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JP2010220445A - 車両用電源制御装置 - Google Patents

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JP2010220445A JP2009066783A JP2009066783A JP2010220445A JP 2010220445 A JP2010220445 A JP 2010220445A JP 2009066783 A JP2009066783 A JP 2009066783A JP 2009066783 A JP2009066783 A JP 2009066783A JP 2010220445 A JP2010220445 A JP 2010220445A
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Takahiro Matsuura
貴宏 松浦
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AutoNetworks Technologies Ltd
Sumitomo Electric Industries Ltd
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AutoNetworks Technologies Ltd
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Abstract

【課題】簡単な回路で、バッテリとキャパシタとを並列に接続し、複数のスイッチングのみで自動的に電力回生が可能な車両用電源制御装置の提供。
【解決手段】キャパシタ12から電力が供給されるべき負荷8及びバッテリ3間を接続/切断する第1スイッチSW1と、第1スイッチSW1の負荷8側の端子及びキャパシタ12のプラス側端子間に接続された充電用回路R1,13と、充電用回路R1,13に並列接続された第2スイッチSW2を含む放電用回路R2,SW2と、第1スイッチSW1及び負荷8間に接続された逆流防止素子11と、充電用回路R1,13の両端電圧を検出する電圧検出手段14と、電圧検出手段14が検出した電圧に応じて、キャパシタ12のプラス側端子及び負荷8のプラス側端子間を接続/切断する第4スイッチ9とを備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、エンジンに連動して発電機が発電した電力によるバッテリ及びキャパシタへの充電、発電機が発電した電力並びにバッテリ及びキャパシタからの電力の負荷群への供給、並びに発電機の発電電圧の昇降を制御する車両用電源制御装置に関するものである。
車両用電源では、エンジンに連動するオルタネータ(発電機、交流発電機)が発電した電力を、車両に搭載された各負荷に供給すると共に、バッテリに充電し、オルタネータが発電した電力では不足するとき、又はエンジンが停止しているときには、バッテリから各負荷に電力を供給するように構成されている。
近時、数十ファラッド以上の非常に大きな静電容量を有し、充放電サイクル特性(寿命)及び急速充放電に優れた電気二重層キャパシタが普及し、車両用電源においても、バッテリのバックアップ用などに提案されている。
特許文献1には、バッテリと電気二重層キャパシタとをDCDCコンバータを介して並列に接続し、それぞれの電圧が変化した場合の電流値を制御しながら、車両の減速時の回生電力を電気二重層キャパシタに充電する車両用の電源システムが開示されている。
特許文献2には、バッテリとバッテリの電力を蓄えるキャパシタとを備え、バッテリの電圧が閾値以下のときに、キャパシタから負荷への電力供給を許可し、車両非使用状態時、及び車両非使用状態時から最初に車両起動状態になるときに、キャパシタから負荷への電力供給を禁止する車両用電源装置が開示されている。
特開2007−135284号公報 特開2008−114678号公報
従来提案されて来た電気二重層キャパシタを使用した車両用電源では、電気二重層キャパシタの電圧が高い場合でも、電気二重層キャパシタへの充電を可能にし、バッテリへの充電電流を抑制する為に、DCDCコンバータを備えている。その為、車両に搭載する際に場所を取り、また部品コストが上昇するという問題がある。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、DCDCコンバータを使用しない簡単な回路で、バッテリとキャパシタとを並列に接続し、発電機の発電電圧に基づき、複数のスイッチングのみで自動的に電力回生が可能な車両用電源制御装置を提供することを目的とする。
第1発明に係る車両用電源制御装置は、エンジンに連動して発電機が発電した電力によるバッテリ及びキャパシタへの充電、前記電力並びにバッテリ及びキャパシタからの電力の負荷群への供給、並びに前記発電機の発電電圧の昇降を制御する車両用電源制御装置において、前記キャパシタから電力が供給されるべき負荷及び前記バッテリ間を接続/切断する第1スイッチと、該第1スイッチの前記負荷側の端子及びキャパシタのプラス側端子間に接続された充電用回路と、該充電用回路に並列接続された第2スイッチを含む放電用回路と、前記第1スイッチ及び負荷間に接続された逆流防止素子と、前記充電用回路の両端電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段が検出した電圧に応じて、前記キャパシタのプラス側端子及び前記負荷のプラス側端子間を接続/切断する第4スイッチとを備えることを特徴とする。
この車両用電源制御装置では、エンジンに連動して発電機が発電した電力によるバッテリ及びキャパシタへの充電、発電機が発電した電力並びにバッテリ及びキャパシタからの電力の負荷群への供給、並びに発電機の発電電圧の昇降を制御する。第1スイッチが、キャパシタから電力が供給されるべき負荷及びバッテリ間を接続/切断し、充電用回路が、第1スイッチの負荷側の端子及びキャパシタのプラス側端子間に接続されている。第2スイッチを含む放電用回路が、充電用回路に並列接続され、逆流防止素子が、第1スイッチ及び負荷間に接続されている。電圧検出手段が、充電用回路の両端電圧を検出し、第4スイッチが、電圧検出手段が検出した電圧に応じて、キャパシタのプラス側端子及び負荷のプラス側端子間を接続/切断する。
第2発明に係る車両用電源制御装置は、エンジンに連動して発電機が発電した電力によるバッテリ及びキャパシタへの充電、前記電力並びにバッテリ及びキャパシタからの電力の負荷群への供給、並びに前記発電機の発電電圧の昇降を制御する車両用電源制御装置において、前記キャパシタから電力が供給されるべき負荷及び前記バッテリ間を接続/切断する第1スイッチと、該第1スイッチの前記負荷側の端子及びキャパシタのプラス側端子間に接続された充電用抵抗及び第1逆流防止素子の直列回路と、該直列回路に並列接続された第1放電用抵抗及び第2スイッチの直列回路と、前記キャパシタに並列接続された第3スイッチ及び第2放電用抵抗の直列回路と、前記第1スイッチ及び負荷間に接続された第2逆流防止素子と、前記負荷側の端子及びキャパシタのプラス側端子間の電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段が検出した電圧に応じて、前記キャパシタのプラス側端子及び前記負荷のプラス側端子を接続/切断する第4スイッチとを備えることを特徴とする。
この車両用電源制御装置では、エンジンに連動して発電機が発電した電力によるバッテリ及びキャパシタへの充電、発電機が発電した電力並びにバッテリ及びキャパシタからの電力の負荷群への供給、並びに発電機の発電電圧の昇降を制御する。第1スイッチが、キャパシタから電力が供給されるべき負荷及びバッテリ間を接続/切断し、充電用抵抗及び第1逆流防止素子の直列回路が、第1スイッチの負荷側の端子及びキャパシタのプラス側端子間に接続されている。第1放電用抵抗及び第2スイッチの直列回路が、充電用抵抗及び第1逆流防止素子の直列回路に並列接続され、第3スイッチ及び第2放電用抵抗の直列回路が、キャパシタに並列接続されている。第2逆流防止素子が、第1スイッチ及び負荷間に接続され、電圧検出手段が、第1スイッチの負荷側の端子及びキャパシタのプラス側端子間の電圧を検出する。第4スイッチが、電圧検出手段が検出した電圧に応じて、キャパシタのプラス側端子及び負荷のプラス側端子を接続/切断する。
第3発明に係る車両用電源制御装置は、前記第1スイッチが接続され、前記発電機からの第1電圧により前記キャパシタへ充電する際に、前記第3スイッチを接続する手段と、前記キャパシタへの充電が完了したことを検知する検知手段と、該検知手段が充電の完了を検知したときに、前記発電機の発電電圧を前記バッテリの出力電圧より高い第2電圧まで降圧させる降圧手段とを更に備え、前記検知手段が充電の完了を検知したときに、前記第3スイッチを切断し、前記第4スイッチを接続するように構成してあることを特徴とする。
この車両用電源制御装置では、第1スイッチが接続され、発電機からの第1電圧によりキャパシタへ充電する際に、第3スイッチを接続する。検知手段が、キャパシタへの充電が完了したことを検知し、降圧手段が、検知手段が充電の完了を検知したときに、発電機の発電電圧をバッテリの出力電圧より高い第2電圧まで降圧させる。検知手段が充電の完了を検知したときに、第3スイッチを切断し、第4スイッチを接続する。
第4発明に係る車両用電源制御装置は、前記降圧手段が第2電圧まで降圧させた後、前記電圧検出手段が0Vを検出したときに、前記第3スイッチを接続する手段と、前記発電機の発電電圧を前記第1電圧まで昇圧させる手段とを更に備えることを特徴とする。
この車両用電源制御装置では、降圧手段が第2電圧まで降圧させた後、電圧検出手段が0Vを検出したときに、第3スイッチを接続し、発電機の発電電圧を第1電圧まで昇圧させる。
第5発明に係る車両用電源制御装置は、車両の速度情報を取得する手段と、該手段が取得した速度情報が減速を示しているか否かを判定する手段と、該手段が減速を示していると判定しているときに、前記第3スイッチを接続する手段と、前記発電機の発電電圧を前記第1電圧より高い第3電圧まで昇圧させる手段とを更に備えることを特徴とする。
この車両用電源制御装置では、車両の速度情報を取得し、取得した速度情報が減速を示しているか否かを判定する。減速を示していると判定しているときに、第3スイッチを接続し、発電機の発電電圧を第1電圧より高い第3電圧まで昇圧させる。
第6発明に係る車両用電源制御装置は、前記バッテリの出力電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、該バッテリ電圧検出手段が検出した電圧及び前記発電電圧が等しいか否かを判定する手段とを更に備え、該手段が等しいと判定し、前記電圧検出手段が0Vを検出したときに、前記第2スイッチを接続するように構成してあることを特徴とする。
この車両用電源制御装置では、バッテリ電圧検出手段が、バッテリの出力電圧を検出し、判定する手段が、その検出した電圧及び発電電圧が等しいか否かを判定する。判定する手段が等しいと判定し、電圧検出手段が0Vを検出したときに、第2スイッチを接続する。
第7発明に係る車両用電源制御装置は、前記バッテリ電圧検出手段が検出した電圧が、前記第2電圧より低い第4電圧以下であるか否かを判定する手段を更に備え、該手段が第4電圧以下であると判定したときに、前記第2スイッチを接続するように構成してあることを特徴とする。
この車両用電源制御装置では、バッテリ電圧検出手段が検出した電圧が、第2電圧より低い第4電圧以下であるか否かを判定し、第4電圧以下であると判定したときに、第2スイッチを接続する。
第8発明に係る車両用電源制御装置は、前記第1スイッチが切断されたときに、前記第3スイッチを接続し、前記キャパシタを放電させるように構成してあることを特徴とする。
本発明に係る車両用電源制御装置によれば、DCDCコンバータを使用しない簡単な回路で、バッテリとキャパシタとを並列に接続し、発電機の発電電圧に基づき、複数のスイッチングのみで自動的に電力回生が可能な車両用電源制御装置を実現することができる。
本発明に係る車両用電源制御装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。 図1に示す車両用電源制御装置の動作の例を示す説明図である。 図1に示す車両用電源制御装置の動作の例を示す説明図である。 図1に示す車両用電源制御装置の動作の例を示す説明図である。 図1に示す車両用電源制御装置の動作の例を示す説明図である。
以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
図1は、本発明に係る車両用電源制御装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。
この車両用電源制御装置は、図示しないエンジンに連動して、オルタネータ(発電機、交流発電機)1が発電する。その発電電圧Vaは、オルタネータ1に付設されたレギュレータ2が、エンジンの回転数に基づきオルタネータ1の界磁電流を調節することにより定電圧制御され、また昇降圧制御される。
オルタネータ1が発電した電力は、オルタネータ1内で整流されて、バッテリ3に充電され、負荷7等に供給される。また、スイッチ(第1スイッチ)SW1及びダイオード(第2逆流防止素子)11を通じて負荷8に供給される。充電制御ECU(Electronic Control Unit)4内の電圧検出手段5が、バッテリ3の入出力電圧値を検出する。
充電制御ECU4は、また、エンジンの回転数及びオルタネータ1の界磁電流により、オルタネータ1の発電電圧Vaを検出する。
充電制御ECU4は、車速検出器6から車両の速度値を与えられ、与えられた速度値に基づき、アイドリング、加速走行、定常走行及び減速走行の各車両状態を判定する。充電制御ECU4は、判定した車両状態に応じた発電モードで発電するように、レギュレータ2及びオルタネータ1を制御する充電制御を行う。
発電モードは、加速走行のようにエンジンの負荷が大きいときは、発電電圧を降下させ、減速走行のようにエンジンの負荷が小さいときは、発電電圧を上昇させるように定められている。これにより、エンジンの負荷を軽減し、車両の燃費向上を図っている。
オルタネータ1及びバッテリ3からスイッチSW1及びダイオード11を通じて電力供給される負荷8は、電気二重層キャパシタ(キャパシタ)12からもFET(第4スイッチ、Field-Effect Transistor)9を通じて電力供給される。
スイッチSW1の負荷8側の端子及び電気二重層キャパシタ12のプラス側端子間に、抵抗(充電用抵抗)R1及びダイオード13(第1逆流防止素子)が直列に接続された充電用回路が接続されている。また、抵抗R1及びダイオード13の充電用回路に並列に、抵抗(第1放電用抵抗)R2及びスイッチ(第2スイッチ)SW2の直列回路からなる放電用回路が接続されている。
電気二重層キャパシタ12のプラス側端子及びマイナス側端子間には、スイッチ(第3スイッチ)SW3及び抵抗(第2放電用抵抗)R3が直列に接続されている。
スイッチSW1は、例えばイグニッションスイッチに連動しており、そのオン/オフ情報が制御部10に与えられる。
制御部10は、マイクロコンピュータを備えており、内蔵する電圧検出手段14が、スイッチSW1の負荷8側の端子及び電気二重層キャパシタ12のプラス側端子間の電圧を検出する。また、検出した電圧に基づき、抵抗R4を通じてFET9をオン/オフ制御する。
制御部10には、充電制御ECU4から、オルタネータ1の発電電圧情報、バッテリ3の入出力電圧情報、及び車両が減速中の電力回生情報が与えられる。充電制御ECU4には、制御部10から、電圧検出手段14が検出した電圧に基づく昇圧指令及び降圧指令が与えられる。
制御部10は、また、スイッチSW2,SW3をそれぞれ個別にオン/オフ制御する。
尚、上述したスイッチSW1から制御部10及び電気二重層キャパシタ12等の下流側構成は、複数個搭載して、車両内に分散配置することも可能である。
以下に、このような構成の車両用電源制御装置の動作の例を図2〜5の説明図を参照しながら説明する。
(始動前、駐車時)
車両のエンジンが停止し駐車している場合、スイッチSW1はオフ(切断状態)であり、図1に示すように、制御部10は、スイッチSW2及びFET9をオフにし、スイッチSW3をオン(接続状態)にしている。スイッチSW3をオンにすることにより、電気二重層キャパシタ12に充電されていた電力は、抵抗R3を通じて接地端子へ放電される。これにより、電気二重層キャパシタ12を構成する直列接続された各セルの電圧が0Vとなり、各セルが均等化され、電気二重層キャパシタ12の端子電圧Vcも0Vである。
(始動後)
スイッチSW1がオンにされ、エンジンが始動した場合、図2に示すように、制御部10は、スイッチSW3をオンにし続ける。これにより、スイッチSW1、抵抗R1及びダイオード13を通じて、オルタネータ1から電気二重層キャパシタ12への充電が進む。また、オルタネータ1からは、バッテリ3、負荷7及び負荷8へも電力が供給される。この際のオルタネータ1の発電電圧Vaを第1電圧とする。
(走行時(1))
電気二重層キャパシタ12への第1電圧による充電が進み、制御部10は、電圧検出手段14が検出した電圧(例えば、(第1電圧×R1)/(R1+R3))により、電気二重層キャパシタ12への充電完了を検知する。充電完了の検知は、電流検出又はタイマによる計時によっても可能である。
制御部10は、充電完了を検知すると、充電制御ECU4にオルタネータ1の発電電圧Vaを、電気二重層キャパシタ12の端子電圧Vc((第1電圧×R3)/(R1+R3))より低く、バッテリ3の入出力電圧Vbより高い第2電圧まで降下させる。制御部10は、また、スイッチSW3をオフにする。
制御部10は、オルタネータ1の発電電圧Vaを第2電圧まで降下させると、図3に示すように、FET9をオンにして、電気二重層キャパシタ12から負荷8へ電力を供給させる。この際、ダイオード11により、電気二重層キャパシタ12からの電力は、スイッチSW1の方へは流れない、また、オルタネータ1及びバッテリ3からの電力は負荷8へ供給されない。
電気二重層キャパシタ12から負荷8への電力供給が進み、電気二重層キャパシタ12の端子電圧Vcが低下し、電圧検出手段14が0V(つまり、Vc=Va)を検出すると、制御部10は、充電制御ECU4にオルタネータ1の発電電圧Vaを第1電圧まで昇圧させる。制御部10は、また、FET9をオフにし、スイッチSW3をオンにして、オルタネータ1から電気二重層キャパシタ12へ充電させる。この際、負荷8へはダイオード11を通じてオルタネータ1から電力が供給される。
制御部10は、車両の走行時は、上述したように、電圧検出手段14に基づき、オルタネータ1の発電電圧の昇圧/降下を繰り返させ、電気二重層キャパシタ12の充電/放電を繰り返させる。
(減速時)
制御部10は、上述した走行時の動作に関わらず、充電制御ECU4から車両が減速中であるとの情報を受けると、充電制御ECU4にオルタネータ1の発電電圧Vaを第1電圧より高い第3電圧まで昇圧させる。制御部10は、また、FET9をオフにし、スイッチSW3をオンにして、オルタネータ1からの回生電力を電気二重層キャパシタ12へ充電させる。但し、第3電圧は、電気二重層キャパシタ12及びバッテリ3の耐圧(最大電圧)よりも低く設定しておく。
制御部10は、充電制御ECU4から車両の減速が終了したとの情報を受けると、充電制御ECU4にオルタネータ1の発電電圧Vaを第2電圧まで降下させる。制御部10は、また、スイッチSW3をオフにし、FET9をオンにして、電気二重層キャパシタ12から負荷8へ電力を供給させる。
(走行時(2))
制御部10は、車両の走行時に電力負荷が増大し、充電制御ECU4が発電電圧Va及びバッテリ3の入出力電圧Vbが等しいと判定し、電圧検出手段14の検出電圧がVa<Vcであることを示している場合、FET9をオンにして、電気二重層キャパシタ12から負荷8へ電力を供給させる。また、スイッチSW3をオフにする。
制御部10は、上述した事態が進行し、充電制御ECU4が発電電圧Va及びバッテリ3の入出力電圧Vbが等しいと判定し、電圧検出手段14の検出電圧がVa=Vcであることを示している場合、更に、図4に示すように、スイッチSW2をオンにする。これにより、バッテリ3及び電気二重層キャパシタ12が並列化され、共に負荷7,8へ給電することになる。
(走行時(3))
図5に示すように、オルタネータ1が故障停止し、充電制御ECU4が、バッテリ3の入出力電圧Vbが第2電圧より低い第4電圧以下であると判定した場合、制御部10は、FET9をオンにし、スイッチSW2をオンにし、スイッチSW3をオフにする。これにより、電気二重層キャパシタ12から負荷7,8へのバックアップ給電が行われる。
1 オルタネータ(発電機、交流発電機)
2 レギュレータ
3 バッテリ
4 充電制御ECU
5,14 電圧検出手段
6 車速検出器
7,8 負荷
9 FET(第4スイッチ)
10 制御部
11 ダイオード(第2逆流防止素子)
12 電気二重層キャパシタ(キャパシタ)
13 (第1逆流防止素子)
R1 抵抗(充電用抵抗)
R2 抵抗(第1放電用抵抗)
R3 抵抗(第2放電用抵抗)
SW1 スイッチ(第1スイッチ)
SW2 スイッチ(第2スイッチ)
SW3 スイッチ(第3スイッチ)

Claims (8)

  1. エンジンに連動して発電機が発電した電力によるバッテリ及びキャパシタへの充電、前記電力並びにバッテリ及びキャパシタからの電力の負荷群への供給、並びに前記発電機の発電電圧の昇降を制御する車両用電源制御装置において、
    前記キャパシタから電力が供給されるべき負荷及び前記バッテリ間を接続/切断する第1スイッチと、該第1スイッチの前記負荷側の端子及びキャパシタのプラス側端子間に接続された充電用回路と、該充電用回路に並列接続された第2スイッチを含む放電用回路と、前記第1スイッチ及び負荷間に接続された逆流防止素子と、前記充電用回路の両端電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段が検出した電圧に応じて、前記キャパシタのプラス側端子及び前記負荷のプラス側端子間を接続/切断する第4スイッチとを備えることを特徴とする車両用電源制御装置。
  2. エンジンに連動して発電機が発電した電力によるバッテリ及びキャパシタへの充電、前記電力並びにバッテリ及びキャパシタからの電力の負荷群への供給、並びに前記発電機の発電電圧の昇降を制御する車両用電源制御装置において、
    前記キャパシタから電力が供給されるべき負荷及び前記バッテリ間を接続/切断する第1スイッチと、該第1スイッチの前記負荷側の端子及びキャパシタのプラス側端子間に接続された充電用抵抗及び第1逆流防止素子の直列回路と、該直列回路に並列接続された第1放電用抵抗及び第2スイッチの直列回路と、前記キャパシタに並列接続された第3スイッチ及び第2放電用抵抗の直列回路と、前記第1スイッチ及び負荷間に接続された第2逆流防止素子と、前記負荷側の端子及びキャパシタのプラス側端子間の電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段が検出した電圧に応じて、前記キャパシタのプラス側端子及び前記負荷のプラス側端子を接続/切断する第4スイッチとを備えることを特徴とする車両用電源制御装置。
  3. 前記第1スイッチが接続され、前記発電機からの第1電圧により前記キャパシタへ充電する際に、前記第3スイッチを接続する手段と、前記キャパシタへの充電が完了したことを検知する検知手段と、該検知手段が充電の完了を検知したときに、前記発電機の発電電圧を前記バッテリの出力電圧より高い第2電圧まで降圧させる降圧手段とを更に備え、前記検知手段が充電の完了を検知したときに、前記第3スイッチを切断し、前記第4スイッチを接続するように構成してある請求項2記載の車両用電源制御装置。
  4. 前記降圧手段が第2電圧まで降圧させた後、前記電圧検出手段が0Vを検出したときに、前記第3スイッチを接続する手段と、前記発電機の発電電圧を前記第1電圧まで昇圧させる手段とを更に備える請求項3記載の車両用電源制御装置。
  5. 車両の速度情報を取得する手段と、該手段が取得した速度情報が減速を示しているか否かを判定する手段と、該手段が減速を示していると判定しているときに、前記第3スイッチを接続する手段と、前記発電機の発電電圧を前記第1電圧より高い第3電圧まで昇圧させる手段とを更に備える請求項4記載の車両用電源制御装置。
  6. 前記バッテリの出力電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、該バッテリ電圧検出手段が検出した電圧及び前記発電電圧が等しいか否かを判定する手段とを更に備え、該手段が等しいと判定し、前記電圧検出手段が0Vを検出したときに、前記第2スイッチを接続するように構成してある請求項1乃至5の何れか1項に記載の車両用電源制御装置。
  7. 前記バッテリ電圧検出手段が検出した電圧が、前記第2電圧より低い第4電圧以下であるか否かを判定する手段を更に備え、該手段が第4電圧以下であると判定したときに、前記第2スイッチを接続するように構成してある請求項6記載の車両用電源制御装置。
  8. 前記第1スイッチが切断されたときに、前記第3スイッチを接続し、前記キャパシタを放電させるように構成してある請求項2乃至7の何れか1項に記載の車両用電源制御装置。
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