(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）のセル（３、２１、２３、２ｎ）を接続する方法であって、以下の方法、すなわち、
‐前記エネルギー貯蔵器（１）の出力電圧の第１の目標値を設定する工程（１００）と、
‐第１のセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）の接続についての第１の確率（Ｐｏｎ）を設定する工程（２００）であって、前記第１の確率（Ｐｏｎ）は、前記電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）への前記第１のセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）の接続を予め設定する、前記設定する工程（２００）と、
‐前記電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）の全てのセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）について、第１の状態限界値および第２の状態限界値を定める工程（３００）と、
‐前記第１のセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）の状態値を定める工程（４００）と、前記第１の確率（Ｐｏｎ）には依存せずに、
‐前記状態値が前記第１の状態限界値を下回る限りにおいて、第１の時点には前記電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）へと前記第１のセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）を接続しない工程と、
‐前記第１のセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）を、その状態値（ＳＯＣ、ＳＯＨ）が前記第１の状態限界値を下回り前記第２の状態限界値を上回る限りにおいて、より遅い第２の時点に前記第１の確率（Ｐｏｎ）に応じて前記電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）へと接続する工程（５００）と、
‐前記エネルギー貯蔵器（１）の前記出力電圧の前記第１の目標値に対して変更された第２の目標値を設定する工程と、
‐前記第１のセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）を、その状態値が前記第２の状態限界値を下回る限りにおいて、第２の確率により、第３の時点に前記電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）から切断する工程と、
を含み、
前記時点の間には、前記電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）の出力電圧を定める工程と、第１の確率（Ｐｏｎ）および／または前記第２の確率を変更する工程とが行われる、方法。
【請求項２】
前記第１のセル（３、２１、２２、２３，２ｎ）を、その状態値（ＳＯＣ、ＳＯＨ）が前記第１の状態限界値を上回る限りにおいて、前記第１の時点に前記第１の確率（Ｐｏｎ）に応じて前記電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）へと接続する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）を、その状態値（ＳＯＣ、ＳＯＨ）が前記第１の状態限界値を下回り前記第２の状態限界値を上回る限りにおいて、第２の確率により、より遅い第４の時点に前記電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）から切断する工程をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記状態値（ＳＯＣ、ＳＯＨ）、前記第１の状態限界値および前記第２の状態限界値は、充電状態（ＳＯＣ）および／または劣化状態（ＳＯＨ）に対応付けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）の前記接続は、前記第１のセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）のハーフブリッジを介して行われる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）の切断は、前記第１のセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）のハーフブリッジを介して行われる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記時点のうちの１つの時間的位置は他の時点に対して相対的に予め定められる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記時点のうちの１つの時間的位置は他の時点に対して相対的に、等間隔のクロックパルスにより量子化されて、予め定められる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
‐ハーフブリッジをそれぞれが備えた少なくとも２つのセル（３、２１、２２、２３、２ｎ）と、
‐制御装置（２４）と、
を備えた、電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）であって、
前記電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法を実行するよう構成される、
電気化学的なエネルギー貯蔵器（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的なエネルギー貯蔵器、および、電気化学的なエネルギー貯蔵器のセルを接続する方法に関する。特に、本発明は、エネルギー貯蔵器の出力電圧に関与するセルを選択する際の改良されたロジック部に関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術では、その都度の所望の電源特性を実現するために、電気化学的なエネルギー貯蔵器の個々の電気化学的な貯蔵セル（セル）を直列および／または並列に接続することが知られている。電気化学的なエネルギー貯蔵器の直列回路によって最大端子電圧が上げられ、並列回路によって、最大端子電流が上げられる。電気化学的なエネルギー貯蔵器の個々のセルの不均一な充電状態または劣化状態に対処できるために、従来技術では、確率関数を用いて、電気化学的なエネルギー貯蔵器のエネルギー出力および／またはエネルギー消費にセルを関与させることが提案されている。この関連において、電気化学的なセルと、ハーフブリッジ構成による２つのパワー半導体またはパワートランジスタと、制御ユニットが組み込まれたセル監視回路とを備える、いわゆるインテリジェントなセル（「スマートセル」（Ｓｍａｒｔ  Ｃｅｌｌ）も提案されている。図１は、本質的に安全なバッテリセルとも呼ばれるこのようなスマートセルの回路図を示している。セル３に対して並列に、セル監視回路２と、パワーエレクトロニックスイッチの構成とが設けられている。パワーエレクトロニックスイッチの構成は、一列に接続された半導体スイッチングダイオード４、７と、当該半導体スイッチングダイオード４、７に対して逆方向に設けられた、同様に一列に接続されたダイオード５、６とを有する。その際に、半導体スイッチチングダイオード４とダイオード５とが、ハーフブリッジの上方の部分を形成し、半導体スイッチングダイオード７とダイオード６とが、ハーフブリッジの下方の部分を形成する。半導体スイッチングダイオード４およびダイオード５と、半導体スイッチングダイオード７およびダイオード６との間に設けられた端子８は、セル３、セル監視回路２、および下方のハーフブリッジ６、７の共有の接続点に設けられた端子９と共に、スマートセル１の出力口を形成する。通常の駆動時には、セル３は、ハーフブリッジの上方の部分４、５を利用して作動され、ハーフブリッジの下方の部分６、７は、セル３を停止するために利用される。スマートセル１の安全性が損なわれる許容し得ない状態（例えば、最大のマイナス電圧若しくは最小電圧、または、最小温度）にセルが達し次第、ハーフブリッジの上方の部分４、５が停止され、下方の部分６、７が作動される。図１に示されるスマートセル１に対する（図示されない）代替案では、電圧の極性の反転を可能にするフルブリッジが利用される。端子電圧の所定値ＶＳｅｔ＿ｔｏｔａｌに達するために、従来技術によれば、電気化学的なエネルギー貯蔵器の制御ユニットによって、１つ以上のスマートセル１を互いに直列または並列に接続させることが可能となり、その一方で、上記スマートセル１はそれぞれ、所定の確率Ｐｏｎにより作動される。
【０００３】
図２は、スマートセル１のための作動確率を利用した出力電圧Ｖａｃｔｕａｌ＿ｔｏｔａｌの生成を図示したフロー図を示している。このフロー図１０では、制御ユニット１１内で、電圧の現在の所定値ＶＳｅｔ＿ｔｏｔａｌに補正値１２が乗算される。この結果には、所定値ＶＳｅｔ＿ｔｏｔａｌと実際の端子電圧値Ｖａｃｔｕａｌ＿ｔｏｔａｌとの差分に基づくさらなる別の値が加算されるが、上記差分は、補正係数１４が乗算されて、加算器１３で加算される。その結果、作動確率Ｐｏｎが複数のバッテリセル１６に供給され、作動確率Ｐｏｎにより、負荷１７に与えることが可能な実際の電圧値ＶＳｅｔ＿ｔｏｔａｌがもたらされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図３には、本質的に安全なバッテリセル２１、２２、２３、２ｎの直列回路２０の基本図が示されている。制御装置２４によって、セル２１、２２、２３、２ｎに対して、作動確率Ｐｏｎおよび／または停止確率Ｐｏｆｆに関する設定が行われる。入力変数として、制御装置２４は、負荷１７で降下した端子電圧Ｖａｃｔｕａｌ＿ｔｏｔａｌを獲得する。本発明の課題は、導入部に記載の電気化学的なエネルギー貯蔵器の駆動、特に平衡化（Ｂａｌａｎｃｉｎｇ）（セル状態の均一化）をより効率良くかつ迅速に実行することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
先に挙げた課題は、本発明に基づいて、電気化学的なエネルギー貯蔵器のセルの間で電荷平衡化を行うことで解決され、その際には、エネルギー貯蔵器の所定の総出力電圧を生成するために、バッテリセルが、所与の確率（作動確率または停止確率）を利用して、その作動動作に優先順位を付ける。セルが利用される際の優先順位は、セルの充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）に基づいておよび／または劣化状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｈｅａｌｔｈ）に基づいて決定されうる。対応して、以下の工程を含む電気化学的なエネルギー貯蔵器のセルを接続する方法が提案される。第１の工程では、エネルギー貯蔵器の出力電圧の第１の目標値が設定される。この第１の目標値は、例えば、エネルギー貯蔵器と接続された電気的消費機器（「負荷」）の駆動状態に基づいて設定される総端子電圧でありうる。第２の工程では、電気化学的なエネルギー貯蔵器の第１のセルの接続についての第１の確率が設定され、その際に、この第１の確率は、電気化学的なエネルギー貯蔵器への第１のセルの接続を予め設定する。換言すれば、第１の確率に基づいて、エネルギー貯蔵器の総電力収支における第１のセルの関与が決定されうる。さらなる別の工程では、電気化学的なエネルギー貯蔵器の全てのセルについて、第１の状態限界値および第２の状態限界値が定められる。状態限界値とは、各セルの性能についての基準値として理解される。次の工程では、第１のセルの第１の状態値が定められ、第１の確率には依存せずに、上記状態値が第１の状態限界値を下回る限りにおいて、エネルギー貯蔵器の総電力収支における第１のセルの関与が防止される。換言すれば、少なくとも（第１の時点の後に続く、または、第１の時点まで続く）所定の駆動範囲について、第１のセルは、エネルギー貯蔵器の線に接続されない。このようにして、エネルギー貯蔵器のセルの状態値に従って、電力収支へのセルの関与に優先順位を付けることが可能である。
【０００６】
従属請求項によって、本発明の好適な発展形態が示される。
【０００７】
さらに、本発明に係る方法は、より遅い第２の時点に第１の確率に応じて電気化学的なエネルギー貯蔵器へと第１のセルを接続する工程を含む。その際に、第２の時点とは、例えば、時間的に後続のクロックパルス（Ｔａｋｔ）であって、電気化学的なエネルギー貯蔵器のセルが上位の制御ユニットにより平衡化またはエネルギー出力制御のためにそれにより駆動される上記クロックパルスである。第１のセルの接続は、第１のセルの状態値が第１状態限界値を下回っており第２の状態限界値を上回っている前提で行われる。換言すれば、第１のセルの状態値が既に第１の状態限界値を上回っていない限りにおいて、遅くとも第２の時点に、上記状態値が第１の状態限界値を越えているかどうかが検査される。これに該当しない場合にも、第１のセルは停止されたままである。しかしながら、第１のセルの状態値が上記の状態限界値の間隔内に存在する限りにおいて、第１のセルの接続が行われる。このようにして、第１のセルが接続または利用される際の、状態値に依存した優先順位付けが達成されうる。
【０００８】
第１のセルの状態値が非常に良好であり、第１の状態限界値を上回っている限りにおいて、第１のセルは、第１の確率に応じて、既に第１の時点に電気化学的なエネルギー貯蔵器に接続されうる。その際に、第１の状態限界値は、第２の状態限界値より良好な性能に対応付けられている。例えば、一実施例において、第１の状態限界値は、最高の性能カテゴリに対応付けられていてもよい。このようにして、非常に性能の高いセルには、電気化学的なエネルギー貯蔵器での利用のために高い優先順位が付けられる。
【０００９】
（例えば、電気化学的なエネルギー貯蔵器と接続された消費機器の駆動状態の変化によって）、出力電圧の第１の目標値が変更される限りにおいて、エネルギー貯蔵器の出力電圧の第２の目標値が設定されうる。第３の時点において、第１のセルは、当該第１のセルの状態値が第２の状態限界値を下回る限りにおいて、第２の確率により電気化学的なエネルギー貯蔵器から切断されうる。その際に、需要に応じて出力電圧を制御するために、第２の確率が、第２の目標値の設定に応じて定められて、本発明に係る方法の基礎に置かれる。第２の確率の設定によって、適用される状態限界値が新たに定められうる。セルまたは電気化学的なエネルギー貯蔵器の総寿命の負荷に繋がるとしても、例えば、各セルを作動させる総確率を上げることに加えて、平衡化または電力交換に関与するセルの数を増やすことも必要となりうる。
【００１０】
対応して、第１のセルは、より遅い第４の時点に、その状態値が第１の状態限界値を下回り第２の状態限界値を上回る限りにおいて、第２の確率により、電気化学的なエネルギー貯蔵器から切断されうる。このことは、例えば、関与するセルの必要数が減り、従って状態値が良好なセルも電力交換から外せる場合について当てはまる。先の記載の範囲において、序数による第１、第２、第３、第４の時点は、昇順で発生順に並べられる。同じことが状態限界値についても当てはまり、その際に、第１の状態限界値は最高の状態に対応付けられており、より大きな序数の状態限界値は、対応してより劣悪な状態に対応付けられている。
【００１１】
状態値および状態限界値は、英語で「Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ（ＳＯＣ）」とも呼ばれる充電状態、および／または、英語で「Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｈｅａｌｔｈ（ＳＯＨ）」とも呼ばれる劣化状態に対応付けられうる。換言すれば、上記の品質基準は、本発明に基づき利用される状態値に影響を与えうる。その際に、上記の品質指標は、本発明に係る方法で利用される際に、個々のセルの寿命、およびこれにより、電気化学的なエネルギー貯蔵器の総寿命を延ばすために適している。これに加えて性能が、可能な限り長い駆動期間にわたって維持されうる。電荷交換のためのセルの接続または電荷交換からのセルの切断は、例えば、スマートセル（インテリジェントセル）として構成されたセルの内部に含まれるハーフブリッジを介して行われうる。
【００１２】
電気化学的なエネルギー貯蔵器の制御ユニットのクロックのパルスに例えば対応する上記時点の間に、電気化学的なエネルギー貯蔵器の出力電圧が定められ、特に所定の目標出力電圧と実際の出力電圧とが異なっている場合には、第１の確率および／または第２の確率が変更されうる。このようにして、総電力出力または総電力消費が、変更された一般条件に対して調整されうる。
【００１３】
本発明の第２の観点によれば、ハーフブリッジをそれぞれが備えた少なくとも２つのセル（「スマートセル」）と、例えばマイクロコントローラ、ナノコントローラ等として構成され電気化学的なエネルギー貯蔵器の全てのセルに対応付けることが可能な制御装置とを備える電気化学的なエネルギー貯蔵器が提案される。換言すれば、制御ユニットは、例えば、現在の状態値（実際値）および／または駆動状態に基づく各希望値（目標値）に従ってクロックパルス（時点）および／または各確率を提供することが可能である。このようにして、電気化学的なエネルギー貯蔵器は、先に詳細に記載した方法を実行するよう構成される。上記の特徴、特徴の組み合わせ、およびこれらから得られる効果は、本発明に係る方法に関連して記載された効果に対応しており、重複説明を避けるため先の記載が参照されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
以下では、本発明の実施例が、添付の図面を利用して詳細に記載される。
【図１】スマートセルの概略的な回路図を示す。
【図２】エネルギー貯蔵器の出力電圧を定めるための概略的なフロー図を示す。
【図３】本質的に安全なバッテリセルの基本図を示す。
【図４】個々のセルの、充電状態に依存した階層的な接続を図示するための電圧‐時間図を示す。
【図５】本発明に係る方法の一実施例の工程を示すフロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図４は、本発明に基づき駆動される電気化学的なエネルギー貯蔵器の出力電圧のタイムチャートを示す。グラフの起点において、確率Ｐｏｎにより作動させるためのクロックパルスが与えられ、これに対応して、最良のＳＯＣ１を有する全てのモジュールが作動される。これは、１つのセルであってもよい。特定の条件下では、電気化学的なエネルギー貯蔵器に含まれるいずれのセルもこの条件を満たさない。時間ｔ１が経過した後で、確率Ｐｏｎにより、ＳＯＣ２を有する全ての電気化学的なセルも作動される。これも、（電気化学的なエネルギー貯蔵器の構成に従って）全てのセルであってもよく、個別セルであってもよく、１つのセルであってもよく、または、いずれのセルでもなくてもよい。時間ｔ１と同じ長さでありうる第２の時間ｔ２が経過した後で、条件ＳＯＣ３を満たすセルが、作動確率Ｐｏｎに応じて作動される。時間ｔ３がさらに経過した後で、最低充電状態としての条件ＳＯＣ４を満たす全てのセルも、確率Ｐｏｎにより作動される。ここで、作動確率Ｐｏｎの利用により所定の総電圧Ｖｓｅｔ−ｔｏｔａｌに達しそれどころか当該電圧を越えるほどの数多くの電気化学的なセルが、線に接続されている。対応して、さらなる時間ｔ４の経過後に、停止確率Ｐｏｆｆが定められ、この停止確率Ｐｏｆｆによって、利用された個々セルが停止され、所定の全出力電圧Ｖｓｅｔ−ｔｏｔａｌが継続的に守られる。提示された方法によって、必要なシグナリングコストの削減が、以下のように可能となる。各状態（ＳＯＣ、ＳＯＨ等）に依存せずに、集合体における各セルが、上位の制御ユニットから作動確率Ｐｏｎを受信する。予め定められ個々のセルまたはそのコントローラには分かる自身の各充電状態または劣化状態に従って、セルは、作動確率Ｐｏｎの利用により作動され、または、（自身がＳＯＣ階層において遥か下に位置する限り）停止された状態のままである。その際、制御については様々なやり方が考えられるが、以下では、そのうちの２つについて説明することにする。すなわち、一の例では、電気化学的なエネルギー貯蔵器の各セルは、所定の総出力電圧Ｖｓｅｔ−ｔｏｔａｌに既に達したかどうかが定められる。所定の総出力電圧Ｖｓｅｔ−ｔｏｔａｌに既に達しており、かつ、着目するセルの時間に未だ達しておらずまたは着目するセルのＳＯＣクラスに未だ達していない場合には、セルは停止された状態のままである。セルの時間が来ておりまたはそのＳＯＣ状態に達した場合には、セルは、作動確率Ｐｏｎに従って、エネルギー交換に関与する。代替的に、制御命令が、電気化学的なエネルギー貯蔵器の制御ユニットによって個々のセルへと送信され、この制御命令によって、現在利用される状態限界値（ＳＯＣ）がセルに連絡される。着目するセルに対応付けられた状態値が、指定された状態限界値に対応する場合に初めて、着目するセルは、その後に続くクロックパルスで、確率Ｐｏｎによりエネルギー交換に関与する。対応して、所定の出力電圧に成功裏に達しまたはそれどころか当該出力電圧を超過したことも、個々のセルによって確認され、または上位の制御ユニットを介して連絡される。すなわち、現在の駆動状態に従って、その固有のＳＯＣに関して所定の条件を満たすセルのみが関与する。続いて、電圧Ｖｓｅｔ−ｔｏｔａｌの正確な設定が、例えば、経時的に必ずしも一定である必要がない作動確率Ｐｏｎおよび停止確率Ｐｏｆｆの伝達により行われる。例えば、図４に示される数のＳＯＣまたはＳＯＣクラス、および、等間隔の時間区分ｔｉが設けられるが、これらには限定されずに設計される。一実施例において、停止確率Ｐｏｆｆが、逆の順序で、セルの各状態値に従って適用されうる。換言すれば、個々のセルの停止が必要な際には、最も弱いセル（ＳＯＣ４）が、最初に停止確率Ｐｏｆｆにより停止され、この後に続くクロックパルスで（出力電圧の生成への対応する必要性が前提となる）、ＳＯＣ−Ｉｎｄｅｘ（指標）３を有し先に停止されたセルよりも性能が高い第２のセルが、停止確率Ｐｏｆｆにより停止される。換言すれば、本発明に基づいて、個々のセル／エネルギー貯蔵器の効率を上げるため、および個々のセル／エネルギー貯蔵器の寿命を延ばすために、セルに対してその固有の状態に応じて優先順位が付けられ、すなわち、早期に、遅い時点に、各確率により必要なエネルギー出力に関与するのか、または、エネルギー出力に全く関与しないのかについて、セルに優先順位が付けられる。セルの性能を利用した本発明に係る優先順位付けによって、弱いセルへの過剰な要求が防止される。さらに、切り替え過程が低減され、これにより電力損失が低減される。このようにして、バッテリセルへの望まれぬ加熱も回避されうる。
【００１６】
図５は、本発明に係る方法の一実施例の工程を示すフロー図を示している。工程１００では、エネルギー貯蔵器の出力電圧の第１の目標値が設定される。このことは、例えば、エネルギー貯蔵器に接続された消費機器の所望の電力消費に従って行われうる。続いて、工程２００では、第１のセルの接続についての第１の確率が設定され、その際に、第１の確率は、電気化学的なエネルギー貯蔵器への第１のセルの接続を予め設定する。さらに、第１の確率は、電気化学的なエネルギー貯蔵器の複数のセルまたは全てのセルに対応付けられうる。工程３００では、第１の状態限界値および第２の状態限界値が、電気化学的なエネルギー貯蔵器の全てのセルについて定められる。このことは早い時点で行われ、例えば、工場側で予め設定されうる。代替的または追加的に、起動時に、電気化学的なエネルギー貯蔵器の制御装置が、集合体におけるセルに、対応するクラスを連絡する。工程４００では、第１のセルの第１の状態値が定められる。この第１の状態値は、第１のセルの性能についての情報を与える。第１の確率に依存せずに、第１のセルは、自身の状態値が第１の状態限界値を下回る限りにおいては、第１の時点には（未だ）電気化学的なエネルギー貯蔵器に接続されない。第２の時点に、工程５００において、第１のセルは、その状態値が第１の状態限界値を下回り第２の状態限界値を上回る限りにおいて、電気化学的なエネルギー貯蔵器へと接続される。工程５００における接続により必要な出力電圧を超えたため、第１のセルは、自身の状態値が第２の状態限界値を上回る限りにおいて、工程６００において、第２の確率により、第３の時点に、電気化学的なエネルギー貯蔵器から切断される。換言すれば、第１のセルは、第３の時点には引き続き、出力電圧の制御のためまたは平衡化のために利用される。しかしながら、このことは、第１の確率（作動確率）および第２の確率（停止確率）を利用して行われる。このようにして、電気化学的なエネルギー貯蔵器の全てのセルが、平衡化の過程においてまたは電力出力の過程において切り替え損失を生成してシグナリングコストを発生させることが防止される。
【００１７】
本発明に係る観点および有利な実施形態を、添付の図面との関連で解説された実施例を用いて詳細に記載してきたが、当業者にとっては、添付の特許請求の範囲によりその保護範囲が定義される本発明の範囲を逸脱することなく、提示された実施例の特徴の変更、および当該特徴の組み合わせが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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