JP2011103271A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の蓄電素子を一方向に並べて配置した構成において、配列方向における蓄電素子の温度分布のバラツキを抑制する。
【解決手段】 一方向に並んで配置された複数の蓄電素子（１０）と、複数の蓄電素子の配列方向における両端に配置され、複数の蓄電素子に対して拘束力を与えるための一対の拘束部材（３１，３２）と、を有している。一対の拘束部材のうち少なくとも一方の拘束部材は、突起部（３１ｂ）および遮蔽部（３１ｄ，３１ｅ）を有している。突起部は、拘束部材と隣り合う蓄電素子に向かって突出しており、隣り合う蓄電素子に先端が接触することにより隣り合う蓄電素子との間にスペース（Ｓ４〜Ｓ６）を形成する。遮蔽部は、配列方向に突出しており、蓄電素子の温度調節に用いられる熱交換媒体が上記スペース（Ｓ４，Ｓ６）に進入するのを阻止する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、複数の蓄電素子が一方向に並んで配置された構成において、複数の蓄電素子に対して拘束力を与える構造を備えた蓄電装置に関するものである。

複数の単電池を備えた電池パックには、複数の単電池が一方向に並べて配置されており、複数の単電池に対して拘束力を与えているものがある。具体的には、複数の単電池を挟む位置に配置された一対の拘束部材を用いて、複数の単電池に拘束力を与えている。拘束力は、隣り合って配置された２つの単電池を互いに近づく方向に変位させる力である。

特開２００６−２６０９６７号公報

複数の単電池のうち、配列方向における両端に位置する単電池、言い換えれば、拘束部材と接触する単電池は、他の単電池よりも放熱性が高くなる傾向がある。そして、両端に位置する単電池は、他の単電池よりも温度が下がりやすくなっている。この場合には、配列方向における複数の単電池の温度分布にバラツキが生じてしまうおそれがある。

そこで、本発明の主な目的は、拘束部材と接触する蓄電素子の温度が過度に低下してしまうのを抑制することができる蓄電装置を提供することにある。

本発明である蓄電装置は、一方向に並んで配置された複数の蓄電素子と、複数の蓄電素子の配列方向における両端に配置され、複数の蓄電素子に対して拘束力を与えるための一対の拘束部材と、を有している。一対の拘束部材のうち少なくとも一方の拘束部材は、突起部および遮蔽部を有している。突起部は、拘束部材と隣り合う蓄電素子に向かって突出しており、隣り合う蓄電素子に先端が接触することにより、隣り合う蓄電素子との間にスペースを形成する。遮蔽部は、配列方向に突出しており、蓄電素子の温度調節に用いられる熱交換媒体が上記スペースに進入するのを阻止する。

ここで、遮蔽部は、拘束部材のうち、配列方向と直交する方向における両端部に設けることができる。また、配列方向から見たときに、拘束部材と隣り合う蓄電素子を囲むように遮蔽部を設けることもできる。

配列方向と直交する方向において複数の蓄電素子を挟む位置に、熱交換媒体の供給経路および排出経路をそれぞれ設けることができる。この場合において、遮蔽部を、供給経路に沿って配置し、拘束部材と隣り合う蓄電素子のうち、供給経路に面する外面に接触させることができる。これにより、供給経路を移動する熱交換媒体が、蓄電素子および拘束部材の間に形成されたスペースに進入するのを効率良く阻止することができる。

突起部は、拘束部材と隣り合う蓄電素子の外面に対して密閉空間を形成する形状に形成することができる。具体的には、配列方向から見たときに、突起部が所定領域を囲む形状に形成されていればよい。拘束部材と隣り合う蓄電素子の外面に、密閉空間を形成することにより、密閉空間内の空気を用いて、蓄電素子の温度変化を抑制することができる。すなわち、密閉空間に対して、蓄電素子の保温機能を持たせるようにしている。

本発明の蓄電装置は、車両に搭載でき、蓄電装置の出力を、車両の走行に用いられるエネルギとして用いることができる。また、車両の制動時に発生する運動エネルギを、回生電力として蓄電装置に蓄えることができる。

本発明によれば、拘束部材の突起部を用いて、拘束部材および蓄電素子の間にスペース（空気層）を形成することにより、蓄電素子の熱が拘束部材に伝わり難くすることができる。すなわち、蓄電素子の熱が拘束部材に伝達されて、蓄電素子の温度が過度に低下してしまうのを抑制することができる。

しかも、遮蔽部を用いて、拘束部材および蓄電素子の間に形成されたスペースに熱交換媒体が進入するのを阻止することにより、例えば、蓄電素子および熱交換媒体の間の熱交換によって蓄電素子の温度が過度に低下してしまうのを抑制することができる。

このように拘束部材と接触する蓄電素子において、過度の温度低下を抑制することにより、複数の蓄電素子の配列方向における温度分布にバラツキが発生するのを抑制することができる。これにより、複数の蓄電素子の入出力特性（充放電）にバラツキが発生するのを抑制することができる。

本発明の実施例１である電池パックの内部構造を示す上面図である。 実施例１である電池パックの内部構造を示す側面図である。 実施例１において、拘束部材の外観図である。 図１の領域Ｒ１の拡大図である。 図４の領域Ｒ３の拡大図である。 図１の領域Ｒ２の拡大図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である電池パック（蓄電装置に相当する）について説明する。図１は、本実施例の電池パックの内部構造を示す概略図であり、上方から見たときの図である。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸であり、本実施例では、Ｚ軸を鉛直方向に相当する軸としている。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の関係は、他の図面においても同様である。

本実施例の電池パックは、車両（不図示）に搭載されており、車両の走行に用いられるエネルギを出力したり、車両の制動時に発生する運動エネルギを回生電力として蓄えたりする。車両としては、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。

電池パック１は、複数の単電池（蓄電素子に相当する）１０と、複数の単電池１０を収容するパックケース２０とを有している。単電池１０としては、いわゆる角型の単電池であって、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることができる。

複数の単電池１０は、Ｘ方向に並んで配置されており、バスバー（不図示）を介して電気的に直列に接続されている。単電池１０は、発電要素と、発電要素を収容する電池ケースとを有しており、電池ケースの上面に、正極端子および負極端子が設けられている。Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１０において、一方の単電池１０の正極端子は、他方の単電池１０の負極端子とバスバーを介して電気的に接続されている。

発電要素は、充放電を行うことができる要素であり、例えば、正極素子と、負極素子と、正極素子および負極素子の間に配置されるセパレータ（電解液を含む）とで構成することができる。単電池１０の正極端子は、発電要素の正極素子と電気的に接続されており、単電池１０の負極端子は、発電要素の負極素子と電気的に接続されている。

本実施例では、複数の単電池１０をＸ方向に並べて配置しているが、これに限るものではない。例えば、複数の単電池を用いて１つの電池モジュール（蓄電素子に相当する）を構成し、複数の電池モジュールをＸ方向に並べて配置することもできる。電池モジュール内の複数の単電池は、電気的に直列に接続されている。

また、本実施例では、複数の単電池１０を電気的に直列に接続しているが、これに限るものではない。具体的には、電気的に並列に接続された複数の単電池１０が含まれていてもよい。

Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１０の間には、スペーサ（不図示）が配置されており、スペーサによって、Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１０の間には、図２に示すようにスペースＳ１が形成されている。スペースＳ１は、後述するように、空気が移動するスペースとなる。図２は、パックケース２０内の構造を側方向から見たときの概略図である。

複数の単電池１０に対して、Ｘ方向における両端には、一対の拘束部材３１，３２が配置されている。拘束部材３１，３２は、例えば、樹脂で形成することができる。一対の拘束部材３１，３２には、図２に示すように、Ｘ方向に延びる複数のバンド４０が接続されている。具体的には、複数の単電池１０の上面には、２つのバンド４０がＹ方向に並んで配置されており、複数の単電池１０の下面にも、２つのバンド４０がＹ方向に並んで配置されている。各バンド４０は、一端部が一方の拘束部材３１に固定され、他端部が他方の拘束部材３２に固定されている。

複数のバンド４０を一対の拘束部材３１，３２に接続することにより、一対の拘束部材３１，３２は、互いに近づく方向に変位させることができる。これにより、一対の拘束部材３１，３２の間に配置された複数の単電池１０は、一対の拘束部材３１，３２から拘束力を受けることになる。拘束力は、Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１０を互いに近づける方向に変位させる力である。

本実施例のように、単電池１０に対して拘束力を与えることにより、発熱等による単電池１０の膨張を抑制することができる。そして、単電池１０の膨張を抑制することにより、単電池１０の入出力特性（充放電特性）が低下してしまうのを防止することができる。なお、バンド４０を配置する位置は、適宜設定することができる。すなわち、バンド４０を用いて、一対の拘束部材３１，３２を互いに近づける方向に変位させることができればよい。

パックケース２０の端面２１には、吸気ダクト５１および排気ダクト５２が接続されている。吸気ダクト５１の一端は、パックケース２０の第１接続口２１ａに接続されており、吸気ダクト５１の他端には、温度調節用の空気を取り込むための吸気口（不図示）が設けられている。吸気口は、例えば、車室内に面する位置に設けることができ、車室内の空気を吸気ダクト５１に取り込むことができる。車室とは、車両のうち、乗員の乗車するスペースである。

吸気ダクト５１には、ファン（不図示）が設けられており、ファンを駆動することにより、吸気ダクト５１に空気を取り込むことができる。

排気ダクト５２の一端は、パックケース２０の第２接続口２１ｂに接続されており、排気ダクト５２の他端には、排気ダクト５２に導かれた空気を車外に排出させるための排出口が設けられている。排気ダクト５２は、車両の外面まで延びている必要はなく、車室内の装備（例えば、トレイ）を用いて排気ダクト５２からの空気を車外に排出させることができる。

なお、本実施例では、吸気ダクト５１にファンを設けているが、排気ダクト５２にファンを設けることもできる。この場合であっても、ファンを駆動することによって、吸気ダクト５１に空気を取り込むことができる。

吸気ダクト５１を通過してパックケース２０内に移動した空気は、パックケース２０の第１側壁２２に沿って移動する。ここで、第１側壁２２および複数の単電池１０の間に形成されたスペースＳ２は、温度調節を行う前の空気が移動する経路（供給経路）となる。スペースＳ２を移動する空気は、隣り合う２つの単電池１０の間に形成されたスペースＳ１に進入し、スペースＳ１に沿って進む。

そして、スペースＳ１を通過した空気は、複数の単電池１０とパックケース２０の第２側壁２３との間に形成されたスペースＳ３に移動する。スペースＳ３は、温度調節を行った後の空気が移動する経路（排出経路）となる。スペースＳ３に移動した空気は、排気ダクト５２に導かれる。図１の点線で示す矢印は、パックケース２０内における空気の主な移動経路を示している。

本実施例のように、単電池１０に対して空気を接触させることにより、単電池１０の温度を調節することができる。具体的には、単電池１０が充放電等によって発熱した場合には、冷却用の空気を単電池１０に接触させることにより、単電池１０の温度上昇を抑制することができる。また、単電池１０が過度に冷却された場合には、加温用の空気を単電池１０に接触させることにより、単電池１０の温度低下を抑制することができる。このように単電池１０の温度を調節することにより、単電池１０の入出力特性が劣化してしまうのを抑制することができる。

なお、本実施例では、図１に示すように、パックケース２０の第１側壁２２から第２側壁２３に向かって空気を移動させているが、これに限るものではない。

例えば、パックケース２０の上面から下面に向かって空気を移動させたり、パックケース２０の下面から上面に向かって空気を移動させたりすることができる。すなわち、Ｘ方向で隣り合う２つの単電池１０の間に形成されたスペースＳ１に、温度調節用の空気を進入させて、排出させることができればよい。そして、パックケース２０内における空気の移動経路を考慮して、パックケース２０に対する吸気ダクト５１および排気ダクト５２の接続位置を適宜設定すればよい。

なお、本実施例では、パックケース２０の一端面２１に対して、吸気ダクト５１および排気ダクトを接続しているが、これに限るものではない。すなわち、外部の空気（熱交換前の空気）をパックケース２０に供給するとともに、パックケース２０内の空気（温度調節後の空気）を外部に排出させることができればよい。

例えば、パックケース２０の２つの端面２１，２４に対して、吸気ダクト５１および排気ダクト５２をそれぞれ接続することができる。端面２１，２４は、複数の単電池１０の配列方向（Ｘ方向）と直交する面（Ｙ−Ｚ平面）を構成する。ここで、パックケース２０に対する吸気ダクト５１および排気ダクト５２の接続口は、単電池１０の配列方向（Ｘ方向）から見たときに、互いに異なる位置に設けることが好ましい。これにより、温度調節用の空気をパックケース２０内で移動させることができる。

また、本実施例では、パックケース２０内に空気を供給するようにしているが、他の気体又は液体であってもよい。すなわち、単電池１０との熱交換によって、単電池１０の温度を調節することができるもの（熱交換媒体）を用いればよい。液体を用いる場合には、絶縁性を有する液体を用いることが好ましい。

次に、本実施例における拘束部材３１，３２の構造について、図３から図６を用いて説明する。

図１および図４に示すように、拘束部材３１の外面には、拘束部材３１の強度を確保するための金属板６１がボルト６３によって固定されている。金属板６１は、パックケース２０の端面２１および拘束部材３１の間に配置されている。図４は、図１の一点鎖線で示す領域Ｒ１の拡大図である。

図１および図６に示すように、拘束部材３２の外面には、拘束部材３２の強度を確保するための金属板６２がボルト６３によって固定されている。金属板６２は、パックケース２０の端面２４および拘束部材３２の間に配置されている。図６は、図１の一点鎖線で示す領域Ｒ２の拡大図である。なお、金属板６１，６２を省略することもできる。

図３に示すように、拘束部材３１は、単電池１０と向かい合う内面３１ａにおいて、突状に形成された拘束部（突起部に相当する）３１ｂを有している。拘束部３１ｂの先端面は、単電池１０の側面（Ｙ−Ｚ平面）と接触している。拘束部３１ｂを形成することにより、拘束部材３１の内面３１ａには、Ｚ方向に並んで配置された複数の凹部３１ｃが設けられることになる。各凹部３１ｃは、Ｙ方向に延びている。拘束部３１ｂの大きさは、Ｘ方向から見たときに、拘束部３１ｂが単電池１０の外縁よりも内側に収まるように設定されている。

拘束部３１ｂを単電池１０の側面（Ｙ−Ｚ平面）に接触させると、凹部３１ｃに対応したスペースＳ４（図４参照）は、密閉空間となる。すなわち、スペースＳ４は、空気の出入りが概ね阻止されたスペースとなり、スペースＳ４内の空気層を用いて、単電池１０を保温することができる。なお、スペースＳ４は、拘束部３１ｂを単電池１０に接触させることによって形成されるスペースであるため、完全な密閉空間が形成されるものではない。

本実施例では、拘束部３１ｂを図３に示す形状に形成しているが、これに限るものではない。すなわち、拘束部３１ｂを用いて、拘束部材３１および単電池１０の間に密閉空間（スペースＳ４）を形成することができればよく、この点に基づいて、拘束部３１ｂの形状を適宜設定することができる。具体的には、Ｘ方向から見たときに、内面３１ａ上の所定領域が、拘束部３１ｂによって囲まれていればよい。

拘束部材３１は、Ｙ方向における両端部において、Ｘ方向に突出した一対の遮蔽部３１ｄ，３１ｅを有している。一方の遮蔽部３１ｄは、単電池１０のうち、第１側壁２１と対向する側面（Ｘ−Ｚ平面）と接触している。他方の遮蔽部３１ｅは、単電池１０のうち、第２側壁２２と対向する側面（Ｘ−Ｚ平面）に沿って配置されており、単電池１０の側面（Ｘ−Ｚ平面）から離れている。なお、遮蔽部３１ｅを単電池１０の側面（Ｘ−Ｚ平面）に接触させることもできる。

ここで、拘束部３１ｂは、単電池１０の側面（Ｙ−Ｚ平面）に接触しているため、単電池１０および拘束部材３１の間には、図４に示すように、スペースＳ４〜Ｓ６が形成されることになる。遮蔽部３１ｄは、単電池１０および拘束部材３１の間に形成されたスペース（主に、スペースＳ５）に、第１側壁２２に沿って移動する空気が進入するのを阻止している。また、遮蔽部３１ｅは、単電池１０および拘束部材３１の間に形成されたスペース（主に、スペースＳ６）に、第２側壁２３に沿って移動する空気が進入するのを阻止している。

遮蔽部３１ｄ，３１ｅを用いることにより、単電池１０のうち、拘束部材３１と対向する側面（Ｙ−Ｚ平面）に、温度調節用の循環空気が接触するのを阻止することができる。これにより、Ｘ方向において拘束部材３１と並んで配置される単電池１０が、温度調節用の空気によって過度に冷却されてしまうのを抑制することができる。そして、Ｘ方向で隣り合う他の単電池１０との間において、温度のバラツキを抑制することができる。

一方、拘束部材３２は、上述した拘束部材３１と同様の構造を有している。具体的には、図６に示すように、拘束部材３２は、単電池１０と対向する内面３２ａに設けられた拘束部３２ｂと、遮蔽部３２ｄ，３２ｅとを有している。拘束部３２ｂは、上述した拘束部３１ｂと同様の構造を有している。遮蔽部３２ｄ，３２ｅは、上述した遮蔽部３１ｄ，３１ｅと同様の構造を有している。そして、単電池１０および拘束部材３２の間には、スペースＳ４〜Ｓ６が形成されている。

本実施例によれば、複数の単電池１０を一方向に並べて配置した構成において、配列方向における両端に配置された単電池１０に対して、温度調節用の空気の供給を制限することにより、単電池１０の過度の温度低下を抑制することができる。これにより、複数の単電池１０のＸ方向における温度分布のバラツキを抑制することができる。そして、単電池１０の入出力特性のバラツキを抑制することができ、複数の単電池１０を効率良く使用することができる。

ここで、拘束部３１ｂを省略して、拘束部材３１の内面３１ａを単電池１０の側面（Ｙ−Ｚ）に接触させれば、拘束部材３１および単電池１０の間に、温度調節用の空気が進入するのを阻止することができる。しかし、この構成では、単電池１０および拘束部材３１の接触面積が増加してしまい、単電池１０の熱が拘束部材３１に逃げやすくなってしまう。すなわち、空気の熱伝導率は、拘束部材３１の熱伝導率よりも低いため、拘束部材３１を単電池１０に接触させるよりは、拘束部材３１を単電池１０から離したほうがよい。

本実施例では、拘束部材３１のうち、Ｙ方向における両端部に、遮蔽部３１ｄ，３１ｅを設けているが、これに限るものではない。例えば、遮蔽部３１ｅを省略して、遮蔽部３１ｄだけを設けることができる。この場合であっても、吸気ダクト５１から導かれた空気が、単電池１０および拘束部材３１の間に形成されたスペースに進入するのを阻止することができる。

また、パックケース２０内における空気の移動経路を変更した場合には、空気の移動経路に応じた位置に遮蔽部３１ｄ，３１ｅに相当する部分を設ければよい。例えば、単電池１０の上方から下方に向かって空気を移動させる構成では、拘束部材３１の上部および下部に対して、遮蔽部３１ｄ，３１ｅに相当する部分を設ければよい。

さらに、Ｘ方向から見たときに、単電池１０のすべての外縁を囲むように、遮蔽部を設けることができる。このように構成すれば、単電池１０および拘束部材３１の間に形成されたスペースＳ４〜Ｓ６に対して、Ｙ−Ｚ平面内のあらゆる方向から空気が進入するのを阻止することができる。

本実施例では、図４に示すように、単電池１０のうち、第１側壁２２と対向する側面（Ｘ−Ｚ平面）に対して、遮蔽部３１ｄを接触させているが、これに限るものではない。具体的には、遮蔽部３１ｄの先端面を、単電池１０のうち、拘束部材３１と対向する側面（Ｙ−Ｚ平面）に接触させることができる。遮蔽部３１ｅについても、同様な構成とすることができる。このように構成しても、単電池１０および拘束部材３１の間に形成されたスペースに空気が進入するのを阻止することができる。

また、遮蔽部３１ｄをＸ方向に延ばすことにより、単電池１０および拘束部材３１の間に形成されたスペースだけでなく、隣り合って配置された２つの単電池１０の間に形成されたスペースにも、空気が進入するのを阻止することができる。

本実施例では、拘束部材３１に対して、拘束部３１ｂおよび遮蔽部３１ｄ，３１ｅを設けているが、これに限るものではない。具体的には、拘束部３１ｂおよび遮蔽部３１ｃ，３１ｄの一方を設けるだけでもよい。

拘束部３１ｂだけを設けた構成では、凹部３１ｃに対応したスペースＳ４には、温度調節用の空気が進入せず、スペースＳ４内の空気層を用いて単電池１０を保温することができる。この構成では、拘束部３１ｂの一部（図３のＺ方向に延びる部分）が、本願発明の遮蔽部に相当することになり、拘束部３１ｂの他の部分（図３のＹ方向に延びる部分）が、本願発明の突起部に相当することになる。

遮蔽部３１ｃ，３１ｄだけを設けた構成では、単電池１０および拘束部材３１の間に形成されるスペースに対して、温度調節用の空気がＹ方向で進入するのを阻止することができる。ここで、単電池１０および拘束部材３１の間にスペースを形成するために、例えば、拘束部材３１に突起部を設ける必要がある。この突起部は、本実施例で説明した拘束部３１ｂと同様に、単電池１０および拘束部材３１の間にスペースを形成する機能を有しているが、拘束部３１ｂのように密閉空間を形成する機能は有していない。具体的には、Ｙ方向に延びる突起部を、Ｚ方向に所定間隔を空けて並べるだけでもよい。

遮蔽部３１ｃ，３１ｄだけを用いた構成でも、単電池１０および拘束部材３１の間に形成されたスペースにおいて、空気を滞留させやすくなり、単電池１０を保温させることができる。

１：電池パック（蓄電装置） １０：単電池（蓄電素子）
２０：パックケース ２２：第１側壁
２３：第２側壁 ３１，３２：拘束部材
３１ａ，３２ａ：内面 ３１ｂ，３２ｂ：拘束部（突起部）
３１ｃ：凹部 ３１ｄ，３１ｅ，３２ｄ，３２ｅ：遮蔽部
４０：バンド ５１：吸気ダクト
５２：排気ダクト ６１，６２：金属板

Claims (6)

1. 一方向に並んで配置された複数の蓄電素子と、
   前記複数の蓄電素子の配列方向における両端に配置され、前記複数の蓄電素子に対して拘束力を与えるための一対の拘束部材と、を有し、
   前記一対の拘束部材のうち少なくとも一方の拘束部材は、
   隣り合う前記蓄電素子に向かって突出しており、前記隣り合う蓄電素子に先端が接触することにより前記隣り合う蓄電素子との間にスペースを形成する突起部と、
   前記配列方向に突出しており、前記蓄電素子の温度調節に用いられる熱交換媒体が前記スペースに進入するのを阻止する遮蔽部と、を有することを特徴とする蓄電装置。
2. 前記遮蔽部は、前記拘束部材のうち、前記配列方向と直交する方向における両端部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記遮蔽部は、前記配列方向から見たときに、前記拘束部材と隣り合う前記蓄電素子を囲む位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
4. 前記配列方向と直交する方向において前記複数の蓄電素子を挟む位置に、前記熱交換媒体の供給経路および排出経路が設けられており、
   前記遮蔽部は、前記供給経路に沿って配置されており、前記拘束部材と隣り合う前記蓄電素子のうち、前記供給経路に面する外面に接触していることを特徴とする請求項１から３に記載の蓄電装置。
5. 前記突起部は、前記拘束部材と隣り合う前記蓄電素子の外面に対して密閉空間を形成する形状に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の蓄電装置。
6. 前記蓄電装置は、車両に搭載され、前記車両の走行に用いられるエネルギを出力することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の蓄電装置。
   

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