JP2020202627A - 車載電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンバータに対する故障検出の精度を向上させる。【解決手段】入力部１２と出力部１３との間に並列に接続されて通常動作時に均等に出力電力を分担する第１コンバータ１４と第２コンバータ１５と、外部信号入力部１６と、出力部１３の電圧と、第１コンバータ１４の温度と第２コンバータ１５との温度と、外部信号入力部１６の信号を検出し、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との動作を制御する、制御部１７と、を含み、制御部１７は、外部信号入力部１６から信号を受信すると、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とを起動させて出力部１３へ所定電圧を第１期間にわたって出力させ、第１期間の完了後に、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との温度差に基づいて第１コンバータ１４もしくは第２コンバータ１５に対する故障判定を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、各種車両に使用される車載電源システムに関するものである。

以下、従来の車載電源について図面を用いて説明する。図４は従来の車載電源装置の構成を示した回路ブロック図であり、冗長動作が可能な車載電源装置１は並列に配置されたＤＣＤＣコンバータ２、３を有している。ＤＣＤＣコンバータ２、３はそれぞれがバッテリー４および負荷５に接続されていて、車載電源装置１は負荷５で必要とされている電力に応じてバッテリー４の電力を変換し、負荷５へ電力を供給している。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。

特開２０１０−１２４５８７号公報

従来の車載電源装置１では、制御部６がＤＣＤＣコンバータ２、３それぞれの温度を検出し、検出温度と基準温度との温度差が所定値を超越すると、制御部６は温度検出対象のＤＣＤＣコンバータ２、３に異常が発生したと判断することで故障検出を行っていた。

しかしながら、ＤＣＤＣコンバータ２、３それぞれの温度は、車両の外部環境によって変動することもあるため、検出温度の精度もまた車両の外部環境によって変動するおそれがあるという課題を有するものであった。

そこで本発明は、故障検出の精度を向上させることを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、
入力部と、出力部と、
前記入力部と前記出力部との間に並列に接続されて通常動作時に均等に出力電力を分担する第１コンバータと第２コンバータと、
外部信号入力部と、
前記出力部の電圧と、前記第１コンバータの温度と前記第２コンバータとの温度と、前記外部信号入力部の信号を検出し、前記第１コンバータと前記第２コンバータとの動作を制御する、制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記外部信号入力部から信号を受信すると、前記第１コンバータと前記第２コンバータとを起動させて前記出力部へ所定電圧を第１期間にわたって出力させ、
前記第１期間の完了後に、前記第１コンバータと前記第２コンバータとの温度差に基づいて前記第１コンバータもしくは前記第２コンバータに対する故障判定を行う、
ことを特徴としたものである。

本発明によれば、いずれかのコンバータが故障していると、他方のコンバータに電力出
力の負荷が集中して温度上昇の偏りが発生していることが外部環境に関係なく双方のコンバータの温度差に基づいて容易に検出できる。この結果、コンバータに対する故障検出の精度は向上する。

特に本発明は、双方のコンバータが出力を終了した後で温度が安定しやすい状態のときに、温度の検出が実施されるので、コンバータに対する故障検出の精度をさらに向上させることができる。

本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す回路ブロック図 本発明の実施の形態における車載電源システムを搭載した車両の構成を示すブロック図 車載電源システムを搭載した車両の動作タイミングチャート 従来の車載電源装置の構成を示した回路ブロック図

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す回路ブロック図である。車載電源システム１１は、入力部１２と出力部１３と第１コンバータ１４と第２コンバータ１５と外部信号入力部１６と制御部１７とを含む。

第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とは、入力部１２と出力部１３との間に並列に接続されている。また、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とは、通常動作時に均等に出力電力を分担する。

制御部１７は、出力部１３の電圧と、第１コンバータ１４の温度と、第２コンバータ１５の温度と、外部信号入力部１６からの信号を検出する。また、制御部１７は、第１コンバータ１４および第２コンバータ１５の双方の電力変換動作を制御する。

そして制御部１７は、外部信号入力部１６を通じて信号ＳＧ１を受信すると、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とを起動させて出力部１３へ所定電圧Ｖ１を第１期間Ｐ１にわたって出力させる。さらに、制御部１７は、第１期間Ｐ１の完了後に、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との温度差Ｔｅｍｐｄに基づいて、第１コンバータ１４もしくは第２コンバータ１５に対する故障判定を行う。

以上の構成および動作により、第１コンバータ１４もしくは第２コンバータ１５のいずれか一方が故障していると、他方のコンバータに電力出力の負荷が集中する。そして負荷の集中により温度上昇の偏りが発生していることが、外部環境に関係なく双方のコンバータの温度差Ｔｄに基づいて容易に制御部１７は検出することができる。この結果、第１コンバータ１４および第２コンバータ１５に対する故障検出の精度は向上する。

特に、双方の第１コンバータ１４および第２コンバータ１５が出力を終了した後で温度が安定しやすい状態のときに、温度の検出が実施されるので、第１コンバータ１４および第２コンバータ１５に対する故障検出の精度はさらに向上する。

以下で、図２の本発明の実施の形態における車載電源システムを搭載した車両の構成を示すブロック図、および図３の車載電源システムを搭載した車両の動作タイミングチャートを用いて詳細を説明する。車載電源システム１１は車両１８の車体１９に搭載されてい
る。

車載電源システム１１の入力部１２は車両バッテリー２０に、出力部１３は車両負荷２１にそれぞれ接続されている。また、車両バッテリー２０と車両負荷２１との間には、車載電源システム１１とは並列に、駆動スイッチ２２と整流部２３とが接続されている。また、外部信号入力部１６には、車両制御ユニット２４が接続されている。

整流部２３は、車両バッテリー２０から車両負荷２１への電力供給の冗長対応のために設けられている。あるいは整流部２３は、車両１８のアクセサリースイッチ（図示せず）などがオン状態となったときに車両負荷２１の動作を可能とするために設けられている。

車両１８が搭乗者によってＴ０の時点で起動されると、車両制御ユニット２４は信号ＳＧ１を制御部１７へ発信し、駆動スイッチ２２がそれまでの遮断状態から接続状態へと駆動スイッチ２２を切り替える。このとき、第１コンバータ１４および第２コンバータ１５は双方共に休止状態となっていて、出力部１３へ電圧を印加していない。

そして、この状態は車両１８が走行中から停止状態などとなり、車体１９に搭載されたエンジンなどが停止した状態であるアイドリングストップ状態となっても継続される。上記の状態が継続される期間はＴ０の時点からＴ１の時点までに相当する。

次に、例えば停車中の車両１８におけるアイドリングストップ状態などで、搭乗者がブレーキペダル（図示せず）などから足を離したタイミングをＴ１とする。Ｔ１の時点で駆動スイッチ２２は接続状態から遮断状態へと切り替えられる。車載電源システム１１の単独での動作を考慮すると、搭乗者の操作や、搭乗者の操作に対応して車両制御ユニット２４から発せられ、Ｔ１の時点で制御部１７が受信する信号が、車載電源システム１１の起動信号に相当する。

Ｔ１の時点では、駆動スイッチ２２が遮断状態となり、車両負荷２１へは車両バッテリー２０の電圧が、冗長経路である整流部２３を通じて供給されている状態である。このため、Ｔ１の時点から、少なくとも第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とが昇圧動作を始めて出力部１３へ電圧を印加し始めるＴ２の時点までの間も、整流部２３の順方向電圧相当の電圧降下は生じるものの、車両バッテリー２０は車両負荷２１へ電力を供給している。

次にＴ２の時点で、上記のように第１コンバータ１４および第２コンバータ１５は昇圧動作を始めて出力部１３へ電圧を印加し始める。第１コンバータ１４および第２コンバータ１５の出力電圧は、車両バッテリー２０の通常時の出力電圧（例えば１２Ｖ）よりも高い電圧としてもよい。第１コンバータ１４および第２コンバータ１５の出力電圧は、車両バッテリー２０の通常時の出力電圧（１２Ｖ）よりも高い電圧としていても、整流部２３のカソードが出力部１３に接続されているので、入力部１２への逆流は生じない。

Ｔ２の時点で第１コンバータ１４および第２コンバータ１５における昇圧に関する動作が始まる。あるいはＴ２の時点で第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とが昇圧した電圧の出力を始める。このため、Ｔ２の時点で第１コンバータ１４および第２コンバータ１５における温度上昇が始まる。タイミングチャートでは簡略化のために、温度上昇が生じることとなる電力が出力され始めるＴ２の時点を起点として温度上昇が始まる曲線で、温度上昇時には直線状に上昇する形態を一例として示している。しかしながら、温度上昇は直線状に生じる必要はない。

次にＴ３の時点で車両バッテリー２０の電圧が低下しているが、これは車体１９に搭載
されたエンジン（図示せず）が再起動するときに点火のために費やされる電力に伴って生じる電圧低下である。そして、エンジン（図示せず）の再起動が完了するＴ４の時点で、車両バッテリー２０の電圧はＴ３の時点よりも以前の水準へと戻る。

そして、Ｔ４の時点でエンジン（図示せず）の再起動が完了したことが検出されると、Ｔ４の時点の後のＴ５の時点で、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とが昇圧動作を終える。あるいは、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とが昇圧した電圧の出力を停止する。Ｔ５の時点のさらにその後の、Ｔ６の時点で駆動スイッチ２２が遮断状態から接続状態へと切り替えられる。

Ｔ５の時点で車載電源システム１１の、特に第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とは先に述べたように昇圧動作を終える。あるいは、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とが昇圧した電圧の出力を停止する。いいかえると、Ｔ５の時点で第１コンバータ１４および第２コンバータ１５に備えられたスイッチング動作のための半導体素子（図示せず）などによる発熱は終了する。

上記のように第１コンバータ１４および第２コンバータ１５が有する半導体素子による発熱もＴ５の時点で終了する。しかしながら、第１コンバータ１４および第２コンバータ１５は半導体素子のみならず、図示していないが、半導体素子が実装される基板や放熱体などの熱容量が大きな部材を同時に備えている。このため、第１コンバータ１４および第２コンバータ１５の温度変化は半導体素子の動作状態の変化に対して時間差を有する。したがって、第１コンバータ１４および第２コンバータ１５はＴ５の時点の後のＴ７の時点までにわたって温度上昇を続けることとなる。

ここで、タイミングチャートで温度の変化は、Ｔ２の時点からＴ７の時点までにおいても直線状に温度が上昇する形で示されている。しかしながら実際には、Ｔ２の時点からＴ５の時点にかけての第１コンバータ１４および第２コンバータ１５の動作期間の温度上昇の傾きは、Ｔ５の時点からＴ７の時点にかけての第１コンバータ１４および第２コンバータ１５の動作停止後の温度上昇の傾きよりも大きくなっている。

そして、車両制御ユニット２４や制御部１７は、上記のように第１コンバータ１４および第２コンバータ１５、そして駆動スイッチ２２の動作を制御する。そして制御部１７は車両制御ユニット２４で発せられた信号ＳＧ１を、外部信号入力部１６を通じて検出する。そして、制御部１７は、第１コンバータ１４および第２コンバータ１５の双方の電力変換動作を制御する。

ここで制御部１７は、先にも述べたように外部信号入力部１６を通じて第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とを起動するための信号ＳＧ１を受信すると、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とを起動させて出力部１３へ所定電圧Ｖ１を、Ｔ２の時点からＴ５の時点に相当する第１期間Ｐ１にわたって出力させる。さらに、制御部１７は、第１期間Ｐ１の完了後であるＴ５の時点からＴ７の時点の間であるＴｍの時点で、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とのそれぞれの温度を同時に検出する。そして、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とで検出した温度の温度差Ｔｅｍｐｄに基づいて、第１コンバータ１４もしくは第２コンバータ１５に対する故障判定を行う。

ここで、Ｔ５の時点からＴｍの時点までは第２期間Ｐ２とすればよい。また、第２期間Ｐ２は所定の値として予め設定されていてもよい。あるいは、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との出力電力の値に応じて変化させられてもよい。たとえば、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との出力電力の値が小さくなれば第２期間Ｐ２を短くし、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との出力電力の値が大きくなれば第２期間Ｐ２
を長くすればよい。さらに、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との出力電力の値が基準電力よりも大きくなれば、第２期間Ｐ２を基準期間よりも長くすればよい。同様に、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との出力電力の値が基準電力よりも小さくなれば、第２期間Ｐ２を基準期間よりも短くすればよい。

また、Ｔｍの時点は、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との何れか一方の温度がピークとなる以前に検出されることが望ましい。温度検出がピークを経過した場合、温度の低下は急激となり、検出の精度が低下するおそれがあるため、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との何れか一方の温度がピークとなる以前に検出されるとよい。

ここでＴ６の時点からＴ７の時点を経て、ピーク温度を過ぎたＴ８の時点まで、所定間隔のタイミングで、制御部１７は第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との温度を検出する。そして、検出温度が前回の検出タイミングよりも低下した時点で温度検出を停止する。そして制御部１７は検出温度が低下する直前のタイミングを上記のＴｍとして決定してもよい。

またここで、温度の検出に正確な値が反映されるように、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とのそれぞれに、温度検出部１４ｂ、１５ｂが複数で設けられ、複数の温度検出部１４ｂにおける平均値が検出温度として用いられてよい。複数の温度検出部１５ｂについても同様である。

ここで、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とは実質的に同じ特性のコンバータとして構成され、車両負荷２１へ供給する電力を均等に負担するように制御されている。このため、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との双方が共に、正常な状態で正常に制御されている場合、図３のタイミングチャートにおけるコンバータ温度１の曲線に示すように第１コンバータ１４の温度と第２コンバータ１５の温度は概ね一致した軌跡の曲線となる。したがって、Ｔ５の時点からＴ７の時点の間の任意の時点Ｔｍで検出される第１コンバータ１４の温度と第２コンバータ１５の温度は当然ながら近似した値となり、双方の温度差の絶対値であるＴｅｍｐｄの値は非常に小さな値となる。第１コンバータ１４の温度と第２コンバータ１５の温度との温度差は正の値であっても負の値であってもよく、言い換えれば第１コンバータ１４の温度と第２コンバータ１５の温度とは何れの方が高い、あるいは、何れの方が低いことは大きく関係はせず、第１コンバータ１４の温度と第２コンバータ１５の温度との温度差の絶対値が重要となる。

例えば第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との動作状態が近似している場合に生じうる温度差を基準温度差Ｔｒｅｆとして設定し、基準温度差Ｔｒｅｆよりも温度差の絶対値であるＴｅｍｐｄの値が小さい場合に、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とが共に正常な動作が行われている、として判断すればよい。当然ながら基準温度差Ｔｒｅｆの値は正負の符号を有さない値として設定される。

一方で、出力部１３では正常な電圧が出力されているものの、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とのいずれか一方が、異常な状態である場合や異常に制御されている場合、図３のタイミングチャートにおけるコンバータ温度２の曲線に示すように第１コンバータ１４の温度と第２コンバータ１５の温度は大きく異なった軌跡の曲線となる。したがって、Ｔ５の時点からＴ７の時点の間の任意の時点Ｔｍで検出される第１コンバータ１４の温度と第２コンバータ１５の温度は当然ながら大きく異なる値となり、双方の温度差の絶対値であるＴｅｍｐｄの値は非常に大きな値となる。図３のタイミングチャートにおけるコンバータ温度２の曲線では一例として、第２コンバータ１５の温度がＴ２の時点以降でほとんど上昇していない状態で、第２コンバータ１５が動作していないと推測される状態である。

ここで、上記の基準温度差Ｔｒｅｆを用い、基準温度差ＴｒｅｆよりもＴｅｍｐｄの値が大きい場合に、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とのいずれかで異常が発生している、として判断すればよい。基準温度差Ｔｒｅｆは予め制御部１７に記憶されているとよい。例えば、先に述べた第２期間Ｐ２を所定の値とし、出力電力、電圧、電流と第２期間Ｐ２とに対応する基準温度や、出力電力、電圧、電流と第２期間Ｐ２とに対応する基準温度の予測変動幅を制御部１７は予めデータとして記憶する。そして、基準温度の予測変動幅が基準温度差Ｔｒｅｆとして用いられてよい。また、複数の第２期間Ｐ２に対応して、出力電力、電圧、電流と第２期間Ｐ２対応する基準温度の予測変動幅が重層的に記憶されていてもよい。

本実施例では、Ｔ５の時点からＴ７の時点の間の任意あるいは所定の時点Ｔｍで検出される第１コンバータ１４の温度と第２コンバータ１５の温度は、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とが昇圧動作を終えてはいるものの、温度の値が最も高くなる期間の一部に相当する。そのため特に一方のコンバータに異常がある際には、双方のコンバータの温度差であるＴｅｍｐｄの値が非常に大きな値となりやすく、温度差の検出が容易となる。この結果として、故障や異常の判定に対する精度が向上する。

第１コンバータ１４と第２コンバータ１５との温度を検出する温度検出部１４ｂ、１５ｂは第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とを格納する筐体２５の内部に設けられるとよい。そして、実質的に第１コンバータ１４の温度および第２コンバータ１５の温度は、筐体２５の内部の雰囲気温度であってよい。筐体２５の内部の雰囲気温度は、第１コンバータ１４および第２コンバータ１５に設けられたダイオードやスイッチ素子などの半導体素子（図示せず）とは非接触状態で検出される。第１コンバータ１４の温度を検出する温度検出部１４ｂは、第２コンバータ１５よりも第１コンバータ１４に近い位置に配置されているとよい。さらには、第１コンバータ１４の温度を検出する温度検出部１４ｂは、発熱源である第２コンバータ１５に設けられたダイオードやスイッチ素子などの半導体素子（図示せず）よりも、第１コンバータ１４に設けられたダイオードやスイッチ素子などの半導体素子（図示せず）に近い位置に配置されているとよい。これにより検出温度の信頼性は向上する。第１コンバータ１４の温度を検出するための雰囲気と、第２コンバータ１５の温度を検出するための雰囲気とが混合し難い位置関係や構造であることが望ましい。

また、第１コンバータ１４の温度は、第１コンバータ１４が格納された第１筐体１４ａ内の雰囲気温度で、第２コンバータ１５の温度は第２コンバータ１５が格納された第２筐体１５ａ内の雰囲気温度であってもよい。言い換えると、第１コンバータ１４の温度は第１コンバータ１４が格納された第１筐体１４ａの内部において非接触で検出され、第２コンバータ１５の温度は第２コンバータ１５が格納された第２筐体１５ａの内部における非接触で個別に検出されてもよい。さらに言い換えると、第１コンバータ１４の温度は第１コンバータ１４が格納された第１筐体１４ａの内部において非接触で推定され、第２コンバータ１５の温度は第２コンバータ１５が格納された第２筐体１５ａの内部において非接触で推定されてもよい。

上記のように、第１コンバータ１４の温度と第２コンバータ１５の温度が雰囲気温度に代用されて検出される場合、先に述べた第１コンバータ１４および第２コンバータ１５の温度変化が半導体素子の動作状態の変化に対して有する時間差が一層顕著となる。したがって、Ｔ５の時点からＴ７の時点の間の任意の時点Ｔｍで検出される第１コンバータ１４の温度と第２コンバータ１５の温度は、第１コンバータ１４と第２コンバータ１５とが昇圧動作を終えてはいるものの、温度の値が最も高い期間に一層顕著に相当することとなる。そのため、双方の温度差であるＴｅｍｐｄの値は非常に大きな値となり、温度差の検出
が容易となる。この結果として故障や異常の判定に対する精度が向上する。

ここで説明した温度検出は、ここでは図示していないが制御部１７に接続された温度検出器が検出すればよい。言い換えると、温度検出や温度検出に関係する演算や判定は制御部１７が実行すればよい。

またここでは制御部１７は車載電源システム１１の単一のユニット内に配置されている形態で示されている。しかしながら、例えば制御部１７は車体１９に設けられた車両制御ユニット２４の一部として含まれていてもよい。

以上の実施例では、車載電源システム１１がアイドリングストップ機能を搭載した車両がアイドリングストップ状態から再起動する場合の動作を一例として説明したが、車載電源システム１１は、例えば２４Ｖバッテリーから１２Ｖへの降圧動作を行う降圧コンバータや、高電圧の電気駆動用バッテリーからインバータ駆動用の電圧へ降圧動作を行う降圧コンバータに用いてもよい。

本発明の車載電源システムは、コンバータに対する故障検出の精度を向上させることができるという効果を有し、各種車両において有用である。

１１ 車載電源システム
１２ 入力部
１３ 出力部
１４ 第１コンバータ
１４ａ 第１筐体
１４ｂ 温度検出部
１５ 第２コンバータ
１５ａ 第２筐体
１５ｂ 温度検出部
１６ 外部信号入力部
１７ 制御部
１８ 車両
１９ 車体
２０ 車両バッテリー
２１ 車両負荷
２２ 駆動スイッチ
２３ 整流部
２４ 車両制御ユニット
２５ 筐体

Claims (6)

1. 入力部と、出力部と、
   前記入力部と前記出力部との間に並列に接続されて通常動作時に均等に出力電力を分担する第１コンバータと第２コンバータと、
   外部信号入力部と、
   前記出力部の電圧と、前記第１コンバータの温度と前記第２コンバータとの温度と、前記外部信号入力部の信号を検出し、前記第１コンバータと前記第２コンバータとの動作を制御する、制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記外部信号入力部から信号を受信すると、前記第１コンバータと前記第２コンバータとを起動させて前記出力部へ所定電圧を第１期間にわたって出力させ、
   前記第１期間の完了後に、前記第１コンバータと前記第２コンバータとの温度差に基づいて前記第１コンバータもしくは前記第２コンバータに対する故障判定を行う、
   車載電源システム。
2. さらに、前記第１コンバータおよび前記第２コンバータを格納する筐体を備え、
   前記制御部は、前記筐体内の雰囲気温度が、前記第１コンバータの温度と前記第２コンバータとの温度として検出する、
   請求項１に記載の車載電源システム。
3. 前記制御部は、
   前記第１期間の完了後第２期間が経過した後で前記第１コンバータおよび前記第２コンバータとの温度を検出し、
   前記第１コンバータと前記第２コンバータとの温度差に基づいて前記第１コンバータもしくは前記第２コンバータに対する故障判定を行う、
   請求項１に記載の車載電源システム。
4. 前記第１コンバータと前記第２コンバータとは同一の特性を有する、
   請求項１に記載の車載電源システム。
5. 前記第１コンバータおよび前記第２コンバータはそれぞれ、
   第１温度検出部および第２温度検出部を有する、
   請求項１に記載の車載電源システム。
6. 前記第１コンバータは第１スイッチング素子を、
   前記第２コンバータは第２スイッチング素子を、それぞれ有し、
   前記制御部は、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の温度を前記第１コンバータおよび前記第２コンバータとして検出する、
   請求項１に記載の車載電源システム。

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