DE102018209877A1 - Elektrochemische Energiespeichervorrichtung, System und Verfahren zur Überwachung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung sowie Fahrzeug - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung sowie ein Fahrzeug. Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung weist auf: ein geschlossenes Gehäuse, in welchem wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle angeordnet ist, eine geschlossene Kammer, eine Druckausgleichseinrichtung, welche zwischen dem Gehäuse und der Kammer derart angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Druckdifferenz zwischen dem innerhalb des Gehäuses vorherrschenden Druck und dem innerhalb der Kammer vorherrschenden Druck wenigstens teilweise auszugleichen, und einen ersten Sensor, welcher dazu eingerichtet ist, den innerhalb der Kammer vorherrschenden Druck und/oder wenigstens ein in der Kammer befindliches Gas und/oder Gasgemisch zu erfassen und wenigstens ein entsprechendes erstes Sensorsignal zu erzeugen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung sowie ein Fahrzeug.
- Elektrochemische Energiespeicherzellen, wie etwa Lithium-Ionen-Zellen, sind aufgrund ihrer im Vergleich zu Energiespeicherzellen anderen Typs hohen Energiedichten im Bereich der sogenannten Elektromobilität sowohl bei Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb als auch bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb von zentraler Bedeutung.
- Bei diesen Energiespeicherzellen kann es unter Umständen zu einem unerwünschten internen Kurzschluss kommen, welcher im schlimmsten Fall zu einem thermischen Ereignis führen kann. Damit es nicht so weit kommt, wird der Betriebszustand elektrochemischer Energiespeicherzellen überwacht, um einen Kurzschluss bzw. einen drohenden Kurzschluss frühzeitig zu detektieren und ggf. Gegenmaßnahmen zu ergreifen.
- Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Betriebszustand, insbesondere einen internen Kurzschluss, einer elektrochemischen Energiespeicherzelle schnell und/oder zuverlässig zu ermitteln.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung sowie ein Fahrzeug gemäß den Ansprüchen 1, 6, 7 bzw. 8.
- Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit einem geschlossenen Gehäuse, in welchem wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle angeordnet ist, einer geschlossenen Kammer, einer Druckausgleichseinrichtung, welche zwischen dem Gehäuse und der Kammer derart angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Druckdifferenz zwischen dem innerhalb des Gehäuses vorherrschenden Druck und dem innerhalb der Kammer vorherrschenden Druck wenigstens teilweise auszugleichen, und einem ersten Sensor, welcher dazu eingerichtet ist, den innerhalb der Kammer vorherrschenden Druck und/oder wenigstens ein in der Kammer befindliches Gas und/oder Gasgemisch zu erfassen und wenigstens ein entsprechendes erstes Sensorsignal zu erzeugen.
- Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein System zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung mit einer Energiespeichervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt und einer Steuerungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, basierend auf dem ersten und/oder zweiten Sensorsignal die Energiespeichervorrichtung zu steuern und/oder wenigstens eine aus dem ersten und/oder zweiten Sensorsignal abgeleitete Information über eine Ausgabeeinrichtung auditiv und/oder visuell auszugeben.
- Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung , welche ein geschlossenes Gehäuse, in welchem wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle angeordnet ist, und eine geschlossene Kammer aufweist, mit folgenden Schritten:
- - wenigstens teilweises Ausgleichen einer Druckdifferenz zwischen dem innerhalb des Gehäuses vorherrschenden Druck und dem innerhalb der Kammer vorherrschenden Druck;
- - Erfassen des innerhalb der Kammer vorherrschenden Drucks und/oder wenigstens eines in der Kammer befindlichen Gases und/oder Gasgemisches und Erzeugen wenigstens eines entsprechenden Sensorsignals; und
- - Steuern der wenigstens einen Energiespeichervorrichtung basierend auf dem Sensorsignal und/oder auditives und/oder visuelles Ausgeben wenigstens einer aus dem Sensorsignal abgeleiteten Information.
- Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit wenigstens einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt und/oder mit einem System zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
- Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, einen internen Kurzschluss einer in einem geschlossenen Gehäuse befindlichen elektrochemischen Energiespeicherzelle mittels eines Druck- und/oder Gassensors, welcher innerhalb einer separaten geschlossenen Kammer angeordnet ist, zu detektieren. Das Gehäuse und die Kammer sind dabei so angeordnet bzw. eingerichtet, dass bei Überschreiten eines in dem Gehäuse vorherrschenden Überdrucks, der durch ein sog. thermisches Durchgehen (thermal runaway) der Zelle infolge des Kurzschlusses entsteht, ein Druckausgleich zwischen dem Gehäuse und der Kammer stattfinden kann. Anhand des daraus resultierenden schnellen Anstiegs des in der Kammer herrschenden Drucks bzw. des aus dem Gehäuse in die Kammer strömenden Gases und/oder Gasgemisches bzw. der vom Druck- bzw. Gassensor erzeugten entsprechenden Sensorsignale kann schnell und zuverlässig auf einen internen Kurzschluss bzw. ein thermisches Durchgehen der Zelle geschlossen werden. Bei dem Gas bzw. Gasgemisch handelt es sich vorzugsweise um wenigstens einen Bestandteil des infolge des thermischen Durchgehens zumindest teilweise verdampften Elektrolyten der Energiespeicherzelle.
- Als Druck- bzw. Gassensor wird vorzugsweise ein sog. MEMS-Sensor (microelectromechanical system) eingesetzt, welcher neben wenigstens einem Sensorelement eine Steuerungselektronik auf einem Substrat bzw. Chip aufweist, wobei die Größe der einzelnen Komponenten im Bereich von wenigen Mikrometern liegt. Es ist auch möglich, im ersten Sensor mehrere Sensortypen zu kombinieren, wie z.B. einen Gassensor mit Luftdruck-, Feuchte- und Luft- bzw. Gastemperatur-Sensorfunktionen.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Sensor wenigstens teilweise innerhalb der Kammer angeordnet. Durch diese Anordnung wird ermöglicht, dass der innerhalb der Kammer vorherrschende Druck auf einfache und zuverlässige Weise erfasst werden kann.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Druckausgleichseinrichtung eine Berstscheibe und/oder eine Berstmembran auf, welche bei Überschreiten einer vorgegebenen Druckdifferenz, insbesondere durch Rissbildung oder Zerspringen, zumindest teilweise gasdurchlässig wird, so dass Gas vom Gehäuse in die Kammer strömen kann. Damit wird erreicht, dass der Druckausgleich zwischen dem Gehäuse und der Kammer auf einfache Weise erfolgen kann. Insbesondere stellt die Berstscheibe bzw. die Berstmembran eine Sollbruchstelle dar, welche bei Überschreiten eines bestimmten Überdrucks einen Druckausgleich ermöglicht. Die Druckdifferenz bzw. der Überdruck, ab welcher bzw. welchem ein Druckausgleich erfolgt, wird vorzugsweise durch Verwendung einer Berstscheibe bzw. -membran einer bestimmten Dicke und/oder eines bestimmten Materials vorgegeben.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Gehäuse und die Kammer einen gemeinsamen Wandabschnitt auf, welcher zumindest teilweise durch die Druckausgleichseinrichtung, insbesondere die Berstscheibe bzw. Berstmembran, gebildet wird. Durch diese Anordnung wird eine zuverlässige Erkennung eines Kurzschlusses bei gleichzeitig besonders einfachem Aufbau ermöglicht.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Energiespeichervorrichtung einen zweiten Sensor auf, welcher dazu eingerichtet ist, wenigstens eine elektrische Spannung, insbesondere die Zellspannung, der Energiespeicherzelle zu erfassen und wenigstens ein entsprechendes zweites Sensorsignal zu erzeugen. Somit kann der Betriebszustand der elektrochemischen Energiespeicherzelle zusätzlich mittels einer elektrischen Spannung der Energiespeicherzelle ermittelt werden, wodurch die Bestimmung des Betriebszustands zuverlässiger wird.
- Vorzugsweise ist die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet, anhand des zeitlichen Verlaufs des vom ersten Sensor erzeugten ersten Sensorsignals und/oder des zeitlichen Verlaufs des vom zweiten Sensor erzeugten zweiten Sensorsignals auf einen Betriebszustand der Energiespeicherzelle zu schließen. Vorzugsweise ist die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet, anhand des zeitlichen Verlaufs des von einem Drucksensor erzeugten ersten Sensorsignals, also des erfassten zeitlichen Verlaufs des Drucks in der Kammer, und des zeitlichen Verlaufs der mit dem zweiten Sensor erfassten Zellenspannung auf die Schwere bzw. das Ausmaß des zum thermischen Durchgehen führenden Fehlers in der Zelle zu schließen. Durch eine kombinierte Auswertung des Druck- und Spannungsverlaufs lässt sich der Betriebszustand der Zelle bzw. Zellen, insbesondere ein mögliches thermisches Durchgehen und/oder dessen Ausmaß, besonders frühzeitig und zuverlässig ermitteln.
- Es kann ferner bevorzugt sein, zusätzlich zu einer zwischen Gehäuse und Kammer vorgesehenen ersten Druckausgleichseinrichtung eine zweite Druckausgleichseinrichtung, insbesondere in Form einer Berstmembran, vorzugsweise in einen Wandabschnitt des Gehäuses zu integrieren, so dass zusätzlich zu einem Druckausgleich zwischen Gehäuse und Kammer ein weiterer Druckausgleich zwischen dem Inneren des Gehäuses und der Umgebung erfolgen kann. Vorzugsweise ist die erste Druckausgleichseinrichtung dabei so ausgelegt, dass diese bei einer geringeren Druckdifferenz auslöst, z.B. durch Rissbildung oder Zerspringen, als die zweite Druckausgleichseinrichtung in der Gehäusewand.
- Gemäß einem alternativen Aspekt der Erfindung ist eine vom Gehäuse abgetrennte Kammer mit einer zwischen Gehäuse und Kammer angeordneten Druckausgleichseinrichtung nicht zwingend erforderlich. Der Drucksensor könnte dagegen vielmehr auch direkt im Gehäuse selbst untergebracht sein, und es muss auch keine separate Kammer vorgesehen sein. Dabei ist die Druckausgleichseinrichtung, insbesondere in Form einer Berstmembran, vorzugsweise in einen Wandabschnitt des Gehäuses integriert, so dass ein Druckausgleich zwischen dem Inneren des Gehäuses und der Umgebung erfolgt.
- Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Figur. Es zeigt:
-
1 ein Beispiel einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung sowie eines Systems zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung. -
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Beispiels einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung1 mit einem, insbesondere luftdicht, geschlossenen Gehäuse2 , in welchem eine elektrochemische Energiespeicherzelle3 , beispielsweise in Form einer Lithium-Ionen-Zelle, angeordnet ist. Im Gehäuse2 können auch zwei oder mehrere Energiespeicherzellen3 angeordnet sein, auch wenn in diesem Beispiel exemplarisch lediglich eine Energiespeicherzelle3 angeordnet ist. - Über einen gemeinsamen Wandabschnitt
8 ist das Gehäuse2 mit einer, insbesondere luftdicht, geschlossenen Kammer4 verbunden, wobei in einem Bereich des Wandabschnitts8 eine Druckausgleichseinrichtung5 angeordnet ist. Die Druckausgleichseinrichtung5 ist dazu eingerichtet, eine Druckdifferenz zwischen dem innerhalb des Gehäuses2 vorherrschenden Druck und dem innerhalb der Kammer4 vorherrschenden Druck wenigstens teilweise auszugleichen. - Vorzugswese ist die Druckausgleichseinrichtung
5 als eine Berstscheibe oder Berstmembran ausgebildet, welche bei Überschreiten eines bestimmten Überdrucks, beispielsweise durch Rissbildung oder Zerspringen, zumindest teilweise gasdurchlässig wird, so dass Gas vom Gehäuse2 in die Kammer4 strömen kann. - Dadurch kann beispielsweise eine Explosion des Gehäuses
2 aufgrund eines sogenannten thermischen Durchgehens („thermal runaway“) der Energiespeicherzelle3 , bei welchem sich der Innendruck innerhalb der Energiespeicherzelle3 bzw. des Gehäuses2 infolge eines zellinternen Kurzschlusses innerhalb kurzer Zeit deutlich erhöht, verhindert werden, indem der Überdruck im Gehäuse2 wenigstens teilweise ausgeglichen wird. - In der Kammer
4 ist ein erster Sensor6 vorgesehen, welcher den in der Kammer4 jeweils vorherrschenden Gasdruck, und damit auch einen aus einem Druckausgleich resultierenden plötzlichen Druckanstieg, und/oder das Vorhandensein und/oder die Konzentration eines Gases und/oder Gasgemisches, welches bei einem Druckausgleich vom Gehäuse2 in die Kammer4 strömt, fortlaufend und/oder in bestimmten Zeitabständen erfasst bzw. erfassen kann und ein entsprechendes erstes Sensorsignal auf Basis des erfassten Drucks und/oder Gases bzw. Gasgemisches erzeugt. - Der erste Sensor
6 , welcher insbesondere als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgestaltet sein kann, befindet sich im vorliegenden Beispiel innerhalb der Kammer4 , kann jedoch auch nur teilweise innerhalb der Kammer4 angeordnet sein. - Bei dem zu erfassenden Gas bzw. Gasgemisch handelt es sich vorzugsweise um wenigstens ein gasförmiges Zersetzungsprodukt des Elektrolyten der Energiespeicherzelle
3 , z.B. Wasserstoff (H2), welcher aufgrund des thermischen Durchgehens der Energiespeicherzelle3 als hauptsächliches Reaktionsprodukt gebildet wird. Grundsätzlich kann der erste Sensor6 aber auch für andere Gase bzw. Gasgemische sensitiv sein. - Der erste Sensor
6 ist mit einer Steuerungseinrichtung9 verbunden, welche zur Weiterverarbeitung des ersten Sensorsignals und/oder Bestimmung eines Betriebszustands der Energiespeicherzelle3 und/oder Steuerung der Energiespeicherzelle3 in Abhängigkeit vom ersten Sensorsignal ausgebildet ist. - Zusätzlich kann, vorzugsweise außerhalb der Kammer
4 bzw. außerhalb des Gehäuses2 , ein zweiter Sensor7 vorgesehen sein, welcher im vorliegenden Beispiel als Spannungssensor ausgebildet ist. Der zweite Sensor7 ist hierzu über Anschlusskontakte12 , welche aus dem Gehäuse2 geführt sind, mit der Energiespeicherzelle3 , insbesondere deren Elektroden, verbunden, um die elektrische Spannung, insbesondere die Zellspannung, der Energiespeicherzelle3 zu erfassen und wenigstens ein entsprechendes zweites Sensorsignal zu erzeugen. Alternativ kann der zweite Sensor7 jedoch auch innerhalb des Gehäuses2 oder der Kammer4 angeordnet sein. - Das zweite Sensorsignal kann ebenfalls an die Steuerungseinrichtung
9 weitergeleitet werden, welche dann in Abhängigkeit vom ersten und/oder zweiten Sensorsignal einen Betriebszustand der Energiespeicherzelle3 ermittelt und/oder diese entsprechend steuert. - Grundsätzlich wäre ebenfalls denkbar, einen weiteren Sensor, beispielsweise zur Erfassung der Temperatur der Energiespeicherzelle
3 , vorzugsehen. - Die Steuerungseinrichtung
9 ist vorzugsweise mit einer Ausgabeeinrichtung10 verbunden, um Informationen über den, vorzugsweise anhand der ersten und/oder zweiten Sensorsignale, ermittelten Betriebszustand der Energiespeicherzelle3 auszugeben. Dies kann z.B. mittels einer Ausgabeeinrichtung10 in Form eines Lautsprechers und/oder eines Displays erfolgen, an welchem insbesondere bei Vorliegen eines thermischen Durchgehens der Energiespeicherzelle3 ein entsprechendes Warnsignal ausgegeben wird. - Im vorliegenden Beispiel sind der erste und zweite Sensor
6 bzw.7 , die Steuerungseinrichtung9 und die Ausgabeeinrichtung jeweils über Leitungen11 verbunden. Alternativ kann statt einer drahtgebundenen Übertragung der Sensorsignale bzw. der verarbeiteten Sensorsignale auch eine wenigstens teilweise drahtlose Übertragung der Signale erfolgen. - Vorzugsweise wird ein Auftreten eines thermischen Durchgehens in der Energiespeicherzelle
3 unter Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufs sowohl des innerhalb des Gehäuses2 bzw. der Kammer4 herrschenden Drucks als auch der elektrischen Spannung, insbesondere der Zellspannung, der Energiespeicherzelle3 ermittelt, weshalb eine Kombination aus dem ersten Sensor6 , welcher vorzugsweise den innerhalb der Kammer4 herrschenden Druck erfasst, und dem zweiten Sensor7 , welcher die elektrische Zellspannung der Energiespeicherzelle3 erfasst, eine besonders zuverlässige Bestimmung des Betriebszustands der Energiespeicherzelle3 , insbesondere hinsichtlich der Schwere des thermischen Durchgehens der Energiespeicherzelle3 , ermöglicht. - Zusammen mit der Steuerungseinrichtung
9 und ggf. der Ausgabeeinrichtung10 bildet die Energiespeichervorrichtung1 ein System20 zum Überwachen der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung3 und/oder der in der Energiespeichervorrichtung enthaltenen Energiespeicherzelle3 . - Die Energiespeichervorrichtung
3 und/oder auch das System20 zum Überwachen der Energiespeichervorrichtung3 werden vorzugsweise in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, eingesetzt, wobei die Energiespeicherzelle3 vorzugsweise wenigstens teilweise zur Energieversorgung des Antriebs des Fahrzeugs dienen kann. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Energiespeichervorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Energiespeicherzelle
- 4
- Kammer
- 5
- Druckausgleichseinrichtung
- 6
- Erster Sensor
- 7
- Zweiter Sensor
- 8
- Wandabschnitt
- 9
- Steuerungseinrichtung
- 10
- Ausgabeeinrichtung
- 11
- Leitung bzw. drahtlose Verbindung
- 12
- Anschlusskontakte
- 20
- System
Claims (8)
- Elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) mit einem geschlossenen Gehäuse (2), in welchem wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle (3) angeordnet ist; einer geschlossenen Kammer (4); einer Druckausgleichseinrichtung (5), welche zwischen dem Gehäuse (2) und der Kammer (4) derart angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine Druckdifferenz zwischen dem innerhalb des Gehäuses (2) vorherrschenden Druck und dem innerhalb der Kammer (4) vorherrschenden Druck wenigstens teilweise auszugleichen; und einem ersten Sensor (6), welcher dazu eingerichtet ist, den innerhalb der Kammer (4) vorherrschenden Druck und/oder wenigstens ein in der Kammer (4) befindliches Gas und/oder Gasgemisch zu erfassen und wenigstens ein entsprechendes erstes Sensorsignal zu erzeugen.
- Energiespeichervorrichtung (1) nach
Anspruch 1 , wobei der erste Sensor (6) wenigstens teilweise innerhalb der Kammer (4) angeordnet ist. - Energiespeichervorrichtung (1) nach
Anspruch 1 oder2 , wobei die Druckausgleichseinrichtung (5) eine Berstscheibe und/oder eine Berstmembran aufweist, welche bei Überschreiten einer vorgegebenen Druckdifferenz, insbesondere durch Rissbildung oder Zerspringen, zumindest teilweise gasdurchlässig wird, so dass Gas vom Gehäuse (2) in die Kammer (4) strömen kann. - Energiespeichervorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) und die Kammer (4) einen gemeinsamen Wandabschnitt (8) aufweisen, welcher zumindest teilweise durch die Druckausgleichseinrichtung (5), insbesondere die Berstscheibe bzw. Berstmembran, gebildet wird.
- Energiespeichervorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem zweiten Sensor (7), welcher dazu eingerichtet ist, wenigstens eine elektrische Spannung, insbesondere die Zellspannung, der Energiespeicherzelle (3) zu erfassen und wenigstens ein entsprechendes zweites Sensorsignal zu erzeugen.
- System (20) zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung (1) mit - einer Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und - einer Steuerungseinrichtung (9), welche dazu eingerichtet ist, basierend auf dem ersten und/oder zweiten Sensorsignal die Energiespeichervorrichtung (1) zu steuern und/oder wenigstens eine aus dem ersten und/oder zweiten Sensorsignal abgeleitete Information über eine Ausgabeeinrichtung (10) auditiv und/oder visuell auszugeben.
- Verfahren zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung (1), welche ein geschlossenes Gehäuse (2), in welchem wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle (3) angeordnet ist, und eine geschlossene Kammer (4) aufweist, mit folgenden Schritten: - wenigstens teilweises Ausgleichen einer Druckdifferenz zwischen dem innerhalb des Gehäuses (2) vorherrschenden Druck und dem innerhalb der Kammer (4) vorherrschenden Druck; - Erfassen des innerhalb der Kammer (4) vorherrschenden Drucks und/oder wenigstens eines in der Kammer (4) befindlichen Gases und/oder Gasgemisches und Erzeugen wenigstens eines entsprechenden Sensorsignals; und - Steuern der wenigstens einen Energiespeichervorrichtung (1) basierend auf dem Sensorsignal und/oder auditives und/oder visuelles Ausgeben wenigstens einer aus dem Sensorsignal abgeleiteten Information.
- Fahrzeug mit wenigstens einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis5 und/oder mit einem System (20) zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung (1) nachAnspruch 6 .
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