JP4577502B2 - 電池制御回路、該電池制御回路を備えた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、外部から供給される電力を電池に充電する充電回路と、電池の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、出力電圧検出回路が出力する電池の出力電圧信号に基づいて充電回路の起動及び停止制御を実行する充電制御回路とを備えた電池制御回路に関する。

リチウムイオン電池等の繰り返し充放電が可能な電池は、特に持ち運びが容易な小型の電子機器の電源として広く利用されている。ここで、電池駆動の電子機器を利用するに際して問題となるのは、電池のみを電源としている限り、電子機器に供給可能な電力が有限であるということである。このような電子機器を利用するに際して、ユーザは、電池の電力残量を必要に応じて確認しつつ、使用可能な残り時間がどれくらいかを考慮しながら使用することになる。したがって、電池の電力残量をより高い精度で知ることが可能な電子機器が望まれている。

このような課題を解決するために電池の電力残量を高精度に検出する従来技術の一例としては、測定した充放電時の電圧及び電流変化特性に基づいて電池残量に応じて変化する電池の内部抵抗を求め、その内部抵抗値に基づいて電池残量を推測するものが公知である（例えば、特許文献１を参照）。また、充電後に使用せずに放置した電池残量を正確に特定する測定方法が公知である（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００２−２８６８２０号公報 特開平１１−４０２０９号公報

しかしながら、電池残量を正確に検出するために設けられる出力電圧、出力電流、温度等を検出する検出回路は、回路を構成する素子の特性のばらつき等によって個体ごとに検出特性が異なる。そのため、検出回路個々のばらつきの最大範囲で誤差を考慮して電池残量を検出する必要があり、それによって、電池切れに至るまでまだ電力が残っているにも関わらず早めに電池切れと判定してしまっていた。すなわち、高い精度で電池残量の検出することができず、電池の電力を最後まで無駄なく利用することができないという課題があった。

本発明は、このような状況に鑑み成されたものであり、その課題は、回路を構成する素子の特性のばらつき等に起因する電池残量の検出精度の低下を低減させ、電池の電力を最大限有効に利用可能にすることにある。

上記課題を達成するため、本発明の第１の態様は、外部から供給される電力を電池に充電する充電回路と、前記電池の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、該出力電圧検出回路が出力する前記電池の出力電圧信号に基づいて前記充電回路の起動及び停止制御を実行する充電制御回路とを備えた電池制御回路であって、前記充電制御回路は、前記充電回路による定電圧充電制御電圧と定電圧充電制御時における前記出力電圧検出回路にて検出した定電圧充電電圧との差分を電圧補正値として記憶し、前記充電回路の停止制御後、前記充電回路を再度起動制御するまでの間、前記出力電圧検出回路の出力電圧信号から得られる前記電池の出力電圧を前記電圧補正値で補正し、補正後の前記電池の出力電圧に基づいて所定の制御を実行する、ことを特徴とした電池制御回路である。

充電回路は、電池の出力電圧が所定電圧に達した後は、充電電圧を一定電圧（定電圧充電制御電圧）として少電流で一定時間充電（定電圧充電）して満充電状態にする（定電圧充電制御）。充電制御回路は、この定電圧充電制御電圧と定電圧充電制御時に出力電圧検出回路にて検出した定電圧充電電圧との差分を電圧補正値として記憶する。すなわち、出力電圧検出回路の検出誤差を補正値として記憶する。

充電制御回路は、充電回路を停止制御した後は、出力電圧検出回路の出力電圧信号から得られる電池の出力電圧を電圧補正値で補正する。すなわち、出力電圧検出回路にて検出した電池の出力電圧を出力電圧検出回路の検出誤差（電圧補正値）で補正し、補正した電圧値を電池の出力電圧とする。そして、充電回路を再度起動制御して電池への充電を開始するまでの間、補正後の電池の出力電圧に基づいて所定の制御を実行するので、出力電圧検出回路を構成する素子の特性のばらつき等に起因する検出誤差を補正した正確な電池の出力電圧に基づく制御が可能になる。

したがって、出力電圧検出回路の出力電圧信号に基づいて電池残量を検出する制御等を実行する際には、出力電圧検出回路を構成する素子の特性のばらつき等に起因する電池残量の検出精度の低下を低減させることができるので、電池残量を高精度に特定することが可能になり、それによって、電池の電力を最大限有効に利用することができるという作用効果が得られる。

本発明の第２の態様は、前述した第１の態様において、前記充電制御回路は、不揮発性記憶媒体を有し、前記電圧補正値を前記不揮発性記憶媒体に記憶する、ことを特徴とした電池制御回路である。
このように、不揮発性記憶媒体に電圧補正値を記憶しておくことによって、電池制御回路の電源ＯＦＦ後も当該電圧補正値が保持されるので、再度電源ＯＮした後も電池の残量を検出する等の所定の制御を、当該電圧補正値により電池の出力電圧を高精度に検出して実行することができる。

本発明の第３の態様は、前述した第１の態様又は第２の態様において、前記充電制御回路は、前記充電回路による前記電池の充電が完了する度に、前記電圧補正値を算出して前記不揮発性記憶媒体に記憶されている前記電圧補正値を更新する、ことを特徴とした電池制御回路である。
このように、充電回路による電池の充電制御が実行される度に、不揮発性記憶媒体に記憶保持されている電圧補正値を更新することによって、出力電圧検出回路の経年変化等による誤差量のずれにも柔軟に対応することができ、電池の出力電圧の検出精度を高精度に維持することができる。

本発明の第４の態様は、前述した第１の態様〜第３の態様のいずれかに記載の電池制御回路を備えた電子機器である。
本発明の第４の態様に記載の電子機器によれば、電子機器において、前述した第１の態様〜第３の態様のいずれかに記載の発明による作用効果を得ることができる。

本発明の第５の態様は、前述した第４の態様において、外部から供給される電力又は着脱可能に配設される前記電池から供給される電力で動作可能な構成を有し、外部から供給される電力の有無及び前記電池の着脱状態を検出する電源検出回路を備え、前記充電制御回路は、外部から電力が供給されている状態で、かつ装着されている前記電池の出力電圧が一定の電圧以下に低下した時点で、前記充電回路の起動制御を実行する、ことを特徴とした電子機器である。

このように、外部から電力が供給されている状態で、かつ装着されている電池の出力電圧が一定の電圧以下に低下した時点で、充電回路の起動制御を実行することによって、電子機器に装着された電池の充電制御を適切に実行することができる。尚、充電回路による電池への充電が実行されている間も、外部から供給される電力で電子機器の動作が可能な構成とするのがより好ましい態様であると言える。

本発明の第６の態様は、前述した第５の態様において、前記充電制御回路は、外部から電力が供給されていない状態で、かつ装着されている前記電池の出力電圧が一定の電圧以下に低下した時点で電子機器の自動電源ＯＦＦ制御を実行する、ことを特徴とした電子機器である。
このように、外部から電力を供給されていない状態で電池切れになる直前で、ユーザの操作によることなく、電子機器の電源をＯＦＦ制御する。それによって、電池切れによって電子機器の制御が異常終了する前に、所定のバックアップ制御等を確実に実行してから電子機器の電源をＯＦＦさせることができる。

本発明の第７の態様は、外部から供給される電力を電池に充電する充電回路と、前記電池の出力電圧を検出する出力電圧検出回路とを備えた電池制御回路の前記出力電圧検出回路が出力する前記電池の出力電圧信号に基づいて前記充電回路を起動及び停止させる制御をコンピュータに実行させるための電池制御プログラムであって、前記充電回路による定電圧充電制御電圧と定電圧充電制御時における前記出力電圧検出回路にて検出した定電圧充電電圧との差分を電圧補正値として記憶する手順と、前記充電回路の停止制御後、前記充電回路を再度起動制御するまでの間、前記出力電圧検出回路の出力電圧信号から得られる前記電池の出力電圧を前記電圧補正値で補正する手順と、補正後の前記電池の出力電圧に基づいて所定の制御を実行する手順とを有する、ことを特徴とした電池制御プログラムである。

本発明の第７の態様に記載の電池制御プログラムによれば、この電池制御プログラムを実行可能な任意の電池制御回路に、前述した第１の態様に記載の発明と同様の作用効果をもたらすことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る「電池制御回路」を備えた電子機器の電源系統を示した回路図である。
電源ラインＶｃｃは、外付けのＡＣアダプタ１０及び着脱可能に内蔵されるリチウムイオン電池パック２０（以下、電池パック２０という。）から電力供給される。ＡＣアダプタ１０は、交流電力（ＡＣ１００Ｖ等）を直流電力（ＤＣ２０Ｖ）にＡＣ−ＤＣ変換する。ＡＣアダプタ１０が出力する直流電力は、ダイオードＤ１を介して電源ラインＶｃｃへ供給される。電池パック２０は、複数のリチウムイオン電池を内蔵しており、フル充電された状態で約１６．８Ｖの直流電力を出力する。電池パック２０が出力する直流電力は、ダイオードＤ２を介して電源ラインＶｃｃへ供給される。

すなわち、電源ラインＶｃｃには、ＡＣアダプタ１０からの電力供給と電池パック２０からの電力供給とが、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２でダイオードＯＲされて電力供給される。電源ラインＶｃｃへ供給される電力は、ＤＣモータ等の駆動系へ電力供給されるとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０で制御電圧（３．３Ｖ）に変換されて「充電制御回路」としての制御回路１００等へ供給される。電源ラインＶｃｃには、電源スイッチ３５が配設されており、電源スイッチ３５の接点で電源ラインＶｃｃを直接接続／切断することで電子機器の電源ＯＮ／ＯＦＦを行うように構成されている。

本発明に係る電池制御回路５０は、ＡＣアダプタ１０から供給される直流電力を電池に充電する充電回路２１と、電池パック２０の出力電圧を検出する「出力電圧検出回路」としてのＡ／Ｄ変換回路２２と、Ａ／Ｄ変換回路２２が出力する電池パック２０の出力電圧信号に基づいて充電回路２１の起動及び停止制御を実行する「充電制御回路」としての制御回路１００とを有している。

充電回路２１は、ＡＣアダプタ１０からダイオードＤ３を介して供給されるＤＣ２０Ｖの電力を利用して、電池パック２０への充電を実行する。
Ａ／Ｄ変換回路２２は、電池パック２０の出力電圧を所定の分圧比で分圧した後、デジタル信号の電圧値に変換して制御回路１００へ出力する。当該実施例においては、Ａ／Ｄ変換回路２２は、充電回路２１の定電圧充電制御電圧（後述）に対応させて０〜１７Ｖの電圧差を３．３Ｖに分圧した後、１０ｂｉｔの分解能でデジタル信号に変換する。したがって、約１６．６１８ｍＶ単位で電池パック２０の出力電圧を検出することができる。

電源検出回路２３は、ＡＣアダプタ１０からの電力供給の有無及び電池パック２０の着脱状態をそれぞれ検出して、制御回路１００へそれぞれの検出状態（電源検出信号）を出力する。電池パック２０の着脱状態は、電池パック２０が装着されるとＧＮＤに短絡されるショート端子Ｓの短絡状態から検出する。制御回路１００は、電源検出回路２３から出力される電源検出信号に基づいて、ＡＣアダプタ１０から電力が供給されている状態で、かつ装着されている電池パック２０の出力電圧が一定の電圧以下に低下した時点で、充電回路２１の起動制御を実行する。また、制御回路１００は、ＡＣアダプタ１０から電力が供給されていない状態で、かつ装着されている電池パック２０の出力電圧が一定の電圧以下に低下した場合には、電源スイッチ接点信号から電源スイッチ３５による電子機器の電源ＯＦＦ操作を検出した場合と同様に、所定のバックアップ制御した後に電子機器の電源をＯＦＦする。

図２は、制御回路１００における充電回路２１の起動及び停止制御の手順を示したフローチャートである。
まず、ＡＣアダプタ１０から電力が供給されている状態で、かつ装着されている電池パック２０の出力電圧が一定の電圧以下に低下した時点で、充電回路２１を起動する（ステップＳ１）。つづいて、ＡＣアダプタ１０からの電力供給が継続されているか否かを電源検出回路２３が出力する電源検出信号に基づいて判定する（ステップＳ２）。ＡＣアダプタ１０からの電力供給がない場合には（ステップＳ２でＮｏ）、電池パック２０への充電を継続することができないので、その時点で、充電回路２１を停止させて（ステップＳ８）当該手順を終了する。

ＡＣアダプタ１０からの電力供給が継続されている場合には（ステップＳ２でＹｅｓ）、つづいて、電池パック２０が装着された状態が維持されているか否かを判定する（ステップＳ３）。電池パック２０が取り外されていた場合には（ステップＳ３でＮｏ）、電池パック２０への充電を継続することができないので、その時点で、充電回路２１を停止させて（ステップＳ８）当該手順を終了する。電池パック２０が装着された状態が維持されている場合には（ステップＳ３でＹｅｓ）、つづいて、電池パック２０の充電状態が満充電に達したか否かを判定する（ステップＳ４）。

電池パック２０の充電状態が満充電に達していない場合には（ステップＳ４でＮｏ）、ステップＳ２に戻り、充電回路２１による電池パック２０の充電を継続する。一方、電池パック２０の充電状態が満充電に達している場合には（ステップＳ４でＹｅｓ）、その時点でＡ／Ｄ変換回路２２が出力する電池パック２０の出力電圧信号を検出する（ステップＳ５）。つづいて、基準電圧（充電回路２１による定電圧充電制御電圧）と、ステップＳ５の検出電圧（定電圧充電制御時におけるＡ／Ｄ変換回路２２にて検出した定電圧充電電圧）との差分を「電圧補正値」として算出する（ステップＳ６）。そして、算出した「電圧補正値」を制御回路１００の内部の不揮発性記憶媒体（ＥＥＰＲＯＭ等、図示せず）記憶し（ステップＳ７）、充電回路２１を停止させる（ステップＳ８）。

図３は、制御回路１００における電源管理制御手順を示したフローチャートである。尚、当該手順は、充電回路２１を停止制御した後、充電回路２１を再度起動制御して電池パック２０への充電を開始するまでの間、所定の周期で繰り返し実行される手順である。
まず、Ａ／Ｄ変換回路２２が出力する電池パック２０の出力電圧信号から検出電圧を取得する（ステップＳ１１）。つづいて、取得した検出電圧に「電圧補正値」を加算して補正し、電池パック２０の出力電圧として算出する（ステップＳ１２）。つづいて、算出した電池パック２０の出力電圧から電池パック２０の残量の有無を判定する（ステップＳ１３）。具体的には、算出した電池パック２０の出力電圧が所定の閾値電圧（後述）以下か否かで判定する。

電池パック２０の残量があると判定した場合には（ステップＳ１３でＮｏ）、そのまま当該手順を終了し、電池パック２０の残量がないと判定した場合には（ステップＳ１３でＹｅｓ）、つづいて、ＡＣアダプタ１０からの電力供給の有無を判定する（ステップＳ１４）。ＡＣアダプタ１０からの電力供給がある場合には（ステップＳ１４でＹｅｓ）、そのまま当該手順を終了する。一方、ＡＣアダプタ１０からの電力供給がない場合には（ステップＳ１４でＮｏ）、前述した所定のバックアップ制御を実行した後、電子機器の電源ＯＦＦ制御を実行する。

図４は、電池パック２０の出力電圧の変化を模式的に示したグラフである。
一点鎖線で示した電圧波形は、電池パック２０の実際の出力電圧を示したものであり、実線で示した電圧波形は、Ａ／Ｄ変換回路２２が出力する出力電圧信号から得られた電池パック２０の出力電圧である。

制御回路１００は、充電回路２１を起動制御後、約１２０分間動作させて電池パック２０を満充電状態に充電する。充電回路２１は、電池パック２０の出力電圧が所定電圧に達した後は、充電電圧を１６．８Ｖ（定電圧充電制御電圧）として少電流で一定時間充電（定電圧充電）して電池パック２０を満充電状態にする（定電圧充電制御）。制御回路１００は、この定電圧充電制御電圧（１６．８Ｖ）と定電圧充電制御時にＡ／Ｄ変換回路２２にて検出した定電圧充電電圧との差分を電圧補正値αとして記憶する。すなわち、Ａ／Ｄ変換回路２２を構成する素子の特性のばらつき等に起因した固有のＡ／Ｄ変換回路２２の検出誤差を電圧補正値αとして記憶する。

例えば、図４に示した当該実施例においては、充電回路２１の定電圧充電制御電圧１６．８Ｖに対して、Ａ／Ｄ変換回路２２にて検出した定電圧充電電圧１６．０Ｖとの間には、約０．８Ｖの検出誤差が生じている。制御回路１００は、この０．８Ｖを電圧補正値αとして内部の不揮発性記憶媒体に記憶する。尚、図４においては、より分かりやすくするために検出誤差を約０．８Ｖに誇張して例示したが、実際の回路においては、最大でも約０．１５Ｖ程度である。

充電回路２１による充電制御終了後は、ＡＣアダプタ１０からの電力供給がなければ、電子機器の使用に伴う電力消費によって電池パック２０の電力が消費され、それに伴って電池パック２０の出力電圧が低下していく。制御回路１００は、Ａ／Ｄ変換回路２２の出力電圧信号から得られる出力電圧（実線で示した電圧波形）に電圧補正値αを加算して補正する。それによって、電池パック２０の実際の出力電圧（一点鎖線で示した電圧波形）を高い精度で特定することができる。

制御回路１００は、Ａ／Ｄ変換回路２２の出力電圧信号から得られる出力電圧に電圧補正値αを加算して得た電池パック２０の出力電圧に基づいて、以下のような電池残量管理を実行する。
出力電圧１６．８０Ｖ〜１５．８１Ｖ：電池残量「Ｈｉｇｈレベル」
出力電圧１５．８０Ｖ〜１５．１６Ｖ：電池残量「Ｍｉｄｄｌｅレベル」
出力電圧１５．１５Ｖ〜１４．８１Ｖ：電池残量「Ｌｏｗレベル」
出力電圧１４．８０Ｖ〜１３．１６Ｖ：電池残量「ワーニングレベル」
出力電圧１３．１５Ｖ（閾値電圧）以下：電池残量「エラーレベル」

記録制御部１００は、「Ｈｉｇｈレベル」、「Ｍｉｄｄｌｅレベル」、「Ｌｏｗレベル」、「ワーニングレベル」については、電子機器に設けられた液晶表示画面等（図示せず）に表示する。また、「ワーニングレベル」については、ＡＣアダプタ１０を電子機器に接続するようにユーザに促す表示もする。そして、電池パック２０の出力電圧が「エラーレベル」、すなわち１３．１５Ｖ以下になった時点（図３のステップＳ１３でＹｅｓと判定した時点）で、ＡＣアダプタ１０からの電力供給がなければ（図３のステップＳ１４でＮｏと判定した場合）、前述した所定のバックアップ制御を実行した後、電源ＯＦＦ制御を実行する。

このように、Ａ／Ｄ変換回路２２を構成する素子の特性のばらつき等に起因したＡ／Ｄ変換回路２２の検出誤差を電圧補正値αとし、Ａ／Ｄ変換回路２２の出力電圧信号から得られる出力電圧に電圧補正値αを加算して補正する。それによって、Ａ／Ｄ変換回路２２を構成する素子の特性のばらつき等に起因する検出誤差を補正した正確な電池パック２０の出力電圧（一点鎖線で示した電圧波形）に基づく制御が可能になる。
当該実施例においては、実際の電池パック２０の出力電圧が閾値電圧（１３．１５Ｖ）以下になるまで、高精度に電池パック２０の電力を最大限有効に利用して電子機器を動作させることができるので、電圧補正値αによる補正をしない場合（実線で示した電圧波形）と比較して、符号Ａで示した時間だけ長く電池パック２０で電子機器を動作させることができることになる。

このようにして、Ａ／Ｄ変換回路２２等の回路を構成する素子の特性のばらつき等に起因する電池パック２０の電力残量検出精度の低下を低減させ、電池パック２０の電力を最大限有効に利用することができる。

また、不揮発性記憶媒体に電圧補正値αを記憶しておくことによって、電子機器の電源ＯＦＦ後も当該電圧補正値αが保持されるので、再度電源ＯＮした後も電池パック２０の残量を検出する等の所定の制御を、当該電圧補正値αにより電池パック２０の出力電圧を高精度に検出して実行することができる。また、充電回路２１による電池パック２０の充電制御が実行される度に、電圧補正値αを算出して不揮発性記憶媒体に記憶保持されている電圧補正値αを更新するので、Ａ／Ｄ変換回路２２の経年変化等による誤差量のずれにも柔軟に対応することができ、電池パック２０の出力電圧の検出精度を高精度に維持することができる。

尚、別途、電池パック２０の温度を検出して、電池パック２０の温度に応じた電池残量の補正をすれば、より高精度に電池パック２０の電力残量を特定することが可能になる。その場合には、電池温度に応じて閾値電圧（１３．１５Ｖ）を上下させれば良い。そして、本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

本発明に係る「電池制御回路」を備えた電子機器の電源回路図。 充電回路の起動及び停止制御の手順を示したフローチャート。 制御回路における電源管理制御手順を示したフローチャート。 電池パックの出力電圧の変化を模式的に示したグラフ。

符号の説明

１０ ＡＣアダプタ、２０リチウムイオン電池パック、２１ 充電回路、２２ Ａ／Ｄ変換回路、２３ 電源検出回路、３０ ＤＣ−ＤＣコンバータ、５０ 電池制御回路、１００ 制御回路（充電制御回路）

Claims (5)

1. 外部から供給される電力を電池に充電する充電回路と、前記電池の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、該出力電圧検出回路が出力する前記電池の出力電圧信号に基づいて前記充電回路の起動及び停止制御を実行する充電制御回路とを備えた電池制御回路であって、
   前記充電制御回路は、不揮発性記憶媒体を有し、前記充電回路による定電圧充電制御電圧と定電圧充電制御時における前記出力電圧検出回路にて検出した定電圧充電電圧との差分を電圧補正値として前記不揮発性記憶媒体に記憶し、
   前記充電回路による前記電池の充電が完了する度に、前記電圧補正値を算出して前記不揮発性記憶媒体に記憶されている前記電圧補正値を更新し、
   前記充電回路の停止制御後、前記充電回路を再度起動制御するまでの間、前記出力電圧検出回路の出力電圧信号から得られる前記電池の出力電圧を前記電圧補正値で補正し、
   補正後の前記電池の出力電圧に基づいて所定の制御を実行する、ことを特徴とした電池制御回路。
2. 請求項１に記載の電池制御回路を備えた電子機器。
3. 請求項２において、外部から供給される電力又は着脱可能に配設される前記電池から供給される電力で動作可能な構成を有し、外部から供給される電力の有無及び前記電池の着脱状態を検出する電源検出回路を備え、
   前記充電制御回路は、外部から電力が供給されている状態で、かつ装着されている前記電池の出力電圧が一定の電圧以下に低下した時点で、前記充電回路の起動制御を実行する、ことを特徴とした電子機器。
4. 請求項３において、前記充電制御回路は、外部から電力が供給されていない状態で、かつ装着されている前記電池の出力電圧が一定の電圧以下に低下した時点で電子機器の自動電源ＯＦＦ制御を実行する、ことを特徴とした電子機器。
5. 外部から供給される電力を電池に充電する充電回路と、前記電池の出力電圧を検出する出力電圧検出回路とを備えた電池制御回路の前記出力電圧検出回路が出力する前記電池の出力電圧信号に基づいて前記充電回路を起動及び停止させる制御をコンピュータに実行させるための電池制御プログラムであって、
   前記充電回路による定電圧充電制御電圧と定電圧充電制御時における前記出力電圧検出回路にて検出した定電圧充電電圧との差分を電圧補正値として不揮発性記憶媒体に記憶する手順と、
   前記充電回路による前記電池の充電が完了する度に、前記電圧補正値を算出して前記不揮発性記憶媒体に記憶されている前記電圧補正値を更新する手順と、
   前記充電回路の停止制御後、前記充電回路を再度起動制御するまでの間、前記出力電圧検出回路の出力電圧信号から得られる前記電池の出力電圧を前記電圧補正値で補正する手順と、
   補正後の前記電池の出力電圧に基づいて所定の制御を実行する手順とを有する、ことを特徴とした電池制御プログラム。

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