JP2012029513A - 太陽光発電による充放電制御装置及び太陽光発電による充放電制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】
キャパシタの電圧により、充放電特性の異なるキャパシタ及び鉛蓄電池の充放電をそれぞれ切り換えて独立して制御することで、太陽電池からの電力を最大限搾り出して効率の良い充放電が可能な太陽光発電による充放電制御装置及び太陽光発電による充放電制御方法を提供することにある。
【解決手段】
通常はキャパシタに充電を行い、キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値以上になった場合に、充電先をキャパシタから鉛蓄電池に切り換え、通常は負荷に対してキャパシタから放電を行い、キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値よりも低く設定された鉛蓄電池放電閾値以下になった場合に、放電元をキャパシタから鉛蓄電池に切り換えるようにすることを特徴とする。
【選択図】図1
キャパシタの電圧により、充放電特性の異なるキャパシタ及び鉛蓄電池の充放電をそれぞれ切り換えて独立して制御することで、太陽電池からの電力を最大限搾り出して効率の良い充放電が可能な太陽光発電による充放電制御装置及び太陽光発電による充放電制御方法を提供することにある。
【解決手段】
通常はキャパシタに充電を行い、キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値以上になった場合に、充電先をキャパシタから鉛蓄電池に切り換え、通常は負荷に対してキャパシタから放電を行い、キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値よりも低く設定された鉛蓄電池放電閾値以下になった場合に、放電元をキャパシタから鉛蓄電池に切り換えるようにすることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、太陽電池により蓄電池に充電し、蓄電池からの放電で負荷を動作させる場合の太陽光発電による充放電制御装置及び太陽光発電による充放電制御方法に関する。
従来より、太陽電池により蓄電池に充電し、蓄電池からの放電で負荷を動作させるための充放電制御装置が、各種用いられている。その中で、例えば、特許文献1に示されるような太陽電池により鉛蓄電池とキャパシタとを充電し、負荷に対し放電する電源装置がある。この特許文献1に示される電源装置は、充放電制御の制御部に、日射量を測定するセンサを設け、日射量が安定しているか変動しているかを判定し、安定している場合は鉛蓄電池を充電し、変動する場合はキャパシタに充電するようにしている。
しかしながら、従来の電源装置は、日射量を基に充電先を換えていることから、必ずしも発電量・充電状況に応じて充電を行っているわけではなく、太陽電池からの電力を無駄なく利用することが困難である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、キャパシタの電圧により、充放電特性の異なるキャパシタ及び鉛蓄電池の充放電をそれぞれ切り換えて独立して制御することで、太陽電池からの電力を最大限搾り出して効率の良い充放電が可能な太陽光発電による充放電制御装置及び太陽光発電による充放電制御方法を提供することにある。
請求項1記載の太陽光発電による充放電制御装置は、太陽電池とキャパシタとの間に接続されてキャパシタの充電をオン又はオフするキャパシタ充電制御スイッチと、太陽電池と鉛蓄電池との間に接続されて鉛蓄電池の充電をオン又はオフする鉛蓄電池充電制御スイッチと、キャパシタと負荷との間に接続されてキャパシタの放電をオン又はオフするキャパシタ放電制御スイッチと、鉛蓄電池と負荷との間に接続されて鉛蓄電池の放電をオン又はオフする鉛蓄電池放電制御スイッチと、キャパシタの電圧を検出するキャパシタ電圧検出手段と、キャパシタ電圧検出手段により検出されたキャパシタの電圧により、キャパシタ充電制御スイッチ、鉛蓄電池充電制御スイッチ、キャパシタ放電制御スイッチ及び鉛蓄電池放電制御スイッチのオン及びオフを制御する制御部とを備えることを特徴とする。
請求項2記載の太陽光発電による充放電制御装置は、制御部が、通常はキャパシタ充電制御スイッチをオンすると共に鉛蓄電池充電制御スイッチをオフすることでキャパシタに充電を行い、キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値以上になった場合に、鉛蓄電池充電制御スイッチをオンすると共にキャパシタ充電制御スイッチをオフすることで、充電先をキャパシタから鉛蓄電池に切り換え、通常はキャパシタ放電制御スイッチをオンすると共に鉛蓄電池放電制御スイッチをオフすることで負荷に対してキャパシタから放電を行い、キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値よりも低く設定された鉛蓄電池放電閾値以下になった場合に、キャパシタ放電制御スイッチをオフすると共に鉛蓄電池放電制御スイッチをオンすることで、放電元をキャパシタから鉛蓄電池に切り換えるように制御することを特徴とする。
請求項3記載の太陽光発電による充放電制御装置は、制御部が、鉛蓄電池が充電されている状態で、キャパシタの電圧が、鉛蓄電池充電閾値より低く設定されたキャパシタ充電閾値以下になった場合に、キャパシタ充電制御スイッチをオンすると共に鉛蓄電池充電制御スイッチをオフすることで、充電先を鉛蓄電池からキャパシタに切り換えるように制御することを特徴とする。
請求項4記載の太陽光発電による充放電制御装置は、制御部が、鉛蓄電池から負荷に対して放電している状態で、キャパシタの電圧が、鉛蓄電池放電閾値より高く設定されたキャパシタ放電閾値以上になった場合に、鉛蓄電池放電制御スイッチをオフすると共にキャパシタ放電制御スイッチをオンすることで、放電元を鉛蓄電池からキャパシタに切り換えるように制御することを特徴とする。
請求項5記載の太陽光発電による充放電制御方法は、キャパシタの電圧により、キャパシタ及び鉛蓄電池の充放電をそれぞれ切り換えることを特徴とする。
請求項6記載の太陽光発電による充放電制御方法は、通常はキャパシタに充電を行い、キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値以上になった場合に、充電先をキャパシタから鉛蓄電池に切り換え、通常は負荷に対してキャパシタから放電を行い、キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値よりも低く設定された鉛蓄電池放電閾値以下になった場合に、放電元をキャパシタから鉛蓄電池に切り換えるようにすることを特徴とする。
請求項7記載の太陽光発電による充放電制御方法は、鉛蓄電池が充電されている状態で、キャパシタの電圧が、鉛蓄電池充電閾値より低く設定されたキャパシタ充電閾値以下になった場合に、充電先を鉛蓄電池からキャパシタに切り換えるようにすることを特徴とする。
請求項8記載の太陽光発電による充放電制御方法は、鉛蓄電池から負荷に対して放電している状態で、キャパシタの電圧が、鉛蓄電池放電閾値より高く設定されたキャパシタ放電閾値以上になった場合に、放電元を鉛蓄電池からキャパシタに切り換えるようにすることを特徴とする。
請求項1及び請求項5の発明によれば、キャパシタの電圧により、充放電特性の異なるキャパシタ及び鉛蓄電池の充放電をそれぞれ切り換えて独立して制御することで、太陽電池からの電力を最大限搾り出して効率の良い充放電が可能である。
請求項2及び請求項6の発明によれば、通常はキャパシタに充電を行い、キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値以上になった場合に、充電先をキャパシタから鉛蓄電池に切り換えることで、通常は負荷に対してキャパシタから放電を行い、キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値よりも低く設定された鉛蓄電池放電閾値以下になった場合に、放電元をキャパシタから鉛蓄電池に切り換えるようにすることで、キャパシタの電圧を基に、太陽電池の出力に応じて充放電先を切り換え、太陽電池からの電力を最大限搾り出して効率の良い充放電を可能にしている。
請求項3、請求項4,請求項7及び請求項8の発明によれば、充放電先を切り換える電圧にヒステリシスを設けることで、頻繁に充放電が切りかわることを抑え、キャパシタや鉛蓄電池の劣化を抑えることができる。
以下、本発明の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。図1は、本発明に係る充放電システムの一例を示す構成図である。図2は、同充放電システムの晴天時における充放電の様子を示すグラフである。図3は、同充放電システムの制御部の動作を示す説明図である。図4は、同充放電システムの曇天時における充放電の様子を示すグラフである。図5は、同充放電システムの雨天時における充放電の様子を示すグラフである。
図において、本発明の形態における充放電システム1は、太陽電池6、充放電制御部10、キャパシタ20、鉛蓄電池22及び負荷8等により構成されており、太陽電池6により発電された電力を、キャパシタ20及び鉛蓄電池22に充電し、キャパシタ20及び鉛蓄電池22から負荷8に対し放電を行う太陽光発電による充放電制御装置である。充放電制御部10は、電子回路で、例えばマイクロコンピュータにより制御が行われる制御部12、制御部12からの制御でオン又はオフが行われるキャパシタ充電制御スイッチ14a、鉛蓄電池充電制御スイッチ14b、キャパシタ放電制御スイッチ16a及び鉛蓄電池放電制御スイッチ16b並びにダイオード9等から構成されている。また、制御部12には、キャパシタ20の電圧を検出しその値を取り込む機能も設けられている。尚、本実施の形態は、制御部12があたかもソフトウェアで動いているように説明しているが、論理回路等のハードのみで同様の動きをするように構成させるようにしてもかまわない。
本件のキャパシタ20は、大きな電力の充放電が可能な比較的大型のキャパシタで、例えば電気2重層コンデンサやリチウムイオン・キャパシタ等である。また、負荷8すなわち本充放電システム1の用途は、例えば、屋外音声案内サインボード用電源、監視カメラシステム用電源、テレメーター用電源、屋外用センサー電源、電光掲示板用電源等の主に屋外で使用する電気電子機器である。
次に、充放電システム1の接続を説明する。太陽電池6の出力は、充放電制御部10のキャパシタ充電制御スイッチ14aに接続されると共に、鉛蓄電池22の充電制御手段であるMPPT制御部24に接続されている。MPPT制御部24の出力は、充放電制御部10の鉛蓄電池充電制御スイッチ14bに接続されている。
キャパシタ20は、充放電制御部10のキャパシタ充電制御スイッチ14aに接続されると共に、キャパシタ放電制御スイッチ16aに接続され、また、制御部12の電圧入力にも接続されている。鉛蓄電池22は、充放電制御部10の鉛蓄電池充電制御スイッチ14bに接続されると共に、鉛蓄電池放電制御スイッチ16bに接続されている。そして、負荷8が、逆流防止用であるダイオード9を介して、キャパシタ放電制御スイッチ16aと鉛蓄電池放電制御スイッチ16bに接続されている。尚、図では記載していないが、キャパシタ20の出力電圧が負荷8に必要な電圧に満たない場合には、キャパシタ放電制御スイッチ16aとダイオード9との間に、DC−DCコンバータを設けて昇圧又は降圧させるようにしてもよい。
次に、このように構成された充放電システム1の動作を説明する。まず通常、晴天の午前中の段階のキャパシタ20に相当量の電力が蓄えられている状態では、充電はキャパシタ20に対して行われており、また、放電もキャパシタ20から行われる(図2のA点付近)。具体的には、図3(a)に示すように、キャパシタ充電制御スイッチ14aがオンで、鉛蓄電池充電制御スイッチ14bがオフで、キャパシタ20に充電が行われている。また、キャパシタ放電制御スイッチ16aがオンで、鉛蓄電池放電制御スイッチ16bがオフで、キャパシタ20から負荷8に対して放電が行われている。
この状態から、太陽電池6の発電が進み、キャパシタ20の電圧が上昇し、制御部12が鉛蓄電池充電閾値(Vbc:例えば14.0ボルト)を検出すると、制御部12は、図3(b)に示すように、鉛蓄電池充電制御スイッチ14bをオンすると共にキャパシタ充電制御スイッチ14aをオフすることで、充電先をキャパシタ20から鉛蓄電池22に切り換える。
但し、この鉛蓄電池22が充電されている状態でも、放電はキャパシタ20で行われている。このため、キャパシタ20の電圧が徐々に下がることになる。そして、制御部12が、キャパシタ20の電圧が、鉛蓄電池充電閾値を下回り、さらにキャパシタ充電閾値(Vcc:例えば13.3ボルト)を検出すると、図3(a)に示すように、キャパシタ充電制御スイッチ14aをオンすると共に鉛蓄電池充電制御スイッチ14bをオフすることで、充電先を鉛蓄電池22からキャパシタ20に切り換える。すると、またキャパシタ20の充電が行われキャパシタ20の電圧が上昇することになる。晴天時で日照が続く時間帯では、キャパシタ20と鉛蓄電池22との充電が交互に切り替わりながら、負荷8にはキャパシタ20から放電が行われる。この間、鉛蓄電池22からの放電は行われないので、鉛蓄電池22には充電のみが行われ、十分な電力が鉛蓄電池22には蓄えられることになる。
そして、晴天時でも夕方になり日がかげり始めると(図2のB点付近)、充電はキャパシタ20側となり、またキャパシタ20から放電された状態で太陽電池6の発電量も減るので、キャパシタ20の電圧はどんどん下がることになる。そして、制御部12が、キャパシタ20の電圧が、鉛蓄電池放電閾値(Vbd:例えば10.0ボルト)を検出すると、図3(c)に示すように、制御部12が、キャパシタ放電制御スイッチ16aをオフすると共に鉛蓄電池放電制御スイッチ16bをオンすることで、放電元をキャパシタ20から鉛蓄電池22に切り換える。このときでも、充電は、キャパシタ20側のままである。この状態で、夜間は、鉛蓄電池22から放電が行われ、負荷8が動作を続けることになる。
そして、夜が明けて朝日が差すようになると、太陽電池6の発電量が増え、キャパシタ20の電圧が上昇していく。さらに上昇を続け、制御部12が、キャパシタ20の電圧が鉛蓄電池放電閾値を上回り、さらにキャパシタ放電閾値(Vcd:例えば10.5ボルト)を検出すると、図3(a)に示すように、鉛蓄電池放電制御スイッチ16bをオフすると共にキャパシタ放電制御スイッチ16aをオンすることで、放電元を鉛蓄電池22からキャパシタ20に切り換える。但し、早朝時は、太陽電池6の発電量は多くなく、キャパシタ20の電圧が、鉛蓄電池放電閾値(Vbd)とキャパシタ放電閾値(Vcd)との間を行き来し、放電元が適宜切り替わることになる。そして、太陽電池6の発電量が増えた以降は、上述の通りである。
次に、曇天時を例に、充放電システム1の動作を説明する。図4が曇天時の様子を示すグラフであるが、朝方の日が差してくる段階では、キャパシタ20に充電が行われキャパシタ20の電圧が上昇してキャパシタ放電閾値(Vcd)を超えるため、放電元が鉛蓄電池22からキャパシタ20に切り替わる。但し、曇天の場合、晴天時ほどにキャパシタ20の充電が進まないことから、少し日が陰ってしまうと放電電力の方が充電を上回り、キャパシタ20の電圧が下降することになる。そして、鉛蓄電池放電閾値(Vbd)を下回ると、制御部12が、キャパシタ放電制御スイッチ16aをオフすると共に鉛蓄電池放電制御スイッチ16bをオンすることで、放電元をキャパシタ20から鉛蓄電池22に切り換える。充電先がキャパシタ20のままで放電元が鉛蓄電池22になることから、キャパシタ20の電圧は再び上昇していく。そして、またキャパシタ放電閾値(Vcd)を超えると、制御部12が、鉛蓄電池放電制御スイッチ16bをオフすると共にキャパシタ放電制御スイッチ16aをオンすることで、放電元を鉛蓄電池22からキャパシタ20に切り換える。日差しが強くならない曇天では、以上のような状態が繰り返され、夕方以降はキャパシタ20の電圧が鉛蓄電池放電閾値(Vbd)を下回ったままになり、鉛蓄電池22からの放電のみとなる。雨天時の例を図5に示すが、雨天時も曇天時と似たような動作を示す。雨天時の場合は、昼間であってもキャパシタ20への充電が促されないため、曇天時以上に、放電元の切り換えが頻繁に行われることになる。
以上のような本実施の形態に示す充放電システム1の太陽光発電による充放電制御方法による動作の概要を、表1に示す。尚、各閾値の具体的な電圧は、あくまでも例示であり、キャパシタ20や鉛蓄電池22の種類や、充放電システム1の設置環境等により、適宜定めるようにすればよい。
尚、各閾値の設定方法としては、例えば、鉛蓄電池放電閾値(Vbd)は、キャパシタ20の出力に接続されたDC−DCコンバータ(不図示)の動作可能な最大電圧に設定する。また、キャパシタ放電閾値(Vcd)は、適宜設定する。さらに、例えば、鉛蓄電池充電閾値(Vbc)は、キャパシタ20の最大使用電圧で、鉛蓄電池22の充電が可能な電圧に設定する。さらに、キャパシタ充電閾値(Vcc)は、適宜設定する。
従来、鉛蓄電池22のシステムにおいては、曇りや雨の日など太陽電池6から十分な電力の供給が得られない場合に、鉛蓄電池22の出力電圧より太陽電池6の電圧の方が低く、鉛蓄電池22に充電できないという問題があった。これに対し、本実施の形態の制御部12は、キャパシタ20の電圧を基準に、この電圧が鉛蓄電池22の充電に十分でない場合は、鉛蓄電池22の充電は行わず、専らキャパシタ20の充電に回路を切り換えるようにしている。
また、従来、キャパシタ20のシステムにおいては、負荷電流に対し大きな容量を持たせるためキャパシタ20の電圧が、太陽電池6の電圧より高く、キャパシタ20に充電がかからないという問題があった。これに対し、本実施の形態の制御部12は、通常はキャパシタ20に充電しつつ放電もキャパシタ20から行うようにしている。
このように、本実施の形態の充放電システム1によれば、キャパシタ20の電圧により、充放電特性の異なるキャパシタ20及び鉛蓄電池22の充放電をそれぞれ切り換えて独立して制御することで、例えば、曇りや雨の日で太陽電池6の出力が微少であっても、その出力を充放電に効率よく振り分けて無駄を抑え、太陽電池6からの電力を最大限搾り出して効率の良い充放電が可能である。
また、放電元を切り換える閾値である鉛蓄電池放電閾値(Vdb)とキャパシタ放電閾値(Vcd)と、また充電先を切り換える閾値である鉛蓄電池充電閾値(Vbc)とキャパシタ充電閾値(Vcc)と、それぞれの充放電先を切り換える電圧にヒステリシスを設けることで、頻繁に充放電が切りかわることを抑え、キャパシタ20や鉛蓄電池22の劣化を抑えることができる。
以上のように、キャパシタの電圧により、充放電特性の異なるキャパシタ及び鉛蓄電池の充放電をそれぞれ切り換えて独立して制御することで、太陽電池からの電力を最大限搾り出して効率の良い充放電が可能な太陽光発電による充放電制御装置及び太陽光発電による充放電制御方法を提供することができる。
1・・・・・充放電システム
6・・・・・太陽電池
8・・・・・負荷
9・・・・・ダイオード
10・・・・充放電制御部
12・・・・制御部
14a・・・キャパシタ充電制御スイッチ
14b・・・鉛蓄電池充電制御スイッチ
16a・・・キャパシタ放電制御スイッチ
16b・・・鉛蓄電池放電制御スイッチ
20・・・・キャパシタ
22・・・・鉛蓄電池
24・・・・MPPT制御部
6・・・・・太陽電池
8・・・・・負荷
9・・・・・ダイオード
10・・・・充放電制御部
12・・・・制御部
14a・・・キャパシタ充電制御スイッチ
14b・・・鉛蓄電池充電制御スイッチ
16a・・・キャパシタ放電制御スイッチ
16b・・・鉛蓄電池放電制御スイッチ
20・・・・キャパシタ
22・・・・鉛蓄電池
24・・・・MPPT制御部
Claims (8)
- 太陽電池により発電された電力を蓄えるキャパシタ及び鉛蓄電池に充電し、該キャパシタ及び該鉛蓄電池から負荷に対し放電を行う太陽光発電による充放電制御装置において、
該太陽電池と該キャパシタとの間に接続されて該キャパシタの充電をオン又はオフするキャパシタ充電制御スイッチと、
該太陽電池と該鉛蓄電池との間に接続されて該鉛蓄電池の充電をオン又はオフする鉛蓄電池充電制御スイッチと、
該キャパシタと該負荷との間に接続されて該キャパシタの放電をオン又はオフするキャパシタ放電制御スイッチと、
該鉛蓄電池と該負荷との間に接続されて該鉛蓄電池の放電をオン又はオフする鉛蓄電池放電制御スイッチと、
該キャパシタの電圧を検出するキャパシタ電圧検出手段と、
該キャパシタ電圧検出手段により検出された該キャパシタの電圧により、該キャパシタ充電制御スイッチ、該鉛蓄電池充電制御スイッチ、該キャパシタ放電制御スイッチ及び該鉛蓄電池放電制御スイッチのオン及びオフを制御する制御部とを備えることを特徴とする太陽光発電による充放電制御装置。 - 前記制御部が、
通常は前記キャパシタ充電制御スイッチをオンすると共に前記鉛蓄電池充電制御スイッチをオフすることで前記キャパシタに充電を行い、該キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値以上になった場合に、該鉛蓄電池充電制御スイッチをオンすると共に該キャパシタ充電制御スイッチをオフすることで、充電先を該キャパシタから前記鉛蓄電池に切り換え、
通常は前記キャパシタ放電制御スイッチをオンすると共に前記鉛蓄電池放電制御スイッチをオフすることで前記負荷に対して該キャパシタから放電を行い、該キャパシタの電圧が該鉛蓄電池充電閾値よりも低く設定された鉛蓄電池放電閾値以下になった場合に、該キャパシタ放電制御スイッチをオフすると共に該鉛蓄電池放電制御スイッチをオンすることで、放電元を該キャパシタから該鉛蓄電池に切り換えるように制御することを特徴とする請求項1記載の太陽光発電による充放電制御装置。 - 前記制御部が、
前記鉛蓄電池が充電されている状態で、前記キャパシタの電圧が、前記鉛蓄電池充電閾値より低く設定されたキャパシタ充電閾値以下になった場合に、前記キャパシタ充電制御スイッチをオンすると共に前記鉛蓄電池充電制御スイッチをオフすることで、充電先を該鉛蓄電池から該キャパシタに切り換えるように制御することを特徴とする請求項2記載の太陽光発電による充放電制御装置。 - 前記制御部が、
前記鉛蓄電池から前記負荷に対して放電している状態で、前記キャパシタの電圧が、前記鉛蓄電池放電閾値より高く設定されたキャパシタ放電閾値以上になった場合に、前記鉛蓄電池放電制御スイッチをオフすると共に前記キャパシタ放電制御スイッチをオンすることで、放電元を該鉛蓄電池から該キャパシタに切り換えるように制御することを特徴とする請求項2記載の太陽光発電による充放電制御装置。 - 太陽電池により発電された電力を蓄えるキャパシタ及び鉛蓄電池に充電し、該キャパシタ及び該鉛蓄電池から負荷に対し放電を行う太陽光発電による充放電制御方法において、
該キャパシタの電圧により、該キャパシタ及び該鉛蓄電池の充放電をそれぞれ切り換えることを特徴とする太陽光発電による充放電制御方法。 - 通常は前記キャパシタに充電を行い、該キャパシタの電圧が鉛蓄電池充電閾値以上になった場合に、充電先を該キャパシタから前記鉛蓄電池に切り換え、
通常は前記負荷に対して該キャパシタから放電を行い、該キャパシタの電圧が該鉛蓄電池充電閾値よりも低く設定された鉛蓄電池放電閾値以下になった場合に、放電元を該キャパシタから該鉛蓄電池に切り換えるようにすることを特徴とする請求項5記載の太陽光発電による充放電制御方法。 - 前記鉛蓄電池が充電されている状態で、前記キャパシタの電圧が、前記鉛蓄電池充電閾値より低く設定されたキャパシタ充電閾値以下になった場合に、充電先を該鉛蓄電池から該キャパシタに切り換えるようにすることを特徴とする請求項6記載の太陽光発電による充放電制御方法。
- 前記鉛蓄電池から前記負荷に対して放電している状態で、前記キャパシタの電圧が、前記鉛蓄電池放電閾値より高く設定されたキャパシタ放電閾値以上になった場合に、放電元を該鉛蓄電池から該キャパシタに切り換えるようにすることを特徴とする請求項6記載の太陽光発電による充放電制御方法。
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