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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler.
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Beschreibung der Verwandten Technik
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Entsprechend dem Trend in der Regulierung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit wurden Mildhybridelektrofahrzeuge (mild hybrid electric vehicles; MHEVs), die Maschinen durch Motorgeneratoren unter Verwendung von 48 V Gleichstromleistungsquellen unterstützen, in den letzten Jahren in praktische Verwendung gebracht. Als Beispiel eines Leistungsversorgungssystem für die Mildhybridelektrofahrzeuge offenbart die
japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2014-187730 beispielsweise ein Leistungsversorgungssystem, bei dem eine 48 V Gleichstromleistungsquelle und eine 12 V Gleichstromleistungsquelle über einen Gleichstrom-DC/DC-Wandler gekoppelt sind.
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Der herkömmliche Spannungswandler, der den DC/DC-Wandler verwendet, um 48 V DC in 12 V DC umzuwandeln, weist Raum für Verbesserungen bezüglich Energieverlust bei der Spannungswandlung auf.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Zweck der vorliegenden Erfindung ist, einen Spannungswandler bereitzustellen, der Energieverlust bei der Spannungswandlung verringern kann.
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Um die oben erwähnte Aufgabe zu erreichen, umfasst ein Spannungswandler gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Gleichstromleistungsquelle, die aus mehreren sekundären Batterien zusammengesetzt ist; eine erste Last, die durch eine erste Gleichstromspannung der Gleichstromleistungsquelle angetrieben wird; eine Spannungswandlungseinheit, welche die erste Gleichstromspannung in eine zweite Gleichstromspannung umwandelt, die kleiner als die erste Gleichstromspannung ist; eine zweite Last, die mit jeder der sekundären Batterien über die Spannungswandlungseinheit gekoppelt ist und durch die zweite Gleichstromspannung angetrieben wird; und einen Controller, der einen Zustand von jeder der sekundären Batterien beobachtet und die Spannungswandlungseinheit steuert, wobei die Spannungswandlungseinheit mehrere Schalter umfasst, von denen jeder zwischen einer positiven Elektrode oder einer negativen Elektrode von einer der sekundären Batterien und der zweiten Last angeordnet ist, jeder der Schalter imstande ist, einen Zustand zwischen der sekundären Batterie und der zweiten Last zwischen einem Leitungszustand und einem Nicht-Leitungszustand umzuschalten, und der Controller die Schalter auf der Grundlage des Zustands von jeder sekundären Batterie schaltet, um die zweite Gleichstromspannung an die zweite Last anzulegen.
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Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Bedeutung dieser Erfindung werden durch Lesen der nachfolgenden genauen Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Struktur eines Spannungswandlers gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Das Folgende beschreibt eine Ausführungsform eines Spannungswandlers gemäß der Erfindung ausführlich mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. Die folgende Ausführungsform beschränkt nicht die Erfindung. Die in der folgenden Ausführungsform beschriebenen konstituierenden Elemente umfassen jene, die ohne Weiteres von Fachleuten ins Auge gefasst werden, und im Wesentlichen identische Elemente. Die konstituierenden Elemente in der Ausführungsform können weggelassen, ausgetauscht oder auf verschiedene Weisen modifiziert werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Ausführungsform
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1 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Struktur eines Spannungswandlers gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
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Dieser Spannungswandler 1 gemäß der Ausführungsform ist an einem Fahrzeug, wie beispielsweise einem Mildhybridelektrofahrzeug (MHEV) angebracht, und kann beispielsweise verschiedene Spannungen von einer zusammengestellten Batterie ausgeben. Das Mildhybridelektrofahrzeug ist mit einer zusammengestellten Batterie, die kleiner als diejenige eines typischen Hybridelektrofahrzeugs (hybrid electric vehicle; HEV) ist, und einem Motor ausgerüstet. Das Mildhybridelektrofahrzeug verwendet eine Maschine als eine Hauptantriebsquelle und treibt den Motor durch die zusammengestellte Batterie an, um die Maschine zu unterstützen. Wie in 1 veranschaulicht, umfasst der Spannungswandler 1 in der Ausführungsform einen Wechselstromgenerator 2, eine Gleichstromleistungsquelle 3, eine erste Last 4, eine zweite Last 5, eine Spannungswandlungseinheit 6, einen Stromdetektor 7 und einen Controller 8.
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Der Wechselstromgenerator (ALT) 2 weist eine Funktion als ein Generator auf, der mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Der Wechselstromgenerator 2 erzeugt elektrische Leistung beispielsweise durch Umwandeln von Leistung, die von Rädern und der Maschine des Fahrzeugs, transferiert wird. Der Wechselstromgenerator 2 ist mit der Gleichstromleistungsquelle 3 verbunden und kann die Gleichstromleistungsquelle 3 aufladen.
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Die Gleichstromleistungsquelle 3 ist beispielsweise eine zusammengestellte Batterie für Fahrzeuge. Die Gleichstromleistungsquelle 3 ist aus mehreren sekundären Batterien 3a, 3b, 3c und 3d zusammengesetzt, die in Reihe geschaltet sind. Die Gleichstromleistungsquelle 3 ist mit der ersten Last 4 verbunden und legt eine erste Gleichstromspannung V1 an die erste Last 4 an. Die erste Gleichstromspannung V1 ist beispielweise gleich 48 V. Jede der sekundären Batterien 3a, 3b und 3d ist aufladbar und entladbar. Beispielsweise ist die zweite Batterie eine Lithiumionen-Batterie. Jede der sekundären Batterien 3a, 3b, 3c und 3d ist mit der zweiten Last 5 über die Spannungswandlungseinheit 6 gekoppelt und kann eine zweite Gleichstromspannung V2 mit der zweiten Last 5 anlegen. Die zweite Gleichstromspannung V2 ist niedriger als die erste Gleichstromspannung V1. Beispielsweise ist die zweite Gleichstromspannung V2 gleich 12 V.
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Die erste Last 4 ist mit der Gleichstromleistungsquelle 3 verbunden und wird durch die erste Gleichstromspannung V1 der Gleichstromleistungsquelle 3 angetrieben. Die erste Last 4 ist eine 48 V Systemlast. Beispiele der ersten Last 4 umfassen elektrische Servolenkung, elektrische Fahrzeugdynamikregelung (VDC) und eine Klimaanlage, die an dem Fahrzeug angebracht sind.
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Die zweite Last 5 ist mit jeder der sekundären Batterien 3a bis 3d über die Spannungswandlungseinheit 6 gekoppelt und wird durch die zweite Gleichstromspannung V2 von jeder der sekundären Batterien 3a bis 3d angetrieben. Die zweite Last 5 ist eine 12 V Systemlast. Beispiele der zweite Last 5 umfassen Scheinwerfer, Audios, Zähler, Bremsleuchten, Richtungsanzeiger und elektrische Maschinenausrüstung, die an dem Fahrzeug angebracht sind.
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Die Spannungswandlungseinheit 6 wandelt die erste Gleichstromspannung V1 in die zweite Gleichstromspannung V2 um. Die Spannungswandlungseinheit 6 umfasst mehrere Schalter (SW) 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g und 6h. Jeder der Schalter 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g und 6h ist zwischen einer positiven Elektrode oder einer negativen Elektrode einer entsprechenden der sekundären Batterien 3a bis 3d und der zweiten Last 5 angeordnet. Eine Seite des Schalters 6a ist mit der positiven Elektrode der sekundären Batterie 3a verbunden, während die andere Seite des Schalters 6a mit der zweiten Last 5 verbunden ist. Eine Seite des Schalters 6b ist mit der negativen Elektrode der sekundären Batterie 3a verbunden, während die andere Seite des Schalters 6b mit der zweiten Last 5 verbunden ist. Eine Seite des Schalters 6c ist mit der positiven Elektrode der sekundären Batterie 3b verbunden, während die andere Seite des Schalters 6c mit der zweiten Last 5 verbunden ist. Eine Seite des Schalters 6d ist mit der negativen Elektrode der sekundären Batterie 3b verbunden, während die andere Seite des Schalters 6d mit der zweiten Last 5 verbunden ist. Eine Seite des Schalters 6e ist mit der positiven Elektrode der sekundären Batterie 3c verbunden, während die andere Seite des Schalters 6e mit der zweiten Last 5 verbunden ist. Eine Seite des Schalters 6f ist mit der negativen Elektrode der sekundären Batterie 3c verbunden, während die andere Seite des Schalters 6f mit der zweiten Last 5 verbunden ist. Eine Seite des Schalters 6g ist mit der positiven Elektrode der sekundären Batterie 3d verbunden, während die andere Seite des Schalters 6g mit der zweiten Last 5 verbunden ist. Eine Seite des Schalters 6h ist mit der negativen Elektrode der sekundären Batterie 3d verbunden, während die andere Seite des Schalters 6h mit der zweiten Last 5 verbunden ist. Jeder der Schalter 6a bis 6h kann einen Zustand zwischen einer entsprechenden der sekundären Batterien 3a bis 3d und der zweiten Last 5 zwischen einem Leitungszustand und einem Nicht-Leitungszustand umschalten. Jeder der Schalter 6a bis 6h veranlasst, dass der Zustand im Leitungszustand ist, wenn sie eingeschaltet werden, während jeder der Schalter 6a bis 6h veranlasst, dass der Zustand im Nicht-Leitungszustand ist, wenn sie ausgeschaltet werden. Jeder der Schalter 6a bis 6h ist mit dem Controller 8 verbunden. Der Controller 8 steuert das Ein- oder Aus-Schalten von jedem der Schalter 6a bis 6h. Im Einzelnen wird jeder der Schalter 6a bis 6h durch ein An-Signal von dem Controller 8 eingeschaltet, während jeder der Schalter 6a bis 6h durch ein Aus-Signal von dem Controller 8 ausgeschaltet wird.
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Der Stromdetektor 7 ist zwischen der Gleichstromleistungsquelle 3 und Masse angeordnet. Der Stromdetektor 7 erfasst einen Wert des Stroms, der in der Gleichstromleistungsquelle 3 fließt. Der Stromdetektor 7 umfasst eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application specific integrated circuit; ASIC), die beispielsweise eine zugehörige kundenspezifische IC ist. Der Stromdetektor 7 ist mit dem Controller 8 verbunden und gibt den erfassten Stromwert mit dem Controller 8 aus.
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Der Controller 8 beobachtet einen Zustand von jeder der sekundären Batterien 3a bis 3d und steuert die Spannungswandlungseinheit 6. Der Controller 8 umfasst beispielweise einen Mikrocomputer oder ein Großintegration (large scale integration; LSI). Der Controller 8 weist eine Funktion auf, die einen Zustand der Gleichstromleistungsquelle 3 beispielsweise auf der Grundlage des von dem Stromdetektor 7 ausgegebenen Stromwerts beobachtet. Der Controller 8 ist mit den mehreren Schaltern 6a bis 6h in der Spannungswandlungseinheit 6 verbunden und gibt das An-Signal oder das Aus-Signal aus, um das Ein- oder Aus-Schalten von jedem der Schalter 6a bis 6h zu steuern. Der Controller 8 schaltet die mehreren Schalter 6a bis 6h auf der Grundlage des Zustands von jeder der sekundären Batterien 3a bis 3d, um die zweite Gleichstromspannung V2 mit der zweiten Last 5 anzulegen.
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Das Folgende beschreibt den Schaltvorgang des Schalters in dem Spannungswandler 1 gemäß der Ausführungsform. Der Vorgang wird von einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) in dem Controller 8 durchgeführt, der beispielsweise ein aus einem Speicher gelesenes Programm ausführt.
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Ungeachtet dessen, wann der Wechselstromgenerator die Gleichstromleistungsquelle 3 auflädt und die Gleichstromleistungsquelle 3 die erste Last 4 antreibt, beobachtet der Controller 8 den Zustand der Gleichstromleistungsquelle 3 auf der Grundlage des Stromwerts von dem Stromdetektor 7. Beispielsweise gibt der Controller 8 vorläufig das An-Signal mit den Schaltern 6g und 6h aus, um zu veranlassen, dass die Schalter 6g und 6h im An-Zustand sind, und gibt das Aus-Signal mit den Schaltern 6a bis 6f aus, um zu veranlassen, dass die Schalter 6a bis 6f im Aus-Zustand sind. Als Ergebnis wird die zweite Last 5 durch die zweite Gleichstromspannung V2 der sekundären Batterie 3d angetrieben. Wenn der Stromwert von dem Stromdetektor 7 verringert wird, bestimmt der Controller 8 beispielsweise, dass eine ungleichmäßige Nutzung in der Gleichstromleistungsquelle 3 auftritt, und schaltet die Schalter 6a bis 6h. Beispielsweise gibt der Controller 8 vorläufig das Aus-Signal mit den Schaltern 6g und 6h aus, um zu veranlassen, dass die Schalter 6g und 6h im Aus-Zustand sind, und gibt das An-Signal mit dem Schaltern 6a und 6b aus, um zu veranlassen, dass die Schalter 6a und 6b im An-Zustand sind. Als Ergebnis wird die zweite Last 5 durch die zweite Gleichstromspannung V2 der sekundären Batterie 3a angetrieben.
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Wie oben beschrieben, kann der Spannungswandler 1 gemäß der Ausführungsform ohne Weiteres unterschiedliche Gleichstromspannungen von der Gleichstromleistungsquelle 3 mit einer einfachen Struktur entnehmen. Der Spannungswandler 1 kann somit den Energieverlust, der bei der Spannungswandlung aufritt, unter Verwendung eines DC/DC-Wandlers verringern. Der Spannungswandler 1 gemäß der Ausführungsform umfasst die Gleichstromleistungsquelle 3, die aus den mehreren sekundären Batterien 3a bis 3d zusammengesetzt ist. Der Spannungswandler 1 kann somit ohne Weiteres die erste Gleichstromspannung V1 und die zweite Gleichstromspannung V2 durch Kombinieren der sekundären Batterien 3a bis 3d ändern. Der Spannungswandler 1 gemäß der Ausführungsform umfasst die erste Last 4, die durch die erste Gleichstromspannung V1 angetrieben wird, die Spannungswandlungseinheit 6, welche die erste Gleichstromspannung V1 in die zweite Gleichstromspannung V2 umwandelt, und die zweite Last 5, die mit jeder der sekundären Batterien 3a bis 3d über die Spannungswandlungseinheit 6 gekoppelt und durch die zweite Gleichstromspannung angetrieben wird. Der Spannungswandler 1 kann somit die erste Last 4 und die zweite Last 5 gleichzeitig antreiben, die durch unterschiedliche Treiberspannungen angetrieben werden. Der Spannungswandler 1 gemäß der Ausführungsform umfasst die Spannungswandlungseinheit 6, welche die mehreren Schalter 6a bis 6h umfasst. Jeder der Schalter 6a bis 6h kann den Zustand zwischen einer entsprechenden der sekundären Batterien 3a bis 3d und der zweiten Last 5 zwischen dem Leitungszustand und dem Nicht-Leitungszustand umschalten. Der Spannungswandler 1 kann somit ohne Weiteres die Verbindungen zwischen den jeweiligen sekundären Batterien 3a bis 3d und der zweiten Last 5 umschalten. Der Spannungswandler 1 gemäß der Ausführungsform umfasst den Controller 8, der die mehreren Schalter 6a bis 6h auf der Grundlage des Zustands von jeder der sekundären Batterien 3a bis 3d umschaltet, um die zweite Gleichstromspannung V2 mit der zweiten Last 5 anzulegen. Der Spannungswandler 1 kann somit die ungleichmäßige Nutzung effizient lösen, die in der Gleichstromleistungsquelle 3 auftritt, um dadurch ohne Weiteres die Lebensdauer der Gleichstromleistungsquelle 3 zu verlängern.
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In der Ausführungsform ist die erste Gleichstromspannung V1 gleich 48 V während die zweite Gleichstromspannung V2 gleich 12 V ist. Die erste Gleichstromspannung V1 und die zweite Gleichstromspannung V2 sind nicht auf die Spannungen beschränkt. Die erste Gleichstromspannung V1 und die zweite Gleichstromspannung V2 sind beliebige Spannungen, solange wie die zweite Gleichstromspannung V2 kleiner als die erste Gleichstromspannung V1 ist. Beispielsweise kann die erste Gleichstromspannung V1 gleich 48 V sein, während die zweite Gleichstromspannung V2 gleich 24 V sein kann. Für ein weiteres Beispiel kann die erste Gleichstromspannung V1 gleich 24 V sein, während die zweite Gleichstromspannung V2 gleich 12 V sein kann. Wenn die erste Gleichstromspannung V1 gleich 48 V ist, während die zweite Gleichstromspannung V2 gleich 24 V ist, schaltet der Controller 8 beispielsweise die Schalter 6a bis 6h, um 24 V mit den zweiten Last 5 anzulegen (in diesem Fall ist die zweite Last 5 eine 24 V Systemlast). Beispielsweise gibt der Controller 8 das An-Signal mit den Schaltern 6a und 6d aus, um zu veranlassen, dass die Schalter 6a und 6d im An-Zustand sind, und gibt das Aus-Signal mit den Schaltern 6b, 6c und 6e bis 6h aus, um zu veranlassen, dass sie im Aus-Zustand sind.
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In der Ausführungsform ist die Gleichstromleistungsquelle 3 eine zusammengestellte Batterie, die aus vier in Reihe geschalteten 12 V sekundären Batterien zusammengesetzt ist. Die Anzahl von sekundären Batterien ist nicht auf vier beschränkt. Die Anzahl von Batterien kann zwei oder mehr sein. Beispielsweise kann die Gleichstromleistungsquelle 3 eine zusammengestellte Batterie sein, die aus zwei in Reihe geschalteten 24 V sekundären Batterien zusammengesetzt ist.
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In der Ausführungsform ist der Wechselstromgenerator 2 ein Generator, der mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Der Wechselstromgenerator 2 ist nicht auf den Generator beschränkt. Der Wechselstromgenerator 2 kann ein Motorgenerator sein, der eine Funktion des Generators und eine Motorfunktion aufweist, die zugeführte elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt. Der Motorgenerator kann als der Wechselstromgenerator, der elektrische Leistung durch die von Rädern und der Maschine transferierte Leistung erzeugt, und als ein Anlassermotor, der die Maschine durch Konsumieren von elektrischer Leistung startet, die von der Gleichstromleistungsquelle 3 zugeführt wird, verwendet werden. Der Motorgenerator kann als eine Leistungsquelle zum Laufen des Fahrzeugs verwendet werden.
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In der Ausführungsform erfasst als ein Verfahren zum Beobachten des Zustands der Gleichstromleistungsquelle 3 der Stromdetektor 7 den Stromwert der Gleichstromleistungsquelle 3. Das Verfahren ist nicht auf dieses Verfahren beschränkt. Beispielsweise kann der Spannungswandler 1 mehrere Spannungsdetektoren umfassen, wobei jeder eine Gleichstromspannung von einer der sekundären Batterien 3a bis 3d erfasst. Der Zustand von jeder der sekundären Batterien 3a bis 3d kann auf der Grundlage der Spannung derselben beobachtet werden, die durch den entsprechenden Spannungsdetektor erfasst wird. In diesem Fall ist jede Spannungsdetektorausgabe an den Controller 8 ein Spannungswert einer entsprechenden der sekundären Batterien 3a bis 3d. Der Controller 8 bestimmt den Zustand jeder der sekundären Batterien 3a bis 3d auf der Grundlage des erfassten Spannungswerts derselben.
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Der Spannungswandler gemäß der Ausführungsform wirkt sich vorteilhaft aus, um imstande zu sein, den Energieverlust bei der Spannungswandlung zu verringern.
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Obwohl die Erfindung bezüglich spezifischer Ausführungsformen für eine vollständige und klare Offenbarung beschrieben wurde, sind die beigefügten Ansprüche nicht auf diese Weise zu beschränken, sondern sollen so ausgelegt werden, dass sie alle Modifikationen und alternativen Konstruktionen verkörpern, die dem Fachmann in den Sinn kommen können, die billigerweise in die hier dargelegte grundlegende Lehre fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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