JP6844475B2 - 電池システム - Google Patents
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Description
本開示は、電池システムに関し、特に、並列接続された複数の二次電池を含んで構成される組電池を備える電池システムに関する。
並列接続された複数の二次電池(各二次電池は「セル」や「単電池」等とも称され、以下では、各二次電池を「セル」と称する場合がある。)を含んで構成される組電池を備える電池システムが知られている。たとえば、特開2013−230024号公報(特許文献1)には、複数の二次電池(セル)を並列に接続した並列二次電池(組電池)の制御装置が記載されている(特許文献1参照)。
並列接続された複数のセル間の電流ばらつきを精度よく推定することによって、複数のセルを含んで構成される組電池を適切に保護することができる。セル間の電流ばらつきを推定する手法として、各セルの抵抗(セル間の抵抗ばらつき)からセル間の電流ばらつきを算出することが考えられる。
しかしながら、セルの抵抗には電流依存性があるので、各セルの状態(温度やSOC等)に応じたセル間の抵抗ばらつきによりセル間の電流ばらつきが生じると、その電流ばらつきによって各セルの抵抗が影響を受ける。したがって、仮に、並列接続された複数のセルに均一の電流が流れるとの前提で、各セルの状態(温度やSOC等)に応じた各セルの抵抗(抵抗ばらつき)に基づきセル間の電流ばらつきを算出すると、その電流ばらつきによる各セルの抵抗への影響が考慮されないために、電流ばらつきの算出精度が低下する可能性がある。
本開示は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、並列接続された複数のセルを含んで構成される組電池を備える電池システムにおいて、複数のセル間の電流ばらつきを精度よく算出することである。
本開示の電池システムは、並列接続された複数のセル(二次電池)を含んで構成される組電池と、複数のセルに分散して流れる電流の、複数のセル間のばらつき(電流ばらつき)を算出するように構成された制御装置とを備える。制御装置は、予め定められた電流ばらつきの初期状態と複数のセルの状態(温度やSOC等)とから各セルの抵抗を算出し、算出された各セルの抵抗からセル間の電流ばらつきを算出する。そして、制御装置は、算出された電流ばらつきの変化が所定量よりも大きい場合には、算出された電流ばらつきと複数のセルの状態とから各セルの抵抗を再度算出し、電流ばらつきの変化が上記所定量以下になるまで、各セルの抵抗の算出、及び算出された各セルの抵抗を用いた電流ばらつきの算出を繰り返し実行する。
本開示の電池システムにおいては、算出されたセル間の電流ばらつきと複数のセルの状態(温度やSOC等)とから各セルの抵抗が算出され、電流ばらつきの変化が所定量以下になるまで、算出されたセル間の電流ばらつきを考慮した各セルの抵抗の算出、及び算出された各セルの抵抗を用いた電流ばらつきの算出が繰り返し実行される。これにより、セルの抵抗の電流依存性を考慮して、セル間の電流ばらつきが算出される。したがって、本開示の電池システムによれば、複数のセル間の電流ばらつきを精度よく算出することができる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
[実施の形態1]
図1は、本開示の実施の形態に従う電池システムが搭載された車両1の構成を概略的に示した図である。なお、以下では、車両1がハイブリッド車両である場合について代表的に説明されるが、本開示に従う電池システムは、ハイブリッド車両に搭載されるものに限定されず、組電池を搭載した車両全般、さらには車両以外の用途にも適用可能である。
図1は、本開示の実施の形態に従う電池システムが搭載された車両1の構成を概略的に示した図である。なお、以下では、車両1がハイブリッド車両である場合について代表的に説明されるが、本開示に従う電池システムは、ハイブリッド車両に搭載されるものに限定されず、組電池を搭載した車両全般、さらには車両以外の用途にも適用可能である。
図1を参照して、車両1は、電池システム2と、パワーコントロールユニット(以下「PCU(Power Control Unit)」と称する。)30と、モータジェネレータ(以下「MG(Motor Generator)」と称する。)41,42と、エンジン50と、動力分割装置60と、駆動軸70と、駆動輪80とを備える。電池システム2は、組電池10と、監視ユニット20と、電子制御装置(以下「ECU(Electronic Control Unit)」と称する。)100とを含む。
エンジン50は、空気と燃料との混合気を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギをピストンやロータなどの運動子の運動エネルギに変換することによって動力を出力する内燃機関である。動力分割装置60は、たとえば、サンギヤ、キャリア、リングギヤの3つの回転軸を有する遊星歯車機構を含む。動力分割装置60は、エンジン50から出力される動力を、MG41を駆動する動力と、駆動輪80を駆動する動力とに分割する。
MG41,42は、交流回転電機であり、たとえば、ロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機である。MG41は、主として、動力分割装置60を経由してエンジン50により駆動される発電機として用いられる。MG41が発電した電力は、PCU30を介してMG42又は組電池10に供給される。
MG42は、主として電動機として動作し、駆動輪80を駆動する。MG42は、組電池10からの電力及びMG41の発電電力の少なくとも一方を受けて駆動され、MG42の駆動力は駆動軸70に伝達される。一方、車両の制動時や下り斜面での加速度低減時には、MG42は、発電機として動作して回生発電を行なう。MG42が発電した電力は、PCU30を介して組電池10に供給される。
組電池10は、並列接続された複数のセル(二次電池)を含んで構成される(詳細な構成は後述)。組電池10は、MG41,42を駆動するための電力を蓄える。そして、組電池10は、PCU30を通じてMG41,42へ電力を供給することができる。また、組電池10は、MG41,42の発電時にPCU30を通じて発電電力を受けて充電される。
監視ユニット20は、電圧センサ21と、電流センサ22と、温度センサ23とを含む。電圧センサ21は、組電池10において並列接続される複数のセルの電圧(以下「セル電圧」とも称する。)Viを検出する。電流センサ22は、組電池10の充放電電流Iを検出する。温度センサ23は、セル毎の温度(以下「セル温度」とも称する。)Tiを検出する。なお、温度センサ23は、隣接する複数(たとえば数個)のセルを監視単位として温度を検出してもよい。
PCU30は、ECU100からの制御信号に従って、組電池10とMG41,42との間で双方向の電力変換を実行する。PCU30は、MG41,42の状態をそれぞれ別々に制御可能に構成されており、たとえば、MG41を回生(発電)状態にしつつ、MG42を力行状態にすることができる。PCU30は、たとえば、MG41,42に対応して設けられる2つのインバータと、各インバータに供給される直流電圧を組電池10の出力電圧以上に昇圧するコンバータとを含んで構成される。
ECU100は、CPU(Central Processing Unit)102と、メモリ(ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory))105と、各種信号を入出力するための入出力ポート(図示せず)とを含んで構成される。ECU100は、各センサから受ける信号並びにメモリ105に記憶されたプログラム及びマップに基づいてエンジン50及びPCU30を制御することにより、組電池10の充放電を制御する。
図2は、図1に示した組電池10の詳細な構成の一例を示した図である。図2を参照して、この組電池10においては、複数のセルが並列接続されてブロック(或いはモジュール)を構成し、複数のブロックが直列接続されて組電池10を構成する。具体的には、組電池10は、直列に接続されるブロック10−1〜10−Mを含み、ブロック10−1〜10−Mの各々は、並列接続されたN個のセルを含む。
電圧センサ21−1は、ブロック10−1の電圧を検出する。すなわち、電圧センサ21−1は、ブロック10−1を構成するN個のセルの電圧V1を検出する。電圧センサ21−2は、ブロック10−2を構成するN個のセルの電圧V2を検出する。電圧センサ21−Mについても同様である。電流センサ22は、各ブロック10−1〜10−Mに流れる電流Iを検出する。すなわち、電流センサ22は、各ブロックのN個のセルに流れる総電流を検出する。
並列接続された複数のセルを含んで構成される組電池10においては、並列接続されたN個のセル間で電流のばらつきが生じる。そのため、電流センサ22の検出値から算出されるN個のセルの平均電流よりも大きい電流が特定のセルに流れ、セルに流れる電流が所定の制限を超える可能性がある。
そこで、この実施の形態1では、並列接続されたN個のセル間での電流ばらつきが算出される。セル間の電流ばらつきを算出することによって、たとえば、並列接続されたN個のセルに分散して流れる電流のうちの最大電流を参照して組電池10に電流制限をかけることにより、組電池10を適切に保護することができる。
この実施の形態1では、並列接続されたN個のセルの各々の抵抗(セル間の抵抗ばらつき)からセル間の電流ばらつきが算出される。ここで、セルの抵抗には電流依存性があるので、各セルの状態(たとえば温度)に応じたセル間の抵抗ばらつきによりセル間の電流ばらつきが生じると、その電流ばらつきによって各セルの抵抗が影響を受ける。したがって、たとえば、並列接続されたN個のセルに均一の電流が流れるとの前提で、各セルの温度に応じた各セルの抵抗(抵抗ばらつき)に基づきセル間の電流ばらつきを算出すると、その電流ばらつきによる各セルの抵抗への影響が考慮されないために、電流ばらつきの算出精度が低下する可能性がある。
そこで、この実施の形態1に従う電池システム2においては、並列接続されたN個のセルについて、まずは、予め定められた電流ばらつきの初期状態(たとえば電流ばらつき無とした状態)とN個のセルの状態(温度)とから各セルの抵抗が算出され、算出された各セルの抵抗からセル間の電流ばらつきが算出される。そして、算出された電流ばらつきとN個のセルの状態(温度)とから各セルの抵抗が再度算出され、算出された各セルの抵抗からセル間の電流ばらつきが再度算出される。そして、算出された電流ばらつきの前回演算値からの変化が収束判定値よりも大きい場合には、算出された電流ばらつきとN個のセルの状態(温度)とから各セルの抵抗が再度算出され、電流ばらつきの変化が収束判定値以下になるまで、各セルの抵抗の算出、及び算出された各セルの抵抗を用いた電流ばらつきの算出が繰り返し実行される。この実施の形態によれば、セルの抵抗の電流依存性を考慮したセル間の電流ばらつきが算出されるので、複数のセル間の電流ばらつきを精度よく算出することができる。
以下、この実施の形態1に従う電池システム2におけるセル間の電流ばらつきの算出方法について、2つのセルが並列接続された簡易な構成例を用いてより詳しく説明する。
図3は、2つのセルが並列接続されてなる組電池の構成を示した図である。図3を参照して、この例では、2つのセルA及びセルBが並列接続されている。総電流Itは、セルAとセルBとに分散して流れ、セルA及びセルBに流れる電流をそれぞれIA,IBとする。また、セルA及びセルBの抵抗をそれぞれRA,RBとする。
図4は、図3に示した各セルの抵抗の電流依存性を示した図である。図4を参照して、横軸はセルに流れる電流(セル電流)を示し、縦軸はセルの抵抗(セル抵抗)を示す。セルAとセルBの状態は異なっており、セルAとセルBには温度差が生じている。この例では、セルAの温度がセルBの温度よりも低い場合が示されている。そして、図示されるように、セルの温度(セル温度)が低いほど、セル抵抗は高くなる。この実施の形態1では、このようなセル抵抗の電流依存性を示す電流−抵抗特性マップがセル温度毎に予め準備され、ECU100のメモリ105に記憶されている。
この実施の形態1では、セル間の電流ばらつきと各セルの状態(セル温度)とから各セルの抵抗値が算出され、算出された各セルの抵抗値からセル間の電流ばらつきが算出される。セルA及びセルBの抵抗値の算出について、まずは、セル間の電流ばらつきが無く(初期状態)、セルA及びセルBに均一の電流値I0(I0=It/2)が流れるものとして、図示される電流−抵抗特性マップを用いて、セルAの抵抗値RA1及びセルBの抵抗値RB1(RA1>RB1)が算出される。
並列接続されたセルには、各セルの抵抗値の逆数の比に分流して電流が流れるので、算出された抵抗値RA1,RB1からセルA及びセルBに流れる電流値を算出することができ、セルAの電流値IA1及びセルBの電流値IB1(IA1<IB1)が算出される。しかしながら、図示されるように、セル抵抗には電流依存性があるので、セルAにIA1の電流が流れるときのセルAの抵抗値はRA2(RA2>RA1)と見積もられ、セルBにIB1の電流が流れるときのセルBの抵抗値はRB2(RB2<RB1)と見積もられる。したがって、これらの抵抗値RA2,RB2からセルA及びセルBに流れる電流を再度算出すると、セルAの電流値はIA2(IA2<IA1)となり、セルBの電流値はIB2(IB2>IB1)となる。
このように、セル抵抗の電流依存性を考慮した場合のセル間の電流ばらつき(電流値IA2,IB2の差)は、セル抵抗の電流依存性を考慮しない場合のセル間の電流ばらつきに比べて大きくなることが理解される。
この実施の形態1に従う電池システム2では、このようなセル抵抗の電流依存性を考慮して、セル間の電流ばらつきの算出計算が繰り返し実行される。具体的には、算出された電流ばらつき(たとえば図4のIA1,IB1)と各セルの状態(セル温度)とから電流−抵抗特性マップを用いて各セルの抵抗値が再度算出され(たとえば図4のRA2,RB2)、算出された各セルの抵抗値からセル間の電流ばらつきが再度算出される(たとえば図4のIA2,IB2)。このような電流ばらつきの算出が、電流ばらつきの変化(IA1,IB1のばらつきに対するIA2,IB2のばらつき)が収束判定値以下になるまで繰り返し実行される。
図5は、図1に示したECU100により実行されるセル間の電流ばらつきの算出手順を説明するフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、組電池10を構成するブロック毎に、所定時間毎又は所定条件の成立時にメインルーチンから呼び出されて実行される。
図5を参照して、ECU100は、対象ブロックの各セルの温度Tiを温度センサ23から取得する(ステップS10)。次いで、ECU100は、セル間の電流ばらつきに初期値を設定する(ステップS20)。一例として、この実施の形態1では、並列接続されたN個のセルの平均電流に対する電流最大セル(最大の電流が流れるセル)の電流増分を示す電流増加ゲインIgainが算出され、この電流増加ゲインIgainによって電流ばらつきが示される。そして、この実施の形態1では、ステップS20において、電流増加ゲインIgainに初期値1.0が設定される。電流増加ゲインIgainが1.0であることは、各セルに均一の電流が流れるものとすることに相当する。
なお、セル間の電流ばらつきを示す指標は、電流増加ゲインIgainに限定されるものではなく、その他の指標、たとえば、最大電流と最小電流との差や、各セルの電流の分散等、種々の指標を採用することができる。また、電流ばらつきの初期値は、各セルに均一の電流が流れる場合の値に限定されるものではなく、たとえばセルの配置(中央か端部か)等に基づいて適宜設定してもよい。
次いで、ECU100は、セル間の電流ばらつき及びステップS10で取得されたセル温度から各セルの抵抗を算出する(ステップS30)。具体的には、実験や数値計算等によって、図4に示した電流−抵抗特性マップがセル温度毎に予め準備されており、この電流−抵抗特性マップを用いて各セルの抵抗が算出される。図4に示した例で説明すると、ステップS20からステップS30への移行時は、セルA及びセルBに均一の電流I0が流れるものとして、抵抗値RA1,RB1が算出されることに相当する。また、後述のステップS60からステップS30への移行時は、ステップS40において算出された電流ばらつきに基づくセル電流(たとえば電流値IA1,IB1)がセルA及びセルBに流れるものとして、各セルの抵抗値(たとえば、電流値IA1,IB1にそれぞれ対応する抵抗値RA2,RB2)が算出されることに相当する。
次いで、ECU100は、ステップS30において算出された各セルの抵抗から、セル間の電流ばらつきを算出する(ステップS40)。具体的には、並列接続されたN個のセルには、各セルの抵抗の逆数の比に分流して電流が流れるので、各セルに流れる電流、及びセル間の電流ばらつきを示す電流増加ゲインIgainを算出することができる。
さらに、ECU100は、電流ばらつきの変化量を算出する(ステップS50)。具体的には、電流ばらつきの算出は、後述のように算出値が収束したと判定されるまで繰り返し行なわれるところ、電流ばらつきの変化量とは、電流増加ゲインIgainの前回値からの変化量である。
そして、ECU100は、電流ばらつきの変化量(電流増加ゲインIgainの前回値からの変化量)が予め定められた収束判定値以下であるか否かを判定する(ステップS60)。電流ばらつきの変化量が収束判定値以下であると判定されると(ステップS60においてYES)、ECU100は、直前のステップS40において算出された電流ばらつきを最終的な算出値として、エンドへと処理を移行する。
一方、ステップS60において電流ばらつきの変化量が収束判定値よりも大きいと判定されると(ステップS60においてNO)、ECU100は、ステップS30へ処理を戻してステップS30の処理を再度実行する。すなわち、ECU100は、ステップS40において算出された電流ばらつき(各セルの電流値)を用いて、電流−抵抗特性マップを参照して各セルの抵抗を再度算出する。
このように、ECU100は、ステップS60においてセル間の電流ばらつき(電流増加ゲインIgain)の変化量が収束判定値以下であると判定されるまで、ステップS30〜S50の処理を繰り返し実行する。
以上のように、この実施の形態1においては、算出されたセル間の電流ばらつきとN個のセルの状態(温度)とから各セルの抵抗が算出され、電流ばらつきの変化が収束判定値以下になるまで、算出されたセル間の電流ばらつきを考慮した各セルの抵抗の算出、及び算出された各セルの抵抗を用いた電流ばらつきの算出が繰り返し実行される。これにより、セル間の電流ばらつきによる各セルの抵抗への影響(セル抵抗の電流依存性)を考慮して、セル間の電流ばらつきが算出される。したがって、この実施の形態1によれば、複数のセル間の電流ばらつきを精度よく算出することができる。
[実施の形態2]
上記の実施の形態1では、電流−抵抗特性マップがセル温度毎に予め準備され、セルの状態としてセル温度が考慮されるものとしたが、この実施の形態2では、電流−抵抗特性マップがセルのSOC毎に予め準備され、セルの状態としてセルのSOCが考慮される。
上記の実施の形態1では、電流−抵抗特性マップがセル温度毎に予め準備され、セルの状態としてセル温度が考慮されるものとしたが、この実施の形態2では、電流−抵抗特性マップがセルのSOC毎に予め準備され、セルの状態としてセルのSOCが考慮される。
図6は、実施の形態2において用いられる電流−抵抗特性マップの一例を示した図である。なお、この図6は、実施の形態1で説明した図4に対応するものであり、この図6においても、図3に示したセルA及びセルBの抵抗の電流依存性が示されている。
図6を参照して、セルAとセルBの状態は異なっており、セルAとセルBにはSOC差が存在している。この例では、セルAのSOCがセルBのSOCよりも低い場合が示されている。そして、図示されるように、SOCが低いほど、セル抵抗は高くなる。この実施の形態2では、このようなセル抵抗の電流依存性を示す電流−抵抗特性マップがセルのSOC毎に予め準備され、ECU100のメモリ105に記憶されている。
この実施の形態2では、セル間の電流ばらつきと各セルの状態(SOC)とから各セルの抵抗値が算出され、算出された各セルの抵抗値からセル間の電流ばらつきが算出される。各セルの抵抗の算出、及びセル間の電流ばらつきの算出の具体的な説明については、図4の説明と同様になるので、ここでは説明を繰り返さない。
この実施の形態2に従う電池システムでは、算出された電流ばらつき(たとえば図6のIA1,IB1)と各セルの状態(SOC)とから電流−抵抗特性マップを用いて各セルの抵抗値が再度算出され(たとえば図6のRA2,RB2)、算出された各セルの抵抗値からセル間の電流ばらつきが再度算出される(たとえば図6のIA2,IB2)。このような電流ばらつきの算出が、電流ばらつきの変化(たとえば電流増加ゲインIgainの変化量)が収束判定値以下になるまで繰り返し実行される。
図7は、実施の形態2におけるECU100により実行されるセル間の電流ばらつきの算出手順を説明するフローチャートである。このフローチャートに示される処理も、組電池10を構成するブロック毎に、所定時間毎又は所定条件の成立時にメインルーチンから呼び出されて実行される。
図7を参照して、ECU100は、対象ブロックの各セルのSOCを算出する(ステップS110)。各セルのSOCについては、公知の各種手法を用いて適宜算出することができる。次いで、ECU100は、セル間の電流ばらつきに初期値を設定する(ステップS120)。一例として、この実施の形態2でも、電流増加ゲインIgainが算出され、この電流増加ゲインIgainによって電流ばらつきが示される。そして、この実施の形態2でも、ステップS120において、電流増加ゲインIgainに初期値1.0が設定される(各セルに均一の電流が流れるものとされる。)。
次いで、ECU100は、セル間の電流ばらつき及びステップS110で算出されたSOCから各セルの抵抗を算出する(ステップS130)。具体的には、実験や数値計算等によって、図6に示した電流−抵抗特性マップがセルのSOC毎に予め準備されており、この電流−抵抗特性マップを用いて各セルの抵抗が算出される。
以降のステップS140〜S160において実行される処理は、それぞれ図5に示したステップS40〜S60において実行される処理と同じであるので、これらの処理については説明を繰り返さない。そして、ECU100は、ステップS160において電流ばらつきの変化量が収束判定値以下であると判定されるまで、ステップS130〜S150の処理を繰り返し実行する。
以上のように、この実施の形態2によっても、実施の形態1と同様の効果が得られる。
なお、特に図示しないが、実施の形態1,2の組合わせとして、セルの温度及びSOC毎に電流−抵抗特性マップを予め準備し、セルの状態としてセルの温度及びSOCの双方を考慮するようにしてもよい。
なお、特に図示しないが、実施の形態1,2の組合わせとして、セルの温度及びSOC毎に電流−抵抗特性マップを予め準備し、セルの状態としてセルの温度及びSOCの双方を考慮するようにしてもよい。
また、上記の実施の形態1,2では、セル間の電流ばらつきの変化量が収束判定値以下であると判定されるまで繰り返し収束計算が行なわれるものとしたが、各種条件下(セルの温度及び/又はSOC)で上記の収束計算を事前に実行し、その結果をもとに、セル抵抗の電流依存性を考慮した電流ばらつきマップを予め算出してもよい。
図8は、電流ばらつきマップの一例を示した図である。図8を参照して、この例では、電流ばらつきマップのパラメータとして、並列接続されるN個のセル間の最大の温度差ΔTと、最も温度が低いセルの温度を示す最低温度TLと、セル間の最大のSOC差ΔSOCとが用いられる。上記の各パラメータを適宜変化させて実施の形態1,2で説明したような収束計算を予め実行することにより、上記パラメータに対するセル間の電流ばらつき(最大電流ゲインIgain)を算出し、図示されるような電流ばらつきマップを作成することができる。
このような電流ばらつきマップを予め準備することによって、実施の形態1,2で説明したような収束計算を行なうことなく、並列接続されたN個のセルについての温度差ΔT、最低温度TL、及びSOC差ΔSOCから、セル間の電流ばらつき(最大電流ゲインIgain)を算出することができる。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 車両、2 電池システム、10 組電池、10−1〜10−M ブロック、20 監視ユニット、21,21−1〜21−M 電圧センサ、22 電流センサ、23 温度センサ、30 PCU、41,42 MG、50 エンジン、60 動力分割装置、70 駆動軸、80 駆動輪、100 ECU、102 CPU、105 メモリ。
Claims (1)
- 並列接続された複数の二次電池を含んで構成される組電池と、
前記複数の二次電池に分散して流れる電流の、前記複数の二次電池間のばらつきを算出するように構成された制御装置とを備え、
前記制御装置は、
予め定められた前記電流のばらつきの初期状態と前記複数の二次電池の状態とから各二次電池の抵抗を算出し、
算出された各二次電池の抵抗から前記電流のばらつきを算出し、
算出された電流ばらつきの変化が所定量よりも大きい場合には、算出された電流ばらつきと前記複数の二次電池の状態とから各二次電池の抵抗を再度算出し、
前記電流ばらつきの変化が前記所定量以下になるまで、各二次電池の抵抗の算出、及び算出された各二次電池の抵抗を用いた前記電流ばらつきの算出を繰り返し実行する、電池システム。
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