(57)【要約】【課題】直列接続された複数の電池ユニットを含む電池システムのエネルギ利用効率を高める。【解決手段】直列接続された電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）に対して経路切換スイッチＳＷ（１）〜ＳＷ（Ｎ）がそれぞれ接続される。各経路切換スイッチＳＷでは、対応の電池ユニットＢＵを電力線５０，６０の間の放電経路に対して直列に接続する放電経路と、対応の電池ユニットを当該放電経路から切り離すバイパス経路とが、コントローラ１００からの制御指令ＣＳ（１）〜ＣＳ（Ｎ）に応じて選択的に形成される。コントローラ１００は、電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）の出力電圧ＶＵ（１）〜ＶＵ（Ｎ）に応じて、出力電圧が下限電圧よりも低下した電池ユニットに対してバイパス経路が形成される一方で、それ以外の電池ユニットに対して接続経路が形成されるように、制御指令ＣＳ（１）〜ＣＳ（Ｎ）を生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の電力線の間に接続されて放電する電池システムであって、
直列に接続された複数の電池ユニットと、
各前記電池ユニットに設けられた電圧検出器と、
各前記電池ユニットに対応して設けられた経路切換回路と、
各前記電圧検出器による検出電圧値に応じて、各前記経路切換回路を制御するための制御装置とを備え、
各前記経路切換回路は、前記第１および第２の電力線の間を電気的に接続する放電経路に対して対応する電池ユニットを直列に接続するための第１の経路と、前記放電経路から前記対応する電池ユニットをバイパスする第２の経路とを前記制御装置からの制御指令に応じて切換えるように構成され、
前記制御装置は、
前記検出電圧値が下限電圧よりも高い前記電池ユニットに対しては、対応する前記経路切換回路が前記第１の経路を形成するように前記制御指令を生成する一方で、前記検出電圧値が下限電圧よりも低い前記電池ユニットに対しては、対応する前記経路切換回路が前記第２の経路を形成するように前記制御指令を生成するように構成される、電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電池システムに関し、より特定的には、直列接続された複数の電池ユニットを含む電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の電池ユニットを直列に接続して組電池として使用することが一般的に行われている。特開２０１３−１７２５５１号公報（特許文献１）には、複数のリチウムイオンセルを直列接続した組電池において、各セルの電圧監視に基づいて充電器および接離スイッチを制御する充電システムが記載されている。特に、充電電圧が上限電圧以上となったセルを接離スイッチによって充電器から切り離す制御が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１７２５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
複数の電池ユニットを直列に接続した組電池では、放電時には各電池ユニットの放電電流は共通である。したがって、組電池の放電時に、いずれかの電池ユニットにおいて出力電圧が下限電圧まで低下して放電不可となると、当該電池ユニットを過放電から保護するために、組電池全体からの放電を禁止する必要がある。
【０００５】
一方で、電池ユニット間には、個体差や温度条件差によって、ＳＯＣ（State of Charge）のばらつきが発生する可能性がある。この結果、一部の電池ユニットの出力電圧が下限電圧まで低下したときに、残りの電池ユニットでは出力電圧が下限電圧に対して余裕があるにもかかわらず、組電池全体から放電できなくなってしまう事態が発生すると、組電池のエネルギ利用効率が低下する。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、直列接続された複数の電池ユニットを含む電池システムのエネルギ利用効率を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のある局面では、電池システムは、第１および第２の電力線の間に接続されて放電する。電池システムは、直列に接続された複数の電池ユニットと、各電池ユニットに設けられた電圧検出器と、各電池ユニットに対応して設けられた経路切換回路と、制御装置とを備える。制御装置は、各電圧検出器による検出電圧値に応じて、各経路切換回路を制御するように構成される。各経路切換回路は、第１および第２の電力線の間を電気的に接続する放電経路に対して対応する電池ユニットを直列に接続するための第１の経路と、放電経路から対応する電池ユニットをバイパスする第２の経路とを制御装置からの制御指令に応じて切換えるように構成される。制御装置は、検出電圧値が下限電圧よりも高い電池ユニットに対しては、対応する経路切換回路が第１の経路を形成するように制御指令を生成する一方で、検出電圧値が下限電圧よりも低い電池ユニットに対しては、対応する経路切換回路が第２の経路を形成するように制御指令を生成する。
【０００８】
上記電池システムによれば、直列接続された複数の電池ユニットのうちの一部の出力で電圧が下限電圧より低下しても、経路接続回路によって当該電池ユニットを切り離した放電経路を第１および第２の電力線間に形成することができる。これにより、一部の電池ユニットが出力電圧の低下により放電不可の状態となっても、残りの電池ユニットを用いた放電を継続することができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、直列接続された複数の電池ユニットを含む電池システムのエネルギ利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に従う電池システムの概略構成図である。
【図２】各電池ユニットにおける経路切換スイッチの制御を説明するための回路図である。
【図３】各電池ユニットの使用電圧範囲を説明する概念図である。
【図４】本実施の形態に従う電池システムにおける放電制御を説明するためのフローチャートである。
【図５】本実施の形態に従う電池システムにおける放電制御の動作例を説明するための概念的な波形図である。
【図６】本実施の形態に従う電池システムの好ましい適用例を説明するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態に従う電池システムの概略構成図である。
図１を参照して、電池システム１０は、高電圧側の電力線５０および低電圧側の電力線６０の間に接続される。電池システム１０は、電力線５０および６０を経由して、負荷７０に電力を供給する。
【００１３】
電池システム１０は、複数個の電池ユニットＢＵが直列接続された組電池として構成される。図１の例では、Ｎ個（Ｎ：２以上の自然数）の電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）が直列に接続されている。各電池ユニットＢＵは、１個または複数個の電池セルによって構成される。通常、各電池ユニットＢＵは、出力電圧が同等となるように、同一個数ずつの電池セルによって構成される。
【００１４】
なお、以下では、電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）を包括的に表記する場合には、単に電池ユニットＢＵと表記し、それぞれの電池ユニットを識別する必要がある場合には、添字（１）〜（Ｎ）を付して電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）とそれぞれ表記することとする。
【００１５】
各電池ユニットＢＵに対応して、経路切換スイッチＳＷおよび電圧検出器ＶＤが設けられる。図１の例では、電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）にそれぞれ対応して、電圧検出器ＶＤ（１）〜ＶＤ（Ｎ）および経路切換スイッチＳＷ（１）〜ＳＷ（Ｎ）が設けられている。
【００１６】
電圧検出器ＶＤ（１）〜ＶＤ（Ｎ）は、電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）の出力電圧ＶＵ（１）〜ＶＵ（Ｎ）をそれぞれ検出する。経路切換スイッチＳＷ（１）〜ＳＷ（Ｎ）は、電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）とそれぞれ直列に接続されている。
【００１７】
コントローラ１００は、電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）の出力電圧ＶＵ（１）〜ＶＵ（Ｎ）に基づいて、電圧検出器ＶＤ（１）〜ＶＤ（Ｎ）によってそれぞれ検出された出力電圧ＶＵ（１）〜ＶＵ（Ｎ）に基づいて、制御指令ＣＳ（１）〜ＣＳ（Ｎ）を生成する。経路切換スイッチＳＷ（１）〜ＳＷ（Ｎ）は、コントローラ１００からの制御指令ＣＳ（１）〜ＣＳ（Ｎ）に応じてそれぞれ制御される。コントローラ１００は、たとえば、電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって構成される。
【００１８】
電圧検出器ＶＤ（１）〜ＶＤ（Ｎ）、経路切換スイッチＳＷ（１）〜ＳＷ（Ｎ）、制御指令ＣＳ、制御指令ＣＳ（１）〜ＣＳ（Ｎ）および、出力電圧ＶＵ（１）〜ＶＵ（Ｎ）についても同様に、包括的に表記する場合にはそれぞれ、電圧検出器ＶＤ、経路切換スイッチＳＷ、制御指令ＣＳおよび、出力電圧ＶＵと表記し、電池ユニット毎の識別が必要である場合には、添字（１）〜（Ｎ）をそれぞれ付して表記することとする。
【００１９】
電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）が電力線５０および６０の間に接続されることによって形成される放電経路により、電池システム１０から負荷７０へ電力が供給される。このとき、直列接続された各電池ユニットＢＵの放電電流は共通である。
【００２０】
なお、負荷７０が発電要素を含むことにより、負荷７０からの回生電力によって、電池システム１０が充電されてもよい。たとえば、負荷７０がモータジェネータ（図示せず）を含む場合には、モータジェネレータの正トルク出力時には、電池システム１０の放電により負荷７０へ電力が供給される。一方で、モータジェネレータの負トルク出力時には、負荷７０からの回生電力によって電池システム１０が放電される。また、電池システム１０は、図示しない充電器を電力線５０および６０に接続することによって、当該充電器からの電力によって充電することも可能である。
【００２１】
図１において、電力線５０は「第１の電力線」に対応し、電力線６０は「第２の電力線」に対応する。また、経路切換スイッチＳＷ（１）〜ＳＷ（Ｎ）の各々は、「経路切換回路」に対応する。コントローラ１００は、「制御装置」に対応する。
【００２２】
図２は、各電池ユニットＢＵにおける、経路切換スイッチＳＷの制御を説明する回路図である。経路切換スイッチＳＷの構成は、電池ユニットＢＵ間で共通である。
【００２３】
図２を参照して、経路切換スイッチＳＷは、ノードＮ０と、ノードＮａ，Ｎｂとの間の接続を切換える。ノードＮａは、電池ユニットＢＵの正極と電気的に接続される。一方でノードＮｂは、電池ユニットＢＵの負極へ至る短絡線１５と電気的に接続されている。
【００２４】
経路切換スイッチＳＷは、コントローラ１００（図１）からの制御指令ＣＳに基づいて、ノードＮ０およびノードＮａの接続（以下、「放電接続」とも称する）と、ノードＮ０およびノードＮｂの接続（以下、「バイパス接続」とも称する）とを切換える。
【００２５】
経路切換スイッチＳＷによる放電接続時には、電力線５０および６０間の放電経路に対して電池ユニットを直列に接続するための接続経路１１が形成される。一方で、経路切換スイッチＳＷによるバイパス接続時には、電池ユニットＢＵを電力線５０および６０の間の放電経路から電気的に切り離すためのバイパス経路１２が形成される。各経路切換スイッチＳＷにおいて、接続経路１１は「第１の経路」に対応し、バイパス経路１２は「第２の経路」に対応する。
【００２６】
図３は、各電池ユニットＢＵの使用電圧範囲を説明するための概念図である。図３の縦軸には、各電池ユニットＢＵの出力電圧ＶＵが示されている。
【００２７】
図３を参照して、電池ユニットＢＵは、使用前、すなわち、電池システム１０の放電前には、出力電圧ＶＵ＝Ｖｉｎｉである。この状態から、電池システム１０の放電が進行するに従い、直列接続された各電池ユニットの出力電圧ＶＵは低下する。
【００２８】
各電池ユニットＢＵについて、出力電圧ＶＵが下限電圧Ｖｍｉｎまで低下すると、過放電による電池劣化の促進を防止するために、当該電池ユニットＢＵについては、これ以上の放電が禁止される。
【００２９】
上述のように、複数の電池ユニットＢＵが直列接続された電池システム１０では、放電時における各電池ユニットＢＵの放電電流は共通である。したがって、直列接続された複数の電池ユニットＢＵのいずれかにおいて、出力電圧ＶＵが下限電圧Ｖｍｉｎまで低下すると、それ以降では、電池システム１０全体について放電を禁止する必要が生じる。
【００３０】
しかしながら、直列接続されて使用される電池ユニット間でも、個体ばらつきや、配置位置の差異に伴う温度の差異等により、ＳＯＣ（State of Charge）は、必ずしも一致しない。このため、各電池ユニットＢＵの放電前の初期電圧Ｖｉｎｉについても、電池ユニットＢＵ間でばらつく可能性がある。この結果、いずれかの電池ユニットＢＵで出力電圧ＶＵが下限電圧Ｖｍｉｎまで低下しても、残りの電池ユニットＢＵでは出力電圧ＶＵが下限電圧Ｖｍｉｎよりも高く、放電の余力を残している状態となる可能性がある。
【００３１】
このような状態で電池システム１０全体の放電を禁止すると、電池システム１０全体での蓄積エネルギの利用効率が低下する。したがって、本発明の実施の形態における電池システムでは、電池ユニットＢＵ毎に設けられた経路切換スイッチＳＷを用いた放電制御によって、蓄積エネルギの利用効率の向上を図る。
【００３２】
図４は、本実施の形態に従う電池システムにおける放電制御を説明するためのフローチャートである。図４に示されたフローチャートに従う制御処理は、電池システム１０による負荷７０への電力供給中（電池システム１０の放電中）に、コントローラ１００により繰返し実行される。
【００３３】
図４を参照して、コントローラ１００は、ステップＳ１００により、電圧検出器ＶＤ（１）〜ＶＤ（Ｎ）の検出値に基づいて、出力電圧ＶＵ（１）〜ＶＵ（Ｎ）をモニタする。さらに、コントローラ１００は、ステップＳ１１０により、いずれかの電池ユニットで出力電圧ＶＵが下限電圧Ｖｍｉｎより低下しているかどうかを判定する。
【００３４】
すべての電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）において、ＶＵ≧Ｖｍｉｎのとき（Ｓ１１０のＮＯ判定時）には、コントローラ１００は、ステップＳ１２０に処理を進めて、一次放電モードにより電池システム１０から放電する。
【００３５】
一次放電モードでは、コントローラ１００は、各経路切換スイッチＳＷ（１）〜ＳＷ（Ｎ）の各々を放電接続に制御するように、制御指令ＣＳ（１）〜ＣＳ（Ｎ）を生成する。この結果、電力線５０および６０の間に電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）が直列に接続された状態で二次電池２０が放電することにより、負荷７０へ電力が供給される。
【００３６】
これに対して、いずれかの電池ユニットでＶＵ＜Ｖｍｉｎとなったとき（Ｓ１１０のＴＥＳ判定時）、コントローラ１００は、ステップＳ１３０に処理を進めて、二次放電モードにより電池システム１０を放電する。
【００３７】
図３で説明したように、ＶＵ＜Ｖｍｉｎとなった電池ユニットＢＵは、それ以上の放電が禁止される。したがって、ステップＳ１３０では、ＶＵ＜Ｖｍｉｎとなった電池ユニットＢＵに対しては、経路切換スイッチＳＷがバイパス接続に制御されるように、制御指令ＣＳが生成される。一方で、ＶＵ≧Ｖｍｉｎの電池ユニットに対しては、各経路切換スイッチＳＷが放電接続に制御されるように、制御指令ＣＳが生成される。
【００３８】
二次放電モードでは、このように制御指令ＣＳ（１）〜ＣＳ（Ｎ）を生成することによって、ＶＵ≧Ｖｍｉｎの電池ユニット（以下、「正常ユニット」とも称する）のみが電力線５０および６０の間に電気的に直列に接続された状態で二次電池２０が放電することにより、負荷７０へ電力が供給される。すなわち、ＶＵ＜Ｖｍｉｎの電池ユニット（以下、「低電圧ユニット」とも称する）は、放電経路から切り離される。
【００３９】
コントローラ１００は、二次放電モードの適用時には、ステップＳ１４０により、二次放電モード終了条件が成立しているかどうかをさらに判定する。たとえば、二次放電モードの終了条件は、正常ユニットの個数が所定の個数よりも少なったとき、または、電池システム１０全体の出力電圧が所定電圧よりも低下した場合に成立する。
【００４０】
コントローラ１００は、二次放電モード終了条件の非成立時（Ｓ１４０のＮＯ判定時）には、ステップＳ１６０に処理を進めて、二次放電モードの継続を許可する。これにより、低電圧ユニット（ＶＵ＜Ｖｍｉｎ）を除く残りの正常ユニットを直列接続した状態で、電池システム１０からの放電が継続される。
【００４１】
一方で、コントローラ１００は、二次放電モード終了条件が成立すると（Ｓ１４０のＹＥＳ判定時）、ステップＳ１５０に処理を進めて、電池システム１０からの放電を終了する。これにより、電池システム１０が再充電されるまでは、電池システム１０からの放電は禁止される。電池システム１０の充電後には、図４のフローチャートに従う制御処理を実行することにより、電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）の状態に応じて、一次放電モードおよび二次放電モードを適切に選択して、電池システム１０からの放電電力を負荷７０へ供給することができる。
【００４２】
図５には、本実施の形態に従う電池システムにおける放電制御の動作例が示される。図５では、Ｎ＝５の場合、すなわち電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（５）が直列接続された電池システム１０の放電動作例が示される。
【００４３】
図５を参照して、時刻ｔ０から電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（５）の放電が開始される。放電開始時において、電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（５）の間では、ＳＯＣばらつき等によって放電開始時の出力電圧がばらついている。
【００４４】
これにより、放電の継続によって電池ユニットの出力電圧ＶＵ（１）〜ＶＵ（５）がそれぞれ低下する際に、ＶＵ＜Ｖｍｉｎとなるタイミングが電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（５）の間で異なっている。
【００４５】
時刻ｔ０〜ｔ１の間は、すべての電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（５）において、ＶＵ≧Ｖｍｉｎである。したがって、経路切換スイッチＳＷ（１）〜ＳＷ（５）の各々が放電接続に制御されることにより、電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（５）を直列接続した一次放電モードによって、電池システム１０は放電する。
【００４６】
時刻ｔ１において、ＶＵ（１）＜Ｖｍｉｎとなることにより、電池ユニットＢＵ（１）が低電圧ユニットとなる。これにより、図４のステップＳ１１０がＮＯ判定からＹＥＳ判定に切換わるので、電池システム１０は、一次放電モードから二次放電モードに移行する。
【００４７】
時刻ｔ１以降では、低電圧ユニットを順次放電経路から切り離すように各経路切換スイッチＳＷを制御して、二次放電モードによる電池システム１０の放電が継続される。
【００４８】
以降、時刻ｔ２において、ＶＵ（２）＜Ｖｍｉｎとなることにより、電池ユニットＢＵ（２）が低電圧ユニットとなり、時刻ｔ３では、ＶＵ（３）＜Ｖｍｉｎとなることにより、電池ユニットＢＵ（３）が低電圧ユニットとなる。
【００４９】
したがって、時刻ｔ１〜ｔ２では、経路切換スイッチＳＷ（１）をバイパス接続に制御することにより、直列接続された電池ユニットＢＵ（２）〜ＢＵ（５）によって電池システム１０からの放電が継続される。同様に、時刻ｔ２〜ｔ３では、経路切換スイッチＳＷ（１）およびＳＷ（２）をバイパス接続に制御することにより、直列接続された電池ユニットＢＵ（３）〜ＢＵ（５）によって電池システム１０の放電が継続される。時刻ｔ３以降では、直列接続された電池ユニットＢＵ（４）およびＢＵ（５）によって電池システム１０の放電が継続される。
【００５０】
時刻ｔ４において、ＶＵ（４）＜Ｖｍｉｎとなることにより電池ユニットＢＵ（４）が低電圧ユニットとなると、図４のステップＳ１４０での二次放電モード終了条件が成立する。これにより、経路切換スイッチＳＷ（１）〜ＳＷ（５）の各々がバイパス接続に制御される。この結果、電池システム１０の放電が終了される。あるいは、負荷７０の動作が停止されて、電力線５０，６０に介挿接続されたリレー（図示せず）がオフされる。以降では、電池ユニットＢＵ（１）〜ＢＵ（５）の出力電圧ＶＵ（１）〜ＶＵ（５）はそれぞれ維持される。
【００５１】
このように、本実施の形態に従う電池システム１０においては、直列接続された複数の電池ユニットのうちのいずれかの電池ユニットにおいて出力電圧が低下しても、当該電池ユニットを経路切換スイッチによって放電経路から切り離し、残りの電池ユニットを直列接続した放電経路を形成することができる。この結果、いずれかの電池ユニットの放電継続が困難となっても、電池システム１０全体からの放電を継続することができるので、電池システム１０に蓄積されたエネルギの利用効率を高めることができる。
【００５２】
また、二次放電モードでは、放電経路に直列接続される電池ユニットの個数が一次放電モードよりも低下する。したがって、図６に示されるように、負荷７０および電池システム１０の間には、電池システム１０からの出力電圧を昇圧可能な昇圧コンバータ７５を配置することが好ましい。含むように構成することが好ましい。たとえば、昇圧コンバータ７５は、一般的な昇圧チョッパ回路の他、公知のＤＣ／ＤＣ変換回路を任意に適用することができる。
【００５３】
昇圧コンバータ７５を組み合わせると、二次放電モードにおいて、電池システム１０の出力電圧がある程度低下しても、負荷７０に供給される出力電圧を同レベルに維持することが可能となる。この結果、二次放電モードの適用による放電継続時間を延ばすことが期待できる。なお、昇圧コンバータ７５は、負荷７０と一体的に、負荷７０の内部に配置されてもよい。
【００５４】
また、負荷７０は特に限定されるものではなく、任意の負荷に対して放電によって電力を供給する電池システムに対して、本発明を共通に適用することが可能である。
【００５５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５６】
１０  電池システム、１１  接続経路、１２  バイパス経路、１５  短絡線、２０  二次電池、５０，６０  電力線、７０  負荷、７５  昇圧コンバータ、１００  コントローラ、ＢＵ（１）〜ＢＵ（Ｎ）  電池ユニット、ＣＳ（１）〜ＣＳ（Ｎ）  制御指令、Ｎ０，Ｎａ，Ｎｂ  ノード、ＳＷ（１）〜ＳＷ（Ｎ）  経路切換スイッチ、ＶＤ（１）〜ＶＤ（Ｎ）  電圧検出器、ＶＵ（１）〜ＶＵ（Ｎ）  出力電圧、Ｖｉｎｉ  初期電圧。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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