JP4770522B2 - 組電池の容量調整装置 - Google Patents

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Description

本発明は、組電池を構成する複数のセル間の容量調整を行う装置に関する。
従来、組電池を構成する複数のセルごとに放電回路を設け、各セル間の容量バラツキ量に基づいて、各セルごとに放電回路の動作を制御して、各セル間の容量を均一にする容量調整装置が知られている(特許文献1参照)。この容量調整装置では、所定数のセルの電圧を電源として駆動するセルコントローラによって、対応するセルの充放電が制御される。
特開平10−322925号公報
しかしながら、従来の容量調整装置において、各セルコントローラ間の消費電流が異なる場合には、容量調整終了後も、セルコントローラ間の消費電流の差に起因して、各セル間の容量が均一にならないという問題があった。
本発明による組電池の容量調整装置は、各セル間の容量バラツキ量を検出する容量バラツキ量検出手段と、前記容量バラツキ量検出手段によって検出される容量バラツキ量に基づいて、各セルごとの放電量を算出する放電量算出手段と、前記複数の電流消費機器の消費電流の差に基づいて、前記放電量算出手段によって算出された放電量を補正する放電量補正手段と、前記放電量算出手段によって算出された放電量、および、前記放電量補正手段によって補正された放電量に基づいて、各セルの放電を行う放電手段と、を備え、前記放電量補正手段は、消費電流が最も小さい電流消費機器を基準として、消費電流の大きい電流消費機器の電圧源となっているセルの放電量が小さくなるように、前記放電量算出手段によって算出された放電量を補正することを特徴とする。

本発明による組電池の容量調整装置によれば、特定のセルの電圧を電圧源として作動する複数の電流消費機器の消費電流の差を考慮して、容量調整後のセル間の容量を均一にすることができる。
−第1の実施の形態−
図1は、第1の実施の形態における組電池の容量調整装置の構成を示す図である。この組電池の容量調整装置は、例えば、ハイブリッド自動車に搭載されて使用される。組電池100は、例えば、リチウムイオン電池であり、充放電可能なn(n:自然数)個のセルC1〜Cnを直列に接続して構成されている。各セルC1〜Cnは4個ずつにまとめられて、モジュールM1,M2,…,Mtを構成する。
モジュールM1,M2,…,Mtごとに設けられているセルコントローラCC1,CC2,…,CCtは、対応するモジュール内のセルの電圧を駆動電源として、モジュールごとに、セルを管理する。例えば、セルコントローラCC1は、モジュールM1に含まれる4個のセルC1〜C4の電圧を駆動電源として、各セルC1〜C4の充放電を制御する。各セルコントローラCC1〜CCtは、直列に接続されており、隣り合うセルコントローラとの間で通信を行う。
バッテリコントローラ10は、CPU10a、メモリ10bおよびタイマ10cを備え、各セルコントローラCC1〜CCtを制御して、組電池100を管理する。バッテリコントローラ10の送信端子TXは、絶縁素子を介して、セルコントローラCC1の受信端子RXと接続されており、バッテリコントローラ10の受信端子RXは、絶縁素子を介して、セルコントローラCCtの送信端子TXと接続されている。すなわち、バッテリコントローラ10は、セルコントローラCC1およびCCtとの間で、通信を行う。
図2は、セルコントローラの詳細な回路構成を示す図である。ここでは、セルコントローラCC1およびCC2を取り上げて説明する。セルコントローラCC1は、IC11と、A/Dコンバータ12と、フォトカプラ13と、抵抗器R1〜R4と、スイッチS1〜S4とを備えている。
A/Dコンバータ12は、各セルC1〜C4の端子間電圧をデジタル信号に変換して、IC11に送信する。フォトカプラ13は、セルC1〜C4を電圧駆動源としており、セルコントローラCC1とバッテリコントローラ10との間を電気的に絶縁する。
各セルC1〜C4にはそれぞれ、抵抗器とスイッチの直列回路が並列に接続されている。抵抗器とスイッチからなる直列回路は、それぞれのセルの容量調整回路であり、例えば、抵抗器R1およびスイッチS1からなる直列回路は、セルC1の容量調整回路を構成する。各抵抗器R1〜R4を介して、対応するセルC1〜C4の充電電荷を放電することによって、各セルの充電容量を調整することができる。スイッチS1〜S4はそれぞれ、IC11により開閉が制御される。例えば、スイッチS1が閉じられると、抵抗器R1を介してセルC1の放電が行われる。
各抵抗器R1〜R4、および、後述する抵抗器R5〜R8の抵抗値は同一であり、例えば、200Ωとする。各セルの容量調整量(放電量)は、対応して設けられているスイッチの閉路時間に依存し、スイッチの開閉時間をコントロールすることにより、容量調整量を制御する。
なお、図には示していないが、セルコントローラCCtの構成も、セルコントローラCC1の構成と同様である。
セルコントローラCC2は、IC21と、A/Dコンバータ22と、オフセット回路23と、抵抗器R5〜R8と、スイッチS5〜8とを備えている。A/Dコンバータ22は、各セルC5〜C8の端子間電圧をデジタル信号に変換して、IC21に送信する。IC21は、オフセット回路23を介して、セルコントローラCC1との間で通信を行うとともに、図示しないセルコントローラCC3が備えるオフセット回路を介して、セルコントローラCC3との間で通信を行う。
各抵抗器R5〜R8およびスイッチS5〜S8は、セルコントローラCC1に設けられている抵抗器R1〜R4およびスイッチS1〜S4と同様に、容量調整回路を構成している。スイッチR5〜R8の開閉は、IC21によって制御される。
なお、図には示していないが、セルコントローラCC3〜CCt-1の構成も、セルコントローラCC2の構成と同様である。
図3および図4は、第1の実施の形態における組電池の容量調整装置によって行われる処理内容を示すフローチャートである。バッテリコントローラ10は、車両が起動して、自身の電源がオンされると、ステップS10の処理を開始する。
ステップ10では、無負荷時のセル電圧を取得する。各セルコントローラCC1〜CCtは、組電池100が無負荷状態の時に、管理している各セルの電圧を検出する。検出したセル電圧は、隣接しているセルコントローラに順次送信され、最終的に、セルコントローラCCtを介して、バッテリコントローラ10に送信される。
ステップS10に続くステップS20では、ステップS10で取得した各セルの無負荷時電圧に基づいて、セル間の容量を均一にするための容量調整時間(放電時間)を、各セルごとに算出する。図5は、セルの無負荷時電圧(開放電圧)と、SOC[%]および充電量[Ah]との関係を示す図である。バッテリコントローラ10のメモリ10bには、図5に示すようなセル電圧−充電量テーブルが予め記憶されており、ステップS10で取得したセル電圧と、メモリに記憶されているセル電圧−充電量テーブルとに基づいて、各セルの充電量[Ah]をまず求める。
続いて、各セルの充電量と、充電量が最も小さいセルの充電量との差を求め、求めた充電量の差に基づいて、容量調整時間を求める。例えば、セルCk(k=1〜n)の容量調整時間Tk(k=1〜n)は、求めた充電量の差と、容量調整時のバイパス電流Ik(k=1〜n)とに基づいて、次式(1)から求める。ただし、容量調整時(放電時)のバイパス電流Ikは、容量調整回路を構成している抵抗器Rkの抵抗値、および、セルCkの電圧値に基づいて算出する。
Tk=充電量の差/バイパス電流Ik (1)
ステップS20に続くステップS30では、消費電流の大きいセルコントローラが管理するセルの容量調整時間を補正する。図1および図2に示す回路構成では、セルコントローラCC1およびCCtは、フォトカプラを介して、バッテリコントローラ10と通信を行っているが、各セルコントローラ間では、オフセット回路を介して通信が行われる。上述したように、フォトカプラの駆動電源を、セルコントローラが管理しているセルの電圧としているため、フォトカプラが設けられているセルコントローラCC1およびCCtの消費電流は、フォトカプラが設けられていないセルコントローラCC2〜CCt-1の消費電流よりも多くなる。
セルコントローラ間の消費電流の差は、セルコントローラを構成する回路素子(フォトカプラ)の特性によって決まるので、各セルコントローラの設計値に基づいて、予め消費電流の差を求めておいて、バッテリコントローラ10のメモリ10bに記憶させておく。ステップS30では、メモリ10bに記憶されている消費電流の差のデータを用いて、次式(2)より、セルコントローラCC1およびCCtの容量調整時間を補正する。
補正後の容量調整時間=充電量の差/(バイパス電流+消費電流の差) (2)
すなわち、ステップS30では、セルコントローラCC2〜CCt-1と比べて、消費電流が多いセルコントローラCC1およびCCtの容量調整時間が短くなるように、容量調整時間を補正している。消費電流が多いセルコントローラCC1およびCCtの容量調整時間を補正すると、ステップS40に進む。
ステップS40では、複数のセルC1〜Cnのうち、少なくとも1つのセルの容量調整時間が0より大きいか否かを判定する。少なくとも1つのセルの容量調整時間が0より大きいと判定すると、ステップS50に進む。ステップS50では、容量調整時間が0より大きいセル、すなわち、容量調整を行うセルに対応して設けられているスイッチをオンする旨の指示信号をセルコントローラCC1に送信する。この指示信号は、セルコントローラCC1から、順次、隣接するセルコントローラを介して、セルコントローラCCtまで送信される。
バッテリコントローラ10から出力される指示信号を受信した各セルコントローラCC1〜CCtは、指示信号に基づいて、容量調整時間が0より大きいセルに対応して設けられているスイッチをオンする。スイッチがオンされることにより、対応するセルの放電が開始される。
ステップS50に続くステップS60では、いずれかのセルにおいて、容量調整時間が経過したか否かを判定する。各セルコントローラCC1〜CCtは、管理している各セルを対象として、容量調整時間が経過したか否か、すなわち、容量調整が終了したか否かを監視している。従って、管理しているセルのうち、容量調整時間が経過したセルがあれば、その旨の信号をバッテリコントローラ10に送信する。バッテリコントローラ10は、容量調整時間を経過したセルがないと判定すると、ステップS40に戻り、容量調整時間を経過したセルが存在すると判定すると、ステップS70に進む。
ステップS70では、容量調整時間を経過したセルに対応して設けられているスイッチをオフする旨の指示信号をセルコントローラCC1に送信する。この指示信号は、セルコントローラCC1から、順次、隣接するセルコントローラを介して、セルコントローラCCtまで送信される。指示信号を受信した各セルコントローラCC1〜CCtは、指示信号に基づいて、容量調整時間を経過したセルに対応して設けられているスイッチをオフする。ステップS70の処理を終了すると、ステップS40に戻る。
一方、ステップS40において、全てのセルの容量調整時間が0であると判定されると、全てのセルの容量調整が終了したと判定して、図4に示すフローチャートのステップS80に進む。ステップS80では、タイマ10cをスタートさせて、ステップS90に進む。ステップS90では、消費電流の差の積算値を求めるために用いるカウント値Vを1だけカウントアップして、ステップS100に進む。なお、カウント値Vの初期値は0である。
ステップS100では、次式(3)に基づいて、消費電流の差の積算値Wを求める。
W=消費電流の差×Δt×カウント値V (3)
ただし、Δtは、バッテリコントローラ10の演算周期である。
ステップS100に続くステップS110では、タイマ10cによって計測されている時間が所定時間Ts(例えば、10分)を経過したか否かを判定する。所定時間Tsを経過していないと判定するとステップS140に進み、所定時間Tsを経過したと判定すると、ステップS120に進む。
ステップS120では、消費電流の小さいセルコントローラ、すなわち、セルコントローラCC2〜CCt-1が管理するセルの容量調整時間Tbを算出する。容量調整時間Tbは、次式(4)に基づいて算出する。
Tb=W/バイパス電流 (4)
ただし、Wは、ステップS100で算出する消費電流の差の積算値である。また、バイパス電流は、容量調整を行うセルの容量調整時の放電電流であり、容量調整回路を構成している抵抗器の抵抗値、および、セルの電圧値に基づいて算出する。
ステップS120に続くステップS130では、カウント値Vを0にリセットするとともに、タイマ10cのタイマ値を0にリセットしてから再スタートさせて、ステップS140に進む。ステップS140の処理は、ステップS40の処理と同じである。すなわち、複数のセルC1〜Cnのうち、少なくとも1つのセルの容量調整時間が0より大きいか否かを判定する。全てのセルの容量調整時間が0であると判定するとステップS90に戻り、少なくとも1つのセルの容量調整時間が0より大きいと判定すると、ステップS150に進む。
ステップS150の処理は、ステップS50の処理と同じである。すなわち、容量調整時間が0より大きいセル、換言すると、容量調整を行うセルに対応して設けられているスイッチをオンする旨の指示信号をセルコントローラCC1に送信する。この指示信号は、セルコントローラCC1から、順次、隣接するセルコントローラを介して、セルコントローラCCtまで送信される。バッテリコントローラ10から出力される指示信号を受信した各セルコントローラCC1〜CCtは、指示信号に基づいて、容量調整時間が0より大きいセルに対応して設けられているスイッチをオンする。
ステップS150に続くステップS160の処理は、ステップS60の処理と同じである。すなわち、いずれかのセルにおいて、容量調整時間が経過したか否かを判定する。容量調整時間を経過したセルがないと判定すると、ステップS90に戻り、容量調整時間を経過したセルが存在すると判定すると、ステップS170に進む。
ステップS170の処理は、ステップS70の処理と同じである。すなわち、容量調整時間を経過したセルに対応して設けられているスイッチをオフする旨の指示信号をセルコントローラCC1に送信する。この指示信号は、セルコントローラCC1から、順次、隣接するセルコントローラを介して、セルコントローラCCtまで送信される。指示信号を受信した各セルコントローラCC1〜CCtは、指示信号に基づいて、容量調整時間を経過したセルに対応して設けられているスイッチをオフする。容量調整時間を経過したセルに対応して設けられているスイッチをオフすると、ステップS90に戻る。
上述した図3および図4に示すフローチャートの処理のうち、図3に示すフローチャートの処理は、セルコントローラ間の消費電流の差を考慮して、各セル間の容量バラツキを調整する処理である。一方、図4に示すフローチャートの処理は、セル間の容量調整終了後でも、セルコントローラ間の消費電流の差に起因して、セル間の容量にバラツキが生じるため、この容量バラツキを所定時間ごとに調整する処理である。
第1の実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、組電池100を構成する複数のセル間の容量バラツキを検出し、検出した容量バラツキと、特定のセルの電圧を電圧源として作動するセルコントローラ間の消費電流の差とに基づいて、各セルの放電を行うので、セルコントローラ間の消費電流の差を考慮した容量調整を行うことができる。すなわち、セルコントローラ間で消費電流が異なる場合でも、容量調整後の各セルの容量を均一にすることができる。
また、第1の実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、セル間の容量バラツキ量に基づいて、各セルごとの放電量を算出し、セルコントローラ間の消費電流の差に基づいて、放電量を補正するので、容量調整後の各セルの容量を正確に均一にすることができる。特に、第1の実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、消費電流が最も小さいセルコントローラCC2〜CCt-1を基準として、消費電流の大きいセルコントローラCC1,CCtの電圧源となっているセルの放電量が小さくなるように、放電量を補正するので、消費電流の小さいセルコントローラの電圧源となっているセルの放電量が大きくなるように、放電量を補正する場合に比べて、無駄な放電を抑制することができる。
また、第1の実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、セル間の容量調整が終了した後に、所定時間ごとに、消費電流の小さいセルコントローラの電圧源となっているセルを対象として、消費電流の差に基づいた放電を行うので、セルコントローラ間の消費電流の差に起因して生じるセル間の容量バラツキを、所定時間ごとに解消することができる。
−第2の実施の形態−
第1の実施の形態における組電池の容量調整装置では、図3に示すフローチャートのステップS30において、消費電流の大きいセルコントローラが管理するセルの容量調整時間を補正した。第2の実施の形態における組電池の容量調整装置では、消費電流の小さいセルコントローラが管理するセルの容量調整時間を補正する。
図6は、第2の実施の形態における組電池の容量調整装置によって行われる処理を示すフローチャートであり、図3に示すフローチャートと対応している。図6に示すフローチャートが図3に示すフローチャートと異なるのは、ステップS30に対応するステップS200の処理である。従って、以下では、ステップS200の処理のみについて説明する。
ステップS200では、消費電流の小さいセルコントローラが管理するセル、すなわち、セルコントローラCC2〜CCt-1が管理しているセルの容量調整時間を補正する。ここでは、次式(5)に基づいて、セルコントローラCC2〜CCt-1の容量調整時間を補正する。補正後の容量調整時間=充電量の差/(バイパス電流−消費電流の差) (5)
すなわち、ステップS200では、セルコントローラCC1,CCtと比べて、消費電流が少ないセルコントローラCC2〜CCt-1の容量調整時間が長くなるような補正を行っている。消費電流が少ないセルコントローラCC2〜CCt-1の容量調整時間を補正すると、ステップS40に進む。ステップS40以後の処理は、図3および図4に示すフローチャートの処理と同じである。
第2の実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、消費電流が最も大きいセルコントローラCC1,CCtを基準として、消費電流の小さいセルコントローラCC2〜CCt-1の電圧源となっているセルの放電量が大きくなるように、放電量を補正するので、容量調整後の各セルの容量を均一にすることができる。
−第3の実施の形態−
第1および第2の実施の形態における組電池の容量調整装置では、セルコントローラ間の消費電流の差に基づいて、各セルの容量調整時間を補正することにより、各セルの容量が均一になるような容量調整を行った。第3の実施の形態における組電池の容量調整装置では、消費電流の小さいセルコントローラが管理しているセルに対して、消費電流差補正回路(抵抗器)を別途設けることにより、セルコントローラ間の消費電流の差を解消する。
図7は、第3の実施の形態における組電池の容量調整装置において、セルコントローラCC1およびCCtと比べて消費電流の小さいセルコントローラCC2の回路構成を示す図である。なお、図示しないが、セルコントローラCC3〜CCt-1の回路構成も同様である。
図7に示すように、セルC5の正極と、セルC8の負極との間には、スイッチ20および抵抗器30が設けられている。抵抗器30の抵抗値は、セルコントローラCC1またはCCtとの消費電流差を補正するための値に設定されており、スイッチ20がオンされると、セルコントローラCC1またはCCtとの消費電流差と同等の電流が、抵抗器30を介して流れる。
セルコントローラCC2〜CCt-1は、各セルの容量調整を行っている間は、スイッチ20をオンする。これにより、セルコントローラ間の消費電流差が解消されるので、容量調整後のセル間の容量を均一に保つことができる。
第3の実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、各セル間の容量バラツキ量に基づいて各セルごとの放電量を算出し、算出した放電量に基づいて、各セルの放電を行うとともに、消費電流が最も大きいセルコントローラCC1,CCtを基準として、消費電流の小さいセルコントローラCC2〜CCt-1の電圧源となっているセルを対象として、抵抗器30を介して、消費電流の差に基づいた放電を行う。これにより、セルコントローラ間の消費電流が異なる場合でも、容量調整後の各セルの容量を均一にすることができる。
本発明は、上述した各実施の形態に限定されることはない。例えば、特定のセルの電圧を電圧源として作動する電流消費機器の一例として、各モジュールごとに設けられているセルコントローラを挙げたが、セルコントローラ以外の機器であってもよい。
上述した各実施の形態では、セルコントローラCC1およびCCtの消費電流が大きく、セルコントローラCC2〜CCt-1の消費電流が小さいものとして説明したが、全てのセルコントローラ間の消費電流が異なっていてもよい。この場合、第1の実施の形態における組電池の容量調整装置では、消費電流が最も小さいセルコントローラを基準として、消費電流の大きいセルコントローラの電圧源となっているセルの放電量が小さくなるように、放電量を補正すればよい。また、第2の実施の形態における組電池の容量調整装置では、消費電流が最も大きいセルコントローラを基準として、消費電流の大きいセルコントローラの電圧源となっているセルの放電量が小さくなるように、放電量を補正すればよい。
図3に示すフローチャートのステップS10では、車両の起動時に、組電池100が無負荷の状態において、各セル電圧を検出したが、車両の走行時において、組電池の充放電電流が低電流の時のセル電圧を検出するようにしてもよい。すなわち、ステップS10では、組電池100が無負荷状態であるとみなせる時のセル電圧を検出すればよい。
第1および第2の実施の形態では、容量調整が終了した後に、所定時間ごとに、消費電流の小さいセルコントローラの電圧源となっているセルを対象として、消費電流の差に基づいた放電を行うようにした。しかし、消費電流の差の積算値が所定値に達する度に、消費電流の差に基づいた放電を行うようにしてもよいし、所定のタイミングで、消費電流の差に基づいた放電を行うようにしてもよい。
第3の実施の形態では、セルコントローラ間の消費電流の差を解消するために、消費電流の小さいセルコントローラの電圧源となっているセルの放電を行うための抵抗器30を別途設けた。しかし、放電を行うことができるものであれば、抵抗器に限られず、他の電流消費回路を設けても良い。
特許請求の範囲の構成要素と第1〜第3の実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、セルコントローラCC1〜CCtおよびバッテリコントローラ10が容量バラツキ量検出手段を、バッテリコントローラ10が放電量算出手段、放電量補正手段および消費電流差積算手段を、抵抗器R1〜Rnが放電手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。
第1の実施の形態における組電池の容量調整装置の構成を示す図 セルコントローラの詳細な回路構成を示す図 第1の実施の形態における組電池の容量調整装置によって行われる処理内容を示すフローチャート 図3に示すフローチャートの処理に続く処理内容を示すフローチャート セルの無負荷時電圧(開放電圧)と、SOC(%)および充電量(Ah)との関係を示す図 第2の実施の形態における組電池の容量調整装置によって行われる処理を示すフローチャート 第3の実施の形態における組電池の容量調整装置において、セルコントローラCC1およびCCtと比べて消費電流の小さいセルコントローラCC2の回路構成を示す図
符号の説明
10…バッテリコントローラ、11…IC、12…A/Dコンバータ、13…フォトカプラ、20…スイッチ、30…抵抗器、R1〜Rn…抵抗器、S1〜Sn…スイッチ、100…組電池、C1〜Cn…セル、M1〜Mt…モジュール、CC1〜CCt…セルコントローラ

Claims (3)

  1. 組電池を構成する複数のセル間の容量調整を行う組電池の容量調整装置において、
    前記組電池を構成する各セルは、該セルの電圧を駆動源として作動する複数の電流消費機器のうちのいずれか一つと電気的に接続されており、
    前記容量調整装置は、
    各セル間の容量バラツキ量を検出する容量バラツキ量検出手段と、
    前記容量バラツキ量検出手段によって検出される容量バラツキ量に基づいて、各セルごとの放電量を算出する放電量算出手段と、
    前記複数の電流消費機器の消費電流の差に基づいて、前記放電量算出手段によって算出された放電量を補正する放電量補正手段と、
    前記放電量算出手段によって算出された放電量、および、前記放電量補正手段によって補正された放電量に基づいて、各セルの放電を行う放電手段と、を備え、
    前記放電量補正手段は、消費電流が最も小さい電流消費機器を基準として、消費電流の大きい電流消費機器の電圧源となっているセルの放電量が小さくなるように、前記放電量算出手段によって算出された放電量を補正することを特徴とする組電池の容量調整装置。
  2. 請求項1に記載の組電池の容量調整装置において、
    前記放電手段による放電が終了してからの経過時間に基づいて、消費電流が最も大きい電流消費機器を基準として、消費電流の小さい電流消費機器の消費電流の差を積算する消費電流差積算手段をさらに備え、
    前記放電手段は、消費電流の小さい電流消費機器の電圧源となっているセルを対象として、所定時間ごとに、前記消費電流差積算手段によって積算された消費電流差に基づいた放電を行うことを特徴とする組電池の容量調整装置。
  3. 請求項1または2に記載の組電池の容量調整装置において、
    前記放電手段による放電が終了してからの経過時間に基づいて、消費電流が最も大きい電流消費機器を基準として、消費電流の小さい電流消費機器の消費電流の差を積算する消費電流差積算手段をさらに備え、
    前記放電手段は、消費電流の小さい電流消費機器の電圧源となっているセルを対象として、前記消費電流差積算手段によって積算された消費電流差が所定値に達する度に、前記消費電流差積算手段によって積算された消費電流差に基づいた放電を行うことを特徴とする組電池の容量調整装置。
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