JP2008292380A - 電池の残容量の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電がランダムに繰り返される状態にあっても、残容量を正確に検出する。
【解決手段】電池の残容量の検出方法は、充電状態と放電状態とがランダムに繰り返される電池の残容量を電圧と電流から検出する。この検出方法は、電池が特定の電流範囲で特定時間充電される状態を充電状態と判定し、充電状態が２回連続する状態において、２回目の充電状態における電池の電圧と電流から残容量を検出する。
【効果】電池の残容量の検出方法は、充電状態が２回連続する状態で、２回目の充電状態における電圧と電流から残容量を検出するので、前回の放電による誤差を防止して、２回目の充電状態で電池の残容量を正確に検出できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、充電と放電とがランダムに繰り返される電池の残容量を、電流と電圧から検出する方法に関する。

電池は、残容量によって電圧が変化する特性がある。このため、電池の残容量は、電圧を検出して判定できる。この方法は、電池の電圧−残容量の関数をメモリに記憶し、あるいは、電圧に対する残容量をテーブルとして記憶し、電池の電圧を検出して、関数やテーブルから残容量を判定する。ただ、電池の残容量は、電圧のみを関数として正確には特定されない。図１は、充電している電池の残容量に対する電圧特性を曲線Ａで示し、放電している電池の残容量に対する電圧特性を曲線Ｂで示している。この図に示すように、電池は、電圧が同じであっても、充電している時と放電しているときでは残容量が異なる。したがって、電池の電圧から残容量を検出する方法は、電池を充電しているか放電しているかを考慮する必要がある。さらに、電池の残容量に対する電圧は、充電電流や放電電流の大きさによっても変化する。大きな充電電流で充電される電池は、小さい充電電流で充電される電池よりも電圧が高くなる。また、大きい放電電流で放電される電池は、小さい放電電流で放電される電池よりも電圧が低くなる。このため、電圧から残容量を正確に検出するには、電流の大きさも考慮する必要がある。さらに、ハイブリッドカーのように、充電と放電とがランダムに繰り返される電池は、充電と放電が繰り返されるパターンによっても、電圧に対する残容量が変化する。

以上の特性の電池の残容量を正確に検出するために、充放電電流の積算値で演算される残容量と、電池の電圧から検出される残容量の両方から残容量を検出する方法が開発されている。（特許文献１参照）
特開２００６−１１２７８６号公報

特許文献１に記載される残容量の検出方法は、充放電電流の積算値のみから演算される残容量に比較して正確に残容量を検出できる。充放電電流の積算値から演算される残容量は、検出電流や充放電効率の誤差が累積されるので、時間が経過するにしたがって演算される残容量が不正確になる。ハイブリッドカーに搭載される電池は、残容量が特定の範囲となるように充放電の電流をコントロールするが、検出される残容量に誤差ができると、残容量を設定された範囲内に制御しながら充放電できなくなる。電池は過充電や過放電で著しく劣化することから、残容量を正確に検出できないと、過充電や過放電されやすく、電池を著しく劣化させて寿命を短くする。充放電電流の積算値から演算される残容量は、電池の電圧から検出される残容量で補正できる。ただ、電池の電圧から検出される残容量が正確に検出できないと、トータルでは残容量を正確に検出できない。とくに、電圧から残容量を検出する方法は、種々の条件で電圧−残容量の特性が変化することから、正確な残容量の検出が極めて難しい。

本発明は、このことを実現することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、充放電がランダムに繰り返される状態にあっても、残容量を正確に検出できる電池の残容量の検出方法を提供することにある。

本発明の請求項１の電池の残容量の検出方法は、充電状態と放電状態とがランダムに繰り返される電池の残容量を電圧と電流から検出する。この検出方法は、電池が特定の電流範囲で特定時間充電される状態を充電状態と判定し、充電状態が２回連続する状態において、２回目の充電状態における電池の電圧と電流から残容量を検出する。

本発明の請求項２の電池の残容量の検出方法は、充電状態と放電状態と充放電の休止される充放電休止状態とがランダムに繰り返される電池の残容量を電圧と電流から検出する。この検出方法は、充放電休止状態の前後に２回の充電状態が繰り返される状態において、２回目の充電状態における電池の電圧と電流から残容量を検出する。

本発明の請求項３の電池の残容量の検出方法は、請求項２に記載される電池の残容量の検出方法であって、充放電が休止される時間が１秒〜１０分の範囲にあると充放電休止状態と判定する。

本発明の請求項４の電池の残容量の検出方法は、請求項１または２に記載される電池の残容量の検出方法であって、電池が、１Ｉt〜４０Ｉtの充電電流で、０．５秒〜３０秒間充電されると充電状態と判定する。

本発明の請求項５の電池の残容量の検出方法は、充電状態と放電状態とがランダムに繰り返される電池の残容量を電圧と電流から検出する。この検出方法は、電池が特定の電流範囲で特定時間放電される状態を放電状態と判定し、放電状態が２回連続する状態において、２回目の放電状態における電池の電圧と電流から残容量を検出する。

本発明の請求項６の電池の残容量の検出方法は、充電状態と放電状態と充放電の休止される充放電休止状態とがランダムに繰り返される電池の残容量を電圧と電流から検出する。この検出方法は、充放電休止状態の前後に２回の放電状態が繰り返される状態において、２回目の放電状態における電池の電圧と電流から残容量を検出する。

本発明の請求項７の電池の残容量の検出方法は、請求項６に記載される電池の残容量の検出方法であって、充放電が休止される時間が１秒〜１０分の範囲にあると充放電休止状態と判定する。

本発明の請求項８の電池の残容量の検出方法は、請求項５または６に記載される電池の残容量の検出方法であって、電池が、１Ｉt〜４０Ｉtの電流で０．５秒〜３０秒放電されると放電状態と判定する。

本発明の請求項９の電池の残容量の検出方法は、請求項１ないし８のいずれかに記載される電池の残容量の検出方法であって、ハイブリッドカーに搭載される電池の残容量を検出する。

本発明の残容量の検出方法は、充放電がランダムに繰り返される状態にあって、残容量を正確に検出できる特徴がある。それは、本発明の方法が、２回の充電状態が繰り返される状態において、２回目の充電状態において、電池の電圧と電流から残容量を検出し、あるいは２回の放電状態が繰り返される状態において、２回目の放電状態において、電池の電圧と電流から残容量を検出するからである。すなわち、本発明の方法は、２回連結して充電状態となり、あるいは放電状態となる２回目において、電圧と電流から残容量を検出する。電池は充電すると電圧が上昇し、また放電すると電圧が低下する。しがって、放電の後に充電する状態における電圧から残容量を検出すると、前回の放電で低下した電圧が次回の充電で上昇する電圧に影響を与えて正確に残容量を検出できなくなる。反対に充電の後に放電する状態における電圧から残容量を検出すると、前回の充電で上昇した電圧が次回の放電で低下する電圧に影響を与えて正確に残容量を検出できなくなる。本発明は、この弊害を避けるために、２回連続して充電又は放電となる状態で、２回目の充電又は放電状態における電圧から残容量を検出する。このため、前回の充電や放電による誤差を防止して、２回目の充電や放電で電池の残容量を正確に検出できる。

ところで、電池の残容量を電圧と電流から検出する方法において、充電時間が長く継続し、あるいは放電時間が長く継続した後、電圧と電流から残容量を検出して、誤差を少なくできる。しかしながら、充放電がランダムに繰り返される状態においては、必ずしも充電や放電の時間が長く継続するとは限らない。たとえば、ハイブリッドカーにおいては、アクセルやブレーキの操作状態、さらに電池の残容量から充電や放電が短い時間でランダムに繰り返される。したがって、電池が長い時間連続して充電又は放電される確率は極めて低くなる。このため、この条件で電圧と電流から残容量を検出する方法は、残容量を検出できるタイミングが極めて少なく、使用状態によってはほとんど電圧と電流から残容量を検出できなくなることがある。

充放電がランダムに繰り返される電池は、３ステップの充電状態と放電状態を考慮すると、図３に示す８通りのパターンとなる。この充放電の状態において、本発明は、アンダーラインで示す状態において、電圧と電流から残容量を検出する。このため、充放電を繰り返す状態で、残容量を検出できるタイミングが多く、しかも、充電と放電が２回連続する状態で検出することから正確に残容量を検出できる。

とくに、本発明の請求項１と請求項５に記載する電池の残容量の検出方法は、電池を特定の電流で特定時間充電し、又は放電する状態を充電状態や放電状態とすることから、充電状態と放電状態との間に必ずしも充放電休止状態を設けることなく、２回目の充電状態や放電状態から正確に電池の残容量を検出できる。とくに、この方法は、連続して長い時間充電され、あるいは放電される状態においても、正確に電池の残容量を検出できる。

また、本発明の請求項２と請求項６に記載する電池の残容量の検出方法は、充電状態と放電状態との間に充放電休止状態を設けることから、２回目の充電状態や放電状態からより正確に残容量を検出できる。さらに、請求項３と請求項７の電池の残容量の検出方法は、充放電休止状態の時間を特定して、より正確に残容量を検出できる。

また、本発明の請求項４と請求項８の電池の残容量の検出方法は、電池の充電状態、又は電池の放電状態を判定する電流範囲を１Ｉt〜４０Ｉtとして、時間範囲を０．５秒〜３０秒間とするので、より正確に電池の残容量を検出できる。

また、本発明の請求項９の検出方法は、ハイブリッドカーに搭載される電池の残容量を検出する方法に使用されることから、充放電がランダムに繰り返されるハイブリッドカーに搭載される電池の残容量を正確に検出できる特徴がある。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池の残容量の検出方法を例示するものであって、本発明は検出方法を以下の条件には特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図２に、本発明の一実施例に係る電池の残容量の検出方法に使用する電源装置のブロック図を示す。この電源装置は、ハイブリッドカーに搭載されて、車両３０を走行させるモータ３１に電力を供給する。この図に示す電源装置は、充電できる電池１と、残容量検出回路２とを備える。残容量検出回路２は、電池１の電圧を検出する電圧検出部３と、電池１に流れる電流を検出する電流検出部４と、電池１の温度を検出する温度検出部５と、電圧検出部３と電流検出部４と温度検出部５から入力される信号を演算して電池１の残容量を検出すると共に、残容量や電池温度から電池１の最大制限電流値を検出する残容量演算部６と、演算された残容量や最大制限電流値を接続機器に伝送する通信処理部７とを備えている。通信処理部７は、接続機器通信端子１０に接続している。通信処理部７は、接続機器通信端子１０を介して接続機器に接続されて、残容量や最大制限電流値を示す信号を接続機器に伝送する。この例では、接続機器として自動車等の車両３０を用い、電源装置を車両３０に搭載して、車両３０を走行させるモータ３１を駆動する。通信処理部７は、車両３０に設けられた車両側制御部３２と接続されて通信を行う。以下、車両用の電源装置について説明する。

電池１は、ニッケル水素電池である。ただし、電池は、リチウムイオン二次電池やニッケルカドミウム電池とすることもできる。また、電池１は、一つ又は複数を直列、または並列あるいは直列と並列を組み合わせて接続している。電池は、複数の電池を連結したモジュールで構成され、複数のモジュールを連結することもできる。

電圧検出部３は、電池１の電圧を検出する。複数の電池１を直列に接続する電源装置は、各々の電池１の電圧を検出して、各々の電池１の残容量を検出し、あるいは電池１のトータル電圧を検出して、電池１のトータルの残容量を検出する。電圧検出部３は、検出した電圧をアナログ信号として残容量演算部６に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部６に出力する。電圧検出部３は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に電池電圧を検出して、検出した電圧を残容量演算部６に出力する。

電流検出部４は、電池１と直列に抵抗素子（図示せず）を接続し、この抵抗素子の両端に誘導される電圧を検出して、抵抗素子の電圧降下から電池１に流れる電流の大きさを検出し、抵抗素子の電圧の正負から充電と放電を識別する。抵抗素子は低抵抗な抵抗器である。ただ、抵抗素子には、トランジスタやＦＥＴ等の半導体も使用できる。電池の充電電流と放電電流は電流が流れる方向が逆であるから、抵抗素子に誘導される正負の極性が反転する。したがって、抵抗素子の極性で充電と放電を判定して、抵抗素子に誘導される電圧で電流の大きさを検出できる。電流の大きさが抵抗素子に誘導される電圧に比例するからである。この電流検出部４は、電池の充放電の電流を正確に検出できる。ただし、電流検出部には、リード線に流れる電流で外部に漏れる磁束を検出して、電流を検出する構造とすることもできる。電流検出部４も、検出した電流をアナログ信号で残容量演算部６に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部６に出力する。電流検出部４は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に充放電の電流を検出して、検出した電流を残容量演算部６に出力する。

温度検出部５は、電池１の温度を検出する温度センサ８を備える。温度センサ８は、電池の表面に接触し、あるいは熱伝導材を介して電池に接触し、あるいはまた電池の表面に接近して電池に熱結合されて電池温度を検出する。温度センサ８はサーミスタである。ただし、温度センサには、ＰＴＣやバリスタ等、温度を電気抵抗に変換できる全ての素子を使用できる。また、温度センサには、電池から放射される赤外線を検出して電池に非接触な状態で温度を検出できる素子も使用できる。温度検出部５も、検出した電池温度をアナログ信号で残容量演算部６に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部６に出力する。温度検出部５は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に電池温度を検出して、検出した電池温度を残容量演算部６に出力する。

電圧検出部３と温度検出部５と電流検出部４から、一定のサンプリング周期でデジタル値の信号を残容量演算部６に出力する装置は、各々の検出部から残容量演算部６にデジタル信号を出力するタイミングをずらせて、順番にデジタル信号を残容量演算部６に出力する。

残容量演算部６は、ランダムに繰り返し充放電される電池１の電圧と電流と温度から残容量を特定するテーブル（Look Up Table）を記憶するメモリ９を備える。ただし、残容量演算部は、電圧と電流と温度から残容量を特定する関数を、メモリに記憶することもできる。残容量演算部６は、電圧と電流と温度から残容量を特定してより正確に残容量を検出できるが、温度を考慮することなく、電圧と電流から残容量を特定することもできる。電圧と電流から残容量を特定する残容量演算部は、メモリに電圧と電流から残容量を特定するテーブルや関数を記憶している。

残容量演算部６は、メモリ９に記憶しているテーブルや関数に基づいて、電圧検出部３から入力される電池１の電圧と、電流検出部４から入力される電流と、温度検出部５から入力される温度から残容量を検出する。ただし、残容量演算部６は、電池１の電圧と電流と温度から常に残容量を検出しない。残容量演算部６は、充放電される電池１の充電状態と、放電状態と、充放電休止状態とを判別し、特定の条件を満足する状態に限って、電圧と電流と温度から残容量を検出する。

残容量演算部６は、電池１の充電状態と放電状態と充放電休止状態を、電流検出部４から入力される信号で判定する。電池１の充電状態と放電状態では、電流検出部４から入力される信号の正負が反転する。たとえば、充電電流を検出する状態でプラス信号を出力する電流検出部４は、放電電流を検出する状態ではマイナス信号を出力する。また、充放電休止状態において、電流検出部４は検出電流を０Ａとする信号を出力する。したがって、残容量演算部６は、電流検出部４からの入力信号で、充電状態と、放電状態と、充放電休止状態とを判別できる。

さらに、残容量演算部６は、電池１の充電状態と放電状態と充放電休止状態を検出し、充電状態が２回以上繰り返される状態、又は充放電休止状態の前後に２回の充電状態が繰り返される状態においては、２回目以降の充電状態において、電池１の電圧と電流と温度から残容量を検出する。また、残容量演算部６は、放電状態が２回以上繰り返される状態、又は充放電休止状態の前後に２回の放電状態が繰り返される状態において、２回目以降の放電状態において、電池１の電圧と電流と温度から残容量を検出する。

残容量演算部６は、電池１を充放電する電流値と、充放電が継続する時間を特定範囲に制限して、充電状態と放電状態と判定する。たとえば、充電電流を１Ｉt〜４０Ｉtの範囲とし、かつ充電時間を０．５秒〜３０秒とする状態を充電状態と判定し、この条件を満足しない状態を充電状態とは判定しない。また、放電電流を１Ｉt〜４０Ｉtの範囲とし、かつ放電時間を０．５秒〜３０秒とする状態を放電状態と判定し、この範囲に含まれない条件での放電を放電状態とは判定しない。たとえば、定格容量を６Ａｈとする電池が、６Ａ（１Ｉt）〜２４０Ａ（４０Ｉt）の電流で、０．５秒〜３０秒充電されると充電状態と判定し、また６Ａ（１Ｉt）〜２４０Ａ（４０Ｉt）の電流で、０．５秒〜３０秒放電されると放電状態と判定する。また、残容量演算部６は、充電と放電を休止する時間が、１秒〜１０分の範囲にあると充放電休止状態と判別し、充放電が休止される時間がこの範囲にないと、充放電休止状態とは判定しない。このように、充電状態と放電状態と充放電休止状態を特定の範囲に制限することで、残容量演算部６は、より正確に残容量を検出できる。

残容量演算部６は、以上の条件から、充電状態と放電状態と充放電休止状態を判別し、以下の放電で電池１の残容量を検出する。

充放電と充放電休止状態とがランダムに繰り返されて充放電される電池は、図３に示す以下のパターンで充放電される。ただし、図３は、充電状態や放電状態の充放電ステップが３回繰り返される状態を示している。さらに、この図において、充電状態と放電状態とがランダムに繰り返される電池の残容量を検出するタイミングをアンダーラインで示している。以下の８パターンにおいて、好ましくは、充放電休止状態で充電状態と放電状態を次のステップに切り換える。すなわち、電池１が充電される状態から充放電が停止され、その後、放電状態に切り換えられると、充電状態から放電状態に切り換えられたと判定する。ただ、電池１が特定電流で特定時間充電される状態を充電状態と判定し、また特定電流で特定時間放電される状態を放電状態と判定する状態においては、充電状態と放電状態との間に必ずしも充放電休止状態はなく、電池１が特定電流で特定時間充電されると１回目の充電状態と判定し、その後、充放電休止状態がなく連続して充電されて、この充電が特定電流で特定時間継続すると２回目の充電状態と判定する。

第１のパターンは、充電状態→充電状態→充電状態の順番で電池１が充電される。この状態で電池１が充電されるとき、残容量演算部６は、２回目と３回目の充電状態における電池１の電圧と電流と温度に基づいて、テーブルや関数で残容量を検出する。２回目は充電状態が２回繰り返される状態となり、３回目は２回目と３回目とで充電状態が２回繰り返されるからである。

第２のパターンは、充電状態→充電状態→放電状態の順番で電池１が充放電される。この状態で電池１が充放電されるとき、残容量演算部６は、２回目の充電状態における電池１の電圧と電流と温度に基づいて、テーブルや関数で残容量を検出する。２回目は充電状態が２回繰り返される状態となるが、３回目は充電状態が２回繰り返されることなく、充電状態の後に放電状態となるからである。

第３のパターンは、放電状態→充電状態→充電状態の順番で電池１が充放電される。この状態で電池１が充放電されるとき、残容量演算部６は、３回目の充電状態における電池１の電圧と電流と温度に基づいて、テーブルや関数で残容量を検出する。２回目は充電状態が２回繰り返されることなく、放電状態の後に充電状態となるが、３回目は充電状態が２回繰り返される状態となるからである。

第４のパターンは、放電状態→充電状態→放電状態の順番で電池１が充放電される。この状態で電池１が充放電されるとき、残容量演算部６は残容量を検出しない。２回目は、充電状態が２回繰り返されることなく、放電状態の後に充電状態となり、３回目は放電状態が２回繰り返されることなく、充電状態の後に放電状態となるからである。

第５のパターンは、充電状態→放電状態→充電状態の順番で電池１が充放電される。この状態で電池１が充放電されるとき、残容量演算部６は残容量を検出しない。２回目は、放電状態が２回繰り返されることなく、充電状態の後に放電状態となり、３回目は充電状態が２回繰り返されることなく、放電状態の後に充電状態となるからである。

第６のパターンは、充電状態→放電状態→放電状態の順番で電池１が充放電される。この状態で電池１が充放電されるとき、残容量演算部６は、３回目の放電状態における電池１の電圧と電流と温度に基づいて、テーブルや関数で残容量を検出する。２回目は放電状態が２回繰り返されることなく、充電状態の後に放電状態となるが、３回目は放電状態が２回繰り返される状態となるからである。

第７のパターンは、放電状態→放電状態→充電状態の順番で電池１が充放電される。この状態で電池１が充放電されるとき、残容量演算部６は、２回目の放電状態における電池１の電圧と電流と温度に基づいて、テーブルや関数で残容量を検出する。２回目は放電状態が２回繰り返される状態となるが、３回目は放電状態が２回繰り返されることなく、放電状態の後に充電状態となるからである。

第８のパターンは、放電状態→放電状態→放電状態の順番で電池１が放電される。この状態で電池１が放電されるとき、残容量演算部６は、２回目と３回目の放電状態における電池１の電圧と電流と温度に基づいて、テーブルや関数で残容量を検出する。２回目は放電状態が２回繰り返される状態となり、３回目は２回目と３回目とで放電状態が２回繰り返されるからである。

残容量演算部６は、以上の方法で電池１の残容量を検出する。さらに、残容量演算部６は、以上の方法で検出される残容量と、電池１の充放電の電流を積算する積算残容量を検出し、両方の残容量からより正確に残容量を演算することもできる。

電池の残容量に対する電圧特性を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る電池の残容量の検出方法に使用する電源装置のブロック図である。 充電状態と放電状態とがランダムに繰り返されて充放電される電池の残容量を検出するタイミングを示す図である。

符号の説明

１…電池
２…残容量検出回路
３…電圧検出部
４…電流検出部
５…温度検出部
６…残容量演算部
７…通信処理部
８…温度センサ
９…メモリ
１０…接続機器通信端子
３０…車両
３１…モータ
３２…車両側制御部

Claims (9)

1. 充電状態と放電状態とがランダムに繰り返される電池の残容量を電圧と電流から検出する方法であって、
   電池が特定の電流範囲で特定時間充電される状態を充電状態と判定し、充電状態が２回連続する状態において、２回目の充電状態における電池の電圧と電流から残容量を検出する電池の残容量の検出方法。
2. 充電状態と放電状態と充放電の休止される充放電休止状態とがランダムに繰り返される電池の残容量を電圧と電流から検出する方法であって、
   充放電休止状態の前後に２回の充電状態が繰り返される状態において、２回目の充電状態における電池の電圧と電流から残容量を検出することを特徴とする電池の残容量の検出方法。
3. 充放電が休止される時間が、１秒〜１０分の範囲にあると充放電休止状態と判定する請求項２に記載される電池の残容量の検出方法。
4. 電池が、１Ｉt〜４０Ｉtの充電電流で、０．５秒〜３０秒間充電されると充電状態と判定する請求項１又は２に記載される電池の残容量の検出方法。
5. 充電状態と放電状態とがランダムに繰り返される電池の残容量を電圧と電流から検出する方法であって、
   電池が特定の電流範囲で特定時間放電される状態を放電状態と判定し、放電状態が２回連続する状態において、２回目の放電状態における電池の電圧と電流から残容量を検出する電池の残容量の検出方法。
6. 充電状態と放電状態と充放電の休止される充放電休止状態とがランダムに繰り返される電池の残容量を電圧と電流から検出する方法であって、
   充放電休止状態の前後に２回の放電状態が繰り返される状態において、２回目の放電状態における電池の電圧と電流から残容量を検出することを特徴とする電池の残容量の検出方法。
7. 充放電が休止される時間が、１秒〜１０分の範囲にあると充放電休止状態と判定する請求項６に記載される電池の残容量の検出方法。
8. 電池が、１Ｉt〜４０Ｉtの電流で０．５秒〜３０秒放電されると放電状態と判定する請求項５又６に記載される電池の残容量の検出方法。
9. ハイブリッドカーに搭載される電池の残容量を検出する請求項１ないし８のいずれかに記載される電池の残容量の検出方法。

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