JP4618024B2 - 電池異常検出回路の故障検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池の異常を検出する電池異常検出回路の故障を検出する装置に関する。

従来、電池の電圧と所定の過充電判定電圧または過放電判定電圧とを比較することによって、電池の過充電状態または過放電状態を検出する異常検出回路に対して、過充電判定電圧より高い電圧、または、過放電判定電圧より低い電圧を印加して、過充電異常信号または過放電異常信号が正常に出力されるか否かを調べる故障診断装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００３−３０４６４６号公報

しかしながら、従来の故障診断装置では、電池の過充電状態または過放電状態を検出する異常検出回路とは別に、異常検出回路の故障を診断するための故障診断回路が必要になるという問題があった。

（１）本発明による電池異常検出回路の故障検出装置は、電池が放電状態にあると判定されている間に、過充電検出回路から過充電異常信号が出力されると、過充電検出回路に故障が発生したと判定することを特徴とする。
（２）本発明による電池異常検出回路の故障検出装置は、電池が充電状態にあると判定されている間に、過放電検出回路から過放電異常信号が出力されると、過放電検出回路に故障が発生したと判定することを特徴とする。

（１）本発明による電池異常検出回路の故障検出装置によれば、電池が放電状態にあると判定されている間に、過充電検出回路から過充電異常信号が出力されると、過充電検出回路に故障が発生したと判定するので、簡易な構成で過充電検出回路の故障を検出することができる。
（２）本発明による電池異常検出回路の故障検出装置によれば、電池が充電状態にあると判定されている間に、過放電検出回路から過放電異常信号が出力されると、過放電検出回路に故障が発生したと判定するので、簡易な構成で過放電検出回路の故障を検出することができる。

図１は、一実施の形態における電池異常検出回路の故障検出装置を電気自動車に適用した場合の電気自動車の駆動システムを示す図である。組電池１は、複数のセルｓ１〜ｓｎ（ｎ：偶数）を直列に接続して構成されている。組電池１の直流電圧は、インバータ２において、３相交流電圧に変換されて、電気自動車の走行駆動源である３相交流モータ３に供給される。インバータ２はまた、車両の制動時に、モータ３が回生運転を行うことにより発電する交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力は、組電池１の充電に用いられる。組電池１と、インバータ２との間を結ぶ強電ハーネス９には、強電リレー８ａおよび８ｂが設けられている。強電リレー８ａ，８ｂのオン／オフは、電池制御装置７によって制御される。

電圧センサ４は、組電池１の総電圧Ｖbatを検出する。電流センサ５は、組電池１の充電電流および放電電流（以下、まとめて充放電電流Ｉbatと記載する）を検出する。ここでは、充電電流検出時に正の値が検出され、放電電流検出時に負の値が検出されるものとする。サーミスタ６は、組電池１の温度を検出する。

異常検出回路１０は、セルの電圧が所定の過充電判定電圧Ｖth1より高くなる過充電異常、および、セルの電圧が所定の過放電判定電圧Ｖth2より低くなる過放電異常を検出する。

電池制御装置７は、図示しないＣＰＵおよびメモリを備え、電圧センサ４により検出される電圧値Ｖbat、および、電流センサ５により検出される電流値Ｉbatを、所定のサンプリング周期で取得し、取得した電圧値Ｖbatおよび電流値Ｉbatに基づいて、組電池１の残存容量（ＳＯＣ：State Of Charge）を演算する。電池制御装置７は、また、後述する方法により、異常検出回路１０の故障を検出する。

電池制御装置７と車内ＬＡＮで接続されている車両制御装置１１は、車両全般の制御を行う。特に、車両制御装置１１は、セルの過充電異常、過放電異常、および、異常検出回路１０の故障が検出されると、インジケータ１２を点灯させて、異常の発生をユーザに報知する。

図２は、異常検出回路１０の詳細な構成を示す図である。異常検出回路１０は、各セルｓ１〜ｓｎごとに設けられているコンパレータＣp1〜Ｃpnと、基準電圧切換回路Ｄ１〜Ｄｎと、イクスクルーシブオア回路Ｘ１〜Ｘｍ（ｍ＝ｎ／２）と、オア回路１５とを備える。基準電圧切換回路Ｄ１〜Ｄｎは、電池制御装置７からの信号に基づいて、過充電判定電圧Ｖth1または過放電判定電圧Ｖth2を発生する。

各コンパレータＣp1〜Ｃpnは、対応するセルｓ１〜ｓｎと、基準電圧切換回路Ｄ１〜Ｄｎで発生される過充電判定電圧Ｖth1または過放電判定電圧Ｖth2とを比較する。イクスクルーシブオア回路Ｘ１〜Ｘｍは、２つのコンパレータの出力に対して、排他的論理和演算を行う。例えば、イクスクルーシブオア回路Ｘ１は、コンパレータＣp1の出力と、コンパレータＣp2の出力とに基づいて、排他的論理和演算を行い、イクスクルーシブオア回路Ｘ２は、コンパレータＣp3の出力と、コンパレータＣp4の出力とに基づいて、排他的論理和演算を行う。オア回路１５は、全てのイクスクルーシブオア回路Ｘ１〜Ｘｍの出力に対して論理和演算を行い、演算結果を電池制御装置７に出力する。

−過充電異常の検出−
セルの過充電異常の検出方法について説明する。なお、以下では、電流が流れている状態の信号のレベルをＨレベル、電流が流れていない状態の信号のレベルをＬレベルと呼ぶ。電池制御装置７からの信号に基づいて、基準電圧切換回路Ｄ１〜Ｄｎが過充電判定電圧Ｖth1を発生している時に、全セルの電圧が過充電判定電圧Ｖth1より低ければ、全てのコンパレータＣp1〜Ｃpnの出力信号のレベルはＬレベルとなる。従って、全てのイクスクルーシブオア回路Ｘ１〜Ｘｍの出力信号のレベルはＬレベルとなり、オア回路１５の出力信号のレベルもＬレベルとなる。

ここで、セルｓ１の電圧が過充電判定電圧Ｖth1を越えたと仮定する。この場合、コンパレータＣp1の出力信号のレベルはＨレベルとなるので、イクスクルーシブオア回路Ｘ１の出力信号のレベルもＨレベルとなる。これにより、オア回路１５の出力信号のレベルもＨレベルとなる。電池制御装置７は、過充電判定電圧Ｖth1を発生させるための信号を基準電圧切換回路Ｄ１〜Ｄｎに出力した後に、オア回路７からＨレベルの信号（過充電異常信号）が入力されると、過充電異常となっているセルが存在すると判断する。

−過放電異常の検出−
電池制御装置７からの信号に基づいて、基準電圧切換回路Ｄ１〜Ｄｎが過放電判定電圧Ｖth2を発生している時に、全セルの電圧が過放電判定電圧Ｖth2より高ければ、全てのコンパレータＣp1〜Ｃpnの出力信号のレベルはＨレベルとなる。従って、全てのイクスクルーシブオア回路Ｘ１〜Ｘｍの出力信号のレベルはＬレベルとなり、オア回路１５の出力信号のレベルもＬレベルとなる。

ここで、セルｓ１の電圧が過放電判定電圧Ｖth2を下回ったと仮定する。この場合、コンパレータＣp1の出力信号のレベルはＬレベルとなるので、イクスクルーシブオア回路Ｘ１の出力信号のレベルはＨレベルとなる。これにより、オア回路１５の出力信号のレベルもＨレベルとなる。電池制御装置７は、過放電判定電圧Ｖth2を発生させるための信号を基準電圧切換回路Ｄ１〜Ｄｎに出力した後に、オア回路７からＨレベルの信号（過放電異常信号）が入力されると、過放電異常となっているセルが存在すると判断する。

図３および図４は、一実施の形態における電池異常検出回路の故障検出装置によって行われる処理内容を示すフローチャートである。図示しない車両のキースイッチがオンされて、車両が起動すると、電池制御装置７のＣＰＵ（不図示）によってステップＳ１０の処理が開始される。ステップＳ１０では、電圧センサ４によって検出される組電池１の電圧値Ｖbat、電流センサ５によって検出される充放電電流値Ｉbatのサンプリングを開始する。このサンプリングは、所定の周期にて行われる。

ステップＳ１０に続くステップＳ２０では、セルの過充電異常および過放電異常の検出処理を開始する。電池制御装置７は、例えば、所定時間ごとに、過充電判定電圧Ｖth1と過放電判定電圧Ｖth2とが切り替わるように、基準電圧切換回路Ｄ１〜Ｄｎに指令を出す。セルの過充電異常および過放電異常の検出処理を開始すると、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、電流センサ５が正常であるか否かを判定する。ここでは、電圧センサ４で検出される電圧値が変動しているにも関わらず、電流センサ５の検出電流値が最大値または最小値で張り付いていたり、検出電流値が一定範囲内に収まり続けていれば、電流センサ５に故障が発生していると判定する。電流センサ５に故障が発生していると判定すると、ステップＳ４０に進み、電流センサ異常判定フラグＦＩＮＧの値を１にセットして、ステップＳ１１０に進む。一方、電流センサ５が正常であると判定すると、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、電流センサ異常判定フラグＦＩＮＧの値を０にセットして、ステップＳ６０に進む。ステップＳ６０では、電流センサ５によって検出される電流Ｉbatが所定の電流しきい値Ｉ１以下であるか否かを判定する。所定の電流しきい値Ｉ１は、組電池１が放電中であるか否かを判定するためのしきい値である。電流センサ５によって検出される電流Ｉbatが所定の電流しきい値Ｉ１以下であると判定すると、ステップＳ７０に進む。ステップＳ７０では、電流放電判定フラグＦＤＩＳＣＨＧＩの値を１にセットして、ステップＳ１１０に進む。

一方、ステップＳ６０において、電流センサ５によって検出される電流Ｉbatが所定の電流しきい値Ｉ１より大きいと判定すると、ステップＳ８０に進む。ステップＳ８０では、電流センサ５によって検出される電流Ｉbatが所定の電流しきい値Ｉ２以上であるか否かを判定する。所定の電流しきい値Ｉ２は、組電池１が充電中であるか否かを判定するためのしきい値である。電流センサ５によって検出される電流Ｉbatが所定の電流しきい値Ｉ２以上であると判定するとステップＳ９０に進む。ステップＳ９０では、電流充電判定フラグＦＣＨＧＩの値を１にセットして、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ８０において、電流センサ５によって検出される電流Ｉbatが所定の電流しきい値Ｉ２未満であると判定すると、ステップＳ１００に進む。ステップＳ１００では、電流放電判定フラグＦＤＩＳＣＨＧＩの値を０にセットするとともに、電流充電判定フラグＦＣＨＧＩの値を０にセットして、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、電流センサ異常判定フラグＦＩＮＧの値が０であるか、または、電圧センサ４が正常であるか否かを判定する。ここでは、電流センサ５で検出される電流値が変動しているにも関わらず、電圧センサ４の検出電圧値が最大値または最小値で張り付いていたり、検出電圧値が一定範囲内に収まり続けていれば、電圧センサ４に故障が発生していると判定する。電流センサ異常判定フラグＦＩＮＧの値が１であり、かつ、電圧センサ４に故障が発生していると判定すると、図４に示すフローチャートのステップＳ２７０に進む。

一方、ステップＳ１１０において、電流センサ異常判定フラグＦＩＮＧの値が０であるか、または、電圧センサ４が正常であると判定すると、ステップＳ１２０に進む。ステップＳ１２０では、電圧センサ４の今回の検出電圧値（Ｖbat1）と、１サンプリング周期前の検出電圧値（Ｖbat2）との電圧差ΔＶbat（Ｖbat1−Ｖbat2）を算出する。電圧差ΔＶbatを算出すると、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０で算出した電圧差ΔＶbatが０より小さいか否かを判定する。電圧差ΔＶbatが０より小さいと判定すると、ステップＳ１４０に進み、電圧放電判定フラグＦＤＩＳＣＨＧＶの値を１にセットする。一方、電圧差ΔＶbatが０以上であると判定すると、ステップＳ１５０に進み、電圧放電判定フラグＦＤＩＳＣＨＧＶの値を０にセットする。ステップＳ１４０またはステップＳ１５０の処理を行うと、図４に示すフローチャートのステップＳ１６０に進む。

ステップＳ１６０では、異常検出回路１０からの出力信号に基づいて、過充電異常となっているセルが検出されたか否かを判定する。過充電異常となっているセルが検出されたと判定すると、ステップＳ１７０に進む。ステップＳ１７０では、下記の（１）または（２）の関係が成り立っているか否かを判定する。
（１）ＦＤＩＳＣＨＧＩ＝０、かつ、ＦＣＨＧＩ＝１
（２）ＦＤＩＳＣＨＧＶ＝０

ステップＳ１７０において、上記（１）または（２）の関係が成り立っていると判定するとステップＳ１８０に進み、（１）および（２）のいずれの関係も成り立っていないと判定すると、ステップＳ２３０に進む。ステップＳ１８０では、過充電状態となっているセルが存在することを示す過電圧フラグＦＯＶＥＲの値を１にセットして、ステップＳ１９０に進む。

ステップＳ１９０では、インジケータ１２を点灯させるための指令を車両制御装置１１に送信する。指令を受けた車両制御装置１１は、インジケータ１２を点灯させて、異常が発生したことをユーザに報知する。ステップＳ１９０に続くステップＳ２００では、異常検出回路１０に異常が発生したことを示す回路故障フラグＦＶＣＴＮＧの値を０にセットして、ステップＳ２７０に進む。

ステップＳ１６０において、過充電状態となっているセルが検出されていないと判定されると、ステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０では、異常検出回路１０からの出力信号に基づいて、過放電状態となっているセルが検出されたか否かを判定する。過放電状態となっているセルが検出されたと判定すると、ステップＳ２２０に進み、過放電状態となっているセルが検出されていないと判定すると、ステップＳ１６０に戻る。

ステップＳ２２０では、下記の（３）または（４）の関係が成り立っているか否かを判定する。
（３）ＦＤＩＳＣＨＧＩ＝１、かつ、ＦＣＨＧＩ＝０
（４）ＦＤＩＳＣＨＧＶ＝１
上記（３）または（４）の関係が成り立っていると判定するとステップＳ２６０に進む。ステップＳ２６０では、過放電状態となっているセルが存在することを示す過放電フラグＦＤＥＡＤの値を１にセットして、ステップＳ１９０に進む。

ステップＳ２２０において、（３）および（４）のいずれの関係も成り立っていないと判定すると、ステップＳ２３０に進む。ステップＳ２３０では、異常検出回路１０に異常が発生したことを示す回路故障フラグＦＶＣＴＮＧの値を１にセットして、ステップＳ２４０に進む。

ステップＳ２４０では、インジケータ１２を点灯させるための指令を車両制御装置１１に送信する。指令を受けた車両制御装置１１は、インジケータ１２を点灯させて、異常が発生したことをユーザに報知する。ステップＳ２４０に続くステップＳ２５０では、過電圧フラグＦＯＶＥＲの値を０にセットするとともに、過放電フラグＦＤＥＡＤの値を０にセットして、ステップＳ２７０に進む。

ステップＳ２７０では、図示しない車両のキースイッチがオフされたか否かを判定する。図示しない車両のキースイッチがオフされて、電池制御装置７にシャットダウン要求が入力されると、図３および図４に示すフローチャートの処理を終了し、キースイッチがオフされていないと判定すると、ステップＳ３０に戻る。

図５は、電流センサ５によって検出される組電池１の充放電電流の時間変化、電圧センサ４によって検出される組電池１の総電圧の時間変化、オア回路１５から出力される過充電異常信号、および、過放電異常信号を示す図である。時刻ｔ１では、セルの過充電異常が検知されている。この時、電流センサ５によって検出される電流は正の値であり、また、組電池１の総電圧が上昇していることから明らかなように、組電池１は充電状態にある。すなわち、時刻ｔ１では、組電池１の充電によって、過充電異常となるセルが発生したと判断することができる。

時刻ｔ２では、セルの過放電異常が検知されている。この時、電流センサ５によって検出される電流は負の値であり、また、組電池１の総電圧が減少していることから明らかなように、組電池１は放電状態にある。すなわち、時刻ｔ２では、組電池１の放電によって、過放電異常となるセルが発生したと判断することができる。

時刻ｔ３では、セルの過充電異常が検知されている。しかし、電流センサ５によって検出される電流は負の値であり、また、組電池１の総電圧が減少していることから明らかなように、組電池１は放電状態にある。すなわち、組電池１が放電状態にあるにも関わらず、異常検出回路１０によってセルの過充電異常が検知されたため、電池制御装置７は、異常検出回路１０に異常（故障）が発生したと判断する。

時刻ｔ４では、セルの過放電異常が検知されている。しかし、電流センサ５によって検出される電流は正の値であり、また、組電池１の総電圧が上昇していることから明らかなように、組電池１は充電状態にある。すなわち、組電池１が充電状態にあるにも関わらず、異常検出回路１０によってセルの過放電異常が検知されたため、電池制御装置７は、異常検出回路１０に異常（故障）が発生したと判断する。

一実施の形態における電池異常検出回路の故障検出装置によれば、組電池１が放電状態であると判定されている間に、異常検出回路１０から過充電異常信号が出力された場合、または、組電池１が充電状態であると判定されている間に、異常検出回路１０から過放電異常信号が出力された場合に、異常検出回路１０に故障が発生したと判定するので、簡易な構成で異常検出回路１０の故障を検出することができる。特に、組電池１が放電状態であるか否かを、電流センサ５によって検出される電流値、または、電圧センサ４によって検出される電圧値の変化に基づいて判断するので、電流センサ４または電圧センサ５を備えたシステムでは、故障診断用の特別な回路を追加することなく、異常検出回路１０の故障を検出することができる。

過充電判定電圧より高い電圧、または、過放電判定電圧より低い電圧を印加して、異常検出回路から、過充電異常信号または過放電異常信号が正常に出力されるか否かを調べる従来の故障診断装置では、通常の過充電異常検出処理、または、過放電異常検出処理を中断して、異常検出回路の故障診断を行う必要があった。しかし、一実施の形態における電池異常検出回路の故障検出装置によれば、各セルの過充電異常検出処理または過放電異常検出処理を行いつつ、異常検出回路１０の故障を検出することができる。

一実施の形態における電池異常検出回路の故障検出装置によれば、電流センサ５によって検出される電流値、または、電圧センサ４によって検出される電圧値の変化に基づいて、組電池１が充電状態であるか、放電状態であるかを判断した。従って、電流センサ５に故障が発生した場合でも、電圧センサ４によって検出される電圧値の変化に基づいて、組電池１が充電状態であるか、放電状態であるかを判断することができる。同様に、電圧センサ４に故障が発生した場合でも、電流センサ５によって検出される電流値に基づいて、組電池１が充電状態であるか、放電状態であるかを判断することができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、異常検出回路１０は、各セルの過充電異常および過放電異常を検出できるものとして説明したが、過充電異常と過放電異常のうち、いずれか一方のみを検出できる構成としてもよい。例えば、過充電異常を検出できる構成であれば、セルが放電状態である時に、過充電異常が検出されれば、異常検出回路１０に異常が発生したと判断することができる。

上述した一実施の形態では、電流センサ５によって検出された電流値、または、電圧センサ４によって検出された電圧値の変化に基づいて、組電池１の充放電状態を判定したが、他の方法により判定してもよい。

図３に示すフローチャートのステップＳ３０では、電流センサ５が正常であるか否かを判定したが、電流センサ５が正常であるか否かの判定は、上述した判定方法に限られることはない。同様に、ステップＳ１１０では、電圧センサ４が正常であるか否かを判定したが、電圧センサ４が正常であるか否かの判定は、上述した判定方法に限られることはない。

上述した一実施の形態では、電池異常検出回路の故障検出装置を電気自動車に適用した例について説明したが、ハイブリッド自動車に適用することもできるし、車両以外のシステムに適用することもできる。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、異常検出回路１０が過充電検出回路および過放電検出回路を、電圧センサ４、電流センサ５および電池制御装置７が放電判定手段および充電判定手段を、電池制御装置７が故障検出手段、電流検出故障診断手段、および、電圧検出故障診断手段を、電流センサ５が電流検出手段を、電圧センサ４が電圧検出手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。

一実施の形態における電池異常検出回路の故障検出装置を電気自動車に適用した場合の電気自動車の駆動システムを示す図 異常検出回路の詳細な構成を示す図 一実施の形態における電池異常検出回路の故障検出装置によって行われる処理内容を示すフローチャート 図３に示すフローチャートの処理に続く処理内容を示すフローチャート 組電池の充放電電流の時間変化、組電池の総電圧の時間変化、オア回路から出力される過電圧検知信号、および、過放電検知信号を示す図

符号の説明

１…組電池、２…インバータ、３…３相交流モータ、４…電圧センサ、５…電流センサ、６…サーミスタ、７…電池制御装置、８ａ，８ｂ…強電リレー、９…強電ハーネス、１０…異常検出回路、１１…車両制御装置、１２…インジケータ、１５…オア回路、ｓ１〜ｓｎ…セル、Ｃp1〜Ｃpn…コンパレータ、Ｄ１〜Ｄｎ…基準電圧切換回路、Ｘ１〜Ｘｍ…イクスクルーシブオア回路

Claims (4)

1. 電池の電圧と、所定の過充電判定電圧とを比較し、電池の電圧が前記過充電判定電圧より高い場合に、電池が過充電異常であることを示す過充電異常信号を出力する過充電検出回路と、
   電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段が正常であるか否かを判定する電流検出故障診断手段と、
   前記電流検出故障診断手段によって、前記電流検出手段が正常であると判定されると、前記電流検出手段によって検出される電流値に基づいて、電池が放電状態であるか否かを判定する放電判定手段と、
   前記放電判定手段によって、電池が放電状態であると判定されている間に、前記過充電検出回路から前記過充電異常信号が出力されると、前記過充電検出回路に故障が発生したと判定する故障検出手段と、を備えることを特徴とする電池異常検出回路の故障検出装置。
2. 請求項１に記載の電池異常検出回路の故障検出装置において、
   電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段が正常であるか否かを判定する電圧検出故障診断手段と、をさらに備え、
   前記放電判定手段は、前記電圧検出故障診断手段によって、前記電圧検出手段が正常であると判定されると、前記電圧検出手段によって第１のタイミングで検出された電圧値と、前記第１のタイミングより後の第２のタイミングで検出された電圧値との電圧差に基づいて、電池が放電状態にあるか否かを判定することを特徴とする電池異常検出回路の故障検出装置。
3. 電池の電圧と、所定の過放電判定電圧とを比較し、電池の電圧が前記過放電判定電圧より低い場合に、電池が過放電異常であることを示す過放電異常信号を出力する過放電検出回路と、
   電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段が正常であるか否かを判定する電流検出故障診断手段と、
   前記電流検出故障診断手段によって、前記電流検出手段が正常であると判定されると、前記電流検出手段によって検出される電流値に基づいて、電池が充電状態であるか否かを判定する充電判定手段と、
   前記充電判定手段によって、電池が充電状態であると判定されている間に、前記過放電検出回路から前記過放電異常信号が出力されると、前記過放電検出回路に故障が発生したと判定する故障検出手段と、を備えることを特徴とする電池異常検出回路の故障検出装置。
4. 請求項３に記載の電池異常検出回路の故障検出装置において、
   電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段が正常であるか否かを判定する電圧検出故障診断手段と、をさらに備え、
   前記充電判定手段は、前記電圧検出故障診断手段によって、前記電圧検出手段が正常であると判定されると、前記電圧検出手段によって第１のタイミングで検出された電圧値と、前記第１のタイミングより後の第２のタイミングで検出された電圧値との電圧差に基づいて、電池が充電状態にあるか否かを判定することを特徴とする電池異常検出回路の故障検出装置。

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