JPWO2007099726A1 - 車両駆動装置 - Google Patents
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Abstract
Description
これらの車両のうちハイブリッド自動車は、走行距離を伸ばすには大容量のバッテリが必要とされ車重が増加しまた充電に長時間を要するという電気自動車の欠点を補うために、車両にエンジンで駆動される発電機を搭載したものである。
しかしながら、回生制動を行なう場合は、回生により発生した電力と、発電機により発生した電力が共にバッテリの端子間にかかり、バッテリの蓄電状態によっては、端子間電圧が許容電圧以上に上昇する場合がある。このように端子間に過大な電圧がかかった場合、バッテリの電解液が分解したり、ガスが発生したり、加熱したりして、バッテリの寿命を短くするという問題があった。
特開平8−79911号公報は、このような問題点が解決された、回生制動時のバッテリ端子間に過大な電圧がかかることを防止することができるハイブリッド型電気自動車を開示している。
バッテリの寿命にはバッテリ温度が大きく影響を与える。バッテリにおける発熱は、バッテリ電流をI、内部抵抗をRとするとI2Rで表わされるので、短時間であっても過大な電流が流れるとその電流の2乗に比例して発熱量が増加する。したがって、蓄電状態のみならずバッテリ温度の面からも、回生により発生した電力と、発電機により発生した電力が共にバッテリの端子間にかからないように制御する必要がある。すなわち、充電状態が低くても、充電電流の瞬間的なピークが過大とならないようにも配慮しなければならない。
しかし、一方で、バッテリ温度は低ければ低いほど良いわけでもなく、使用するための最適な温度範囲がある。したがってバッテリ温度が低い場合に関しては、特開平8−79911号公報に開示されたハイブリッド自動車は改良の余地がある。
この発明の目的は、蓄電装置の保護を図りつつエネルギ効率を向上させた車両駆動装置を提供することである。
好ましくは、制御装置は、蓄電装置の温度が所定値を超えたときには、要求値の減少を検出してからの所定期間において第1の回転電機の回生制動を禁止する。
好ましくは、制御装置は、蓄電装置の温度が所定値に達していないときは、要求値の減少を検出してからの所定期間において第1の回転電機に回生制動を許可する。
好ましくは、車両駆動装置は、車両に制動力を働かせる制動装置をさらに備える。制御装置は、蓄電装置の温度が所定値を超えたときに所定期間第1の回転電機の回生制動を禁止し、所定期間は制動装置によって車両に制動力を働かせる。
好ましくは、制御装置は、アクセルペダル位置を検知するアクセルセンサの出力によって駆動トルクの要求値を認識する。
好ましくは、車両駆動装置は、内燃機関と、内燃機関により駆動され、発電を行なう第2の回転電機とをさらに備える。蓄電装置は、第1、第2の回転電機と電力授受可能であり、制御装置は、第1、第2の回転電機の制御を行なう。
この発明の他の局面に従うと、車両駆動装置であって、車両を駆動し、かつ回生制動時に発電を行なう第1の回転電機と、第1の回転電機と電力授受可能な蓄電装置と、蓄電装置の温度を検知する温度検知部と、第1の回転電機の制御を行なう制御装置とを備える。制御装置は、第1の回転電機の駆動トルクの要求値が減少したことを検出した場合に、温度検知部の出力に応じて第1の回転電機に回生制動を開始させるタイミングを変更する。
好ましくは、車両駆動装置は、車両に制動力を働かせる制動装置をさらに備える。制御装置は、蓄電装置の温度が所定値を超えたときに第1の回転電機に回生制動を開始させるタイミングを所定期間遅延させ、所定期間は制動装置によって車両に制動力を働かせる。
好ましくは、制御装置は、アクセルペダル位置を検知するアクセルセンサの出力によって駆動トルクの要求値を認識する。
好ましくは、車両駆動装置は、内燃機関と、内燃機関により駆動され、発電を行なう第2の回転電機とをさらに備える。蓄電装置は、第1、第2の回転電機と電力授受可能であり、制御装置は、第1、第2の回転電機の制御を行なう。
この発明は、さらに他の局面に従うと、車両を駆動し、かつ回生制動時に発電を行なう第1の回転電機と、第1の回転電機と電力授受可能な蓄電装置と、蓄電装置の温度を検知する温度検知部とを含む車両駆動装置の制御方法であって、第1の回転電機の駆動トルクの要求値が減少したことを検出するステップと、温度検知部の出力に応じて第1の回転電機に回生制動を行なわせるか否かを切換えるステップとを備える。
本発明によれば、車両において蓄電装置の保護を図りつつ、さらにエネルギ効率を向上させることができる。
図2は、車両の加速時または一定速度での走行時のエネルギの流れを説明するための概略図である。
図3は、図1の制御装置30が実行する車両制動に関するプログラムの制御構造を示したフローチャートである。
図4は、図3のステップS4,S5での走行時のエネルギの流れを説明するための概略図である。
図5は、図4に示したエネルギの時間変化について説明するための波形図である。
図6は、図3のステップS6での走行時のエネルギの流れを説明するための概略図である。
図7は、図6に示したエネルギの時間変化について説明するための波形図である。
図1は、本発明の実施の形態に係るハイブリッド自動車1の構成を示すブロック図である。
図1を参照して、ハイブリッド自動車1は、前輪20R,20Lと、後輪22R,22Lと、エンジン200と、プラネタリギヤPGと、デファレンシャルギヤDGと、ギヤ4,6とを含む。
ハイブリッド自動車1は、さらに、バッテリBと、バッテリBの出力する直流電力を昇圧する昇圧ユニット25と、昇圧ユニット25との間で直流電力を授受するインバータ14,14Aとを含む。
ハイブリッド自動車1は、さらに、プラネタリギヤPGを介してエンジン200の動力を受けて発電を行なうモータジェネレータMG1と、回転軸がプラネタリギヤPGに接続されるモータジェネレータMG2とを含む。インバータ14,14Aは、モータジェネレータMG1,MG2にそれぞれ接続され、交流電力と昇圧回路からの直流電力との変換を行なう。
プラネタリギヤPGは、サンギヤと、リングギヤと、サンギヤおよびリングギヤの両方に噛み合うピニオンギヤと、ピニオンギヤをサンギヤの周りに回転可能に支持するプラネタリキャリヤとを含む。プラネタリギヤPGは第1〜第3の回転軸を有する。第1の回転軸はエンジン200に接続されるプラネタリキャリヤの回転軸である。第2の回転軸はモータジェネレータMG1に接続されるサンギヤの回転軸である。第3の回転軸はモータジェネレータMG2に接続されるリングギヤの回転軸である。
この第3の回転軸にはギヤ4が取付けられ、このギヤ4はギヤ6を駆動することによりデファレンシャルギヤDGに動力を伝達する。デファレンシャルギヤDGはギヤ6から受ける動力を前輪20R,20Lに伝達するとともに、ギヤ6,4を介して前輪20R,20Lの回転力をプラネタリギヤPGの第3の回転軸に伝達する。
プラネタリギヤPGはエンジン200,モータジェネレータMG1,MG2の間で動力を分割する役割を果たす。すなわちプラネタリギヤPGの3つの回転軸のうちの2つの回転軸の回転が定まれば残る1つの回転軸の回転は自ずと定められる。したがって、エンジン200を最も効率のよい領域で動作させつつ、モータジェネレータMG1の発電量を制御してモータジェネレータMG2を駆動させることにより車速の制御を行ない、全体としてエネルギ効率のよい自動車を実現している。
直流電源であるバッテリBは、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオンなどの二次電池からなり、直流電力を昇圧ユニット25に供給するとともに、昇圧ユニット25からの直流電力によって充電される。
バッテリBは、組電池であり、直列に接続された複数の電池ユニットB0〜Bnを含む。昇圧ユニット25とバッテリBとの間にはシステムメインリレーSR1,SR2が設けられ車両非運転時には高電圧が遮断される。
昇圧ユニット25はバッテリBから受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧された直流電圧をインバータ14,14Aに供給する。インバータ14,14Aは供給された直流電圧を交流電圧に変換してエンジン始動時にはモータジェネレータMG1を駆動制御する。また、エンジン始動後にはモータジェネレータMG1が発電した交流電力はインバータ14,14Aによって直流に変換されて昇圧ユニット25によってバッテリBの充電に適切な電圧に変換されバッテリBが充電される。
ハイブリッド自動車1は、さらに、運転者からの加速要求指示を受ける入力部であるアクセルペダルの位置を検知するアクセルセンサ9と、バッテリBに取付けられる温度センサ10と、アクセルセンサ9からのアクセル開度Accおよび温度センサ10の検知した温度Tbatに応じてエンジン200、インバータ14,14Aおよび昇圧ユニット25を制御する制御装置30とを含む。温度センサ10は、バッテリBの温度Tbatを検知して制御装置30に送信する。
インバータ14,14Aは、アクセルペダルが踏込まれると、制御装置30からの指示に応じてモータジェネレータMG2を駆動する。モータジェネレータMG2はエンジン200を補助して前輪20R,20Lを駆動する。
制動時には、制御装置30は、機械的ブレーキである油圧ブレーキ装置40、ブレーキキャリパ44およびブレーキディスク42と、モータジェネレータMG2とを協調させて制動を行なう。モータジェネレータMG2は回生運転を行ない、車輪の回転運動エネルギを電気エネルギに変換する。得られた電気エネルギは、インバータ14,14Aおよび昇圧ユニット25を経由してバッテリBに戻される。
制御装置30は、バッテリBの温度や充電状態(SOC:State Of Charge)に基づいて回生ブレーキと機械的ブレーキの使用比率を定める。
なお、制動時の回生制御には、ハイブリッド自動車を運転するドライバによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動が含まれる。また、フットブレーキを操作しない場合であっても、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速させたりまたは加速を中止させたりするときが含まれる。
図2は、車両の加速時または一定速度での走行時のエネルギの流れを説明するための概略図である。
車両の加速時または一定速度での走行時は、運転者はアクセルペダルを踏んでいる状態である。そして図2に示すように、エンジン200が燃料を燃焼させて得た回転運動エネルギPeがモータジェネレータMG1を回転させモータジェネレータMG1は発電機として電力Pmg1を出力する。このときモータジェネレータMG2は車輪に対して回転運動エネルギPtを与えている。また、動力分割機構であるプラネタリギヤによって、エンジン200から直接車輪に伝えられる回転運動エネルギPt2も存在する。回転運動エネルギPtおよびPt2は、車両の加速や走行時の空気抵抗や摩擦抵抗に抗するために用いられる。
モータジェネレータMG1で発電される電力を電力Pmg1とし、モータジェネレータMG2で消費される電力を電力Pmg2とする。メインバッテリから充放電される電力Pbatは、電力Pmg1と電力Pmg2の差であり余り大きくない。
このような状態で、アクセルペダルが放されアクセルオフ状態またはフットブレーキをかけた状態となると、モータジェネレータMG2は加速をしないので電力を消費しなくなる。その一方でモータジェネレータMG1は発電を急には停止しない。したがって、電力Pmg1はバッテリBに向かって充電される。このときモータジェネレータMG2が回生制動を行なえば、さらにバッデリBに対して回生電力が充電され、電流の増大に伴いその2乗に比例してバッテリで熱が発生する。このときのバッテリの発熱がバッテリに悪影響を与えないように配慮しつつ、なるべく効率よく回生電力をバッテリに回収することが望ましい。
図3は、図1の制御装置30が実行する車両制動に関するプログラムの制御構造を示したフローチャートである。このフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから一定時間経過ごとまたは所定の条件が成立するごとに呼び出されて実行される。
図1、図3を参照して、ステップS1において、制御装置30は、アクセルセンサ9の出力を監視して、アクセル開度が減少するかどうかを判断する。アクセル開度の減少が検知されない場合には図2で示したエネルギの均衡が継続されるので、処理はステップS7に進み制御はメインルーチンに移される。
一方、ステップS1においてアクセル開度の減少が検知された場合には、ステップS2に処理が進む。この場合、モータジェネレータMG2での電力消費が停止されることになるので、制御装置30は、モータジェネレータMG1が発電している状態かどうかを判断する。たとえば、ハイブリッド自動車は、エンジンを停止させ電気自動車のようにモータのみで走行するEV走行も可能であるが、EV走行時はモータジェネレータMG1が発電していない状態である。
ステップS2においてモータジェネレータMG1が発電している状態であれば処理はステップS3に進み、モータジェネレータMG1が発電していない状態であれば処理はステップS6に進む。
ステップS3では、制御装置30は、温度センサ10で検知されたバッテリ温度Tbatが、規定温度T1以上であるか否かを判断する。規定温度T1は、バッテリBを保護するために入出力の制限を開始する温度、または図示しない冷却ファン等によって冷却を開始する温度である。
ステップS3においてメインバッテリ温度Tbatが規定温度T1以上であるときにはステップS4に処理が進み、一方メインバッテリ温度Tbatが規定温度T1未満であればステップS6に処理が進む。
ステップS4では、制御装置30は、モータジェネレータMG2の回生発電を制限または禁止する。そしてステップS5において、エンジンブレーキ相当の制動力を発生させるために、制御装置30は油圧ブレーキ装置40を作動させ、その後ステップS7において制御はメインルーチンに移される。
一方、ステップS6では、モータジェネレータMG2において回生発電を実施して制動力を発生させ、その後ステップS7において制御はメインルーチンに移される。
図4は、図3のステップS4,S5での走行時のエネルギの流れを説明するための概略図である。
図5は、図4に示したエネルギの時間変化について説明するための波形図である。
図4、図5を参照して、図3のステップS4に処理が進んだ場合は、運転者がアクセルペダルを緩めるかまたは完全に足から離し、かつバッテリ温度Tbatが規定値T1以上となっている状態である。
この時刻t1直後では、エンジン回転はまだ減少せず、エンジン200が燃料を燃焼させて得た回転運動エネルギPeがモータジェネレータMG1を回転させモータジェネレータMG1は発電機として電力Pmg1を出力しつづけている。
一方、モータジェネレータMG2の制御の応答速度はエンジン200の制御の応答速度よりも速いので、アクセルペダルが放されアクセルオフ状態となると、モータジェネレータMG2は車輪に与えるトルクを発生させる必要が無くなり電力を消費しなくなる。
すると余った発電電力がPbat(MG1)としてバッテリBに充電されることになる。このとき、油圧ブレーキを時刻t1〜t2の所定期間作動させる。その間は、油圧ブレーキのディスクホイールとブレーキパットの摩擦熱として車輪の回転運動エネルギPtが消費される。その後油圧ブレーキの作動を停止させ回生制動に切換える。
すなわち、エンジン回転が少し減少し余剰電力Pbat(MG1)が少なくなる時刻t2まで、モータジェネレータMG2を用いた回生制動の開始を遅らせる。
つまり、バッテリ温度が規定値よりも高い場合には、アクセルペダルが緩められたことに応じて当初油圧ブレーキを作動させ、遅延時間TD後にMG2による回生制動を開始させる。
このように油圧ブレーキと回生ブレーキを協調制御することで、エンジンブレーキ相当の減速効果を得ることができ、ハイブリッド自動車の操作感をガソリン車と同等にすることができる。
また、モータジェネレータMG1からバッテリに充電される電力のピークとモータジェネレータMG2からの回生電力のピークとをずらすことで、−ΔPに相当するバッテリの発熱量を抑えることができる。
しかし、バッテリ温度がさほど高くなければ、その分電力の回収量を増やしても良い。
図6は、図3のステップS6での走行時のエネルギの流れを説明するための概略図である。
図7は、図6に示したエネルギの時間変化について説明するための波形図である。
図6、図7を参照して、図3のステップS6に処理が進んだ場合は、運転者がアクセルペダルを緩めるかまたは足から離しており、かつバッテリ温度Tbatが規定値T1未満の状態である。
この時刻t1直後では、エンジン回転はまだ減少せず、エンジン200が燃料を燃焼させて得た回転運動エネルギPeがモータジェネレータMG1を回転させモータジェネレータMG1は発電機として電力Pmg1を出力しつづけている。
一方、モータジェネレータMG2の制御の応答速度はエンジン200の制御の応答速度よりも速いので、アクセルオフ状態となるとモータジェネレータMG2は車輪に与えるトルクを発生させる必要が無くなり電力を消費しなくなる。
すると、余った発電電力がPbat(MG1)としてバッテリBに充電されることになる。バッテリ温度Tbatが規定値に達していなければ、油圧ブレーキ作動させずに直ちにモータジェネレータMG2に回生制動を開始させてPbat(MG2)もあわせてバッテリBに充電しても良い。この場合は図4では摩擦ブレーキにおいて熱として消費されていたエネルギPtがメインバッテリBに回収できることとなりエネルギ効率が向上する。
また、バッテリは、使用温度が低ければよいというものではなく、使用最適温度範囲がある。このため、極低温時の始動直後等においては回生制動時に積極的にバッテリが加熱されることによりバッテリ温度を最適範囲に速やかに持っていくことができるという効果も期待される。
以上説明した内容に基づいて、再度図1を参照して以下に本実施の形態についてまとめる。
車両駆動装置は、エンジン200と、エンジン200により駆動され、発電を行なうモータジェネレータMG1と、車両を駆動し、かつ回生制動時に発電を行なうモータジェネレータMG2と、モータジェネレータMG1,MG2と電力授受可能なバッテリBと、バッテリBの温度を検知する温度センサ10と、モータジェネレータMG1,MG2の制御を行なう制御装置30とを備える。制御装置30は、モータジェネレータMG2の駆動トルクの要求値が減少したことを検出した場合に、温度センサ10の出力に応じてモータジェネレータMG2に回生制動を行なわせるか否かを切換える。
制御装置30は、バッテリBの温度が所定値T1を超えたときには、アクセルセンサの出力を監視し、要求値の減少を検出してからの所定期間(図5のt1〜t2)においてモータジェネレータMG2の回生制動を禁止する。
制御装置30は、バッテリBの温度が所定値に達していないときは、駆動トルクの要求値の減少を検出してからの所定期間(図5のt1〜t2に対応する図7の期間)においてモータジェネレータMG2に回生制動を許可する。
車両駆動装置は、車両に制動力を働かせる制動装置をさらに備える。制動装置は、油圧ブレーキ装置、ブレーキキャリパ44、ブレーキディスク42を含む。制御装置30は、バッテリBの温度が所定値T1を超えたときに所定期間(図5のt1〜t2)モータジェネレータMG2の回生制動を禁止し、その所定期間は制動装置によって車両に制動力を働かせる。
この実施の形態は、他の表現では、次のように言うこともできる。すなわち、車両駆動装置は、エンジン200と、エンジン200により駆動され、発電を行なうモータジェネレータMG1と、車両を駆動し、かつ回生制動時に発電を行なうモータジェネレータMG2と、モータジェネレータMG1,MG2と電力授受可能なバッテリBと、バッテリBの温度を検知する温度センサ10と、モータジェネレータMG1,MG2の制御を行なう制御装置30とを備える。制御装置30は、モータジェネレータMG2の駆動トルクの要求値が減少したことを検出した場合に、温度センサ10の出力に応じてモータジェネレータMG2に回生制動を開始させるタイミングを変更する。
車両駆動装置は、車両に制動力を働かせる制動装置をさらに備える。制動装置は、油圧ブレーキ装置、ブレーキキャリパ44、ブレーキディスク42を含む。制御装置30は、バッテリBの温度が所定値を超えたときにモータジェネレータMG2に回生制動を開始させるタイミングを所定期間遅延させ、その所定期間は制動装置によって車両に制動力を働かせる。
本実施の形態によれば、バッテリの温度が適切な範囲に維持される割合が増えるので、バッテリ寿命を損なわず、かつエネルギ効率をさらに高めることができる。
なお、本実施の形態では動力分割機構によりエンジンの動力を車軸と発電機とに分割して伝達可能なシリーズ/パラレル型ハイブリッドシステムに適用した例を示した。しかし本発明は、発電機を駆動するためにのみエンジンを用い、発電機により発電された電力を使うモータでのみ車軸の駆動力を発生させるシリーズ型ハイブリッド自動車や、モータのみで走行する電気自動車にも適用できる。これらの構成は、いずれも車軸とモータまたは発電機とが接続されており、減速時の回生エネルギを回収しバッテリに蓄えることが可能であるため本発明が適用可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図4、図5を参照して、図3のステップS4に処理が進んだ場合は、運転者がアクセルペダルを緩めるかまたは完全に足から離し、かつバッテリ温度Tbatが規定値T1以上となっている状態である。
図6は、図3のステップS6での走行時のエネルギの流れを説明するための概略図である。
図6、図7を参照して、図3のステップS6に処理が進んだ場合は、運転者がアクセルペダルを緩めるかまたは足から離しており、かつバッテリ温度Tbatが規定値T1未満の状態である。
Claims (11)
- 車両を駆動し、かつ回生制動時に発電を行なう第1の回転電機と、
前記第1の回転電機と電力授受可能な蓄電装置と、
前記蓄電装置の温度を検知する温度検知部と、
前記第1の回転電機の制御を行なう制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記第1の回転電機の駆動トルクの要求値が減少したことを検出した場合に、前記温度検知部の出力に応じて前記第1の回転電機に回生制動を行なわせるか否かを切換える、車両駆動装置。 - 前記制御装置は、前記蓄電装置の温度が所定値を超えたときには、前記要求値の減少を検出してからの所定期間において前記第1の回転電機の回生制動を禁止する、請求の範囲第1項に記載の車両駆動装置。
- 前記制御装置は、前記蓄電装置の温度が所定値に達していないときは、前記要求値の減少を検出してからの所定期間において前記第1の回転電機に回生制動を許可する、請求の範囲第1項に記載の車両駆動装置。
- 車両に制動力を働かせる制動装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記蓄電装置の温度が所定値を超えたときに所定期間前記第1の回転電機の回生制動を禁止し、前記所定期間は前記制動装置によって車両に制動力を働かせる、請求の範囲第1項に記載の車両駆動装置。 - 前記制御装置は、アクセルペダル位置を検知するアクセルセンサの出力によって前記駆動トルクの要求値を認識する、請求の範囲第1項に記載の車両駆動装置。
- 内燃機関と、
前記内燃機関により駆動され、発電を行なう第2の回転電機とをさらに備え、
前記蓄電装置は、前記第1、第2の回転電機と電力授受可能であり、
前記制御装置は、前記第1、第2の回転電機の制御を行なう、請求の範囲第1〜5項のいずれか1項に記載の車両駆動装置。 - 車両を駆動し、かつ回生制動時に発電を行なう第1の回転電機と、
前記第1の回転電機と電力授受可能な蓄電装置と、
前記蓄電装置の温度を検知する温度検知部と、
前記第1の回転電機の制御を行なう制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記第1の回転電機の駆動トルクの要求値が減少したことを検出した場合に、前記温度検知部の出力に応じて前記第1の回転電機に回生制動を開始させるタイミングを変更する、車両駆動装置。 - 車両に制動力を働かせる制動装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記蓄電装置の温度が所定値を超えたときに前記第1の回転電機に回生制動を開始させる前記タイミングを所定期間遅延させ、前記所定期間は前記制動装置によって車両に制動力を働かせる、請求の範囲第7項に記載の車両駆動装置。 - 前記制御装置は、アクセルペダル位置を検知するアクセルセンサの出力によって前記駆動トルクの要求値を認識する、請求の範囲第7項に記載の車両駆動装置。
- 内燃機関と、
前記内燃機関により駆動され、発電を行なう第2の回転電機とをさらに備え、
前記蓄電装置は、前記第1、第2の回転電機と電力授受可能であり、
前記制御装置は、前記第1、第2の回転電機の制御を行なう、請求の範囲第7〜9項のいずれか1項に記載の車両駆動装置。 - 車両を駆動し、かつ回生制動時に発電を行なう第1の回転電機と、前記第1の回転電機と電力授受可能な蓄電装置と、前記蓄電装置の温度を検知する温度検知部とを含む車両駆動装置の制御方法であって、
前記第1の回転電機の駆動トルクの要求値が減少したことを検出するステップと、
前記温度検知部の出力に応じて前記第1の回転電機に回生制動を行なわせるか否かを切換えるステップとを備える、車両駆動装置の制御方法。
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