DE19951094C2 - Method and device for securing a network containing a battery - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sicherung eines elektrischen, eine Batterie enthaltenden Netzes, insbesondere eines Bordnetzes von mobilen Einheiten, Kraftfahrzeugen und dgl. gegen Verpolung oder sonstige Schäden nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method and an apparatus for Fuse of an electrical one containing a battery Network, in particular an on-board network of mobile units, Motor vehicles and the like against polarity reversal or other damage according to the preamble of claim 1.
Bei in einem Kraftfahrzeug angeordneten handelsüblichen Batterien ist ein mechanischer Schutz gegen Verpolung nicht realisierbar und eine Verpolung, beispielsweise durch Unachtsamkeit einer Bedienungsperson verursacht, kann daher grundsätzlich auch nicht bei einem Starthilfeversuch ausgeschlossen werden. Es ist deshalb für sich besehen bekannt, einzelne Bauelemente oder einzelne Baugruppen, die beispielsweise besonders empfindlich auf eine Verpolung reagieren, durch in Reihe geschaltete Dioden gegen Verpolschäden zu schützen. Nachteilig ist hierbei allerdings, dass bei höheren Strömen die Verlustleistung der Schutzdioden stark ansteigt.When commercially available arranged in a motor vehicle Batteries are not mechanical protection against reverse polarity feasible and reverse polarity, for example by Carelessness caused by an operator can therefore generally also not when trying to start be excluded. It is therefore considered for itself known individual components or individual assemblies that for example, particularly sensitive to reverse polarity react against diodes connected in series Protect reverse polarity damage. The disadvantage here is that at higher currents the power loss of the protection diodes rises sharply.
Um eine sichere Fremdstarthilfe bei Bordnetzen von beweglichen Einheiten zu gewährleisten, ist es vor allen Dingen erforderlich, sowohl die bordnetzeigene Batterie als auch das Bordnetz selbst gegen Verpolung zu schützen, sowohl für den Fall, dass eine Fremdstarthilfe von einem gegebenen Fahrzeug geleistet wird, oder dass dieses Fahrzeug Fremdstarthilfe in Anspruch nehmen muss, weil die eigene Bordnetzbatterie für einen Startversuch nicht mehr über die erforderliche Kapazität verfügt, beispielsweise also zu stark entladen ist. To provide a safe jump start for vehicle electrical systems from moving vehicles To ensure units, it is first of all required, both the on-board battery and that Protect the electrical system itself against reverse polarity, both for the Case that jump start from a given vehicle is provided, or that this vehicle jump start in Must make use of because the own on-board electrical system battery for a start attempt no longer has the required capacity has, for example, is too heavily discharged.
Grundsätzlich ist der Einsatz bestimmter Bauelemente in modernen Bordnetzen, insbesondere von Elektrolytkondensatoren oder Halbleiter-Leistungsschalter auf MOSFET-Basis in Kraftfahrzeugbordnetzen durch die Gefahr der Verpolung eingeschränkt. Bei einem Elektrolytkondensator kann eine solche Verpolung zur explosionsartigen Zerstörung des Kondensators mit den entsprechenden Folgeschäden führen, bei Halbleiterschaltern hingegen kann es im Verpolungsfall zu einem hohen Stromfluss über die Rückwärtsdiode der üblichen MOS-Transistoren kommen, was zu einer Zerstörung der Schalter und/oder zu einem ungewollten Einschalten von Verbrauchern führen kann. Besonders kritisch sind hier Brückenschaltungen.Basically, the use of certain components in modern electrical systems, especially electrolytic capacitors or MOSFET based semiconductor power switches in Vehicle electrical systems due to the risk of reverse polarity limited. With an electrolytic capacitor, one such polarity reversal to the explosive destruction of the Condenser with the corresponding consequential damage Semiconductor switches, on the other hand, can be reversed a high current flow through the reverse diode of the usual MOS transistors come, causing destruction of the switches and / or an unwanted switching on of consumers can lead. Bridge circuits are particularly critical here.
Andererseits werden sowohl Elektrolytkondensatoren als auch Halbleiterelemente zunehmend im Bordnetzbereich von Fahrzeugen eingesetzt, wobei insbesondere bei Elektromotoren, die über Pulsweitenmodulationen geregelt werden, die hohen Schaltfreuqenzen mit Hilfe von Halbleiterschaltern erzeugt werden. Der Einsatz von Elektrolytkondensatoren dient dem Vermeiden von Rückwirkungen auf das Bordnetz.On the other hand, both electrolytic capacitors and Semiconductor elements increasingly in the on-board electrical system area of vehicles used, especially in the case of electric motors that have Pulse width modulations are regulated, the high Switching frequencies generated with the help of semiconductor switches become. The use of electrolytic capacitors serves that Avoiding repercussions on the vehicle electrical system.
Es ist bekannt (DE 39 30 896 A1), Reihenschaltungen von zu schützenden Elementen mit invers geschalteten MOSFET's vorzusehen, wodurch sich geringere Verlustleistungen ergeben. Eine solche Lösung ist allerdings sehr kostspielig.It is known (DE 39 30 896 A1), series connections of protective elements with inverted MOSFETs to be provided, which results in lower power losses. However, such a solution is very expensive.
Bekannt ist ferner (DE 29 19 022 A1), ein Generatorsystem und/oder Verbraucher gegen eine Beschädigung durch ein Anschließen einer falsch gepolten Spannungsquelle, nämlich Batterie oder dergleichen, dadurch zu schützen, dass eine Einrichtung zur Erkennung der Falschpolung vorgesehen ist, die aus einer Serienschaltung eines Verpolschutzrelais und einer Verpolschutzdiode besteht. Das Relais benötigt im eingeschalteten Zustand jedoch eine relativ hohe Ansteuerleistung und weist zudem einen relativ hohen Einschaltwiderstand auf, so dass im Startfall mit einer Verschlechterung der Systemeigenschaften zu rechnen ist. Ausserdem besteht bei einem Relais beim Abschalten von hohen Strömen die Gefahr des Verschweissens der Schaltkontakte.Also known (DE 29 19 022 A1) is a generator system and / or consumers against damage from a Connecting an incorrectly polarized voltage source, namely To protect battery or the like in that a Device for detecting the wrong polarity is provided from a series connection of a reverse polarity protection relay and one Reverse polarity protection diode exists. The relay needs in switched on state, however, a relatively high Drive power and also has a relatively high On resistance, so that when starting with a Deterioration of the system properties can be expected. There is also a relay when switching off high There is a risk of welding the switch contacts.
Schließlich weist eine weitere bekannte Schaltungsanordnung (DE 197 19 919 A1) zum Schutz von Verbrauchern vor Verpolungsschäden in einem Bordnetz ein Begrenzungselement und eine Auslöseeinheit auf, wobei das Begrenzungselement parallel zum Bordnetz geschaltet ist und bei falsch gepolter Spannung die Bordnetzspannung auf einen vorgegebenen Wert begrenzt, der für sonstige elektronische Einheiten noch nicht schädlich ist. Durch diese Begrenzung baut sich ferner eine Spannung am Begrenzungselement auf, die dazu benutzt wird, einen Schalter zu öffnen.Finally, another known circuit arrangement (DE 197 19 919 A1) to protect consumers from Reverse polarity damage in a vehicle electrical system and a limiting element a release unit, the limiting element in parallel is connected to the vehicle electrical system and if the voltage is incorrectly polarized the vehicle electrical system voltage is limited to a predetermined value that is not yet harmful to other electronic units. This limitation also builds up tension Limiting element, which is used to a switch to open.
Desweiteren ist aus der US 4,463,402 ein Starthilfekabel bekannt, welches erst nach Prüfung vorgegebener Grenzwerte die Verbindung zwischen den Batterien herstellt. Aus der DE 198 05 499 A1 ist noch ein Verfahren bekannt, wobei ein Verbraucher nur dann daherhaft an eine Stromversorgung geschaltet wird, wenn in einer Testzeitspanne kein Überstrom festgestellt worden ist. Aus der US 4,471,400 ist eine Anordnung zum Schutz eines Bordnetzes vor falscher Polarität der Batterie bekannt, welche eine Stromsensor-Schaltverbindung zwischen der Batterieanschlussklemme und dem Bordnetz umfasst, wobei der Stromfluss im Fehlerfalle unterbrochen wird.Furthermore, a starting aid cable is from US 4,463,402 Known which the only after checking specified limits Establishes connection between the batteries. From DE 198 05 499 A1 Another method is known whereby a consumer only then be switched to a power supply, if no overcurrent is detected in a test period has been. An arrangement for protection is known from US 4,471,400 an on-board electrical system is known against incorrect polarity of the battery, which is a current sensor switching connection between the Includes battery terminal and the electrical system, the Current flow is interrupted in the event of a fault.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur einfachen und sicheren Durchführung von Fremdstarts bei Bordnetzen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, zur Verfügung zu stellen, wobei durch Fehlbedienungen, die beispielsweise auch von Benutzern verursachte Verpolungen oder Kurzschlüsse zurückzuführen sind, keine Schäden entstehen.The invention is therefore based on the object Possibility of simple and safe execution of External starts in on-board networks, especially of motor vehicles, to make available, due to incorrect operation, the for example, reverse polarity caused by users or Short circuits are attributable, no damage occurs.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 und hat den Vorteil, dass ein spezieller Fremsstartstützpunkt, also eine sich vorzugsweise im Motorraum bzw. Batterienähe befindende Kontaktstelle zur Verbindung mit der Klemme eines Fremdstarthilfekabels im Normalfall keine direkte Schaltverbindung mit dem Bordnetz bzw. der Batterie aufweist und lediglich über einen schädliche Einflüsse abblockenden Widerstand mit der fahrzeugeigenen Batterie verbunden ist. Erst im Falle des tatsächlichen und vor allem polgerechten Anklemmens eines Fremdhilfestartkabels wird eine direkte Schaltverbindung zur Batterie bzw. zum Bordnetz hergestellt, d. h. es erfolgt die tatsächliche Aktivierung des Fremdstartstützpunktes.The invention solves this problem with the characterizing Features of claim 1 and claim 2 and has the Advantage that a special Fremsstartpunkt, so one preferably located in the engine compartment or near the battery Contact point for connection to a terminal Jump-start cables are usually not direct Has switching connection with the vehicle electrical system or the battery and only block over a harmful influence Resistor is connected to the vehicle's battery. Only in the case of the actual and above all correct Connecting a third-party help cable becomes a direct one Switching connection to the battery or to the electrical system established, d. H. the actual activation of the Jump-starting base.
Eine mögliche Verpolung wird daher von Anfang an festgestellt und durch Erfassen vorgegebener Stromgrenzwerte beurteilt, ob die Anschaltung eines Starthilfekabels korrekt erfolgt ist. Im zutreffenden Fall kommt es anschließend zur direkten Schaltverbindung; wird eine Verpolung oder ein sonstiger Kurzschluss festgestellt, bleibt die direkte Schaltverbindung offen, so dass auch nicht die Gefahr besteht, dass erst verspätet auf eine Verpolung reagiert werden kann und schon geschlossene Schaltkontakte gegen hohe fließende Ströme wieder geöffnet werden müssen.Possible polarity reversal is therefore determined right from the start and judged by detecting predetermined current limit values whether the start-up cable has been connected correctly. in the if applicable, there is then a direct one Interconnection; will reverse polarity or some other If there is a short circuit, the direct switching connection remains open, so that there is also no danger that first can be reacted to a reverse polarity and already closed switching contacts against high flowing currents again must be opened.
Empfindliche Geräte oder Schaltungselemente eines Bordnetzes sind so gegen jegliche Art von Schadenseinwirkungen durch Kurzschlüsse oder Verpolungen geschützt.Sensitive devices or circuit elements of an electrical system are against any kind of damage Short circuits or reverse polarity protected.
Dabei ist ferner vorteilhaft, dass ein solcher Fremdstartstützpunkt gleichermaßen zur Fremdstarthilfe bei Fremdfahrzeugen eingesetzt werden kann, denn unabhängig davon, ob Fremdstarthilfe genommen oder gegeben wird, stets erfolgt eine vorläufige Schaltverbindung zunächst über einen Reihenwiderstand vom Fremdstartstützpunkt zum Bordnetz bzw. der Batterie und erst anschließend, nämlich nach Auswertung korrekter, auf eine einwandfreie Verbindung hinweisender Ströme erfolgt die direkte Schaltverbindung zur Batterie.It is also advantageous that such Jump start base equally to help jump start Third-party vehicles can be used, because regardless of whether jump starting assistance is given or given, is always done a preliminary switching connection first via a Series resistance from the jump starting point to the electrical system or the battery and only afterwards, namely after evaluation correct, indicating a perfect connection Currents are directly connected to the battery.
Vorteilhaft ist ferner, dass durch die Erfindung gewährleistet ist, dass beliebiges fehlerhaftes Vorgehen durch einen Benutzer ohne zerstörerische Schäden bleibt, unabhängig davon, ob zunächst die beiden Pluspole oder die beiden Minuspole - im angenommenden Fehlerfall vertauscht - miteinander verbunden werden.It is also advantageous that the invention ensures is that any wrongdoing by one User remains without destructive damage regardless of whether first the two plus poles or the two minus poles - in assumed error case interchanged - connected become.
Die Erfindung gewährleistet ferner die Erkennung eines Abklemmens des Starthilfekabels, wenn bei geschlossener direkter Schaltverbindung der erfasste Stromwert unter einen vorgegebenen Schwellenwert absinkt.The invention also ensures the detection of a Disconnect the jumper cable when closed direct switching connection the detected current value below one predetermined threshold drops.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.Further advantages and features of the invention are described in Connection in connection with the drawing explained.
Die Zeichnung zeigt inThe drawing shows in
Fig. 1 eine grundsätzliche Prinzipschaltung zur Verpolsicherung und in Fig. 1 shows a basic basic circuit for reverse polarity protection and in
Fig. 2 in Form von Diagrammen Einschalt- und Abschalt stromschwellen, aus denen sich die Beurteilungen für eine einwandfreie Anschaltung eines Start hilfekabels ableiten lassen. Fig. 2 in the form of diagrams turn-on and turn-off current thresholds, from which the assessments for a proper connection of a starter cable can be derived.
Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht daher darin, über mindestens einen in die Verbindungsleitung zwischen einem Fremdstartstützpunkt und dem Bordnetz bzw. Batterie angeordneten Stromsensor in Verbindung mit einem Vorwiderstand zum Fremdstartstützpunkt fließende Stromwerte zu diskriminieren und Entscheidungen abzuleiten, die eine direkte Schaltverbindung zwischen dem Fremdstartstützpunkt und dem Bordnetz bzw. der Batterie ermöglichen bzw. ausschließen oder im Falle des Abschaltens eine Auftrennung dieser Verbindungen veranlassen. Es versteht sich, dass mit dem hier und im folgenden verwendeten Begriff des Stromwertes im genaueren Sinne der "Betrag des Stromwertes" gemeint ist, also sowohl das Starthilfe geben als auch das Starthilfe nehmen umfasst sind, wobei der Strom also sowohl zum Fremdstartstützpunkt als auch von diesem weg fließen kann. The basic idea of the present invention is therefore via at least one in the connecting line between one Jump start base and the vehicle electrical system or battery arranged current sensor in connection with a series resistor Current values flowing to the jump starting point discriminate and derive decisions that are direct Switching connection between the jump-start base and the Enable or exclude vehicle electrical system or the battery or in the event of a shutdown, a disconnection of these connections cause. It goes without saying that with the here and in following used term of current value in more detail Meaning the "amount of the current value" is meant, both giving start-up assistance as well as taking start-up assistance are, with the current both to the jump starting point and can also flow away from it.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Batterie mit 10 und der Fremdstartstützpunkt mit 18 bezeichnet. Die Batterie, nämlich ihr Pluspol, ist über mindestens einen Stromsensor 12 und einen mit diesem in Reihe geschalteten Vorwiderstand 14 mit dem Fremdstartstützpunkt verbunden, wobei ferner eine Leitungsverbindung zu einem Bordnetz 11 eines in diesem Falle angenommenen Kraftfahrzeugs besteht, so dass der Fremdstartstützpunkt sowohl für eine einen Fremdstart gebende als auch einen Fremdstart nehmende Verbindung mit einem Fremdfahrzeug eingesetzt werden kann.In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the battery is denoted by 10 and the jump starting point by 18. The battery, namely its positive pole, is connected to the third-party starting point via at least one current sensor 12 and a series resistor 14 connected in series therewith, and there is also a line connection to an electrical system 11 of a motor vehicle adopted in this case, so that the third-party starting point is used for both a connection that gives an external start as well as a connection that has an external start can be used with a foreign vehicle.
Es ist eine Auswerteeinheit 16 vorgesehen, die den in der Sensorverbindungsleitung 20 zum Fremdstartstützpunkt 18 angeordneten Stromsensor 12 ausliest und so ausgebildet ist, dass sie ein Schaltelement 19 in einer direkten, zum Widerstand 14 parallelen Kontaktverbindung 21 zwischen Batterie und Fremdstartstützpunkt ansteuert, also öffnet oder schließt.An evaluation unit 16 is provided, which reads the current sensor 12 arranged in the sensor connection line 20 to the external starting point 18 and is designed such that it controls a switching element 19 in a direct, parallel connection 21 to the resistor 14 between the battery and the external starting point, i.e. opens or closes it ,
Es kann sich hierbei um die Ansteuerung eines Hochstromrelais 15 handeln, welches einen zugeordneten Relaisschalter 19 schließt, beispielsweise aber auch um einen motorisch betriebenen Steckkontakt 19', der dann die direkte Hochstrom- Schaltverbindung zwischen Fremdstartstützpunkt und Bordnetz bzw. Batterie bei entsprechender Ansteuerung über die Auswerteeinheit 16 herstellt.This can be the control of a high-current relay 15 , which closes an assigned relay switch 19 , but also, for example, a motor-operated plug contact 19 ', which then connects the direct high-current switching connection between the external starting point and the on-board electrical system or battery with appropriate control via the evaluation unit 16 manufactures.
Es ergibt sich dann folgender Funktionsverlauf. Geht man davon aus, dass im Normalzustand das angetriebene Schaltelement 19 in der direkten Schaltverbindung 21 vom Fremdstartstützpunkt 18 zur Batterie 10 und Bordnetz 11 geöffnet ist, dann ist an den Fremdstartstützpunkt 18 kein Kabel angeschlossen und der vom Stromsensor 12 erfasste Strom wird unter dem Schwellenwert 11, wie in Fig. 2 gezeigt, liegen.The following functional sequence then results. If it is assumed that in the normal state the driven switching element 19 is open in the direct switching connection 21 from the jump-starting point 18 to the battery 10 and the electrical system 11 , then no cable is connected to the jump-starting point 18 and the current detected by the current sensor 12 becomes below the threshold value 11 as shown in FIG. 2.
Ist das Kabel korrekt angeschlossen, unabhängig davon, ob zuerst die Minusverbindung oder die Plusverbindung hergestellt worden ist, dann wird aufgrund der Wirkung des Widerstands 14 und durch diesen bestimmt der von dem Stromsensor 12 erfasste Strom zwischen den Stromschwellen I1 und I2 liegen, was vom Ladezustand der Batterie 10 abhängt.If the cable is correctly connected, regardless of whether the minus connection or the plus connection has been established first, then due to the action of the resistor 14 and this determines the current detected by the current sensor 12 , the current thresholds I 1 and I 2 are what depends on the state of charge of the battery 10 .
Ist dagegen das Kabel kurzgeschlossen oder ist eine Verpolung aufgetreten, d. h. ist irrtümlicherweise an dem Fremdstartstützpunkt eine Minusverbindung mit dem Fremdfahrzeug hergestellt worden, dann wird der Strom in beiden Fällen über der Stromschwelle I2 liegen.If, on the other hand, the cable is short-circuited or polarity reversal has occurred, ie if a negative connection has been erroneously made to the third-party starting point at the third-party starting point, the current will be above the current threshold I 2 in both cases.
Die Auswerteeinheit 16 ist so ausgebildet, dass eine Ansteuerung des Schaltrelais 15 nur dann erfolgt, wenn der gemessene Strom Ix zwischen den Werten I1 und I2 liegt, also im korrekten Bereich der Fig. 2, (siehe oberes, die Einschaltschwellenwerte angebendes Diagramm), während bei Unterschreiten der Schaltschwelle I1 bzw. Überschreiten der Schaltschwelle I2 der Schalter 19 nicht geschlossen wird. Es kommt daher im Falle einer Verpolung oder eines Kurzschlusses von Anfang an nicht zu einer Bordnetz oder die Batterien schädigenden oder zerstörenden Belastung.The evaluation unit 16 is designed in such a way that the switching relay 15 is only activated when the measured current I x lies between the values I 1 and I 2 , that is to say in the correct range in FIG. 2 (see diagram above indicating the switch-on threshold values ) ), while the switch 19 is not closed when the switching threshold I 1 is undershot or the switching threshold I 2 is exceeded. In the event of reverse polarity or a short circuit, there is therefore no on-board electrical system or a load that damages or destroys the batteries.
Ist andererseits das Schaltelement 19 geschlossen, dann bewegt sich der Erkennungszustand in der Auswerteeinheit von dem oberen Diagramm der Fig. 2 zum unteren Diagramm dieser Figur, d. h. es fließt nunmehr ein Strom vom Fremdstart gebenden Fahrzeug zum Fremdstart nehmenden Fahrzeug, der mit Sicherheit über einer Schwelle I3 liegt, die stets größer als der Schwellenwert I2 im Einschaltdiagramm ist. Dies führt jedoch nicht zu einem Öffnen des Schaltelements 19, sondern die Auswerteeinheit 16 öffnet das Schaltelement 19 erst dann wieder, wenn bei ursprünglich geschlossenem Schalter 19 der Stromwert I3 unter diese Schwelle fällt (siehe das Abschaltdiagramm der Fig. 2), was bedeutet, dass die Klemmverbindungen zum Fremdstartstützpunkt 18 gelöst worden sind bzw. kein entsprechender Stromfluss mehr stattfindet, beispielsweise das Fremdstart nehmende Fahrzeug angesprungen ist.If, on the other hand, the switching element 19 is closed, the detection state in the evaluation unit moves from the upper diagram in FIG. 2 to the lower diagram in this figure, ie a current now flows from the vehicle giving the external start to the vehicle taking the external start, which surely exceeds a threshold I 3 , which is always greater than the threshold value I 2 in the switch-on diagram. However, this does not lead to the switching element 19 opening, but the evaluation unit 16 only opens the switching element 19 again when the current value I 3 falls below this threshold when the switch 19 is originally closed (see the switch-off diagram of FIG. 2), which means that the clamp connections to the jump-starting base 18 have been released or that there is no corresponding current flow, for example the vehicle taking the jump-start has started.
Dieser Vorgang entspricht einer Erkennung des Abklemmens des Starthilfekabels, wobei die Schaltgeschwindigkeit des Schaltelements 19 nicht sehr hoch sein muss, um einen Schutz vor Kurzschluss oder vor nachträglicher Verpolung zu gewährleisten.This process corresponds to a detection of the disconnection of the jumper cable, the switching speed of the switching element 19 not having to be very high in order to ensure protection against short circuit or against reverse polarity.
Da in beiden Fahrzeugen der Strom unter den Schwellenwert I3 absinkt, sind beide Fahrzeuge dadurch geschützt, wobei lediglich für den Fall, dass der Stromsensor 12 keine ausreichende Auflösung zur Messung aller geschilderten Fälle bietet, ein zweiter Stromsensor 13 unmittelbar in die Sensorzweigleitung 20 zum Vorwiderstand 14 geschaltet werden kann mit höherer Auflösung, der dann für das Einschalten zuständig ist, während der Stromsensor 12 den Abschaltschwellenbereich übernimmt.Since the current in both vehicles drops below the threshold value I 3 , both vehicles are protected in this way, and only in the event that the current sensor 12 does not offer sufficient resolution for measuring all of the cases described, a second current sensor 13 directly into the sensor branch line 20 to the series resistor 14 can be switched with a higher resolution, which is then responsible for switching on, while the current sensor 12 takes over the switch-off threshold range.
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