JP3002623B2 - 直列電池の過放電防止回路、過充電防止回路および充放電制御回路 - Google Patents

直列電池の過放電防止回路、過充電防止回路および充放電制御回路

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JP3002623B2
JP3002623B2 JP5303921A JP30392193A JP3002623B2 JP 3002623 B2 JP3002623 B2 JP 3002623B2 JP 5303921 A JP5303921 A JP 5303921A JP 30392193 A JP30392193 A JP 30392193A JP 3002623 B2 JP3002623 B2 JP 3002623B2
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文昭 中尾
克夫 山田
正司 山下
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富士電気化学株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、直列接続された電池
群を過放電あるいは過充電から保護するための過放電防
止回路、過充電防止回路および充放電制御回路に関す
る。
【0002】
【従来の技術】リチウム二次電池などを対象とした直列
電池の過放電防止回路および過充電防止回路としては、
特開平4−331425号公報に記載のものが代表的で
ある。この従来技術の過放電防止回路では、直列電池か
ら負荷への放電電流路にスイッチング素子を挿入すると
ともに、電池群の直列電圧を電圧検出器に入力する。そ
して負荷への放電中に電池群の直列電圧が設定値を下回
った場合に、前記電圧検出器からの検出信号によって前
記スイッチング素子がオフとなり、電池群から負荷への
放電電流路が遮断される。また、前記従来技術の過放電
防止回路では、充電用電源から直列電池への充電電流路
にスイッチング素子を挿入するとともに、直列接続され
ている個々の電池の端子電圧をそれぞれ個別の電圧検出
器に入力する。そして直列電池の充電中に、いずれか1
つの電池でも端子電圧が設定値を超えると、該当の前記
電圧検出器からの検出信号によって前記スイッチング素
子がオフとなり、電池群への充電路が遮断される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前述した従来の過放電
防止回路では、電池群の直列電圧が設定値以下になった
時点で放電を停止しているが、直列接続された電池群の
容量ばらつきが大きい場合には、放電停止になる前にあ
る電池が過放電状態になるのを避けることができなかっ
た。つまり、他と比べて充電容量の小さな電池が含まれ
ていた場合に、その特定の電池が過放電状態に達して
も、全体の直列電圧が設定電圧を上回っていることがあ
り、そのような場合に過放電が発生するし、さらに悪い
事態として特定の電池が逆充電されてしまうことがあ
る。
【0004】この問題を解消するために、前記過充電防
止回路と同様に個々の電池の端子電圧を監視し、いずれ
か1つでも電池電圧が設定値以下になった場合に放電を
停止する構成が考えられる。しかしそうした場合、特定
の電池が過放電直前になったものの、他の電池には充分
な電気容量が残っているのにも拘わらず、負荷への給電
を停止することになる。つまり、一部の不都合な電池の
ために負荷への給電継続時間が著しく短くなってしま
う。
【0005】また従来の過充電防止回路では、1つでも
電池電圧が設定値以上になると全体の充電を停止するの
で、電池容量にばらつきがあると、もっとも充電余裕の
小さな電池によって充電時間が規定されていまい、容量
に余裕のある電池をフル充電することができない。この
問題を解消するために、前記過放電防止回路と同様に電
他群の直列電圧が設定値に達したときに充電を停止する
構成が考えられる。しかしそうした場合、ある電池が過
充電状態になっているのに充電を続行してしまう事態が
生じやすい。
【0006】この発明は前述した従来の問題点に鑑みな
されたもので、その目的は、直列接続された電池間に容
量ばらつきが存在しても、いずれの電池も過放電状態に
なることがなく、かつ、全体の充電エネルギーを無駄な
く負荷に供給することができるようにした過放電防止回
路を提供することにある。また他の目的は、直列接続さ
れた電池間に容量ばらつきが存在しても、いずれの電池
も過充電状態になることがなく、かつ、個々の電池をそ
れぞれフル充電することができるようにした過充電防止
回路を提供することにある。さらに他の目的は、前記の
ように優れた性能の過放電防止回路と過充電防止回路の
両方の機能を備えた充放電制御回路を提供することにあ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】第1の発明の過放電防止
回路は、直列接続される複数個の電池にそれぞれ直列に
接続され、各電池の放電電流路をオン・オフする複数の
スイッチング素子と、前記電池とスイッチング素子の各
直列回路のそれぞれに対して並列接続され、他の前記電
池からの放電電流のバイパス路を形成する複数のダイオ
ードと、前記各電池のそれぞれに付設され、その端子電
圧が設定値以上のときには該当電池と直列の前記スイッ
チング素子をオンにし、前記端子電圧が設定値以下のと
きには前記スイッチング素子をオフにする複数の電圧検
出器とを備えたものである。
【0008】第2の発明の過充電防止回路は、直列接続
される複数個の電池にそれぞれ並列に接続され、他の前
記電池への充電電流のバイパス路を形成する複数のトラ
ンジスタと、前記各電池のそれぞれに付設され、その端
子電圧が低いほど該当電池と並列の前記トランジスタの
導通抵抗を大きくし、前記端子電圧が高いほど前記トラ
ンジスタの導通抵抗を小さくする電圧検出器とを備えた
ものである。
【0009】第3の発明の充放電制御回路は、同一の直
列接続電池群に対して第1の発明の前記過放電防止回路
つぎの要件(2)に記載の前記過充電防止回路の両方
を備え、かつ、外部からの指令信号に応動して前記過放
電防止回路および前記過充電防止回路の一方を能動化す
る作動制御回路を備えたものである。(2)過充電防止回路 直列接続される複数個の電池にそれぞれ直列に接続さ
れ、各電池の充電電流路を形成する複数個のダイオード
と、前記電池とダイオードの各直列回路のそれぞれに対
して並列接続され、他の前記電池への充電電流のバイパ
ス路を形成する複数のスイッチング素子と、前記各電池
のそれぞれに付設され、その端子電圧が設定値以下のと
きには該当電池と並列の前記スイッチング素子をオフに
し、前記端子電圧が設定値以上のときには前記スイッチ
ング素子をオンにする複数の電圧検出器とを備える。
【0010】
【作用】第1の発明の過放電防止回路においては、直列
接続された各電池の残存容量が充分であれば、各電池と
直列の前記スイッチング素子がすべてオンしており、こ
れらを通して全電池の直列電流が負荷に供給される。そ
して、ある1つの電池が過放電直前に達した場合、その
電池に付随のスイッチング素子のみがオフとなり、その
特定の電池の放電が停止されるが、その電池に付随の前
記ダイオードによって放電電流のバイパス路が形成され
るので、残存容量の大きな他の電池から負荷への給電が
継続される。
【0011】第2の発明の過充電防止回路においては、
直列接続された各電池がフル充電されていない状態で
は、前記各トランジスタの導通抵抗は非常に大きな状態
になっているので、すべての電池に直列に大きな充電電
流が流れる。そして、ある1つの電池がフル充電に近づ
くと、その電池に付随の前記トランジスタが徐々に低抵
抗になり、その特定の電池へは充電電流が徐々に減り、
その減少分が他の電池へバイパスするので、他の電池へ
は大きな電流が継続して供給されて充電が続行される。
【0012】第3の発明の充放電制御回路においては、
直列電池から負荷に給電するときには第1の発明の過放
電防止回路が機能し、その直列電池を充電するときには
過充電防止回路としてつぎのように機能する。つまり、
要件(2)に記載の過充電防止回路においては、直列接
続された各電池がフル充電されていない状態では、前記
各スイッチング素子はすべてオフとなっているので、す
べての電池に直列に充電電流が流れる。そして、ある1
つの電池がフル充電されると、その電池に付随のスイッ
チング素子がオンとなり、その特定の電池へは充電電流
が供給されなくなるが、オンとなった前記スイッチング
素子がフル充電されていない他の電池への充電電流のバ
イパス路となるので、他の電池の充電は継続される。
【0013】
【実施例】[図1の過放電防止回路] 3個の電池B1、B2、B3にそれぞれトランジスタQ
1が直列に挿入され、これらトランジスタQ1を介して
電池B1、B2、B3が直列に接続されている。また、
各電池B1、B2、B3と各トランジスタQ1の個々の
直列回路にそれぞれ並列にバイパス路用のダイオードD
1が接続されている。さらに、各電池B1、B2、B3
のそれぞれの端子間に電圧検出器1が接続され、この電
圧検出器1の出力によって該当電池Biと直列の前記ト
ランジスタQ1がオン・オフ制御される。
【0014】電圧検出器1の構成例を図2に示してい
る。この電圧検出器1は電池Biの端子電圧(Vd−V
s)を動作電源とするとともに入力電圧とする。つま
り、電圧(Vd−Vs)により駆動される比較器3にお
いて、電圧(Vd−Vs)を抵抗R1とR2で分圧した
値と、適宜値に設定されている設定電圧Vfとが比較さ
れ、電圧(Vd−Vs)が設定電圧Vf以上であるとオ
ープンコレクタ・出力トランジスタ4がオンになる。
【0015】従って各電池B1、B2、B3の残存容量
が充分大きい場合は、それぞれの端子電圧が検出器1の
設定電圧より高く、3個のトランジスタQ1はすべてオ
ンとなっている。この場合は3個の電池B1、B2、B
3が3個のトランジスタQ1を介してすべて直列に負荷
2に接続されており、3個の電池B1、B2、B3の直
列電流が負荷2に供給される。
【0016】放電に伴って1個の電池B1の残存容量が
とぼしくなり、その電池B1の端子電圧が検出器1の設
定電圧以下になったとする。すると、電池B1に付随の
比較器1の出力が反転して電池B1に付随のトランジス
タQ1がオフとなる。そのため電池B1の放電は停止す
る。ただし、電池B1に付随のダイオードD1によるバ
イパス路が有効となり、他の2つの電池B2とB3から
の出力電流は電池B1に付随のダイオードD1を通って
負荷2に流れる。
【0017】このように直列接続された電池B1、B
2、B3の個々について、電圧監視と放電停止の制御が
行われ、各電池B1、B2、B3に付随しているトラン
ジスタQ1がすべてオフになるまでは負荷2への給電が
継続されるし、電圧低下した電池から順番に放電停止と
なる。
【0018】なお、電圧検出器1における前記比較器3
(図2)の入出力特性には適宜なヒステリシスが設定さ
れており、これによりトランジスタQ1のオン・オフが
不必要に繰り返されること(チャタリング)を防止して
いる。
【0019】[図3の過充電防止回路]これは第3の発明の充放電制御回路に使用する過充電防
止回路の構成を示している。 3個の電池B1、B2、B
3にそれぞれダイオードD2が直列に挿入され、これら
ダイオードD2を介して電池B1、B2、B3が直列に
接続されている。また、各電池B1、B2、B3と各ダ
イオードD2の個々の直列回路にそれぞれ並列にバイパ
ス路用のトランジスタQ2が接続されている。さらに、
各電池B1、B2、B3のそれぞれの端子間に電圧検出
器5が接続され、この電圧検出器5の出力によって該当
電池Biと並列の前記トランジスタQ2がオン・オフ制
御される。この電圧検出器5の構成は先に説明した図2
と同様であるが、前記設定電圧Vfは図1の過放電防止
回路の場合と異なる。
【0020】3個のダイオードD2が介在した3個の電
池B1、B2、B3の直列回路に充電用の定電流電源7
を接続すると、ダイオードD2を通じて各電池B1、B
2、B3に充電電流が流れる。充電初期においては、各
電池B1、B2、B3の端子電圧は電圧比較器5の設定
電圧以下であり、バイパス用の3個のトランジスタQ2
はすべてオフになっている。
【0021】充電が進み、まず最初に電池B1がほぼフ
ル充電されたとする。この場合、電池B1の端子電圧が
電圧検出器5の設定電圧以上になり、電池B1に付随の
電圧検出器5の出力が反転して電池B1に付随のトラン
ジスタQ2がオンとなる。従って、電池B1には充電電
流が流れなくなるが、電池B2に付随のトランジスタQ
2を通って他の2つの電池B2とB3には継続して充電
電流が供給される。なお電源7は定電流電源なので、ト
ランジスタQ2のオン・オフにかかわらず一定の充電電
流が供給される。
【0022】このように直列接続された電池B1、B
2、B3の個々について、電圧監視と充電停止の制御が
行われ、各電池B1、B2、B3に付随しているトラン
ジスタQ2がすべてオンになるまでは充電動作が継続さ
れるし、フル充電状態になった電池から順番に充電停止
となる。なお図示していないが、各トランジスタQ2に
それぞれ直列にLED(発光ダイオード)を接続してお
けば、個々の電池B1、B2、B3の充電中・充電終了
を表示することができる。
【0023】また、前記電圧検出器5における比較器3
(図2参照)の入出力特性に適宜なヒステリシスを設定
しており、これによりフル充電の近くで該当トランジス
タQ2のオン・オフを適宜に繰り返しながらフル充電に
導くようにしている。
【0024】[図4の過充電防止回路] これは図3の実施例の変形例であり、図3におけるバイ
パス用トランジスタQ2をサイリスタQ3に置き換え、
それに合せて電圧検出器5を電圧検出器6に変更してい
る。この電圧検出器6は電池BiとダイオードD2の直
列回路に並列接続されておりが、内部の比較器の設定電
圧はダイオードD2の順方向降下電圧を見込んで設定さ
れているので、電池Biに対する電圧監視機能は図3の
実施例と同じである。もちろん、電圧検出器6の出力回
路はサイリスタQ3のゲートを駆動するための回路にな
っている。この実施例の動作は図3の実施例と同じであ
る。
【0025】[図5の過充電防止回路] これはアナログ動作の過充電防止回路であり、第2の発
明の過充電防止回路に相当する。各電池B1、B2、B
3にそれぞれバイパス用トランジスタQ4および電圧検
出器8が並列接続されている。電圧検出器8は、電池B
iの端子電圧が低いほど電池Biと並列のトランジスタ
Q4の導通抵抗を大きくし、前記端子電圧が高いほどト
ランジスタQ4の導通抵抗を小さくする。従って、電池
Biの充電初期では定電流電源7からの充電電流のほと
んどが電池Biを通って流れるが、電池Biがフル充電
に近づくにつれてトランジスタQ4を通って流れるバイ
パス電流が多くなり、その分だけ電池Biの充電電流が
減少する。この充電制御が個々の電池B1、B2、B3
についてそれぞれ行われる。
【0026】[図6の充放電制御回路] これは同一の直列電池B1、B2、B3に対して図1の
過放電防止回路と図4の過充電防止回路の両方を備え、
かつ、外部からの指令信号に応動して過放電防止回路と
過充電防止回路の一方を能動化する作動制御回路を備え
たものである。作動制御回路の要点は、電圧検出器1の
電源端子Vdに直列に挿入したスイッチング・トランジ
スタQaと、電圧検出器6の電源端子Vdに直列に挿入
したスイッチング・トランジスタQbである。スイッチ
10を「放電」側に切り換えるとともに、後述のように
なドライブ回路により3個のトランジスタQaをオン、
3個のトランジスタQbをオフにすると、前述の過放電
防止回路が能動化し、3個の直列電池B1、B2、B3
が負荷2に接続される。スイッチ10を「充電」側に切
り換えるとともに、ドライブ回路により3個のトランジ
スタQaをオフ、3個のトランジスタQbをオンにする
と、3個の直列電池B1、B2、B3が充電用定電流電
源7に接続されて、前述の過充電防止回路が能動化され
る。
【0027】前記トランジスタQaとQbをオン・オフ
駆動するドライブ回路の一実施例を図7に示している。
このドライブ回路は前記直列電池B1、B2、B3のう
ちの電池B3の端子電圧を電源とし、図6のスイッチ1
0と連動するスイッチ10aおよび10bを備え、「放
電」時には各トランジスタQaのドライブ信号a1、a
2、a3を発生し(各トランジスタQbのドライブ信号
b1、b2、b3はオフ)、「充電」時には各トランジ
スタQbのドライブ信号b1、b2、b3を発生する
(各トランジスタQaのドライブ信号a1、a2、a3
はオフ)。もちろん、「停止」の状態ではいずれのドラ
イブ信号もオフである。トランジスタQaがオフである
と、過放電防止回路用の電圧検出器1が不動化するとと
もに、その電力消費がゼロになる。トランジスタQbが
オフであると、過充電防止回路用の電圧検出器6が不動
化するとともに、その電力消費がゼロになる。このよう
に不用時には過放電防止回路および過充電防止回路が無
駄な電力を消費することがなく、これらの回路が電池B
1、B2、B3の負荷となることがない。
【0028】なお図7のようなドライブ回路では、3個
のトランジスタQaの各ドライブ信号a1、a2、a3
(トランジスタQbのドライブ信号b1、b2、b3)
に適切な電位差を持たせる必要がある。これに対してフ
ォトカプラを用いれば、各ドライブ信号の電位を考慮す
る必要がない。つまり、トランジスタQa(Qb)をフ
ォトカプラのフォトトランジスタとし、そのフォトトラ
ンジスタをLEDからの光信号でオン・オフ駆動するよ
うに構成すればよい。
【0029】ところで、以上説明した過放電防止回路、
過充電防止回路および充放電防止回路は、その構成要素
の一部または全部を直列電池のパックに一体的に内蔵し
てもよいし、負荷機器や充電用電源側に一部または全部
を分散して設けてもよい。
【0030】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、第1の発明
の過放電防止回路においては、直列接続された各電池の
残存容量が充分であれば、各電池と直列の前記スイッチ
ング素子がすべてオンしており、これらを通して全電池
の直列電流が負荷に供給されるそして、ある1つの電池
が過放電直前に達した場合、その電池に付随のスイッチ
ング素子のみがオフとなり、その特定の電池の放電が停
止されるが、その電池に付随の前記ダイオードによって
放電電流のバイパス路が形成されるので、残存容量の大
きな他の電池から負荷への給電が継続される。
【0031】第2の発明の過充電防止回路においては、
直列接続された各電池がフル充電されていない状態で
は、前記各トランジスタの導通抵抗は非常に大きな状態
になっているので、すべての電池に直列に大きな充電電
流が流れる。そして、ある1つの電池がフル充電に近づ
くと、その電池に付随の前記トランジスタが徐々に低抵
抗になり、その特定の電池へは充電電流が徐々に減り、
その減少分が他の電池へバイパスするので、他の電池へ
は大きな電流が継続して供給されて充電が続行される。
【0032】第3の発明の充放電制御回路においては、
直列電池から負荷に給電するときには第1の発明の過放
電防止回路が機能し、その直列電池を充電するときには
過充電防止回路としてつぎのように機能する。つまり、
直列接続された各電池がフル 充電されていない状態で
は、前記各スイッチング素子はすべてオフとなっている
ので、すべての電池に直列に充電電流が流れる。そし
て、ある1つの電池がフル充電されると、その電池に付
随のスイッチング素子がオンとなり、その特定の電池へ
は充電電流が供給されなくなるが、オンとなった前記ス
イッチング素子がフル充電されていない他の電池への充
電電流のバイパス路となるので、他の電池の充電は継続
される。
【0033】したがって、直列接続された電池間に容量
ばらつきが存在しても、いずれの電池も過放電状態にな
ることがなく、かつ、全体の充電エネルギーを無駄なく
負荷に供給することができる。また、直列接続された電
池間に容量ばらつきが存在しても、いずれの電池も過充
電状態になることがなく、かつ、個々の電池をそれぞれ
フル充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】過放電防止回路の一実施例の構成図である。
【図2】電圧検出回路の一実施例の構成図である。
【図3】過充電防止回路の一実施例の構成図である。
【図4】過充電防止回路の他の実施例の構成図である。
【図5】過充電防止回路の他の実施例の構成図である。
【図6】充放電制御回路の一実施例の構成図である。
【図7】同上充放電制御回路に付随するドライブ回路の
一実施例の構成図である。
【符号の説明】
1,5,6,8 電圧検出器 2 負荷 7 充電用定電流電源 B1,BB2,B3 電池 D1 放電バイパス路用ダイオード Q1 放電路用スイッチング素子 D2 充電路用ダイオード Q2,Q3 充電バイパス路用スイッチング素子 Q4 充電バイパス路用トランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−165399(JP,A) 特開 平5−111177(JP,A) 実開 平5−33646(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02J 7/00 - 7/10 H02J 7/34 - 7/35

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直列接続される複数個の電池にそれぞれ
    直列に接続され、各電池の放電電流路をオン・オフする
    複数のスイッチング素子と、 前記電池とスイッチング素子の各直列回路のそれぞれに
    対して並列接続され、他の前記電池からの放電電流のバ
    イパス路を形成する複数のダイオードと、 前記各電池のそれぞれに付設され、その端子電圧が設定
    値以上のときには該当電池と直列の前記スイッチング素
    子をオンにし、前記端子電圧が設定値以下のときには前
    記スイッチング素子をオフにする複数の電圧検出器と、 を備えたことを特徴とする直列電池の過放電防止回路。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の過放電防止回路におい
    て、前記電圧検出器の入力電圧弁別特性には適宜なヒス
    テリシスが設定されていることを特徴とする直列電池の
    過放電防止回路。
  3. 【請求項3】 直列接続される複数個の電池にそれぞれ
    並列に接続され、他の前記電池への充電電流のバイパス
    路を形成する複数のトランジスタと、 前記各電池のそれぞれに付設され、その端子電圧が低い
    ほど該当電池と並列の前記トランジスタの導通抵抗を大
    きくし、前記端子電圧が高いほど前記トランジスタの導
    通抵抗を小さくする電圧検出器と、 を備えたことを特徴とする直列電池の過充電防止回路。
  4. 【請求項4】 つぎの要件(1)(2)(3)を備えた
    ことを特徴とする直列電池の充放電制御回路。 (1)過放電防止回路 直列接続される複数個の電池にそれぞれ直列に接続さ
    れ、各電池の放電電流路をオン・オフする複数のスイッ
    チング素子と、前記電池とスイッチング素子の各直列回
    路のそれぞれに対して並列接続され、他の前記電池から
    の放電電流のバイパス路を形成する複数のダイオード
    と、前記各電池のそれぞれに付設され、その端子電圧が
    設定値以上のときには該当電池と直列の前記スイッチン
    グ素子をオン にし、前記端子電圧が設定値以下のときに
    は前記スイッチング素子をオフにする複数の電圧検出器
    とを備える。 (2)過充電防止回路 直列接続される複数個の電池にそれぞれ直列に接続さ
    れ、各電池の充電電流路を形成する複数個のダイオード
    と、前記電池とダイオードの各直列回路のそれぞれに対
    して並列接続され、他の前記電池への充電電流のバイパ
    ス路を形成する複数のスイッチング素子と、前記各電池
    のそれぞれに付設され、その端子電圧が設定値以下のと
    きには該当電池と並列の前記スイッチング素子をオフに
    し、前記端子電圧が設定値以上のときには前記スイッチ
    ング素子をオンにする複数の電圧検出器とを備える。 (3)全体の回路構成 同一の直列接続電池群に対して要件(1)の過放電防止
    回路と要件(2)の過充電防止回路の両方を備え、か
    つ、外部からの指令信号に応動して前記過放電防止回路
    および前記過充電防止回路の一方を能動化する作動制御
    回路を備える。
  5. 【請求項5】 請求項に記載の充放電制御回路におい
    て、前記作動制御回路が、前記過放電防止回路における
    前記電圧検出器および前記過充電防止回路における前記
    電圧検出器に対して不用時にはそれぞれの動作電源を遮
    断するスイッチング回路を備えていることを特徴とする
    直列電池の充放電制御回路。
  6. 【請求項6】 請求項に記載の充放電制御回路におい
    て、外部からの前記指令信号がフォトカプラを介して前
    記作動制御回路に伝達されるように構成されていること
    を特徴とする直列電池の充放電制御回路。
JP5303921A 1993-12-03 1993-12-03 直列電池の過放電防止回路、過充電防止回路および充放電制御回路 Expired - Fee Related JP3002623B2 (ja)

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