JP2017116518A - 充電式のバッテリの残量検出回路、それを用いた電子機器、自動車ならびに充電状態の検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バッテリの充放電電流IBATを積算することによりクーロンカウント値CCを生成する(S100)。SOCの値SOC1を演算する(S102)。バッテリに関してあらかじめ規定されたSOC−OCV特性にもとづき、値SOC1に対応するOCVの値OCV1を生成する(S112)。バッテリの電圧VBATを検出する(S104)。値OCV1とバッテリの電圧VBATの検出値VBAT1との差分VDROP1を生成する(S114)。システムの最低動作電圧より差分VDROP1に応じた電圧幅ΔV、高い値OCV2を生成する(S116)。SOC−OCV特性にもとづいて、値OCV2に対応するSOCの値SOC2を生成する(S118)。値SOC2にもとづいて、値SOC1、CC、CFULL、SOC−OCV特性の少なくともひとつを修正する。
【選択図】図5
Description
CC=∫IBATdt
厳密にはバッテリ電流IBATは時間的に離散的にサンプリングされ、以下の式で計算される。Δtはサンプリング周期を示す。
CC=Σ(Δt×IBAT)
この積算(積分)は、たとえばバッテリ502から流れ出る方向の電流IBATを正、バッテリ502に流れ込む方向の電流IBATを負として行われる。
SOC[%]=(CCFULL−CC)/CCFULL×100
CCFULLは、満充電状態においてバッテリ502に蓄えられる電荷量(クーロンカウント値)を示す。
(1)バッテリの充放電電流を積算することによりクーロンカウント値CCを生成する。
(2)SOCの値SOC1を、
SOC1=(CCFULL−CC)/CCFULL×100 …(1)
にもとづいて生成する。ただし、CCFULLは満充電に相当するクーロンカウント容量値である。
さらにこの方法では、以下の(3)補正処理が行われる。
(3−1)バッテリに関してあらかじめ規定されたSOCとOCV(Open Circuit Voltage)の対応関係(SOC−OCV特性)にもとづき、値SOC1に対応するOCVの値OCV1を生成する。
(3−2)バッテリの電圧VBAT1を検出する。
(3−3)値OCV1とバッテリの電圧VBATの検出値VBAT1との差分VDROP1を生成する。
(3−4)システムの最低動作電圧VBAT_MINより差分VDROP1に応じた電圧幅ΔV、高い値OCV2を生成する。
(3−5)SOC−OCV特性にもとづいて、値OCV2に対応するSOCの値SOC2を生成する。
(3−6)値SOC2が残量ゼロ(0%)に相当するものとして、値SOC1、CC、CFULLおよびSOC−OCV特性の少なくともひとつを修正する。
補正処理は、以下の処理をさらに含んでもよい。
OCVの暫定値OCV3=VBAT_MIN+VDROP1を計算する。
OCVの暫定値OCV3に対応するSOCの暫定値SOC3を生成する。
値SOC1における前記差分VDROP1および前記差分のSOC依存性にもとづいて、暫定値SOC3における電圧降下ΔVを計算する。
これにより精度を高めることができる。
CCFULL’=CCFULL×(100−SOC2)/100 …(2)
CC’=CC−(CCFULL−CCFULL’) …(3)
CC’=CC−CCFULL×SOC2/100 …(4)
SOC’=SOC1×100/(100−SOC2) …(5)
SOC’={CCFULL−CC×100/(100−SOC2)}/CCFULL×100 …(6)
CC’=CC×100/(100−SOC2) …(7)
CC’=CC×(100−SOC2)/100 …(8)
これにより、実効的な残量が増える場合にも対応できる。
バッテリ残量が大きいときには補正を行わないことにより、補正にともなう消費電力の増加を抑制できる。
補正を常時有効とすると、消費電力が増大するところ、補正処理を所定の周期で間欠的に行うことで、補正にともなう消費電力の増加を抑制できる。
SOC1=(CCFULL−CC)/CCFULL×100 …(1)
ただし、CCFULLは満充電に相当するクーロンカウント容量値
補正回路は、バッテリに関してあらかじめ規定されたSOCとOCV(Open Circuit Voltage)の対応関係であるSOC−OCV特性にもとづき、値SOC1に対応するOCVの値OCV1を生成するステップと、値OCV1と電圧検出回路が検出した電圧の検出値VBAT1との差分VDROP1を生成するステップと、システムの最低動作電圧より差分VDROP1に応じた電圧幅ΔV、高い値OCV2を生成するステップと、SOC−OCV特性にもとづいて、値OCV2に対応するSOCの値SOC2を生成するステップと、値SOC2が残量ゼロ(0%)に相当するものとして、値SOC1、CC、CFULLおよびSOC−OCV特性の少なくともひとつを修正するステップと、を実行する。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
CC=∫IBATdt
クーロンカウンタ回路202は、バッテリ電流IBATを所定のサンプリング周期Δtでサンプリングする。クーロンカウント値CCは、各サンプリング時刻におけるバッテリ電流IBATiを用いて、以下の式で計算される。
CC=Σi=1(Δt×IBATi)
この積算(積分)は、たとえばバッテリ102から流れ出る方向の電流IBATを正、バッテリ502に流れ込む方向の電流IBATを負として行われる。
SOC1=(CCFULL−CC)/CCFULL×100 …(1)
ただし、CCFULLは満充電に相当するクーロンカウント容量値
バッテリ102に関して、SOCとOCV(Open Circuit Voltage)の対応関係(SOC−OCV特性)があらかじめ測定されている。図4は、SOC−OCV特性の一例を示す図である。SOC−OCV特性は、たとえば図3のルックアップテーブル210に格納される。ルックアップテーブル210に格納されない中間値については、線形補間などの演算手段により生成することができる。あるいは補正回路208は、SOC−OCV特性を、演算式(たとえば多項式)の形式で保持してもよい。
VDROP1=OCV1−VBAT1
OCV2=VBAT_MIN+ΔV
ΔV=VDROP1とした場合、
OCV2=VBAT_MIN+VDROP1
となる。あるいはΔV=VDROP1×α(αは定数)とした場合、
OCV2=VBAT_MIN+VDROP1×α
となる。あるいはΔV=VDROP1+β(βは定数)とした場合、
OCV2=VBAT_MIN+VDROP1+β
となる。あるいは、
OCV2=VBAT_MIN+α×VDROP1+β
としてもよい。より一般化すると、所定の関数f()を定義しておき、ΔV=f(VDROP1)にもとづいて電圧幅ΔVを計算してもよい。
図7は、第1の修正方法を模式的に示す図である。クーロンカウント容量値CCFULLは、式(2)により得られる新たな値CCFULL’に修正される。
CCFULL’=CCFULL×(100−SOC2)/100 …(2)
つまり、SOC2が残量ゼロ(SOC=0%)となるように、CCFULLをスケーリングする。K=(100−SOC2)/100をスケーリングファクタと呼ぶとき、式(2)は式(2’)に書き直すことができる。
CCFULL’=CCFULL×K …(2’)
CC’=CC−(CCFULL−CCFULL’)
=CC−CCFULL×SOC2/100 …(3)
つまり、CCFULLを修正によって減らした分ΔCC(=CCFULL−CCFULL’)、CCも減らす。
CC’=CC−CCFULL×SOC2/100 …(4)
なお、式(3)は、式(4)と等価である。
SOC1’=(CCFULL’−CC’)/CCFULL’×100
={(CCFULL−CCFULL×SOC2/100)−(CC−CCFULL×SOC2/100)}/{CCFULL×K}×100
=(CCFULL−CC)/CCFULL×100×1/K
ここで(CCFULL−CC)/CCFULL×100は、式(1)のSOC1に相当するから、補正後のSOC’は、式(5)で表される。
SOC’=SOC1×1/K
=SOC1×100/(100−SOC2) …(5)
第2の修正方法は、第1の修正方法と実質的に同一であるが、値CCおよびCCFULLの修正は行なわずに、式(5)にもとづいて演算される値SOC’を、修正後の改善されたSOCとする。第2の修正方法は、SOC演算部206がSOC1を演算するたびに、補正処理を行う場合に用いることができる。
第3の修正方法では、CCFULLを式(2)にもとづいて修正する一方、クーロンカウント値CCは修正しない。
SOC’=(CCFULL’−CC)/CCFULL’×100
=(CCFULL×K−CC)/(CCFULL×K)×100
=(CCFULL−CC×1/K)/CCFULL×100
={CCFULL−CC×100/(100−SOC2)}/CCFULL×100 …(6)
第4の修正方法では、クーロンカウント容量値CCFULLを修正せず、クーロンカウント値CCを、式(7)により得られる新たな値CC’に修正してもよい。
CC’=CC×100/(100−SOC2) …(7)
第5の修正方法では、クーロンカウント容量値CCFULLを式(2)にもとづいて補正する。またクーロンカウント値CCを式(8)により得られる新たな値CC’に修正する。つまり、CCFULLとCCを同じスケーリングファクタKでスケーリングする。
CC’=CC×(100−SOC2)/100
=CC×K …(8)
SOC’=(CCFULL’−CC)/CCFULL’×100
=(CCFULL×K−CC×K)/(CCFULL×K)×100
=(CCFULL−CC)/CCFULL×100
=SOC1
となり、修正直前と同じ値が維持される。ただし、クーロンカウント値CCとクーロンカウント容量値CCFULLは補正されているため、その後、カウントが進んで演算されるSOC1は、修正が反映されたものとなる。SOCの不連続が好ましくない場合、第5の修正方法を採用するとよい。
第1〜第5の修正方法では、値CC,CCFULL,SOCの少なくともひとつを修正するものであった。これに対して第6の修正方法では、SOC−OCV特性が修正される。より詳しくは、第6の修正方法では、SOC2が、残量ゼロ(0%)となるように、SOC−OCV特性が修正される。たとえば、修正前のSOC(%)と、修正後のSOC’(%)は、以下の式(9)を満たしてもよい。
SOC’=100−(100−SOC)×1/K
=100−(100−SOC)×100/(100−SOC2) …(9)
図8および図9は、SOC−OCV特性の修正の一例を示す図である。
たとえば、第1、第2の修正方法では、K<1の場合に、補正によってSOC値は大きくなる。反対に、第3、第4の修正方法では、K<1の場合に、補正によってSOC値は小さくなる。第5の修正方法では、補正の前後でSOC値は維持される。
K<1は絶対的な残量の低下を表す。一方、SOCは相対残量を示す。相対残量の観点からは、第1、第2の修正方法が正しいと言える。しかしながら多くのユーザは間隔的に、%表示のSOCを相対残量とは捉えておらず、絶対残量として捉えている場合もある。この場合、残量が減っている(つまり残りの使用可能時間が減っている)にも関わらず、SOC(%)が増えることに違和感を覚える場合もあろう。この場合、第3〜第5の修正方法を用いればよい。
SOC−OCV特性は、システムの最低動作電圧より低いOCVの範囲を負のSOCと対応付けてもよい。図10は、第1変形例におけるSOC−OCV特性の一例を示す図である。これまでの説明では、バッテリの実効的な残量(絶対値)が減少する場合について説明したが、電圧降下VDROPが負になると、逆に残量が増加することとなる。負のSOC値を導入することにより、他に特別な処理を追加することなく、実効的な残量が増える場合にも対応することができる。図11は、図10のSOC−OCV特性を用いたときの、補正処理を示す図である。
図5のフローチャートにおける処理S116において、OCV2を生成するときに、
OCV2=VBAT_MIN+ΔV …(10)
なる計算式を用いた。図2に示すように、OCVとVBATの差分VDROPは、SOCに依存する。したがって処理S116において、ΔV=VDROP1を用いると、SOC1とSOC2の差が大きいときの誤差が大きくなる。
VDR(x)=VDROP(x)/VDROP(100)
VDROP2=VDROP1×VDR(x2)/VDR(x1)
OCV3=VBAT_MIN+VDROP1
そしてSOC−OCV特性にもとづいて、暫定値OCV3からそれに対応するSOCの値SOC3に逆変換する(S132)。
ΔV=VDROP1×VDR3/VDR1
にもとづいて、ΔVを計算する(S136)。こうして得られたΔVを利用して、図13の処理S116においてOCV2が計算される。
第2変形例では、電圧降下VDROPのSOC依存性をルックアップテーブルを用いて補正したが、これを以下のような演算式で近似してもよい。
VDR(SOC) = 10^α*ln(log10(β*SOC))+θ
α、β、θは劣化・温度係数
第4変形例は、第2変形例の精度をさらに高めたものである。第4変形例では、VDRの温度依存性をさらに考慮する。図16は、拡張されたVDRルックアップテーブルを示す図である。図16に示すように、VDRルックアップテーブルは、いくつかの温度ごとに設けられる。図14のルーチンを実行する際には、温度を測定し、温度に応じたルックアップテーブルにもとづいてVDRの値を取得する。図17は、第4変形例に係る残量検出におけるSOCの推定結果を示す図である。第4変形例によれば、電圧降下VDROPの温度依存性を考慮することにより、さらに誤差を小さくでき、推定精度を高めることができる。
(第5変形例)
補正処理を常に行うと、補正回路208の演算量が増え、消費電力が増加する。そこで補正処理は、バッテリ102の電圧VBATが所定の電圧値VTHより低いときに有効となってもよい。電圧値VTHは、システム毎に適切な値を選択すればよい。多くの場合、ユーザがバッテリ102の残量(SOC)に関心を寄せるのは、SOCが低下したとき、つまりVBATが低下したときである。変形例2によれば、ユーザが関心のある状況において、補正処理を有効とすることで、消費電力の増加を要請できる。なお、補正処理はSOCが所定値より低いときに有効となってもよい。
補正処理は、所定の周期ごとに間欠的に有効となってもよい。補正を常時有効とすると、消費電力が増大する。そこで補正処理を所定の周期で間欠的に行うことで、補正にともなう消費電力の増加を抑制できる。
補正処理は、SOCが所定量(n%、nは任意の実数)変化する毎に有効となってもよい。この変形例によれば、補正にともなう消費電力の増加を抑制できる。
実施の形態では、バッテリ502の電圧VBATを監視する専用の電圧検出回路204を設けたが、本発明はそれに限定されない。バッテリ管理システム100において、すでにバッテリ電圧VBATを検出する回路が存在する場合には、その回路が検出したバッテリ電圧の値VBAT1を用いればよい。また、バッテリ電圧VBATは、バッテリ102の正極(+)の電圧を監視してもよいが、その限りではなく、別のノード(ライン)の電圧を監視してもよい。たとえば、バッテリ102と負荷108の間にロードスイッチが設けられるシステムでは、ロードスイッチよりも負荷108側のノード(ライン)の電圧を監視してもよい。これは、ロードスイッチの電圧降下が大きい場合に有効である。
SOC−OCV特性の修正と、値CC,CCFULL,SOCの修正は併用してもよい。
Claims (36)
- 充電式のバッテリのSOC(State Of Charge)を検出する方法であって、
(1)前記バッテリの充放電電流を積算することによりクーロンカウント値CCを生成するステップと、
(2)SOCの値SOC1を、
SOC1=(CCFULL−CC)/CCFULL×100 …(1)
ただし、CCFULLは満充電に相当するクーロンカウント容量値
にもとづいて生成するステップと、
(3)補正ステップと、
を備え、
(3)前記補正ステップは、
(3−1)前記バッテリに関してあらかじめ規定されたSOCとOCV(Open Circuit Voltage)の対応関係を示すSOC−OCV特性にもとづき、前記値SOC1に対応するOCVの値OCV1を生成するステップと、
(3−2)前記バッテリの電圧VBATを検出するステップと、
(3−3)前記値OCV1と前記バッテリの電圧VBATの検出値VBAT1との差分VDROP1を生成するステップと、
(3−4)システムの最低動作電圧VBAT_MINより前記差分VDROP1に応じた電圧幅ΔV、高い値OCV2を生成するステップと、
(3−5)前記SOC−OCV特性にもとづいて、前記値OCV2に対応するSOCの値SOC2を生成するステップと、
(3−6)前記値SOC2が残量ゼロに相当するものとして、値SOC1、CC、CFULL、前記SOC−OCV特性の少なくともひとつを修正するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - ΔV=VDROP1であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- OCVとバッテリ電圧の差分VDROPのSOC依存性をあらかじめ保持しておくステップと、
OCVの暫定値OCV3=VBAT_MIN+VDROP1を計算するステップと、
OCVの暫定値OCV3に対応するSOCの暫定値SOC3を生成するステップと、
値SOC1における前記差分VDROP1および前記差分VDROPのSOC依存性にもとづいて、値SOC3における電圧降下ΔVを計算するステップと、
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - (3−6)前記修正するステップは、前記クーロンカウント容量値CCFULLを
CCFULL’=CCFULL×(100−SOC2)/100 …(2)
により得られる新たな値CCFULL’に修正することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の方法。 - (3−6)前記修正するステップは、前記クーロンカウント値CCを
CC’=CC−(CCFULL−CCFULL’) …(3)
により得られる新たな値CC’に修正することを特徴とする請求項4に記載の方法。 - (3−6)前記修正するステップは、前記クーロンカウント値CCを、
CC’=CC−CCFULL×SOC2/100 …(4)
により得られる新たな値CC’に修正することを特徴とする請求項4に記載の方法。 - (3−6)前記修正するステップは、
SOC’=SOC1×100/(100−SOC2) …(5)
により得られる新たな値SOC’を、修正後のSOCとすることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の方法。 - (3−6)前記修正するステップは、前記クーロンカウント値CCは修正しないことを特徴とする請求項4に記載の方法。
- (3−6)前記修正するステップは、
SOC’={CCFULL−CC×100/(100−SOC2)}/CCFULL×100 …(6)
により得られる値SOC’を、修正後のSOCとすることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の方法。 - (3−6)前記修正するステップは、
前記クーロンカウント容量値CCFULLを修正せず、
前記クーロンカウント値CCを、
CC’=CC×100/(100−SOC2) …(7)
により得られる新たな値CC’に修正することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の方法。 - (3−6)前記修正するステップは、前記クーロンカウント値CCを
CC’=CC×(100−SOC2)/100 …(8)
により得られる新たな値CC’に修正することを特徴とする請求項4に記載の方法。 - (3−6)前記修正するステップは、前記SOC−OCV特性を、
SOC’=100−(100−SOC)×100/(100−SOC2) …(9)
にしたがって補正することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の方法。 - 前記SOC−OCV特性は、システムの最低動作電圧より低いOCVの範囲を負のSOCと対応付けることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の方法。
- 前記補正ステップは、前記バッテリの電圧が所定の電圧値より低いときに有効となることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の方法。
- 前記補正ステップは、SOCが所定値より低いときに有効となることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の方法。
- 前記補正ステップは、所定の周期ごとに間欠的に有効となることを特徴とする請求項1から15のいずれかに記載の方法。
- 前記所定の周期は、1秒より長く、60秒より短いことを特徴とする請求項16に記載の方法。
- 充電式のバッテリのSOC(State Of Charge)を検出する残量検出回路であって、
前記バッテリの充放電電流を積算することによりクーロンカウント値CCを生成するクーロンカウンタ回路と、
前記バッテリの電圧VBATを検出する電圧検出回路と、
式(1)にもとづいて、SOCの値SOC1を計算するSOC演算部と、
SOC1=(CCFULL−CC)/CCFULL×100 …(1)
ただし、CCFULLは、満充電に相当するクーロンカウント容量値
補正回路と、
を備え、
前記補正回路は、
前記バッテリに関してあらかじめ規定されたSOCとOCV(Open Circuit Voltage)の対応関係を示すSOC−OCV特性にもとづき、前記値SOC1に対応するOCVの値OCV1を生成するステップと、
前記値OCV1と前記電圧検出回路が検出した前記電圧の検出値VBAT1との差分VDROP1を生成するステップと、
システムの最低動作電圧VBAT_MINより前記差分VDROP1に応じた電圧幅ΔV、高い値OCV2を生成するステップと、
前記SOC−OCV特性にもとづいて、前記値OCV2に対応するSOCの値SOC2を生成するステップと、
前記値SOC2が残量ゼロに相当するものとして、値SOC1、CC、CFULLおよび前記SOC−OCV特性の少なくともひとつを修正するステップと、
を実行することを特徴とする残量検出回路。 - ΔV=VDROP1であることを特徴とする請求項18に記載の残量検出回路。
- 前記補正回路は、
OCVとバッテリ電圧の差分VDROPのSOC依存性を保持するステップと、
OCVの暫定値OCV3=VBAT_MIN+VDROP1を計算するステップと、
OCVの暫定値OCV3に対応するSOCの値SOC3を生成するステップと、
値SOC1における前記差分VDROP1および前記差分VDROPのSOC依存性にもとづいて、値SOC3における電圧降下ΔVを計算するステップと、
をさらに実行することを特徴とする請求項18に記載の残量検出回路。 - 前記修正するステップは、前記クーロンカウント容量値CCFULLを
CCFULL’=CCFULL×(100−SOC2)/100 …(2)
により得られる新たな値CCFULL’に修正することを特徴とする請求項18から20のいずれかに記載の残量検出回路。 - 前記修正するステップは、前記クーロンカウント値CCを
CC’=CC−(CCFULL−CCFULL’) …(3)
により得られる新たな値CC’に修正することを特徴とする請求項21に記載の残量検出回路。 - 前記修正するステップは、前記クーロンカウント値CCを、
CC’=CC−CCFULL×SOC2/100 …(4)
により得られる新たな値CC’に修正することを特徴とする請求項21に記載の残量検出回路。 - 前記修正するステップは、前記SOC1を、
SOC’=SOC1×100/(100−SOC2) …(5)
により得られる新たな値SOC’に修正することを特徴とする請求項18から23のいずれかに記載の残量検出回路。 - 前記修正するステップは、前記クーロンカウント値CCは修正しないことを特徴とする請求項18から20のいずれかに記載の残量検出回路。
- 前記修正するステップは、
SOC’={CCFULL−CC×100/(100−SOC2)}/CCFULL×100 …(6)
により得られる値SOC’を、修正後のSOCとすることを特徴とする請求項18から20のいずれかに記載の残量検出回路。 - 前記修正するステップは、
前記クーロンカウント容量値CCFULLを修正せず、
前記クーロンカウント値CCを、
CC’=CC×100/(100−SOC2) …(7)
により得られる新たな値CC’に修正することを特徴とする請求項18から20のいずれかに記載の残量検出回路。 - 前記修正するステップは、前記クーロンカウント値CCを
CC’=CC×(100−SOC2)/100 …(8)
により得られる新たな値CC’に修正することを特徴とする請求項21に記載の残量検出回路。 - (3−6)前記修正するステップは、前記SOC−OCV特性を、
SOC’=100−(100−SOC)×100/(100−SOC2) …(9)
にしたがって補正することを特徴とする請求項18から20のいずれかに記載の残量検出回路。 - 前記SOC−OCV特性は、システムの最低動作電圧より低いOCVの範囲を負のSOCと対応付けることを特徴とする請求項18から29のいずれかに記載の残量検出回路。
- 前記補正回路は、前記バッテリの電圧が所定の電圧値より低いときに有効となることを特徴とする請求項18から30のいずれかに記載の残量検出回路。
- 前記補正回路は、SOCが所定値より低いときに有効となることを特徴とする請求項18から30のいずれかに記載の残量検出回路。
- 前記補正回路は、所定の周期ごとに間欠的に有効となることを特徴とする請求項18から32のいずれかに記載の残量検出回路。
- 前記所定の周期は、1秒より長く、60秒より短いことを特徴とする請求項33に記載の残量検出回路。
- 充電式のバッテリと、
前記バッテリの状態を検出する請求項18から34のいずれかに記載の残量検出回路と、
を備えることを特徴とする電子機器。 - 充電式のバッテリと、
前記バッテリの状態を検出する請求項18から34のいずれかに記載の残量検出回路と、
を備えることを特徴とする自動車。
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