされている。
各バッテリの電圧が過充電電圧未満であって過放電電圧以上であると、制御回路402はスイッチ回路401をオンさせる信号をスイッチ回路401に出力する。すると、スイッチ回路401は、オンし、各バッテリの充電及び放電を許可する。
また、充電器501が外部端子403と外部端子404との間に接続され、各バッテリが充電される。各バッテリの中の1個のバッテリの電圧が過充電電圧以上になると、制御回路402はスイッチ回路401をオフさせる信号をスイッチ回路401に出力する。すると、スイッチ回路401は、オフし、各バッテリへの充電を禁止する。
また、負荷502が外部端子403と外部端子404との間に接続され、各バッテリが放電する。各バッテリの中の1個のバッテリの電圧が過放電電圧未満になると、制御回路402はスイッチ回路401をオフさせる信号をスイッチ回路401に出力する。すると、スイッチ回路401は、オフし、各バッテリからの放電を禁止する(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−320324号公報
しかし、制御回路402はバッテリ装置内部のバッテリ数に基づいて回路設計されるので、バッテリ装置が仕様変更されてバッテリ数が変動すると、その度に制御回路402が回路設計されることになる。よって、回路設計による開発日程が長くなってしまう。また、回路設計による開発コストが高くなってしまう。
また、バッテリ数が多くなると、制御回路402の回路構成が複雑になり、制御回路402の製造歩留まりが低くなってしまう。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、バッテリ数の変動に容易に対応でき、容易な回路構成のバッテリ状態監視回路及びバッテリ装置を提供する。
本発明は、上記課題を解決するため、充電器または負荷に接続されるバッテリの状態を監視するバッテリ状態監視回路おいて、前記バッテリの電圧を監視する第一電圧監視端子と、前記バッテリの電圧を監視する第二電圧監視端子と、1個のバッテリに対して設けられ、前記第一電圧監視端子と前記第二電圧監視端子との間の電圧が前記バッテリの過充電状態になる時の電圧以上になると、前記充電器から前記バッテリへの充電を禁止するよう制御する過充電検出回路と、前記1個のバッテリに対して設けられ、前記第一電圧監視端子と前記第二電圧監視端子との間の電圧が前記バッテリの過放電状態になる時の電圧未満になると、前記バッテリから前記負荷への放電を禁止するよう制御する過放電検出回路と、前記1個のバッテリに対して設けられ、前記第一電圧監視端子と前記第二電圧監視端子との間の電圧が前記バッテリの電圧を他のバッテリの電圧に揃えてセルバランスをとり始める時の電圧以上になると、前記バッテリを放電させるセルバランス回路と、を備え、1個の半導体装置として構成されていることを特徴とするバッテリ状態監視回路を提供する。
また、本発明は、充電器または負荷に接続されるバッテリの状態を監視するバッテリ状態監視回路を複数個搭載するバッテリ装置おいて、前記バッテリの充電または放電の経路に設けられた第一スイッチ回路と、複数の前記バッテリと、複数の前記バッテリにそれぞれ並列接続された複数の第二スイッチ回路と、前記バッテリの電圧が前記バッテリの過充電状態になる時の電圧以上になると、前記第一スイッチ回路をオフに制御し、前記充電器から前記バッテリへの充電を禁止するよう制御する過充電検出回路と、前記バッテリの電圧が前記バッテリの過放電状態になる時の電圧未満になると、前記第一スイッチ回路をオフに制御し、前記バッテリから前記負荷への放電を禁止するよう制御する過放電検出回路と、前記バッテリの電圧が前記バッテリの電圧を他のバッテリの電圧に揃えてセルバランスをとり始める時の電圧以上になると、前記第二スイッチ回路をオンに制御し、前記バッテリを放電させるセルバランス回路と、を有し、複数の前記バッテリにそれぞれ並列接続された複数の前記バッテリ状態監視回路と、を備え、前記バッテリ状態監視回路は1個の半導体装置として構成されていることを特徴とするバッテリ装置を提供する。
また、本発明は、充電器または負荷に接続されるバッテリの状態を監視するバッテリ状態監視回路を複数個搭載するバッテリ装置おいて、前記バッテリの充電または放電の経路に設けられた第一スイッチ回路と、複数の前記バッテリと、前記バッテリに並列接続された第二スイッチ回路と、前記バッテリの電圧が前記バッテリの過充電状態になる時の電圧以上になると、前記第一スイッチ回路をオフに制御し、前記充電器から前記バッテリへの充電を禁止するよう制御する過充電検出回路と、前記バッテリの電圧が前記バッテリの過放電状態になる時の電圧未満になると、前記第一スイッチ回路をオフに制御し、前記バッテリから前記負荷への放電を禁止するよう制御する過放電検出回路と、前記バッテリの電圧が前記バッテリの電圧を他のバッテリの電圧に揃えてセルバランスをとり始める時の電圧以上になると、前記第二スイッチ回路をオンに制御し、前記バッテリを放電させるセルバランス回路と、を有し、複数の前記バッテリにそれぞれ並列接続された複数の前記バッテリ状態監視回路と、を備え、前記バッテリ状態監視回路は1個の半導体装置として構成されていることを特徴とするバッテリ装置を提供する。
本発明では、各バッテリに対する各バッテリ状態監視回路は同一の回路構成であるので、バッテリ装置の仕様変更によってバッテリ数が変動したことに対し、その変動に基づいてバッテリ装置は同一の回路構成のバッテリ状態監視回路を追加または削除することのみにより、バッテリ装置は容易に対応できる。
また、バッテリ毎にそれぞれ1個の半導体装置として構成されたバッテリ状態監視回路が設けられて回路構成が容易なので、1個のバッテリ状態監視回路が不良品になった場合、その回路だけが良品と交換されることにより、バッテリ装置が正常に動作する。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
まず、バッテリ装置の構成について説明する。図1は、バッテリ装置のブロック図である。
バッテリ装置は、バッテリ状態監視回路11、バッテリ状態監視回路12、バッテリ状態監視回路L、バッテリ21、バッテリ22、バッテリM、スイッチ回路31、スイッチ回路32、スイッチ回路N、スイッチ回路41、制御回路42、外部端子43及び外部端子44を備えている。バッテリ状態監視回路11とバッテリ21とスイッチ回路31とは第一バッテリユニットであり、バッテリ状態監視回路12とバッテリ22とスイッチ回路32とは第二バッテリユニットであり、バッテリ状態監視回路LとバッテリMとスイッチ回路Nとは第三バッテリユニットである。
バッテリ状態監視回路11とバッテリ状態監視回路12とバッテリ状態監視回路Lとは、それぞれ1個の半導体装置として構成されている。制御回路42は、例えば、3個のバッテリ状態監視回路に対応して6個の端子を有している。
バッテリ状態監視回路11及びスイッチ回路31は、バッテリ21に並列接続され、1個のバッテリ21に対して設けられている。バッテリ状態監視回路12及びスイッチ回路32は、バッテリ22に並列接続され、1個のバッテリ22に対して設けられている。バッテリ状態監視回路L及びスイッチ回路Nは、バッテリMに並列接続され、1個のバッテリMに対して設けられている。外部端子44はバッテリMの負極端子に接続され、バッテリMの正極端子はバッテリ22の負極端子に接続され、バッテリ22の正極端子はバッテリ21の負極端子に接続され、バッテリ21の正極端子はスイッチ回路41を介して外部端子43に接続されている。つまり、第一バッテリユニットと第二バッテリユニットと第三バッテリユニットとは、直列接続されている。また、スイッチ回路41は、各バッテリの充電または放電の経路に設けられている。バッテリ状態監視回路11は、スイッチ回路31及び制御回路42を制御している。バッテリ状態監視回路12は、スイッチ回路32及び制御回路42を制御している。バッテリ状態監視回路Lは、スイッチ回路N及び制御回路42を制御している。制御回路42は、スイッチ回路41を制御している。外部端子43と外部端子44との間に、充電器51または負荷52が接続されている。
第一バッテリユニットにおいて、バッテリ21は充電及び放電を行う。所定条件が成立すると、スイッチ回路31はバッテリ21を放電させる。バッテリ状態監視回路11はバッテリ21の状態を監視する。第二バッテリユニット及び第三バッテリユニットも同様である。
所定条件が成立すると、制御回路42はスイッチ回路41を制御する。所定条件が成立すると、スイッチ回路41は充電器51から各バッテリへの充電または各バッテリから負荷52への放電を制御する。充電器51は各バッテリを充電する。負荷52は各バッテリによって駆動される。
次に、バッテリ状態監視回路11の構成について説明する。図2は、バッテリ状態監視回路のブロック図である。バッテリ状態監視回路12及びバッテリ状態監視回路Lも同様である。
バッテリ状態監視回路11は、過充電検出回路11a、過放電検出回路11b、セルバランス回路11c、電圧監視端子11d、電圧監視端子11e、制御端子11f、制御端子11g及び制御端子11hを備えている。
ここで、バッテリ21が過充電状態になる時の電圧(充電可能な上限電圧)を過充電電圧とし、バッテリ21が過放電状態になる時の電圧(放電可能な下限電圧)を過放電電圧とし、バッテリ21が過充電状態に近い状態になる時の過充電電圧以下の電圧(バッテリ21の電圧を他のバッテリの電圧に揃えてセルバランスをとり始める時の電圧)をセルバランス電圧とする。
電圧監視端子11d及び電圧監視端子11eは、それぞれバッテリ21の正極端子及び負極端子に接続され、バッテリ21の電圧を監視する。電圧監視端子11dと電圧監視端子11eとの間の電圧が過充電電圧以上になると、バッテリ21が過充電状態であるので、過充電検出回路11aは過充電信号を制御回路42に出力して充電器51からバッテリ21への充電を禁止するよう制御する。電圧監視端子11dと電圧監視端子11eとの間の電圧が過放電電圧未満になると、バッテリ21が過放電状態であるので、過放電検出回路11bは過放電信号を制御回路42に出力してバッテリ21から負荷52への放電を禁止するよう制御する。この時、過放電検出回路11bは過放電信号を過充電検出回路11a及びセルバランス回路11cにも出力してこれらの回路の全部または一部の動作を停止する。よって、これらの回路による消費電力が小さくなる。電圧監視端子11dと電圧監視端子11eとの間の電圧がセルバランス電圧以上になると、バッテリ21が過充電状態に近い状態であるので、セルバランス回路11cはセルバランス信号をスイッチ回路31に出力してバッテリ21を放電させる。この時、セルバランス回路11cは、各バッテリの電圧を揃える(セルバランスをとる)よう動作している。
次に、スイッチ回路31のドライブ能力について説明する。スイッチ回路32及びスイッチ回路Nも同様である。
スイッチ回路31のドライブ能力は、充電器51からの充電スピード及び過充電電圧とセルバランス電圧との差分電圧に基づき、回路設計される。スイッチ回路31のドライブ能力が高く回路設計されると、その分、バッテリ21からの放電量が増え、バッテリ21への充電スピードが遅くなる。スイッチ回路31のドライブ能力が所定値以上高く回路設計されると、バッテリ21への充電量よりもバッテリ21からの放電量が多くなり、バッテリ21は放電する。
次に、バッテリ21に対するバッテリ装置の動作について説明する。
[通常状態]バッテリ21における電圧監視端子11dと電圧監視端子11eとの間の電圧が過充電電圧未満であって過放電電圧以上であると、過充電検出回路11aは過充電信号を制御回路42に出力せず、過放電検出回路11bも過放電信号を制御回路42に出力しない。よって、制御回路42は、スイッチ回路41をオンに制御する。すると、スイッチ回路41は、バッテリ21の充電及び放電を許可する。バッテリ22及びバッテリMに対してもバッテリ装置の動作は同様である。
[過充電状態]充電器51が外部端子43と外部端子44との間に接続され、バッテリ21が充電される。バッテリ21における電圧監視端子11dと電圧監視端子11eとの間の電圧が過充電電圧以上になると、過充電検出回路11aは過充電信号を制御回路42に出力する。よって、制御回路42は、過充電信号をレベルシフトしてスイッチ回路41に出力し、スイッチ回路41をオフに制御する。すると、スイッチ回路41は、充電器51からバッテリ21への充電を禁止する。バッテリ22及びバッテリMに対してもバッテリ装置の動作は同様である。
[過放電状態]負荷52が外部端子43と外部端子44との間に接続され、バッテリ21が放電する。バッテリ21における電圧監視端子11dと電圧監視端子11eとの間の電圧が過放電電圧未満になると、過放電検出回路11bは過放電信号を制御回路42に出力する。よって、制御回路42は、過放電信号をレベルシフトしてスイッチ回路41に出力し、スイッチ回路41をオフに制御する。すると、スイッチ回路41は、バッテリ21から負荷52への放電を禁止する。また、過放電検出回路11bは過放電信号を過充電検出回路11a及びセルバランス回路11cに出力する。この過放電信号により、過充電検出回路11a及びセルバランス回路11cの全部または一部はオフし、バッテリ状態監視回路11の消費電力が小さくなる。また、電圧監視端子11dがバッテリ状態監視回路11の電源端子を兼ねていて、バッテリ状態監視回路11はバッテリ21から電源が供給されているので、放電しすぎているバッテリ21の電圧が低くなり、その分、バッテリ状態監視回路11の消費電力が小さくなる。バッテリ22及びバッテリMに対してもバッテリ装置の動作は同様である。
ここで、各バッテリで特性バラツキが生じたことにより、放電中にバッテリ21の電圧が他のバッテリの電圧よりも早く低くなっている場合、バッテリ状態監視回路11が他ののバッテリ状態監視回路よりも早く過放電信号を出力することになる。すると、スイッチ回路41がオフし、放電が禁止される。この時、バッテリ状態監視回路11の消費電力が小さくなり、バッテリ状態監視回路11は他のバッテリ状態監視回路よりも消費電力が小さくなる。消費電力が小さくなった分、バッテリ21は他のバッテリよりも放電スピードが遅くなり、他のバッテリは今まで通りに放電する。よって、放電しすぎているバッテリ21の放電スピードが遅くなるので、バッテリ装置は各バッテリの電圧を揃える(セルバランスをとる)ことができる。
[セルバランス状態]充電器51が外部端子43と外部端子44との間に接続され、バッテリ21が充電される。バッテリ21における電圧監視端子11dと電圧監視端子11eとの間の電圧がセルバランス電圧以上になると、セルバランス回路11cはセルバランス信号をスイッチ回路31に出力してスイッチ回路31をオンに制御する。よって、スイッチ回路31はオンし、充電されているバッテリ21はスイッチ回路31を介して放電する。バッテリ22及びバッテリMに対してもバッテリ装置の動作は同様である。
ここで、各バッテリで特性バラツキが生じたことにより、充電中にバッテリ21の電圧が他のバッテリの電圧よりも早く高くなっている場合、バッテリ状態監視回路11が他のバッテリ状態監視回路よりも早くセルバランス信号を出力することになる。すると、スイッチ回路31が他のスイッチ回路よりも早くオンし、バッテリ21は他のバッテリと充電量の変化が異なる。例えば、バッテリ21は他のバッテリよりも充電スピードが遅くなり、他のバッテリは今まで通りに充電される。または、バッテリ21は放電し、他のバッテリは今まで通りに充電される。よって、充電されすぎているバッテリの充電スピードが遅くなるので、または、充電されすぎているバッテリ21が放電するので、バッテリ装置はセルバランスをとることができる。
このようにすると、バッテリ21とバッテリ22とバッテリMとに対するバッテリ状態監視回路11とバッテリ状態監視回路12とバッテリ状態監視回路Lとは同一の回路構成であるので、バッテリ装置の仕様変更によってバッテリ数が変動したことに対し、その変動に基づいてバッテリ装置は同一の回路構成のバッテリ状態監視回路を追加または削除することのみにより、バッテリ装置は容易に対応できる。よって、回路設計による開発日程が短くなる。また、回路設計による開発コストが低くなる。
また、バッテリ毎にそれぞれ1個の半導体装置として構成されたバッテリ状態監視回路が設けられて回路構成が容易なので、1個のバッテリ状態監視回路が不良品になった場合、その回路だけが良品と交換されることにより、バッテリ装置が正常に動作する。つまり、1個のバッテリ状態監視回路が不良品になることにより、全てのバッテリ状態監視回路及び制御回路における回路全体が従来のように不良品にならない。よって、バッテリ装置内部の回路の製造歩留まりが高くなる。
また、各バッテリで特性バラツキが生じ、各バッテリの充電量の変化が異なっても、各バッテリが過充電状態になる前にバッテリ装置はセルバランスをとるので、各バッテリが過充電状態になりにくくなり、充電が禁止されにくくなる。よって、バッテリ装置の稼動時間が長くなる。
また、各バッテリで特性バラツキが生じ、各バッテリの充電量の変化が異なっても、各バッテリが過放電状態になるとバッテリ装置はセルバランスをとるので、次の充電動作における各バッテリの充電量の初期値が同一に近づき、各バッテリで過充電状態になる前のセルバランスがとられやすくなる。よって、バッテリ装置の稼働時間が長くなる。
なお、バッテリユニットが3個用意されているが、バッテリユニットが4個以上または3個未満用意されてもよい。この時、バッテリユニットの数に基づいて制御回路42が回路設計される。
また、ノイズによる誤動作が防止されるように、過充電検出回路11aは過充電電圧にヒステリシス電圧を設けることができる。過放電検出回路11b及びセルバランス回路11cも同様である。
また、ノイズによる誤動作が防止されるように、制御回路42はスイッチ回路41への出力信号にヒステリシス電圧を設けることができる。
また、ノイズによる誤動作が防止されるように、遅延時間が過充電信号に設けられることができる。過放電信号及びセルバランス信号も同様である。
また、図1では、外部端子43とバッテリ21の正極端子との間にスイッチ回路41が設けられているが、図3に示すように、スイッチ回路41が削除され、外部端子44とバッテリMの負極端子との間にスイッチ回路41aが設けられ、制御回路42が制御回路42aに変更されてもよい。この時、スイッチ回路41は、PMOSによって構成され、スイッチ回路41aは、NMOSによって構成されている。
また、図1では、バッテリ状態監視回路は、スイッチ回路と別々に設けられているが、図示しないが、スイッチ回路を内蔵して設けられてもよい。
バッテリ装置のブロック図である。 バッテリ状態監視回路のブロック図である。 バッテリ装置のブロック図である。 従来のバッテリ装置のブロック図である。
符号の説明
11、12、L バッテリ状態監視回路 21、22、M バッテリ
31、32、N スイッチ回路 41 スイッチ回路
42 制御回路 43、44 外部端子
51 充電器 52 負荷

Claims (7)

  1. 充電器または負荷に接続されるバッテリの状態を監視するバッテリ状態監視回路おいて、
    前記バッテリの電圧を監視する第一電圧監視端子と、
    前記バッテリの電圧を監視する第二電圧監視端子と、
    1個のバッテリに対して設けられ、前記第一電圧監視端子と前記第二電圧監視端子との間の電圧が前記バッテリの過充電状態になる時の電圧以上になると、前記充電器から前記バッテリへの充電を禁止するよう制御する過充電検出回路と、
    前記1個のバッテリに対して設けられ、前記第一電圧監視端子と前記第二電圧監視端子との間の電圧が前記バッテリの過放電状態になる時の電圧未満になると、前記バッテリから前記負荷への放電を禁止するよう制御する過放電検出回路と、
    前記1個のバッテリに対して設けられ、前記第一電圧監視端子と前記第二電圧監視端子との間の電圧が前記バッテリの電圧を他のバッテリの電圧に揃えてセルバランスをとり始める時の電圧以上になると、前記バッテリを放電させるセルバランス回路と、を備え、
    1個の半導体装置として構成されていることを特徴とするバッテリ状態監視回路。
  2. 前記過放電検出回路は、前記第一電圧監視端子と前記第二電圧監視端子との間の電圧が前記バッテリの過放電状態になる時の電圧未満になると、前記過充電検出回路及び前記セルバランス回路の全部または一部の動作を停止することを特徴とする請求項1記載のバッテリ状態監視回路。
  3. 前記1個のバッテリに並列接続されたスイッチ回路、
    をさらに備えていることを特徴とする請求項1記載のバッテリ状態監視回路。
  4. 充電器または負荷に接続されるバッテリの状態を監視するバッテリ状態監視回路を複数個搭載するバッテリ装置おいて、
    前記バッテリの充電または放電の経路に設けられた第一スイッチ回路と、
    複数の前記バッテリと、
    複数の前記バッテリにそれぞれ並列接続された複数の第二スイッチ回路と、
    前記バッテリの電圧が前記バッテリの過充電状態になる時の電圧以上になると、前記第一スイッチ回路をオフに制御し、前記充電器から前記バッテリへの充電を禁止するよう制御する過充電検出回路と、前記バッテリの電圧が前記バッテリの過放電状態になる時の電圧未満になると、前記第一スイッチ回路をオフに制御し、前記バッテリから前記負荷への放電を禁止するよう制御する過放電検出回路と、前記バッテリの電圧が前記バッテリの電圧を他のバッテリの電圧に揃えてセルバランスをとり始める時の電圧以上になると、前記第二スイッチ回路をオンに制御し、前記バッテリを放電させるセルバランス回路と、を有し、複数の前記バッテリにそれぞれ並列接続された複数の前記バッテリ状態監視回路と、を備え、
    前記バッテリ状態監視回路は1個の半導体装置として構成されていることを特徴とするバッテリ装置。
  5. 前記過放電検出回路は、前記バッテリの電圧が前記バッテリの過放電状態になる時の電圧未満になると、前記過充電検出回路及び前記セルバランス回路の全部または一部の動作を停止することを特徴とする請求項4記載のバッテリ装置。
  6. 充電器または負荷に接続されるバッテリの状態を監視するバッテリ状態監視回路を複数個搭載するバッテリ装置おいて、
    前記バッテリの充電または放電の経路に設けられた第一スイッチ回路と、
    複数の前記バッテリと、
    前記バッテリに並列接続された第二スイッチ回路と、前記バッテリの電圧が前記バッテリの過充電状態になる時の電圧以上になると、前記第一スイッチ回路をオフに制御し、前記充電器から前記バッテリへの充電を禁止するよう制御する過充電検出回路と、前記バッテリの電圧が前記バッテリの過放電状態になる時の電圧未満になると、前記第一スイッチ回路をオフに制御し、前記バッテリから前記負荷への放電を禁止するよう制御する過放電検出回路と、前記バッテリの電圧が前記バッテリの電圧を他のバッテリの電圧に揃えてセルバランスをとり始める時の電圧以上になると、前記第二スイッチ回路をオンに制御し、前記バッテリを放電させるセルバランス回路と、を有し、複数の前記バッテリにそれぞれ並列接続された複数の前記バッテリ状態監視回路と、を備え、
    前記バッテリ状態監視回路は1個の半導体装置として構成されていることを特徴とするバッテリ装置。
  7. 前記過放電検出回路は、前記バッテリの電圧が前記バッテリの過放電状態になる時の電圧未満になると、前記過充電検出回路及び前記セルバランス回路の全部または一部の動作を停止することを特徴とする請求項6記載のバッテリ装置。
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