JP2021035130A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】モータジェネレータに電流を流すことなく、単相AC充電器によって蓄電池を充電することができる電源装置を提供すること。【解決手段】蓄電池と、蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第1コンデンサ及び第2コンデンサが直列に接続されたコンデンサ部と、第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子、第4スイッチング素子、第1ダイオード、及び、第2ダイオードとからなる3レベルインバータが、U相とV相とW相との3相分、蓄電池と並列に接続された電力変換器と、を備えた電源装置であって、3相の3レベルインバータのうちの2相の第1中間点または第2中間点を、単相AC充電器の2つの端子と電気的に接続される接続端子として設け、各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを、単相AC充電器から出力される単相AC電圧がDC電圧に変換されるように制御する制御装置を備える。【選択図】図1
Description
本発明は、電源装置に関する。
特許文献1に記載の電動車両に設けられる電力変換装置は、モータジェネレータ駆動用のインバータを、充電器としての機能の一部を兼ねるように構成している。これにより、外部充電器である単相AC充電器を用いて蓄電池であるバッテリを充電するための車載部品を最小限に抑えることができ、電動車両の重量及び価格を低減させることができるとされている。
また、特許文献1には、単相AC充電器によってバッテリを充電する際には、単相AC充電器からモータジェネレータへ供給する電圧が正、バッテリからモータジェネレータへ供給する電圧が負となるように、インバータの各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1に開示された技術では、単相AC充電器などの外部充電器によってバッテリを充電する際に、モータジェネレータに電流が流れるため、充電時にモータジェネレータが回転しないようにd軸電流のみを流すようにしている。しかしながら、外部充電器によってバッテリを充電する際には、モータジェネレータに電流が流れないことが望ましい。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、モータジェネレータに電流を流すことなく、単相AC充電器によって蓄電池を充電することができる電源装置を提供することである。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、蓄電池と、前記蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第1コンデンサ及び第2コンデンサが直列に接続されたコンデンサ部と、第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との接続部である第1中間点と、前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとの接続部である中性点とを接続する第1ダイオードと、前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子との接続部である第2中間点と、前記中性点とを接続する第2ダイオードと、からなり、前記第1スイッチング素子、前記第2スイッチング素子、前記第3スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子をオン・オフさせ、3レベルの電圧をモータジェネレータに出力可能な3レベルインバータが、U相とV相とW相との3相分、前記蓄電池と並列に接続された電力変換器と、を備えた電源装置であって、3相の前記3レベルインバータのうちの2相の前記第1中間点または前記第2中間点を、単相AC充電器の2つの端子と電気的に接続される接続端子として設けており、2相の前記第1中間点と、前記単相AC充電器の2つの端子とが電気的に接続されている場合には、前記単相AC充電器によって前記蓄電池を充電する前に、前記蓄電池によって前記第1コンデンサを充電し、前記第2コンデンサを0[V]にし、前記単相AC充電器によって前記蓄電池を充電するときに、3相の前記第3スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子をオンにし、且つ、前記2つの端子と電気的に接続されていない前記第1中間点を構成する1相の前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子をオフにして、前記2つの端子が電気的に接続された前記第1中間点をそれぞれ構成する2相の前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを、前記単相AC充電器から出力される単相AC電圧がDC電圧に変換されるように制御し、2相の前記第2中間点と、前記単相AC充電器の2つの端子とが電気的に接続されている場合には、前記単相AC充電器によって前記蓄電池を充電する前に、前記蓄電池によって前記第2コンデンサを充電し、前記第1コンデンサを0[V]にし、前記単相AC充電器によって前記蓄電池を充電するときに、3相の前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子をオンにし、且つ、前記2つの端子と電気的に接続されていない前記第2中間点を構成する1相の前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子をオフにして、前記2つの端子が電気的に接続された前記第2中間点をそれぞれ構成する2相の前記第3スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを、前記単相AC充電器から出力される単相AC電圧がDC電圧に変換されるように制御する、制御装置を備えることを特徴とするものである。
本発明に係る電源装置は、モータジェネレータに電流を流すことなく、単相AC充電器によって蓄電池を充電することができるという効果を奏する。
以下に、本発明に係る電源装置の実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。
図1は、実施形態に係る電源装置10を備えた電力システムの構成図である。実施形態に係る電力システムは、電気自動車や、ハイブリッド車両、PHV(Plug−in Hybrid Vehicle)やREEV(Range Extended Electric Vehicle)等の電力を利用した走行が可能な電動車両に適用される。
実施形態に係る電力システムは、電源装置10とモータジェネレータ20と単相AC充電器30などによって構成されている。なお、実施形態に係る電力システムのうち、電源装置10及びモータジェネレータ20は前記電動車両に搭載されており、単相AC充電器30は前記電動車両の外部に設置された外部充電設備などに設けられている。
電源装置10は、バッテリ12、システムメインリレー装置14、コンデンサ部16、電力変換器18、充電リレー装置40、及び、ECU(Electronic Control Unit)60などを備えている。電源装置10は、モータジェネレータ20と電気的に接続されている。
バッテリ12は、高電圧バッテリとして充放電可能な蓄電池である。バッテリ12としては、例えば、リチウムイオン組電池、ニッケル水素組電池の他、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等を用いることができる。
システムメインリレー装置14は、システムメインリレーSMR−B、システムメインリレーSMR−G、システムメインリレーSMR−P、及び、リアクトル140などによって構成されている。なお、システムメインリレーSMR−Bの「B」は、バッテリ12の正極側に接続されることを意味する。システムメインリレーSMR−Gの「G」は、バッテリ12の負極側に接続されることを意味する。システムメインリレーSMR−Pの「P」は、プリチャージを意味する。
システムメインリレーSMR−Bは、バッテリ12の正極端子と接続された正極ラインPLに設けられている。システムメインリレーSMR−Bは、後述する不図示の電子制御装置であるECU60(図2参照)からの制御信号を受けることにより、オンとオフとの間で切り替わる。
システムメインリレーSMR−Gは、バッテリ12の負極端子と接続された負極ラインNLに設けられている。システムメインリレーSMR−Gは、ECU60からの制御信号を受けることにより、オンとオフとの間で切り替わる。
システムメインリレーSMR−P及びリアクトル140は、システムメインリレーSMR−Gと並列に接続されている。システムメインリレーSMR−Pと電流制限抵抗141とは、直列に接続されている。システムメインリレーSMR−Pは、ECU60からの制御信号を受けることにより、オンとオフとの間で切り替わる。リアクトル140は、バッテリ12を電力変換器18と接続するときに、突入電流が流れるのを抑制するために用いられる。
コンデンサ部16は、バッテリ12の正極側端子(正母線22)とバッテリ12の負極側端子(負母線24)との間に、互いに直列接続された、第1コンデンサであるコンデンサC1と第2コンデンサであるコンデンサC2とによって構成されている。コンデンサC1とコンデンサC2とは、中性点NP1で互いに接続されている。つまり、コンデンサC1は、一方側の端子が正母線22に接続され、他方側の端子が中性点NP1に接続されている。また、コンデンサC2は、一方側の端子が中性点NP1に接続され、他方側の端子が負母線24に接続されている。したがって、コンデンサC1,C2が同じように充放電を行って常に同じ電荷を蓄積しているとすれば、中性点NP1と負母線24との間の電圧である中性点電圧は、バッテリ12の電圧の半分の電圧にクランプされることになる。なお、中性点電圧は、コンデンサC2の端子間電圧である電圧VC2に相当する。また、図1中のVC1は、コンデンサC1の端子間電圧である。
電力変換器18は、正母線22と中性点NP1との間の電圧である正側電圧が供給される上アーム、及び、中性点NP1と負母線24との間の電圧である負側電圧が供給される下アームで構成されている。電力変換器18では、上アームと下アームとが、正母線22と負母線24との間に直列に多重化されて配置されており、3レベルの三相AC電圧をモータジェネレータ20に出力することが可能となっている。
また、電力変換器18は、U相電圧をモータジェネレータ20に出力するU相アームと、V相電圧をモータジェネレータ20に出力するV相アームと、W相電圧をモータジェネレータ20に出力するW相アームとを備えている。
U相アームでは、正母線22から負母線24に向かって、第1スイッチング素子SU1、第2スイッチング素子SU2、第3スイッチング素子SU3、第4スイッチング素子SU4が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子SU1,SU2,SU3,SU4は、半導体素子に対してダイオードが並列に逆接続された構成となっている。なお、逆接続とは、例えば、半導体素子のドレイン端子にダイオードのカソード端子が接続され、半導体素子のソース端子にダイオードのアノード端子が接続されるものである。第1スイッチング素子SU1と第2スイッチング素子SU2との接続部である中間点PU1(第1中間点)と、第3スイッチング素子SU3と第4スイッチング素子SU4との接続部である中間点PU2(第2中間点)とには、直列に逆接続された2つのダイオードDU1,DU2が並列に接続されている。この2つのダイオードDU1,DU2の間の接続点は、コンデンサ部16の中性点NP1に接続されている。かかる構成において、第2スイッチング素子SU2と第3スイッチング素子SU3との間の接続点からモータジェネレータ20にU相電圧が出力される。
V相アームでは、正母線22から負母線24に向かって、第1スイッチング素子SV1、第2スイッチング素子SV2、第3スイッチング素子SV3、第4スイッチング素子SV4が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子SV1,SV2,SV3,SV4は、半導体素子に対してダイオードが並列に逆接続された構成となっている。第1スイッチング素子SV1と第2スイッチング素子SV2との接続部である中間点PV1(第1中間点)と、第3スイッチング素子SV3と第4スイッチング素子SV4との接続部である中間点PV2(第2中間点)とには、直列に逆接続された2つのダイオードDV1,DV2が並列に接続されている。この2つのダイオードDV1,DV2の間の接続点は、コンデンサ部16の中性点NP1に接続されている。かかる構成において、第2スイッチング素子SV2と第3スイッチング素子SV3との間の接続点からモータジェネレータ20にV相電圧が出力される。
W相アームでは、正母線22から負母線24に向かって、第1スイッチング素子SW1、第2スイッチング素子SW2、第3スイッチング素子SW3、第4スイッチング素子SW4が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子SW1,SW2,SW3,SW4は、半導体素子に対してダイオードが並列に逆接続されて構成されている。第1スイッチング素子SW1と第2スイッチング素子SW2との接続部である中間点PW1(第1中間点)と、第3スイッチング素子SW3と第4スイッチング素子SW4との接続部である中間点PW2(第2中間点)とには、直列に逆接続された2つのダイオードDW1,DW2が並列に接続されている。この2つのダイオードDW1,DW2の間の接続点は、コンデンサ部16の中性点NP1に接続されている。かかる構成において、第2スイッチング素子SW2と第3スイッチング素子SW3との間の接続点からモータジェネレータ20にW相電圧が出力される。
本実施形態において、電力変換器18の各スイッチング素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などを用いることができる。
モータジェネレータ20は、前記電動車両に搭載される回転電機であり、バッテリ12から出力されたDC電圧が、電力変換器18によって三相AC電圧に変換されて供給されるときにモータとして作用し、車両を走行させるための駆動力を発生する。一方、モータジェネレータ20は、車両が制動されるときに発電機として作用し、制動エネルギーを回収して三相AC電圧として出力する。そして、この三相AC電圧が電力変換器18によってDC電圧に変換されてバッテリ12に供給されることにより、バッテリ12が充電される。
単相AC充電器30は、バッテリ12を充電するために車両外部に設けられた外部充電器である。単相AC充電器30は、単相AC充電器30の不図示のプラグと車両側の不図示のコネクタとを接続するための充電器接続部50で、電源装置10側と電気的に接続される2つの端子であるA端子32A及びB端子32Bを有している。充電器接続部50と電力変換器18との間には、充電リレー42A及び充電リレー42Bを有する充電リレー装置40と、リアクトル44A,44Bとが設けられている。
単相AC充電器30のA端子32Aは、充電リレー42A及びリアクトル44Aを介して、電力変換器18の電力変換器18のU相アームにおけるスイッチング素子SU3とスイッチング素子SU4との中間点PU2と電気的に接続されている。また、単相AC充電器30のB端子32Bは、充電リレー42B及びリアクトル44Bを介して、電力変換器18の電力変換器18のV相アームにおけるスイッチング素子SV3とスイッチング素子SV4との中間点PV2と電気的に接続されている。
なお、単相AC充電器30のA端子32A及びB端子32Bの2端子は、それぞれU相アームとV相アームとW相アームとのうちの2相分における、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子S2との中間点PU1,PV1,PW1、または、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子との中間点PU2,PV2,PW2に接続すればよい。
例えば、単相AC充電器30のA端子32Aを、U相アームにおける第1スイッチング素子SU1と第2スイッチング素子SU2との中間点PU1と接続し、単相AC充電器30のB端子32Bを、V相アームにおける第1スイッチング素子SV1と第2スイッチング素子SV2との中間点PV1と接続してもよい。また、その他の例として、単相AC充電器30のA端子32Aを、V相アームにおける第3スイッチング素子SV3と第4スイッチング素子SV4との中間点PV2と接続し、単相AC充電器30のB端子32Bを、W相アームにおける第3スイッチング素子SW3と第4スイッチング素子SW4との中間点PW2と接続してもよい。
図2は、実施形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。ECU60は、電源装置10などの動作を制御する電子制御装置である。ECU60は、充電制御部62及びゲート信号生成部64などを備えている。なお、図6中、「VB」はバッテリ電圧であり、「VH」は充電電圧である。
充電制御部62には、図示されていないシステム制御部から出力された充電電力指令信号、電力変換器18に設けられた不図示の電圧計から出力された電圧位相信号、電力変換器18に設けられた不図示の電流計から出力された充電電流信号、及び、単相AC充電器30から出力された充電器情報信号などの各種信号が入力される。充電制御部62は、有効電力=充電電力指令、無効電力=0となるように、充電電流を制御する。また、充電制御部62は、例えば、充電電力指令信号、電圧位相信号、及び、充電電流信号などに基づいて求めた後述する、スイッチング素子SU3,SU4のオンとオフとを切り替えるためのA相duty、及び、スイッチング素子SV3,SV4のオンとオフとを切り替えるためのB相dutyなどを、ゲート信号生成部64に出力する。
ゲート信号生成部64は、電力変換器18の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるためのゲート信号を生成し、その生成したゲート信号を各スイッチング素子に出力する。例えば、ゲート信号生成部64は、単相AC充電器30によってバッテリ12の充電を行う際に、スイッチング素子SU3,SU4にA相dutyでオンとオフとを切り替えるためのゲート信号を出力し、スイッチング素子SV3,SV4にB相dutyでオンとオフとを切り替えるためのゲート信号を出力する。
次に、図1に示した電源装置10における単相AC充電器30によるバッテリ12の充電方法について説明する。まず、電源装置10において、システムメインリレー装置14のシステムメインリレーSMR−B,SMR−G,SMR−Pと、充電リレー装置40の充電リレー42A,42Bと、電力変換器18の全てのスイッチング素子とは、それぞれオフにする。また、この際、コンデンサC1,C2の電圧は、コンデンサC1,C2から電荷が電力線を通って放電されることにより0[V]になる。
次に、図3に示すように、電力変換器18の第1スイッチング素子SU1,SV1,SW1と、第2スイッチング素子SU2,SV2,SW2と、第3スイッチング素子SU3,SV3,SW3とを、それぞれオフからオンに切り替える。
次に、図4に示すように、システムメインリレー装置14のシステムメインリレーSMR−B,SMR−Pをオフからオンに切り替えて、バッテリ12からの電力によりコンデンサC2の充電を開始し、コンデンサC2を800[V]まで充電する。
コンデンサC2の充電が完了した後、図5に示すように、システムメインリレー装置14のシステムメインリレーSMR−Gをオフからオンに切り替えるとともに、システムメインリレーSMR−Pをオンからオフに切り替える。また、電力変換器18の第3スイッチング素子SU3,SV3,SW3をオンからオフに切り替える。
次に、図6に示すように、充電リレー装置40の充電リレー42A,42Bをオフからオンに切り替えて、単相AC充電器30からの電力によるバッテリ12の充電を開始する。この際、コンデンサC2と、第3スイッチング素子SU3,SU4と、第3スイッチング素子SV3,SU4とを、2レベルインバータとみなして制御し、単相AC−DCコンバータとして利用する。具体的には、第3スイッチング素子SU3,SU4のそれぞれのオンとオフとの切り替えをA相dutyで制御し、第3スイッチング素子SV3,SV4のそれぞれのオンとオフとの切り替えをB相dutyで制御して、単相AC充電器30の単相AC電圧をDC電圧に変換し、その変換したDC電圧によってバッテリ12を充電する。
また、本実施形態においては、単相AC充電器30によってバッテリ12を充電するにあたって、電力変換器18の第1スイッチング素子SU1,SV1,SW1と、第2スイッチング素子SU2,SV2,SW2とをオンで固定している。これにより、モータジェネレータ20への電力供給を遮断して、モータジェネレータ20に駆動力が発生し、回転してしまうことを防止することができる。
なお、図1に示した電源装置10とは異なり、第1スイッチング素子SU1,SV1,SW1と第2スイッチング素子SU2,SV2,SW2とで構成される中間点PU1,PV1,PW3のうちの2相の中間点と、単相AC充電器30のA端子32A及びB端子32Bとが電気的に接続されている場合には、以下のようにECU60によって電源装置10などを制御して、単相AC充電器30によってバッテリ12を充電する。
まず、単相AC充電器30によってバッテリ12を充電する前に、コンデンサC1を充電し、コンデンサC2を0[V]にする。そして、単相AC充電器30によってバッテリ12を充電するときには、3相の第3スイッチング素子SU3,SV3,SW3及び第4スイッチング素子SU4,SV4,SW4をオンにし、且つ、A端子32A及びB端子32Bと電気的に接続されていない中間点を構成する1相の第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子をオフにして、A端子32A及びB端子32Bが電気的に接続された中間点をそれぞれ構成する2相の第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを、単相AC充電器30から出力される単相AC電圧がDC電圧に変換されるように制御する。
10 電源装置
12 バッテリ
14 システムメインリレー装置
16 コンデンサ部
18 電力変換器
20 モータジェネレータ
22 正母線
24 負母線
30 単相AC充電器
32A A端子
32B B端子
40 充電リレー装置
42A,42B 充電リレー
44A,44B リアクトル
50 充電器接続部
60 ECU
62 充電制御部
64 ゲート信号生成部
140 リアクトル
C1,C2 コンデンサ
DU1,DU2,DV1,DV2,DW1,DW2 ダイオード
NP1 中性点
PU1,PU2,PV1,PV2,PW1,PW2 中間点
SMR−B,SMR−G,SMR−P システムメインリレー
SU1,SV1,SW1 第1スイッチング素子
SU2,SV2,SW2 第2スイッチング素子
SU3,SV3,SW3 第3スイッチング素子
SU4,SV4,SW4 第4スイッチング素子
12 バッテリ
14 システムメインリレー装置
16 コンデンサ部
18 電力変換器
20 モータジェネレータ
22 正母線
24 負母線
30 単相AC充電器
32A A端子
32B B端子
40 充電リレー装置
42A,42B 充電リレー
44A,44B リアクトル
50 充電器接続部
60 ECU
62 充電制御部
64 ゲート信号生成部
140 リアクトル
C1,C2 コンデンサ
DU1,DU2,DV1,DV2,DW1,DW2 ダイオード
NP1 中性点
PU1,PU2,PV1,PV2,PW1,PW2 中間点
SMR−B,SMR−G,SMR−P システムメインリレー
SU1,SV1,SW1 第1スイッチング素子
SU2,SV2,SW2 第2スイッチング素子
SU3,SV3,SW3 第3スイッチング素子
SU4,SV4,SW4 第4スイッチング素子
Claims (1)
- 蓄電池と、
前記蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第1コンデンサ及び第2コンデンサが直列に接続されたコンデンサ部と、
第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との接続部である第1中間点と、前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとの接続部である中性点とを接続する第1ダイオードと、前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子との接続部である第2中間点と、前記中性点とを接続する第2ダイオードと、からなり、前記第1スイッチング素子、前記第2スイッチング素子、前記第3スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子をオン・オフさせ、3レベルの電圧をモータジェネレータに出力可能な3レベルインバータが、U相とV相とW相との3相分、前記蓄電池と並列に接続された電力変換器と、
を備えた電源装置であって、
3相の前記3レベルインバータのうちの2相の前記第1中間点または前記第2中間点を、単相AC充電器の2つの端子と電気的に接続される接続端子として設けており、
2相の前記第1中間点と、前記単相AC充電器の2つの端子とが電気的に接続されている場合には、
前記単相AC充電器によって前記蓄電池を充電する前に、前記蓄電池によって前記第1コンデンサを充電し、前記第2コンデンサを0[V]にし、
前記単相AC充電器によって前記蓄電池を充電するときに、3相の前記第3スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子をオンにし、且つ、前記2つの端子と電気的に接続されていない前記第1中間点を構成する1相の前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子をオフにして、前記2つの端子が電気的に接続された前記第1中間点をそれぞれ構成する2相の前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを、前記単相AC充電器から出力される単相AC電圧がDC電圧に変換されるように制御し、
2相の前記第2中間点と、前記単相AC充電器の2つの端子とが電気的に接続されている場合には、
前記単相AC充電器によって前記蓄電池を充電する前に、前記蓄電池によって前記第2コンデンサを充電し、前記第1コンデンサを0[V]にし、
前記単相AC充電器によって前記蓄電池を充電するときに、3相の前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子をオンにし、且つ、前記2つの端子と電気的に接続されていない前記第2中間点を構成する1相の前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子をオフにして、前記2つの端子が電気的に接続された前記第2中間点をそれぞれ構成する2相の前記第3スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを、前記単相AC充電器から出力される単相AC電圧がDC電圧に変換されるように制御する、
制御装置を備えることを特徴とする電源装置。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2021044965A (ja) * | 2019-09-12 | 2021-03-18 | トヨタ自動車株式会社 | 電源装置 |
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- 2019-08-21 JP JP2019151554A patent/JP7103320B2/ja active Active
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