JP2022135530A - バッテリモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】複数のバッテリセルを直列に接続する接続部分の抵抗を低減できるバッテリモジュールを提供する。【解決手段】直列に接続された複数のバッテリセル34を有するバッテリモジュール10であって、それぞれのバッテリセル34は、長方形の薄板形状であって、1つの辺に薄板形状の正極タブ36及び負極タブ38が設けられ、一のバッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38が設けられる辺と、他のバッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38が設けられる辺とが互いに対向するように配置され、一のバッテリセル34の正極タブ36と、他のバッテリセル34の負極タブ38とが、厚さ方向に重ねられて接触する。【選択図】図6

Description

本発明は、直列に接続された複数のバッテリセルを有するバッテリモジュールに関する。
下記特許文献1には、隣り合う扁平型電池の電極リード端子同士を電気伝導体により接続して、複数の扁平型電池を直列に接続する電池モジュールが開示されている。
特開2003-242951号公報
上記特許文献1に開示された技術では、隣り合う扁平型電池の電極リード端子同士が電気伝導体より接続されているため、電極リード端子間の抵抗が増大する問題がある。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、複数のバッテリセルを直列に接続する接続部分の抵抗を低減できるバッテリモジュールを提供することを目的とする。
本発明の態様は、直列に接続された複数のバッテリセルを有するバッテリモジュールであって、それぞれの前記バッテリセルは、長方形の薄板形状であって、1つの辺に薄板形状の正極タブ及び負極タブが設けられ、一の前記バッテリセルの前記正極タブ及び前記負極タブが設けられる辺と、他の前記バッテリセルの前記正極タブ及び前記負極タブが設けられる辺とが互いに対向するように配置され、一の前記バッテリセルの前記正極タブと、他の前記バッテリセルの前記負極タブとが、厚さ方向に重ねられて接触する。
本発明により、複数のバッテリセルを直列に接続する接続部分の抵抗を低減できる。
バッテリモジュールの斜視図である。 バッテリモジュールの正面図である。 バッテリパックの分解斜視図である。 バッテリパックの斜視図である。 バッテリモジュールの分解斜視図である。 直列に接続されたバッテリセルを示す斜視図である。 バッテリモジュールの部分断面図である。 バッテリモジュールの部分断面図である。 第1ユニット、第2ユニット及びウォータジャケットの模式図である。 バッテリモジュールの模式断面図である。 第1ユニット、第2ユニット及びウォータジャケットの模式図である。
〔第1実施形態〕
図1は、本実施形態のバッテリモジュール10の斜視図である。図2は、バッテリモジュール10の正面図である。図3は、バッテリパック26の分解斜視図である。図4は、バッテリパック26の斜視図である。
図1及び図2に示すように、バッテリモジュール10は、板状に形成されている。バッテリモジュール10のY軸方向負側の辺には、正極端子12及び負極端子14が設けられている。バッテリモジュール10のY軸方向正側の辺には、バッテリモジュール10内に設けられた後述するウォータジャケット48の給水孔16及び排水孔18が設けられている。
図3に示すように、バッテリモジュール10の四隅と中央部にボルト20が貫通する貫通孔22が設けられている。3枚のバッテリモジュール10をZ軸方向に積層させた状態で、ボルト20とナット24により締結されて、図4に示すバッテリパック26が構成される。Z軸方向に隣り合うバッテリモジュール10の正極端子12と負極端子14とが銅製のバスバー28により接続される。バスバー28は、ねじ30により正極端子12及び負極端子14に固定される。これにより、各バッテリモジュール10は直列に接続される。
図3及び図4に示すバッテリパック26では、3枚のバッテリモジュール10を同じ向きに積層することで、すべてのバッテリモジュール10の正極端子12及び負極端子14が、バッテリパック26の同じ面に位置する。しかし、それぞれのバッテリモジュール10を異なる向きに積層し、それぞれのバッテリモジュール10の正極端子12及び負極端子14が、バッテリパック26の異なる面に位置するようにしてもよい。バッテリパック26におけるそれぞれのバッテリモジュール10の正極端子12及び負極端子14の位置は、バッテリパック26の設置箇所における周囲の他の機器等との関係に応じて適宜変更可能である。
図3に示すように、各バッテリモジュール10の給水孔16及び排水孔18は、アルミニウム製のジョイント32により接続されている。ジョイント32は、第1ジョイント32a、第2ジョイント32b及び第3ジョイント32cから構成される。第1ジョイント32aは、最もZ軸方向正側のバッテリモジュール10の給水孔16及び排水孔18のそれぞれに取り付けられる。第2ジョイント32bは、Z軸方向の真ん中のバッテリモジュール10の給水孔16及び排水孔18のそれぞれに取り付けられる。第3ジョイント32cは、最もZ軸方向負側のバッテリモジュール10の給水孔16及び排水孔18のそれぞれに取り付けられる。
バッテリモジュール10の給水孔16に取り付けられた第1ジョイント32aから注入された冷却水は、各バッテリモジュール10のウォータジャケット48に供給される。そして、各バッテリモジュール10のウォータジャケット48内の冷却水流路を巡って高温となった冷却水は、バッテリモジュール10の排水孔18に取り付けられた第1ジョイント32aから排出される。
図5は、バッテリモジュール10の分解斜視図である。バッテリモジュール10は、直列に接続された第1バッテリセル34a、第2バッテリセル34b、第3バッテリセル34c、第4バッテリセル34d、第5バッテリセル34e及び第6バッテリセル34fを有している。以下、第1バッテリセル34a、第2バッテリセル34b、第3バッテリセル34c、第4バッテリセル34d、第5バッテリセル34e及び第6バッテリセル34fのいずれかを特定しない場合には、バッテリセル34と記載する。
バッテリセル34は、ラミネート型リチウムイオン二次電池である。それぞれのバッテリセル34は、長方形の薄板形状に形成されており、1つの辺に薄板形状の正極タブ36及び負極タブ38が設けられている。
第1バッテリセル34a、第2バッテリセル34b及び第3バッテリセル34cが直列に接続されて、第1ユニット40が構成される。第1バッテリセル34a、第2バッテリセル34b及び第3バッテリセル34cのそれぞれの正極タブ36及び負極タブ38は、ターミナル42に固定されている。第4バッテリセル34d、第5バッテリセル34e及び第6バッテリセル34fが直列に接続されて第2ユニット44が構成される。第4バッテリセル34d、第5バッテリセル34e及び第6バッテリセル34fのそれぞれの正極タブ36及び負極タブ38は、ターミナル46に固定されている。ターミナル42及びターミナル46への正極タブ36及び負極タブ38の固定については、後に詳述する。
第1ユニット40と第2ユニット44は、ウォータジャケット48及びセルホルダ50を挟んで、バッテリセル34の厚さ方向(Z軸方向)に積層されて設けられている。ウォータジャケット48はアルミニウム製の平板状の部材であって、ウォータジャケット48のX軸方向両側に樹脂製のセルホルダ50が設けられている。セルホルダ50は絶縁性を有し、ウォータジャケット48の表面には絶縁シートが貼着されている。各バッテリセル34と、ウォータジャケット48及びセルホルダ50との間には熱拡散シート52が設けられている。
第1ユニット40のZ軸方向負側、及び、第2ユニット44のZ軸方向正側には、断熱材54及びフレーム56が設けられている。フレーム56は、絶縁性を有する樹脂により形成されている。断熱材54は、弾力性及び絶縁性を有する樹脂により形成されている。Z軸方向負側のフレーム56とZ軸方向正側のフレーム56とがボルト57により締結される。これにより、Z軸方向正側に配置された断熱材54及びフレーム56と、Z軸方向負側に配置された断熱材54及びフレーム56とにより、各バッテリセル34が挟み込まれる。断熱材54は、弾性変形した状態で各バッテリセル34に直接密着している。各バッテリセル34には断熱材54からの圧力が作用しており、各バッテリセル34の膨張を抑制することができる。断熱材54は、本発明の弾性部材に相当する。
図6は、直列に接続されたバッテリセル34を示す斜視図である。図6には、電荷の流れが矢印で示されている。
第1ユニット40のバッテリセル34のうち、第1バッテリセル34a及び第3バッテリセル34cがX軸方向負側に配置され、第2バッテリセル34bがX軸方向正側に配置されている。第1バッテリセル34a及び第3バッテリセル34cは、互いにY軸方向に隣り合って配置されている。
第1バッテリセル34a及び第3バッテリセル34cは、正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺がX軸方向負側を向くように配置されている。第2バッテリセル34bは、正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺がX軸方向正側を向くように配置されている。つまり、第1バッテリセル34aの正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺と、第2バッテリセル34bの正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺とが互いに対向するように配置されている。同様に、第2バッテリセル34bの正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺と、第3バッテリセル34cの正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺とが互いに対向するように配置されている。
第1バッテリセル34a、第2バッテリセル34b及び第3バッテリセル34cのそれぞれは、正極タブ36がY軸方向負側に位置し、負極タブ38がY軸方向正側に位置するように設置されている。第1バッテリセル34aの負極タブ38と第2バッテリセル34bの正極タブ36とが、正極タブ36及び負極タブ38の厚さ方向(Z軸方向)に重ねられて接触している。第2バッテリセル34bの負極タブ38と第3バッテリセル34cの正極タブ36とが、正極タブ36及び負極タブ38の厚さ方向(Z軸方向)に重ねられて接触している。
第2ユニット44のバッテリセル34のうち、第4バッテリセル34d及び第6バッテリセル34fがX軸方向正側に配置され、第5バッテリセル34eがX軸方向負側に配置されている。第4バッテリセル34d及び第6バッテリセル34fは、互いにY軸方向に隣り合って配置されている。
第4バッテリセル34d及び第6バッテリセル34fは、正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺がX軸方向負側を向くように配置されている。第5バッテリセル34eは、正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺がX軸方向正側を向くように配置されている。つまり、第4バッテリセル34dの正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺と、第5バッテリセル34eの正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺とが互いに対向するように配置されている。同様に、第5バッテリセル34eの正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺と、第6バッテリセル34fの正極タブ36及び負極タブ38が設けられている辺とが互いに対向するように配置されている。
第4バッテリセル34d、第5バッテリセル34e及び第6バッテリセル34fのそれぞれは、正極タブ36がY軸方向正側に位置し、負極タブ38がY軸方向負側に位置するように設置されている。第4バッテリセル34dの負極タブ38と第5バッテリセル34eの正極タブ36とが、正極タブ36及び負極タブ38の厚さ方向(Z軸方向)に重ねられて接触している。第5バッテリセル34eの負極タブ38と第6バッテリセル34fの正極タブ36とが、正極タブ36及び負極タブ38の厚さ方向(Z軸方向)に重ねられて接触している。
第1ユニット40の第1バッテリセル34aの正極タブ36には、銅製の正極端子12がZ軸方向に重ねられて接触している。第2ユニット44の第6バッテリセル34fの負極タブ38には、銅製の負極端子14がZ軸方向に重ねられて接触している。
第1ユニット40の第3バッテリセル34cの負極タブ38には、銅製のバスバー58がZ軸方向に重ねられて接触している。第2ユニット44の第4バッテリセル34dの正極タブ36には、銅製のバスバー60がZ軸方向に重ねられて接触している。バスバー58とバスバー60とがアルミニウム製のバスブロック62によって接続されている。これにより、第1ユニット40と第2ユニット44とが直列に接続される。さらに、第1ユニット40と第2ユニット44とが折り返された構造を取ることが可能となり、バッテリモジュール10に占めるバッテリセル34の面積を抑制できる。
正極端子12から第1ユニット40に入力された電荷は、第1ユニット40内をY軸方向正側に向かって移動し、第1ユニット40から第2ユニット44に移動した電荷は、第2ユニット44内をY軸方向負側に向かって移動して、負極端子14から出ていく。
[ターミナルへの正極タブ及び負極タブの固定構造]
図7は、バッテリモジュール10の部分断面図である。図7は、図2に示すVII-VIIの断面線で切断された断面である。
ターミナル42及びターミナル46は、絶縁性を有する樹脂により形成されている。各バッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38は、ターミナル42及びターミナル46のX軸方向両側に形成されたスリット64からターミナル42及びターミナル46の内部に挿入される。そして、ターミナル42及びターミナル46内で、X軸方向において対向するバッテリセル34の正極タブ36と負極タブ38とがZ軸方向に重ねられた状態で、ボルト66によって正極タブ36と負極タブ38がターミナル42及びターミナル46に固定される。なお、正極タブ36又は負極タブ38とボルト66の頭との間には、銅製のプレート68が挟まれている。
[バッテリセルの冷却構造]
図8は、バッテリモジュール10の部分断面図である。図8は、図2に示すVIII-VIII断面図である。図9は、第1ユニット40、第2ユニット44及びウォータジャケット48の模式図である。図9には、ウォータジャケット48を挟んで第2ユニット44と反対側に位置する第1ユニット40が点線で示され、ウォータジャケット48内の冷却水の流れが矢印で示されている。図9は、Z軸方向正側から負側に向かって見た状態を示している。図10は、バッテリモジュール10の模式断面図である。図10には、バッテリセル34からウォータジャケット48への熱の流れが矢印で示されている。
図8に示すように、ウォータジャケット48及びセルホルダ50は、平板状に形成されており、Z軸方向において、第1ユニット40と第2ユニット44に挟まれている。ウォータジャケット48はバッテリモジュール10のY軸方向中央部分に設けられ、ウォータジャケット48の外側にセルホルダ50が設けられている。
図9に示すように、Z軸方向から見たときに、ウォータジャケット48は、それぞれのバッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38側の略半分の領域、及び、正極タブ36及び負極タブ38とオーバラップするように設けられている。冷却水は、ウォータジャケット48内を、それぞれのバッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38側の略半分に対応する領域、及び、それぞれの正極タブ36及び負極タブ38に対応する領域を通過する。
上述のように、本実施形態では、ウォータジャケット48は、それぞれのバッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38側の略半分の領域とオーバラップするように設けられている。これを、バッテリセル34の発熱特性に応じて、ウォータジャケット48はバッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38側の3分の2の領域とオーバラップする、又は、バッテリセル34の全面に渡ってオーバラップするように設けられていてもよい。
図8に示すように、各バッテリセル34のウォータジャケット48側の面に隣接して、熱拡散シート52が設けられている。熱拡散シート52は、バッテリセル34のウォータジャケット48側の面に全面に渡って密着して設けられている。熱拡散シート52により、ウォータジャケット48が設けられていないバッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38とは反対側の略半分の領域の熱を、ウォータジャケット48に伝達させることが可能となり、放熱性を向上することができる(図10)。
熱拡散シート52は、弾力性及び絶縁性を有する樹脂により形成されている。これにより、熱拡散シート52は、バッテリセル34の積層方向(Z軸方向)の公差を吸収することができる。上述のように、ウォータジャケット48がバッテリセル34の全面に渡ってオーバラップするように設けられている場合には、熱拡散シート52を設けないようにしてもよい。
[作用効果]
バッテリセル34同士を直列に接続する場合に、バッテリセル34の正極タブ36と別のバッテリセル34の負極タブ38とをバスバー等を介して接続すると、バッテリセル34の正極タブ36と別のバッテリセル34の負極タブ38との間の抵抗が増大する問題がある。
そこで、本実施形態のバッテリモジュール10では、バッテリセル34の正極タブ36と他のバッテリセル34の負極タブ38とが厚さ方向に重ねられて接触する構成とした。これにより、バッテリセル34の正極タブ36と他のバッテリセル34の負極タブ38とが直接接触するため、バッテリセル34の正極タブ36と別のバッテリセル34の負極タブ38との間の抵抗を低減できる。
また、本実施形態のバッテリモジュール10では、第1ユニット40の第1バッテリセル34a、第2バッテリセル34b及び第3バッテリセル34cのそれぞれは、正極タブ36がY軸方向負側に位置し、負極タブ38がY軸方向正側に位置するように設置されている。さらに、第2ユニット44の第4バッテリセル34d、第5バッテリセル34e及び第6バッテリセル34fのそれぞれは、正極タブ36がY軸方向正側に位置し、負極タブ38がY軸方向負側に位置するように設置されている。そして、第1ユニット40と第2ユニット44とは、Z軸方向に積層されて、直列に接続される。これにより、第1ユニット40と第2ユニット44とが折り返された構造を取ることができ、バッテリモジュール10に占めるバッテリセル34の面積を抑制できる。
また、本実施形態のバッテリモジュール10は、Y軸方向負側に正極端子12及び負極端子14を有する。これにより、正極端子12と負極端子14とを近接して配置することが可能となるため、バッテリモジュール10同士を直列につなぐバスバー28の長さを短くすることができ、バスバー28の抵抗を低減できる。
また、本実施形態のバッテリモジュール10は、Y軸方向正側にウォータジャケット48の給水孔16及び排水孔18を有する。給水孔16及び排水孔18が、正極端子12及び負極端子14と反対側に設けられるため、正極端子12及び負極端子14への冷却水の付着の可能性を低減し、漏電や短絡を抑制できる。
また、本実施形態のバッテリモジュール10は、第1ユニット40と第2ユニット44との間に平板状のウォータジャケット48を有する。このウォータジャケット48は、第1ユニット40のそれぞれのバッテリセル34と、第2ユニット44のそれぞれのバッテリセル34の両方を、正極タブ36及び負極タブ38を含めて冷却する。これにより、発熱量が大きい正極タブ36及び負極タブ38と、バッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38側とを効率よく冷却できる。
〔他の実施形態〕
図11は、第1ユニット40、第2ユニット44及びウォータジャケット48の模式図である。図11には、ウォータジャケット48を挟んで第2ユニット44と反対側に位置する第1ユニット40が点線で示され、ウォータジャケット48内の冷却水の流れが矢印で示されている。図11は、Z軸方向正側から負側に向かって見た状態を示している。
第1実施形態では、冷却水は、ウォータジャケット48内を、それぞれのバッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38側の略半分に対応する領域、及び、それぞれの正極タブ36及び負極タブ38に対応する領域を通過する。これを、図11に示すように、冷却水は、ウォータジャケット48内を、少なくともそれぞれのバッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38側の略半分に対応する領域を通過するようにしてもよい。
また、第1実施形態のバッテリモジュール10は、直列に接続された6つのバッテリセル34を有しているが、バッテリモジュール10は、直列に接続された2つ以上のバッテリセル34を有していればよい。
また、第1実施形態のバッテリモジュール10において、それぞれのバッテリセル34の正極タブ36及び負極タブ38は、ボルト66によりターミナル42又はターミナル46に固定されている。これを他の方法で、正極タブ36及び負極タブ38がターミナル42又はターミナル46に固定されるようにしてもよい。例えば、ターミナル42又はターミナル46に弾性部材を係止する構造を設け、弾性部材により正極タブ36及び負極タブ38がターミナル42又はターミナル46に押し付けられて、固定されるようにしてもよい。また、正極タブ36と負極タブ38とは、溶接により固定されていてもよい。
〔実施形態から得られる技術的思想〕
上記実施形態から把握しうる技術的思想について、以下に記載する。
直列に接続された複数のバッテリセル(34)を有するバッテリモジュール(10)であって、それぞれの前記バッテリセルは、長方形の薄板形状であって、1つの辺に薄板形状の正極タブ(36)及び負極タブ(38)が設けられ、一の前記バッテリセルの前記正極タブ及び前記負極タブが設けられる辺と、他の前記バッテリセルの前記正極タブ及び前記負極タブが設けられる辺とが互いに対向するように配置され、一の前記バッテリセルの前記正極タブと、他の前記バッテリセルの前記負極タブとが、厚さ方向に重ねられて接触する。
上記のバッテリモジュールであって、それぞれの前記バッテリセルの前記正極タブが前記バッテリセルの幅方向の一方側に位置し、前記負極タブが他方側に位置するように配置されて、複数の前記バッテリセルが直列に接続された第1ユニット(40)と、それぞれの前記バッテリセルの前記正極タブが前記他方側に位置し、前記負極タブが前記一方側に位置するように配置されて、複数の前記バッテリセルが直列に接続された第2ユニット(44)と、を有し、前記第1ユニットと前記第2ユニットとが、前記バッテリセルの厚さ方向に積層され、前記第1ユニットの最も前記他方側に位置する前記バッテリセルの前記負極タブと、前記第2ユニットの最も前記他方側に位置する前記バッテリセルの前記正極タブとが接続されてもよい。
上記のバッテリモジュールであって、前記一方側に正極端子(12)及び負極端子(14)を有してもよい。
上記のバッテリモジュールであって、前記第1ユニットと前記第2ユニットの間に設けられ、内部に冷却水流路が設けられた平板状のウォータジャケット(48)を有し、前記ウォータジャケットは、前記第1ユニットのそれぞれの前記バッテリセルと、前記第2ユニットのそれぞれの前記バッテリセルの両方を前記正極タブ及び前記負極タブを含めて冷却してもよい。
上記のバッテリモジュールであって、前記他方側に前記冷却水流路の給水孔(16)及び排水孔(18)を有してもよい。
上記のバッテリモジュールであって、前記バッテリセルは、前記バッテリセルの厚さ方向において、弾性部材(54)によって挟み込まれていてもよい。
10…バッテリモジュール 16…給水孔
18…排水孔 34…バッテリセル
36…正極タブ 38…負極タブ
40…第1ユニット 44…第2ユニット
48…ウォータジャケット 54…断熱材(弾性部材)

Claims (6)

  1. 直列に接続された複数のバッテリセルを有するバッテリモジュールであって、
    それぞれの前記バッテリセルは、長方形の薄板形状であって、1つの辺に薄板形状の正極タブ及び負極タブが設けられ、
    一の前記バッテリセルの前記正極タブ及び前記負極タブが設けられる辺と、他の前記バッテリセルの前記正極タブ及び前記負極タブが設けられる辺とが互いに対向するように配置され、
    一の前記バッテリセルの前記正極タブと、他の前記バッテリセルの前記負極タブとが、厚さ方向に重ねられて接触する、バッテリモジュール。
  2. 請求項1に記載のバッテリモジュールであって、
    それぞれの前記バッテリセルの前記正極タブが前記バッテリセルの幅方向の一方側に位置し、前記負極タブが他方側に位置するように配置されて、複数の前記バッテリセルが直列に接続された第1ユニットと、
    それぞれの前記バッテリセルの前記正極タブが前記他方側に位置し、前記負極タブが前記一方側に位置するように配置されて、複数の前記バッテリセルが直列に接続された第2ユニットと、
    を有し、
    前記第1ユニットと前記第2ユニットとが、前記バッテリセルの厚さ方向に積層され、
    前記第1ユニットの最も前記他方側に位置する前記バッテリセルの前記負極タブと、前記第2ユニットの最も前記他方側に位置する前記バッテリセルの前記正極タブとが接続される、バッテリモジュール。
  3. 請求項2に記載のバッテリモジュールであって、
    前記一方側に正極端子及び負極端子を有する、バッテリモジュール。
  4. 請求項2又は3に記載のバッテリモジュールであって、
    前記第1ユニットと前記第2ユニットの間に設けられ、内部に冷却水流路が設けられた平板状のウォータジャケットを有し、
    前記ウォータジャケットは、前記第1ユニットのそれぞれの前記バッテリセルと、前記第2ユニットのそれぞれの前記バッテリセルの両方を前記正極タブ及び前記負極タブを含めて冷却する、バッテリモジュール。
  5. 請求項4に記載のバッテリモジュールであって、
    前記他方側に前記冷却水流路の給水孔及び排水孔を有する、バッテリモジュール。
  6. 請求項1~5のいずれか1項に記載のバッテリモジュールであって、
    前記バッテリセルは、前記バッテリセルの厚さ方向において、弾性部材によって挟み込まれている、バッテリモジュール。
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