JP3725105B2 - 二次電池の過放電防止回路及び二次電池の過放電防止法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機器に着脱自在に取り付けられるか、電気機器に内蔵される二次電池の過放電防止回路と、二次電池の過放電防止法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
充電を行うことにより繰り返し使用できる二次電池は、所定の電池電圧を下回って放電されると、電池性能が低下し、ひいては電池寿命が著しく劣化する。そこで、二次電池の過放電を防止するために、二次電池の電池電圧を検出し、この電池電圧が所定電圧以下になると二次電池の放電を遮断する方法が取られている。例えば、特開平４−３３２７１号公報によれば、二次電池と直列にスイッチ素子を接続し、二次電池の電池電圧が所定電圧以下になるとスイッチ素子をオフして放電を遮断するようにしている。更に、同公報においては、二次電池の電池電圧が前記所定電圧より若干高い電池電圧になるまで前記スイッチ素子のオフ状態を保持し、若干高い電池電圧になると、スイッチ素子をオンして放電を再開する構成としている。即ち、放電の遮断電圧と再開電圧との間にヒステリシス特性を持たせており、このような回路は、例えば、シュミットトリガ回路を用いて構成される。
【０００３】
ところで、リチウムイオン二次電池のような非水電解質二次電池の使用分野は、従来、パーソナルコンピュータ、携帯電話やＰＤＡなどの携帯型電子機器が主流であった。このような用途での放電電流は、パーソナルコンピュータが一番大きく、最大４Ａ程度で、しかも断続的な放電となっていたため、電池電圧の検出によって過放電を防止することが可能であった。
【０００４】
近年、この非水電解質二次電池をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）やサーバ等の無停電電力系統（ＵＰＳ）電源、コードレスクリーナ、電動工具、自走式電子機器のような大電流での放電を必要とする電気機器に使用することが考えられている。このような電気機器で使用するには、１０Ａ、２０Ａといった大電流でしかも連続放電を行う必要が生じるため、二次電池の通電時（放電時）のジュール熱による発熱量が大きくなる。従って、所定の電池電圧に達したら放電を停止する方式では、過放電を防止することができないばかりか、発熱による二次災害（漏液、電池パックの溶解等）が発生する危険性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、非水電解質二次電池をハイレートで放電した際の破裂及び発火を防止することが可能な二次電池の過放電防止回路と二次電池の過放電防止法とを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の二次電池の過放電防止回路は、非水電解質二次電池と、
前記二次電池の表面温度を検出する温度検出手段と、
前記表面温度が下記（１）式の放電制御温度Ｔ₁（℃）を超えた際に前記二次電池の放電を制御する放電制御手段と
を具備することを特徴とする。
【０００７】
放電制御温度Ｔ_{1 ＝}Ｔ₀ ＋ＱＡ （１）
但し、前記Ｔ₀は雰囲気温度（℃）、Ｑは８（℃／Ｃ）で、Ａは放電レート（Ｃ）を表す。
【０００８】
本発明に係る第２の二次電池の過放電防止回路は、非水電解質二次電池を並列に接続したユニット同士を直列に接続した組電池を備える電池パックと、
前記組電池の表面温度を検出する温度検出手段と、
前記組電池の電圧と前記非水電解質二次電池の電圧とを検出する電圧検出手段と、
前記表面温度が下記（１）式の放電制御温度Ｔ₁（℃）を超えた際、前記組電池の電圧が放電停止電圧（ｎ×３Ｖ；ｎは直列接続したユニット数）以下もしくは前記非水電解質二次電池の電圧が３Ｖ未満であると前記二次電池の放電を停止させ、前記組電池の電圧が前記放電停止電圧より高く、かつ前記非水電解質二次電池の電圧が３Ｖ以上であると前記二次電池の放電レートを低くする放電制御手段と
を具備することを特徴とする。
【０００９】
放電制御温度Ｔ_{1 ＝}Ｔ₀ ＋ＱＡ （１）
但し、前記Ｔ₀は雰囲気温度（℃）、Ｑは８（℃／Ｃ）で、Ａは放電レート（Ｃ）を表す。
【００１０】
本発明に係る二次電池の過放電防止法は、非水電解質二次電池の表面温度を検出する工程と、
前記表面温度が下記（１）式の放電制御温度Ｔ₁（℃）を超えた際に前記二次電池の放電を制御する工程と
を具備することを特徴とする。
【００１１】
放電制御温度Ｔ_{1 ＝}Ｔ₀ ＋ＱＡ （１）
但し、前記Ｔ₀は雰囲気温度（℃）、Ｑは８（℃／Ｃ）で、Ａは放電レート（Ｃ）を表す。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本願発明では、非水電解質二次電池の表面温度が下記（１）式で表される放電制御温度を超えた際に前記二次電池の放電制御を行っているため、非水電解質二次電池の放電時のジュール熱による発熱量を考慮して放電を制御することができ、過放電を防止することができると共に、発熱による破裂及び発火を回避することができる。この際、非水電解質二次電池の電圧が放電停止電圧以下であったら、二次電池の放電を停止させることが望ましい。これにより、二次電池の過放電を確実に防止することができる。
【００１３】
非水電解質二次電池の放電停止電圧は、例えば、４本直列構成の電池パックであれば、４×３Ｖの１２Ｖになる。二次電池の表面温度が放電制御温度を超えていても、組電池の電圧が１２Ｖ以上あれば、放電を行うことが可能である。このような場合、放電レートを低くして放電停止電圧まで放電を続行すると、放電を中断させることなく、過放電と破裂および発火とを回避することが可能である。
【００１４】
放電制御温度Ｔ_{1 ＝}Ｔ₀ ＋ＱＡ （１）
但し、前記Ｔ₀は雰囲気温度（℃）、Ｑ（１Ｃ当りの温度）は８（℃／Ｃ）で、Ａは放電レート（Ｃ）を表す。ここで、雰囲気温度（℃）は、二次電池が組込まれる電子機器内の温度であることが望ましい。また、放電制御温度Ｔ₁（℃）は、前述した（１）式で表されるものではあるが、セパレータの融点以下であることが好ましい。これは、放電制御温度Ｔ₁（℃）をセパレータの融点より高い温度に設定すると、セパレータが溶融して電流が遮断される恐れがあるからである。特に、放電制御温度Ｔ₁（℃）は、前述した（１）式で表され、かつ１２０℃以下であることがより好ましい。
【００１５】
本発明に係る二次電池の過放電防止回路の一例を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る二次電池の過放電防止回路の一実施形態を示す回路図で、図２は、図１の過放電防止回路に用いられる電池パックの一例を長手方向に切断した断面図で、図３は、図２の電池パックを短手方向に切断した断面図で、図４は、図１の過放電防止回路による二次電池の放電制御方法を示す流れ図である。
【００１７】
パーソナルコンピュータ（ＰＣ）やサーバ等の無停電電力系統（ＵＰＳ）電源、コードレスクリーナ、電動工具、自走式電子機器のような電気機器１には、４Ｃ〜７Ｃの大電流での放電が可能な電池パック２が着脱自在な状態で内蔵される。電池パック２は、例えば、図２〜図３に示すように、外装ケース３と、前記外装ケース３内に横置きの状態で収納された８本の円筒形リチウムイオン二次電池４からなる組電池とを備える。この組電池は、円筒形リチウムイオン二次電池４を２本ずつ並列にリード５によって接続した電池ユニット６を４個直列にリード５で接続した構成を有する。なお、外装ケース３は、絶縁性を確保する点から、ＡＢＳ樹脂、ＰＣ樹脂などの樹脂から形成されていることが望ましい。電子機器の負荷に接続される外部接続端子７は、リチウムイオン二次電池４の正負極端子と対向する外装ケース壁面に設置されている。
【００１８】
電池パック２の正極端子は、電気機器１内に内蔵されている負荷の＋（プラス）側に接続され、かつ電池パック２の負極端子は、この負荷の−（マイナス）側に接続されている。また、電池パック２の正極端子と負極端子は、充電用直流電源８の＋側の充電端子８ａ、−側の充電端子８ｂともそれぞれ接続されている。
【００１９】
充電遮断回路９は、電池パック２の正極端子と＋側の充電端子８ａの間に接続されている。放電遮断回路１０は、電池パック２の正極端子と負荷の＋側の間に接続されている。サーモスタット１１は、電池パック２の正極端子と放電遮断回路１０との間に接続されている。
【００２０】
電池温度検出部１２は、電池パック２を構成する各リチウムイオン二次電池（単セル）４の表面に設けられた熱電対（図示しない）を備え、かつ電池パック２の負極端子側に接続されている。温度検出方法としては、熱電対の代わりにサーミスタ等を使用しても良い。また、電池の表面への温度検出装置の固着方法としては、例えば、（ａ）ガラス繊維入りの粘着テープで固着する、（ｂ）熱伝導性に富んだシリコーン樹脂で固着する等が挙げられる。温度比較回路１３は、電池温度検出部１２と放電遮断回路１０との間に接続されている。この温度比較回路１３は、電池パック２の放電レートから下記（１）式に基づいて算出される放電制御温度Ｔ₁と電池温度検出部１２により検出された電池表面温度Ｔ₂とを比較し、電池表面温度Ｔ₂が放電制御温度Ｔ₁よりも高くなったことを放電遮断回路１０に検出信号として出力する。
【００２１】
放電制御温度Ｔ_{1 ＝}Ｔ₀ ＋ＱＡ （１）
但し、前記Ｔ₀は雰囲気温度（℃）、Ｑは８（℃／Ｃ）で、Ａは放電レート（Ｃ）を表す。
【００２２】
過充電／過放電制御回路１４は、電池パック２を構成する各電池ユニット６の電圧（単電池電圧）Ｖ₁と、組電池としての電圧Ｖ₂とを検出する。また、過充電／過放電制御回路１４は、充電遮断回路９と放電遮断回路１０とに接続されている。組電池電圧Ｖ₂が放電停止電圧（ｎ×３Ｖ；ｎは直列接続したユニット数）以下もしくは単電池電圧Ｖ₁が３Ｖ未満であったら、過充電／過放電制御回路１４は、放電遮断回路１０にこのことを示す検出信号を出力する。その結果、放電遮断回路６は、電池パック２による負荷の駆動を停止させる、すなわち、二次電池の放電を停止させる。
【００２３】
また、組電池電圧Ｖ₂が放電停止電圧より高く、かつ単電池電圧Ｖ₁が３Ｖ以上である際、このことを過充電／過放電制御回路１４は放電遮断回路１０に検出信号として出力する。その結果、二次電池の放電レートが下げられ、低レートでの放電が、組電池電圧Ｖ₂が放電停止電圧以下になるまで連続的に行われる。
【００２４】
以上説明したような二次電池の過放電防止回路による放電制御について図４を参照して説明する。
【００２５】
（電池温度測定）
電池温度検出部１２により電池パック２の単セルの表面温度を測定する。表面温度が７０℃よりも高い場合には、電池パック２を放冷させ、電池パック２の単セルの表面温度が７０℃以下になるまで放電待機の状態と判定する。
【００２６】
（電池電圧測定）
電池パック２の表面温度が７０℃以下の時、まず、過充電／過放電制御回路１４により組電池電圧を測定する。組電池電圧が放電停止電圧（ｎ×３Ｖ；ｎは直列電池数で、図１の場合、ｎは４つであるため、１２Ｖ）未満である時には、充電用直流電源４を用いて充電を行う。組電池電圧が（ｎ×３Ｖ）以上の際には、過充電／過放電制御回路１４により単電池電圧の測定を行う。単電池電圧が３．８Ｖ未満である場合、充電を行い、一方、単電池電圧が３．８Ｖ以上である場合、充電を行わず、放電可能な状態にあると判定する。
【００２７】
（放電）
放電は、ハイレートで、かつ連続的に行われる。放電レートＡは、４Ｃ〜７Ｃの範囲内にすることが望ましい。
【００２８】
ここで、１Ｃとは、該電池を１時間で放電しきるに要する電流値であり、便宜的には該電池の公称容量の数値を１Ｃ電流値を置き換えることができる。
【００２９】
ハイレートでの連続放電によるジュール発熱で電池温度が上昇し、電池温度検出部１２による電池パック２の表面温度Ｔ₂が前述した（１）式｛放電制御温度Ｔ_{1 ＝}Ｔ₀ ＋ＱＡ｝に基づいて算出される放電制御温度Ｔ₁（例えば、６８℃）よりも高くなり、かつ過充電／過放電制御回路１４により測定された組電池電圧が放電停止電圧（ｎ×３Ｖ）以下であった場合には、電子機器１の負荷への電池パック２による電力供給が停止される、つまり、放電終了となる。その結果、非水電解質二次電池の過放電を防止することができると共に、発熱による二次電池の破裂及び発火を回避することができる。
【００３０】
また、電池パック２の表面温度Ｔ₂が前述した（１）式｛放電制御温度Ｔ_{1 ＝}Ｔ₀ ＋ＱＡ｝に基づいて算出される放電制御温度Ｔ₁よりも高い場合、組電池電圧が放電停止電圧（ｎ×３Ｖ）より高くても、単電池電圧が３Ｖ未満であったら、電子機器１の負荷への電池パック２による電力供給が停止されるため、非水電解質二次電池の過放電を防止することができると共に、発熱による二次電池の破裂及び発火を回避することができる。
【００３１】
なお、電池パック２の表面温度Ｔ₂が前述した（１）式｛放電制御温度Ｔ_{1 ＝}Ｔ₀ ＋ＱＡ｝に基づいて算出される放電制御温度Ｔ₁よりも高くても、組電池電圧が放電停止電圧（ｎ×３Ｖ）より高く、かつ単電池電圧が３Ｖ以上であったら、低レートでの放電を続行することにより、電池温度の上昇を抑制することが可能であるため、発熱による二次電池の破裂及び発火を回避することができる。
【００３２】
非水電解質二次電池について説明する。
【００３３】
非水電解質二次電池は、容器と、容器内に収納され、正極及び負極を含む電極群と、前記電極群に保持される非水電解質とを備える。
【００３４】
容器には、金属製容器もしくはラミネートフィルム製容器を使用することができる。また、前述した図２〜図３では、円筒形非水電解質二次電池に適用した例を説明したが、角型、薄型の非水電解質二次電池を用いても良い。
【００３５】
前記正極は、種々の酸化物、例えばリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有ニッケル、コバルト酸化物、リチウムを含む、バナジウム酸化物や二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物を正極活物質(平均粒径３ミクロン)としてバインダーを用いてアルミ箔、チタン箔等の厚さ２０μｍの集電体に担持され薄板状(目付量２００ｇ／ｍ^２、電極厚さ１４０ミクロン)に成形されたものである。前記正極は、導電材として黒鉛、カーボンブラック等を含有することが望ましい。前記正極活物質としては、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物が望ましく、高出力に耐える活物質物性を有しさらに高出力型の電極構造とし高容量な非水電解質二次電池を構成することができる。
【００３６】
前記負極は、リチウム等のアルカリ金属、もしくはリチウムを吸蔵・放出する炭素質材料がバインダーにより銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔等の厚さ１２μｍの集電体に担持され薄板状(目付量８０ｇ／ｍ^２、電極厚さ１２５ミクロン)に成形されたものである。
【００３７】
前記炭素質物は、石油や石炭などのコークスやピッチ、天然ガスや低級炭化水素などの低分子量有機化合物、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂等の合成高分子などを、焼成して炭化して炭素質材料としたもの、人造もしくは天然黒鉛等を用いることができる。
【００３８】
正極と負極の間には、セパレータを配置する。前記セパレータとしては、例えば、合成樹脂不織布、ポリオレフィン製多孔質フィルム（例えば、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルム）等を用いることができる。
【００３９】
非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解される電解質とを含む。非水電解質としては、液状、ゲル状もしくは固体状のものを使用することができる。
【００４０】
非水溶媒としては、特に限定されないが、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、γ−ブチロラクトン（ＢＬ）、アセトニトリル（ＡＮ）、酢酸エチル（ＥＡ）、トルエン、キシレンまたは酢酸メチル（ＭＡ）などを用いることができる。一方、電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム、六フッ化リン酸リチウム、ホウフッ化リチウム、六フッ化砒素リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウムなどのリチウム塩を用いることができる。
【００４１】
非水電解質二次電池の組電池は、例えば、非水電解質二次電池単独もしくは複数個を並列に接続したものを、複数個直列に接続することにより得られる。接続方法は特に限定されないが、材質としては銅およびその合金やニッケルおよびその合金(含むニッケルメッキ)等の低抵抗金属リードを電池端子間接続リードとして用い、電気的および熱的な溶接をすることで得る事ができる。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【００４３】
（実施例１）
（電池温度と電池電圧の確認）
前述した図１に示す過放電防止回路を２並列４直列で構成される組電池のパックに内蔵した。なお、この場合の電子機器はＵＰＳ機能を有するサーバ電源（２００Ｗクラス）としている。まず、この過放電防止回路において、電池温度検出部１２の熱電対により各単セルの表面温度を測定したところ、２５℃であった。また、過充電／過放電制御回路１４により測定した組電池電圧は、１６．２Ｖで、単セル電圧は４．０５Ｖであった。
【００４４】
なお、電池パックを構成する各単セルには、理論容量が１６００ｍＡｈの１８６５０型（直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍ）の高レート放電仕様円筒形リチウムイオン二次電池（例えば電池内部抵抗（直流抵抗）４５ｍΩを有する電池）を使用した。
【００４５】
（放電）
この電池パックを６Ｃ（９６００ｍＡ）で放電させたところ、電池温度が徐々に上昇し、６分経過後、単セルの表面温度Ｔ₂が６８℃に達した。放電レートＡが６Ｃで、電子機器内の温度（雰囲気温度Ｔ₀）が２０℃であるため、前述した（１）式に基づいて算出される放電制御温度Ｔ₁は、６８℃である。単セルの表面温度Ｔ₂が６８℃よりも高くなったことを温度比較回路１３から放電遮断回路１０に検出信号として出力した。この際、過充電／過放電制御回路１４により測定された組電池電圧が１１．８Ｖと放電停止電圧以下（１２Ｖ以下）であったため、このことが、過充電／過放電制御回路１４から放電遮断回路１０に検出信号として出力された。その結果、電子機器１の負荷への電池パック２による電力供給が停止した、つまり、放電終了となった。
【００４６】
放電終了後、電池温度は徐々に低下し、放電開始から１４分経過後には、６０℃以下になった。また、この放電によるガス噴出および漏液は、なかった。実施例１の単セルの表面温度Ｔ₂の経時変化を図５に示す。図５において、横軸は、放電開始からの経過時間（分）であり、縦軸は、単セルの表面温度Ｔ₂（℃）である。
【００４７】
（比較例）
電池表面温度による放電制御を行わないこと以外は、前述した実施例１で説明したのと同様にして６Ｃの連続放電を行ったところ、図５に示すように、放電開始７分後から電池温度が急激に上昇し、１０分後に１４０℃を超え、二次電池が破裂し、発火に至った。
【００４８】
（実施例２）
前述した実施例１で説明したのと同様な電池表面温度、組電池電圧および単セル電圧を持つ電池パックを６Ｃで放電させたところ、電池温度が徐々に上昇し、６分経過後、各単セルの表面温度Ｔ₂が６８℃に達し、前述した（１）式に基づいて算出される放電制御温度Ｔ₁（６８℃）よりも高くなった。このことが、温度比較回路１３から放電遮断回路１０に検出信号として出力された。
【００４９】
この際、過充電／過放電制御回路１４により測定された組電池電圧が１２．６Ｖと放電停止電圧である１２Ｖよりも高く、かつ過充電／過放電制御回路１４により測定された単セル電圧が３．１５Ｖと３Ｖ以上であった。このことが、過充電／過放電制御回路１４から放電遮断回路１０に検出信号として出力された。
【００５０】
その結果、放電遮断回路１０により放電レートが２Ｃ（３２００ｍＡ）に下げられ、組電池電圧が１２Ｖ以下になるまで放電が続けられた。低レートの放電により電池温度は徐々に低下し、放電終了後には、４０℃以下になった。また、この放電によるガス噴出および漏液は、なかった。
【００５１】
【表１】

【００５２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、非水電解質二次電池をハイレートで放電した際の破裂及び発火を防止することが可能な二次電池の過放電防止回路と二次電池の過放電防止法とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る二次電池の過放電防止回路の一実施形態を示す回路図。
【図２】図１の過放電防止回路に用いられる電池パックの一例を長手方向に切断した断面図。
【図３】図２の電池パックを短手方向に切断した断面図。
【図４】図１の過放電防止回路による二次電池の放電制御方法を示す流れ図
【図５】実施例１及び比較例の過放電防止回路における電池表面温度の経時変化を示す特性図。
【符号の説明】
１…電気機器、
２…電池パック、
３…外装ケース、
４…円筒形リチウムイオン二次電池、
５…リード、
６…電池ユニット、
７…外部端子、
８…充電用直流電源、
８ａ…＋（プラス）側の充電端子、
８ｂ…−（マイナス）側の充電端子、
９…充電遮断回路、
１０…放電遮断回路、
１１…サーモスタット、
１２…電池温度検出部、
１３…温度比較回路、
１４…過充電／過放電制御回路。

Claims (3)

1. 非水電解質二次電池と、
   前記二次電池の表面温度を検出する温度検出手段と、
   前記表面温度が下記（１）式の放電制御温度Ｔ₁（℃）を超えた際に前記二次電池の放電を制御する放電制御手段と
   を具備することを特徴とする二次電池の過放電防止回路。
   放電制御温度Ｔ_{1 ＝}Ｔ₀ ＋ＱＡ （１）
   但し、前記Ｔ₀は雰囲気温度（℃）、Ｑは８（℃／Ｃ）で、Ａは放電レート（Ｃ）を表す。
2. 非水電解質二次電池を並列に接続したユニット同士を直列に接続した組電池を備える電池パックと、
   前記組電池の表面温度を検出する温度検出手段と、
   前記組電池の電圧と前記非水電解質二次電池の電圧とを検出する電圧検出手段と、
   前記表面温度が下記（１）式の放電制御温度Ｔ₁（℃）を超えた際、前記組電池の電圧が放電停止電圧（ｎ×３Ｖ；ｎは直列接続したユニット数）以下もしくは前記非水電解質二次電池の電圧が３Ｖ未満であると前記二次電池の放電を停止させ、前記組電池の電圧が前記放電停止電圧より高く、かつ前記非水電解質二次電池の電圧が３Ｖ以上であると前記二次電池の放電レートを低くする放電制御手段と
   を具備することを特徴とする二次電池の過放電防止回路。
   放電制御温度Ｔ_{1 ＝}Ｔ₀ ＋ＱＡ （１）
   但し、前記Ｔ₀は雰囲気温度（℃）、Ｑは８（℃／Ｃ）で、Ａは放電レート（Ｃ）を表す。
3. 非水電解質二次電池の表面温度を検出する工程と、
   前記表面温度が下記（１）式の放電制御温度Ｔ₁（℃）を超えた際に前記二次電池の放電を制御する工程と
   を具備することを特徴とする二次電池の過放電防止法。
   放電制御温度Ｔ_{1 ＝}Ｔ₀ ＋ＱＡ （１）
   但し、前記Ｔ₀は雰囲気温度（℃）、Ｑは８（℃／Ｃ）で、Ａは放電レート（Ｃ）を表す。

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