JP2024505949A - 電池モジュールおよびそれを含む電池パック - Google Patents

Abstract

本発明の一実施形態による電池モジュールは、第１方向に配列されて積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体と、前記電池セル積層体が収容されるモジュールハウジング、および前記複数の電池セルのうち最外側電池セルと前記モジュールハウジングの間に配置される変形防止構造体を含む。前記モジュールハウジングは、空間部を含むハウジングプレートを含み、前記ハウジングプレートが、前記最外側電池セルと隣り合って配置される。前記変形防止構造体は、前記ハウジングプレートに固定されて前記電池セル積層体に支持される加圧プレート、および前記ハウジングプレートの空間部に収容されて前記加圧プレートと前記ハウジングプレートの間に配置されるばね構造体を含む。前記空間部は前記電池セル積層体に向かうハウジングプレートの一面に設けられた窪み部により構成される。

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２１年９月１７日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１２４７０５号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は電池モジュールに関し、より具体的には電池セル積層体をモジュールハウジングに収容した電池モジュールに関する。また、本発明は上記した電池モジュールを含む電池パックに関する。

モバイル機器に対する技術開発と需要の増加によりエネルギ源としての二次電池の需要が急激に増加している。二次電池は携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイスなどのモバイル機器だけでなく、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力装置に対するエネルギ源としても使用されている。

小型モバイル機器にはデバイス１台当たり一つまたは複数の二次電池が使用されることに対して、電気自動車などのように中大型デバイスには二次電池が高出力大容量で備えられることが必要である。このために多数の電池セルは電気的に接続されて一つのモジュールで構成されるか、複数のモジュールが電気的に接続されて構成されたパックとして製品に適用することができる。

電池モジュールは、例えば、一方向に沿って整列した複数の電池セルの積層体をモジュールハウジングを構成する部材で囲んで固定させて構成される。ここで、モジュールハウジングを構成する部材は電池セルのスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象によりモジュールハウジング、すなわち、電池モジュールの形状が変形されないように堅固な構造体で備えられることが求められる。

本発明が解決しようとする課題は、電池セルのスウェリング現象による電池セルの部位別の変位偏差を最小化できる電池モジュールおよびそれを含む電池パックを提供することにある。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず、本発明に含まれた技術的思想の範囲で多様に拡張することができる。

本発明の一実施形態による電池モジュールは、第１方向に配列されて積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体と、前記電池セル積層体が収容されるモジュールハウジング、および前記複数の電池セルのうち最外側電池セルと前記モジュールハウジングの間に配置される変形防止構造体を含む。前記モジュールハウジングは、空間部を含むハウジングプレートを含み、前記ハウジングプレートが、前記最外側電池セルと隣り合って配置される。前記変形防止構造体は、前記ハウジングプレートに固定されて前記電池セル積層体に支持される加圧プレート、および前記ハウジングプレートの空間部に収容されて前記加圧プレートと前記ハウジングプレートの間に配置されるばね構造体を含む。前記空間部は前記電池セル積層体に向かうハウジングプレートの一面に設けられた窪み部により構成される。

前記ハウジングプレートは前記電池セルの長手方向に沿って長く配置されて前記窪み部を含むカバー本体を含み、前記加圧プレートは前記カバー本体との間に前記窪み部を置いて前記電池セルの長手方向に沿って長く配置されて前記最外側電池セルに支持される加圧本体と、前記加圧本体の両端に配置されて前記ハウジングプレートの両端に固定される固定部を含み得る。

前記窪み部は前記ハウジングプレートの周辺部から中心部に行くほど深くなる形状を有して前記カバー本体に設けられ得る。

前記ハウジングプレートの長手方向に対して平行な方向に切断した前記窪み部の断面形状が弧形状であり得る。

前記ばね構造体は前記ハウジングプレートに支持される複数の第１突起部と前記加圧プレートに支持される複数の第２突起部が連続して繋がる波形ばねを含み得る。

前記波形ばねは前記複数の第１突起部の間の間隔または前記複数の第２突起部の間の間隔を前記波形ばねの中心部から周辺部に行くほど狭くし得る。

前記変形防止構造体は前記加圧プレートに支持され、前記ハウジングプレートの外表面に突出する突出部をさらに含み得る。

収容部は有する連結部が前記波形ばねの中心に配置され、前記突出部は前記収容部に収容され、前記ハウジングプレートに貫通した開口を通じて部分突出する鋼球（またはボール）からなり得る。

前記収容部は前記窪み部と対向する凹部を含み、前記鋼球は前記凹部に挿入され得る。

前記凹部は前記連結部の長手方向に沿って複数配置され、前記鋼球は複数の凹部にそれぞれ挿入され得る。

本発明の他の実施形態による電池パックは、前述した電池モジュールを含む。

前記電池パックは、前記電池モジュールが収容されるキャリアフレームを含み、前記キャリアフレームは前記ハウジングプレートと隣り合うビーム部材を含み、前記ビーム部材と前記ハウジングプレートの間の距離より前記ビーム部材と前記突出部の間の距離が近くてもよい。

実施形態によれば、電池セル積層体からスウェリング現象が起こる場合、変形防止構造体が電池セル積層体はもちろんモジュールハウジングが変形されることを最小化することができる。

そのため、実施形態による電池モジュールは、電池セルの寿命が退化することを抑制することができる。

本発明の効果は以上で言及した効果に制限されず、言及されていないまた他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解されるものである。

本発明の実施形態による電池モジュールの斜視図である。 本発明の実施形態によるハウジングプレートと変形防止構造体の結合斜視図である。 図２の背面斜視図である。 図２の平面図である。 図２の分解斜視図である。 本発明の実施形態による変形防止構造体の鋼球が連結部の収容部に挿入されることを説明するために示す図である。 本発明の実施形態による変形防止構造体とハウジングプレートが組み立てられる過程を説明するために示す図である。 本発明の実施形態による電池モジュールを含む電池パックを説明するために示す図である。

以下、添付する図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は様々な異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限られない。

本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素に対しては同じ参照符号を付ける。

また、図面に示す各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜上任意に示したので、本発明は必ずしも示されたところに限られない。図面で複数の層および領域を明確に表現するために厚さを誇張して示した。そして、図面では、説明の便宜上、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分「上に」または「の上に」あるという時、これは他の部分の「すぐ上に」ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆にある部分が他の部分の「すぐ上に」あるという時には中間に他の部分が存在しないことを意味する。また、基準になる部分「上に」または「の上に」あるというのは基準になる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の逆方向に向かって「上に」または「の上に」位置することを意味するものではない。

また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

また、明細書全体において、「平面上」というとき、これは対象部分を上から見たときを意味し、「断面上」というとき、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見たときを意味する。

図１は本発明の実施形態による電池モジュールを示す斜視図である。図１に示すように、実施形態による電池モジュール１０は複数の電池セル１２，１２ａ，１２ｂが第１方向ｘに配列されて積層された電池セル積層体１４がモジュールハウジング１６に収容されて構成される。

本実施形態における電池セル１２は、パウチ型二次電池、例えば、パウチの内部空間に電極組立体を収納し、電極組立体の正極および負極と電気的に接続されたそれぞれのリードが第１方向ｘと直交する第２方向ｙに配置されるようにパウチの外部に露出させて構成される。パウチは第２方向ｙに沿って長い概ね長方形の形状を有することができる。しかし、本発明において電池セルは必ずしもこのような構成で限定されない。

モジュールハウジング１６は電池セル積層体１４を囲むように配置される一対のハウジングプレート（またはベースプレート）１６０と図示していないトッププレートおよび底プレートを含み得る。このようなモジュールハウジング１６は、ハウジングプレート１６０、トッププレートおよび底プレートの相互間の結合（例：スナップフィットまたは溶接）により電池セル積層体１４が収容され得る内部空間を形成する。ハウジングプレート１６０、トッププレートおよび底プレートはモジュールハウジング１６の剛性のために金属材質で備えられるが、その材質は必ずしもこれに限定されるものではない。

第２方向ｙにモジュールハウジング１６の両端部には複数の電池セル１２の各端子を電気的に接続するバスバー（図示せず）を遮蔽させながらモジュールハウジング１６に結合され、上記した内部空間を密閉させる一対のカバープレート１８が配置され得る。

このような電池モジュール１０における、モジュールハウジング１６のハウジングプレート１６０は、電池モジュール１０が製品（例：電気自動車）に適用されて使用中に電池セル積層体１４からスウェリング現象が起こる場合、電池セル１２，１２ａ，１２ｂの膨張力に対する反力が低下しないように構成される。

このために、本実施形態の電池モジュール１０にはハウジングプレート１６０と電池セル積層体１４の最外側電池セル１２，１２ｂの間に変形防止構造体２０が配置される。変形防止構造体２０はスウェリング現象により電池セル積層体および／またはモジュールハウジングが変形されることを防止するようにする。換言すれば、変形防止構造体２０は電池セル積層体１４でスウェリング現象が起こらない場合の電池セル積層体１４に対するハウジングプレート１６０の反力と、電池セル積層体１４でスウェリング現象が起こった場合の電池セル積層体１４に対するハウジングプレート１６０の反力に対する偏差を最小化するようにして、スウェリング現象により電池セル積層体１４とハウジングプレート１６０が変形されないようにするか、または電池セル積層体１４もしくはハウジングプレート１６０が変形されないようにする。

本実施形態における変形防止構造体２０は、一対のハウジングプレート１６０にそれぞれ結合されたアセンブリで構成される。このアセンブリは同一構造からなるので、以下の説明では便宜上、片方（図１では左側に配置されたハウジングプレート）ハウジングプレート１６０を基準として説明する。

図２は本発明の実施形態によるハウジングプレート１６０と変形防止構造体２０の結合斜視図であり、図３は図２の背面斜視図であり、図４は図２の平面図であり、図５は図２の部分分解斜視図である。

図２ないし図５を参照すると、ハウジングプレート１６０は、電池モジュール１０または電池セル積層体１４の長手方向（または第２方向、ｙ）に沿って長く配置される形状を有し、電池セル積層体１４の最外側電池セル１２ａ，１２ｂに隣り合って配置される。

本実施形態におけるハウジングプレート１６０は、第２方向ｙに沿って長く配置されるカバー本体１６０ａを含む。カバー本体１６０ａは任意の長さと厚さを有して金属材質（例：アルミニウム）からなる。カバー本体１６０ａの内部にはハウジングプレート１６０の軽量化および剛性構造のためにその両端が開口された中空部１６０ｂが第１方向ｘおよび第２方向ｙに対して垂直な第３方向ｚに沿って提供される。

カバー本体１６０ａの一面（電池セル積層体と対向する面）は、全体的に平坦であり、カバー本体１６０ａの他の一面（電池セル積層体と対向する面）には窪み部１６０ｃが位置する。

本実施形態で窪み部１６０ｃが位置する部位は、概ねカバー本体１６０ａの両端の周辺部を除いたカバー本体１６０ａの残り部分の全体に形成されるが、窪み部１６０ｃの設定領域は電池セル積層体のスウェリング部位を考慮して適宜調節可能である。

本実施形態の窪み部１６０ｃは、ハウジングプレート１６０の両周辺部から中心部に行くほどその深さが深くなる、例えば、ハウジングプレート１６０の長手方向ｙに対して平行な方向にカバー本体１６０ａを切断したとき、断面形状が弧形状からなる形状を有することができる。

このようなハウジングプレート１６０は押出成形により剛性構造として製造されることができる。

一方、ハウジングプレート１６０は窪み部１６０ｃによって凹んだ領域だけ空間部１６０ｄを有することができる。この空間部１６０ｄには後述する変形防止構造体２０のばね構造体２００が収容される。

本実施形態における変形防止構造体２０は、ハウジングプレート１６０に結合されて電池セル積層体１４に支持される加圧プレート２２０を含む。加圧プレート２２０は電池セル積層体１４の長手方向ｙに沿って長く配置される加圧本体２２０ａと加圧本体２２０ａの両端に配置されてハウジングプレート１６０の両端部に結合される固定部２２０ｂを含む。加圧プレート２２０は金属材質（例：ステンレススチール）からなる。

加圧プレート２２０の加圧本体２２０ａは、ハウジングプレート１６０のカバー本体１６０ａと同様に第２方向ｙに沿って長い形状を有することができる。加圧本体２２０ａの両面は実質的に平坦である。加圧プレート２２０の固定部２２０ｂは加圧本体２２０ａの両端部からそれぞれ折り曲げられて延びた部位であって、これはハウジングプレート１６０のカバー本体１６０ａの両端部に嵌挿結合されてハウジングプレート１６０と加圧プレート２２０が相互に固定結合されるようにする。ハウジングプレート１６０のカバー本体１６０ａの両端部には加圧プレート２２０の固定部２２０ｂの安定した固定のために段差部が設けられる。

このようなハウジングプレート１６０と加圧プレート２２０の結合により窪み部１６０ｃによる空間部１６０ｄは、加圧プレート２２０の加圧本体２２０ａによりカバーされることによりハウジングプレート１６０のカバー本体１６０ａと加圧プレートの加圧本体２２０ａの間に位置し得る。

変形防止構造体２０は空間部１６０ｄに位置して加圧プレート２２０とハウジングプレート１６０に弾性力を付加するばね構造体２００を含む。本実施形態におけるばね構造体２００は、複数の第１突起部２０２ａと複数の第２突起部２０２ｂが連続して繋がって構成された波形ばね２０２として提供されることができる。波形ばね２０２が空間部１６０ｄに収容されるとき、複数の第１突起部２０２ａはハウジングプレート１６０に接触して支持され得、複数の第２突起部２０２ｂは加圧プレート２２０に接触して支持され得る。

波形ばね２０２もハウジングプレート１６０および加圧プレート２２０に対応して第２方向ｙに沿って長い形状を有することができる。この時、複数の第１突起部２０２ａの間の間隔ｄ１または複数の第２突起部２０２ｂの間の間隔ｄ２は波形ばね２０２の中心部から周辺部に行くほど狭くなる。例えば、波形ばね２０２の中心部から端部までの領域のうち、中心部から概ね３／５地点までは突起部２０２ａの間の間隔ｄ１または複数の第２突起部２０２ｂの間の間隔ｄ２が一定の間隔を維持するようにし、概ね３／５地点から残りの２／５地点までは突起部２０２ａの間の間隔ｄ１または複数の第２突起部２０２ｂの間の間隔ｄ２が徐々に狭くなる。しかし、第１突起部２０２ａと第２突起部２０２ｂの間の間隔はこれに限定されるものではなく、電池セル積層体のスウェリング部位を考慮して適宜調節可能である。

また、波形ばね２０２は、窪み部１６０ｃにより作られる空間部１６０ｄに安着しなければならないので、周辺部に配置される第１突起部２０２ａまたは第２突起部２０２ｂを実質的に構成する部位の高さ（例：第１突起部の頂点から加圧プレートまでの直線距離または第２突起部の頂点からハウジングプレートまでの直線距離）および挟角（例：第１突起部を構成する波形ばねの折り曲げ部の挟角または第２突起部を構成する波形ばねの折り曲げ部の挟角）を中心部に配置される第１突起部２０２ａまたは第２突起部２０２ｂを実質的に構成する部位の高さおよび挟角より小さくする。ここで、各部位の高さおよび挟角もまた、電池セル積層体のスウェリング部位を考慮して適宜調節可能である。

このような波形ばね２０２は高剛性ばねとしてステンレススチールのような金属や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）のようなプラスチック材質からなる。

変形防止構造体２０は加圧プレート２２０に支持され、ハウジングプレートの外表面、すなわち、電池セル積層体１４と対向するハウジングプレート１６０の表面から突出する突出部５０をさらに含むことができる。この突出部５０は電池セル積層体１４のスウェリング時、ハウジングプレート１６０の変形を抑制するようにする役割をするが、これは後ほど後述する。

本実施形態における突出部５０は、一定の直径を有する鋼球（またはボール，５００）からなる。鋼球５００は波形ばね２０２と連結された連結部６０に設けられた収容部６００に挿入されてハウジングプレート１６０のカバー本体１６０ａに貫通した開口１６００ａを介して部分的に露出する。すなわち、本実施形態における突出部５０は、ハウジングプレート１６０から部分的に露出した鋼球５００の部位で構成される。

本実施形態における連結部６０は、波形ばね２０２の中心部に配置され、その両端に隣り合わせて配置される第２突起部２０２ｂと連結される。連結部６０の収容部６００はハウジングプレート１６０の窪み部１６０ｃと対向するように配置される凹部からなる。このような収容部６００は、本実施形態における連結部６０の長手方向ｚに沿って複数、例えば、３個配置され、鋼球５００はこの３個の収容部６００にそれぞれ挿入される。このような連結部６０は、波形ばね２０２の製造時、この波形ばね２０２と一体で構成される（図６を参照）。

このように構成される変形防止構造体２０は、鋼球５００が連結部６０の収容部６００に挿入された状態でばね構造体２００が提供され（Ｓ１）（図６を参照）、鋼球５００の一部分が開口１６００ａを通じてハウジングプレート１６０の外側に露出するようにばね構造体２００がハウジングプレート１６０の窪み部１６０ｃに収容され（Ｓ２）（図７を参照）、加圧プレート２２０がばね構造体２００を覆いながらその固定部２２０ｂをハウジングプレート１６０の両端に結着させること（Ｓ３）により、ハウジングプレート１６０と組み立てられる（図３を参照）。

変形防止構造体２０と組み立てられたハウジングプレート１６０は、トッププレートおよび底プレートと結合されてモジュールハウジング１６を構成することができ、モジュールハウジング１６は内部空間に電池セル積層体１４を収容した、カバープレート１８と結合されて電池モジュール１０を構成することができる。

図８は実施形態による電池モジュール１０を含む電池パックを示す図である。電池パックはキャリアフレームを構成するビーム部材（例：垂直ビーム，７０）を含み得、電池モジュール１０はキャリアフレームに少なくとも１個で備えられて設けられる。電池モジュール１０がキャリアフレームに設けられる際、ハウジングプレート１６０はビーム部材７０に数ｍｍの間隔を置いて配置される。

本実施形態による電池モジュール１０は、電気自動車のような高容量の電源を必要とする装置に適用して使用することができ、電池セル積層体１４からスウェリング現象が起こる場合にも電池モジュール１０の変形を最小化することができる。

これは電池セル積層体１４のスウェリングによる電池セルの変形が発生しても電池セル積層体１４とハウジングプレート１６０の間で変形防止構造体２０のばね構造体２００が波形ばね２０２が弾性を発揮して対抗できるからである。波形ばね２０２は電池セル積層体１４において最外側電池セル１２ａ，１２ｂを含む電池セル積層体１４の周辺部に位置した電池セルがスウェリング現象を起こす時、スウェリングされた電池セルの周辺部よりは中心部に向かって弾性力をより付加できるように構成されているので、スウェリングによる電池セルの部位別の変形に対する偏差を減らすことができる。

さらに、ハウジングプレート１６０がスウェリングによって第１方向ｘに変形されてもハウジングプレート１６０より変形防止構造体２０の突出部５０の鋼球５００が先にビーム部材７０に接触して支持されるので、電池セル積層体１４のスウェリングに対するハウジングプレート１６０の反力を低下させない。

本実施形態では変形防止構造体２０がばね構造体２００と突出部５０を両方含む場合が開示されたが、本発明の変形防止構造体２０はばね構造体２００のみを含み、構成されることが可能である。

前述した電池モジュールおよびそれを含む電池パックは多様なデバイスに適用することができる。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用できるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびそれを含む電池パックを使用できる多様なデバイスに適用することができ、これもまた本発明の権利範囲に属する。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１０ 電池モジュール
１２ 電池セル
１２ａ，１２ｂ 最外側電池セル
１４ 電池セル積層体
１６ モジュールハウジング
２０ 変形防止構造体
１６０ ハウジングプレート
１６０ｃ 窪み部
１６０ｄ 空間部
２００ ばね構造体
２２０ 加圧プレート

Claims (11)

1. 第１方向に配列されて積層された複数の電池セルを含む電池セル積層体、
   前記電池セル積層体が収容されるモジュールハウジング、および
   前記複数の電池セルのうち最外側電池セルと前記モジュールハウジングの間に配置される変形防止構造体
   を含み、
   前記モジュールハウジングは、空間部を含むハウジングプレートを含み、前記ハウジングプレートは前記最外側電池セルと隣り合って配置され、
   前記変形防止構造体は、
   前記ハウジングプレートに固定されて前記電池セル積層体に支持される加圧プレート、および
   前記ハウジングプレートの前記空間部に収容されて前記加圧プレートと前記ハウジングプレートの間に配置されるばね構造体
   を含み、
   前記空間部は、前記電池セル積層体に向かう前記ハウジングプレートの一面に設けられた窪み部により構成される、電池モジュール。
2. 前記ハウジングプレートは、前記電池セルの長手方向に沿って長く配置されて前記窪み部を含むカバー本体を含み、
   前記加圧プレートは前記カバー本体との間に前記窪み部を置いて前記電池セルの長手方向に沿って長く配置されて前記最外側電池セルに支持される加圧本体と、前記加圧本体の両端に配置されて前記ハウジングプレートの両端に固定される固定部を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記窪み部は、前記ハウジングプレートの周辺部から中心部に行くほど深くなる形状を有して前記カバー本体に設けられる、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記ハウジングプレートの長手方向に対して平行な方向に切断した前記窪み部の断面形状が弧形状である、請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記ばね構造体は前記ハウジングプレートに支持される複数の第１突起部と前記加圧プレートに支持される複数の第２突起部が連続して繋がる波形ばねを含む、請求項１に記載の電池モジュール。
6. 前記波形ばねは前記複数の第１突起部の間の間隔または前記複数の第２突起部の間の間隔を前記波形ばねの中心部から周辺部に行くほど狭くする、請求項５に記載の電池モジュール。
7. 前記変形防止構造体は前記加圧プレートに支持され、前記ハウジングプレートの外表面に突出する突出部をさらに含む、請求項６に記載の電池モジュール。
8. 前記ばね構造体は、前記波形ばねの中心に配置され、収容部を有する連結部を含み、
   前記突出部は前記収容部に収容され、前記ハウジングプレートに貫通した開口を通じて部分的に突出する鋼球からなる、請求項７に記載の電池モジュール。
9. 前記収容部は前記窪み部と対向する凹部を含み、前記鋼球は前記凹部に挿入される、請求項８に記載の電池モジュール。
10. 前記凹部は前記連結部の長手方向に沿って複数配置され、前記鋼球は複数の凹部にそれぞれ挿入される、請求項９に記載の電池モジュール。
11. 請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の電池モジュール、および
    前記電池モジュールが収容されるキャリアフレームを含み、
    前記キャリアフレームは前記ハウジングプレートと隣り合うビーム部材を含み、
    前記ビーム部材と前記ハウジングプレートの間の距離より前記ビーム部材と前記突出部の間の距離が近い、電池パック。

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