JP5724308B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置に関する。

従来、この種の駆動装置としては、三相交流により駆動するモータＭＧ１，ＭＧ２と、複数のスイッチング素子を有しモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動するインバータと、バッテリと、バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧コンバータと、バッテリに入出力されるバッテリ電流を検出する電流センサと、バッテリの電圧を検出する電圧センサとを備え、モータＭＧ１，ＭＧ２のそれぞれのトルク指令値と回転数とを乗じて算出した電力の和を電圧センサにより検出されるバッテリの電圧で除すことによりバッテリ電流の推定値を算出し、算出した推定値と電流センサにより検出されるバッテリ電流の検出値とに基づいてインバータの１相オープン故障を判定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この駆動装置では、推定値と検出値との偏差が所定の閾値を超える場合に所定期間に亘って検出値と推定値との大小を比較して、検出値が推定値を上回るＨレベルの信号と検出値が推定値を下回るＬレベルの信号とを生成し、ＬレベルからＨレベルへの立ち上がりの間隔に基づいてバッテリ電流の周波数を算出する。そして、算出した周波数がモータＭＧ１，ＭＧ２のいずれの回転数に同期しているかを判定し、同期していると判定したモータを駆動するインバータに１相オープン故障が生じていると判定するものとしている。

特開２０１０−１７８５５６号公報

しかしながら、上述の駆動装置では、検出値が推定値を下回るＬレベルから検出値が推定値を上回るＨレベルへの立ち上がりを抽出することによりバッテリ電流の周波数を算出するから、検出値と推定値との偏差が閾値を大きく超えた場合にはその立ち上がりを適切に抽出できずバッテリ電流の周波数を算出できなくなってしまう。その場合、１相オープン故障が生じているインバータを正確に特定できないおそれがある。また、バッテリに入出力される電流にはインバータ以外に昇圧コンバータも影響を与えることから、インバータだけではなく昇圧コンバータの故障についても正確に特定できることが求められる。

本発明の駆動装置は、インバータと昇圧コンバータとを備える装置において、装置の故障を検出すると共に故障箇所をより正確に特定することを主目的とする。

本発明の駆動装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の駆動装置は、
三相交流により駆動される一以上の電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記電動機を駆動する一以上のインバータと、バッテリと、前記バッテリが接続された低電圧系と前記インバータが接続された高電圧系との間で電圧を変換する昇圧コンバータと、前記低電圧系に流れる電流を検出する低電圧系電流検出手段と、前記電動機の各相に流れる相電流を検出する相電流検出手段と、前記バッテリに充放電が許容される許容範囲内で前記電動機が駆動されるよう前記インバータと前記昇圧コンバータとを制御する制御手段と、を備える駆動装置において、
前記電動機が駆動されている最中に前記低電圧系電流検出手段により前記バッテリの前記許容範囲を超える充放電が検出された場合、前記相電流検出手段により一周期以上の所定期間に亘って検出される相電流の絶対値の最大値を比較することにより各相電流が互いに一致するか否かを前記電動機毎に判定し、前記各相電流が一致しない電動機があるときには該各相電流が一致しない電動機を駆動するインバータのスイッチング素子がオープンしているオープン故障と判定し、前記各相電流が一致しない電動機がないときには前記昇圧コンバータの故障と判定する
ことを特徴とする。

この本発明の駆動装置では、電動機が駆動されている最中に低電圧系電流検出手段によりバッテリの許容範囲を超える充放電が検出された場合、相電流検出手段により一周期以上の所定期間に亘って検出される相電流の絶対値の最大値を比較することにより各相電流が互いに一致するか否かを電動機毎に判定し、各相電流が一致しない電動機があるときには各相電流が一致しない電動機を駆動するインバータのスイッチング素子がオープンしているオープン故障と判定し、各相電流が一致しない電動機がないときには昇圧コンバータの故障と判定する。インバータのオープン故障の判定は、インバータのスイッチング素子のいずれかがオープン故障した場合に、オープンしているスイッチング素子には電流が流れなくなるため、各相電流の波形が大きくばらつくことに基づいている。したがって、いずれのインバータにオープン故障が生じているのかをより正確に特定することができ、また、オープン故障が生じているインバータを特定できないときには昇圧コンバータの故障と特定することができる。この結果、装置の故障を検出すると共に故障箇所をより正確に特定することができる。

本発明の一実施例としての駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。 電子制御ユニット５０により実行される故障判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。 インバータにオープン故障が生じたときの相電流の電流波形を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の駆動装置２０は、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載され、永久磁石が貼り付けられた回転子と三相コイルが巻回された固定子とを有する同期発電電動機として構成された二つのモータＭＧ１，ＭＧ２と、複数のスイッチング素子のオンオフによりモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動する二つのインバータ２４，２５と、バッテリ２６と、バッテリ２６が接続された低電圧系電力ライン２７とインバータ２４，２５が接続された高電圧系電力ライン２８との間で電圧を変換して電力のやり取りが可能な昇圧コンバータ３０と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット５０と、を備える。インバータ２４，２５は、スイッチング素子として高電圧系電力ライン２８の正極母線と負極母線とに対して２個ずつペアで配置された６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜２６と、トランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６の各々に逆方向に並列接続された６つのダイオードＤ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６とにより構成されている。これらの６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６は、対となるトランジスタ同士の接続点の各々にモータＭＧ１，ＭＧ２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。また、昇圧コンバータ３０は、高電圧系電力ライン２８の正極母線に接続されたトランジスタＴ３１および負極母線に接続されたトランジスタＴ３２と、このトランジスタＴ３１，Ｔ３２の各々に逆方向に並列接続されたダイオードＤ３１，Ｄ３２と、トランジスタＴ３１，Ｔ３２の接続点に接続されると共に低電圧系電力ライン２７の正極母線に接続されたリアクトルＬとにより構成されている。また、電子制御ユニット５０は、バッテリ２６の出力端子に取り付けられた電流センサ４８からのバッテリ電流Ｉｂやバッテリ２６の端子間に取り付けられた電圧センサ４６からのバッテリ電圧Ｖｂ、昇圧コンバータ３０の出力側にインバータ２４，２５に並列に接続されたコンデンサ３２の端子間に取り付けられた電圧センサ４４からの高電圧系の電圧ＶＨ、モータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置を検出するレゾルバ４０，４１からの回転位置θ１，θ２、モータＭＧ１，ＭＧ２の三相コイルのＶ相，Ｗ相を流れる相電流を検出する電流センサ４２Ｖ，４２Ｗ，４３Ｖ，４３Ｗからの相電流ｉｖ１，ｉｗ１，ｉｖ２，ｉｗ２などを入力すると共にインバータ２４，２５や昇圧コンバータ３０を制御するための制御信号を出力する。この電子制御ユニット５０では、三相交流電流の各相電流の瞬時値の和が値０となることに基づいて、電流センサ４２Ｖ，４２Ｗからの相電流ｉｖ１，ｉｗ１を用いてモータＭＧ１のＵ相に流れる相電流ｉｕ１を算出したり、電流センサ４３Ｖ，４３Ｗからの相電流ｉｖ２，ｉｗ２を用いてモータＭＧ２のＵ相に流れる相電流ｉｕ２を算出したりする。なお、本実施例では、二つのモータＭＧ１，ＭＧ２とそれを駆動する二つのインバータ２４，２５とを備えるものとしたが、一つのモータとそれを駆動する一つのインバータとを備えるものとしてもよいし、三つ以上の複数のモータとそれを駆動する三つ以上の複数のインバータとを備えるものとしてもよい。

実施例の駆動装置２０では、電流センサ４８からのバッテリ電流Ｉｂの積算値に基づいてバッテリ２６に蓄えられている蓄電量の全容量（蓄電容量）に対する割合である蓄電割合ＳＯＣを演算したり、演算した蓄電割合ＳＯＣと図示しない温度センサからのバッテリ温度とに基づいてバッテリ２６を充放電してもよい最大許容電力である入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを演算したりする。また、モータＭＧ１，ＭＧ２から出力すべきトルクとしての各トルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊をバッテリ２６の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの範囲内で設定し、設定した各トルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊に基づいてインバータ２４，２５をスイッチング制御するための制御信号を出力する。具体的には、例えばモータＭＧ１について説明すると、各相の相電流ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１と回転位置θ１とに基づいて各相電流をｄ軸電流およびｑ軸電流に三相二相変換し、トルク指令Ｔｍ１＊に基づいてｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を設定し、変換したｄ軸電流と設定したｄ軸電流指令との偏差および変換したｑ軸電流と設定したｑ軸電流指令との偏差が小さくなるようフィードバック制御によりｄ軸電圧指令およびｑ軸電圧指令をそれぞれ設定し、設定したｄ軸電圧指令，ｑ軸電圧指令を各相の相電圧指令に二相三相変換し、変換した各相の相電圧指令に応じた電圧がモータＭＧ１の各相に印加されるようインバータ２４のスイッチング素子をスイッチング制御するための制御信号を出力する。また、コンデンサ３２の電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊に近付くよう昇圧コンバータ３０をスイッチング制御するための制御信号を出力する。具体的には、モータＭＧ１，ＭＧ２の各トルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊や各回転位置θ１，θ２から算出される各回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２に基づいてインバータ２４，２５に印加すべき電圧としての目標電圧ＶＨ＊を設定し、高電圧系の電圧ＶＨと目標電圧ＶＨ＊との偏差が小さくなるようフィードバック制御によりデューティを設定し、設定したデューティに応じたオン時間の割合をもって昇圧コンバータ３０のスイッチング素子をスイッチング制御するための制御信号を出力する。

次に、こうして構成された実施例の駆動装置２０の動作、特に、インバータ２４，２５や昇圧コンバータ３０の故障を判定する際の動作について説明する。図２は、電子制御ユニット５０により実行される故障判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

故障判定ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、まず、電流センサ４８から入力されるバッテリ電流Ｉｂを監視し（ステップＳ１００）、バッテリ電流Ｉｂがバッテリ２６に入出力が許容される電流の上下限値としての許容電流Ｉｉｎ，Ｉｏｕｔにより定まる電流範囲から外れるか否かを判定することにより過電流を検出する（ステップＳ１１０）。ここで、許容電流Ｉｉｎ，Ｉｏｕｔは、バッテリ２６の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを電圧センサ４６からのバッテリ電圧Ｖｂで除すことにより算出した値を用いるものとした。なお、低電圧系電力ライン２７の電流を監視して過電流を検出できればよく、バッテリ電流Ｉｂに代えて、昇圧コンバータ３０のリアクトルＬとトランジスタＴ３１，Ｔ３２の接続点との間に取り付けた電流センサからのリアクトル電流を用いるものなどとしてもよい。ステップＳ１１０で過電流を検出したときには、インバータ２４，２５，昇圧コンバータ３０のいずれかに故障が生じていると判断し、所定期間が経過するまでモータＭＧ１，ＭＧ２の各相に流れる相電流ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１，ｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２を入力し入力した各相電流の絶対値の最大値をそれぞれ最大相電流ｉｕ１ｍａｘ，ｉｖ１ｍａｘ，ｉｗ１ｍａｘ，ｉｕ２ｍａｘ，ｉｖ２ｍａｘ，ｉｗ２ｍａｘとして保持する処理を繰り返す（ステップＳ１２０，１３０）。ここで、所定期間は、１周期以上の期間であればよく、本実施例では１周期とした。このステップＳ１２０，１３０の処理は、例えば相電流ｉｕ１について説明すると、所定期間（ここでは１周期）に亘って相電流ｉｕ１を順次入力し、入力した相電流ｉｕ１の絶対値｜ｉｕ１｜と保持している最大相電流ｉｕ１ｍａｘとを比較して、絶対値｜ｉｕ１｜が大きければその値を最大相電流ｉｕ１ｍａｘとして更新し、絶対値｜ｉｕ１｜が大きくなければ最大相電流ｉｕ１ｍａｘをそのまま保持する処理となる。このため、結果的には、１周期における相電流ｉｕ１の正側のピークと負側のピークとのうち絶対値が大きい方を最大相電流ｉｕ１ｍａｘに設定する処理となる。ステップＳ１３０で所定期間が経過したと判定すると、モータＭＧ１，ＭＧ２毎に各相の最大相電流をそれぞれ比較し（ステップＳ１４０）、電流センサ４２Ｖ，４２Ｗ，４３Ｖ，４３Ｗの検出誤差などを考慮してモータＭＧ１，ＭＧ２毎に各相の最大相電流がそれぞれ一致するか否か（ｉｕ１ｍａｘ≒ｉｖ１ｍａｘ≒ｉｗ１ｍａｘ，ｉｕ２ｍａｘ≒ｉｖ２ｍａｘ≒ｉｗ２ｍａｘ）を判定する（ステップＳ１５０）。モータＭＧ１あるいはモータＭＧ２の各相の最大相電流が一致しないと判定したときには、最大相電流が一致しないモータがモータＭＧ１，ＭＧ２のいずれであるかを判定する（ステップＳ１６０）。最大相電流が一致しないモータがモータＭＧ１のときには、モータＭＧ１を駆動するインバータ２４のスイッチング素子のいずれかがオープンしているオープン故障と判定して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。一方、最大相電流が一致しないモータがモータＭＧ２のときには、モータＭＧ２を駆動するインバータ２５のスイッチング素子のいずれかがオープンしているオープン故障と判定して（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ１５０でモータＭＧ１およびモータＭＧ２の各相の最大相電流がいずれも一致すると判定したときには、インバータ２４，２５にオープン故障は生じていないと判断し、昇圧コンバータ３０に故障が生じていると判定して（ステップＳ１９０）、本ルーチンを終了する。なお、昇圧コンバータ３０の故障としては、トランジスタＴ３１，Ｔ３２のオンオフのタイミング不良などが挙げられる。

ここで、上述した故障判定ルーチンにおける判定理由について説明する。上述した故障判定ルーチンでは、バッテリ電流Ｉｂの過電流を検出した場合にインバータ２４，２５，昇圧コンバータ３０のいずれかに故障が生じていると判断しており、まずはこの理由について説明する。インバータ２４，２５のいずれかにオープン故障が生じてモータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかの各相電流に乱れが生じた場合、コンデンサ電圧ＶＨが大きく変動することによりバッテリ電流Ｉｂも大きく変動するから、入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの近傍で駆動制御がなされている場合などにおいてはバッテリ電流Ｉｂが過電流となる可能性がある。また、昇圧コンバータ３０の故障として挙げられるトランジスタＴ３１，Ｔ３２のオンオフのタイミング不良により、例えば昇圧中にトランジスタＴ３２のオン時間の割合が設定したデューティに応じたオン時間の割合よりも大きくなると、オン時間に比例して電流が増加するリアクトルＬには過大な電流が流れることになるから、バッテリ電流Ｉｂが過電流となるおそれがある。これらのことから、過電流を検出した場合には、インバータ２４，２５，昇圧コンバータ３０のいずれかに故障が生じていると判断しているのである。次に、インバータ２４，２５のオープン故障の判定理由について説明する。ここで、インバータのスイッチング素子の一つにオープン故障が生じたときの電流波形の一例を図３に示す。図３では、オープン故障の一例として、モータＭＧ２のＶ相に接続されるインバータ２５のトランジスタＴ２２がオープン故障したときの電流波形を示す。インバータ２５にオープン故障が生じていない正常時には、モータＭＧ２の各相には正弦波状の相電流が印加される。しかし、インバータ２５のトランジスタＴ２２がオープン故障すると、トランジスタＴ２２をオフ駆動すると共にトランジスタＴ２５をオン駆動するときには他のＵ相，Ｗ相のトランジスタＴ２１，Ｔ２３のオン駆動によってＶ相に相電流が印加されるが、トランジスタＴ２２をオン駆動すると共にトランジスタＴ２５をオフ駆動するときにはトランジスタＴ２２をオン状態にさせることができずトランジスタＴ２２，Ｔ２５が共にオフとなるためＶ相に相電流が印加されないことになる。このため、図３に示すように、Ｖ相の電流波形は半波の波形となる。そして、このようなオープン故障時においても、三相交流電流の各相電流の瞬時値の和は値０となるため、他のＵ相，Ｗ相の相電流が大きくばらついて、所定期間（図３中の１周期）における各相の最大相電流が相異した値になる。上述した故障判定ルーチンでは、このような最大相電流の相異を検出することにより、オープン故障が生じたインバータを特定しているのである。一方で、バッテリ電流Ｉｂの過電流の検出により故障箇所をインバータ２４，２５，昇圧コンバータ３０のいずれかに絞っているから、インバータ２４，２５のオープン故障を特定できない場合には、昇圧コンバータ３０の故障と判定するのである。これらのことから、インバータ２４，２５のオープン故障であるかあるいは昇圧コンバータ３０の故障であるかを正確に特定することができる。そして、このように故障している機器を正確に特定できるため、故障が特定された機器をシャットダウン（ゲート遮断）させることなどによりバッテリ２６に過電流が流れるのを防止することができるから、バッテリ２６の適切な保護を図ることも可能となる。上述した故障判定ルーチンにおいて、バッテリ電流Ｉｂを監視してバッテリ２６への過電流を検出した上で、インバータ２４，２５のオープン故障や昇圧コンバータ３０の故障を判定するのはこうした理由による。

また、図示しないが、実施例の駆動装置２０が搭載されて、エンジンと、モータＭＧ１と、エンジンの出力軸にキャリアが接続されると共にモータＭＧ１の回転軸にサンギヤが接続され且つ車軸に連結された駆動軸にリングギヤが接続された遊星歯車機構と、駆動軸に接続されたモータＭＧ２とを備えるハイブリッド車を考えると、上述したように故障箇所を正確に特定することができるから故障が発生した場合に適切な退避走行をすることができる。例えば、インバータ２４の故障が特定されたときにはインバータ２４をシャットダウンしてインバータ２５の制御によりモータＭＧ２を駆動して走行する退避走行をしたり、インバータ２５の故障が特定されたときにはインバータ２５をシャットダウンしてインバータ２４の制御によりモータＭＧ１を駆動してエンジンからの動力により走行する退避走行をしたり、昇圧コンバータ３０の故障が特定されたときには昇圧コンバータ３０をシャットダウンしてバッテリ２６からの電力を昇圧を伴わずにインバータ２４，２５側に供給してインバータ２４，２５の制御によりモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動して走行する退避走行をしたりすることができる。

以上説明した実施例の駆動装置２０によれば、モータＭＧ１，ＭＧ２が駆動されている最中にバッテリ電流Ｉｂを監視してバッテリ２６への過電流を検出した場合、所定期間に亘ってモータＭＧ１，ＭＧ２の各相電流を検出し、その絶対値の最大相電流をモータＭＧ１，ＭＧ２毎に比較して各相の最大相電流が互いに一致するか否かをそれぞれ判定し、各相の最大相電流が一致しないモータがあればインバータ２４，２５のうち各相の最大電流が一致しないモータを駆動するインバータのオープン故障と判定し、各相の最大相電流が一致しないモータがないときにはインバータ２４，２５にオープン故障は生じていないと判断して昇圧コンバータ３０の故障と判定するから、いずれのインバータにオープン故障が生じているのかをより正確に特定することができ、また、オープン故障が生じているインバータを特定できないときに昇圧コンバータの故障を特定することができる。この結果、装置の故障を検出すると共に故障箇所をより正確に特定することができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータＭＧ１やモータＭＧ２が「電動機」に相当し、インバータ２４やインバータ２５が「インバータ」に相当し、バッテリ２６が「バッテリ」に相当し、昇圧コンバータ３０が「昇圧コンバータ」に相当し、バッテリ電流Ｉｂを検出する電流センサ４８が「低電圧系電流検出手段」に相当し、モータＭＧ１，ＭＧ２の相電流を検出する電流センサ４２Ｖ，４２Ｗ，４３Ｖ，４３Ｗが「相電流検出手段」に相当し、インバータ２４，２５や昇圧コンバータ３０を制御する電子制御ユニット５０が「制御手段」に相当する。なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、駆動装置の製造産業に利用可能である。

２０ 駆動装置、２４，２５ インバータ、２６ バッテリ、２７ 低電圧系電力ライン、２８ 高電圧系電力ライン、３０ 昇圧コンバータ、３２ コンデンサ、４０，４１ レゾルバ、４２Ｖ，４２Ｗ，４３Ｖ，４３Ｗ，４８ 電流センサ、４４，４６ 電圧センサ、５０ 電子制御ユニット、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６，Ｄ３１，Ｄ３２ ダイオード、Ｌ リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２ モータ、Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６，Ｔ３１，Ｔ３２ トランジスタ。

Claims (1)

1. 三相交流により駆動される一以上の電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記電動機を駆動する一以上のインバータと、バッテリと、前記バッテリが接続された低電圧系と前記インバータが接続された高電圧系との間で電圧を変換する昇圧コンバータと、前記低電圧系に流れる電流を検出する低電圧系電流検出手段と、前記電動機の各相に流れる相電流を検出する相電流検出手段と、前記バッテリに充放電が許容される許容範囲内で前記電動機が駆動されるよう前記インバータと前記昇圧コンバータとを制御する制御手段と、を備える駆動装置において、
   前記電動機が駆動されている最中に前記低電圧系電流検出手段により前記バッテリの前記許容範囲を超える充放電が検出された場合、前記相電流検出手段により一周期以上の所定期間に亘って検出される相電流の絶対値の最大値を比較することにより各相電流が互いに一致するか否かを前記電動機毎に判定し、前記各相電流が一致しない電動機があるときには該各相電流が一致しない電動機を駆動するインバータのスイッチング素子がオープンしているオープン故障と判定し、前記各相電流が一致しない電動機がないときには、前記インバータにオープン故障が生じていないと判断して前記昇圧コンバータの故障と判定する
   ことを特徴とする駆動装置。
   

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