(57)【要約】【課題】簡易な構成で十分かつ効率的にセルバランスを行うことができるセルバランス装置を提供する。【解決手段】セルバランス装置１は、組電池Ｂを構成する複数のセルＢｃの電圧をセルＢｃ毎に測定する電圧測定部１１、複数のセルＢｃの電圧をセルＢｃ毎に調整する電圧調整部１２、電圧測定部１１から複数のセルＢｃの電圧値を取得し、セルＢｃ毎の電圧値の変化量に基づいて、組電池Ｂの充放電が休止している状態であるか否かを判別する休止判別部１４ａ、休止している状態であると判別された場合に、複数のセルＢｃの電圧値から求められる基準値が、予め区分けされた複数の電圧の範囲の何れに属するかを識別する範囲識別部１４ｂ、識別された基準値が属する範囲に予め設定された目標差に基づいて電圧調整部１２を制御する電圧制御部１４ｃを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組電池を構成する複数のセルの電圧を当該セル毎に測定する電圧測定手段と、
前記複数のセルの電圧を当該セル毎に調整する電圧調整手段と、
前記電圧測定手段から前記複数のセルの電圧値を取得し、前記セル毎の電圧値の変化量に基づいて、前記組電池の充放電が休止している状態であるか否かを判別する休止判別手段と、
前記休止判別手段によって前記休止している状態であると判別された場合に、前記電圧測定手段から取得した前記複数のセルの電圧値から求められる基準値が、予め区分けされた複数の電圧の範囲の何れに属するかを識別する範囲識別手段と、
前記範囲識別手段によって識別された前記基準値が属する範囲に予め設定された目標差に基づいて前記電圧調整手段を制御する電圧制御手段と、を備える、
セルバランス装置。
【請求項２】
前記複数の電圧の範囲と、当該電圧の範囲毎に定められた前記目標差との対応関係を表すセルバランスデータを記憶する記憶手段を備え、
前記範囲識別手段は、前記基準値が、前記セルバランスデータにより表される前記複数の電圧の範囲の何れに属するかを識別し、
前記電圧制御手段は、前記範囲識別手段によって識別された前記電圧の範囲に対応する目標差を前記セルバランスデータから抽出し、抽出した前記目標差に基づいて前記電圧調整手段を制御する、
請求項１に記載のセルバランス装置。
【請求項３】
前記電圧制御手段は、前記電圧測定手段から取得した前記複数のセルの電圧値の最小値との差が前記目標差以下となるよう前記電圧調整手段を制御する、
請求項１または２に記載のセルバランス装置。
【請求項４】
前記電圧制御手段は、前記最小値との差が前記目標差以下ではない電圧値を前記複数のセルの電圧値から選択し、選択した全ての電圧値と前記最小値との差が前記目標差以下となるよう前記電圧調整手段を制御する、
請求項３に記載のセルバランス装置。
【請求項５】
前記基準値は、前記電圧測定手段から取得した前記複数のセルの電圧値の最小値であり、
前記範囲識別手段は、前記最小値が前記複数の電圧の範囲の何れに属するかを識別し、
前記電圧制御手段は、前記最小値との差が、前記最小値が属する範囲に予め設定された目標差以下となるよう前記電圧調整手段を制御する、
請求項１から４の何れか１項に記載のセルバランス装置。
【請求項６】
前記記憶手段に記憶された前記セルバランスデータにより表される前記複数の電圧の範囲は、高電圧側の範囲および低電圧側の範囲を少なくとも有し、前記高電圧側の範囲に対応する目標差が、前記低電圧側の範囲に対応する目標差よりも小さい値に設定されている、
請求項２に記載のセルバランス装置。
【請求項７】
前記休止判別手段は、前記複数のセルの電圧値の変化量が予め設定された閾値以下であるか否かによって、前記組電池の充放電が休止している状態であるか否かを判別する、
請求項１から６の何れか１項に記載のセルバランス装置。
【請求項８】
制御部が、組電池を構成する複数のセルの電圧値を電圧測定部から取得し、
前記制御部が、前記セル毎の電圧値の変化量に基づいて、前記組電池の充放電が休止している状態であるか否かを判別し、
前記制御部が、前記休止している状態であると判別した場合に、前記電圧測定部から取得した前記複数のセルの電圧値から求められる基準値が、予め区分けされた複数の電圧の範囲の何れに属するかを識別し、
識別した前記基準値が属する範囲に予め設定された目標差に基づいて電圧調整部を制御する、
セルバランス方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルバランス装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド電気自動車等の移動体の駆動電源として用いられる組電池の充放電は、組電池を構成するセルの電圧が上限値または下限値等の目標値に達した時点で終了される。そのため、各セルの個体差等によって、セル間で電圧のバラツキが生じていると、電圧の大きいセルが上限値に達した時点で充電が終了され、電圧の小さいセルが下限値に達した時点で放電が終了されてしまう。このように、セル間で電圧のバラツキが生じていると、組電池の使用可能な容量の低下を招いてしまう。
【０００３】
そのため、セル間で電圧のバラツキがある場合には、当該電圧のバラツキを補正する、いわゆるセルバランスが一般的に行われる。例えば、特許文献１には、組電池の充電を行いながら、各セルの最大値と最小値との差が予め設定された閾値以下になるように、対象となるセルを放電することにより、セルバランスを行う装置が開示されている。
【０００４】
しかし、組電池の充電や放電が行われている間は、各セルの電圧が不安定であるため、セル間の電圧を正確に補正することが難しく、装置構成および制御処理が複雑化するという問題がある。また、組電池の充放電が回生や力行等によって短時間に繰り返されて行われる場合、セルの放電を行う時間を確保できず、十分にセルバランスを行うことができないことも考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１５０８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で十分かつ効率的にセルバランスを行うことができる、セルバランス装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るセルバランス装置は、
組電池を構成する複数のセルの電圧を当該セル毎に測定する電圧測定手段と、
前記複数のセルの電圧を当該セル毎に調整する電圧調整手段と、
前記電圧測定手段から前記複数のセルの電圧値を取得し、前記セル毎の電圧値の変化量に基づいて、前記組電池の充放電が休止している状態であるか否かを判別する休止判別手段と、
前記休止判別手段によって前記休止している状態であると判別された場合に、前記電圧測定手段から取得した前記複数のセルの電圧値から求められる基準値が、予め区分けされた複数の電圧の範囲の何れに属するかを識別する範囲識別手段と、
前記範囲識別手段によって識別された前記基準値が属する範囲に予め設定された目標差に基づいて前記電圧調整手段を制御する電圧制御手段と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係るセルバランス装置の構成を示したブロック図である。
【図２】セルバランスデータの構成を示した模式図である。
【図３】セルの電圧の範囲を３つに区分けした例を示した模式図である。
【図４】スイッチ制御データの構成を示した模式図である。
【図５】セルバランス装置が行う制御処理を示したフローチャートである。
【図６】（ａ）は高電圧側の範囲に基準値が属する場合に行われるセルバランスの例を示した模式図である。（ｂ）は中間範囲に基準値が属する場合に行われるセルバランスの例を示した模式図である。（ｃ）は低電圧側の範囲に基準値が属する場合に行われるセルバランスの例を示した模式図である。
【図７】セルの電圧の範囲を２つに区分けした例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るセルバランス装置および方法を説明する。
【００１０】
図１に示すように、セルバランス装置１は、組電池Ｂに接続される。組電池Ｂは、本実施形態では４つのセルＢｃ１〜Ｂｃ４（以下、これらを区別しない場合はセルＢｃと称する）を備え、各セルＢｃは直列に接続されている。セルＢｃは、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池から構成される。
セルバランス装置１は、組電池Ｂの充放電が休止している状態（電流が流入または流出しない場合）において、各セルＢｃの電圧のバラツキを補正するためのセルバランスを行う。
【００１１】
セルバランス装置１は、電圧測定部１１と、電圧調整部１２と、記憶部１３と、制御部１４とを備える。
【００１２】
電圧測定部１１は、複数のセルＢｃ１〜Ｂｃ４の電圧をセルＢｃ毎に測定する。電圧測定部１１は、複数の電圧センサ１１ａ〜１１ｄを備える。電圧センサ１１ａ〜１１ｄは、それぞれセルＢｃの電圧を測定する。具体的には、電圧センサ１１ａは、セルＢｃ１の正極端子および負極端子に接続され、セルＢｃ１の電圧を測定する。電圧センサ１１ｂ〜１１ｄは、電圧センサ１１ａと同様、それぞれに対応するセルＢｃ２〜Ｂｃ４の正極端子および負極端子に接続され、セルＢｃ２〜Ｂｃ４の電圧を測定する。
【００１３】
また、電圧センサ１１ａ〜１１ｄは、測定した電圧値を表す信号を制御部１４に供給する。具体的には、電圧センサ１１ａは、データ線を介して制御部１４と接続され、セルＢｃ１の電圧値（Ｖ１）を表す信号を制御部１４に供給する。電圧センサ１１ｂ〜１１ｄは、電圧センサ１１ａと同様、それぞれに対応するデータ線を介して制御部１４と接続され、セルＢｃ２〜Ｂｃ４の電圧値（Ｖ２〜Ｖ４）を表す信号を制御部１４に供給する。
【００１４】
電圧調整部１２は、複数のセルＢｃの電圧をセルＢｃ毎に調整する。電圧調整部１２は、複数の放電回路１２ａ〜１２ｄを備える。各放電回路１２ａ〜１２ｄは、抵抗とスイッチとを備える。スイッチは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチから構成され、制御線を介して制御部１４と接続される。また、スイッチは、制御部１４から供給される制御信号によってオンとオフの状態が切り替えられる。
【００１５】
具体的には、放電回路１２ａは、セルＢｃ１の正極端子および負極端子に接続され、制御部１４から受け取った制御信号Ｃ１によって、スイッチがオフからオンの状態に切り替えられる。スイッチがオンの状態に切り替えられると、セルＢｃ１から抵抗に電流が流れ（放電され）、セルＢｃ１の電圧が減少する。放電回路１２ｂ〜１２ｄは、放電回路１２ａと同様、それぞれに対応するセルＢｃ２〜Ｂｃ４の正極端子および負極端子に接続され、制御部１４から受け取った制御信号Ｃ２〜Ｃ４に従ってセルＢｃ２〜Ｂｃ４を放電する。
【００１６】
記憶部１３は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ等の記憶装置から構成される。記憶部１３は、制御部１４が後述する制御処理を行うために使用する制御プログラムおよび各種制御データを記憶する。
【００１７】
各種制御データには、組電池Ｂの充放電が休止している状態であるか否かを判別するための閾値（以下、判別閾値と称する）を有する。
【００１８】
また、各種制御データには、例えば、図２に示すように、電圧範囲と目標差との対応関係を表すセルバランスデータが含まれる。
【００１９】
電圧範囲は、セルＢｃが取り得る電圧の範囲を複数に区分けしたものであり、高電圧側、中間および低電圧側の３つの範囲から構成される。例えば、図３に示すように、高電圧側の範囲と中間範囲との境界値として第１の閾値が設定され、中間範囲と低電圧側の範囲との境界値として第２の閾値が設定されている。高電圧側の範囲は上限値と第１の閾値とによって規定され、中間範囲は第１の閾値と第２の閾値とによって規定され、低電圧側の範囲は第２の閾値と下限値とによって規定されている。
【００２０】
目標差は、電圧調整部１２を制御するための値であり、電圧範囲毎に設定される。具体的には、高電圧側の範囲では第１の目標差（ＶＨ）、中間範囲では第２の目標差（ＶＭ）、低電圧側の範囲では第３の目標差（ＶＬ）が設定されている。また、目標差は、例えば、低電圧側の範囲から高電圧側の範囲に向かうにつれ、小さくなるように設定されている（ＶＨ＜ＶＭ＜ＶＬ）。
【００２１】
さらに、各種制御データには、各セルＢｃの電圧値（Ｖ１〜Ｖ４）と、各セルＢｃを放電させる各放電回路１２ａ〜１２ｄのスイッチとの対応関係を表すデータ（以下、スイッチ制御データと称する）が含まれる。
【００２２】
制御部１４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵのメインメモリとして機能するＲＡＭ（Random Access Memory）等を備える。制御部１４は、データ線や制御線を介して、電圧測定部１１、電圧調整部１２、および記憶部１３と接続され、当該各構成を制御する。
【００２３】
また、制御部１４は、記憶部１３に記憶された制御プログラムを読み出して実行する。制御プログラムの実行によって、制御部１４は、休止判別部１４ａ、範囲識別部１４ｂおよび電圧制御部１４ｃとして機能する。
【００２４】
休止判別部１４ａは、組電池Ｂの充放電が休止している状態であるか否かを判別する処理を行う。
【００２５】
範囲識別部１４ｂは、組電池Ｂを構成する複数のセルＢｃの電圧値から基準値を求める。基準値は、例えば、複数のセルＢｃの電圧値の最小値であり、当該最小値を基準値として求めることが予め設定されている。また、範囲識別部１４ｂは、求めた基準値が、記憶部１３に記憶されたセルバランスデータにより表される高電圧側、中間、低電圧側の何れの範囲に属するかを識別する。
【００２６】
電圧制御部１４ｃは、基準値が属する範囲に対応する目標差をセルバランスデータから抽出し、抽出した目標差に基づいて電圧調整部１２を制御する。
【００２７】
以上のように構成されたセルバランス装置１について、以下、図５を参照して制御処理を説明する。
【００２８】
制御部１４は、セルバランス装置１の電源が投入されると、記憶部１３に記憶された制御プログラムを読み出して実行する。これにより、制御部１４は、休止判別部１４ａ、範囲識別部１４ｂ、および電圧制御部１４ｃとして機能し、各部１４ａ〜１４ｃは、以下の制御処理を実行する。
【００２９】
休止判別部１４ａは、予め設定されたタイミング毎に、電圧センサ１１ａ〜１１ｄに各セルＢｃの電圧を測定させ、電圧センサ１１ａ〜１１ｄから、セルＢｃの電圧値（Ｖ１〜Ｖ４）を取得する（ステップＳ１０１）。
【００３０】
また、休止判別部１４ａは、電圧センサ１１ａ〜１１ｄから各電圧値Ｖ１〜Ｖ４を繰り返し取得し、各電圧値Ｖ１〜Ｖ４の変化量を求める。ここで、組電池Ｂの充放電が実行されているときは、セルＢｃの電圧は変化し続けるため、セルＢｃの電圧値の変化量は、組電池Ｂの充放電が実行されているときの方が組電池Ｂの充放電が休止しているときよりも大きい。
【００３１】
休止判別部１４ａは、求めた変化量と記憶部１３に記憶された判別閾値とに基づいて、組電池Ｂの充放電が休止している状態であるか否かを判別する（ステップＳ１０２）。
【００３２】
具体的には、休止判別部１４ａは、組電池Ｂの少なくとも１以上のセルＢｃの電圧値の変化量が判別閾値を超えている場合は、充放電が実行、つまり組電池Ｂの充放電が休止している状態ではないと判別する（ステップＳ１０２；ＮＯ）。この場合、休止判別部１４ａは、セルバランスは行われずにステップＳ１０１に戻る。
【００３３】
一方、ステップＳ１０２において、組電池Ｂの全てのセルＢｃの電圧値の変化量が当該閾値以下である場合は、休止判別部１４ａは、組電池Ｂの充放電が休止している状態であると判別する（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）。
【００３４】
この場合、範囲識別部１４ｂは、電圧センサ１１ａ〜１１ｄから取得した複数の電圧値Ｖ１〜Ｖ４から、予め基準値として設定された最小値を抽出する。範囲識別部１４ｂは、記憶部１３に記憶されたセルバランスデータを参照し、求めた最小値が高電圧側、中間、低電圧側の何れの範囲に属するかを識別する。
【００３５】
最小値（基準値）が高電圧側の範囲に属すると範囲識別部１４ｂによって識別された場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、電圧制御部１４ｃは、高電圧側の範囲に対応する第１の目標差（ＶＨ）をセルバランスデータから抽出する。
【００３６】
電圧制御部１４ｃは、最小値との差が第１の目標差（ＶＨ）以下ではない電圧値を複数の電圧値（Ｖ１〜Ｖ４）から全て選択する（ステップＳ１０４）。例えば、図６（ａ）に示すように、最小値との差が第１の目標差（ＶＨ）以下ではない電圧値（Ｖ１，Ｖ４）があった場合、当該電圧値が選択される。
【００３７】
電圧制御部１４ｃは、選択した電圧値Ｖ１，Ｖ４と最小値との差が、抽出した第１の目標差（ＶＨ）以下になるように電圧調整部１２を制御する（ステップＳ１０５）。具体的には、電圧制御部１４ｃは、図４に示したスイッチ制御データを参照し、電圧値Ｖ１，Ｖ４に対応付けられた放電回路１２ａ，１２ｄの各スイッチに制御信号Ｃ１，Ｃ４を供給し、当該各スイッチをオンの状態に切り替える。これにより、放電回路１２ａ，１２ｄの抵抗に電流が流れ、セルＢｃ１，Ｂｃ４の電圧が減少する（放電される）。
【００３８】
また、電圧制御部１４ｃは、電圧値Ｖ１，Ｖ４と最小値との差が何れも第１の目標差（ＶＨ）以下になるまで放電回路１２ａ，１２ｄの各スイッチをオンの状態に維持する。また、電圧制御部１４ｃは、最小値との差が全て第１の目標差（ＶＨ）以下になった場合に当該スイッチに制御信号Ｃ１，Ｃ４を供給し、当該各スイッチをオフの状態に切り替える。これにより、セルＢｃ１，Ｂｃ４の放電が停止される。
このように、高電圧側の範囲に基準値（最小値）が属する場合、電圧制御部１４ｃは、当該範囲で定められた第１の目標差（ＶＨ）に基づいて電圧調整部１２を制御し、最小値との差が全て第１の目標差（ＶＨ）以下になった後は、ステップＳ１０１に戻る。
【００３９】
一方、最小値（基準値）が中間範囲に属すると範囲識別部１４ｂによって識別された場合（ステップＳ１０３；ＮＯ，ステップＳ１０６；ＹＥＳ）、電圧制御部１４ｃは、中間範囲に対応する目標差（ＶＭ）をセルバランスデータから抽出する。
【００４０】
電圧制御部１４ｃは、最小値との差が第２の目標差（ＶＭ）以下ではない電圧値を複数の電圧値（Ｖ１〜Ｖ４）から全て選択する（ステップＳ１０７）。例えば、図６（ｂ）に示すように、最小値との差が第２の目標差（ＶＭ）以下ではない電圧値（Ｖ１）があった場合、当該電圧値が選択される。
【００４１】
そして、電圧制御部１４ｃは、選択した電圧値Ｖ１と最小値との差が、抽出した第２の目標差（ＶＭ）以下になるように電圧調整部１２を制御する（ステップＳ１０８）。また、電圧制御部１４ｃは、最小値との差が全て第２の目標差（ＶＭ）以下になった後は、ステップＳ１０１に戻る。
【００４２】
一方、最小値（基準値）が低電圧側の範囲に属すると範囲識別部１４ｂによって識別された場合（ステップＳ１０６；ＮＯ）、電圧制御部１４ｃは、低電圧側の範囲に対応する目標差（ＶＬ）をセルバランスデータから抽出する。
【００４３】
電圧制御部１４ｃは、最小値との差が第３の目標差（ＶＬ）以下ではない電圧値を複数の電圧値（Ｖ１〜Ｖ４）から全て選択する（ステップＳ１０９）。例えば、図６（ｃ）に示すように、最小値との差が第３の目標差（ＶＬ）以下ではない電圧値（Ｖ３）があった場合、当該電圧値が選択される。
【００４４】
そして、電圧制御部１４ｃは、選択した電圧値Ｖ３と最小値との差が、抽出した第３の目標差（ＶＬ）以下になるように電圧調整部１２を制御する（ステップＳ１１０）。また、電圧制御部１４ｃは、最小値との差が全て第３の目標差（ＶＬ）以下になった後は、ステップＳ１０１に戻る。
【００４５】
以上のステップＳ１０１からＳ１１０により一連の制御処理が行われ、当該制御処理は、セルバランス装置１の電源が停止されるまでの間、繰り返し行われる。
【００４６】
以上、説明したように、本実施形態に係るセルバランス装置１によれば、組電池Ｂの充放電が休止している状態である場合に、組電池Ｂを構成する複数のセルＢｃの電圧値の基準値（最小値）が、高電圧側、中間、低電圧側の何れの電圧の範囲に属するかを識別し、基準値が属する範囲に設定された目標差に基づいて電圧調整（セルバランス）を行う。これにより、簡易な構成で十分かつ効率的にセルバランスを行うことができる。
【００４７】
なお、上記実施形態では、複数のセルＢｃの電圧値の最小値が基準値として予め設定された場合の例を説明したが、当該基準値は、複数のセルの電圧値から求められるものであればよく、例えば、複数のセルＢｃの電圧値の最大値や平均値や標準偏差値等を基準値として設定してもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、セルＢｃの電圧を３つの範囲（高電圧側、中間、低電圧側）に区分けした場合の例を説明したが、電圧の範囲を区分けする数は、適宜設定できるものであり、セルＢｃの電圧を２つの範囲に区分けされてもよいし、４つ以上の範囲に区分けされてもよい。
【００４９】
また、上記実施形態では、セルＢｃの電圧を区分けした全ての範囲に目標差が設定されたセルバランスデータの例を説明したが、セルバランスデータは、一部の範囲に目標差が設定されないように構成されてもよい。また、セルバランスデータは、例えば図７に示すように、区分けされた電圧の範囲毎に、セルバランス実行の有無とともに目標差が設定されてもよい。図７に示したセルバランスデータが用いられた場合、基準値が中間範囲に属するときには、セルバランスは実行されない。
【００５０】
その他、基準値の種類（最小値、最大値、平均値、標準偏差値等）、電圧範囲を規定する各値、電圧範囲の数、目標差の値、セルバランス実行の有無等の各設定は、ユーザの操作に基づいて選択可能に設けられてもよい。
【００５１】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５２】
１…セルバランス装置
１１…電圧測定部
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…電圧センサ
１２…電圧調整部
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…放電回路
１３…記憶部
１４…制御部
１４ａ…休止判別部
１４ｂ…範囲識別部
１４ｃ…電圧制御部
【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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【図６】
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【図７】
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