JP5517084B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は電源システムに関し、特に、汎用の電源装置を用いて構成された電源システムに関する。

特許文献１に開示されている蓄電システムのように、太陽電池の発電電力による充電と、商用の電力系統からの電力による充電を選択的に行うように構成された蓄電システムが開発されている。そして、太陽電池の発電電力による充電では、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御を行いながら、蓄電池の充電が行われる。また、商用の電力系統からの電力による充電では、充電電流の電流値を所定の値に維持しながら、蓄電池の充電が行われる。ＭＰＰＴ制御は、太陽電池の発電電力を効率的に取り出すための制御である。ＭＰＰＴ制御として、電圧追従法、山登り法、増分コンダクタンス法等が知られている。

特開２０１１−２０００９６号公報

このような蓄電システムでは、太陽電池の発電電力による充電を行うための回路と、商用の電力系統からの電力による充電を行うための回路が必要となり、システムが大規模化してしまう。また、電源の供給源に応じてＭＰＰＴ制御や定電流制御を行なう必要があるため、汎用の電源装置をそのまま使用することができない。
そこで、本発明は、汎用の電源装置を用いて、ＭＰＰＴ制御や定電流制御を行なうことができる電源システムを提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明の電源システムは、交流電力を直流電力に変換する整流回路及び直流電力の電圧値を変換する変換回路からなり、当該変換回路の入力電流又は出力電流の電流値に関する信号を出力する出力端子と当該変換回路の出力電圧を調整するための入力端子を備えた電源装置を用いて構成された電源システムであって、前記整流回路に電力系統からの電力又は太陽電池の発電電力を選択的に供給するための切換回路と、前記太陽電池の発電電力を効率的に取り出すために、当該太陽電池から出力される電圧の目標値を第１の指令値として出力する目標値生成回路と、前記太陽電池から出力される電圧と前記第１の指令値が入力され、前記太陽電池から出力される電圧の電圧値を前記第１の指令値に一致させるための第２の指令値を出力する第１の演算回路と、前記出力端子から出力される信号と基準電圧又は前記出力端子から出力される信号と前記第２の指令値が入力され、前記出力端子から出力される信号の電圧値を前記基準電圧の電圧値又は前記第２の指令値に一致させるための第３の指令値を出力する第２の演算回路とを備え、前記変換回路の出力電圧は、前記入力端子を介して入力される前記第３の指令値に基づいて制御されることを特徴とする。

また、本発明の電源システムは、前記整流回路に電力系統からの電力が供給されているとき、前記基準電圧が前記第２の演算回路に入力され、前記整流回路に太陽電池の発電電力が供給されているとき、前記第２の指令値が前記第２の演算回路に入力されることを特徴とする。

また、本発明の電源システムは、目標値生成回路から出力される前記第１の指令値に代えて、固定の電圧値を第１の演算回路に入力するようにしたこと特徴とする。

また、本発明の電源システムは、交流電力を直流電力に変換する整流回路及び直流電力の電圧値を変換する変換回路からなり、当該変換回路の入力電流又は出力電流の電流値に関する信号を出力する出力端子と当該変換回路の出力電圧を調整するための入力端子を備えた電源装置を用いて構成された電源システムであって、太陽電池の発電電力を効率的に取り出すために、当該太陽電池から出力される電圧の目標値を第１の指令値として出力する目標値生成回路と、前記太陽電池から出力される電圧と前記第１の指令値が入力され、前記太陽電池から出力される電圧の電圧値を前記第１の指令値に一致させるための第２の指令値を出力する第１の演算回路と、前記出力端子から出力される信号と前記第２の指令値が入力され、前記出力端子から出力される信号の電圧値を前記第２の指令値に一致させるための第３の指令値を出力する第２の演算回路とを備え、太陽電池から出力される電力は、前記整流回路を介して前記変換回路に供給され、前記変換回路の出力電圧は、前記入力端子を介して入力される前記第３の指令値に基づいて制御されることを特徴とする。

本発明によれば、汎用の電源装置を用いて、太陽電池を電力の供給源とする電源回路と商用の電力系統を電力の供給源とする電源回路を構成することができる。更に、これらの電源回路では、汎用の電源装置を共用することができる。このため、太陽電池用と商用の電力系統用の回路を個別に設ける必要がなくなり、安価な電源システムを提供することができる。

また、本発明の電源システムは、商用の電力系統からの電力による充電では、蓄電池に定電流を流すように制御しながら、蓄電池の充電を行うことができ、一方、太陽電池からの電力による充電では、太陽電池から高効率で発電電力を取り出せるように制御しながら、蓄電池の充電を行うことができる。

（ａ）は、汎用の電源装置を用いた電源システムの構成を示すブロック図、（ｂ）はＤＣＤＣコンバータの構成を示すブロック図である。 図１に示すＭＰＰＴ制御回路に代えて、固定電圧を出力する電圧源を用いた電源システムの構成を示す図である。

＜電源システムの第1の実施形態＞
以下図面を参照して、本発明による電源システムを実施するための第1の実施形態について説明する。本発明は、電流情報が出力される出力端子と、出力電圧を調整するための入力端子を備えた電源装置を用いて電源システムを構成するものである。

［電源システムの構成］
図１（ａ）は、汎用の電源装置を用いた電源システムの構成を示すブロック図、図１（ｂ）は、ＤＣＤＣコンバータの構成を示すブロック図である。 図１（ａ）に示すように、この電源システム１において、電源装置１０の入力には、電力系統２１からの電力又は太陽電池２２の発電電力が、切換回路ＳＷ１を介して選択的に入力される。電源装置１０の出力には、蓄電池２３が接続されている。切換回路ＳＷ１としては、リレー又は半導体のスイッチング素子等を用いることができる。

電源装置１０は、整流回路１１、力率改善回路１２及びＤＣＤＣコンバータ１３で構成されている。整流回路１１は、電力系統２１の交流電力を直流電力に変換する回路であり、ダイオードブリッジ回路で構成されている。尚、太陽電池２２から供給される電力は直流であるが、太陽電池２２からの電力も整流回路１１を介して電源装置１０内に供給される。つまり、太陽電池２２からの電力供給では、直流電力が整流回路１１に入力され、整流回路１１は直流電力を出力する。力率改善回路１２は、力率を改善するための回路であり、昇圧チョッパー回路等で構成される。ＤＣＤＣコンバータ１３は、直流電力の電圧を変換するための回路である。

電源装置１０は、出力端子Ｔ１と入力端子Ｔ２を備えている。出力端子Ｔ１は、ＤＣＤＣコンバータ１３の入力電流又は出力電流に関する情報を出力するための端子である。入力端子Ｔ２は、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力電圧を調整するための端子である。図１（ａ）に示すように、電源装置１０の入力端子Ｔ２は、電源装置１０内の演算増幅回路１４の一方の入力端子に接続されている。また、演算増幅回路１４の他方の入力端子は、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力に接続されている。演算増幅回路１４の出力端子から出力される電圧制御信号Ｓ３はＤＣＤＣコンバータ１３に入力される。演算増幅回路１４は、前記他方の入力端子に入力されているＤＣＤＣコンバータ１３の出力電圧が、入力端子Ｔ２を介して前記一方の入力端子に入力される第３の指令値Ｓ２と一致するように電圧制御信号Ｓ３の電圧値を制御（調整）する。演算増幅回路１４から出力される電圧制御信号Ｓ３は、ＤＣＤＣコンバータ１３のスイッチング制御回路（図示せず）に入力される。スイッチング制御回路は、演算増幅回路１４から与えられる電圧制御信号Ｓ３に基づいてＤＣＤＣコンバータ１３の出力電圧を制御する。

図１（ｂ）に示すように、ＤＣＤＣコンバータ１３は、スイッチング回路３１とトランス３２と整流回路３３及びスイッチング制御回路（図示せず）から構成されている。スイッチング制御回路は、スイッチング回路３１に含まれるスイッチング素子（ＦＥＴ等）のスイッチング動作を制御する。スイッチング制御回路は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御又はＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）制御等の制御を行う。尚、ＤＣＤＣコンバータ１３の回路構成としては、ＤＣＤＣコンバータとして既に知られている種々の回路構成を用いることができる。

ＤＣＤＣコンバータ１３の入力電流又は出力電流は、これらの電流が流れる経路に接続されたシャント抵抗又はカレントトランス等を用いて検出される。出力端子Ｔ１から出力される電流情報信号Ｓ１は、検出された入力電流又は出力電流の電流値に基づいて生成される。例えば、ＤＣＤＣコンバータ１３の入力電流を検出するときは、スイッチング回路３１に供給される入力電流が流れる経路に、シャント抵抗又はカレントトランスを接続する。また、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力電流を検出するときは、整流回路３３を介して出力される出力電流が流れる経路中に、シャント抵抗又はカレントトランスを接続する。シャント抵抗による電流検出では、シャント抵抗を流れる入力電流又は出力電流を、シャント抵抗の両端の電圧に基づいて検出する。また、カレントトランスによる電流検出では、カレントトランスの一次側の巻線に流れる入力電流又は出力電流を、二次側巻線の両端に接続された抵抗の両端に発生する電圧に基づいて検出する。このようにして検出された電圧値が、電流情報信号Ｓ１として出力端子Ｔ１から出力される。

図１（ａ）に示すＭＰＰＴ制御回路２５は、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御を行うための回路である。ＭＰＰＴ制御回路２５は、例えば、ＡＤ（アナログ／デジタル）コンバータ及びＤＡ（デジタル／アナログ）コンバータを備えたマイクロコンピュータを用いて構成することができる。マイクロコンピュータは、切換回路ＳＷ１を介して太陽電池２２から与えられる電力の電圧値（出力電圧の電圧値）と、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力端子Ｔ１から出力される電流情報信号Ｓ１の電圧値（入力電流又は出力電流に相当する電圧値）をＡＤコンバータによりデジタル値に変換する。マイクロコンピュータは、電流情報信号Ｓ１の電圧値をデジタル変換したデジタル値に基づいて、太陽電池２２の出力電力を求める。更に、マイクロコンピュータは、太陽電池２２の出力電力が最大になるような出力電圧の目標値を求める。この出力電圧の目標値は、ＤＡコンバータにより電圧信号に変換され、第１の指令値Ｓ５として出力される。尚、マイクロコンピュータは、電圧追従法、山登り法、増分コンダクタンス法等に基づいて太陽電池２２の出力電圧の目標値を求める。このように、ＭＰＰＴ制御回路２５は、太陽電池２２から出力される電圧の目標値を第１の指令値Ｓ５として出力する目標値生成回路を構成する。

第１の演算回路２６は、太陽電池２２の出力電圧とその目標値に基づいて、第２の指令値Ｓ４を出力する演算増幅回路である。第１の演算回路２６の一方の入力端子には太陽電池２２の出力電圧が入力され、他方の入力端子にはＭＰＰＴ制御回路２５から与えられる第１の指令値Ｓ５が入力される。

第１の演算回路２６は、太陽電池２２の出力電圧の電圧値が、第１の指令値Ｓ５の電圧値と一致するように第２の指令値Ｓ４の電圧値を制御（調整）する。第１の演算回路２６から出力される第２の指令値Ｓ４は、切換回路ＳＷ２を介して第２の演算回路２４の一方の入力端子に入力される。尚、第２の演算回路２４の一方の入力端子には、切換回路ＳＷ２を介して、第２の指令値Ｓ４と基準電圧Ｖｒｅｆが選択的に入力される。第２の演算回路２４の他方の入力端子には、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力端子Ｔ１が接続されている。第２の演算回路２４は、電流情報信号Ｓ１と第２の指令値Ｓ４に基づいて、又は電流情報信号Ｓ１と基準電圧Ｖｒｅｆに基づいて、第３の指令値Ｓ２を出力する演算増幅回路である。第２の演算回路２４は、電流情報信号Ｓ１の電圧値と第２の指令値Ｓ４の電圧値が一致するように、又は電流情報信号Ｓ１の電圧値と基準電圧Ｖｒｅｆが一致するように第３の指令値Ｓ２の電圧値を制御（調整）する。第２の演算回路２４から出力される第３の指令値Ｓ２は、電源装置１０の入力端子Ｔ２に出力される。

基準電圧Ｖｒｅｆは、電力系統２１が電力の供給源である場合に、蓄電池２３を充電する充電電流の電流値を、所定の電流値に維持するためのものである。従って、電力系統２１が電力の供給源である場合、第２の演算回路２４の入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。一方、太陽電池２２が電力の供給源である場合、第２の演算回路２４の入力端子には、第２の指令値Ｓ４が入力される。尚、切換回路ＳＷ１と切換回路ＳＷ２は、連動して切り替えられるように構成されている。

［電力系統による充電］
以下に、電力系統２１からの電力が電源装置１０に供給される場合の電源システム１の動作について説明する。切換回路ＳＷ１を介して電力系統２１からの電力が電源装置１０に供給される場合、切換回路ＳＷ２は、基準電圧Ｖｒｅｆ側に接続される。従って、第２の演算回路２４の一方の入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。また、第２の演算回路２４の他方の入力端子には、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力端子Ｔ１から出力される電流情報信号Ｓ１が入力される。

第２の演算回路２４は、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力端子Ｔ１から出力される入力電流又は出力電流に対応する電流情報信号Ｓ１と基準電圧Ｖｒｅｆに基づいて第３の指令値Ｓ２を出力する。即ち、第２の演算回路２４は、電流情報信号Ｓ１の電圧値を基準電圧Ｖｒｅｆに一致させるように第３の指令値Ｓ２の電圧値を制御（調整）する。第３の指令値Ｓ２は、電源装置１０の入力端子Ｔ２に入力される。

電源装置１０内の演算増幅回路１４は、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力電圧と第３の指令値Ｓ２に基づいて電圧制御信号Ｓ３を出力する。演算増幅回路１４は、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力電圧を第３の指令値Ｓ２の電圧値に一致させるように電圧制御信号Ｓ３の電圧値を制御（調整）する。電圧制御信号Ｓ３は、ＤＣＤＣコンバータ１３内のスイッチング制御回路に入力される。スイッチング制御回路は、電圧制御信号Ｓ３に基づいてＤＣＤＣコンバータ１３の出力電圧を制御する。これにより、ＤＣＤＣコンバータ１３から蓄電池２３に供給される充電電流は、基準電圧Ｖｒｅｆに基づいた電流値に維持される。このように、電力系統２１からの電力が電源装置１０に供給される場合には、蓄電池２３に定電流を供給する制御が行なわれる。

［ＭＰＰＴ制御回路］
ＭＰＰＴ制御として、電圧追従法、山登り法、増分コンダクタンス法等が知られている。例えば、電圧追従法の場合、ＭＰＰＴ制御回路２５は、太陽電池２２の種類及び開放時（無負荷時）の出力電圧に基づいて決定される出力電圧の目標値を出力する。山登り法の場合は、太陽電池２２から出力される電力が最大になるように、第１の指令値Ｓ５を増加又は減少させる。増分コンダクタンス法の場合は、電力−電圧曲線の傾きに基づいて、太陽電池２２から出力される電力が最大になるポイントを求める。そして、このポイントに近づくように、第１の指令値Ｓ５を増加又は減少させる。この方法では、電力−電圧曲線の傾きが０になるポイントで、太陽電池２２から出力される電力が最大になるという特性を利用している。尚、太陽電池２２から出力される電力は、太陽電池２２の出力電圧及び出力端子Ｔ１から出力される電流情報信号Ｓ１に基づいて算出される。ＭＰＰＴ制御回路２５をマイクロコンピュータにより構成する場合には、電圧追従法、山登り法又は増分コンダクタンス法に基づいたＭＰＰＴ制御を実行するためのプログラムがマイクロコンピュータのメモリに組み込まれる。

また、ＭＰＰＴ制御回路２５は、太陽電池２２の電力について以下のような方法により算出することが可能である。例えば、太陽電池２２の電力は、ＤＣＤＣコンバータ１３の入力電流と入力電圧に基づいて、又は、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力電流と出力電圧に基づいて求めることができる。又、ＤＣＤＣコンバータ１３の入力電圧は、通常、ほぼ一定の電圧値になる。従って、この一定の電圧値を記憶しておけば、ＤＣＤＣコンバータ１３の入力電流の電流値を検出することにより、太陽電池２２の電力を求めることができる。つまり、出力端子Ｔ１から出力される電流情報信号Ｓ１が、ＤＣＤＣコンバータ１３の入力電流に関する情報である場合は、ＤＣＤＣコンバータ１３の入力電圧を記憶しておき、この入力電圧と出力端子Ｔ１から出力される電流情報に基づいて太陽電池２２の出力電力を算出する。一方、出力端子Ｔ１から出力される電流情報信号Ｓ１が、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力電流に関する情報である場合は、出力端子Ｔ１から出力される電流情報信号Ｓ１とＤＣＤＣコンバータ１３の出力電圧に基づいて太陽電池２２の出力電力を算出する。尚、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力に蓄電池２３が接続されている場合、蓄電池２３の電圧は所定の電圧値とほぼ一致するため、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力電圧を検出せずに、前もって設定されている所定の電圧値に基づいて、太陽電池２２の出力電力を算出するようにしてもよい。

［太陽電池による充電］
切換回路ＳＷ１を介して太陽電池２２の発電電力が電源装置１０に供給される場合、ＭＰＰＴ制御回路２５は、ＭＰＰＴ制御を実行して太陽電池２２から最大の発電電力を取り出すための太陽電池２２の出力電圧を指示する信号である第１の指令値Ｓ５を出力する。第１の演算回路２６は、太陽電池２２の出力電圧と第１の指令値Ｓ５を一致させるような出力電圧を、第２の指令値Ｓ４として出力する。第１の演算回路２６から出力される第２の指令値Ｓ４は、切換回路ＳＷ２を介して第２の演算回路２４に入力される。従って、第２の演算回路２４は、出力端子Ｔ１から出力される電流情報信号Ｓ１と第２の指令値Ｓ４に基づいて第３の指令値Ｓ２を出力する。第２の演算回路２４は、電流情報信号Ｓ１の電圧値を第２の指令値Ｓ４の電圧値に一致させるように第３の指令値Ｓ２の電圧値を制御する。

このように、ＭＰＰＴ制御回路２５は、太陽電池２２から高効率で発電電力を取り出すための第１の指令値Ｓ５を出力する。そして、ＤＣＤＣコンバータ１３の出力電圧は、太陽電池２２から最大の発電電力が取り出されるように制御される。

＜電源システムの第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態では、ＭＰＰＴ制御回路２５から出力される第１の指令値Ｓ５に代えて、予め定められた電圧値を第１の演算回路２６に入力するようにしている。以下に図２を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。

図２に示すよう、第１の演算回路２６には、固定の電圧Ｖｒｅｆ２が入力される。ＭＰＰＴ制御回路２５から出力される第１の指令値Ｓ５に代えて、電圧Ｖｒｅｆ２を用いた場合、ＭＰＰＴ制御回路２５がある場合と比較して、発電電力の取り出し効率は多少低下するが、ＭＰＰＴ制御回路２５が不要になるため、電源システムの回路構成が簡素化される。

以上述べたように、本発明によれば、太陽電池の発電電力による充電と商用の電力系統からの電力による充電を汎用の電源装置を用いた１つの回路で行うことができる。このため、太陽電池用と商用の電力系統用の回路を個別に設ける必要がなくなり、電力システムを安価に構成することができる。

また、本発明の電力システムは、商用の電力系統からの電力による充電では、蓄電池に定電流を流すように制御して充電効率を高め、一方、太陽電池からの電力による充電では、太陽電池から高効率で発電電力を取り出せるように制御するため、入力される電源の形態に即した電力システムを提供することが可能となる。

この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。例えば、第１の実施形態及び第２の実施形態では、出力に蓄電池２３を接続したが、出力に蓄電池２３以外のものを接続してもよい。また、切換回路ＳＷ１を設けずに、太陽電池からの電力による充電だけ行なう電源システムと使用してもよい。

１、２ 電力システム
１０ 電源装置
１１ 整流回路
１２ 力率改善回路
１３ ＤＣＤＣコンバータ
１４ 演算増幅回路
２１ 電力系統
２２ 太陽電池
２３ 蓄電池
２４ 第２の演算回路（演算増幅回路）
２５ ＭＰＰＴ制御回路
２６ 第１の演算回路（演算増幅回路）
Ｔ１ 出力端子
Ｔ２ 入力端子
ＳＷ１、ＳＷ２ 切換回路
Ｖｒｅｆ 基準電圧
Ｖｒｅｆ２ 固定電圧
Ｓ１ 電流情報信号
Ｓ２ 第３の指令値
Ｓ３ 電圧制御信号
Ｓ４ 第２の指令値
Ｓ５ 第１の指令値

Claims (4)

1. 交流電力を直流電力に変換する整流回路及び直流電力の電圧値を変換する変換回路からなり、当該変換回路の入力電流又は出力電流の電流値に関する信号を出力する出力端子と当該変換回路の出力電圧を調整するための入力端子を備えた電源装置を用いて構成された電源システムであって、
   前記整流回路に電力系統からの電力又は太陽電池の発電電力を選択的に供給するための切換回路と、
   前記太陽電池の発電電力を効率的に取り出すために、当該太陽電池から出力される電圧の目標値を第１の指令値として出力する目標値生成回路と、
   前記太陽電池から出力される電圧と前記第１の指令値が入力され、前記太陽電池から出力される電圧の電圧値を前記第１の指令値に一致させるための第２の指令値を出力する第１の演算回路と、
   前記出力端子から出力される信号と基準電圧又は前記出力端子から出力される信号と前記第２の指令値が入力され、前記出力端子から出力される信号の電圧値を前記基準電圧の電圧値又は前記第２の指令値に一致させるための第３の指令値を出力する第２の演算回路とを備え、
   前記変換回路の出力電圧は、前記入力端子を介して入力される前記第３の指令値に基づいて制御されることを特徴とする電源システム。
2. 前記整流回路に電力系統からの電力が供給されているとき、前記基準電圧が前記第２の演算回路に入力され、前記整流回路に太陽電池の発電電力が供給されているとき、前記第２の指令値が前記第２の演算回路に入力されることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記目標値生成回路から出力される前記第１の指令値に代えて、固定の電圧値を第１の演算回路に入力するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電源システム。
4. 交流電力を直流電力に変換する整流回路及び直流電力の電圧値を変換する変換回路からなり、当該変換回路の入力電流又は出力電流の電流値に関する信号を出力する出力端子と当該変換回路の出力電圧を調整するための入力端子を備えた電源装置を用いて構成された電源システムであって、
   太陽電池の発電電力を効率的に取り出すために、当該太陽電池から出力される電圧の目標値を第１の指令値として出力する目標値生成回路と、
   前記太陽電池から出力される電圧と前記第１の指令値が入力され、前記太陽電池から出力される電圧の電圧値を前記第１の指令値に一致させるための第２の指令値を出力する第１の演算回路と、
   前記出力端子から出力される信号と前記第２の指令値が入力され、前記出力端子から出力される信号の電圧値を前記第２の指令値に一致させるための第３の指令値を出力する第２の演算回路とを備え、
   太陽電池から出力される電力は、前記整流回路を介して前記変換回路に供給され、
   前記変換回路の出力電圧は、前記入力端子を介して入力される前記第３の指令値に基づいて制御されることを特徴とする電源システム。

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