JP5068649B2 - Ｐｃｍとバッテリーセルを電気的に接続するための接続構造およびその接続構造を含む二次バッテリーパック - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、保護回路モジュール（ＰＣＭ）とバッテリーセルとの間の電気的接続構造、およびその接続構造を含む二次バッテリーパックに関する。より詳しくは、本発明は、保護回路モジュールおよびバッテリーセルのための電気的接続構造であって、バッテリーセルの過充電、過放電および過電流を抑制する保護回路モジュールの電極タップをバッテリーセルの電極端子に接続する電極リード線を包含する特別な構造を有する電気的接続部材を備えてなり、該構造により、該電気的接続部材の電極リード線だけをバッテリーセルに溶接することができ、ＰＣＭとバッテリーセルとの間の係合(engagement)を通した接触により、電極端子を電極タップに接続することができ、それによって、組立プロセスにおける工程数を著しく少なくすることができる電気的接続構造、および該電気的接続構造を備えてなる二次バッテリーパックに関する。

発明の背景
モバイル技術の発展およびモバイル用途需要の急速な伸びにより、二次バッテリーの需要も急速に伸びており、特に、モバイル装置を包含する各種電子用途向けの電源としてリチウム二次バッテリーが、その特性、例えば高エネルギー密度、高作動電圧、および優れた耐久性および寿命、のために、広く使用されている。

しかし、リチウム二次バッテリーは、様々な可燃性材料を含むので、過充電、過電流および外部の物理的衝撃により引き起こされる、バッテリーの不安定性につながる発熱および爆発のような欠点がある。この問題を防止するために、リチウム二次バッテリーは、バッテリー内部に埋め込まれ、バッテリーセルに接続され、バッテリーの異常、例えば過電流、を効果的に抑制する保護回路モジュール（ＰＣＭ）を有する。

ＰＣＭは、電流を制御するための切換デバイスとして作用する電界効果トランジスタ、および様々な受動デバイス、例えば電圧検出器、抵抗器およびキャパシタ、を備えてなる。ＰＣＭは、バッテリーの過充電、過放電および過電流を抑制し、それによって、バッテリーの爆発または過熱、液体の漏れ、および充電または放電特性の低下を防止する。さらに、ＰＣＭは、バッテリーの電気的特性の低下、および物理的および機械的な異常を抑制する。その結果、ＰＣＭは、バッテリーの危険性を排除しながら、その寿命を引き延ばすように作用する。

図１に、従来のリチウム二次バッテリーでＰＣＭをバッテリーセルに電気的に接続する組立方法を例示する。

図１に関して、バッテリーセル１は、その上側末端上に形成された、突き出たアノード（陰）またはカソード（陽）端子１ａ（ここではアノード端子を示す）、および反対の電極としてカソードまたはアノード端子を構成する外側ケースを備えてなる。バッテリーセル１は、バッテリーセル１とＰＣＭ４との間を電気的接続する２個の電極リード線２および３をさらに備えてなる。カソードリード線２は、バッテリーセル１の上側末端およびＰＣＭ４の下側末端に配置されたカソードタップ（図には示していない）に溶接されるのに対し、アノードリード線３は、バッテリーセル１のアノード端子１ａおよびＰＣＭ４の下側末端に配置されたアノードタップ（図には示していない）に接続される。アノードタップに接続されたアノードリード線３の他の部分とＰＣＭ４との間の接触により短絡が生じるのを防止するために、絶縁紙５がそれらの間に挿入される。

この構造では、バッテリーセルとＰＣＭとの間に電気的接続を確保するために、幾つかの溶接工程が必要である。すなわち、それぞれの電極リード線２および３をバッテリーセル１の電極端子に溶接し、次いで電極リード線２および３をＰＣＭ４の電極タップに溶接する必要がある。さらに、二次バッテリーは軽量で小型であるために、バッテリーの部品はサイズがさらに小さくなり、従って、そのような小型部品を溶接するには、熟練した技術または精密装置が必要であり、そのために組立工程が複雑になる。その結果、組み立て工程に長い時間が必要になり、組立不良の頻度も多くなる。その上、バッテリーセル１に溶接された電極リード線２および３を、ＰＣＭ４の下側末端にある電極タップに再度溶接するために、バッテリーキャップ（図には示していない）の側部表面上に溝を形成し、側部表面から関連する位置への通り道を設ける必要がある。しかし、溝は、異物（例えば水）の入口にもなり、バッテリーの誤作動または損傷を引き起こすこともある。

発明の概要
従って、本発明は、上記の問題を考慮してなされたものであり、本発明の目的は、バッテリーセルとＰＣＭを電気的に接続するための溶接操作および部品の数を少なくし、それによって、バッテリーパックを組み立てるための工程数を少なくし、組立時間を短縮することができる、電気的接続構造を提供することである。

本発明の別の目的は、上記の電気的接続構造に使用する新規な電気的接続部材を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、従来のバッテリー組立工程で必要な側部溶接溝を無くし、それによって、その溝を通って侵入する異物により引き起こされるバッテリーの誤作動または損傷を阻止するために、バッテリーセルとＰＣＭの間を電気的に接続する電気的接続構造を使用する、二次バッテリーパックを提供することである。

本発明の一態様により、上記の、および他の目的は、保護回路モジュール（ＰＣＭ）およびバッテリーセルを電気的に接続するための電気的接続構造であって、該ＰＣＭおよび該バッテリーセルを電気的に接続するのに使用する電気的接続部材、およびカソードリード線およびアノードリード線を備えてなり、該電気的接続部材が、該保護回路モジュールを該バッテリーセルから絶縁するための絶縁体を包含し、該カソードリード線および該アノードリード線が該絶縁体上に互いに電気的に絶縁された状態で取り付けられており、該カソードリード線および該アノードリード線の一方または両方が、該バッテリーセルの関連する電極端子に溶接されており、該ＰＣＭを該バッテリーセルに係合させた時に、該カソードおよびアノードリード線が、接触状態で、該ＰＣＭの関連する電極タップに接続される、電気的接続構造を提供することにより、達成することができる。

従って、本発明の電気的接続構造を使用するバッテリーパックを組み立てる時、電気的接続部材の電極リード線をバッテリーセルの電極端子に取り付けるための溶接だけを行い、電気的接続部材がＰＣＭに、それらの間の物理的な接触により、例えばそれらの間の機械的な係合により、電気的に接続されるので、溶接操作の数を著しく少なくし、電極リード線を電極タップに溶接するための側部溝を無くすことができる。さらに、本発明の電気的接続構造を使用する時、バッテリーセルの電極端子の、ＰＣＭの電極タップに電気的に接続された部分を除く他の部分絶縁するための追加の部材（例えば先行技術における絶縁紙）を用意する必要がないので、バッテリーパックの組立工程の数を著しく少なくすることができる。

好ましくは、絶縁体は長方形であり、カソードおよびアノードリード線が絶縁体上に取り付けられ、絶縁体の両側から伸び、それぞれ絶縁体の両側で絶縁体の上側および下側末端から予め決められた間隔を置いて配置されている。そのような構造で、接続部材をバッテリーセルとＰＣＭの間に取り付けると、バッテリーセルおよびＰＣＭは、電極リード線の予め決められた部分を除いて、絶縁体により電気的に絶縁される。

好ましくは、この構造で、カソードリード線および／またはアノードリード線の一部がバッテリーセルの電極端子の方向で下方に曲げられ、バッテリーセルの関連する電極端子と容易に接触し、それらの別の部分はＰＣＭの電極タップの方向で上方に曲げられ、ＰＣＭの関連する電極タップと容易に接触することができる。従って、電極リード線と電極端子を容易に溶接することができ、それらの間に電気的接続も容易に得られる。

好ましくは、絶縁体は、その中央に、下方に開いた開口部または通し穴が形成されており、２個の電極リード線の一方（ａ）が、絶縁体の近くに形成された下方に曲がった部分、および電極リード線の外側末端に形成された上方に曲がった部分を有し、他方（ｂ）が、絶縁体の下方に開いた開口部または通し穴に伸びる内側末端、および他の電極リード線の外側末端に形成された上方に曲がった部分を有する。この構造で、電極リード線（ａ）の下方に曲がった外側末端がバッテリーセルの関連する電極端子と接触し、電極リード線（ｂ）の内側末端が、下方に開いた開口部または通し穴を通して、バッテリーセルの別の関連する電極端子（例えば突き出た端子）と接触する。さらに、電極リード線の上方に曲がった外側末端は、ＰＣＭの関連する電極タップにそれぞれ接続される。

接続部材の、バッテリーセルの電極端子への溶接は、電極リード線の一方または両方に対して行うことができ、例えばレーザー溶接、抵抗溶接、等を使用して行うことができる。しかし、場合により、接続部材は、バッテリーセルの電極端子に、溶接の代わりに、はんだ付けにより接合することができるが、無論、これらの変形は、本発明の範囲から離れるものではない。

好ましくは、２個の電極リード線の、ＰＣＭの電極タップと接触する上方に曲がった部分は、２個の電極リード線の外側末端に位置し、２個の電極リード線の外側末端は、円弧状に内側に曲がっており、ＰＣＭの電極タップと弾性接触する。ＰＣＭの下側末端に形成された電極タップは、下方に向いた直角部分を有するので、電極リード線の円弧状に曲がった部分は、電極タップの下方に向いた直角部分と弾性的に接触する。

さらに、電極タップの直角部分は、接続部材の電極リード線に向かって突き出たエンボス構造を有するので、電極タップと電極リード線との間をさらに弾性的に接触させることができる。

特に、上記の実施態様のように、電極リード線の外側末端が円弧状に曲がった構造を有する場合、および／または電極タップの直角部分が、内側に向かって突き出たエンボス構造を有する場合、ＰＣＭをバッテリーセル上にさらに安定して取り付けることができる、という有利な効果がある。

本発明の電気的接続構造で、バッテリーセルの電極タップは、接続部材の電極リード線に、それらの間の物理的接触を通して電気的に接続することができる。この物理的接触は、ＰＣＭとバッテリーセルとの間の係合により固定される。ＰＣＭとバッテリーセルの係合は、ＰＣＭ、バッテリーセルまたは他の部材（例えばキャップハウジング）の特別な機械的係合構造、それらの間の接着、溶接、またははんだ付けを包含する様々な様式で行うことができる。

好ましくは、ＰＣＭは、保護回路が上に形成されている保護回路基材、および電極タップを、保護回路基材と電極タップの外側表面を保護するためのキャップハウジングと共に、インサート射出成形することにより形成された構造を有する。場合により、インサート射出成形は、安全装置、例えばＰＣＴ、等、を包含する状態で行うことができる。インサート射出成形されたＰＣＭの詳細な説明は、ここに参考として含める、本出願者の韓国特許出願第２００３−８８５２８号、第２００４−２６２５号、および第２００５−６８８６号に記載されている。この構造は、保護回路基材を中に埋め込んだキャップハウジングのインサート射出成形により形成されるので、キャップハウジングの下側末端はバッテリーセルと連結し、それによって、それらの間を機械的に係合させることができる。

上記のように、本発明は、電気的接続構造用の新規な電気的接続部材を提供する。その詳細な説明は上に記載してある。

本発明の別の態様では、電気的接続構造を使用して組み立てた二次バッテリーパックを提供する。本発明の二次バッテリーパックは、カソード／分離メンブラン／アノードの電極組立構造を有するバッテリーセルにＰＣＭを、上記の電気的接続構造を通して、取り付けることにより、製造される。

本発明のバッテリーセルは、充電および放電できるすべての二次バッテリーセルに応用することができ、好ましくは、バッテリーセルとＰＣＭとの間の外側係合表面に保護紙を取り付け、ＰＣＭをバッテリーセルに横方向で緊密に支持する。

本発明の上記の、および他の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。

好ましい実施態様の詳細な説明
ここで、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を説明する。無論、これらの実施態様は、例示の目的で開示するのであって、本発明の範囲を制限するものではない。

図２は、本発明の一実施態様による二次バッテリー用のＰＣＭ接続構造を例示する透視図である。

図２に関して、バッテリーセル１１は、その上側末端上中央に形成された、突き出たアノード端子１１ａ、およびカソード端子を構成する外側ケースを備えてなる。

ＰＣＭ１７とバッテリーセル１１との間を電気的に接続するための電気的接続部材１４は、長方形絶縁体１４、絶縁体１４の両側からそれぞれ伸びるカソードリード線１２およびアノードリード線１３を備えてなる。カソードリード線１２およびアノードリード線１３の内側末端は、絶縁体１４の中で互いに分離されているので、カソードリード線１２およびアノードリード線１３は、互いに電気的に絶縁されている。

カソードリード線１２は、絶縁体１４から予め決められた距離だけ伸び、次いで下方に曲がっている。従って、接続部材１４をバッテリーセル１１の上側末端上に取り付けると、カソードリード線１２の下方に曲がった部分がバッテリーセル１１の上側末端（すなわちカソード端子）と接触する。さらに、カソードリード線１２の外側末端は円弧形状に内側に向かって曲げられている。従って、カソードリード線１２の外側末端は、ＰＣＭ１７の下側末端から突き出たカソードタップ（図には示していない）と弾性接触することができる。

絶縁体１４の中央には、バッテリーセル１１のアノード端子１１ａに対応する位置で、通し穴が形成されている。アノードリード線１３の内側末端は、絶縁体１４の通し穴に伸びているので、接続部材１４をバッテリーセル１１の上側末端に取り付けた状態で、アノードリード線は、バッテリーセル１１のアノード端子１１ａと接触する。ところで、カソードリード線１２と異なり、アノードリード線１３には、下方に曲がった部分が形成されていない。代わりに、絶縁材料２０がバッテリーセル１１の関連する上側末端に取り付けられているので、アノードリード線の内側末端以外の部分がバッテリーセル１１の上側末端と接触する時に起こる電気的短絡が防止される。さらに、カソードリード線１２と同様に、カソードリード線１３の外側末端は、円弧状に曲がった構造を有するので、カソードリード線１３の外側末端は、ＰＣＭ１７の下側末端から突き出たアノードタップ（図には示していない）と弾性接触することができる。

ＰＣＭ１７は、内部に保護回路基材（図には示していない）を埋め込んだキャップハウジング用のインサート射出成形により形成された一体的な構造を有する。電極タップは、保護回路基材と共に、そこに接続された状態でインサート射出成形され、この時点で、電極タップの少なくとも一部は、ＰＣＭ１７の下側末端から露出しているので、電極タップは、電気的接続部材１４の電極リード線１２および１３に接続される。

電気的接続部材１４をバッテリーセル１１の上側末端上に取り付けた時、カソードリード線１２の下方に曲がった部分は、バッテリーセル１１の上側末端と接触し、アノードリード線１３の内側末端は、絶縁体１４の通し穴を経由してバッテリーセル１１のアノード端子１１ａと接触する。従って、これらの接触点の一方または両方を溶接すると、電気的接続部材１４はバッテリーセル１１上に取り付けられ、電極リード線１２および１３は、バッテリーセル１１の関連する電極端子（すなわち、バッテリーセルの上側表面のカソード端子および突き出たアノード端子１１ａ）に接続される。次いで、ＰＣＭ１７をバッテリーセル１１と、電気的接続部材１４を覆うように係合させると、追加の溶接操作を行わずに、電気的接続部材１４の電極リード線１２および１３を、ＰＣＭ１７の関連する電極タップに接続することができる。

図３は、電気的接続部材およびＰＣＭがバッテリーセルの上側末端上に取り付けられている垂直断面図およびその部分的拡大図である。

図３に関して、電気的接続部材１４およびＰＣＭ１７をバッテリーセル１１の上側末端上に取り付け、組み立てると、電気的接続部材１４のカソード端子１２が、ＰＣＭ１７のカソードタップ１５に接続され、電気的接続部材１４のアノード端子１３が、ＰＣＭ１７のアノードタップ１６に接続される。例えば、アノードタップ１６を曲げ、ＰＣＭ１７の保護回路基材に取り付けられている状態で、アノードタップの一表面上に下方に向いた直角部分１８を形成する。電気的接続部材１４のアノードリード線１３の上方に曲げられた部分（外側末端）は、アノードタップ１６の直角部分１８と接触する。特に、アノードタップ１６の直角部分１８は、内側に突き出たエンボス構造２４を有するので、アノードタップ１６の直角部分１８が、アノードリード線１３の上方に曲げられた部分と弾性接触する。それらの間の弾性接触により、ＰＣＭ１７とバッテリーセル１１との間の係合を強化する効果が得られる。

図４は、本発明の電気的接続構造を使用して二次バッテリーパックを組み立てる方法を例示するフローダイアグラムであり、図５は、この方法により組み立てられた二次バッテリーパックを例示する図である。

これらの図面に関して、絶縁材料２０をバッテリーセル１１の上側表面に取り付けた後（工程ａ）、カソードリード線１２およびアノードリード線１３を包含する電気的接続部材１４をバッテリーセル１１の上側表面上に取り付け、カソードリード線１２および／またはアノードリード線１３とバッテリーセル１１との間の接触点を溶接する（工程ｂ）。次いで、ＰＣＭ１７をバッテリーセル１１の上に取り付け、電気的接続部材１４を覆い、追加の溶接操作を行わずに、それらの間を電気的に接続する（工程ｃ）。取り付け工程の際、ＰＣＭ１７の下側固定突出部(latching jaw)１７ａが、バッテリーセル１１の上側外周部を取り囲むので、ＰＣＭ１７がバッテリーセル１１と係合し、バッテリーセル１１の、ＰＣＭ１７の固定突出部１７ａの外側表面を包含する上側外周表面を、透明テフロン材料から製造された保護紙１９により取り囲む（工程ｄ）。次いで、両面テープ（図には示していない）を使用して下側キャップ２３をバッテリーセル１１の下側末端に接着し（工程ｅ）、ラベル２１をバッテリーセル１１およびＰＣＭ１７の下側外周表面に取り付ける（工程ｆ）。ラベル２１は、バッテリーセルに対するＰＣＭ１７の結合力を強化するのみならず、バッテリーセル１１を保護するように作用する。さらに、ラベル２１は、バッテリーまたはその製造業者に関する情報を記録するための媒体としても作用する。

産業上の利用可能性
上記の説明から明らかなように、電気的接続構造を使用して二次バッテリーパックを製造する場合、バッテリーセルとＰＣＭの間を接続するための溶接操作および部品の数が、バッテリーパックの組立に要する工程および時間の数と共に低減され、それによって、製造コストおよび組立不良の頻度が低下する。さらに、本発明は、先行技術では必要な溶接操作のための側方溝を必要とせず、それによって、その溝を通して侵入する異物により引き起こされるバッテリーの誤作動や損傷が防止される。

本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲および精神から離れることなく、様々な修正、追加および置き換えが可能である。

図１は、従来のリチウム二次バッテリーでＰＣＭをバッテリーセルに電気的に接続するための組立方法を例示する透視図である。 図２は、本発明の一実施態様による二次バッテリー用のＰＣＭ接続構造を例示する透視図である。 図３は、本発明の一実施態様による、電気的接続部材およびＰＣＭがバッテリーセル上に取り付けられているバッテリーパックを例示する垂直断面図およびその部分的拡大図である。 図４は、本発明の電気的接続構造を使用して二次バッテリーパックを組み立てる方法を例示するフローダイアグラムである。 図５は、本発明の一実施態様によるバッテリーパックを例示する図である。

Claims (8)

1. 保護回路モジュール（ＰＣＭ）と、及びバッテリーセルを電気的に接続するための電気的接続構造であって、
   前記ＰＣＭと、及び前記バッテリーセルを電気的に接続するのに使用する電気的接続部材と、並びにカソードリード線と、及びアノードリード線を備えてなり、
   前記電気的接続部材が、前記保護回路モジュールを前記バッテリーセルから絶縁するための絶縁体を包含し、
   前記カソードリード線および前記アノードリード線が前記絶縁体上に互いに電気的に絶縁された状態で取り付けられており、
   前記カソードリード線および前記アノードリード線の一方または両方が、前記バッテリーセルの関連する電極端子に溶接されており、
   前記ＰＣＭを前記バッテリーセルに係合させた時に、前記カソードおよびアノードリード線が、接触状態で、前記ＰＣＭの関連する電極タップに接続されてなり、
   前記カソードおよびアノードリード線が前記絶縁体上に取り付けられ、前記絶縁体の両側から伸び、それぞれ前記絶縁体の両側で前記絶縁体の上側末端および下側末端から予め決められた間隔を置いて配置されてなり、
   前記カソードリード線および／または前記アノードリード線の一部が前記バッテリーセルの前記電極端子の方向で下方に曲げられ、前記バッテリーセルの関連する電極端子と容易に接触し、前記カソードリード線および／または前記アノードリード線の別の部分が前記ＰＣＭの前記電極タップの方向で上方に曲げられ、前記ＰＣＭの関連する電極タップと容易に接触してなり、
   前記絶縁体に、その中央で、下方に開いた開口部または通し穴が形成されており、前記２個の電極リード線の一方が、前記絶縁体の近くに形成された下方に曲がった部分、および前記電極リード線の外側末端に形成された上方に曲がった部分を有し、前記２個の電極リード線の他方が、前記絶縁体の下方に開いた開口部または通し穴に伸びる内側末端、および前記他方の電極リード線の外側末端に形成された上方に曲がった部分を有してなるものである、電気的接続構造。
2. 前記２個の電極リード線の、前記ＰＣＭの前記電極タップと接触する上方に曲がった部分が、前記２個の電極リード線の外側末端に位置し、前記２個の電極リード線の外側末端が円弧状に内側に曲がっており、前記ＰＣＭの前記電極タップと弾性接触する、請求項１に記載の電気的接続構造。
3. 前記ＰＣＭの前記電極タップが、下方に向いた直角部分、および前記接続部材の前記電極リード線に向かって突き出たエンボス構造をそれぞれ備えてなる、請求項１に記載の電気的接続構造。
4. 前記ＰＣＭと前記バッテリーセルの係合が、前記ＰＣＭ、前記バッテリーセルまたは他の部材の特別な機械的係合構造、前記ＰＣＭ、前記バッテリーセルまたは他の部材の間の接着、溶接、またははんだ付けにより行われる、請求項１に記載の電気的接続構造。
5. 前記ＰＣＭが、保護回路が上に形成されている保護回路基材、および前記電極タップを、前記保護回路基材と前記電極タップの外側表面を保護するためのキャップハウジングと共に、インサート射出成形することにより形成された構造を有する、請求項１に記載の電気的接続構造。
6. ＰＣＭとバッテリーセルを電気的に接続する電気的接続部材であって、
   前記ＰＣＭを前記バッテリーセルから絶縁するための絶縁体と、及び
   前記絶縁体上に互いに電気的に絶縁された状態で取り付けられたカソードリード線およびアノードリード線を備えてなり、
   前記カソードリード線および前記アノードリード線の一方または両方が、前記バッテリーセルの関連する電極端子に溶接されており、
   前記ＰＣＭを前記バッテリーセルに係合させた時に、前記カソードおよびアノードリード線が、接触状態で、前記ＰＣＭの関連する電極タップに接続されてなり、
   前記カソードおよびアノードリード線が前記絶縁体上に取り付けられ、前記絶縁体の両側から伸び、それぞれ前記絶縁体の両側で前記絶縁体の上側末端および下側末端から予め決められた間隔を置いて配置されてなり、
   前記カソードリード線および／または前記アノードリード線の一部が前記バッテリーセルの前記電極端子の方向で下方に曲げられ、前記バッテリーセルの関連する電極端子と容易に接触し、前記カソードリード線および／または前記アノードリード線の別の部分が前記ＰＣＭの前記電極タップの方向で上方に曲げられ、前記ＰＣＭの関連する電極タップと容易に接触してなり、
   前記絶縁体に、その中央で、下方に開いた開口部または通し穴が形成されており、前記２個の電極リード線の一方が、前記絶縁体の近くに形成された下方に曲がった部分、および前記電極リード線の外側末端に形成された上方に曲がった部分を有し、前記２個の電極リード線の他方が、前記絶縁体の下方に開いた開口部または通し穴に伸びる内側末端、および前記他方の電極リード線の外側末端に形成された上方に曲がった部分を有してなるものである、電気的接続部材。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気的接続構造を使用して組み立てた二次バッテリーパック。
8. 前記バッテリーセルと前記ＰＣＭとの間の外側係合表面に保護紙を取り付け、前記ＰＣＭを前記バッテリーセルに横方向で緊密に支持する、請求項７に記載の二次バッテリーパック。

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