JP4314560B2 - 蓄電池の内部インピーダンス測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源装置に搭載された蓄電池の内部インピーダンス測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電源装置には、充電により電力を蓄積できる蓄電池が搭載されている。
【0003】
従来、この電源装置に搭載された蓄電池の寿命を判定する装置の一つに、蓄電池の内部インピーダンスを測定し、その測定結果から蓄電池の寿命を判定する装置がある(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
この特許文献1に開示された蓄電池の内部インピーダンス測定装置によれば、直流/交流電力変換部としての平滑用コンデンサおよびインバータに対して並列に接続された蓄電池に対して交流電流を供給する。
【0005】
そして、蓄電池の両端子間の電圧を測定し、供給された交流電流と測定された電圧とを用いて、蓄電池の内部インピーダンスを測定している。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−20002号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電源装置における蓄電池の内部インピーダンス測定装置では、平滑用コンデンサおよびインバータ等の電力変換部が並列に接続された蓄電池に対して交流電流が供給されるため、蓄電池に供給された交流電流は、平滑用コンデンサおよびインバータにそれぞれ供給されることになる。
【0008】
この結果、蓄電池の両端子間の電圧は、平滑用コンデンサおよびインバータそれぞれのインピーダンスに基づく電圧降下分の影響を受けた値となり、蓄電池自体の電圧に基づく内部インピーダンスを正確に測定することが困難であった。
【0009】
この結果、内部インピーダンスを用いて蓄電池の寿命を正確に判定することが困難であった。
【0010】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的としては、電源装置に搭載された蓄電池の内部インピーダンスを正確に測定することができる蓄電池の内部インピーダンス測定装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、上記課題を解決するため、蓄電池の内部インピーダンスを測定する装置であって、交流電力を直流電力に変換する機能、および直流電力を交流電力に変換する機能をそれぞれ有し、直流側が前記蓄電池に接続された電力変換部と、前記蓄電池に接続されており、前記蓄電池の充電時において前記蓄電池に交流電流を供給して前記蓄電池の内部インピーダンスを測定する蓄電池内部インピーダンス測定回路と、前記電力変換部および前記蓄電池間に介在し、前記蓄電池から前記電力変換部に対して交流電流成分の流入を阻止する交流電流成分阻止回路とを備え、前記交流電流成分阻止回路は、前記蓄電池から前記電力変換部に直流電力を供給する向きに接続された第1の整流素子と、この第1の整流素子にリアクトルを介して並列に接続され、前記電力変換部から前記蓄電池に直流電力を供給する向きに接続された第2の整流素子とを有し、前記蓄電池の充電時においては、前記第2の整流素子および前記リアクトルを介して、前記電力変換部から前記蓄電池に直流電力が供給されるとともに、前記電力変換部に対して、前記蓄電池内部インピーダンス測定回路から前記蓄電池に供給される交流電流成分の流入が前記リアクトルにより阻止されることを要旨とする。
【0013】
請求項2記載の発明は、上記課題を解決するため、前記リアクトルのインピーダンスは、前記蓄電池の初期内部インピーダンスよりも高いことを要旨とする。
【0014】
請求項3記載の発明は、上記課題を解決するため、前記蓄電池内部インピーダンス測定回路は、前記蓄電池に並列に接続された直流成分除去用コンデンサと、この直流成分除去用コンデンサに直列に接続された交流成分検出用検出器と、この交流成分検出用検出器に直列に接続され、前記蓄電池に交流電流を供給する交流電流供給回路と、前記交流成分検出用検出器により検出された交流成分が一定となるように前記交流電流を制御する定電流制御手段と、前記蓄電池の両端の電圧を検出して平均化し、平均化された検出電圧および前記蓄電池に供給された前記交流電流に基づいて前記蓄電池の内部インピーダンスを計算する内部インピーダンス計算手段とを備えたことを要旨とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0016】
図1は、本発明の実施の形態に係る電源装置およびその電源装置に搭載された蓄電池の内部インピーダンス測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【0017】
図1に示すように、電源装置1は、交流電源3と、この交流電源3に直列に接続された交流負荷5と、交流電源3および交流負荷5の間に介在され、交流電源3から供給された交流電力を交流負荷5に対して供給/遮断の切換を行なう交流スイッチ7とを備えている。
【0018】
また、電源装置1は、交流電源3の交流電源電圧を検出し、この検出値に応じて交流スイッチ7のON/OFFを切り換え制御する交流電源電圧検出部9を備えており、交流電源電圧検出部9の制御出力端子は、制御線C1を介して交流スイッチ7に接続されている。
【0019】
さらに、電源装置1は、交流負荷5に並列に接続され、交流電力を直流電力に変換する機能、および直流電力を交流電力に変換する機能をそれぞれ有する双方向電力変換部11を備えており、この双方向電力変換部11には、交流電源電圧検出部9の制御出力端子が制御線C2を介して接続されている。
【0020】
そして、電源装置1は、双方向電力変換部11の直流側に接続された蓄電池13と、双方向電力変換部11および蓄電池13間に介在され、双方向電力変換部11に対して交流電流成分の流入を阻止する交流電流成分阻止回路15と、蓄電池13の充電時における蓄電池13の内部インピーダンスを測定する蓄電池内部インピーダンス測定回路17とを備えている。
【0021】
図2は、図1に示す電源装置1の具体的な回路構成の一例を示す図である。
【0022】
図2に示すように、交流電源電圧検出部9は、交流電源3の電力線LSに接続され、この電力線LSの交流電源電圧を検出し、交流電源3の定格電圧値と検出した交流電源電圧値とを比較する機能を有している。
【0023】
交流スイッチ7は、電力線LSの途中に接続されており、制御線C1を介して送信される制御信号に応じて電力線LSを接続または遮断する機能を有しており、交流スイッチ7がONされると交流電源3と交流負荷5とが電力線LSを介して接続される。
【0024】
双方向電力変換部11は、交流スイッチ7および交流負荷5の途中の電力線LSから分岐する電力線BSに対して交流電源3と並列に接続されたコンバータ/インバータ変換器21と、このコンバータ/インバータ変換器21の直流側に並列に接続された平滑用コンデンサ23とを備えており、このコンバータ/インバータ変換器21および平滑用コンデンサ23の直流側に並列に蓄電池13が接続されている。なお、本実施の形態においては、図2に示すように、蓄電池13は、複数個の単電池13aが直列に接続されて構成されている。
【0025】
コンバータ/インバータ変換器21は、図示しない例えばトランジスタ等の複数のスイッチング素子およびダイオード等の複数の整流素子を有し、その各スイッチング素子の制御端子に対してコンバータ動作制御またはインバータ動作制御を行なうための制御信号を送出する制御部を備えている。交流電源電圧検出部9からの制御線C2がこの制御部に接続されている。
【0026】
交流電流成分阻止回路15は、平滑用コンデンサ23および蓄電池13間に介在している。
【0027】
すなわち、図2に示すように、交流電流成分阻止回路15は、平滑用コンデンサ23および蓄電池13間を接続する直流母線DLおよびELに接続され、蓄電池13から平滑用コンデンサ23に直流電力を供給する向きに接続された第1の整流素子としての第1のダイオード31と、第1のダイオード31に並列に接続され、平滑用コンデンサ23から蓄電池13に直流電力を供給する向きに接続された第2の整流素子としての第2のダイオード33と、この第2のダイオード33に直列に接続されたリアクトル35とを備えている。
【0028】
リアクトル35は、蓄電池13の初期内部インピーダンスよりも十分に大きいインピーダンスを有しており、直流電流を通し、交流電流の導通を妨げる性質を有している。
【0029】
蓄電池内部インピーダンス測定回路17は、図2に示すように、蓄電池13に並列に接続された直流成分除去用コンデンサ41と、この直流成分除去用コンデンサ41に直列に接続された電流検出用抵抗43と、この電流検出用抵抗43に直列に接続された高周波パルス発生回路45とを備えている。
【0030】
高周波パルス発生回路45は、外部制御端子を有しており、この外部制御端子は後述するマイコンに対して接続されている。
【0031】
また、蓄電池内部インピーダンス測定回路17は、蓄電池13の充電時における端子間電圧を検出し、検出した端子間電圧値を例えば積分して平均化する電圧検出・平均値回路51と、電流検出用抵抗43に流れる高周波パルス電流により発生する抵抗43の両端間の電位差(電圧)を検出し、検出した電圧値を平均化する電流平均値回路53とを備えている。
【0032】
さらに、蓄電池内部インピーダンス測定回路17は、高周波パルス発生回路45、電圧検出・平均値回路51および電流平均値回路53に接続された定電流制御機能および内部インピーダンス計算機能を有するマイクロコンピュータ(以下、マイコンと略記する)55を備えている。
【0033】
このマイコン55は、CPU61と、高周波パルス発生回路45、電圧検出・平均値回路51および電流平均値回路53に接続され、A/D変換機能を含むCPU61に対する信号入出力のインタフェース機能を有するインタフェース回路63と、CPU61がアクセス自在であり、CPU61に定電流制御機能に基づく動作処理および内部インピーダンス計算機能に基づく動作処理をそれぞれ実行させるための制御プログラムを内蔵するROM65と、CPU61がアクセス自在であり、CPU61の動作処理時におけるワークエリア(作業エリア)およびデータ一時蓄積エリアとして機能するRAM67とを備えている。
【0034】
次に、本実施の形態に係わる電源装置1における交流電源電圧正常時および異常時の動作について説明する。
【0035】
交流電源3の交流電源電圧は、交流電源電圧検出部9により検出されており、この交流電源電圧検出部9においては、検出された交流電源電圧値と交流電源3の定格電圧値とが比較されている。
【0036】
(正常時)
今、交流電源電圧が正常なとき、すなわち、交流電源3から定格電圧が入力されているときには、交流電源電圧検出部9の上記比較の結果は「一致」となり、交流電源電圧検出部9から制御線C1を介して交流スイッチ7に対して、そのスイッチ7をONにするための制御信号(正常信号)が送信されている。
【0037】
この結果、正常信号に応じて交流スイッチ7がONして電力線LSは交流負荷5に接続され、交流電源3から供給された交流電力は、電力線LSを経由して交流負荷5に供給される。
【0038】
一方、制御線C1を介した制御信号送信に加えて、交流電源電圧検出部9からコンバータ/インバータ変換器21の制御部に対して、コンバータ/インバータ変換器21が交流電力から直流電力への変換動作(コンバータ動作)を行わせるための制御信号(交流→直流開始信号)を制御線C2を介して送信される。
【0039】
このとき、コンバータ/インバータ変換器21では、制御部からの制御信号に基づき、複数のスイッチング素子がON/OFF動作を行ない、交流電源3から電力線BSを介して印加されている交流電源電圧を直流電圧に変換する。変換された直流電圧は、平滑用コンデンサ23により平滑化された後、交流電流成分阻止回路15に入力される。
【0040】
交流電流成分阻止回路15では、第1のダイオード31がOFFとなり、第2のダイオード33がONとなるため、この直流電圧は、第2のダイオード33、リアクトル35および電力線ELを介して蓄電池13に印加される。
【0041】
この結果、蓄電池13は、印加された直流電圧により充電される。
【0042】
(異常時)
一方、例えば停電等の原因により交流電源電圧が異常なとき、すなわち、交流電源3から、例えば定格電圧より低い異常電圧が入力されているときには、交流電源電圧検出部9の上記比較の結果は「不一致」となり、交流電源電圧検出部9から制御線C1を介して交流スイッチ7に対して、そのスイッチ7をOFFにするための制御信号(異常信号)が送信される。
【0043】
この異常信号に応じて交流スイッチ7がOFFして電力線LSが交流負荷5から遮断される。
【0044】
そして、交流電源電圧検出部9では、その「不一致」判断時において、コンバータ/インバータ変換器21の制御部に対して、コンバータ/インバータ変換器21が直流電力から交流電力への変換動作(インバータ動作)を行わせるための制御信号(直流→交流開始信号)を制御線C2を介して送信される。
【0045】
このとき、蓄電池13は直流電源となり、この直流電源電圧は、電力線ELを介して交流電流成分阻止回路15に入力され、交流電流成分阻止回路15では、第2のダイオード33がOFFとなり、第1のダイオード31がONとなるため、この直流電源電圧は、第1のダイオード31を介して、平滑用コンデンサ23を充電するとともに、コンバータ/インバータ変換器21に入力される。
【0046】
コンバータ/インバータ変換器21では、制御線C2を介して制御部に制御信号(直流→交流開始信号)が入力されているため、制御部からの制御信号に基づき、複数のスイッチング素子がON/OFF動作を行ない、入力された直流電源電圧を交流電圧に変換する。変換された交流電圧は、電力線BSに流入し、この電力線BSおよび電力線LSを介して交流負荷5に供給される。
【0047】
そして、交流電源電圧が正常状態に復帰したとき、すなわち、交流電源3から供給された交流電源電圧が定格電圧に復帰したときは、交流電源電圧検出部9の上記比較の結果が「一致」となり、交流電源電圧検出部9から制御線C1を介して交流スイッチ7に対して正常信号が送信され、さらに、制御線C2を介してコンバータ/インバータ変換器21の制御部に対して制御信号(交流→直流開始信号)が送信される。
【0048】
この結果、交流スイッチ7が再度ONし、コンバータ/インバータ変換器21により、再度、交流電源3からの交流電源電圧が直流電圧に変換されるため、再度、交流電源3による交流負荷5への交流電力供給および蓄電池13への充電が開始される。
【0049】
このように、本実施形態の電源装置1によれば、交流電源電圧が正常時に加えて、交流電源電圧が異常時においても、交流負荷5に安定して交流電力を供給することができる。
【0050】
(内部インピーダンス測定動作)
次に、本実施形態の上述した蓄電池13への充電時における蓄電池13の内部インピーダンス測定動作について説明する。
【0051】
蓄電池13に対する充電時、すなわち、コンバータ/インバータ変換器21から交流電流成分阻止回路15を介して直流電圧が蓄電池13に印加されて蓄電池13が充電されている状態において、マイコン55のCPU61は、ROM65に記憶された制御プログラムに従って動作し、インタフェース回路63を介して高周波パルス発生回路45の制御端子に対し、例えば1kHzの高周波パルス電流の出力指令を送信する(図3;ステップS10)。
【0052】
高周波パルス発生回路45は、その制御端子を介して送信されてきた出力指令に応じて、1kHzの高周波パルス電流(交流電流)を発生し、発生した高周波パルス電流を蓄電池13の正極側から負極側(図中矢印I1で示す)に向かって出力する。
【0053】
出力された高周波パルス電流I1は、電流検出用抵抗43および直流成分除去用コンデンサ41を介して、交流電流成分阻止回路15と蓄電池13と電圧検出・平均値回路51および直流成分除去用コンデンサ41の一端を共通接続する接続端子CTまで流れる。
【0054】
このとき、本実施の形態では、リアクトル35のインピーダンスが蓄電池13の初期内部インピーダンスよりも十分高く設定されているため、リアクトル35のインピーダンスに基づく交流電流阻止機能により、高周波パルス電流I1は、インピーダンスの低い蓄電池13に流れる。
【0055】
この結果、蓄電池13には、コンバータ/インバータ変換器21から交流電流成分阻止回路15を介して供給されている直流電流に重畳して、高周波パルス電流I1が供給されている。
【0056】
一方、電流検出用抵抗43の両端には、抵抗43を流れる高周波パルス電流I1により電位差(電圧)が発生している。この抵抗43に発生した電圧は、電流平均値回路53により平均値化され、インタフェース回路63を介して電圧データとしてCPU61に供給される。
【0057】
CPU61は、供給された電圧データを受信し、受信した電圧データの値およびパルス幅が一定になるように、インタフェース回路63を介して高周波パルス発生回路45にフィードバック制御指令を送信する(ステップS20)。
【0058】
高周波パルス発生回路45では、送信されてきたフィードバック制御指令に応じて、出力される高周波パルス電流I1の振幅およびパルス幅が一定になるように制御される。
【0059】
このようにして、蓄電池13には、上述した定電流制御により、一定の高周波パルス電流I1が流れている。
【0060】
このとき、電圧検出・平均値回路51では、蓄電池13の両端子間に発生する高周波電圧V、すなわち、上記充電制御により蓄電池13に印加される直流電圧に基づく電圧V0を基準として変化する高周波電圧Vが時系列的に検出され、平均値化される。
【0061】
平均値化された蓄電池13の高周波電圧VAVは、インタフェース回路63を介して蓄電池電圧データVDAVとしてCPU61に供給される。
【0062】
CPU61は、定電流制御された高周波パルス電流I1の電流値Iに対応する電流データIDと、供給された蓄電池電圧データVDADとを用いて、例えば次式(1)により、蓄電池13の内部インピーダンスZを計算する(ステップS30)。
【0063】
【数1】
Z=(蓄電池電圧データVDAV)/電流データID ・・・(1)
この結果、蓄電池13の内部インピーダンスZを測定することができる。
【0064】
このとき、本実施形態では、内部インピーダンス測定用の高周波パルス電流I1は、交流電流成分阻止回路15の交流成分阻止機能により、双方向電力変換部11の平滑用コンデンサ23およびコンバータ/インバータ変換器21に供給されないため、平滑用コンデンサ23およびコンバータ/インバータ変換器21に関係なく、蓄電池13自体の両端子間の高周波電圧Vを電圧検出・平均値回路51により正確に求めることができる。
【0065】
この結果、蓄電池13の内部インピーダンスZを、平滑用コンデンサ23およびコンバータ/インバータ変換器21のインピーダンスの影響を受けることなく正確に測定することができる。
【0066】
なお、本実施の形態においては、交流電流成分阻止回路15を図2に示す構成としたが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
【0067】
例えば、蓄電池13の初期内部インピーダンスよりも十分に大きいインピーダンスを有し、直流電流を通し、交流電流の導通を妨げる性質を有する素子であれば、リアクトルの代わりに用いることも可能である。また、第1の整流素子および第2の整流素子についても、ダイオード31および33に限定されるものではなく、方向性を有するスイッチ機能を有する素子であれば、他の素子も適用可能である。
【0068】
また、本実施形態では、蓄電池13の内部インピーダンスを計算する回路をマイコン55、すなわち、ROM65に記憶されたプログラムに従って動作するプログラムドロジック回路で構成したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、ハードワイヤードロジック回路で構成することも可能である。
【0069】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項1記載の本発明によれば、蓄電池と電力変換部との間に、蓄電池から電力変換部に対して交流電流成分の流入を阻止するための交流電流成分阻止回路が介在しているため、蓄電池に接続された蓄電池内部インピーダンス測定回路から、蓄電池の充電時において蓄電池に交流電流が供給された際に、その供給された交流電流は、交流電流成分阻止回路により電力変換部への流入が阻止される。
【0070】
この結果、電力変換部のインピーダンスに影響を受けることなく、蓄電池自体の内部インピーダンスを正確に測定することが可能になり、測定した内部インピーダンスを用いて蓄電池の寿命を正確に判定することができる。
【0071】
さらに、電力変換部により変換された直流電力(直流電圧)を、第2の整流素子およびリアクトルを介して蓄電池へ供給して蓄電池を充電することができる。また、畜電池から供給された直流電力(直流電圧)を、第1の整流素子を介して電力変換部に供給することができる。
【0072】
すなわち、請求項1記載の本発明では、電力変換部に基づく蓄電池の充放電機能に何ら影響を与えることなく、蓄電池の充電時における畜電池から電力変換部に対して交流電流成分の流入を阻止することができる。
【0073】
請求項2記載の本発明によれば、畜電池に供給された交流電流は、リアクトルのインピーダンスが蓄電池の初期内部インピーダンスよりも高いため、リアクトルに流れることなく蓄電池に供給される。
【0074】
この結果、電力変換部への交流電流の流入を確実に阻止することができる。
【0075】
請求項3記載の本発明によれば、交流電流供給回路から蓄電池に対して供給された交流電流は、交流成分検出用検出器により検出された交流成分が一定となるように定電流制御手段により制御された状態で、蓄電池に流入される。
【0076】
このとき、内部インピーダンス計算手段により、交流電流に基づく蓄電池の両端の電圧が検出されて平均化され、平均化された検出電圧および蓄電池に供給されている交流電流に基づいて蓄電池の内部インピーダンスが計算される。
【0077】
すなわち、請求項3記載の本発明によれば、交流電流成分阻止回路により電力変換部への交流電流が阻止されているため、蓄電池に流入される交流電流に基づく蓄電池の両端の電圧は、電力変換部のインピーダンスに何ら影響を受けることがない。したがって、蓄電池に流入される交流電流に基づく蓄電池の両端の電圧を用いて蓄電池の内部インピーダンスの計算を正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る電源装置およびその電源装置に搭載された蓄電池の内部インピーダンス測定装置の概略構成を示すブロック図。
【図2】図1に示す電源装置の具体的な回路構成の一例を示す図。
【図3】図1に示すマイコンのCPUの内部インピーダンス測定処理の一例を示す概略フローチャート。
【符号の説明】
1…電源装置
3…交流電源
5…交流負荷
7…交流スイッチ
9…交流電源電圧検出部
11…双方向電力変換部
13…蓄電池
13a…単電池
15…交流電流成分阻止回路
17…蓄電池内部インピーダンス測定回路
21…コンバータ/インバータ変換器
23…平滑用コンデンサ
31…第1のダイオード
33…第2のダイオード
35…リアクトル
41…直流成分除去用コンデンサ
43…電流検出用抵抗
45…高周波パルス発生回路
51…電圧検出・平均値回路
53…電流平均値回路
55…マイコン
61…CPU
63…インタフェース回路
65…ROM
67…RAM
Claims (3)
- 蓄電池の内部インピーダンスを測定する装置であって、
交流電力を直流電力に変換する機能、および直流電力を交流電力に変換する機能をそれぞれ有し、直流側が前記蓄電池に接続された電力変換部と、
前記蓄電池に接続されており、前記蓄電池の充電時において前記蓄電池に交流電流を供給して前記蓄電池の内部インピーダンスを測定する蓄電池内部インピーダンス測定回路と、
前記電力変換部および前記蓄電池間に介在し、前記蓄電池から前記電力変換部に対して交流電流成分の流入を阻止する交流電流成分阻止回路とを備え、
前記交流電流成分阻止回路は、
前記蓄電池から前記電力変換部に直流電力を供給する向きに接続された第1の整流素子と、
この第1の整流素子にリアクトルを介して並列に接続され、前記電力変換部から前記蓄電池に直流電力を供給する向きに接続された第2の整流素子とを有し、
前記蓄電池の充電時においては、前記第2の整流素子および前記リアクトルを介して、前記電力変換部から前記蓄電池に直流電力が供給されるとともに、前記電力変換部に対して、前記蓄電池内部インピーダンス測定回路から前記蓄電池に供給される交流電流成分の流入が前記リアクトルにより阻止されることを特徴とする蓄電池の内部インピーダンス測定装置。 - 前記リアクトルのインピーダンスは、
前記蓄電池の初期内部インピーダンスよりも高いことを特徴とする請求項1記載の蓄電池の内部インピーダンス測定装置。 - 前記蓄電池内部インピーダンス測定回路は、
前記蓄電池に並列に接続された直流成分除去用コンデンサと、
この直流成分除去用コンデンサに直列に接続された交流成分検出用検出器と、
この交流成分検出用検出器に直列に接続され、前記蓄電池に交流電流を供給る交流電流供給回路と、
前記交流成分検出用検出器により検出された交流成分が一定となるように前記交流電流を制御する定電流制御手段と、
前記蓄電池の両端の電圧を検出して平均化し、平均化された検出電圧および前記蓄電池に供給された前記交流電流に基づいて前記蓄電池の内部インピーダンスを計算する内部インピーダンス計算手段とを備えたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の蓄電池の内部インピーダンス測定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003122168A JP4314560B2 (ja) | 2003-04-25 | 2003-04-25 | 蓄電池の内部インピーダンス測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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