JP2010057284A - 車両用電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】二次電池が故障した場合でも安定した電力を供給できる車両用電源装置を提供する。
【解決手段】二次電池1と第1電源負荷6,21とが接続される入力側端子Pin,Ninと、第2電源負荷5と前記二次電池1と並列に接続された燃料電池2とが接続される制御側端子Pout,Noutとを有するDC−DCコンバータ3と、前記二次電池の作動状態を検出する検出手段7と、前記検出手段により前記二次電池が異常であると判断された場合は、前記燃料電池2の接続先を前記入力側端子Pin,Ninに切り換える回路切換手段331〜336とを備える。
【選択図】 図2
【解決手段】二次電池1と第1電源負荷6,21とが接続される入力側端子Pin,Ninと、第2電源負荷5と前記二次電池1と並列に接続された燃料電池2とが接続される制御側端子Pout,Noutとを有するDC−DCコンバータ3と、前記二次電池の作動状態を検出する検出手段7と、前記検出手段により前記二次電池が異常であると判断された場合は、前記燃料電池2の接続先を前記入力側端子Pin,Ninに切り換える回路切換手段331〜336とを備える。
【選択図】 図2
Description
この発明は、車両用電源装置に関するものである。
燃料電池と充放電可能なバッテリ(二次電池)とを並列接続し、燃料電池の出力電圧をDC/DCコンバータで変換することにより、燃料電池のガス供給量の応答遅れによる出力電力の不足分を二次電池で補ったり、燃料電池の余剰電力を二次電池に充電したりする車両用電源装置が知られている(特許文献1)。
しかしながら、上記従来の電源装置の二次電池が故障し、二次電池の出力端子が解放状態になった場合の、DC−DCコンバータの出力側端子間(Pin-Nin間)の電圧は、DC−DCコンバータや車両補機に内蔵された平滑用コンデンサの充電状態(V=Q/C)で決まる。
このため、電源装置が組み込まれた車両システム全体の電力収支が正確に±0でない限り、平滑コンデンサが充電あるいは放電してしまい、当該電圧が急激に上昇又は下降して電力が不安定になるという問題があった。
この発明が解決しようとする課題は、二次電池が故障した場合でも安定した電力を供給できる車両用電源装置を提供することである。
この発明は、車両駆動用の電動機に燃料電池と二次電池とが並列に接続され、一次側端子に二次電池と補記を含む第1電源負荷とが、二次側端子に燃料電池と車両駆動用の電動機を含む第2電源負荷とが接続された双方向DC−DCコンバータを備えた車両用電源装置において、二次電池が異常であると判断された場合は、二次側端子の電圧を制御する回路から、一次側端子の電圧を制御する回路へDC−DCコンバータの回路を切り換えることによって上記課題を解決する。
上記発明によれば、二次電池が故障した場合でも、一次側の電圧を制御するため、燃料電池から補機に供給される電圧が安定し、補機を安定して稼動させることができる。また、二次側の電圧制御は停止状態となるため、電動機の電圧は、電動機の消費電力に応じた電力に自律的に調整され、電動機は安定して動作することできる。
以下、上記発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態に係る電源装置BSを搭載した車両を示す構成図である。本例の車両は、車輪9に連結された同期モータ5を駆動力源として走行する。同期モータ5の電源は、電源装置BSである。電源装置BSから出力される直流は、インバータ4で三相交流に変換され、同期モータ5に供給される。同期モータ5は、制動時に発電機として機能する。
電源装置BSは、二次電池1、燃料電池2、DC−DCコンバータ3等から構成される。
二次電池1は、充放電可能であり、ニッケル水素バッテリその他、種々のタイプの二次電池を用いることができる。また、二次電池1以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いることもできる。
燃料電池2は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する装置であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を用いることができる。発電に利用される水素ガスは、アルコール等の原料を改質して生成される。本例では、発電を行うスタック、燃料ガスを生成する改質器等を含めて燃料電池2と称する。なお、改質器に代えて、水素吸蔵合金、水素ボンベなどを利用して水素ガス自体を貯蔵することもできる。
燃料電池2と二次電池1とはインバータ4に並列接続されている。燃料電池2からインバータ4への回路には、二次電池1からの電流または同期モータ5で発電された電流が逆流するのを防止するためのダイオード23が設けられている。並列に接続された電源の電力を適切に使い分けるためには、両者の相対的な電圧差を制御する必要がある。本例では、この目的を達成するために、二次電池1とインバータ4との間にDC−DCコンバータ3が設けられている。DC−DCコンバータ3は直流の電圧変換器である。DC−DCコンバータ3は、二次電池1から入力されたDC電圧を調整してインバータ4側に出力する機能と、燃料電池2またはモータ5から入力されたDC電圧を調整して二次電池1に出力する機能とを備えた、いわゆる双方向DC−DCコンバータである。DC−DCコンバータ3の機能により、二次電池1の充放電が実現される。
二次電池1とDC−DCコンバータ3との間には、車両補機6および燃料電池補機21が接続されている。つまり、二次電池1は、これらの補機6,21の電源となる。車両補機6とは、車両の運転時に使用される種々の電力機器を意味し、照明機器、空調機器、オーディオなどが含まれる。燃料電池補機21とは、燃料電池2の運転に使用される種々の電力機器を意味し、燃料ガスや改質原料を供給するためのポンプ、改質器の温度を調整するヒータ等が含まれる。
電源装置1を構成する上述した各要素の運転は、制御装置7によって制御される。制御装置7は、内部にCPU、RAM、ROMを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御装置7は、インバータ4のスイッチング素子を制御して、要求動力に応じた三相交流を同期モータ5に出力する。そして、要求動力に応じた電力が供給されるよう、燃料電池2およびDC−DCコンバータ3の運転をも制御する。
これらの制御を実現するために、制御装置7には、種々のセンサ信号が入力される。これらのセンサには、アクセルペダルセンサ8、二次電池1の充電状態SOC(State Of Charge)を検出するSOCセンサ11、燃料電池2のガス流量を検出する流量センサ22、車速を検出する車速センサ91が含まれる。なお、制御装置7に接続されるその他のセンサについては、図示を省略した。
図2はDC−DCコンバータ3の詳細を示す回路図であり、図2の左側の入力側端子Pin,Ninが図1のDC−DCコンバータ3の上側の入力側端子Pin,Ninに対応し、図2の右側の制御側端子(出力側端子)Pout,Noutが図1のDC−DCコンバータ3の下側の制御側端子(出力側端子)Pout,Noutに対応する。
また、図2の左側の入力端子Vout*は、図1の制御装置7からDC−DCコンバータ3へ出力される設定電圧であり、DC−DCコンバータ3は、制御側端子Pout,Noutの実際の電圧Vout(後述する電圧センサ312により検出される)が当該設定電圧Vout*になるようにスイッチング素子のON/OFFデューティ比を制御する。また、図2の左側の入力端子BFは、図1の制御装置7からDC−DCコンバータ3へ出力される二次電池1の故障信号である。
図2に示すように、DC−DCコンバータ3の入力側及び出力側のそれぞれには、コンバータ3の入力電圧Vin及び出力電圧Voutを平滑化するためのコンデンサ301,311が設けられている。2つの電圧センサ302,312は、それぞれコンバータ3の実際の入力電圧Vinと実際の出力電圧Voutを検出し、切換スイッチ332,333を介してコンバータ制御装置350へ出力する。電流センサ321は、リアクトル320に流れる電流を検出し、切換スイッチ334を介してコンバータ制御装置350へ出力する。
コンバータ3は、リアクトル320と、NPNトランジスタ303,304,313,314と、ダイオード306,307,316,317と、NOTゲート305,315とを備える。
トランジスタ303,304は直列に接続され、トランジスタ303のコレクタ端子は入力側端子Pinに接続され、トランジスタ304のエミッタ端子は入力側端子Nin(アースライン)に接続されている。また、トランジスタ303,304には、エミッタ端子側からコレクタ端子側に電流が流れるように、ダイオード306,307がそれぞれ並列に接続されている。そして、トランジスタ303,304のON/OFFは、それぞれ切換スイッチ335を介してコンバータ制御装置350のデューティ比制御信号D1によって制御されるが、トランジスタ304のベース端子にはNOTゲート305を介してデューティ比制御信号D1が入力されるので、2つのトランジスタ303,304のON/OFFは常に互いに逆になる。これらトランジスタ303,304等を入力側直列回路とも称する。
同様に、トランジスタ313,314は直列に接続され、トランジスタ313のコレクタ端子は制御側端子Poutに接続され、トランジスタ314のエミッタ端子は制御側端子Nout(アースライン)に接続されている。また、トランジスタ313,314には、エミッタ端子側からコレクタ端子側に電流が流れるように、ダイオード316,317がそれぞれ並列に接続されている。そして、トランジスタ313,314のON/OFFは、それぞれ切換スイッチ336を介してコンバータ制御装置350のデューティ比制御信号D2によって制御されるが、トランジスタ314のベース端子にはNOTゲート315を介してデューティ比制御信号D2が入力されるので、2つのトランジスタ313,314のON/OFFは常に互いに逆になる。これらトランジスタ313,314等を制御側直列回路とも称する。
リアクトル320は、一端が入力側直列回路のトランジスタ303,304の接続点に接続され、他端は制御側直列回路のトランジスタ313,314の接続点に接続されている。
コンバータ制御装置350は、例えばマイクロコンピュータによって構成することができ、PWM制御によって4つのトランジスタ303,304,313,314のON/OFFを制御することにより、二次電池1の直流電圧Vinをインバータ4(ひいてはモータ5)に供給するための所望の電圧に昇圧させる。
本例のコンバータ3は双方向DC−DCコンバータであり、2次電池1側回路からインバータ4側回路へ電力を供給するモードと、インバータ4側回路から2次電池1側回路へ向かって電力を供給するモードとの2つのモードで双方向に作動することができる。このような動作は、コンバータ制御部350が4つのトランジスタ303,304,313,314のON/OFF動作を適切に行うことによって実現される。
図4は、電力供給時にコンバータ制御部350が4つのトランジスタ303,304,313,314の各ゲート端子に印加する電圧を時系列で示すタイムチャートである。このような電圧の印加によって、4つのトランジスタ303,304,313,314のON/OFF制御が行われ、これにより2次電池1からの直流電力が昇圧されてインバータ4に供給される。具体的には、4つのトランジスタ303,304,313,314のON/OFF制御によって以下の電圧変換動作が行われる。
まず、時刻t0では、2つのトランジスタ303,314がオンにされ、2つのトランジスタ304,313がオフにされる。これにより、リアクトル320が入力側端子Pin,Ninに接続され、このときにリアクトル320に磁気エネルギが蓄積される。
次の時刻t1では、2つのトランジスタ303,314がオフにされ、2つのトランジスタ304,313がオンにされる。これにより、リアクトル320が制御側端子Pout,Noutに接続され、このときにリアクトル320に蓄積された磁気エネルギがインバータ4に電力として供給される。
このインバータ4に供給される電力の電圧は、コンバータ制御部350がデューティ比(ON−OFF比)を調整することによって制御することができる。デューティ比を大きくすれば、インバータ4に供給される電力の電圧を高くすることができ、デューティ比を小さくすれば、インバータ4に供給される電力の電圧を低くすることができる。さらに、デューティ比を小さくすれば、軽負荷時や回生制動時には、インバータ4から2次電池1へ電力を供給して、燃料電池2からの余剰電力やモータ5の回生電力を利用して2次電池1を充電することもできる。
ここで、デューティ比(ON−OFF比)における「ON」と「OFF」は、以下のように定義される。「ON」は、2つのトランジスタ303,314がオンにされ、2つのトランジスタ304,313がオフにされる状態であり、「OFF」は、2つのトランジスタ303,314がオフにされ、2つのトランジスタ304,313がオンにされる状態である。
図2に戻り、本例のDC−DCコンバータ3は、入力側端子Pin,Ninと制御側端子Pout,Noutとを互いに入れ替え、入力側端子Pin,Ninに制御側端子の機能をもたせるとともに制御側端子Pout,Noutに入力側端子の機能をもたせるための切換スイッチ331〜336を備える。これら切換スイッチ331〜336の切換トリガは制御装置7から出力される二次電池1の故障信号BFであり、図3は二次電池1が正常の場合を示し、二次電池1が故障などにより要求電力に対応できない異常の場合は、図3に示す状態とは反対の接点に切り換る。
切換スイッチ331は、制御装置7から出力される設定電圧Vout*(要求電圧に対応する値)と、予め決められた一定電圧Vin*とを切り換え、コンバータ制御装置350へ出力する。
切換スイッチ332,333は、電圧センサ302により検出される入力側の実際の電圧Vinと、電圧センサ312により検出される制御側の実際の電圧Voutとを入れ替えてコンバータ制御装置350へ出力する。
切換スイッチ334は、電流センサ321により検出されるリアクトル320を流れる電流値iLの符号を符号反転器341にて反転させ、コンバータ制御装置350へ出力する。符号を反転させるのは、リアクトル320を流れる電流の向きが反転し、電流の正負の定義も反転するからである。
切換スイッチ335,336は、コンバータ制御装置350から出力されるデューティ比制御信号D1,D2の出力先を、トランジスタ303,304とトランジスタ313,314とで入れ替える。
以上の切換スイッチ331〜336が図2に示す接点とは反対の接点に切り換ると、設定電圧として一定電圧Vin*がコンバータ制御装置350に入力され、コンバータ制御装置350は、入力側端子Pin,Nin(実際には制御側端子として機能する)の電圧がVin*になるようにデューティ比を演算し、デューティ比制御信号D1,D2を生成してトランジスタ303,304,313,314のベース端子へ出力する。
また、切換スイッチ332,333が切り換ることで、電圧センサ302により検出された入力側端子Pin,Ninの実際の電圧Vinが制御側端子の電圧Voutとしてコンバータ制御装置350へ入力され、逆に電圧センサ312により検出された制御側端子Pout,Nout(実際には入力側端子として機能する)の実際の電圧Voutが入力側端子の電圧Vinとしてコンバータ制御装置350へ入力され、それぞれ制御に供される。
また、切換スイッチ334が切り換ることで、電流センサ321により検出されたリアクトル320を流れる実際の電流値iLが符号を反転させた値でコンバータ制御装置350へ入力され、制御に供される。
次に動作を説明する。
図3は本例の電源装置BSの制御手順を示すフローチャートである。
ステップS00にて二次電池1の作動状態、すなわち車両からの要求電力に対応できる状態であるか否かを判定する。二次電池1が正常に動作している場合はステップ10へ進み、要求電力Ereqを演算する。本例の要求電力Ereqは、走行要求電力Ed、充放電電力Eb、補機電力Esの3要素の和で求めることとする。
走行要求電力Edは、車両が走行するためにモータ5に供給すべき電力であり、次の手順で求められる。まず、制御装置7は、モータ5の目標回転数、目標トルクを設定する。これらの値は、アクセルペダル開度および車速のテーブルで与えられ、両者の積はモータ5から出力すべき動力となる。この動力を、モータ5の運転効率、消費電力当たりに出力される動力の比で除することにより、走行要求電力Edが求められる。モータ5を発電機として機能させて回生制動する際には、目標トルクが負の値となるから、走行要求電力Edも負の値となる。
充放電電力Ebは、二次電池1の充放電にともなう電力である。二次電池1の充電状態SOC(State of Charge)は、所定の範囲に保たれるよう制御される。SOCが所定の下限値よりも低くなると、二次電池1への充電が行われ、この場合の充放電電力Ebは、充電に必要となる電力に応じた正値となる。この結果、二次電池1の充電にともない要求電力Ereqが増大する。一方、SOCが所定の上限値よりも高くなると二次電池1からの放電が行われ、この場合の充放電電力Ebは、放電電力に応じた負値となる。二次電池1からの放電によって、要求電力Ereqが低くなる。
補機電力Esは、車両補機6および燃料電池補機21を駆動するのに要する電力である。両者の運転状態に応じてそれぞれ設定される。
次のステップS12では、制御装置7は、ステップS10で設定された要求電力Ereqを出力するよう燃料電池2の出力電圧を設定し、燃料電池2のガス流量を制御する。電圧は、次のマップにより設定される。図5は燃料電池2の出力特性を示すマップ図であり、上段には電力と電流との関係を示し、下段には電圧と電流の関係を示す。
ここで、供給されるガス流量に応じて燃料電池2の出力特性は変動する。下段の曲線Af1はガス流量が低い状態、曲線Af2はガス流量が高い状態を示している。ガス流量が低い場合には、電圧が低下し始めるポイントが低電流側に移行する。
同図の上段の電力−電流特性マップに基づき、要求電力Ereqに応じた電流Ifcを求めることができる。また、同図の下段の電圧−電流特性マップに基づき、電流Ifcに応じた電圧Vfcを求めることができる。燃料電池2のガス流量が低く、十分な電圧値で要求された電力を出力し得ない場合には、これらの特性マップに基づきガス流量の目標値も併せて設定される。
次に、ステップS14にて、制御装置7はDC−DCコンバータ3の出力電圧を設定する。二次電池1を放電する場合、すなわち充放電電力Ebが負の場合は、二次電池1側を入力、インバータ4側を出力とし、出力電圧値を燃料電池2の出力電圧値に一致させる。二次電池1を充電する場合、すなわち充放電電力Ebが正の場合は、インバータ4側を入力、二次電池1側を出力とする。出力電圧値は、二次電池1の充電に適した所定値とする。この所定値は、一定値としてもよいし、充電される電力に応じて変動させてもよい。
次のステップS16では、制御装置7は、設定された出力電圧となるようDC−DCコンバータ3を制御し、併せて要求電力が同期モータ5に供給されるようインバータ4を制御する。インバータ4のスイッチングにともない、燃料電池2からはガス流量に応じた電力が出力される。また、二次電池1からは燃料電池2から出力される電力とインバータ4で消費される電力との差分に応じた電力が充放電される。例えば、燃料電池2の出力に応答遅れがある場合には、要求電力Ereqに満たない分が二次電池1によって補償される。二次電池1からの出力は、燃料電池2の出力が要求電力Ereqに近づくに連れて徐々に低減する。こうした制御により、高い応答性で電力を供給することができる。
なお、車両補機6および燃料電池補機21には少なくとも二次電池1からの電力が保証されている。また、二次電池1の充電時には、燃料電池2または同期モータ5からの電力をこれらの補機6,21に供給してもよい。
ステップS00に戻り、二次電池1が故障しているなど、車両からの要求電力に対応できる状態でない場合はステップ18へ進み、制御装置7はコンバータ制御装置350へ二次電池1の故障信号BFを出力する。この故障信号BFが入力されたコンバータ制御装置350は、切換スイッチ331〜336を図2に示す接点とは反対の接点に切り換える。これにより、DC−DCコンバータ3の制御側端子Pout,Noutが入力側端子として機能するとともに、入力側端子Pin,Ninが制御側端子として機能する。すなわち、燃料電池2からの電力は、インバータ4へ供給されるとともに、DC−DCコンバータ3を介して車両補機6および燃料電池補機21へ供給される。
ステップS20では、制御装置7は要求電力Ereqを演算する。ここでは二次電池1が正常でないことから充放電電力Esを除外した、走行要求電力Edと補機電力Esの2要素の和で求めることとする。なお、要求電力の変化は、燃料電池2のガス流量の応答性を加味して燃料不足にならないように、制御装置7は走行要求電力Edと補機電力Esを調整する。例えば、アクセルセンサ8の動きに対するトルク指示の変化量を制限したり、必須の補機以外は停止したりする。また、モータ5の回生は行わないように制御する。
次にステップS20にて、制御装置7は、要求電力Ereqに応じたガス流量制御を行い、ステップS22にて、制御装置7は、設定された値に基づきDC−DCコンバータ3及びインバータ4を制御する。
すなわち、コンバータ制御装置350に対する電圧指示値は、切換スイッチ331の切り換え操作により、制御装置7から受け取っていたVout*から、定数であるVin*に切り換る。Vin*を一定値にしたのは、車両補機6や燃料電池補機21に対する電圧値は一定の値でよいからである。
またコンバート制御に使用する電圧センサ302,312の検出値Vin,Voutのコンバータ制御装置350への入力を、スイッチ332,333で切り換えることで、VinとVoutとの関係を逆転させる。
また、切換スイッチ335,336の切り換えによって、トランジスタ303,304,313,314(Q1〜Q4)の駆動信号であるデューティ比制御信号D1,D2も、D1が電圧を制御する側のトランジスタ313,314、D2がその反対側のトランジスタ303,304に出力されることになる。
さらに、リアクトル320の電流iLも反転するが、切換スイッチ334の切り換えによって、電流センサ321の検出値の符号も反転する。
以上により、二次電池1が故障などの状態であっても、DC−DCコンバータ3の入力側端子Pin,Ninと制御側端子Pout,Noutとを入れ替えることで、燃料電池2からDC−DCコンバータ3を介した、安定した電力を車両補機6や燃料電池補機21に供給することができる。
1…二次電池
2…燃料電池
21…燃料電池補機
3…DC−DCコンバータ
4…インバータ
5…モータ
6…車両補機
7…制御装置
2…燃料電池
21…燃料電池補機
3…DC−DCコンバータ
4…インバータ
5…モータ
6…車両補機
7…制御装置
Claims (8)
- 補機を含む第1電源負荷と、車両駆動用の電動機を含む第2電源負荷に電力を供給する二次電池と、
前記第2電源負荷に対し、前記二次電池と並列に接続された燃料電池と、
前記二次電池と前記第1電源負荷とが接続される一次側端子と、前記第2電源負荷と前記燃料電池とが接続される二次側端子とを有し、前記二次側端子の電圧を制御するDC−DCコンバータと、
前記二次電池の作動状態を検出する検出手段と、
前記検出手段により前記二次電池が異常であると判断された場合は、前記一次側端子の電圧を制御するよう前記DC−DCコンバータの回路を切り換える回路切換手段と、を備えたことを特徴とする車両用電源装置。 - 請求項1に記載の車両用電源装置において、
前記検出手段により前記二次電池が異常であると判断された場合は、前記第2電源負荷からの要求に対し前記燃料電池の応答遅延による電力差を減算した要求電力を算出し、当該要求電力を目標電力として前記燃料電池を駆動する制御手段を備えたことを特徴とする車両用電源装置。 - 請求項1に記載の車両用電源装置において、
前記検出手段により前記二次電池が異常であると判断された場合は、前記第1電源負荷の一部への電力供給を制限する制御手段を備えたことを特徴とする車両用電源装置。 - 請求項1に記載の車両用電源装置において、
前記第2電源負荷はモータを含み、
前記検出手段により前記二次電池が異常であると判断された場合は、前記モータによる前記二次電池への回生操作を禁止する制御手段を備えたことを特徴とする車両用電源装置。 - 請求項1に記載の車両用電源装置において、
前記DC−DCコンバータは、
第1スイッチの一端と第2スイッチの一端とが第1接続点で接続された直列回路であって、前記入力側端子の一方に前記第1スイッチの他端が接続され、前記入力側端子の他方に前記第2スイッチの他端が接続された入力側直列回路と、
第3スイッチの一端と第4スイッチの一端とが第2接続点で接続された直列回路であって、前記制御側端子の一方に前記第3スイッチの他端が接続され、前記制御側端子の他方に前記第4スイッチの他端が接続された制御側直列回路と、
前記第1接続点と前記第2接続点との間に接続されたリアクトルと、
前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチをそれぞれ開閉制御する制御部と、を備えた双方向DC−DCコンバータであることを特徴とする車両用電源装置。 - 請求項5に記載の車両用電源装置において、
前記回路切換手段は、前記二次電池の作動状態に応じて、
前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの開閉デューティ比と前記第3スイッチ及び前記第4スイッチの開閉デューティ比を切り換えることを特徴とする車両用電源装置。 - 請求項5または6に記載の車両用電源装置において、
前記回路切換手段は、前記二次電池の作動状態に応じて、
前記入力側端子間電圧の検出値と前記制御側端子間電圧の検出値とを切り換えて前記制御部へ出力することを特徴とする車両用電源装置。 - 請求項5〜7のいずれか一項に記載の車両用電源装置において、
前記回路切換手段は、前記二次電池の作動状態に応じて、
前記第2電源負荷からの要求に応じた前記制御側端子の目標電圧値と所定の電圧値とを切り換えて前記制御部へ出力することを特徴とする車両用電源装置。
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