JP6152814B2 - 電池監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池のそれぞれの状態を監視し制御する技術に関する。

近年では、電動フォークリフト、ハイブリッド車、又は電気自動車などの車両へ実装されるバッテリとして、負荷へ大きな電力を安定して供給するために、複数の電池が並列接続された電池パックが使用される。

また、それら各電池のそれぞれの状態を監視する電池監視装置として、各電池を監視する各監視部の監視結果により、各電池の充放電を許可し又は禁止する上位の制御部を備えた電池パックが使用される。

このような電池監視装置を備えた電池パックにおいて、電池パックを分解し、別の電池を電池パックに組み込むなどの改造等が行われると、電池パック内の電池に不適切な電池が組み合わされることで、不所望の過充電や過放電等が発生し、不具合を生じるおそれがある。そこで、このような改造電池パックの製造や流通を抑止する技術が要望され、種々の技術が提案されている。

例えば、下記の特許文献１には、改造電池パックの製造を防止することができる電池パック等について記載されている。特許文献１に記載の電池パックは、各電池に予め識別標識を与え、各電池を第１電池群と残りの電池の第２電池群とに分類し、検査回路により、第１電池群の電池の識別標識から所定の演算規則に基づいて第２電池群の電池に関する第１データ列を作成し、第２電池群の電池の識別標識を調べて第２データ列を得た後、第１データ列と第２データ列を比較し、不一致の場合、電池パックの機能を停止させる。

特開２０１２−６４４２６号公報

前述のような電池監視装置を備えた電池パックにおいて、電池パックを分解し、別の電池を電池パックに組み込むなどの改造等により、電池パック内の電池の数が変化すると、不所望の過充電や過放電等が発生し、不具合を生じるおそれがある。そこで、本発明は、このような電池パックの電池の数の変化に対して、不所望の過充電や過放電等が発生することを防ぎ、不具合を生じる可能性を低減させることを目的とする。

本実施形態の電池監視装置は、
電池の状態を監視する複数の監視部と、前記複数の監視部と通信を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記電池の使用開始前に設定された前記監視部の数を保持し、前記電池の使用開始後に、前記制御部と前記複数の監視部との間で伝達信号を転送させて前記監視部の数を認識し、前記使用開始前に保持した前記監視部の数と前記認識した監視部の数とが一致するか否かを判定し、それらの数が異なるとき、前記監視部の数が変化したことを検知することを特徴とする。

これにより、予め設定された電池モジュール数に対応する監視部の正規の数と、電池使用開始時に認識された監視部の数とが異なる場合、電池パックの電池の数の変化に対して、不所望の過充電や過放電等が発生することを防ぐことができる。

本発明によれば、電池パックの改造等による電池パックの電池の数の変化に対して、不所望の過充電や過放電等が発生することを防ぎ、不具合を生じる可能性を低減させることができる。

本実施形態の電池監視装置の構成例を示す図である。 制御部における監視部の数の認識を含む動作例のフローチャートである。 監視部における監視部の数の認識を含む動作例のフローチャートである。 デューティ比と伝達信号との対応の一例を示す図である。 デューティ比と識別情報との対応の一例を示す図である。 デューティ比と監視部の数との対応の一例を示す図である。 デューティ比と通信異常の発生箇所との対応の一例を示す図である。

図１は、本実施形態の電池監視装置の構成例を示す。図１に示す構成例において、電池監視装置１は、５つの電池モジュール２（２−１〜２−５）と、１つの制御部（電池ＥＣＵ（Electronic Control Unit））３と、メインリレー４とを備える。電池監視装置１は、例えば、電動フォークリフト、ハイブリッド車、又は電気自動車などの車両に搭載され、それらの車両は、電池モジュール２（２−１〜２−５）の電池５によって駆動される。なお、電池モジュール２の数は５つに限定されず、要求される給電量に応じて適宜任意の数の電池モジュール２が備えられる。

各電池モジュール２（２−１〜２−５）は、それぞれ、電池５と、リレー６と、電圧検出部７と、電流検出部８と、温度検出部９と、監視部（監視ＥＣＵ）１０（１０−１〜１０−５）とを備える。各電池モジュール２（２−１〜２−５）は、互いに並列接続され、車両内の負荷１１に電力を供給する。

各電池５は、充電可能な電池であり、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などを用いることができる。なお、各電池５は、直列接続された複数の電池の組み合わせにより構成されたものでもよい。

各リレー６は、各電池５の各給電路に設けられ、各リレー６がオンとなり、かつ、各電池５の各給電路が並列に接続された１本の給電路に設けられたメインリレー４がオンとなったとき、各電池５から負荷１１への電力供給が可能となる。

各電圧検出部７は、各電池５の電圧を検出するセンサを備え、各電流検出部８は、各電池５へ流れる充電電流や各電池５から流れる放電電流を検出するセンサを備える。各温度検出部９は、各電池５の周辺温度を検出するセンサを備える。

各監視部１０（１０−１〜１０−５）は、それぞれ、リレー制御部１２と、記憶部１３と、識別情報設定部１４と、通信部１５とを備える。リレー制御部１２、識別情報設定部１４、及び通信部１５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device））等により構成され、記憶部１３に記憶されているプログラムを読み出して該プログラムの手順を実行する。

各リレー制御部１２は、各リレー６のオン、オフを制御する。各記憶部１３は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などであり、各種情報や各種プログラムを記憶する。

なお、識別情報設定部１４を備えるようにし、識別情報設定部１４は、自身の識別情報を設定し、その識別情報を記憶部１３に記憶させるようにしてもよい。例えば、監視部１０−１〜１０−５に対して、「１０１」〜「１０５」の５つの識別情報を設定する場合、先頭の監視部１０−１の識別情報設定部１４は、「１０１」を自身の識別情報として設定し記憶部１３に記憶させるようにしてもよい。

２番目の監視部１０−２の識別情報設定部１４は、「１０２」を自身の識別情報として設定し記憶部１３に記憶させるようにしてもよい。３番目の監視部１０−３の識別情報設定部１４は、「１０３」を自身の識別情報として設定し記憶部１３に記憶させるようにしてもよい。４番目の監視部１０−４の識別情報設定部１４は、「１０４」を自身の識別情報として設定し記憶部１３に記憶させるようにしてもよい。最後尾の監視部１０−５の識別情報設定部１４は、「１０５」を自身の識別情報として設定し記憶部１３に記憶させるようにしてもよい。

各監視部１０−１〜１０−５の通信部１５は、他の監視部１０−１〜１０−５の通信部１５及び制御部３の通信部１９と、通信線を介して環状に直列（デイジーチェーン）接続される。各通信部１５は、前段の監視部１０又は制御部３から送信される伝達信号を受信し、後段の監視部１０又は制御部３へ該伝達信号を転送する。

制御部３は、メインリレー４のオン、オフを制御するリレー制御部１６と、記憶部１７と、監視部１０−１〜１０−５と通信を行う通信部１９とを備える。制御部３は、さらに通信異常箇所特定部１８を備えるようにしてもよい。

記憶部１７は、不揮発性メモリ（例えば、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、磁気記憶媒体（ハードディスクやフロッピー（登録商標）ディスクなど）、光ディスクなど）やＲＡＭを用いて構成され、各種情報や各種プログラムを記憶する。

リレー制御部１６、通信異常箇所特定部１８、及び通信部１９は、例えば、ＣＰＵ、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイスなどにより構成され、記憶部１７に記憶されたプログラムを読み出して該プログラムの手順を実行する。

制御部３は、監視部１０−１〜１０−５からそれぞれ送信される識別情報を通信部１９により受信し、それら識別情報を記憶部１７に記憶させるようにしてもよい。また、制御部３は、記憶部１７に記憶させた識別情報を用いて、監視部１０−１〜１０−５からそれぞれ送信される電池５の状態（例えば、電池５の電圧、電流、及び温度など）を示す情報を通信部１９により受信する。

また、制御部３は、受信した情報を基に電池５の状態が予め決められた状態に変移した（例えば、電池５の電圧、電流又は温度等が閾値を超えた）と判定すると、電池５の状態が異常であると判断し、待避走行モード（例えば、車両を徐々に減速させてから停止させる動作モード）に移行させる指示を、車両の走行を制御する上位制御部に送るとともに、一定時間経過後にリレー制御部１６によりメインリレー４をオフさせる処理などを実行するようにしてもよい。また、制御部３は、通信異常が発生したと判断した場合でも、待避走行モードに移行させるようにしてもよい。

図１の構成により、複数の監視部１０−１〜１０−５と一つの制御部３とを備えた電池監視装置１において、複数の監視部１０−１〜１０−５と一つの制御部３とが直列に環状に接続され、隣接する各監視部１０−１〜１０−５と制御部３との各間が各通信線で接続され、隣接する各監視部１０−１〜１０−５と制御部３との各間で、数量を表す伝達信号を各監視部で順次変化させて後段に転送することにより、制御部３は、最後尾の監視部１０−５から受信される伝達信号を基に、監視部１０の数を認識する。また、該伝達信号により、各監視部１０−１〜１０−５にそれぞれの識別情報を割り当てて設定させることもでき、或いは、該伝達信号により、各監視部１０−１〜１０−５の間の通信異常箇所を特定させることもできる。

図２に制御部３における監視部１０の数の認識を含む動作例のフローを示す。まず、サービスマンによるディップスイッチやサービスツールの操作等により、制御部３に電池モジュール２の数でもある監視部１０−１〜１０−５の数を設定する（Ｓ２０１）。

ステップＳ２０１で設定された監視部１０の数は、記憶部１７に記憶され、又は該設定に用いられたディップスイッチ等にそのまま保持される。或いは記憶部１７へのソフトウェアの書き込み時に、監視部１０−１〜１０−５の数を定数として記憶部１７に設定され保持されるようにしてもよい。

その後、監視部１０が実装された電池モジュール２がユーザによって追加され、電池モジュール２の数が例えば５から６に増やされ、監視部１０の数が６の電池パックの使用が開始されたとする。

制御部３は、電池パックの使用開始に伴って、例えば電池パックのメカニカルスイッチ（図示省略）がオンになったことを検知するなどして、電池パックの使用開始を検知すると（Ｓ２０２）、各監視部１０−１〜１０−５の電源をオン状態にし、先頭の監視部１０−１へ監視部の数を認識するための伝達信号Ｓ１を送信する（Ｓ２０３）。

なお、監視部の数を認識するための伝達信号Ｓ１を送信するのは、電池パックの使用開始を検知するときに限らず、定期的でも良く、また、サービスツール等からの指示があったときでも良い。即ち、電池パックの使用開始後であれば良い。

次に、制御部３は、最後尾の監視部１０−５から送信される伝達信号Ｓ１を受信すると（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、受信した伝達信号Ｓ１に対応する監視部１０の数を認識して記憶部１７に記憶させる（Ｓ２０５）。

そして、ステップＳ２０１で予め設定された監視部１０の数と、ステップＳ２０５で認識された監視部１０の数とが一致するか否かを判定し（Ｓ２０６）、一致しない場合（Ｓ２０６：ＮＯ）、制御部３は、メインスイッチ４又は各モジュール２内のリレー６をオフ状態にするなどして、各電池５からの電力供給を制限させる（Ｓ２０８）。

なお、電力供給を制限する（Ｓ２０８）ことに代えて、制御部３は、監視部１０の数が変化したことを検知しても良い。この場合、さらに、図示しない表示部に監視部１０の数が変化したことを通知することで、サービスマンなどが電池の使用を止めることができる。また、制御部３は、監視部１０の数が変化したことを検知し、さらに、メインスイッチ４又は各モジュール２内のリレー６をオフ状態にするなどして、各電池５からの電力供給を制限させても良い。

なお、各モジュール２内のリレー６を全てオフ状態にして電力供給を制限するようにした場合、負荷１１への電力供給の制限のみならず、各モジュール２間に流れる環流電流をも制限することができる。

ステップＳ２０１で予め設定された監視部１０の数と、ステップＳ２０５で認識された監視部１０の数とが一致した場合（Ｓ２０６：ＹＥＳ）、各電池５からの電力供給を制限することなく、各電池５からの電力供給を可能にする。このとき、各監視部１０−１〜１０−５から送信される各識別情報を記憶部１７に記憶させるようにしてもよい(Ｓ２０７）。

また、制御部３は、最後尾の監視部１０−５から送信される、通信異常が発生したことを示す伝達信号Ｓ２（異常通知用の伝達信号）を受信すると（Ｓ２０４：ＮＯ、Ｓ２０９：ＹＥＳ）、その受信した伝達信号Ｓ２に応じて通信異常の発生箇所を特定するようにしてもよい（Ｓ２１０）。

また、制御部３は、先頭の監視部１０−１へ伝達信号Ｓ１を送信してから所定時間が経過しても最後尾の監視部１０から伝達信号Ｓ１又は伝達信号Ｓ２を受信しない場合（Ｓ２０４：ＮＯ、Ｓ２０９：ＮＯ、Ｓ２１１：ＹＥＳ）、最後尾の監視部１０−５と制御部３の間で通信異常が発生していると判断するようにしてもよい（Ｓ２１１）。

図３は、各監視部１０における監視部の数の認識を含む動作例のフローを示す。各監視部１０−１〜１０−５は、前段の監視部１０又は制御部３から送信される伝達信号Ｓ１を受信すると（Ｓ３０１：ＹＥＳ）、その受信した伝達信号Ｓ１を変化させて後段の監視部１０又は制御部３へ転送する（Ｓ３０２）。その際に、その受信した伝達信号Ｓ１に対応する識別情報を自身の識別情報として割り当て（Ｓ３０３）、自身の識別情報を制御部３へ送信するようにしてもよい（Ｓ３０４）。

また、各監視部１０−１〜１０−５は、前段の監視部１０から送信される伝達信号Ｓ２を受信すると（Ｓ３０１：ＮＯ、Ｓ３０５：ＹＥＳ）、その受信した伝達信号Ｓ２を変化させて後段の監視部１０又は制御部３へ送信するようにしてもよい（Ｓ３０６）。

また、各監視部１０は、監視部の数の認識処理の開始により、自身の電源がオン状態になってから所定時間が経過しても、前段の監視部１０若しくは制御部３から伝達信号Ｓ１又は伝達信号Ｓ２を受信しない場合（Ｓ３０１：ＮＯ、Ｓ３０５：ＮＯ、Ｓ３０７：ＹＥＳ）、通信異常が発生したことを示す予め決められた伝達信号Ｓ２を送信するようにしてもよい（Ｓ３０８）。

一例として、図４に示すデューティ比と伝達信号Ｓ１との対応情報が各監視部１０−１〜１０−５の各記憶部１３にそれぞれ記憶されているものとする。また、図５に示すデューティ比と識別情報との対応情報が、各監視部１０−１〜１０−５の各記憶部１３にそれぞれ記憶されるようにしてもよい。

また、図４に示すデューティ比と伝達信号との対応情報、及び図６に示すデューティ比と監視部の数との対応情報が制御部３の記憶部１７に記憶されているものとする。図７に示すデューティ比と通信異常の発生箇所との対応情報が制御部３の記憶部１７に記憶されるようにしてもよい。

また、各監視部１０−１〜１０−５は、伝達信号Ｓ１に相当する矩形波を受信すると、その矩形波のデューティ比を＋４％変化させて、後段の監視部１０又は制御部３へ転送するものとする。また、各監視部１０−１〜１０−５は、伝達信号Ｓ２に相当する矩形波を受信すると、その矩形波のデューティ比を＋４％変化させて、後段の監視部１０又は制御部３へ転送するようにしてもよい。

このような場合において、監視部の数の認識処理が開始されると、制御部３は、各監視部１０−１〜１０−５の電源をオン状態にした後、予め決められた伝達信号Ｓ１としてデューティ比４％の矩形波を先頭の監視部１０−１へ送信する。

次に、監視部１０−１は、図４に示す情報を参照して、受信したデューティ比４％の矩形波が伝達信号Ｓ１に相当すると判断し、受信した矩形波のデューティ比を＋４％変化させてデューティ比８％の矩形波を後段の監視部１０−２へ送信する。そのとき、監視部１０−１は、図５に示す情報を参照して、デューティ比４％に対応する「１０１」を自身の識別情報に割り当てて設定するようにしてもよい。

次に、監視部１０−２は、図４に示す情報を参照して、受信したデューティ比８％の矩形波が伝達信号Ｓ１に相当すると判断し、受信した矩形波のデューティ比を＋４％変化させてデューティ比１２％の矩形波を後段の監視部１０−３へ送信する。そのとき、監視部１０−２は、図５に示す情報を参照して、デューティ比８％に対応する「１０２」を自身の識別情報に割り当てて設定するようにしてもよい。

次に、監視部１０−３は、図４に示す情報を参照して、受信したデューティ比１２％の矩形波が伝達信号Ｓ１に相当すると判断し、受信した矩形波のデューティ比を＋４％変化させてデューティ比１６％の矩形波を後段の監視部１０−４へ送信する。そのとき、監視部１０−３は、図５に示す情報を参照して、デューティ比１２％に対応する「１０３」を自身の識別情報に割り当てて設定するようにしてもよい。

次に、監視部１０−４は、図４に示す情報を参照して、受信したデューティ比１６％の矩形波が伝達信号Ｓ１に相当すると判断し、受信した矩形波のデューティ比を＋４％変化させてデューティ比２０％の矩形波を後段の監視部１０−５へ送信する。そのとき、監視部１０−４は、図５に示す情報を参照して、デューティ比１６％に対応する「１０４」を自身の識別情報に割り当てて設定するようにしてもよい。

次に、監視部１０−５は、図４に示す情報を参照して、受信したデューティ比２０％の矩形波が伝達信号Ｓ１に相当すると判断し、受信した矩形波のデューティ比を＋４％変化させてデューティ比２４％の矩形波を制御部３へ送信する。そのとき、監視部１０−５は、図５に示す情報を参照して、デューティ比２０％に対応する「１０５」を自身の識別情報に割り当てて設定するようにしてもよい。

そして、制御部３は、図４に示す情報を参照して、受信したデューティ比２４％の矩形波が伝達信号Ｓ１に相当すると判断し、図６に示すデューティ比と監視部の数との対応情報を参照して、デューティ比２４％に対応する「５」を監視部１０の数として認識し、監視部１０の数「５」を記憶部１７に記憶させる。その後、制御部３は、監視部１０−１〜１０−５から送信される識別情報「１０１」〜「１０５」を記憶部１７に記憶させるようにしてもよい。

次に、監視部１０−２と監視部１０−３との間の通信線が断線している場合の制御部３及び各監視部１０−１〜１０−５の動作例について説明する。まず、監視部の数の認識処理が開始されると、制御部３は、監視部１０−１〜１０−５のそれぞれの電源をオン状態にした後、予め決められた伝達信号Ｓ１としてデューティ比４％の矩形波を先頭の監視部１０−１へ送信する。

次に、監視部１０−１は、図４に示す情報を参照して、受信したデューティ比４％の矩形波が伝達信号Ｓ１に相当すると判断し、図５に示す情報を参照して、デューティ比４％に対応する「１０１」を自身の識別情報として確定するとともに、受信した矩形波のデューティ比を＋４％変化させてデューティ比８％の矩形波を後段の監視部１０−２へ転送する。

次に、監視部１０−２は、図４に示す情報を参照して、受信したデューティ比８％の矩形波が伝達信号Ｓ１に相当すると判断し、図５に示す情報を参照して、デューティ比８％に対応する「１０２」を自身の識別情報として設定するとともに、受信した矩形波のデューティ比を＋４％変化させてデューティ比１２％の矩形波を後段の監視部１０−３へ転送する。

次に、監視部１０−３は、自身の電源がオン状態になってから所定時間経過するまでの間、伝達信号Ｓ１又は伝達信号Ｓ２に相当する矩形波を受信しない場合（監視部１０−２と監視部１０−３の間の通信線の電圧レベルがローレベル又はハイレベルのままである場合）、予め決められた伝達信号Ｓ２に相当するデューティ比５４％の矩形波を後段の監視部１０−４へ送信する。

次に、監視部１０−４は、図４に示す情報を参照して、受信したデューティ比５４％の矩形波が伝達信号Ｓ２に相当すると判断し、受信した矩形波のデューティ比を＋４％変化させてデューティ比５８％の矩形波を後段の監視部１０−５へ転送する。

次に、監視部１０−５は、図４に示す情報を参照して、受信したデューティ比５８％の矩形波が伝達信号Ｓ２に相当すると判断し、受信した矩形波のデューティ比を＋４％変化させてデューティ比６２％の矩形波を制御部３へ転送する。

そして、制御部３は、図４に示す情報を参照して、最後尾の監視部１０−５から転送されるデューティ比６２％の矩形波が伝達信号Ｓ２に相当すると判断し、図７に示す情報を参照して、受信した矩形波のデューティ比６２％に対応する通信異常の発生箇所が「監視部１０−２と監視部１０−３の間」であると判断する。

なお、監視部１０−１〜１０−５が変化させる矩形波のデューティ比の変化量は４％に限定されるものではなく、デューティ比の変化が識別される任意の変化量であればよい。また、デューティ比に限らず、矩形波を含む発振信号の周波数、単位時間当たりのパルス数、又は、通信線の電圧等の電気量を変化させるように構成してもよい。また、伝達信号Ｓ１、Ｓ２に相当する矩形波のデューティ比は、互いに異なる値であればよい。

このように、監視部１０の数を認識する処理とともに、各監視部１０−１〜１０−５に識別情報を割り当てて設定させることもできる。さらには、監視部１０の数の認識処理とともに、各監視部１０−１〜１０−５の通信異常の発生箇所を特定することもでき、また、これらの処理を同時に実施することもでき、通信異常が発生していない場合には、識別情報の設定処理をスピーディに実施することができる。

１ 電池監視装置
２ 電池モジュール
３ 制御部
４ メインリレー
５ 電池
６ リレー
７ 電圧検出部
８ 電流検出部
９ 温度検出部
１０ 監視部
１１ 負荷
１２ リレー制御部
１３ 記憶部
１４ 識別情報設定部
１５ 通信部
１６ リレー制御部
１７ 記憶部
１８ 通信異常箇所特定部
１９ 通信部

Claims (5)

1. 電池の状態を監視する複数の監視部と、
   前記複数の監視部と通信を行う制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記電池の使用開始前に設定された前記監視部の数を保持し、前記電池の使用開始後に、前記制御部と前記複数の監視部との間で伝達信号を転送させて前記監視部の数を認識し、前記使用開始前に保持した前記監視部の数と前記認識した監視部の数とが一致するか否かを判定し、それらの数が異なるとき、前記監視部の数が変化したことを検知する
   ことを特徴とする電池監視装置。
2. 請求項１に記載の電池監視装置であって、
   前記制御部は、前記使用開始前に保持した前記監視部の数と前記認識した監視部の数とが異なるとき、前記電池の電力供給を制限させる
   ことを特徴とする電池監視装置。
3. 請求項１又は２に記載の電池監視装置であって、
   前記複数の各監視部と前記制御部とが直列に環状に接続され、
   前記複数の各監視部は、前段の前記制御部又は前記監視部から受信される、数量を表す伝達信号を順次変化させて、後段の前記監視部又は前記制御部へ転送し、
   前記制御部は、最後段の前記監視部から転送される前記伝達信号に基づいて、前記複数の監視部の数を認識する
   ことを特徴とする電池監視装置。
4. 請求項３に記載の電池監視装置であって、
   前記複数の各監視部は、前段の前記監視部又は前記制御部から受信される前記伝達信号に対応した識別情報を自身の識別情報として設定する
   ことを特徴とする電池監視装置。
5. 請求項３又は４に記載の電池監視装置であって、
   前記複数の監視部は、前記伝達信号を受信できない場合、通信異常が発生したことを示す、前記伝達信号と異なる異常通知用の伝達信号を、後段の前記監視部又は前記制御部へ送信するとともに、前段の前記監視部から送信される前記異常通知用の伝達信号を受信すると、該異常通知用の伝達信号を変化させて後段の前記監視部又は前記制御部へ転送し、
   前記制御部は、最後尾の前記監視部から転送される前記異常通知用の伝達信号に応じて、通信異常の発生箇所を特定する
   ことを特徴とする電池監視装置。

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