(57)【要約】【課題】１系統の直流電源から１つのコンダクタを介し複数の電力変換器，複数の負荷である３相電動機が接続された装置において、１つの電力変換器が故障したときでも所定診断をした後に他の電力変換器を駆動させる。【解決手段】複数の電力変換器のうち、１個の電力変換器が故障に至った場合、電力変換器内のスイッチング素子の故障箇所，リーク電流増大の有無，アーム短絡の可能性の有無を診断し、診断結果内容によってコンダクタをショートし他の正常な電力変換器を駆動させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流から３相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる第１の電力変換器と、直流から３相交流に電力変換する第２の電力変換器と、２つの電力変換器の直流入力端子は同電位になるよう接続されかつその端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されるコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器の診断方法であって、
前記第１の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第１の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断し、
前記第２の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第２の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断し、
前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電に要する時間を計測して所定時間内に前記平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断し、この診断結果により前記コンダクタへの直流電流の通電可否を判断することを特徴とする複数の電力変換器の診断方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の電力変換器又は前記第２の電力変換器どちらか一方の故障を検出し、他の一方は故障していないと診断する場合、前記充電回路が前記平滑コンデンサに充電を開始すると、充電に要する時間を計測し、所定時間内に平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達すると前記コンダクタへ前記直流電流を通電し、前記充電電圧が所定の電圧に達しないと前記コンダクタへ前記直流電流を投入しないことを特徴とする電力変換器の診断方法。
【請求項３】
直流から３相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる第１の電力変換器と、直流から３相交流に電力変換する第２の電力変換器と、前記第１及び第２の電力変換器の直流入力端子が同電位になるよう接続され、前記直流入力端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに接続され、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されたコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器の診断方法であって、前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電に要する時間を計測して所定の時間内に平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断し、第１の電力変換器は３相交流出力が所定の電流以下となるようにＯＮ／ＯＦＦのスイッチング動作をしてスイッチング素子群に所定の電流以上が通電されていないことを判断し、充電時間が前記所定の時間内かつ所定の電流以下の通電であると判断したときコンダクタを投入することを特徴とする電力変換器の診断方法。
【請求項４】
直流から３相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる第１の電力変換器と、直流から３相交流に電力変換する第２の電力変換器と、前記第１及び第２の電力変換器の直流入力端子が同電位になるよう接続され、前記直流入力端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに接続され、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されたコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器の診断方法であって、
前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電作業に要する時間を計測して所定時間内に平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断し、第１の電力変換器は３相交流出力が零の状態であるようにＯＮ／
ＯＦＦのスイッチング動作をし、その後平滑コンデンサには所定の電圧以上であることを判断し、所定の電圧以上であればコンダクタを投入することを特徴とする複数の電力変換器の診断方法。
【請求項５】
直流から３相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる第１の電力変換器と、直流から３相交流に電力変換する第２の電力変換器と、前記第１及び第２の電力変換器の直流入力端子が同電位になるよう接続され、前記直流入力端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに接続され、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されたコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器の診断方法であって、
前記第１の電力変換器のスイッチング素子についてゲート端子の状態にコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断し、前記第２の電力変換器のスイッチング素子についてゲート端子の状態にコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断し、その後、前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電作業に要する時間を計測して所定時間内に前記平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断し、前記第１の電力変換器は３相交流出力が零の状態であるようにスイッチング動作をし、その後、前記平滑コンデンサには所定の電圧以上であることを判断し、所定の電圧以上であればコンダクタを投入することを特徴とする複数の電力変換器の診断方法。
【請求項６】
直流から３相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる複数の電力変換器と、前記複数の電力変換器の直流入力端子が同電位になるよう接続されかつその端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されるコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器であって、
前記電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断する第１の診断部と、
前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電に要する時間を計測して所定時間内に前記平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断する第２の診断部と、前記第１及び第２の診断部の診断結果に基づいて前記コンダクタへの直流電流の通電可否を判断する判断部を有することを特徴とする電力変換器。
【請求項７】
直流から３相交流に電力変換するスイッチング素子群からなる第１の電力変換器と、直流から３相交流に電力変換する第２の電力変換器と、２つの電力変換器の直流入力端子は同電位になるよう接続されかつその端子に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサを充電する充電回路と、前記充電回路と並列に接続されるコンダクタと、前記コンダクタに接続される直流電源とを有する電力変換器であって、
前記第１の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第１の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断する第１の診断部と、
前記第２の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に前記第２の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断する第２の診断部と、
前記充電回路が前記平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電に要する時間を計測して所定時間内に前記平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断する第３の診断部と、前記第１，第２及び第３の診断部の診断結果に基づいて前記コンダクタへの直流電流の通電可否を判断する判断部を有することを特徴とする電力変換器。
【請求項８】
請求項６又は７のいずれか１項において、
前記電力変換器の少なくとも１つの故障を検出し、他の電力変換器は故障していないと診断する場合、前記充電回路が前記平滑コンデンサに充電を開始すると、充電に要する時間を計測するタイマー回路部と、所定時間内に平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達すると前記コンダクタへ前記直流電流を通電し、前記充電電圧が所定の電圧に達しないと前記コンダクタへ前記直流電流を投入しない直流電流制御部とを有することを特徴とする電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換器の故障診断及びコンダクタ投入の方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の複数の電力変換器では、１つのコンダクタの下に電力変換器を設ける場合、１つの電力変換器が故障したことで安全性の問題から他の電力変換器を停止していた。故障原因のひとつにスイッチング素子の故障が上げられる。直流電力から３相交流電力に変換する回路として極めて一般的なのが、６つのスイッチング素子からなる３相ブリッジ構成のものである。ハーフブリッジ回路を３つ並べたもので、そのハーフブリッジは上下（実施例では、上をハイサイド側、下をローサイド側とも呼ぶ）にスイッチング素子が並べている。スイッチング素子が故障するモードは、主に過電流と過電圧が上げられる。
【０００３】
その中で故障頻度の高い故障として、一つは上下のスイッチング素子が同時オンしたときや負荷のインピーダンスが低下したときに過電流が発生して異常発熱し、最終的には破損する。
【０００４】
その他、上下のスイッチング素子が同時オンしたときや負荷のインピーダンスが低下したときに過電流が発生したスイッチング素子をターンオフしたときに跳ね上り電圧が高くなり過電圧で故障する。これら２つの故障モードが大半を占めている。
【０００５】
しかし、以上の２つの故障時は上下のスイッチング素子が両方とも故障する確率は小さい。よって、上側のスイッチング素子のコレクタ端子と下側のエミッタ端子のソース端子間に電圧を印加してもゲート端子をオンしていなければ、短絡電流が流れることは小さい。他の故障原因となるモードは、上側のスイッチング素子のコレクタ端子と下側のエミッタ端子のソース端子間にスイッチング素子の耐圧を超える電圧が印加されたときである。
【０００６】
その時はまずどちらかの素子に過電圧がかかり、漏れ電流が発生する。いずれそれは発熱源となり故障し、一方の素子も同じ現象に至って上下のスイッチング素子は両方とも故障すると考えられる。以上から、電力変換器の故障時は電力供給しないこととし、複数からなる電力変換器の故障時は、１つの電力変換器が故障した場合安全のためコンダクタを投入しないで全ての電力変換器を停止させていた。尚、複数の電力変換手段を有し、いずれかの電力変換手段が故障した場合、他の正常な電力変換手段を動作させるようにしたものとして、特許文献１に記載されたものが知られている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−８７６０４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電動で走行可能なハイブリッド車などは３相交流電動機を複数搭載している。交流電動機を動作させるには対応する電力変換器がそれぞれ必要である。電力変換器は、３相フルブリッジ構成で部品点数が多くハイブリッドでない従来の車両より非常に複雑な構成となる。その電力変換器を多数搭載することで故障率が高くなり、部品一つ故障しても車両を動かすことが困難となる。安全保護用にバッテリと電力変換器との間にコンダクタを有する。コンダクタは高価なため、一般には、１つしか用いない。よって、１つのコンダクタの下に複数の電力変換器を設ける構成となっている。１つでも電力変換器に異常が発生すると他の電力変換器を停止していたため、車両を動かすことが困難であった。それを回避するため、１つの電力変換器が異常に至っても極力車両を動かせるようにする必要性がある。
【０００９】
コンダクタ出力先の平滑コンデンサに電位が生じると、電力変換器にも電位が印加される。もし、電力変換器が異常になると、その異常な電力変換器に電位を印加させるのは危険が生じる。そのため、電位の印加が可能か否かを診断する故障診断できることが必要である。
【００１０】
コンダクタを異常診断結果の内容により、投入するか否かを判断可能なシステムであることが必要である。
【００１１】
従来のハイブリット車を含む電気車は電力変換器が複数用いられるので故障率が高く、車両停止に至る確率が高い。故障診断結果により、従来より極力車両を動かせることシステムを付加する故障診断方法が要求される。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、第１の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に第１の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断し、第２の電力変換器のスイッチング素子のゲート端子の状態に第２の電力変換器のスイッチング素子のスイッチング素子のコレクタ端子が合致しない状態か否かを診断し、充電回路が平滑コンデンサに電荷を充電し、その充電に要する時間を計測して所定時間内に平滑コンデンサの充電電圧が所定の電圧に達したか否かを診断し、この診断結果によりコンダクタへの直流電流の通電可否を判断することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、例えば、１系統の直流電源から１つのコンダクタを介し複数の電力変換器、複数の負荷である３相電動機が接続された装置において、１つの電力変換器が故障したときでも所定診断をした後に他の電力変換器を駆動させるものである。そのために、複数の電力変換器のうち、１個の電力変換器が故障に至った場合、電力変換器内のスイッチング素子の故障箇所，リーク電流増大の有無，アーム短絡の可能性の有無を診断し、診断結果によってコンダクタをショートし他の正常な電力変換器を駆動させるものである。
【００１４】
本発明の一実施例を図１に、システム結線図を図２に示す。
【００１５】
まず、図２で回路構成を説明する。
【００１６】
第１の電力変換器５は入力側に平滑コンデンサ４が接続され、出力側に第１の３相電動機が接続される。平滑コンデンサ４はメインコンダクタ２と充電回路３に接続される。充電回路３は平滑コンデンサ４に電荷を充電させる機能を有し、メインコンダクタ２は平滑コンデンサ４の充電完了後投入され、電力変換器の運転終了後、または、回路異常時に開放する役目を有する。メインコンダクタ２は平滑コンデンサ４と相反する側に直流電源１に接続される。
【００１７】
第２の電力変換器６は入力側に平滑コンデンサ４が、出力側に第２の３相電動機が接続される。
【００１８】
第１の電力変換器は、ＭＰＵ１３（ＭＰＵ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｐｕｒｐｏｓｅ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  の略）から出力されるＰＷＭ信号を第１のゲート駆動回路１１が電力変換器内のスイッチング素子を駆動できるようにパルス変換したＰＷＭ信号を受け駆動する。
【００１９】
第１の故障診断器９は第１のゲート駆動回路１１のＰＷＭ信号状態に合致しているか否か、第１の電力変換器５内のスイッチング素子の出力端子（コレクタ−エミッタ間）電圧を監視する。監視内容はＭＰＵ１３にフィードバックする。なお、ここでいうスイッチング素子は、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどのトランジスタである。
【００２０】
第１の電力変換器５は負荷である第１の３相電動機７に電力供給する。第１の３相電動機７の通電電流は第１の電流検出器１４で検出し、ＭＰＵ１３にフィードバックする。
【００２１】
第２の電力変換器６は、第１の電力変換器５と同様の接続を行う。ＭＰＵ１３から出力するＰＷＭ信号は、第２のゲート駆動回路１２でスイッチング素子が駆動できるようにレベル変換され、そこで電力変換器が動作する。スイッチング素子はＯＮ／ＯＦＦ動作を繰返すので第２の故障診断器でＯＮ／ＯＦＦ動作が正しく行われているか判定する。監視内容はＭＰＵ１３にフィードバックする。
【００２２】
第２の電力変換器６は負荷である第２の３相電動機８に電力供給する。第２の３相電動機８の通電電流は第２の電流検出器１５で検出し、ＭＰＵ１３にフィードバックする。充電回路３はＭＰＵ１３の指令で動作する。平滑コンデンサ４の電圧は平滑コンデンサ電圧検出器１６を経てＭＰＵ１３にフィードバックされる。メインコンダクタ２はＭＰＵ１３の指令で開閉駆動する。
【００２３】
次に、診断内容について説明する。ＭＰＵ１３を含む制御回路をパワーオンする（図１、処理３０）。電源平滑コンデンサ４に直流電源１の電圧を印加していない状態から、まず電力変換器のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦが確実にできるか確認を行う。電力変換器は３相ブリッジ構成のため６個のスイッチング素子がある。代表例としてローサイド側スイッチング素子部の回路を図３も使い説明する。ＭＰＵ１３は各スイッチング素子がＯＦＦする信号を第１のゲート駆動回路１１中のプッシュプル回路２２とゲート抵抗２１から与える（図１、処理３１）。
【００２４】
図３中のゲート電源電圧とは、スイッチング素子をＯＮさせるためのゲート印加電圧値とほぼ同じレベルである。第１の故障診断器９はスイッチング素子２０のコレクタ−エミッタ間の端子電圧値を監視する（図１、処理３２）。コレクタ端子にはゲート電源電圧相当値がダイオード２３と抵抗２４を介して印加される。その先のトランジスタ２５は図３を見ての如くスイッチング素子２０のコレクタ端子の電圧によりショート／オープンと変化する。スイッチング素子２０がＯＦＦのときはトランジスタ２５がショート、逆にＯＮのときはトランジスタ２５がオープンとなる。このトランジスタ２５の出力先はＭＰＵ１３に接続し、ＭＰＵ１３はＭＰＵ１３自身が出力したＰＷＭ信号とスイッチング素子２０の出力状態の比較ができる。ＭＰＵ１３はプログラムにより比較し、ゲート駆動回路とスイッチング素子２０の応答遅れ時間によって異常検出をマスクする（図１，処理３３）。
【００２５】
図３中のレベル変換２６は、ＭＰＵ１３またはロジック回路が入力可能な電圧レベルに変換するものである。ローサイド側スイッチング素子は図中のＶＣの電位を５ＶなどＭＰＵ１３の入力可能な電圧にすればよい。ハイサイド側スイッチング素子は、ローサイド側スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの状態によりＶＣの電位が変動するため、レベル変換をフォトカプラによる絶縁や電圧変動が生じてもＯＮ／ＯＦＦ検出可能な回路にする。この上記診断を各スイッチング素子（合計６個）について個別に行う。
【００２６】
上記診断（スイッチング素子２０の出力状態の比較）結果で、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のうち例えばＵ相でローサイド側スイッチング素子とハイサイド側スイッチング素子の両方に異常（ＭＰＵ１３が出力したＰＷＭ信号とスイッチング素子２０の出力状態が合致しないこと）があった場合、アーム短絡の可能性があるため充電回路３とメインコンダクタ２を動作させず、全電力変換器システム停止とする（図１、処理４６）。この装置は、これ以上の運転は不可能と判断する。例えばＵ相でローサイド側スイッチング素子とハイサイド側スイッチング素子のどちらかに異常があった場合は、診断している電力変換器は使えないと判断し停止させ（図１、処理３４）、どちらも異常が無い場合、次の電力変換器（例えば、第２の電力変換器）で同様の診断をする（図１、処理３５）。
【００２７】
次の電力変換器でローサイド側スイッチング素子とハイサイド側スイッチング素子の両方に異常があった場合、アーム短絡の可能性があるため充電回路３とメインコンダクタ２を動作させない（図１、処理４６）。Ｕ相でローサイド側スイッチング素子とハイサイド側スイッチング素子のどちらかに異常があった場合は、図１の処理３４へ、どちらも異常が無い場合、次の電力変換器で同様の診断をする（図１、処理３５）。図１の実施例は、電力変換器が２個の場合としたが、３個以上でも同様の診断を継続すればよい。
【００２８】
このような診断を行うものをソフト的に又はハード的に診断部とし、また、第１の電力変換器の診断を行うものを第１の診断部とし、第２の電力変換器の診断を行うものを第２の診断部とハード的に又はソフト的に分けてもよい。
【００２９】
以上の診断が終了し、他の診断又は次の診断を行う。このような診断を上述の診断部に含めてもよいし又は第３の診断部として、ハード的に又はソフト的に分離してもよい。
【００３０】
ローサイド側スイッチング素子とハイサイド側スイッチング素子のどちらかに異常があった場合、どちらも異常が無い場合、充電回路３で平滑コンデンサ４に充電する（図１、処理３７）。このときすべてのスイッチング素子はＭＰＵ１３よりＯＦＦにする（図１、処理３６）。
【００３１】
充電回路３は抵抗もしくはトランジスタにより電流制限させ平滑コンデンサへの投入電流を抑制させる。平滑コンデンサ電圧検出器１６は平滑コンデンサ４の充電電圧をＭＰＵ１３が認識できる電圧にレベル変換する。ＭＰＵ１３が電圧を認識することで、タイマーを有するＭＰＵ１３が充電する指令を出力して充電を開始し、所定の電圧になるまでの充電時間を計測できる。充電時間が所定の時間内にあれば、電力変換器５・６や平滑コンデンサ４はリーク電流が小さいので正常と判断でき、逆に時間内に充電できなかった場合はリーク電流が大きいことなので異常と判断できる（図１、処理３８）。異常と判断した場合、発熱が大きく発煙・発火の可能性が考えられるので、充電回路３を停止し、メインコンダクタ２はオープン状態を維持する（図１、処理４６）。
【００３２】
充電回路を介して平滑コンデンサ４に充電したあと、次の診断を行う。第１の電力変換器は３相電動機にある一定の小さい電流を通電させ、第１の電流検出器１４が所定の電流値であること、もしくは３相電動機に電流を通電させないようＭＰＵ１３よりＰＷＭ信号を出力して平滑コンデンサ４が所定の電圧以下になっていないことをＭＰＵ１３が確認する（図１、処理３９）。所定の電流以下、もしく所定の電圧以上を保持している場合正常と判断し、次の電力変換器を診断するか（図１、処理４４）、メインコンダクタ２をショートし電力変換器は運転可能状態であるとＭＰＵ１３は判断する。所定の電流以上、もしく所定の電圧以下とＭＰＵ１３が判断した場合（図１、処理４０）、ＭＰＵ１３はその電力変換器を故障として判断し停止させ（図１、処理４１）、次の電力変換器の診断を行う（図１、処理４２）。診断する電力変換器が無く、いままで診断した電力変換器に正常品の有無を判断させる（図１、処理４３）。正常なものがあれば、コンダクタをショート（ＯＮ）させ（図１、処理４５）、すべて異常であれば充電回路３を停止させメインコンダクタ２はオープン状態を維持し全電力変換器をシステム停止とする（図１、処理４６）。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、１系統の直流電源から複数の電力変換器を使い複数の負荷である３相電動機からなる複数の電力変換器において、いままでは１つの電力変換器が故障したときは他の電力変換器を停止させていたのを、１つの電力変換器が故障に至った場合でも説明した診断内容を実行し、診断結果の内容により他の電力変換器を動作可能にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】診断のフローチャート。
【図２】複数の電力変換器から成るシステム結線図。
【図３】スイッチング素子と故障診断器。
【符号の説明】
１…直流電源、２…メインコンダクタ、３…充電回路、４…平滑コンデンサ、５…第１の電力変換器、６…第２の電力変換器、７…第１の３相電動機、８…第２の３相電動機、９…第１の故障診断器、１０…第２の故障診断器、１１…第１のゲート駆動回路、１２…第２のゲート駆動回路、１３…ＭＰＵ、１４…第１の電流検出器、１５…第２の電流検出器、１６…平滑コンデンサ電圧検出器、２０…スイッチング素子、２１…ゲート抵抗、２２…プッシュプル回路、２３…ダイオード、２４…抵抗、２５…トランジスタ、２６…レベル変換、３０…ＭＰＵパワーオン処理、３１…ＰＷＭ出力処理、３２…スイッチング素子モニタ処理、３３…ロジック診断処理、３４…電力変換器停止処理１、３５…次電力変換器診断有無処理１、３６…スイッチング素子ＯＦＦ処理、３７…充電開始処理、３８…充電時間電圧測定処理、３９…スイッチング素子指令処理、４０…充電電圧の測定処理、４１…電力変換器停止処理２、４２…次電力変換器診断有無処理２、４３…正常電力変換器有無診断、４４…次電力変換器診断有無処理３、４５…コンダクタオン指令処理、４６…システム全停止処理。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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