(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池セルを直列接続してなる電池モジュールを複数有する蓄電池と、前記電池モジュールに対応して設けられて前記電池モジュールの電圧を監視する複数の電圧監視回路と、該電圧監視回路と環状に接続されて該電圧監視回路と通信を行って得られる監視情報に基づいて前記蓄電池の充放電を制御する制御装置とを有する蓄電池システムにおいて、
前記蓄電池にコンデンサを介して接続され、前記制御装置から前記電圧監視回路へ電圧の監視を行う指示である指令信号を前記蓄電池の電圧に重畳して出力する電圧印加回路、を備え、
前記電圧監視回路は、前記蓄電池の電圧変化に基づいて、前記指令信号を検出する判定回路、を備え、前記判定回路によって前記指令信号が検出されたとき前記蓄電池の電圧を検出し、検出した結果を前記制御装置へ絶縁素子を介して出力し、
前記電圧印加回路は、前記指令信号を同一の振幅で周波数を変化させて複数回送信する蓄電システム。
【請求項２】
前記複数の判定回路のうち少なくとも１つは、前記複数の判定回路それぞれが判定した判定結果の平均値と所定の閾値を比較する、または前記複数の判定回路それぞれが判定した判定結果に対して多数決処理を行うことで、前記指令信号が検出されたとき前記蓄電池の電圧を検出する、請求項１に記載の蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電システム、および電圧検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電池システムは、リチウムイオン電池等の再充電が可能な蓄電池（二次電池）と、蓄電池の充放電を制御する制御装置とを備えており、制御装置の制御の下で、蓄電池に蓄えられた電力の取り出し及び蓄電池への電力の蓄え（充放電）を行うシステムである。このような蓄電池システムは、例えば電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）やハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）に搭載される電源として用いられている。
【０００３】
蓄電池システムに設けられる蓄電池は、例えば、複数の電池セル（単位電池）を直列接続してなる電池モジュールを、必要とされる電圧が得られる分だけ直列接続した構成である。このような蓄電池を備える蓄電池システムは、蓄電池を構成する電池モジュール毎に電圧監視回路を備えており、制御装置が、各電圧監視回路の監視情報（監視データ）を参照しつつ蓄電池に蓄えられた電力の取り出し及び蓄電池への電力の蓄えの制御（充放電制御）を行う。
【０００４】
例えば、特許文献１に記載の蓄電池システムは、組電池、状態監視装置、および監視ユニットを有している。さらに、特許文献１に記載の蓄電池システムは、クロック信号がマイコンからフォトカプラを介して監視ユニットに接続され、出力信号が監視ユニットからフォトカプラを介してマイコンに接続されている。すなわち、特許文献１に記載の蓄電池システムは、組電池とマイコンとを絶縁するために２つのフォトカプラを有している。なお、フォトカプラは、抵抗等に比べて高価な部品である。組電池は、複数の２次電池の直列接続体として構成されている。状態監視装置は、ｍ（≧２）個ずつの電池セルＢｉ１〜Ｂｉｍ（ｉ＝１〜ｎ）を、１つのブロックとして、ブロックの状態を監視する監視ユニットＵ１〜Ｕｎを備えている。これら各監視ユニットＵ１〜Ｕｎは、クロック信号ＣＬＫを取り込むクロック端子Ｔ１と、クロック信号を電流に変換して出力するクロック出力端子Ｔ２と、隣接する監視ユニットの出力信号を取り込む入力端子Ｔ３と、出力信号を出力する出力端子Ｔ４とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７８９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、組電池とマイコンとを絶縁するために２つのフォトカプラを有していたので、蓄電池システムのコストが高くなっていた。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、組電池を制御する制御装置と組電池とを絶縁しつつ、よりコストを低減することができる蓄電システム、および電圧検出装置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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る蓄電システムは、電池セルを直列接続してなる電池モジュールを複数有する蓄電池と、前記電池モジュールに対応して設けられて前記電池モジュールの電圧を監視する複数の電圧監視回路と、該電圧監視回路と環状に接続されて該電圧監視回路と通信を行って得られる監視情報に基づいて前記蓄電池の充放電を制御する制御装置とを有する蓄電池システムにおいて、前記蓄電池にコンデンサを介して接続され、前記制御装置から前記電圧監視回路へ電圧の監視を行う指示である指令信号を前記蓄電池の電圧に重畳して出力する電圧印加回路、を備え、前記電圧監視回路は、前記蓄電池の電圧変化に基づいて、前記指令信号を検出する判定回路、を備え、前記判定回路によって前記指令信号が検出されたとき前記蓄電池の電圧を検出し、検出した結果を前記制御装置へ絶縁素子を介して出力する。
これにより、従来技術では２つ以上用いていた絶縁素子を１つにすることができ、組電池を制御する制御装置と組電池とを絶縁しつつ、よりコストを低減することができる。
【０００９】
また、本発明の一態様に係る蓄電システムにおいて、前記電圧印加回路は、前記指令信号を同一の振幅で周波数を変化させて複数回送信するようにしてもよい。
また、本発明の一態様に係る蓄電システムにおいて、前記複数の判定回路のうち少なくとも１つは、前記複数の判定回路それぞれが判定した判定結果の平均値と所定の閾値を比較する、または前記複数の判定回路それぞれが判定した判定結果に対して多数決処理を行うことで、前記指令信号が検出されたとき前記蓄電池の電圧を検出するようにしてもよい。
これにより、ノイズと指令信号とを判別することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、組電池を制御する制御装置と組電池とを絶縁しつつ、よりコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る蓄電池システムの要部構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態に係る判定回路の構成例を示すブロック図である。
【図３】第１実施形態に係る指令信号の一例を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る蓄電池システムの要部構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、理解を容易にするために、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＶ）等の自動車に搭載される蓄電池システムを例に挙げて説明する。
【００１３】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る蓄電池システム１の要部構成を示すブロック図である。
まず、蓄電池システム１の構成について説明する。
図１に示すように、蓄電池システム１は、蓄電池１０（組電池）、電圧検出回路２０ａ〜２０ｄ（電圧監視回路）、絶縁素子３０、バッテリ制御回路４０（制御装置）、コンデンサＣ１〜Ｃ４、抵抗Ｒ１、コンタクタＳＷ１〜ＳＷ２、インバータＩＮＶ、およびモータＭを備える。蓄電池１０は、複数の直列に接続された電池モジュール１１ａ〜１１ｄを備える。電池モジュール１１ａ〜１１ｄそれぞれは、複数の直列に接続された電池セルＢｎ１〜Ｂｎ４（ｎはａ〜ｄ）を備える。なお、図１においては、説明を簡単にするために４つの電池モジュール１１ａ〜１１ｄを備える蓄電池１０を示しているが、蓄電池１０に設けられる電池モジュールの数は任意である。また、説明を簡単にするために、各電池モジュール１１ａ〜１１ｄが４つの電池セルＢを備える例を示しているが、各電池モジュール１１ａ〜１１ｄが備える電池セルＢｎ１〜Ｂｎ４の数は任意である。なお、このような、蓄電池システム１は、例えば車両に搭載される。
【００１４】
また、電圧検出回路２０ａは判定回路２１ａを備え、電圧検出回路２０ｂは判定回路２１ｂを備え、電圧検出回路２０ｃは判定回路２１ｃを備え、電圧検出回路２０ｄは判定回路２１ｄを備える。また、バッテリ制御回路４０は、電圧印加回路４１を備える。なお、電池モジュール１１ａ〜１１ｄのうち１つを特定しない場合、単に電池モジュール１１という。電池セルＢｎ１〜Ｂｎ４のうち１つを特定しない場合、単に電池セルＢという。電圧検出回路２０ａ〜２０ｄのうち１つを特定しない場合、単に電圧検出回路２０という。判定回路２１ａ〜２１ｄのうち１つを特定しない場合、単に判定回路２１という。
【００１５】
電池モジュール１１ａ〜１１ｄは、電池モジュール１１ａ〜１１ｄの順に直列に接続されている。電池セルＢａ１〜Ｂａ４それぞれの両端は、電圧検出回路２０ａの入力端子に接続されている。電池セルＢｂ１〜Ｂｂ４それぞれの両端は、電圧検出回路２０ｂの入力端子に接続されている。電池セルＢｃ１〜Ｂｃ４それぞれの両端は、電圧検出回路２０ｃの入力端子に接続されている。電池セルＢｄ１〜Ｂｄ４それぞれの両端は、電圧検出回路２０ｄの入力端子に接続されている。さらに、電池セルＢａ４の正極側は、コンタクタＳＷ１の一方端とコンデンサＣ１の一方端に接続されている。電池セルＢｄ１の負極側は、コンタクタＳＷ２の一方端に接続されている。
【００１６】
コンデンサＣ１の他端は、抵抗Ｒ１の一端に接続されている。バッテリ制御回路４０の電圧印加回路４１は、出力端子が抵抗Ｒ１の他端に接続されている。電圧検出回路２０ａ〜２０ｄは、電圧検出回路２０ａ〜２０ｄの順に、互いに縦続接続（デイジーチェーン接続）されて絶縁素子３０を介してバッテリ制御回路４０の入力端子に接続されている。コンタクタＳＷ１の他端は、コンデンサＣ２の一端とコンデンサＣ３の一端とインバータＩＮＶの一端に接続されている。
【００１７】
コンデンサＣ２には、直列に接続されたコンデンサＣ３とコンデンサＣ４が並列に接続されている。またコンデンサＣ３の他端とコンデンサＣ４の一端との間は、接地されている。コンデンサＣ３の他端は、コンデンサＣ４の一端に接続されている。コンタクタＳＷ２の他端は、コンデンサＣ２の他端とコンデンサＣ４の他端とインバータＩＮＶの一端に接続されている。インバータＩＮＶには、モータＭが接続されている。
【００１８】
次に、蓄電池システム１の動作等をついて説明する。
インバータＩＮＶは、蓄電池システム１から供給される電力によりモータＭを駆動して自動車を走行させるための動力を発生させる。また、インバータＩＮＶは、自動車の減速時にはモータＭを発電機として機能させてモータＭで発電される電力を回生電力として蓄電池システム１に供給する。
【００１９】
コンデンサＣ２は、ディファレンシャルモードノイズを低減するためのノイズ除去用のＸコンデンサである。コンデンサＣ３〜Ｃ４は、コモンモードノイズをグランドに流して低減するノイズ除去用のＹコンデンサである。一般的に、Ｘコンデンサには容量の大きなフィルムコンデンサ等を用い、Ｙコンデンサには容量の小さいセラミックコンデンサ等を用いる。
【００２０】
蓄電池１０は、電池モジュール１１ａ〜１１ｄを備え、バッテリ制御回路４０の制御によって、蓄えている電力の放電及び供給される電力の充電を行う。なお、蓄電池１０は、ブレーカー、ヒューズ等を備えていてもよい。電池モジュール１１は、予め規定された複数の電池セルＢｎ１〜Ｂｎ４が、電池セルＢｎ１〜Ｂｎ４の順に直列に接続されているモジュールである。電池セルＢは、電池モジュール１１ａ〜１１ｄに設けられる単位電池であり、例えばリチウムイオン電池等の再充電が可能な蓄電池（二次電池）である。
【００２１】
電圧検出回路２０ａ〜２０ｄは、蓄電池１０の電池モジュール１１ａ〜１１ｄに対応して設けられている。なお、図１においては、説明を簡単にするために４つの電圧検出回路２０ａ〜２０ｄを図示しているが、電圧検出回路２０の数は蓄電池１０の電池モジュール１１と同数設けられている。電圧検出回路２０の判定回路２１は、電圧印加回路４１が出力した指令信号が抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１を介して電源ラインＬに重畳して入力されたことを、例えば異なる電池セルＢ間の電圧を、コンパレータを用いて比較することで指令信号入力されたか否かを判定する。すなわち、判定回路２１は、電源ラインＬの電圧変化に基づいて指令信号を検出する。判定回路２１は、指令信号が入力されたと判定したとき、電池モジュール１１の電圧（対応する電池モジュール全体の電圧）、及び電池セルＢｎ１〜Ｂｎ４の電圧を検出する。なお、判定回路２１の構成例、指令信号の例については、後述する。電圧検出回路２０ａ〜２０ｄは、電池モジュール１１、及び各電池セルＢの電圧を検出した結果である監視情報（監視データ）を、他の電圧検出回路２０と絶縁素子３０を介して、バッテリ制御回路４０に出力する。なお、これら電圧検出回路２０ａ〜２０ｄは、対応する電池モジュール１１ａ〜１１ｄからの給電を受けてそれぞれ動作する。
【００２２】
絶縁素子３０は、デイジーチェーン接続された電圧検出回路２０ａ〜２０ｄとバッテリ制御回路４０との間を電気的に絶縁するための素子であり、例えばフォトカプラである。
【００２３】
バッテリ制御回路４０は、電圧検出回路２０ａ〜２０ｄの監視情報に基づいて、蓄電池１０の充放電を制御する。具体的に、バッテリ制御回路４０は、電圧検出回路２０ａ〜２０ｄの監視情報から蓄電池１０の残容量（ＳＯＣ：State Of Charge）を求め、求めた残容量が予め規定された許容範囲内である場合には、車両の走行状態に応じて蓄電池１０の充放電を制御する。例えば、モータＭを駆動して車両を走行させるための動力を発生させる場合、バッテリ制御回路４０は、蓄電池１０に蓄えられた電力を放電させる制御を行い、車両を減速させる場合には、インバータＩＮＶから供給される回生電力によって蓄電池１０を充電する制御を行う。
【００２４】
バッテリ制御回路４０の電圧印加回路４１は、例えば所定の周期毎に指令信号を生成し、生成した指令信号を抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１を介して電源ラインＬに重畳して電圧検出回路２０ａの判定回路２１ａに出力する。なお、前述したように、この指令信号は、電圧検出回路２０ａを介して電圧検出回路２０ｂに出力され、電圧検出回路２０ａと電圧検出回路２０ｂを介して電圧検出回路２０ｃに出力され、電圧検出回路２０ａと電圧検出回路２０ｂと電圧検出回路２０ｃを介して電圧検出回路２０ｄに出力される。
【００２５】
次に、判定回路２１の構成例を説明する。
図２は、本実施形態に係る判定回路２１の構成例を示すブロック図である。図２に示すように、判定回路２１ａは、抵抗Ｒ１１、コンパレータＡＭ１１を備え、判定回路２１ｂは、抵抗Ｒ１２、コンパレータＡＭ１２を備えている。
コンパレータＡＭ１１は、一方の入力端がコンデンサＣ１１を介して電源ラインＬであり電池セルＢａ４の正極側と抵抗Ｒ１１の一端に接続され、他方の入力端が抵抗Ｒ１１の他端と電池セルＢａ１の負極側と電池セルＢｂ４の正極側に接続されている。
コンパレータＡＭ１２は、一方の入力端がコンデンサＣ１２を介して電池セルＢａ１の負極側と電池セルＢｂ４の正極側と抵抗Ｒ１２の一端に接続され、他方の入力端が抵抗Ｒ１２の他端と電池セルＢｂ１の負極側に接続されている。
【００２６】
なお、図２に示した例では、コンデンサＣ１１およびＣ１２の一端が、電池セルＢｎ４の正極側に接続されている例を示したが、これに限られない。コンデンサＣ１１およびＣ１２の一端は、電池セルＢｎ２の負極側と電池セルＢｎ１の正極側との間、電池セルＢｎ３の負極側と電池セルＢｎ２の正極側との間、電池セルＢｎ４の負極側と電池セルＢｎ３の正極側との間のうちのいずれか１つであってもよい。
【００２７】
次に、指令信号の一例を説明する。
図３は、本実施形態に係る指令信号の一例を示す図である。図３において、横軸は時刻、縦軸は各信号の信号レベルを表している。波形ｇ１は、電圧印加回路４１が出力する出力信号（指令信号）Ｖａであり、波形ｇ２は、判定回路２１が出力する出力信号Ｖｂの波形である。波形ｇ３は、時刻ｔ２のとき例えば電源ラインＬに発生したノイズの波形の一例である。
【００２８】
時刻ｔ１のとき、電圧印加回路４１は、電源ラインＬに指令信号を印加する。この結果、波形ｇ１のように、信号レベルが例えばＶからＶ＋ΔＶに変化する。例えば判定回路２１ａは、コンデンサＣ１およびＣ１１、抵抗Ｒ１１により指令信号Ｖａを微分した波形を出力する。
時刻ｔ２のとき、電圧印加回路４１は、電源ラインＬに指令信号の印加を終了する。この結果、波形ｇ１のように、信号レベルが例えばＶ＋ΔＶからＶに変化する。例えば判定回路２１ａは、コンデンサＣ１およびＣ１１、抵抗Ｒ１１により指令信号Ｖａを微分した波形を出力する。
判定回路２１は、このように電源ラインＬの電圧変化を検出する。そして、電圧検出回路２０は、変化したことを示す出力信号Ｖｂを出力したとき、電池モジュール１１および各電池セルＢｎの電圧を検出する。なお、判定回路２１は、例えば立ち上がりが検出された後に立ち下がりが検出されたとき、指令信号が入力されたと判定する。
【００２９】
本実施形態では、蓄電池１０とバッテリ制御回路４０とが、指令信号側がコンデンサＣ１を介してＤＣ（直流）時に絶縁され、電圧検出回路２０側が絶縁素子３０によって絶縁されている。そして、電圧印加回路４１が電源ラインＬにコンデンサＣ１等を介して、電圧を検出するタイミングを示す指令信号を重畳する。そして、判定回路２１は、電源ラインＬの電圧変化を検出することで指令信号を検出して、電池モジュール１１および各電池セルＢｎの電圧を検出する。この結果、本実施形態によれば、絶縁素子を１つに低減することができるので、蓄電池システム１のコストを低減することができる。
【００３０】
［第２実施形態］
第１実施形態では、電圧印加回路４１が、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１を介して電源ラインＬに指令信号を重畳する例を示したが、第２実施形態では、ＹコンデンサであるコンデンサＣ３を介して電源ラインＬに指令信号を重畳する例を説明する。
図４は、本実施形態に係る蓄電池システム１Ａの要部構成を示すブロック図である。なお、蓄電池システム１と同じ機能を有する構成要素については、同じ符号を用いて説明を省略する。図４に示すように、蓄電池システム１Ａは、蓄電池１０、電圧検出回路２０ａ〜２０ｄ、絶縁素子３０、バッテリ制御回路４０Ａ、コンデンサＣ２〜Ｃ４、抵抗Ｒ１、コンタクタＳＷ１〜ＳＷ２、スイッチＳＷ３、インバータＩＮＶ、およびモータＭを備える。また、バッテリ制御回路４０Ａは、電圧印加回路４１Ａを備えている。
【００３１】
電池セルＢａ４の正極側は、コンタクタＳＷ１の一方端に接続されている。電池セルＢｄ１の負極側は、コンタクタＳＷ２の一方端に接続されている。
電圧印加回路４１Ａは、出力端子がコンデンサＣ３の他端とコンデンサＣ４の一端との交点とスイッチＳＷ３の一端に接続されている。スイッチＳＷ３の他端は、接地されている。なお、スイッチＳＷ３の開閉の制御は、バッテリ制御回路４０Ａが行う。また、判定回路２１の構成は、図２に示した第１実施形態と同様である。
【００３２】
次に、蓄電池システム１Ａの動作について、図３を参照しつつ説明する。
時刻ｔ１まで、バッテリ制御回路４０Ａは、スイッチＳＷ３をオン状態に制御する。また、時刻ｔ１まで、電圧印加回路４１Ａは、電源ラインＬに指令信号を重畳しない。
時刻１〜ｔ３の期間、バッテリ制御回路４０Ａは、スイッチＳＷ３をオフ状態に制御する。また、時刻ｔ１〜ｔ３の期間、電圧印加回路４１Ａは、電源ラインＬに指令信号を重畳する。
【００３３】
以上のように、本実施形態では、蓄電池１０とバッテリ制御回路４０Ａとが、指令信号側がＹコンデンサであるコンデンサＣ３を介してＤＣ時に絶縁され、電圧検出回路２０側が絶縁素子３０によって絶縁されている。そして、本実施形態では、電圧印加回路４１Ａが、ＹコンデンサであるコンデンサＣ３を介して電源ラインＬに指令信号を重畳する。そして、この指令信号を判定回路２１が検出して、電池モジュール１１および各電池セルＢの電圧を検出する。この結果、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、絶縁素子を１つに低減することができるので、蓄電池システム１Ａのコストを低減することができる。
【００３４】
なお、第１実施形態または第２実施形態において、電圧印加回路４１（または４１Ａ）が指令信号を出力するタイミングは、例えば所定の周期毎である。または、波形ｇ１の鎖線および符号Δｔに示すように、振幅が同じで周波数を可変して出力するようにしてもよい。これにより、時刻ｔ２のときノイズが電源ラインＬ等に入った場合であっても、このノイズが周期的に発生するノイズであれば、指令信号を出力する周波数を可変することで、ノイズを指令信号として誤検出することを防ぐことができる。
【００３５】
また、第１実施形態または第２実施形態において、判定回路２１は、判定結果を示す出力信号Ｖｂを、監視情報に合わせて他の電圧検出回路２０へ出力するようにしてもよい。この場合、例えば、判定回路２１ｄが、各判定回路２１からの出力信号をカウントし、例えば、出力信号の数が電圧検出回路２０の数に応じた閾値以上であるか否かの多数決判定を行うようにしてもよい。例えば、閾値は３であり、判定回路２１ｄは、出力信号の数が１〜２の場合はノイズであると判定し、出力信号の数が３以上の場合は正しい指令信号が入力されたと判定するようにしてもよい。また、判定回路２１が、複数の判定回路２１の出力信号のレベルを取得し、取得した信号レベルの平均値を算出し、算出した値と所定の閾値を比較することで、指令信号が検出されたか否かを判定するようにしてもよい。
【００３６】
また、第１実施形態または第２実施形態では、各電圧検出回路２０が判定回路２１を備える例を説明したが、判定回路２１は、複数の電圧検出回路２０のうち、少なくとも１つが備えていればよい。この場合、指令信号を検出した判定回路２１が、監視情報に加えて指令信号を検出したことを示す情報を、他の電圧検出回路２０に出力するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１、１Ａ…蓄電池システム、１０…蓄電池、１１，１１ａ〜１１ｄ…電池モジュール、２０，２０ａ〜２０ｄ…電圧検出回路、３０…絶縁素子、４０，４０Ａ…バッテリ制御回路、Ｃ１〜Ｃ４、Ｃ１１、Ｃ１２…コンデンサ、Ｒ１、Ｒ１１、Ｒ１２…抵抗、ＳＷ１〜ＳＷ２…コンタクタ、ＳＷ３…スイッチ、ＩＮＶ…インバータ、Ｍ…モータ、２１，２１ａ〜２１ｄ…判定回路、４１，４１Ａ…電圧印加回路、Ｂ、Ｂａ１〜Ｂａ４、Ｂｂ１〜Ｂｂ４、Ｂｃ１〜Ｂｃ４、Ｂｄ１〜Ｂｄ４…電池セル、ＡＭ１１、ＡＭ１２…コンパレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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