JP2013530668A - 適応無線エネルギー伝送システム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国特許法§119(e)の下に、
参照によりその開示のすべてが本明細書に組み込まれている、2010年5月19日に出願した、「ADAPTIVE WIRELESS ENERGY TRANSFER SYSTEM」という名称の米国仮特許出願第61/346378号、および
参照によりその開示のすべてが本明細書に組み込まれている、2010年7月26日に出願した、「ADAPTIVE WIRELESS ENERGY TRANSFER SYSTEM」という名称の米国仮特許出願第61/367802号
の優先権を主張するものである。
AC 交流
BEV 電池式電気車両
CB 充電ベース
DC 直流
EV 電気車両
FDX 全二重
FET 電界効果トランジスタ
G2V 格子-車両
HDX 半二重
IGBT 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
ISM 産業、科学および医療
LF 低周波
PWM パルス幅変調
r.m.s. 平方自乗平均
VLF 超低周波
V2G 車両-格子
ZSC ゼロ電流スイッチング
・便益性: 事実上、運転者の介在および操作を必要とすることなく自動的に充電を実施することができる
・信頼性: 電気的な接触にさらされることがなく、また、機械的に摩耗する可能性がない
・安全性: ケーブルおよびコネクタを使用した操作を不要にすることができ、また、屋外環境における湿気および水分にさらされる可能性のあるケーブル、プラグまたはソケットを不要にすることができる
・野蛮な行為に対する耐性: 目に見える、あるいはアクセス可能なソケット、ケーブルおよびプラグを不要にすることができる
・有効性: BEVが分散蓄積デバイスとして使用されると、格子を安定化させることができる。車両-格子(V2G)機能を可能にする便利なドッキング-格子解決法を使用して有効性を向上させることができる
・美観および非障害: 車両および/または歩行者に対する障害になり得る柱状負荷およびケーブルを不要にすることができる
などの多くの利点を提供することができる。
式1 1:n1=VSDC:V1
として定義することができ、上式でVSDCおよびV1は、それぞれDC入力電圧およびLF出力における基本周波数のr.m.s.電圧を表している。
式2 n2:1=V2:VLDC
として定義することができ、上式でV2およびVLDCは、それぞれLF入力における基本周波数のr.m.s.電圧およびDC出力電圧を表している。
式3
式4 VDC=VSDC=VLDC
式5 n=n1=n2
式6 L=L1=L2
式7 Req=Req,1=Req,2
を意味することが仮定されている。この特定の事例から引き出される結論は、非対称システムの一般的な事例にも適用することができることが分かる。
式8
式9
式11
式12
式13
式14
式15 n0:1=V2.0:VLDC=IDCL:I2.0
対応する負荷抵抗
式16
式17
式18
式19
式20
式21 k(d')=2・k(d")
になるように選択される。式18、式19、式20および式21から、システムが距離d'では全ブリッジモードで動作し、また、距離d"では半ブリッジモードで動作する場合、両方の距離で最適であるインダクタンスLoptを見出すことができることは明らかである。これは、
式22
式23
式24
式25 k2Q1Q2>>1
では、あるいはリンク効率が100%に近い、いわゆる「マジック」レジームでは、式24は、
式26
式27 L=L1=L2
式28 R=R1=R2
である完全に対称のリンクを仮定し、かつ、
式29
式30 RL,opt≒kωoL
が得られる。一方、負荷抵抗RLが与えられると、効率を最大化する最適アンテナインダクタンス
式31
式32 H2(r)=N2・I2,0・γ(g2,r)
として表すことができ、上式でN2はアンテナコイルの巻き数、I2,0は基本周波数におけるアンテナ電流を表しており、また、γは、基本的にはその幾何構造g2および磁界強度が属している位置ベクトルの関数である。式32には、巻き数が変化してもアンテナコイルの幾何構造が変化することはなく、したがってg2≠f(N2)であることが仮定されている。
式33
式34
式35
式36
式38
式39 H1(r)=N1・I1,0・γ(g1,r)
に対するCBアンテナの寄与は無視されてきた。
式40
式41
1)構成Bの場合、
・供給電圧およびシンク電圧
・共振アンテナのリアクタンス(インダクタンスおよびキャパシタンス)
を適合させる必要なくエネルギー伝送率(電力P)が2倍になり、いずれも電力/電圧変換および/または可変リアクタンスのための追加回路および/または力学を必要とすることなく実施される
2)いずれの構成も、最大エネルギー伝送効率を達成するために最適整合される
3)いずれの構成も、磁界強度がアンテナの近傍で測定され、したがって規定/EMC制約を全面的に活用する可能性の点で等価である
ことが分かる。
(1) DC電力または電源周波数のAC電力を動作周波数(例えばLF)の伝送電力に変換し、あるいはその逆に、逆の動作モード(V2G)で動作周波数(例えばLF)の伝送電力をDC電力または電源周波数のAC電力に変換するCB電力変換(CB-PCONV)2006。このCB電力変換(CB-PCONV)2006には、図21の簡易回路図に示されているように電圧および電流を測定するためのいくつかのセンサが統合されている。
(2) CBアンテナコイルを含む、BEVアンテナ2010に「無線」電力を伝送し、あるいはBEVアンテナ2010から「無線」電力を受け取ることができるCBアンテナモジュール(CB-ANT)2008。CBアンテナコイルは、固定され、かつ、地面に埋設されることが仮定されている。
(3) システム制御データを交換するだけでなく、BEVを識別し、あるいは認証するためのデータを交換し、あるいはBEVの充電に直接関係する、あるいは間接的に関係する他のアプリケーションによって生成されるデータを交換するためにBEVと通信するCB通信トランシーバ(CB-COM)2012。CB-COM2012は、専用アンテナを使用することも、あるいはCB-ANT2008を再利用することも可能である。
(4) BEVから受け取ったデータ、また、CBサブシステム2002の様々なセンサから受け取ったデータを処理し、かつ、CBサブシステム2002の異なる実態を制御するCB制御ユニット(CB-CTRL)2014。
(1) 動作周波数(例えばLF)で受け取った「無線」電力をDC電力または電源周波数のAC電力に変換し、あるいはその逆に、逆の動作モード(V2G)でDC電力または電源周波数のAC電力を動作周波数の「無線」電力に変換するBEV電力変換(BEV-PCONV)2016。BEV-PCONVには、図21に示されているように電圧および電流を測定するためのいくつかのセンサが統合されている。
(2) BEVアンテナコイルを含む、BEVアンテナ2010から「無線」電力を受け取り、あるいはBEVアンテナ2010に「無線」電力を伝送することができるBEVアンテナモジュール(BEV-ANT)2010。BEVアンテナコイルは、X方向、Y方向、Z方向に移動させることができることが仮定されている。また、BEV-ANT2010にも、石、瓦礫、雪、氷、等々のような、BEVアンテナの自由度を制限し、例えば十分に低いz位置への移動を制限することになる望ましくない物体を検出するための少なくとも1つのセンサ(S)が統合されている。センサは、金属物体を検出するための、アンテナ力学に統合された機械的抵抗センサ、アンテナモジュール表面の触覚センサ、超音波センサ、光センサおよび電磁センサのうちの少なくとも1つを含むことができる。
(3) BEVアンテナコイルをCBアンテナコイルに適切に整列させ、かつ、所望の結合のための距離を調整するためのあらゆる機能を包含するBEV-ALIGN2018。この実体には、BEVアンテナ力学を駆動しているサーボモータ(M)であってもよいアクチュエータが含まれている。また、BEV-ALIGN2018は、機械的抵抗を検出するためのセンサを統合することも可能である。
(4) システム制御データを交換するだけでなく、BEVを識別し、あるいは認証するためのデータを交換し、あるいはBEVの充電に直接関係する、あるいは間接的に関係する他のアプリケーションによって生成されるデータを交換するためにCBと通信するBEV通信トランシーバ(BEV-COM)2020。BEV-COM2020は、専用アンテナを使用することも、あるいはBEV-ANT2010を再利用することも可能である。
(5) CBから受け取ったデータ、また、BEVサブシステム2004の様々なセンサから受け取ったデータを処理し、かつ、BEVサブシステム2004の異なる実態を制御するBEV制御ユニット(BEV-CTRL)2022。
式42
104 無線充電ベース(CB)
106 駐車領域
108 局所配電センタ
112 電力変換システム
114、136、158、260、274、1115、1225 無線電力アンテナ(CBアンテナ)
116 BEV電力変換および充電システム
118、138、160、1020、1215、1415、1515、1615、2010 無線電力アンテナ(BEVアンテナ、レシーブアンテナ、BEVアンテナモジュール(BEV-ANT))
130、150 無線電力充電システム(総合無線電力システム)
132 従来の電源
134 CB電力変換モジュール
140 BEV電力変換モジュール
142 BEV電池
144 総合無線電力システムの下部構造部分
146 無線電力サブシステム
152 通信リンク
154 誘導リンク
156 アライメントシステム
162 CB電力変換ユニット
164 CB電力インタフェース
166 BEV電力変換ユニット
168 CB制御ユニット
170 BEV制御ユニット
172 CBアライメントユニット
174 BEVアライメントユニット
176 CB誘導ユニット
178 BEV誘導ユニット
180 CB通信ユニット
182 BEV通信ユニット
222、230 電池ユニット(EV充電式電池ユニット)
224 電池コンパートメント
226 無線電力インタフェース(非接触電力インタフェース)
228 通信インタフェース
232 導電性遮蔽
233 非導電性(例えばプラスチック)層
234 プラスチック充填(非導電非磁気材料)
235 プラスチックハウジング
236 コイル(完全フェライト埋設アンテナコイル)
238 フェライト材料(フェライト板)
240 BEVアンテナモジュール
250 電池システム
252 EVシステム
254 電池サブシステム
256 充電器-電池間通信インタフェース
258 充電器-電池間無線電力インタフェース
262 電池-EV間無線インタフェース
264、278 電力変換(LF/DC)ユニット(LF/DC電力変換ユニット)
266 EV電池
268 電力変換(DC/LF)
270 電池サブシステム254とEVシステム252の間の無線電力インタフェース
272 電池管理ユニット
276 アンテナ
280 スーパーコンデンサバッファ
282 EV電源インタフェース
284 EV電気システム制御ユニット
901 駐車区画
902 X方向を示す矢印
903 Y方向を示す矢印
904 無線電力車両ベース
906 無線電力充電ベース
907 駐車空間
1005 障害物
1012、1512 空胴
1015 BEVの車台の下面
1101 地面から突出
1102 地面と同じ平面
1103 地中
1105 地面
1107 アスファルト層
1110、1220 充電ベース
1230 BEVアンテナとCBアンテナの分離距離
1235 BEVアンテナとCBアンテナのオフセット距離
1550 機械デバイス
1650 歯車軸
1652 駆動機構
1654 支持部材
1680 瓦礫厚さ
1682 アスファルト厚さ
1684 コイル厚さ
1686 CBのためのカバー厚さ
1688 BEVのためのコイル厚さ
1690 BEVのためのカバー厚さ
1692 安全マージン厚さ
1800 方法
1802、1804 方法のステップ
2000 BEV無線充電システム
2002 充電ベースサブシステム(CB-SS)
2004 電池式電気車両サブシステム(BEV-SS)
2006 CB電力変換(CB-PCONV)
2008 CBアンテナモジュール(CB-ANT)
2012 CB通信トランシーバ(CB-COM)
2014 CB制御ユニット(CB-CTRL)
2016 BEV電力変換(BEV-PCONV)
2018 BEV-ALIGN
2020 BEV通信トランシーバ(BEV-COM)
2022 BEV制御ユニット(BEV-CTRL)
Claims (52)
- 電源システムからの電力を伝送モードで変換するために第1のモードと第2のモードの間で構成することができる適合可能電力変換器と、
共振するように構成された充電ベースアンテナであって、前記適合可能電力変換器に動作可能に結合され、かつ、遠隔アンテナを使用して無線エネルギーを伝送するように構成された充電ベースアンテナと
を備え、前記充電ベースアンテナと前記遠隔アンテナの間の結合係数の変化に基づいて前記モードを選択することができることを特徴とする充電ベース。 - 前記適合可能電力変換器が、前記充電ベースアンテナと前記遠隔アンテナの間の測定された結合係数に基づいてモード間で再構成することができる、ことを特徴とする請求項1に記載の充電ベース。
- 前記測定された結合係数が、前記遠隔アンテナに結合されたデバイスから受け取った測値から決定される、ことを特徴とする請求項2に記載の充電ベース。
- 前記結合係数が閾値より大きくなると、前記適合可能電力変換器が、全ブリッジモードとして構成される前記第1のモードで動作するように構成される、ことを特徴とする請求項2に記載の充電ベース。
- 前記適合可能電力変換器が、半ブリッジモードで動作する場合の伝送率に対して前記無線エネルギーの伝送率を大きくする、ことを特徴とする請求項4に記載の充電ベース。
- 前記電力変換器が、半ブリッジモードとして構成される前記第2のモードで動作する場合の伝送率に対して前記無線エネルギーの伝送率を約2倍にする、ことを特徴とする請求項4に記載の充電ベース。
- 前記結合係数が閾値未満になると、前記適合可能電力変換器が、半ブリッジモードとして構成される前記第2のモードで動作するように構成される、ことを特徴とする請求項2に記載の充電ベース。
- 前記電力変換器が、全ブリッジモードとして構成される前記第1のモードで動作する場合の伝送率に対して前記無線エネルギーの伝送率を小さくする、ことを特徴とする請求項7に記載の充電ベース。
- 前記適合可能電力変換器が、前記充電ベースアンテナと前記遠隔アンテナの間の距離に基づいて再構成される、ことを特徴とする請求項1に記載の充電ベース。
- 前記充電ベースアンテナのX方向、Y方向およびZ方向のうちの少なくとも1つの方向の位置を調整するように構成された少なくとも1つの機械デバイスをさらに備える、ことを特徴とする請求項1に記載の充電ベース。
- 前記充電ベースアンテナの位置の機械的な調整が障害物によって妨害される状態を検出するためのセンサをさらに備える、ことを特徴とする請求項10に記載の充電ベース。
- 前記適合可能電力変換器が、前記電源システムからの電力を動作周波数で変換するように構成され、前記動作周波数の範囲が約20kHzないし約60kHzである、ことを特徴とする請求項1に記載の充電ベース。
- 伝送モードおよびレシーブモードのうちのいずれかで動作するように前記適合可能電力変換器および前記充電ベースアンテナを構成することができる、ことを特徴とする請求項1に記載の充電ベース。
- 前記電源システムがインタフェース部分において実質的に一定の電圧を前記適合可能電力変換器に提供する、ことを特徴とする請求項11に記載の充電ベース。
- 前記電源システムと前記適合可能電力変換器の間の前記インタフェース部分の電力が、AC電力、DC電力およびフィルタリングされていないACパルスDC電力のうちの1つである、ことを特徴とする請求項14に記載の充電ベース。
- 前記第1のモードと第2のモードの間で前記適合可能電力変換器を構成することができ、それによりレシーブモードで電源システムから電力を動作周波数で受け取る、ことを特徴とする請求項1に記載の充電ベース。
- 結合係数を表す測度を前記適合可能電力変換器から受け取るように構成されたコントローラをさらに備え、前記コントローラが、受け取った情報に基づいて結合係数を決定するように構成される、ことを特徴とする請求項1に記載の充電ベース。
- 前記適合可能電力変換器が前記電源システムからの電力を動作周波数で変換するように構成され、前記充電ベースアンテナが第1の動作周波数範囲内で共振するように構成される、ことを特徴とする請求項1に記載の充電ベース。
- 遠隔エネルギー蓄積システムからの電力をレシーブモードで変換するために第1のモードと第2のモードの間で構成することができる適合可能電力変換器と、
共振するように構成された遠隔アンテナであって、前記適合可能電力変換器に動作可能に結合され、かつ、充電ベースアンテナから無線エネルギーを受け取るように構成された遠隔アンテナと
を備え、前記遠隔アンテナと前記充電ベースアンテナの間の結合係数の変化に基づいて前記モードを選択することができることを特徴とする遠隔サブシステム。 - 前記適合可能電力変換器が、前記充電ベースアンテナと前記遠隔アンテナの間の測定された結合係数に基づいて再構成することができる、ことを特徴とする請求項19に記載の遠隔サブシステム。
- 前記測定された結合係数が、充電ベースから受け取った測値から決定される、ことを特徴とする請求項20に記載の遠隔サブシステム。
- 前記結合係数が閾値より大きくなると、全ブリッジモードとして構成される第1のモードで動作するように前記適合可能電力変換器を再構成する、ことを特徴とする請求項20に記載の遠隔サブシステム。
- 前記適合可能電力変換器が、半ブリッジモードとして構成される前記第2のモードで動作する場合の伝送率に対して前記無線エネルギーの伝送率を大きくする、ことを特徴とする請求項21に記載の遠隔サブシステム。
- 前記結合係数が閾値未満になると、半ブリッジモードとして構成される前記第2のモードで動作するように前記適合可能電力変換器を再構成する、ことを特徴とする請求項20に記載の遠隔サブシステム。
- 前記適合可能電力変換器が、全ブリッジモードとして構成される前記第1のモードで動作する場合の伝送率に対して前記無線エネルギーの伝送率を小さくする、ことを特徴とする請求項23に記載の遠隔サブシステム。
- 前記充電ベースアンテナと前記遠隔アンテナの間の距離に基づいて前記適合可能電力変換器を再構成することができる、ことを特徴とする請求項19に記載の遠隔サブシステム。
- 前記遠隔アンテナのX方向、Y方向およびZ方向のうちの少なくとも1つの方向の位置を調整するように構成された少なくとも1つの機械デバイスをさらに備える、ことを特徴とする請求項19に記載の遠隔サブシステム。
- 前記遠隔アンテナの位置の機械的な調整が何らかの障害物によって妨害される状態を検出するためのセンサをさらに備える、ことを特徴とする請求項26に記載の遠隔サブシステム。
- 前記動作周波数は約20kHzないし約60kHzの範囲である、ことを特徴とする請求項19に記載の遠隔サブシステム。
- 伝送モードおよびレシーブモードのうちのいずれかで動作するように前記適合可能電力変換器および前記遠隔アンテナを構成することができる、ことを特徴とする請求項19に記載の遠隔サブシステム。
- 前記遠隔エネルギー蓄積システムが、電気化学電池、スーパーコンデンサ電池および運動エネルギー蓄積電池のうちの少なくとも1つである、ことを特徴とする請求項19に記載の遠隔サブシステム。
- 前記遠隔エネルギー蓄積システムが前記適合可能電力変換器のインタフェースに実質的に一定の電圧を提供する、ことを特徴とする請求項19に記載の遠隔サブシステム。
- 前記適合可能電力変換器と前記遠隔エネルギー蓄積システムの間の前記インタフェース部分の電力が、AC電力、DC電力およびフィルタリングされていないACパルスDC電力のうちの1つである、ことを特徴とする請求項31に記載の遠隔サブシステム。
- 前記第1のモードと第2のモードの間で前記適合可能電力変換器を構成することができ、それにより伝送モードで前記遠隔エネルギー蓄積システムから電力を動作周波数で伝送する、ことを特徴とする請求項19に記載の遠隔サブシステム。
- 結合係数を表す情報を前記適合可能電力変換器から受け取るように構成されたコントローラをさらに備え、前記コントローラが、受け取った情報に基づいて結合係数を決定するように構成される、ことを特徴とする請求項19に記載の遠隔サブシステム。
- 前記適合可能電力変換器が前記遠隔エネルギー蓄積システムから電力を動作周波数で受け取るように構成され、前記充電ベースアンテナが第1の動作周波数範囲内で共振するように構成される、ことを特徴とする請求項19に記載の遠隔サブシステム。
- 無線エネルギーを伝送するために、電源システムからの電力を適合可能電力変換器によって動作周波数の電力に変換するステップと、
近距離場結合モード領域に配置されたレシーブアンテナに前記無線エネルギーを伝送するために、前記動作周波数の近傍で共振する伝送アンテナによって電磁界を生成するステップであって、前記近距離場結合モード領域が前記レシーブアンテナがアクセスすることができるように構成されるステップと、
前記伝送アンテナと前記レシーブアンテナの間の結合係数を表す測度に基づいて、前記適合可能電力変換器を第1の動作モードおよび第2の動作モードのうちのいずれかに構成するステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 結合係数を表す前記測度が、前記伝送アンテナと前記レシーブアンテナの間の距離に対応する、ことを特徴とする請求項36に記載の方法。
- 前記測定された結合係数を決定するために、無線電力のレシーバから測値を受け取るステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項36に記載の方法。
- 前記測定された結合係数が閾値より大きくなると、全ブリッジモードとして構成される前記第1のモードで動作するように前記適合可能電力変換器を再構成する、ことを特徴とする請求項36に記載の方法。
- 半ブリッジモードで動作する場合の伝送率に対して前記無線エネルギーの伝送率を大きくするステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項39に記載の方法。
- 前記測定された結合係数が閾値未満になると、半ブリッジモードとして構成される前記第2のモードで動作するように前記適合可能電力変換器を再構成する、ことを特徴とする請求項36に記載の方法。
- 全ブリッジモードで動作する場合の伝送率に対して前記無線エネルギーの伝送率を小さくするステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項41に記載の方法。
- 前記伝送アンテナと前記レシーブアンテナの間の距離に基づいて前記適合可能電力変換器を再構成するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項36に記載の方法。
- 伝送アンテナおよび前記レシーブアンテナのうちの少なくとも一方のX方向、Y方向およびZ方向のうちの少なくとも1つの方向の位置を調整するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項36に記載の方法。
- 前記伝送アンテナおよび前記レシーブアンテナのうちの一方の位置の機械的な調整が障害物によって妨害される状態を検出するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項36に記載の方法。
- 無線エネルギーを伝送するために、電源システムからの電力を適合可能電力変換器によって動作周波数の電力に変換するための手段と、
近距離場結合モード領域に配置されたレシーブアンテナに前記無線エネルギーを伝送するために、前記動作周波数の近傍で共振する伝送アンテナによって電磁界を生成するための手段であって、前記近距離場結合モード領域が前記レシーブアンテナがアクセスすることができるように構成される手段と、
前記伝送アンテナと前記レシーブアンテナの間の結合係数を表す測度に基づいて、前記適合可能電力変換器を第1の動作モードおよび第2の動作モードのうちのいずれかに構成するための手段と
を備えることを特徴とする装置。 - 結合係数を表す前記測度が、前記伝送アンテナと前記レシーブアンテナの間の距離に対応する、ことを特徴とする請求項46に記載の装置。
- 電力を変換するための前記手段が前記適合可能電力変換器を備え、電磁界を生成するための前記手段がアンテナを備え、前記適合可能電力変換器を構成するための前記手段がコントローラを備える、ことを特徴とする請求項46に記載の装置。
- 無線エネルギーを伝送するために、電源システムからの電力を適合可能電力変換器によって動作周波数の電力に変換するステップと、
近距離場結合モード領域に配置されたレシーブアンテナに前記無線エネルギーを伝送するために、前記動作周波数の近傍で共振する伝送アンテナによって電磁界を生成するステップであって、前記近距離場結合モード領域が前記レシーブアンテナがアクセスすることができるように構成されるステップと、
前記伝送アンテナと前記レシーブアンテナの間の距離に基づいて、前記適合可能電力変換器を第1の動作モードおよび第2の動作モードのうちのいずれかに構成するステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 無線エネルギーを伝送するために、電源システムからの電力を適合可能電力変換器によって動作周波数の電力に変換するための手段と、
近距離場結合モード領域に配置されたレシーブアンテナに前記無線エネルギーを伝送するために、前記動作周波数の近傍で共振する伝送アンテナによって電磁界を生成するための手段であって、前記近距離場結合モード領域が前記レシーブアンテナがアクセスすることができるように構成される手段と、
前記伝送アンテナと前記レシーブアンテナの間の距離に基づいて、前記適合可能電力変換器を第1の動作モードおよび第2の動作モードのうちのいずれかに構成するための手段と
を備えることを特徴とする装置。 - 電力を変換するための前記手段が前記適合可能電力変換器を備え、電磁界を生成するための前記手段がアンテナを備え、前記適合可能電力変換器を構成するための前記手段がコントローラを備える、ことを特徴とする請求項51に記載の装置。
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