JP5708576B2 - 絶縁低下検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、車体と高電圧回路との絶縁抵抗の低下を検出する絶縁低下検出装置に関する。
従来、ハイブリッド自動車や電気自動車のように、高電圧のバッテリ系（高電圧回路）を備える車両では、乗員等の安全性を確保するために、車体と高電圧回路との絶縁抵抗の低下を検出する装置が設けられている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１では、高電圧回路中の所定の一点に接続されたカップリングコンデンサに対して、所定の出力インピーダンスを介して所定周波数の交流電圧を印加した際に、カップリングコンデンサの他端における対地電位の振幅レベルの変動に基づいて、車体と高電圧回路との絶縁低下を検出する方式を採用している。
また、特許文献１では、カップリングコンデンサの他端と、車体と高電圧回路との絶縁低下を判定する判定部との間に、高電圧回路側からの高電圧ノイズを除去するために、バンドパスフィルタやハイパスフィルタといったアナログフィルタが接続されている。
ところで、特許文献１では、高電圧回路側からの高電圧ノイズを除去するフィルタとして、アナログフィルタを採用しているが、アナログフィルタは、例えば、フィルタを構成する各素子の温度変動や経年劣化等によって、フィルタ特性が変化することから、車体と高電圧回路との絶縁抵抗の検出精度が低いといった問題がある。なお、アナログフィルタに温度補償型の素子を追加することで、車体と高電圧回路との絶縁低下の検出精度の向上を図ることも考えられるが、フィルタの回路構成が複雑化してしまいコスト増大を招く要因となる。
また、対地電位の測定点であるカップリングコンデンサの他端から、高電圧回路側からの高電圧ノイズが侵入することあるため、絶縁抵抗の低下を判定するマイコン等の判定部を保護する保護回路を設けると共に、当該保護回路を、高耐圧性を有する素子等で構成する必要があり、回路構成がさらに複雑化してしまう虞がある。
上記点に鑑みて、本発明は、簡素な構成で、耐圧性を確保しつつ、車体と高電圧回路との絶縁抵抗低下の検出精度の向上を図ることが可能な絶縁低下検出装置を提供することを目的とする。
本発明は、車体（１００）と高電圧回路（１）との絶縁抵抗（３）の低下を検出する絶縁低下検出装置を対象としている。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、高電圧回路における所定の一点に一端（２１ａ）が接続されるカップリングコンデンサ（２１）と、所定の出力インピーダンス（２２１）を介して、所定周波数の交流電圧をカップリングコンデンサの他端（２１ｂ）に印加する発振回路部（２２）と、カップリングコンデンサの他端の対地電位の振幅レベルの変化に基づいて、車体と高電圧回路との絶縁抵抗の低下を判定する判定部（２３１）と、カップリングコンデンサの他端と判定部の信号入力部（２３１ａ）との間に接続されて、判定部に入力される対地電位に含まれるノイズを除去するデジタルフィルタ（２３２）と、カップリングコンデンサの他端とデジタルフィルタの信号入力部（２３２ａ）との間に接続され、デジタルフィルタにおけるエイリアシングの発生を抑制するエイリアシング抑制回路部（２４）と、高電圧回路から侵入する高電圧ノイズから判定部、およびデジタルフィルタを保護するための保護回路部（２５）と、を備える。そして、エイリアシング抑制回路部は、カップリングコンデンサの他端に接続された抵抗器（２４１）を含んでローパスフィルタとして構成され、保護回路部は、カップリングコンデンサの他端とデジタルフィルタの信号入力部との間において、抵抗器よりもデジタルフィルタの信号入力部側に接続されていることを特徴としている（請求項１）。また、エイリアシング抑制回路部は、カップリングコンデンサの前記他端に接続された抵抗器（２４１）と、一端が抵抗器とデジタルフィルタの信号入力部との間に接続され、他端が車体に接地された接地コンデンサ（２５１）とで構成され、保護回路部は、接地コンデンサ（２５１）を含んで構成されていることを特徴としている（請求項３）。
これによれば、カップリングコンデンサの他端における対地電位に含まれるノイズを除去するフィルタを、アナログフィルタよりもＳＮ比の高いデジタルフィルタ、およびデジタルフィルタにおけるエイリアシングを抑制するエイリアシング抑制回路部で構成しているので、判定部において、カップリングコンデンサの他端における対地電位を精度よく検出することが可能となる。
これに加えて、高電圧ノイズが侵入した際に、カップリングコンデンサの他端よりも低い電位となるエイリアシング抑制回路の抵抗器とデジタルフィルタの信号入力部との間に保護回路部を接続しているので、高耐圧性を有する素子等で保護回路部を構成しなくとも、耐圧性を確保することが可能となる。
従って、簡素な構成で耐圧性を確保しつつ、車体と高電圧回路との絶縁抵抗低下の検出精度の向上を図ることが可能となる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態に係る絶縁低下検出装置２は、車両に搭載される高電圧回路１と車体１００との間の絶縁抵抗の低下を検出する装置であり、ハイブリッド自動車や電気自動車等のように高圧バッテリ１１を搭載している車両に適用される。
第１実施形態について説明する。本実施形態に係る絶縁低下検出装置２は、車両に搭載される高電圧回路１と車体１００との間の絶縁抵抗の低下を検出する装置であり、ハイブリッド自動車や電気自動車等のように高圧バッテリ１１を搭載している車両に適用される。
高電圧回路１は、車両の走行用駆動源等の各種電気負荷１０、および各種電気負荷１０に電力を供給する高圧バッテリ１１を有して構成されている。高圧バッテリ１１は、例えば、リチウムイオン電池等が複数直列に接続された電池群として構成され、高電圧（例えば、３００Ｖ）を発生させる電源である。
高電圧回路１の高圧バッテリ１１は、基本的に車体１００から電気的に絶縁されているものの、高電圧回路１の各構成部材と車体１００との間に、例えば、数ＭΩ以上の対地絶縁抵抗３が存在する。なお、説明の便宜のため、図１では、対地絶縁抵抗３が、高圧バッテリ１１の負極側に接続されるものとして図示している。
絶縁低下検出装置２は、高電圧回路１の高圧バッテリ１１の低圧側（負極端子）に接続されており、高電圧回路１と車体１００との間の対地絶縁抵抗３の低下を検出するものである。
絶縁低下検出装置２は、カップリングコンデンサ２１、発振回路部２２、制御回路部２３、エイリアシング抑制回路部２４、保護回路部２５を備える。
カップリングコンデンサ２１は、高電圧回路１と絶縁低下検出装置２とを絶縁する役割を果たしており、カップリングコンデンサ２１の一端２１ａが、高電圧回路１の高圧バッテリ１１の負極側に接続されている。
発振回路部２２は、所定周波数（例えば、２．５Ｈｚ）の交流電圧（例えば、５Ｖ）を生成して出力するもので、所定の抵抗値（例えば、１００〜１５０Ω）を有する出力インピーダンス２２１を介してカップリングコンデンサ２１の他端２１ｂに接続されている。つまり、発振回路部２２は、所定周波数の交流電圧を、出力インピーダンス２２１を介してカップリングコンデンサ２１の他端２１ｂに印加するように構成されている。
制御回路部２３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなるマイクロコンピュータ、およびその周辺機器で構成され、ＲＯＭ等の記憶手段に記憶された制御プログラムに従って各種処理を実行するものである。
本実施形態の制御回路部２３は、車体１００と高電圧回路１との絶縁抵抗の低下を判定する判定部２３１、および判定部２３１に入力される対地電位に含まれるノイズを除去するデジタルフィルタ２３２を備える。
判定部２３１は、カップリングコンデンサ２１の他端２１ｂにおける対地電位の振幅レベルの変化に基づいて、車体１００と高電圧回路との絶縁抵抗の低下を判定する。例えば、判定部２３１に入力される電位の振幅が、予め定めた基準電位よりも高くなった場合に、対地絶縁抵抗３が低下していると判定する。
デジタルフィルタ２３２は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、当該デジタル信号に含まれるノイズを除去するもので、カップリングコンデンサ２１の他端２１ｂと判定部２３１の信号入力部２３１ａとの間に接続されている。本実施形態のデジタルフィルタ２３２は、所定の周波数に対応する周波数成分を抽出して判定部２３１に入力するように構成されている。なお、デジタルフィルタ２３２としては、ＦＩＴ（Finite impulse Response）フィルタ等を採用することができる。
ここで、判定部２３１に入力されるノイズを除去するフィルタとして、アナログフィルタを用いる場合、温度変動や経年劣化等の影響によって、例えば、図２に示すように、絶縁抵抗の変動に伴い判定部２３１における対地電位の検出誤差が大きくなってしまう虞がある。
これに対して、本実施形態のように、判定部２３１に入力されるノイズを除去するフィルタとして、デジタルフィルタ２３２を用いる場合、温度変動や経年劣化等の影響を受け難いので、例えば、図３に示すように、絶縁抵抗が変動したとしても、判定部２３１における対地電位の検出誤差を小さくすることが可能となる。このように、アナログフィルタよりも高いＳＮ比を実現可能なデジタルフィルタ２３２を採用することで、判定部２３１におけるカップリングコンデンサ２１の他端２１ｂにおける対地電位を精度よく検出することが可能となる。
エイリアシング抑制回路部２４は、デジタルフィルタ２３２においてアナログ信号をデジタル信号に変換する際に、エイリアシングが発生することを抑制する回路であり、カップリングコンデンサ２１の他端２１ｂとデジタルフィルタ２３２の信号入力部２３２ａとの間に接続されている。
本実施形態では、エイリアシング抑制回路部２４を、アナログ信号から予め定めた基準周波数以上となる周波数成分をエイリアシングノイズとして除去し、デジタルフィルタ２３２へ出力するローパスフィルタで構成している。なお、基準周波数は、デジタルフィルタ２３２のサンプリング周波数の半分以上に設定されている。
具体的には、本実施形態では、図４に示すように、エイリアシング抑制回路部２４を、カップリングコンデンサ２１の他端２１ｂに接続された抵抗器２４１、および後述する保護回路部２５を構成する接地コンデンサ２５１といった受動素子からなる受動型フィルタ（パッシブフィルタ）で構成している。なお、本実施形態のエイリアシング抑制回路部２４は、接地コンデンサ２５１を保護回路部２５と共用している。
保護回路部２５は、高電圧回路１側から侵入する高電圧ノイズから制御回路部２３の判定部２３１、およびデジタルフィルタ２３２を保護するものである。保護回路部２５は、カップリングコンデンサ２１の他端２１ｂとデジタルフィルタ２３２の信号入力部２３２ａとの間において、エイリアシング抑制回路部２４の抵抗器２４１よりもデジタルフィルタ２３２の信号入力部２３２ａ側に接続されている。
本実施形態の保護回路部２５は、一端がエイリアシング抑制回路部２４の抵抗器２４１とデジタルフィルタ２３２の信号入力部２３２ａとの間に接続され、他端が車体１００に接地された接地コンデンサ２５１で構成されている。
次に、本実施形態の絶縁低下検出装置２の作動を説明する。
まず、高電圧回路１と車体１００との間に絶縁低下が生じていない場合、対地絶縁抵抗３が大きいので、出力インピーダンス２２１における電圧降下が小さく、カップリングコンデンサ２１の他端２１ｂにおける対地電位が小さい状態となる。このため、制御回路部２３の判定部２３１にて検出する対地電位の振幅が小さくなるので、判定部２３１が対地絶縁抵抗３の絶縁低下が生じていないと判定する。
一方、高電圧回路１と車体１００との間に絶縁低下が生じている場合、対地絶縁抵抗３が小さくなり、出力インピーダンス２２１が分担する交流電圧の電圧降下分が増大する。このため、制御回路部２３の判定部２３１にて検出する対地電位の振幅が大きくなるので、判定部２３１が対地絶縁抵抗３の絶縁低下が生じていると判定する。
ここで、高電圧回路１から絶縁低下検出装置２へ高電圧ノイズが印加された際の絶縁低下検出装置２の内部における電位変化について説明する。
例えば、高電圧回路１とカップリングコンデンサ２１の一端２１ａとの間（図１のＡ点）に、図５に示す矩形波（例えば、数百Ｖ）が高電圧ノイズとして印加された場合、図１のＢ点における電位は、図６に示すように変化する。一方、仮に、図１のＢ点に図５に示す矩形波が高電圧ノイズとして印加された場合には、図１のＣ点における電位は、図７に示すように変化する。
図１のＡ点に、図５に示す矩形波が高電圧ノイズとして印加された場合、図１のＣ点における電位は、図８の実線で示すように、図６に示す電位変化（図８の一点鎖線）と図７に示す電位変化（図８の二点鎖線）の範囲内で変化する。
つまり、高電圧回路１から絶縁低下検出装置２に高電圧ノイズが印加されたとしても、図１のＣ点に接続された保護回路部２５における電位は、図１のＢ点に示す電位に比べて大幅に小さくなる。このため、仮に保護回路部２５を低耐圧の素子等で構成したとしても、制御回路部２３の判定部２３１、およびデジタルフィルタ２３２を保護することが可能となる。
以上説明した本実施形態の絶縁低下検出装置２によれば、カップリングコンデンサ２１の他端２１ｂにおける対地電位に含まれるノイズを除去するフィルタを、アナログフィルタよりもＳＮ比の高いデジタルフィルタ２３２、およびデジタルフィルタ２３２におけるエイリアシングを抑制するエイリアシング抑制回路部２４で構成しているので、判定部２３１において、カップリングコンデンサ２１の他端２１ｂにおける対地電位を精度よく検出することが可能となる。
これに加えて、高電圧ノイズが侵入した際に、カップリングコンデンサ２１の他端２１ｂよりも低い電位となるエイリアシング抑制回路部２４の抵抗器２４１とデジタルフィルタ２３２の信号入力部２３２ａとの間に保護回路部２５を接続しているので、高耐圧性を有する素子等で保護回路部２５を構成しなくとも、耐圧性を確保することが可能となる。
従って、簡素な構成で耐圧性を確保しつつ、車体１００と高電圧回路１との絶縁抵抗低下の検出精度の向上を図ることが可能となる。
また、本実施形態では、保護回路部２５とエイリアシング抑制回路部２４とで接地コンデンサ２５１を共用する構成としているので、絶縁低下検出装置２をより簡素な構成で実現することができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
次に、第２実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
本実施形態では、図９の回路図に示すように、保護回路部２５を、接地コンデンサ２５１、およびクランプダイオード２５２ａ、２５２ｂからなる電圧リミッタ回路２５２で構成している。
この電圧リミッタ回路２５２は、接地コンデンサ２５１よりもデジタルフィルタ２３２の信号入力部２３２ａ側に接続され、デジタルフィルタ２３２に入力される電圧（振幅）を制限するものである。
本実施形態によれば、保護回路部２５に電圧リミッタ回路２５２を追加しているので、高電圧回路１側から侵入する高電圧ノイズから制御回路部２３の判定部２３１、およびデジタルフィルタ２３２をより適切に保護することができる。
なお、電圧リミッタ回路２５２は、クランプダイオード２５２ａ、２５２ｂに限らず、図１０の回路図に示すように、ツエナーダイオード２５２ｃにより構成してもよい。また、図示しないが、電圧リミッタ回路２５２を、クランプダイオード２５２ａ、２５２ｂおよびツエナーダイオード２５２ｃの双方を用いて構成してもよい。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
本実施形態では、図１１に示すように、エイリアシング抑制回路部２４を、抵抗器２４１、接地コンデンサ２５１に加えて、能動素子であるオペアンプ２４２ａ、受動素子である抵抗２４２ｂ〜２４２ｄ、コンデンサ２４２ｅで構成される増幅回路２４２からなる能動型フィルタ（アクティブフィルタ）で構成している。なお、本実施形態では、保護回路部２５が、エイリアシング抑制回路部２４におけるカップリングコンデンサ２１の他端２１ｂに接続された抵抗器２４１と、増幅回路２４２との間に接続される。
その他の構成は、第１、第２実施形態と同様であり、本実施形態の構成によれば、第１、第２実施形態と同様の作用効果を奏する。なお、図１１では、電圧リミッタ回路２５２をクランプダイオード２５２ａ、２５２ｂで構成しているが、図１２の回路図に示すように、ツエナーダイオード２５２ｃにより構成してもよい。
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第３実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
次に、第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第３実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
本実施形態では、図１３の回路図に示すように、保護回路部２５を、接地コンデンサ２５１、およびスイッチング素子２５３ａからなる過電流防止部（過電流防止手段）２５３で構成している。
過電流防止部２５３は、接地コンデンサ２５１よりもデジタルフィルタ２３２の信号入力部２３２ａ側に接続され、高電圧回路１側から高電圧ノイズが印加された際に、スイッチング素子２５３ａをオンして、接地コンデンサ２５１とデジタルフィルタ２３２との間を短絡接地するように構成されている。
本実施形態によれば、保護回路部２５に過電流防止部２５３を追加しているので、高電圧ノイズに伴う過電流が判定部２３１やデジタルフィルタ２３２に流れることを防止することができる。この結果、高電圧回路１側から侵入する高電圧ノイズから制御回路部２３の判定部２３１、およびデジタルフィルタ２３２をより適切に保護することができる。
なお、図１３では、過電流防止部２５３を、高電圧回路１側から高電圧ノイズが印加された際に、接地コンデンサ２５１とデジタルフィルタ２３２との間を短絡接地する構成としているが、これに限定されない。例えば、図１４に示すように、高電圧回路１側から高電圧ノイズが印加された際に、スイッチング素子２５３ａをオフして、接地コンデンサ２５１とデジタルフィルタ２３２との間を電気的な接続状態を遮断する構成としてもよい。
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、種々変形可能である。例えば、以下のように種々変形することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、種々変形可能である。例えば、以下のように種々変形することができる。
（１）上述の各実施形態で説明したエイリアシング抑制回路部２４および保護回路部２５は、あくまでも一例に過ぎず、それぞれの機能を発揮可能な構成であれば適宜採用することができる。
（２）上述の各実施形態の如く、保護回路部２５とエイリアシング抑制回路部２４とで接地コンデンサ２５１を共用する構成とすることが望ましいが、これに限らず、個別に用意してもよい。
（３）上述の各実施形態では、カップリングコンデンサ２１の一端２１ａを高電圧回路１の高圧バッテリ１１の低圧側（負極端子）に接続する例を説明したが、これに限らず、高電圧回路１における任意の部位に、カップリングコンデンサ２１の一端２１ａを接続してもよい。
（４）上述の各実施形態は、可能な範囲で適宜組み合せることができる。
１ 高電圧回路
１００ 車体
２ 絶縁低下検出装置
２１ カップリングコンデンサ
２２ 発振回路部
２３１ 判定部
２３２ デジタルフィルタ
２４ エイリアシング抑制回路部
２４１ 抵抗器
２５ 保護回路部
１００ 車体
２ 絶縁低下検出装置
２１ カップリングコンデンサ
２２ 発振回路部
２３１ 判定部
２３２ デジタルフィルタ
２４ エイリアシング抑制回路部
２４１ 抵抗器
２５ 保護回路部
Claims (5)
- 車体（１００）と高電圧回路（１）との絶縁抵抗（３）の低下を検出する絶縁低下検出装置であって、
前記高電圧回路における所定の一点に一端（２１ａ）が接続されるカップリングコンデンサ（２１）と、
所定の出力インピーダンス（２２１）を介して、所定周波数の交流電圧を前記カップリングコンデンサの他端（２１ｂ）に印加する発振回路部（２２）と、
前記カップリングコンデンサの前記他端の対地電位の振幅レベルの変化に基づいて、前記車体と前記高電圧回路との絶縁抵抗の低下を判定する判定部（２３１）と、
前記カップリングコンデンサの前記他端と前記判定部の信号入力部（２３１ａ）との間に接続されて、前記判定部に入力される前記対地電位に含まれるノイズを除去するデジタルフィルタ（２３２）と、
前記カップリングコンデンサの前記他端と前記デジタルフィルタの信号入力部（２３２ａ）との間に接続され、前記デジタルフィルタにおけるエイリアシングの発生を抑制するエイリアシング抑制回路部（２４）と、
前記高電圧回路から侵入する高電圧ノイズから前記判定部、および前記デジタルフィルタを保護するための保護回路部（２５）と、を備え、
前記エイリアシング抑制回路部は、前記カップリングコンデンサの前記他端に接続された抵抗器（２４１）を含んでローパスフィルタとして構成され、
前記保護回路部は、前記カップリングコンデンサの前記他端と前記デジタルフィルタの信号入力部との間において、前記抵抗器よりも前記デジタルフィルタの信号入力部側に接続されていることを特徴とする絶縁低下検出装置。 - 前記保護回路部は、一端が前記抵抗器と前記デジタルフィルタの信号入力部との間に接続され、他端が前記車体に接地された接地コンデンサ（２５１）を含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁低下検出装置。
- 車体（１００）と高電圧回路（１）との絶縁抵抗（３）の低下を検出する絶縁低下検出装置であって、
前記高電圧回路における所定の一点に一端（２１ａ）が接続されるカップリングコンデンサ（２１）と、
所定の出力インピーダンス（２２１）を介して、所定周波数の交流電圧を前記カップリングコンデンサの他端（２１ｂ）に印加する発振回路部（２２）と、
前記カップリングコンデンサの前記他端の対地電位の振幅レベルの変化に基づいて、前記車体と前記高電圧回路との絶縁抵抗の低下を判定する判定部（２３１）と、
前記カップリングコンデンサの前記他端と前記判定部の信号入力部（２３１ａ）との間に接続されて、前記判定部に入力される前記対地電位に含まれるノイズを除去するデジタルフィルタ（２３２）と、
前記カップリングコンデンサの前記他端と前記デジタルフィルタの信号入力部（２３２ａ）との間に接続され、前記デジタルフィルタにおけるエイリアシングの発生を抑制するエイリアシング抑制回路部（２４）と、
前記高電圧回路から侵入する高電圧ノイズから前記判定部、および前記デジタルフィルタを保護するための保護回路部（２５）と、を備え、
前記エイリアシング抑制回路部は、前記カップリングコンデンサの前記他端に接続された抵抗器（２４１）と、一端が前記抵抗器と前記デジタルフィルタの信号入力部との間に接続され、他端が前記車体に接地された接地コンデンサ（２５１）とで構成され、
前記保護回路部は、前記接地コンデンサ（２５１）を含んで構成されていることを特徴とする絶縁低下検出装置。 - 前記保護回路部は、ダイオード（２５２ａ、２５２ｂ）およびツエナーダイオード（２５２ｃ）の少なくとも一方を有していることを特徴とする請求項２または３に記載の絶縁低下検出装置。
- 前記保護回路部は、前記高電圧回路から高電圧ノイズが侵入した際に、前記高電圧ノイズに伴う過電流が前記判定部および前記デジタルフィルタに流れることを防止する過電流防止手段（２５３）を有していることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の絶縁低下検出装置。
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