JP2002027681A - 複数の単バッテリを含む組電池を充電する方法 - Google Patents

複数の単バッテリを含む組電池を充電する方法

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JP2002027681A JP2001133656A JP2001133656A JP2002027681A JP 2002027681 A JP2002027681 A JP 2002027681A JP 2001133656 A JP2001133656 A JP 2001133656A JP 2001133656 A JP2001133656 A JP 2001133656A JP 2002027681 A JP2002027681 A JP 2002027681A
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利明 中西
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究 乾
Yoshiteru Kikuchi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 組電池の各単バッテリを均等充電する際に、
組電池の内圧上昇を防止する。 【解決手段】 複数の単バッテリを含む組電池を充電す
る方法であって、複数の単バッテリのうちの少なくとも
一つの単バッテリの内圧が上昇を開始するまで、第1の
電流によって第1のレートで各単バッテリを充電する第
1の工程と、少なくとも一つの単バッテリの内圧が上昇
を開始した後に、第1の電流より低い第2の電流によっ
て第1のレートより低い第2のレートで各単バッテリを
充放電する第2の工程とを包含する方法である。複数の
単バッテリが組み合わされた組電池において、各単バッ
テリを均等充電するに際して、電池残存容量(SOC)
が100%になるまでは、一定の電流によって充電し、
その後に、低レートの電流によって充電する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電動機(モータ
ー)と内燃機関(エンジン)とを駆動源として併用する
ハイブリッド自動車等において、電動機の電源として使
用される組電池の充電方法に関する。
【0002】
【従来の技術】電動機(モーター)と内燃機関(エンジ
ン)とを駆動源として併用するハイブリッド自動車で
は、電動機の電源として、複数の単バッテリを組み合わ
せた組電池が使用される。このような組電池は、自動車
内の限られた空間内に搭載する必要があるために、コン
パクトに構成するとともに軽量化する必要がある。この
ために、薄い平板状をした角型の単バッテリが開発され
ている。この角型の単バッテリは、プラスチック製の薄
い中空直方体状の電槽内に、電解液および極板群が収容
されて構成されている。また、この単バッテリには、圧
力調整のための安全弁が備えられている。
【0003】単バッテリの電池内圧が上昇し始めると、
電槽内の圧力を緩和するために安全弁が動作する。しか
し、電池内圧がさらに上昇すると、電槽はプラスチック
で出来ているため、損傷するおそれがある。
【0004】電池の内圧が上昇する場合は、過放電時、
過充電時、低温時のガス吸収性能低下時等である。
【0005】また、ハイブリッド自動車では、組電池を
構成する単バッテリの温度、電圧、電流等を測定して、
電池残存容量(SOC)を推定し、組電池へ入出力可能
な電力を算出し、その入出力可能な電力の範囲にて制御
することが実施されている。このような制御では、例え
ば、電池温度の高低、電池残存容量の高低等に対応し
て、組電池の入出力が制限される。電池の充電可能範囲
内にて電池を使用することにより、電池残存容量(SO
C)の低下等によって、突然、電力が取り出せない状態
になるおそれがなくなる。従って、ハイブリッド自動車
の走行時における違和感の解消、走行可能距離の延長等
の動力性能の確保が可能になる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】単バッテリを組み合わ
せた組電池を、ハイブリッド自動車の電源として使用す
ると、走行時に電流が使用されて放電され、蓄電量が減
少する。このとき、各単バッテリの蓄電量にはばらつき
が生じる。蓄電量が減少した各単バッテリは、一定の電
流によって、均等に充電する均等充電が実施される。均
等充電は、全ての電池が過充電状態になるように、一定
の電流で充電される。
【0007】このように、組電池の均等充電に際して
は、単バッテリをそれぞれ過充電するようになっている
ために、過充電される単バッテリは、満充電に達するあ
たりから、内圧が直線的に上昇する。組電池の均等充電
を実施すると、内圧上昇防止用の安全弁が作動する圧力
に達し、さらに充電を続けると、電槽の耐圧限界に達す
るような圧力に達するおそれがある。特に、プラスチッ
ク製の角型電池では、内圧の上昇によって、電槽が耐圧
限界に達するおそれが大きい。
【0008】また、従来の組電池の入出力電力の判定
は、電池残存容量(SOC)を推定して実施するが、電
池の内圧上昇については、何ら考慮されていない。従っ
て、電池残存容量(SOC)のみによっては、電池内圧
が上昇しているか否かを判定することができず、その結
果、内圧の上昇によって、電槽が耐圧限界に達すること
等を招来するおそれもある。
【0009】本発明は、このような問題を解決するもの
であり、その目的は、組電池の均等充電に際して、電槽
の膨張または耐圧限界に達することの抑制に効果がある
組電池の充電方法を提供することにある。本発明の他の
目的は、未然に電槽が耐圧限界に達すること等を防止す
ることができる組電池の内圧上昇防止方法を提供するこ
とにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、複数の単バッ
テリを含む組電池を充電する方法であって、上記複数の
単バッテリのうちの少なくとも一つの単バッテリの内圧
が上昇を開始するまで、第1の電流によって第1のレー
トで上記各単バッテリを充電する第1の工程と、上記少
なくとも一つの単バッテリの内圧が上昇を開始した後
に、上記第1の電流より低い第2の電流によって上記第
1のレートより低い第2のレートで上記各単バッテリを
充放電する第2の工程と、を包含する、方法であり、こ
れにより上記目的が達成される。
【0011】本発明の他の局面は、上記第2の工程は、
上記各単バッテリを充電する工程と、上記各単バッテリ
の充放電を休止する工程と、を包含する、上記の複数の
単バッテリを含む組電池を充電する方法である。
【0012】本発明の他の局面は、上記第2の工程は、
上記各単バッテリを充電する工程と、上記各単バッテリ
を放電する工程と、を包含する、上記の複数の単バッテ
リを含む組電池を充電する方法である。
【0013】本発明の他の局面は、上記第2の工程は、
上記各単バッテリを充電する工程と、上記各単バッテリ
を放電する工程と、上記各単バッテリの充放電を休止す
る工程と、を包含する、上記の複数の単バッテリを含む
組電池を充電する方法である。
【0014】本発明の他の局面は、上記第1のレートは
1.6〜3.0Cであり、かつ上記第2のレートは0.
3〜1.5Cである、上記の複数の単バッテリを含む組
電池を充電する方法である。
【0015】さらに本発明は、単バッテリの温度を検出
するステップと、上記単バッテリの内圧を推定するステ
ップと、上記検出された単バッテリの温度と、上記推定
された単バッテリの内圧とに基づいて、上記組電池を構
成する単バッテリの容器である電槽が耐圧限界に達する
おそれがあるか否かを判定するステップと、上記電槽が
耐圧限界に達するおそれがあると判定された場合には、
上記に記載の第2の工程を行って上記組電池に対する入
出力を制限するステップと、を包含する、組電池の内圧
上昇防止方法であり、これにより上記目的が達成され
る。
【0016】本発明の他の局面は、上記電槽が耐圧限界
に達するおそれがあるか否かの上記判定は、上記電槽に
関して予め求められた耐圧限界を示すマップを用いて行
われる、上記に記載の組電池の内圧上昇防止方法であ
る。
【0017】本発明の他の局面は、上記単バッテリの上
記内圧の上記推定は、上記単バッテリの電池残存容量
(SOC)と、上記単バッテリの上記温度と、上記単バ
ッテリの充放電電流とに基づいて行われる、上記に記載
の組電池の内圧上昇防止方法である。
【0018】本発明の他の局面は、上記単バッテリの上
記電池残存容量(SOC)は、上記単バッテリの電圧
と、上記単バッテリの上記充放電電流と、上記単バッテ
リの上記温度とに基づいて求められる、上記に記載の組
電池の内圧上昇防止方法である。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。なお、本明細書中で使用する
用語「レート」は、「充電率」または「放電率」を意味
する。また、本明細書中で使用する用語「単バッテリ」
は、「単電池」または「一つの電池ケースに複数個の単
電池を挿入し、そのケース外部に一組のプラス・マイナ
スの端子を有するユニット電池」を意味する。本発明の
組電池の内圧上昇防止方法は、例えば、ハイブリッド自
動車における電動機の電源として使用される密閉型ニッ
ケル−水素蓄電池からなる組電池を均等充電する際に実
施される。この均等充電方法を、図1のグラフに基づい
て説明する。組電池を均等充電するに際して、図1
(a)に実線で示すように、まず、電池残存容量(SO
C)が100%になるまで、2Cのレートの定電流によ
って充電する。通常、この2Cの定電流の充電は、30
分程度である。そして、SOCが100%になると、そ
の後は、前記充電電流よりも低い0.3〜1.5C程度
の比較的低レートの電流によって、40分程度にわたっ
て充電する。
【0020】この場合、単バッテリの内圧は、図1
(b)に実線で示すように、SOCが100%になるま
では、ほぼ、一定であり、SOCが100%を超える
と、内圧が上昇する。しかしながら、この場合、充電電
流は、2Cではなく、0.3〜1.5C程度の低レート
になっているために、単バッテリの内圧は、緩やかに上
昇するだけである。比較のために、2Cの一定電流のみ
で均等充電した場合の内圧上昇を、図1(b)に破線で
示す。
【0021】また、図2(a)に実線で示すように、2
Cの電流にて充電して、SOCが100%を超えた後の
単バッテリの内圧上昇を確実に防止するために、0.3
〜1.5C程度の低レート充電を、所定の時間にわたっ
て実施した後に、充電を休止するようにしてもよい。こ
れにより、図2(b)に実線で示すように、充電を休止
した後に、単バッテリの内圧が上昇するおそれがない。
【0022】さらに、図3(a)に実線で示すように、
2Cの電流にて充電して、SOCが100%を超えた後
の単バッテリの内圧を低下させるために、0.3〜1.
5C程度の低レート充電を、所定の時間にわたって実施
した後に、各単バッテリの放電を実施するようにしても
よい。これにより、図3(b)に実線で示すように、放
電を実施した後に、単バッテリの内圧が低下することに
なる。
【0023】さらに、図4(a)に示すように、電池残
存容量(SOC)が100%になるまで、2Cの定電流
によって充電すると、その後は、0.3〜1.5C程度
の低レート充電と、充電休止とを交互に繰り返すように
してもよい。低レートの充電と充電休止とは、それぞ
れ、10秒〜40分程度の適当な時間に設定される。こ
の場合には、図4(b)に示すように、SOCが100
%を超えた後に、0.3〜1.5C程度の低レートの充
電によって、単バッテリの内圧は緩やかに上昇するだけ
であり、また、充電休止によって、単バッテリの内圧
は、低下することになる。従って、0.3〜1.5C程
度の低レートの充電と充電休止との繰り返しによって、
単バッテリの内圧の上昇が確実に抑制される。
【0024】さらには、図5(a)に示すように、電池
残存容量(SOC)が100%になるまで、2Cの定電
流によって充電すると、その後は、0.3〜1.5C程
度の低レート充電と、放電とを交互に繰り返すようにし
てもよい。低レート充電と放電との時間は、10秒〜4
0分程度の適当な時間に設定されるが、充電に比べて放
電は短く設定される。この場合には、図5(b)に示す
ように、SOCが100%を超えた後に、0.3〜1.
5C程度の低レートの充電によって、単バッテリの内圧
は緩やかに上昇するだけであり、また、各単バッテリの
放電によって、単バッテリの内圧が、確実に低下するこ
とになる。従って、0.3〜1.5C程度の低レートの
充電と放電との繰り返しによって、単バッテリの内圧の
上昇が、一層確実に抑制される。
【0025】なおさらには、図6(a)に示すように、
電池残存容量(SOC)が100%になるまで、2Cの
低電流によって充電すると、その後は、0.3〜1.5
C程度の低レート充電と、充電休止と、放電とを順番に
繰り返すようにしてもよい。低レート充電、充電休止お
よび放電の時間は、10秒〜40分程度の適当な時間に
設定される。この場合には、図6(b)に示すように、
SOCが100%を超えた後に、0.3〜1.5C程度
の低レートの充電によって、単バッテリの内圧は緩やか
に上昇するだけである。また、充電休止によって、単バ
ッテリの内圧は、低下することになり、さらに、各単バ
ッテリの放電によって、単バッテリの内圧が、確実に低
下することになる。従って、0.3〜1.5C程度の低
レートの充電と充電休止と放電との繰り返しによって、
単バッテリの内圧の上昇が、より一層確実に抑制され
る。
【0026】なお、0.3〜1.5C程度の低レート充
電、充電休止および放電の順番は、ランダムに変更して
もよい。
【0027】上記の各実施形態における均等充電方法で
は、電池残存容量が100%になるまで、2Cのレート
で充電を実施したが、他のレートによって充電すること
も可能である。しかしながら、2Cよりもはるかに高い
レートの場合には、充電効率が低下すると共に、電池内
圧が上昇する。また、1.6Cよりもはるかに低いレー
トの場合には、充電時間が長くなり、ハイブリッド自動
車等の電動機の電源用の組電池としては好ましいもので
はない。従って、2C程度のレートが好ましい。また、
電池残存容量が100%に達した後のレートは、低けれ
ば低いほど、電池の内圧上昇を押さえることができる
が、充電に長時間を要する。従って、0.3〜1.6C
程度のレートが好ましい。
【0028】このように、組電池の均等充電に際して、
各単バッテリの内圧の上昇を防止することができるの
で、プラスチック製の角型の電槽を有する単バッテリに
おいて、安全弁の開放によるガスの放出をなくし、電池
の寿命を向上させることができる。さらには、電槽が耐
圧限界に達するようなおそれもない。また、角型の電槽
を有する単バッテリを組み合わせた組電池では、各単バ
ッテリの内圧の上昇が抑制されることで、電槽の膨張が
押さえられるため、各単バッテリを拘束するための寸法
精度の高い部品を使用する必要がなく、経済的である。
【0029】図7は、本発明の組電池の内圧上昇防止方
法の実施に使用される内圧上昇防止装置の概略構成図で
ある。この内圧上昇防止装置は、例えば、それぞれがプ
ラスチック製の電槽を有する複数の単バッテリ11を組
み合わせた組電池10において、各単バッテリ11のう
ちの少なくとも一つの単バッテリの内圧が上昇したこと
を判定するようになっており、組電池10におけるいず
れかの単バッテリ11の電圧を測定する電圧測定手段1
2と、その単バッテリ11の充放電電流値を測定する電
流測定手段13と、その単バッテリ11における電槽の
温度を測定する温度測定手段14とを有している。
【0030】電圧測定手段12、電流測定手段13およ
び温度測定手段14の出力は、それぞれ、電池残存容量
演算部15に与えられており、電池残存容量演算部15
の出力が、電池内圧上昇判定部16に与えられている。
電池内圧上昇判定部16には、電流測定手段13の出力
および温度測定手段14の出力も与えられている。電池
内圧上昇判定部16は、電池内圧上昇判定マップ17に
基づいて、電池の内圧が上昇しているかを判定して、所
定の信号を電池入出力制限部18に出力するようになっ
ている。電池入出力制限部18は、電池内圧上昇判定部
16の出力に基づいて、組電池10に対する入出力を制
限するようになっている。
【0031】電池内圧上昇判定マップ17には、電池種
類毎に予め求められた電池内圧特性のデータと、プラス
チック製の電槽耐圧特性のデータとが、予め求められ
て、マップとして記憶されている。一般に、電池内圧特
性は、電池残存容量(SOC)と、電池温度および充放
電電流値とによって決まり、概略、図8に示すような特
性になる。図8に示す電池内圧特性から、電池の残存容
量が20〜80%程度においては、電池内圧は相対的に
低くなることが分かる。また、温度および電流値が上昇
すると、電池内圧値が全体にわたって上昇することが分
かる。
【0032】また、プラスチック製の電槽を有する単バ
ッテリ11における電槽の耐圧特性は、電池内圧と電池
(電槽)温度によって決まり、概略、図9に示すような
特性になる。図9に示す特性から、20〜60℃程度の
範囲では、内圧が上昇しても耐圧限界に達する可能性は
低いが、60℃を超えると、温度が高くなるにつれて、
電槽の耐圧限界を示す内圧値は、緩やかに低下し、ま
た、20℃よりも低下すると、電槽の耐圧限界を示す内
圧値は低下することが分かる。
【0033】図8に示す電池内圧特性を示すグラフおよ
び図9に示す電槽耐圧特性を示すグラフが、電池内圧上
昇判定マップ17として、電池内圧上昇判定部16に保
持されている。
【0034】図10は、このような構成の内圧上昇防止
装置の制御内容を示すフローチャートである。この内圧
上昇防止装置は、例えば、前述したように組電池10を
均等充電するに際して、組電池10における所定の単バ
ッテリ11の電圧、電流、および温度を、電圧測定手段
12、電流測定手段13、温度測定手段14によって、
それぞれ測定する(図10のステップS1参照、以下同
様)。そして、測定された単バッテリ11の電圧、電
流、および温度が電池残存容量演算部15に入力され
て、その単バッテリ11の残存容量が、電池残存容量演
算部15によって演算される。
【0035】電池残存容量演算部15によって演算され
た単バッテリ11の電池残存容量は、電池内圧上昇判定
部16に与えられている。電池内圧上昇判定部16に
は、電流測定手段13によって得られる単バッテリ11
の電流と、温度測定手段14によって得られる単バッテ
リ11の温度も、それぞれ与えられており、電池内圧上
昇判定部16は、これらの演算値および測定値と、電池
内圧上昇判定マップ17とに基づいて、電池内圧を推定
する(ステップS3)。
【0036】具体的には、単バッテリ11の電池残存容
量と、その単バッテリ11の温度および電流値とに基づ
いて、図8に示す電池内圧特性のグラフから、単バッテ
リ11の内圧を推定し、その推定された電池内圧と、単
バッテリ11の温度に基づいて、図9に示す電槽の耐圧
特性を示すグラフから、測定される単バッテリ11が、
電槽の耐圧限界内に位置しているかが判定される(ステ
ップS4)。
【0037】そして、単バッテリ11の内圧が、電槽の
耐圧限界を下回っている場合には、組電池10に対して
通常の入出力が実施される(ステップS5)。これに対
して、単バッテリ11の内圧が、電槽の耐圧限界近傍に
ある場合には、単バッテリ11の内圧が高く、電槽が耐
圧限界に達するおそれがあると判断して、組電池10に
対する入出力が制限される(ステップS6)。これによ
り、組電池10における全ての単バッテリ11の内圧の
上昇が防止されることになり、各単バッテリ11の電槽
が耐圧限界に達すること等が抑制される。
【0038】
【発明の効果】以上のように、本発明の組電池の充電方
法は、組電池を均等充電する際に、単バッテリの内圧が
上昇することを抑制することができ、従って、電槽が耐
圧限界に達すること等を防止することができる。さら
に、本発明は、従来のように高価で精密な内圧センサー
等を必要としないため、コストの削減が可能となり、併
せて信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明の組電池の充電方法が実施さ
れる組電池の均等充電方法の実施状態の一例を示すグラ
フ、(b)は、その場合の電池の内圧を示すグラフであ
る。
【図2】(a)は、本発明の組電池の充電方法が実施さ
れる組電池の均等充電の実施状態の他の例を示すグラ
フ、(b)は、その場合の電池の内圧を示すグラフであ
る。
【図3】(a)は、本発明の組電池の充電方法が実施さ
れる組電池の均等充電の実施状態の他の例を示すグラ
フ、(b)は、その場合の電池の内圧を示すグラフであ
る。
【図4】(a)は、本発明の組電池の充電方法が実施さ
れる組電池の均等充電の実施状態の他の例を示すグラ
フ、(b)は、その場合の電池の内圧を示すグラフであ
る。
【図5】(a)は、本発明の組電池の充電方法が実施さ
れる組電池の均等充電の実施状態の他の例を示すグラ
フ、(b)は、その場合の電池の内圧を示すグラフであ
る。
【図6】(a)は、本発明の組電池の充電方法が実施さ
れる組電池の均等充電の実施状態の他の例を示すグラ
フ、(b)は、その場合の電池の内圧を示すグラフであ
る。
【図7】本発明の組電池の充電方法のさらに他の例にお
ける実施に使用される装置の構成を示すブロック図であ
る。
【図8】図7で示された装置に使用される電池内圧上昇
判定マップに保存された電池内圧特性の一例を示すグラ
フである。
【図9】図7で示された装置に使用される電池内圧上昇
判定マップに保存された電槽の耐圧特性の一例を示すグ
ラフである。
【図10】図7で示された装置の制御内容を示すフロー
チャートである。
【符号の説明】
10 組電池 11 単バッテリ 12 電圧測定手段 13 電流測定手段 14 温度測定手段 15 電池残存容量演算部 16 電池内圧上昇判定部 17 電池内圧上昇判定マップ 18 電池入出力制限部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中西 利明 静岡県湖西市境宿555番地 パナソニック イーブイエナジー株式会社内 (72)発明者 乾 究 静岡県湖西市境宿555番地 パナソニック イーブイエナジー株式会社内 (72)発明者 菊池 義晃 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 5G003 BA02 CA02 CA06 CA11 CB04 EA05 FA06 5H030 AA03 AA06 AS08 BB03 BB10 BB26 FF24 FF31 FF42 5H115 PA08 PC06 PG04 PI16 PI29 PU21 QN03 SE06 TI02 TI05 TI06 TI10 TR19 TU20 TZ09 UI40

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の単バッテリを含む組電池を充電す
    る方法であって、 該複数の単バッテリのうちの少なくとも一つの単バッテ
    リの内圧が上昇を開始するまで、第1の電流によって第
    1のレートで該各単バッテリを充電する第1の工程と、 該少なくとも一つの単バッテリの内圧が上昇を開始した
    後に、該第1の電流より低い第2の電流によって該第1
    のレートより低い第2のレートで該各単バッテリを充放
    電する第2の工程と、を包含する、方法。
  2. 【請求項2】 前記第2の工程は、 前記各単バッテリを充電する工程と、 該各単バッテリの充放電を休止する工程と、 を包含する、請求項1に記載の複数の単バッテリを含む
    組電池を充電する方法。
  3. 【請求項3】 前記第2の工程は、 前記各単バッテリを充電する工程と、 該各単バッテリを放電する工程と、を包含する、請求項
    1に記載の複数の単バッテリを含む組電池を充電する方
    法。
  4. 【請求項4】 前記第2の工程は、 前記各単バッテリを充電する工程と、 該各単バッテリを放電する工程と、 該各単バッテリの充放電を休止する工程と、を包含す
    る、請求項1に記載の複数の単バッテリを含む組電池を
    充電する方法。
  5. 【請求項5】 前記第1のレートは1.6〜3.0Cで
    あり、かつ前記第2のレートは0.3〜1.5Cであ
    る、請求項1に記載の複数の単バッテリを含む組電池を
    充電する方法。
  6. 【請求項6】 単バッテリの温度を検出するステップ
    と、 該単バッテリの内圧を推定するステップと、 該検出された単バッテリの温度と、該推定された単バッ
    テリの内圧とに基づいて、該組電池を構成する単バッテ
    リの容器である電槽が耐圧限界に達するおそれがあるか
    否かを判定するステップと、 該電槽が耐圧限界に達するおそれがあると判定された場
    合には、請求項1に記載の第2の工程を行って該組電池
    に対する入出力を制限するステップと、を包含する、組
    電池の内圧上昇防止方法。
  7. 【請求項7】 前記電槽が耐圧限界に達するおそれがあ
    るか否かの前記判定は、該電槽に関して予め求められた
    耐圧限界を示すマップを用いて行われる、請求項6に記
    載の組電池の内圧上昇防止方法。
  8. 【請求項8】 前記単バッテリの前記内圧の前記推定
    は、該単バッテリの電池残存容量(SOC)と、該単バ
    ッテリの前記温度と、該単バッテリの充放電電流とに基
    づいて行われる、請求項6に記載の組電池の内圧上昇防
    止方法。
  9. 【請求項9】 前記単バッテリの前記電池残存容量(S
    OC)は、該単バッテリの電圧と、該単バッテリの前記
    充放電電流と、該単バッテリの前記温度とに基づいて求
    められる、請求項8に記載の組電池の内圧上昇防止方
    法。
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