JP6045984B2 - 二次電池状態検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池状態検知装置に関するものである。

近年、信号待ち等の一時停車時において、エンジンのアイドリングを停止するアイドリングストップ技術が普及している。このようなアイドリングストップ技術では、アイドリングストップ後にエンジンを再始動できるだけの残存容量が二次電池に存在することを検出する必要がある。

このような残存容量を検出する方法としては、例えば、特許文献１に開示されているように、二次電池から放電または充電される電流値を常時測定し、その電流値を積算することで残存容量を求める方法が知られている。

特開平８−１９１０３号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、何らかの原因により、電流の測定精度が低下してしまうと、積算によって得られる電流値が誤差を含んでしまうため、二次電池の残存容量を誤って判定してしまう。その結果、例えば、アイドリングストップを実行可能であるのに実行されずに燃費が低下する場合がある。しかしながら、従来は、電流の測定精度が低下したことを検出することができないという問題点がある。

そこで、本発明は、電流の測定精度の低下を検出することが可能な二次電池状態検知装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、二次電池の状態を検知する二次電池状態検知装置において、スイッチと抵抗素子とが直列接続され、前記スイッチをオン、オフすることにより前記二次電池に蓄積された電力を、前記抵抗素子を介して放電させる放電手段と、前記二次電池の放電電流を測定し、前記スイッチがオンの状態において前記抵抗素子に流れる電流値を取得する電流測定手段と、前記抵抗素子の素子値を予め記憶する記憶手段と、前記放電手段と並列に接続される電気負荷と、前記二次電池の電圧と、前記記憶手段に記憶された前記抵抗素子の素子値から、前記スイッチがオンの状態において、前記抵抗素子に流れる電流を推定する推定手段と、前記推定手段によって推定された電流値と、前記電流測定手段によって取得された前記抵抗素子に流れる電流値とが所定の値以上異なる場合には前記電流測定手段が異常であると判定する判定手段と、を有し、前記電流測定手段には、前記スイッチがオンの状態において、前記抵抗素子に流れる電流と前記電気負荷に流れる電流とが流れ、前記電流測定手段は、前記スイッチがオンの状態における前記電流測定手段による前記二次電池の放電電流の測定値から、前記スイッチがオフの状態における前記電流測定手段による測定値を減算する補正をして、前記抵抗素子に流れる電流値を取得する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、電流の測定精度の低下を検出することが可能となる。

また、本発明の一側面は、前記推定手段は、前記スイッチがオンの状態において、前記二次電池の電圧を測定し、この電圧の測定値に基づいて前記抵抗素子に流れる電流を推定することを特徴とする。
また、本発明の一側面は、前記放電手段は、前記二次電池を間欠的に放電させ、そのときの電圧と電流から前記二次電池の内部抵抗を求め、求めた内部抵抗に基づいて前記二次電池の状態を検知する際にも使用されることを特徴とする。
また、本発明の一側面は、前記判定手段によって前記電流測定手段が異常であると判定された場合には、アイドリングストップ制御の実行を保留することを特徴とする。

本発明によれば、電流の測定精度の低下を検出することが可能な二次電池状態検知装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る二次電池状態検知装置の構成例を示す図である。 図１に示す放電回路の詳細な構成例を示す図である。 スイッチ素子の状態と電圧および電流の時間的変化を示す図である。 本発明の実施形態において実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。 ヒューズ等の抵抗を考慮した場合の図で回路図である。 図５の等価回路を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）実施形態の構成の説明
図１は、本発明の実施形態に係る二次電池状態検知装置を有する車両の電源系統を示す図である。この図において、二次電池状態検知装置１は、制御部１０、電圧センサ１１、電流センサ１２、温度センサ１３、および、放電回路１５を主要な構成要素としており、二次電池１４の状態を検知する。ここで、制御部１０は、電圧センサ１１、電流センサ１２、および、温度センサ１３からの出力を参照し、二次電池１４の状態を検知する。電圧センサ１１は、二次電池１４の端子電圧を検知し、制御部１０に通知する。電流センサ１２は、二次電池１４の充電および放電電流を検知し、制御部１０に通知する。温度センサ１３は、二次電池１４自体または周囲の環境温度を検知し、制御部１０に通知する。放電回路１５は、後述するように、スイッチ素子と抵抗素子が直列接続されて構成され、制御部１０によってスイッチ素子がオン／オフ制御されることにより二次電池１４を間欠的に放電させる。制御部１０は、間欠的な放電が実行されている際の電圧と電流から二次電池１４の内部抵抗を求め、求めた内部抵抗に基づいて二次電池１４の状態を検知する。

二次電池１４は、例えば、正極（陽極板）に二酸化鉛、負極（陰極板）に海綿状の鉛、電解液として希硫酸を用いた液式鉛蓄電池等によって構成され、オルタネータ１６によって充電され、スタータモータ１８を駆動してエンジン１７を始動するとともに、負荷１９に電力を供給する。オルタネータ１６は、エンジン１７によって駆動され、交流電力を発生して整流回路によって直流電力に変換し、二次電池１４を充電する。

エンジン１７は、例えば、ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジン等のレシプロエンジンまたはロータリーエンジン等によって構成され、スタータモータ１８によって始動され、トランスミッションを介して駆動輪を駆動し車両に推進力を与えるとともに、オルタネータ１６を駆動して電力を発生させる。スタータモータ１８は、例えば、直流電動機によって構成され、二次電池１４から供給される電力によって回転力を発生し、エンジン１７を始動する。負荷１９は、例えば、電動ステアリングモータ、デフォッガ、イグニッションコイル、カーオーディオ、および、カーナビゲーション等によって構成され、二次電池１４からの電力によって動作する。

図２は、図１に示す制御部１０および放電回路１５の構成例を示す図である。この図に示すように、制御部１０は、演算部１０ａと記憶部１０ｂを有している。演算部１０ａは、記憶部１０ｂに記憶されたプログラムおよびデータに基づいて演算処理を実行する。記憶部１０ｂは、演算部１０ａが実行するプログラムおよびデータを記憶している。

放電回路１５は、スイッチ素子１５ａおよび抵抗素子１５ｂが直列接続されて構成されている。ここで、スイッチ素子１５ａは、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチまたはリレー等の電磁スイッチによって構成され、制御部１０の端子Ｂから供給される制御信号に応じてオンまたはオフの状態となる。抵抗素子１５ｂは、スイッチ素子１５ａがオンの状態になった場合に、二次電池１４から所定の放電電流を通じる。抵抗素子１２ａは、電流センサ１２を構成し、流れた電流に対応する電圧を発生して制御部１０の端子Ｃ，Ｄに供給する。抵抗素子１２ａの一端および端子Ｄは接地されている。この抵抗素子１２ａに生じる電圧を検出することで、抵抗素子１２ａに流れる電流を知ることができる。なお、制御部１０は端子Ａ，Ｃに印加される電圧を検出することで、二次電池１４の電圧を検出する。

（Ｂ）実施形態の動作の説明
つぎに、本実施形態の動作について説明する。以下では図１〜３を参照して本実施形態の動作の概略を説明した後、図４を参照して動作の詳細を説明する。

本実施形態では、放電回路１５によってパルス放電を行って二次電池１４の状態を検知する。詳細には、制御部１０は、パルス放電を実行している際の二次電池１４の電圧および電流を検出し、二次電池１４の内部抵抗（または内部インピーダンス）を求める。そして、求めた内部抵抗から二次電池１４の状態（例えば、ＳＯＦ（State of Function）やＳＯＨ（State of Health））を補正する。また、電流センサ１２によって二次電池１４に流れる充電電流および放電電流を検出して積算することで、二次電池１４の残存容量を検出する。本実施形態では、抵抗素子１５ｂは、抵抗値が予め分かっており、また、その素子値の精度も高いものを使用している。このため、そのほかの電流が電流センサ１２の抵抗素子１２ａを流れていない、あるいは既知の電流値である場合には、抵抗素子１５ｂに生じる電圧または二次電池１４の電圧から放電電流を推定し、この推定した放電電流と、電流センサ１２によって検出された電流値を比較し、これらがある程度以上異なる場合には電流センサ１２が異常であるとしてアラートを発生する。これについて、以下に詳細に説明する。

電流センサ１２の精度の良否を判定する場合、制御部１０は、図３（Ａ）に示すように、例えば、タイミングｔ１において、スイッチ素子１５ａをオンの状態にする。この結果、二次電池１４からスイッチ素子１５ａ、抵抗素子１５ｂ、および、電流センサ１２の抵抗素子１２ａを介して電流が通じるため、図３（Ｂ）に示すように、二次電池１４から放電電流が流れる。なお、図３（Ｂ）では二次電池１４に充電される方向をプラスに定義し、放電される場合をマイナスに定義しているので、放電電流が流れると電流はマイナス方向に変位する。図３（Ｂ）では、スイッチ素子１５ａがオフの状態では二次電池１４から流れる電流はＩ１であるが、オンの状態では電流がＩ２に変化している。また、電流が通じることにより、二次電池１４の内部抵抗によって、図３（Ｃ）に示すように、二次電池１４の端子電圧が低下する。図３（Ｃ）では、スイッチ素子１５ａがオフの状態では二次電池１４の端子電圧はＶ１であるが、オンの状態では電圧がＶ２に降下している。

制御部１０は、このとき、抵抗素子１５ｂに生じる電圧を測定する。より詳細には、抵抗素子１５ｂに電流が流れると、電圧Ｖｍが生じるので、制御部１０はこの電圧Ｖｍを測定する。あるいは、電流センサ１２を構成する抵抗素子１２ａも抵抗値を有しているので、この抵抗素子１２ａにも電圧が生じるが、抵抗素子１２ａの抵抗値Ｒｓは、抵抗素子１５ｂの抵抗値Ｒに比較して無視できる程度に小さい（Ｒｓ≪Ｒ）ので、抵抗素子１２ａに生じる電圧は無視できることから、二次電池の電圧をＶｍとして扱っても良い。つぎに、制御部１０は電流センサ１２によって、電流値Ｉｍを測定する。この電流値Ｉｍは、抵抗素子１５ｂを流れる電流である。

つぎに、制御部１０の演算部１０ａは、記憶部１０ｂに記憶している抵抗素子１５ｂの抵抗値Ｒを読み出す。そして、演算部１０ａは、先に測定した抵抗素子１５ｂの電圧Ｖｍを、読み出した抵抗値Ｒで除算することにより、抵抗素子１５ｂに流れる電流の推定値Ｉｅを求める。すなわち、Ｉｅ＝Ｖｍ／Ｒにより、電流推定値Ｉｅを得る。なお、このような電流推定値Ｉｅは、１回のみの測定で判定するのではなく、適切なタイミングで行われた複数回の測定結果の平均を求めるようにすることで、正確な判定を行うことができる。図３の例では、タイミングｔ１とタイミングｔ３を開始タイミングとする２回の測定が実行され、また、スイッチ素子１５ａの切り替え直後の過渡的な変化が終了した部分で測定している。

つぎに、制御部１０の演算部１０ａは、電流推定値Ｉｅと、測定した電流値Ｉｍとの差分の絶対値を求め、これをΔＩとする。すなわち、ΔＩ＝|Ｉｅ−Ｉｍ|を求める。このとき、スイッチ素子１５ａのオフ時の電流値を予め測定しておき、ΔＩを補正しても良い。

つぎに、制御部１０の演算部１０ａは、ΔＩが所定の閾値Ｔｈ以上（ΔＩ≧Ｔｈ）であるか否かを判定し、ΔＩ≧Ｔｈである場合には、異常が発生していると判定し、例えば、上位の装置に対してアラートを通知する。すなわち、電流センサ１２が正常である場合には、抵抗素子１５ｂに生じる電圧から求めた電流推定値Ｉｅと、電流センサ１２によって測定された電流値Ｉｍとは略一致するが、これが一致しない場合（所定の閾値Ｔｈ以上離れている場合）には、電流センサ１２に異常が発生していると判定することができる。なお、異常であると判定された場合には、正確を期するために再度の測定および判定を行うようにしてもよい。

以上に説明したように、放電回路１５を構成する抵抗素子１５ｂとして、抵抗値が既知のものを使用し、放電の際にこの抵抗素子１５ｂに生じる電圧から電流推定値Ｉｅを求めるとともに、電流センサ１２による電流値Ｉｍを求め、これらの差分の絶対値ΔＩ（＝|Ｉｅ−Ｉｍ|）を求め、このΔＩが所定の閾値Ｔｈ以上の場合には、電流センサ１２が異常であると判定するようにした。これにより、電流センサ１２の異常を検出することが可能になる。

つぎに、図４を参照して本発明の実施形態の詳細な動作について説明する。図４に示すフローチャートは、例えば、定期的（例えば、イグニッションオフ操作がされる毎、数日、数週、または、数ヶ月おき）に実行される。もちろん、定期的に実行するのではなく、ユーザからの要求があった場合や、不定期に実行してもよい。また、電流センサ１２が新品時には判定の頻度を低くし、時間が経過するとともに頻度を高くするようにしてもよい。このフローチャートの処理が開始されると、以下のステップが実行される。

ステップＳ１０では、制御部１０は、温度センサ１３により、二次電池１４自体またはその周辺の温度Ｔを測定する。例えば、温度として２５℃が測定される。なお、測定した周辺の温度から二次電池１４の温度を推定しても良い。

ステップＳ１１では、制御部１０は、スイッチ素子１５ａがオフの状態での電流値Ｉ１を測定する。すなわち、この先に行われる放電回路の動作による電流のほかに電流センサ１２に流れる電流値を予め把握しておき、その値を補正値として使用するか、あるいは電流が所定値より大きい場合には以降の処理を行わないという手段も可能である。

ステップＳ１２では、制御部１０は、スイッチ素子１５ａをオンの状態に制御する。この結果、二次電池１４からスイッチ素子１５ａ、抵抗素子１５ｂ、および、電流センサ１２の抵抗素子１２ａを介して電流が流れる。

ステップＳ１３では、制御部１０は、スイッチ素子１５ａを介して流れる電流により、抵抗素子１５ｂに生じる電圧Ｖｍを測定する。例えば、抵抗素子１５ｂの素子値が１Ωであり、電流値が１０Ａである場合には、Ｖｍとして１０Ｖ（＝１０Ａ×１Ω）の電圧が測定される。

ステップＳ１４では、制御部１０は、電流センサ１２によって、抵抗素子１５ｂを流れる電流を測定する。電流センサ１２が異常である場合には、実際には１０Ａが流れている場合でも、例えば、１２Ａが測定される。なお、前述したように、電流センサ１２を構成する抵抗素子１２ａも抵抗値を有しているので、この抵抗素子１２ａにも電圧が生じるが、抵抗素子１２ａの抵抗値Ｒｓは、抵抗素子１５ｂの抵抗値Ｒに比較して無視できる程度に小さい（Ｒｓ≪Ｒ）ので、抵抗素子１２ａに生じる電圧は無視できる。このとき、ステップＳ１１で求められている電流値Ｉ１の値を測定値から減算するといった補正をしてもよい。

ステップＳ１５では、制御部１０の演算部１０ａは、抵抗素子１５ｂの抵抗値Ｒを、図示しない記憶部から読み出す。例えば、抵抗値として、１Ωが記憶部１０ｂから読み出される。なお、抵抗素子１５ｂの抵抗値が、温度依存性がある場合には、ステップＳ１１で測定した温度Ｔに基づいて温度補正するようにしてもよい。例えば、温度係数を記憶部１０ｂに記憶しておき、温度Ｔにこの温度係数を乗算することで、抵抗値を補正することも可能である。もちろん、温度係数が十分に小さい場合には、温度による抵抗値の変化は無視するようにしてもよい。

ステップＳ１６では、制御部１０の演算部１０ａは、ステップＳ１３で測定した抵抗素子１５ｂに生じる電圧Ｖｍを、ステップＳ１５で読み出した抵抗値Ｒで除算することで、電流推定値Ｉｅを求める。例えば、電圧Ｖｍが１０Ｖであり、抵抗値Ｒが１Ωの場合には、電流推定値Ｉｅとして１０Ａが得られる。

ステップＳ１７では、制御部１０は、ステップＳ１６で求めた電流推定値Ｉｅと、ステップＳ１４で測定した電流値Ｉｍの差分の絶対値であるΔＩ（＝|Ｉｅ−Ｉｍ|）を求める。例えば、前述のように、電流センサ１２が正常でなく、１２Ａが誤って測定された場合には差分ΔＩとして、２Ａ（＝|１０Ａ−１２Ａ|）が得られる。

ステップＳ１８では、制御部１０は、ステップＳ１７で求めたΔＩが所定の閾値Ｔｈ以上であるか否かを判定し、閾値Ｔｈ以上であると判定した場合（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）にはステップＳ１９に進み、それ以外の場合（ステップＳ１８：Ｎｏ）にはステップＳ２０に進む。例えば、電流センサ１２が前述のように異常である場合であって、閾値Ｔｈが、例えば、０．２Ａであるときには、ΔＩ＝２Ａであり、２Ａ≧０．２Ａであることから、Ｙｅｓと判定してステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９では、制御部１０は、電流センサ１２が異常であると判定し、処理を終了する。なお、制御部１０は、上位の装置（例えば、ＥＣＵ（Electronic Control Unit））に対して、異常の発生をアラートとして通知するようにしてもよい。この結果、上位の装置は、ユーザに対して異常の発生を通知することができる。

ステップＳ２０では、制御部１０は、電流センサ１２が正常であると判定し、処理を終了する。なお、正常と判定した場合には、上位の装置に対する通知はしないようにしてもよい。

以上の処理によれば、電流センサ１２が正常であるか否かを判定することが可能になる。なお、以上の処理では、１回の測定に基づいて異常の有無を判定するようにしたが、図３の場合のように、複数の測定結果に基づいて判定したり、あるいは、異常と判定された場合に再度の測定を行うようにしたりしてもよい。

以上の実施形態によれば、電流センサ１２の異常の有無を判定することができるため、異常が発生している場合には、電流積算値に基づく残存容量の推定値は信頼性が低いことから、例えば、アイドリングストップ制御は実行を保留するようにしてもよい。これにより、エンジンが再始動できないことを防止できる。

（Ｄ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、放電回路１５を制御部１０とは独立した構成としたが、これらを一体構成としてもよい。

また、以上の実施形態では、ヒューズ等の抵抗は考慮していないが、実際の車載の二次電池１４では、プラス端子は過電流防止用のヒューズやリレースイッチを介して放電回路１５に接続される。このため、図５に示すように、二次電池１４と放電回路１５の間にはヒューズやリレースイッチに対応する抵抗Ｒｆが存在している。このため、この抵抗Ｒｆに電流が通じている場合に電圧を測定すると、この抵抗Ｒｆによる電圧降下も測定してしまうことになる。しかしながら、スイッチ素子１５ａがオンの状態になったときに測定することで、この抵抗Ｒｆの影響を排除することができる。すなわち、図６に等価回路を示すように、スイッチ素子１５ａがオンの状態になったとき、電圧センサ１１は、抵抗素子１５ｂの端子電圧を測定するため、抵抗Ｒｆにおける電圧降下は検出されない。以上から、スイッチ素子１５ａがオンの状態になったときに、抵抗素子１５ｂに印加される電圧を測定することで、抵抗Ｒｆの影響を排除することができる。なお、スイッチ素子１５ａがオフの場合に測定することも可能であるが、その場合には、例えば、抵抗素子１５ｂに抵抗Ｒｆの抵抗値を加えた値によって電流推定値Ｉｅを求めることができる。すなわち、Ｉｅ＝Ｖｍ／（Ｒ＋Ｒｆ）によって電流推定値を得ることができる。なお、このＲｆの値は、記憶部１０ｂに予め記憶することができる。

また、以上の説明では、抵抗Ｒｆのみを考慮するようにしたが、実際の回路では、抵抗以外にも電圧降下を生じる素子、例えば、ダイオードが存在する。このため、これらを考慮して計算を行うようにしてもよい。例えば、ダイオードによる電圧降下がＶｄであるとすると、放電電流Ｉｅ＝（Ｖｍ−Ｖｄ）／（Ｒ＋Ｒｆ）として計算するようにしてもよい。もちろん、抵抗値Ｒｆについては適宜省略することが可能である。

また、以上の実施形態では、電流センサ１２として、抵抗素子１２ａを用いるものを例に挙げて説明したが、抵抗素子１２ａではなく、例えば、ホール式電流センサを用いるようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、電圧値および電流値の測定方法については言及していないが、例えば、正確な値を得るために、電圧値および電流値を複数回測定し、その得られた値の平均値を用いて計算を行うようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、抵抗素子１５ｂの抵抗値Ｒが、電流センサ１２の抵抗素子１２ａの抵抗値Ｒｓよりも非常に小さい（Ｒｓ≪Ｒ）として無視するようにしたが、この抵抗値を考慮して計算するようにしてもよい。具体的には、２つの抵抗素子１２ａ，１５ｂの抵抗の比から、分圧比を求めて、この分圧比に応じて抵抗素子１５ｂの電圧を推定するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、電流センサ１２の異常が検出された場合には、アイドリングストップ制御を実行しないようにしたが、これ以外の制御、例えば、満充電を検出した際の充電停止制御を実行しないようにすることも可能である。

また、以上の実施形態では、図２に示すように、抵抗素子１５ｂはグランド側に配置するようにしたが、例えば、二次電池１４の正極端子側に配置するようにしてもよい。すなわち、スイッチ素子１５ａと抵抗素子１５ｂを図２の上下反対に配置するようにしてもよい。

１ 二次電池状態検知装置
１０ 制御部
１０ａ 演算部（推定手段、判定手段）
１０ｂ 記憶部（記憶手段）
１１ 電圧センサ
１２ 電流センサ（電流測定手段）
１３ 温度センサ
１４ 二次電池
１５ 放電回路（放電手段）
１６ オルタネータ
１７ エンジン
１８ スタータモータ
１９ 負荷

Claims (4)

1. 二次電池の状態を検知する二次電池状態検知装置において、
   スイッチと抵抗素子とが直列接続され、前記スイッチをオン、オフすることにより前記二次電池に蓄積された電力を、前記抵抗素子を介して放電させる放電手段と、
   前記二次電池の放電電流を測定し、前記スイッチがオンの状態において前記抵抗素子に流れる電流値を取得する電流測定手段と、
   前記抵抗素子の素子値を予め記憶する記憶手段と、
   前記放電手段と並列に接続される電気負荷と、
   前記二次電池の電圧と、前記記憶手段に記憶された前記抵抗素子の素子値から、前記スイッチがオンの状態において、前記抵抗素子に流れる電流を推定する推定手段と、
   前記推定手段によって推定された電流値と、前記電流測定手段によって取得された前記抵抗素子に流れる電流値とが所定の値以上異なる場合には前記電流測定手段が異常であると判定する判定手段と、を有し、
   前記電流測定手段には、前記スイッチがオンの状態において、前記抵抗素子に流れる電流と前記電気負荷に流れる電流とが流れ、
   前記電流測定手段は、前記スイッチがオンの状態における前記電流測定手段による前記二次電池の放電電流の測定値から、前記スイッチがオフの状態における前記電流測定手段による測定値を減算する補正をして、前記抵抗素子に流れる電流値を取得する、
   ことを特徴とする二次電池状態検知装置。
2. 前記推定手段は、前記スイッチがオンの状態において、前記二次電池の電圧を測定し、この電圧の測定値に基づいて前記抵抗素子に流れる電流を推定することを特徴とする請求項１に記載の二次電池状態検知装置。
3. 前記放電手段は、前記二次電池を間欠的に放電させ、そのときの電圧と電流から前記二次電池の内部抵抗を求め、求めた内部抵抗に基づいて前記二次電池の状態を検知する際にも使用されることを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池状態検知装置。
4. 前記判定手段によって前記電流測定手段が異常であると判定された場合には、アイドリングストップ制御の実行を保留することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池状態検知装置。
   

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