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TWI390821B - 電池充放電裝置及電池充放電方法 - Google Patents

電池充放電裝置及電池充放電方法 Download PDF

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TWI390821B
TWI390821B TW098104236A TW98104236A TWI390821B TW I390821 B TWI390821 B TW I390821B TW 098104236 A TW098104236 A TW 098104236A TW 98104236 A TW98104236 A TW 98104236A TW I390821 B TWI390821 B TW I390821B
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battery
charging
current limiting
control unit
discharging
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TW098104236A
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Inventor
Yao Nan Wang
Wen Chieh Wu
Chao Hsu Chen
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Chroma Ate Inc
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Description

電池充放電裝置及電池充放電方法
本發明係與電池充放電有關，並且特別地，關於一種能夠有效降低電池充放電時所產生之熱損耗並達到直流電能源回收再利用之電池充放電裝置及電池充放電方法。
近年來，隨著科技不斷地發展，市面上時常有各式各樣的電腦設備出現。在各種電腦設備中，筆記型電腦由於具有體積小、易攜帶、不佔空間等優點，已逐漸成為市場之主流，更是現代人日常生活裡不可或缺的工具之一。
一般而言，筆記型電腦在電池供電的模式下，通常需要透過多個電池串聯的方式以提供筆記型電腦所需之電壓。而在電池製造的過程中，必須針對電池進行充電及放電的化成測試，以確保電池的容量能夠符合產品規格之要求。
然而，當傳統的充放電測試設備針對電池進行充放電測試時，往往會產生大量的熱損耗並且其能源使用率並不夠理想。請參照圖一，圖一係繪示傳統的充放電測試設備之充放電電路對電池B進行充電的示意圖。
如圖一所示，充放電電路包含定電壓/定電流控制電晶體Q、限流電阻R4、定電壓控制積體電路U1、定電流控制積體電路U2、電流讀回放大器U3及電壓讀回放大器U4；Vs為電池B充電的最大電壓值；Is為電池B充電的最大電流值；Vcc為主充電電源。由於如圖一之傳統的充放電測試設備的充放電電路為固定電壓式的充電電路，因此，當充放電電路對電池B進行定電流充電之初期，定電壓/定電流控制電晶體Q將會產生相當大的熱損耗。
此外，當傳統的充放電測試設備之充放電電路對電池B進行放電時，大多採用電子負載電路來將電池B所放出的電能直接消耗掉，因而充放電測試設備在放電過程中亦會產生大量的熱損耗，造成其能源使用率不夠理想，甚至無法達到日趨嚴格的安全法規之規範。
為了達到安全法規所規定之電池充放電測試條件，目前某些充放電測試裝置雖已具有將放電產生的能源回收再利用之功能，然而，這些充放電測試裝置大多是將放電的電力直接轉換成交流電後，再將其回饋至直流電力系統中。如此一來，由於這些回饋的交流電容易導致原本的電力品質因素(Power Quality Factor,PQF)降低，反而使得原本將放電能源回收再利用之美意大打折扣。
因此，本發明之主要範疇在於提供一種電池充放電裝置及電池充放電方法，以解決上述問題。
本發明之一範疇在於提供一種電池充放電裝置。根據一具體實施例，該電池充放電裝置包含電源供應模組及複數個充放電模組，用以分別對複數個電池進行充電及放電的工作。充放電模組包含限流電晶體、限流電阻、充電控制單元及放電控制單元，其中充電控制單元及放電控制單元均屬於電壓追蹤式之充電/放電裝置。
於此實施例中，當充放電模組對電池進行充電時，充電控制單元即會將彼此串聯的限流電晶體及限流電阻之兩端的電壓限制於固定值，以降低限流電晶體所產生之熱損耗。當充放電模組對電池進行放電時，放電控制單元則會將彼此串聯的限流電晶體及限流電阻兩端之電壓限制於固定值並且將放電的電池能量以直流電之型式回饋至直流電源供應模組。
本發明之另一範疇在提供一種電池充電方法。根據一具體實施例，本發明之電池充電方法係透過一充電模組對電池進行充電之工作，其中該充電模組屬於電池電壓追蹤式之充電裝置，並且包含彼此串聯的限流電晶體及限流電阻。當該充電模組對該電池進行充電時，該方法將彼此串聯的限流電晶體及限流電阻之兩端的電壓限制於固定值，以降低該限流電晶體所產生之熱耗損。
本發明之再一範疇在提供一種電池放電方法。根據一具體實施例，本發明之電池放電方法係透過放電裝置對電池進行放電之工作，其中該放電模組屬於電池電壓追蹤式之放電裝置，並且包含彼此串聯的限流電晶體及限流電阻。當該放電模組控制該電池進行放電時，該方法將彼此串聯的限流電晶體及限流電阻之兩端的電壓限制於固定值，以降低該限流電晶體所產生之熱耗損。此外，該方法亦會將該電池放電時所產生之電力以直流電之型式回饋至一電源供應模組，其中該電源供應模組係一直流電源供應器。
相較於先前技藝，根據本發明之電池充放電裝置分別透過電壓追蹤式之充電控制單元及放電控制單元，於電池進行充電及放電時，將彼此串聯的限流電晶體及限流電阻之兩端的電壓限制於固定值，以降低限流電晶體所產生之熱損耗。此外，根據本發明之電池充放電裝置亦能夠將電池放電時所產生的電能以直流電型式回饋至直流電力系統中，以供應其他電池充電時所需之電力。藉此，本發明不僅能夠達到提升能源使用率之功效，還可滿足安全法規對於電池放電之能源回收再利用之規範，以符合當前全世界提倡環保節能之趨勢。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
根據本發明之第一具體實施例為一種電池充放電裝置。實際上，該電池充放電裝置可以是一充放電測試設備，但不以此為限。該電池充放電裝置包含有電源及複數個充放電模組，該複數個充放電模組係用以分別對複數個電池進行充電及放電的工作。請參照圖二，圖二係繪示該電池充放電裝置之示意圖。
如圖二所示，於此實施例中，電池充放電裝置1包含電源供應模組10、第一充放電模組11、第二充放電模組12、第三充放電模組13、第四充放電模組14、第五充放電模組15、第六充放電模組16、第七充放電模組17、第八充放電模組18、第九充放電模組19及控制模組20。其中，第一充放電模組11至第九充放電模組19均耦接至電源供應模組10；控制模組20耦接至電源供應模組10及第一充放電模組11至第九充放電模組19。
值得注意的是，第一充放電模組11至第九充放電模組19分別對應並耦接於第一電池B1至第九電池B9，也就是說，電池充放電裝置1的每一個充放電模組可分別用以對一個電池進行充放電之工作，故於此實施例中，電池充放電裝置1最多可同時對九個電池進行充放電之工作，但並不以此為限。實際上，第一電池B1至第九電池B9可以是任意型式的可充電電池，並且每一個電池還可由許多個電池彼此耦接組成，並無一定之限制。
接下來，將分別就電池充放電裝置1所包含之各模組及其具備之功能進行詳細之介紹。
於此實施例中，電源供應模組10係一直流電源供應器，除了供應電池充放電裝置1運作所需之電力外，還能夠供應電池充放電裝置1對電池進行充電時所需之電力。
至於控制模組20之主要功用在於控制第一充放電模組11至第九充放電模組19分別對第一電池B1至第九電池B9進行充電及放電之工作，並且監測第一電池B1至第九電池B9進行充電及放電之測試結果，藉以判斷這些待測電池(第一電池B1至第九電池B9)中是否有任何一個或多個電池發生充電或放電異常之情形，以確保生產的電池容量能夠符合產品規格之要求。
接著，將介紹第一充放電模組11至第九充放電模組19。值得注意的是，由於第一充放電模組11至第九充放電模組19結構均相同，故在此僅以第一充放電模組11為例進行說明。請參照圖三，圖三係繪示第一充放電模組11對第一電池B1進行充電時之詳細電路結構的示意圖。
如圖三所示，第一充放電模組11包含充電控制單元110、定電壓控制單元111、定電流控制單元112、電流讀回放大單元113、電壓讀回放大單元114、限流電晶體115、定電壓電阻116、限流電阻117、二極體118、切換單元119及放電控制單元120。其中，限流電阻117與限流電晶體115彼此串聯；充電控制單元110耦接至切換單元119及第一電池B1，並且透過電力線接收電源供應模組10所提供之電壓Vcc；定電壓控制單元111耦接至電壓讀回放大單元114及定電壓電阻116；定電流控制單元112耦接至電流讀回放大單元113及二極體118；電流讀回放大單元113耦接至限流電阻117與限流電晶體115之間以及切換單元119；電壓讀回放大單元114耦接至第一電池B1的正負兩端；電流讀回放大單元113與電壓讀回放大單元114為差分放大器(differential amplifier)；定電壓電阻116耦接至限流電晶體115及二極體118；二極體118耦接至限流電晶體115與定電壓電阻116之間以及定電流控制單元112；切換單元119耦接至充電控制單元110、限流電晶體115及限流電阻117。
於此實施例中，VS 為第一電池B1充電的最大充電電壓(例如4.2伏特)；IS 為第一電池B1充電的最大充電電流(例如1.8安培)；IG 為提供給第一電池B1的充電電流；Vi為充電控制單元110之輸入端的電壓；Vo為充電控制單元110之輸出端的電壓；VB 為第一電池B1的電壓。
值得注意的是，由於圖三係表示第一充放電模組11對第一電池B1進行充電，放電控制單元120並未參與整個充電電路之運作，所以圖三採用虛線來表示放電控制單元120。
有別於傳統的充放電測試設備採用固定電壓式的充電電路對電池進行充電，導致充電電路中的限流電晶體之熱損耗往往過高，於本發明之第一充放電模組11中，充電控制單元110係屬於電池電壓追蹤式(Battery Voltage Tracking,BVT)之充電裝置。一開始進行充電測試時，第一電池B1尚處於未充電狀態，此時，第一充放電模組11係以限流模式運作，定電流控制單元112負責充電電路中定電流之控制。在經過限流充電一段時間後，當充電電流IG 小於最大充電電流Is時，第一充放電模組11將會自動轉換成以定電壓模式對第一電池B1進行充電，此時，定電壓控制單元111即開始負責充電電路中定電壓之控制。
值得注意的是，當充電開始進行時，由於切換單元119的第一開關S1與第二開關S2係與接點P1與接點P3耦接，因此，充電控制單元110即能夠耦接至充電電路中的X點及Y點，亦即彼此串聯的限流電阻117與限流電晶體115之兩側。藉此，充電控制單元110即可將彼此串聯的限流電阻117與限流電晶體115兩側之電壓VXY 限制於固定值(例如0.5伏特)，以避免在第一電池B1進行定電流充電之初期，限流電晶體115產生過高的熱損耗。此時，充電控制單元110之輸出端的電壓Vo即為第一電池B1的電壓VB 與固定值(例如0.5伏特)之和。
請參照圖四，圖四係繪示當第一電池B1進行放電時第一充放電模組11之詳細電路結構的示意圖。圖四與圖三不同之處在於，由於充電控制單元110並未參與整個放電電路之運作，所以圖四採用虛線來表示充電控制單元110，相反地，由於放電控制單元120有參與整個放電電路之運作，故於圖四係以實線表示之。於此實施例中，放電控制單元120屬於電池電壓追蹤式之放電裝置；Vcc為回饋至電源供應模組10之電壓；Vs為第一電池B1放電的最大放電電壓(例如5伏特)；Is為第一電池B1放電的最大放電電流(例如1.54安培)；ID 為第一電池B1放電時所產生的放電電流。
當第一電池B1開始進行放電後，第一充放電模組11將會持續維持在限流模式下，直到第一電池B1之電壓VB 小於一預設值(例如3伏特)為止。實際上，該預設值可以是系統預設值或由使用者依實際需要所設定，並無特定的限制。
值得注意的是，當第一電池B1開始放電時，切換單元119的第一開關S1與第二開關S2即會切換至與接點P2與接點P4耦接，使得放電控制單元120能夠耦接至放電電路中的X點及Y點，亦即彼此串聯的限流電阻117與限流電晶體115之兩側。藉此，放電控制單元120即可將彼此串聯的限流電阻117與限流電晶體115兩側之電壓VXY 限制於固定值(例如0.5伏特)，以避免在第一電池B1進行定電流放電時，限流電晶體115產生過高的熱損耗。此外，放電控制單元120亦可同時將放電電路中的VERM 提高至Vcc之準位(例如15伏特)。
有別於傳統的充放電測試裝置將放電的電力直接轉換成交流電並回饋至直流電力系統中，導致直流電力系統之電力品質因素降低，於本發明之第一充放電模組11中，放電控制單元120係將第一電池B1放電時所產生之電力以直流電之型式回饋至直流電源供應模組10，不僅能夠符合安全法規對於電池放電之能源回收再利用之規範，將回收的電力再提供給其他電池充電之用，還能避免直流電源供應模組10之電力品質因素降低的情形發生。
根據本發明之第二具體實施例為一種電池充電方法。於此實施例中，該電池充電方法係透過一充電模組對電池進行充電之工作，其中該充電模組屬於電池電壓追蹤式之充電裝置，並且包含彼此串聯的限流電晶體及限流電阻。至於該充電模組之詳細結構則請參照圖三，在此不另行贅述。
請參照圖五，圖五係繪示該電池充電方法之流程圖。如圖五所示，當該充電模組對該電池進行充電時，該電池尚處於未充電狀態，此時，該電池充電方法執行步驟S10，令該充電模組以限流模式運作並將彼此串聯的限流電阻與限流電晶體兩側之電壓限制於固定值(例如0.5伏特)，以避免在該電池進行定電流充電之初期，限流電晶體產生過高的熱損耗。
在經過限流充電一段時間後，當流至該電池的充電電流小於最大充電電流時，該電池充電方法執行步驟S12，令該充電模組自動轉換成以定電壓模式對該電池進行充電。
根據本發明之第三具體實施例為一種電池放電方法。於此實施例中，該電池放電方法係透過一放電模組控制電池進行放電，其中該放電模組屬於電池電壓追蹤式之放電裝置，並且包含彼此串聯的限流電晶體及限流電阻。至於該放電模組之詳細結構則請參照圖四，在此不另行贅述。
請參照圖六，圖六係繪示該電池放電方法之流程圖。如圖六所示，當該電池開始進行放電時，該電池放電方法執行步驟S20，令該放電模組以限流模式運作並將彼此串聯的該限流電晶體及該限流電阻兩側之電壓限制於固定值(例如0.5伏特)，以避免在該電池進行放電時，限流電晶體產生過高的熱損耗。實際上，在該電池放電的過程中，該放電模組將會持續維持於限流模式下，直至該電池之電壓小於一預設值為止。
此外，該電池放電方法亦執行步驟S22，將該電池放電時所產生之電力以直流電之型式回饋至一電源供應模組，其中該電源供應模組係一直流電源供應器，用以供應該放電模組運作所需之電力。
相較於先前技藝，根據本發明之電池充放電裝置分別透過電壓追蹤式之充電控制單元及放電控制單元，於電池進行充電及放電時，將彼此串聯的限流電晶體及限流電阻兩端之電壓限制於固定值，以降低限流電晶體所產生之熱損耗。此外，根據本發明之電池充放電裝置亦能夠將電池放電時所產生的電能以直流電型式回饋至直流電力系統中，以供應其他電池充電時所需之電力。藉此，本發明不僅能夠達到提升能源使用率之功效，還可滿足安全法規對於電池放電之能源回收再利用之規範，以符合當前全世界提倡環保節能之趨勢。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
S10~S22．．．流程步驟
1．．．電池充放電裝置
10．．．電源供應模組
11．．．第一充放電模組
12．．．第二充放電模組
13．．．第三充放電模組
14．．．第四充放電模組
15．．．第五充放電模組
16．．．第六充放電模組
17．．．第七充放電模組
18．．．第八充放電模組
19．．．第九充放電模組
20．．．控制模組
B1~B9．．．第一電池~第九電池
110．．．充電控制單元
111．．．定電壓控制單元
112．．．定電流控制單元
113．．．電流讀回放大單元
114．．．電壓讀回放大單元
115．．．限流電晶體
116．．．定電壓電阻
117、R4．．．限流電阻
118、D．．．二極體
119．．．切換單元
120．．．放電控制單元
S1．．．第一開關
S2．．．第二開關
P1~P4、X、Y．．．接點
U3．．．電流讀回放大器
Q．．．定電壓/定電流控制電晶體
U4．．．電壓讀回放大器
U1．．．定電壓控制積體電路
U2．．．定電流控制積體電路
R1~R4．．．電阻
B．．．電池
圖一係繪示傳統的充放電測試設備之充放電電路對電池進行充電時的示意圖。
圖二係繪示根據本發明之第一具體實施例之電池充放電裝置的示意圖。
圖三係繪示圖二中之第一充放電模組對第一電池進行充電時之詳細電路結構的示意圖。
圖四係繪示圖二中之第一電池進行放電時第一充放電模組之詳細電路結構的示意圖。
圖五係繪示根據本發明之第二具體實施例之電池充電方法的流程圖。
圖六係繪示根據本發明之第三具體實施例之電池放電方法的流程圖。
11．．．第一充放電模組
110．．．充電控制單元
111．．．定電壓控制單元
112．．．定電流控制單元
113．．．電流讀回放大單元
114．．．電壓讀回放大單元
115．．．限流電晶體
116．．．定電壓電阻
117．．．限流電阻
118．．．二極體
119．．．切換單元
120．．．放電控制單元
S1．．．第一開關
S2．．．第二開關
P1~P4、X、Y．．．接點
B1．．．第一電池

Claims (20)

  1. 一種電池充放電裝置，包含：一直流電源供應模組；以及複數個充放電模組，耦接至該直流電源供應模組，該複數個充放電模組中之一充放電模組耦接至一電池，該充放電模組包含：一限流電晶體；一限流電阻，與該限流電晶體彼此串聯；一充電控制單元，耦接至該直流電源供應模組、該限流電晶體及該限流電阻，當該充放電模組對該電池進行充電時，該充電控制單元將彼此串聯的該限流電晶體與該限流電阻之兩端的電壓限制於固定值；以及一放電控制單元，耦接至該直流電源供應模組、該限流電晶體及該限流電阻，當該電池進行放電時，該放電控制單元將彼此串聯的該限流電晶體與該限流電阻之兩端的電壓限制於固定值，並且該放電控制單元將該電池放電時所產生之電力以直流電之型式回饋至該直流電源供應模組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池充放電裝置，其中該充電控制單元係屬於電池電壓追蹤式(Battery Voltage Tracking,BVT)之充電裝置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電池充放電裝置，其中該放電控制單元係屬於電池電壓追蹤式之放電裝置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電池充放電裝置，其中該充放 電模組進一步包含：一定電壓控制單元；一定電流控制單元；一電流讀回放大單元，耦接至該定電流控制單元、該限流電晶體及該限流電阻；以及一電壓讀回放大單元，耦接至該定電壓控制單元、該電池、該充電控制單元及該放電控制單元。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電池充放電裝置，其中當該充放電模組開始以限流模式對該電池進行充電時，該定電流控制單元負責定電流之控制；經過限流充電一段時間後，當充電電流小於最大充電電流時，該充放電模組自動轉換成以定電壓模式對該電池進行充電，該定電壓控制單元負責定電壓之控制。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之電池充放電裝置，其中當該電池放電時，該定電流控制單元持續維持限流模式，直至該電池之電壓小於一預設值為止。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電池充放電裝置，進一步包含：一控制模組，耦接至該直流電源供應模組及該複數個充放電模組，用以控制該複數個充放電模組對複數個電池進行充電及放電並監測該複數個電池之充電及放電測試結果。
  8. 一種電池充放電裝置，包含：一直流電源供應模組；以及 複數個充放電模組，耦接至該直流電源供應模組，該複數個充放電模組中之一充放電模組耦接至一電池，該充放電模組包含：一限流電晶體；一限流電阻，與該限流電晶體彼此串聯；以及一放電控制單元，耦接至該直流電源供應模組、該限流電晶體及該限流電阻，當該電池進行放電時，該放電控制單元將彼此串聯的該限流電晶體與該限流電阻之兩端的電壓限制於固定值，並且該放電控制單元將該電池放電時所產生之電力以直流電之型式回饋至該直流電源供應模組。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電池充放電裝置，其中該放電控制單元係屬於電池電壓追蹤式之放電裝置。
  10. 一種電池充放電模組，耦接至一電源供應模組及一電池，該電池充放電模組包含：一限流電晶體；一限流電阻，與該限流電晶體彼此串聯；一充電控制單元，耦接至該直流電源供應模組、該限流電晶體及該限流電阻，當該電池充放電模組對該電池進行充電時，該充電控制單元將彼此串聯的該限流電晶體與該限流電阻之兩端的電壓限制於固定值；以及一放電控制單元，耦接至該直流電源供應模組、該限流電晶體及該限流電阻，當該電池進行放電時，該放電控制單元將彼此串聯的該限流電晶體與該限流電阻之兩端的電壓限制於固定值，並且該放電控制單元將該 電池放電時所產生之電力以直流電之型式回饋至該直流電源供應模組。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電池充放電模組，其中該充電控制單元係屬於電池電壓追蹤式之充電裝置。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之電池充放電模組，其中該放電控制單元係屬於電池電壓追蹤式之放電裝置。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之電池充放電模組，進一步包含：一定電壓控制單元；一定電流控制單元；一電流讀回放大單元，耦接至該定電流控制單元、該限流電晶體及該限流電阻；以及一電壓讀回放大單元，耦接至該定電壓控制單元、該電池、該充電控制單元及該放電控制單元。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電池充放電模組，其中當該電池充放電模組開始以限流模式對該電池進行充電時，該定電流控制單元負責定電流之控制；經過限流充電一段時間後，當充電電流小於最大充電電流時，該電池充放電模組自動轉換成以定電壓模式對該電池進行充電，該定電壓控制單元負責定電壓之控制。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之電池充放電模組，其中當該電池進行放電時，該定電流控制單元持續維持限流模式，直至該電池之電壓小於一預設值為止。
  16. 一種電池充放電模組，耦接至一電源供應模組及一電池，該電池充放電模組包含：一限流電晶體；一限流電阻，與該限流電晶體彼此串聯；以及一放電控制單元，耦接至該直流電源供應模組、該限流電晶體及該限流電阻，當該電池進行放電時，該放電控制單元將彼此串聯的該限流電晶體與該限流電阻之兩端的電壓限制於固定值，並且該放電控制單元將該電池放電時所產生之電力以直流電之型式回饋至該直流電源供應模組。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電池充放電模組，其中該放電控制單元係屬於電池電壓追蹤式之放電裝置。
  18. 一種電池放電方法，透過一放電模組控制一電池進行放電，該放電模組包含彼此串聯的一限流電晶體及一限流電阻，該方法包含下列步驟：當該電池進行放電時，將彼此串聯的該限流電晶體及該限流電阻之兩端的電壓限制於固定值；以及將該電池放電時所產生之電力以直流電之型式回饋至一直流電源供應模組。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之電池放電方法，其中該放電模組係屬於電池電壓追蹤式之放電裝置。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之電池放電方法，其中當該電池進行放電時，該放電模組持續維持限流模式，直至該電池之電壓小於一預設值為止。
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