JP7177791B2 - 組電池および電動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、組電池および電動装置に関する。
本願は、2018年1月10日に、日本に出願された特願2018-002192号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年は、環境に対する意識が高まる中、例えば特許文献1に記載されているように、電気エネルギーを貯蔵するための蓄電池として、リチウムイオン電池等の二次電池などが注目を集めている。
特開2000-357494号公報
電気自動車用の蓄電池などにおいては、大容量化のため、複数の単電池(リチウムイオン電池等)を接続して構成した組電池が用いられている。組電池では、複数の単電池が集合されるため、通電時の発熱により高温となりやすい。リチウムイオン電池等の電池は、高温により劣化が進行する可能性がある。
本発明は、通電時の温度上昇を抑制できる組電池および電動装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様の組電池は、複数の単電池と、前記単電池を外装する電池外装体と、前記単電池および前記電池外装体を保護する一対の保護板とを備え、前記電池外装体は、少なくとも一対の向かい合う外装板を備え、前記外装板は、幅方向に間隔をおいて複数の当接部で互いに当接し、前記当接部によって区画された複数の筒状部に、それぞれ前記単電池が収容され、前記一対の保護板は、前記筒状部の両端の開口をそれぞれ閉止し、前記保護板に、前記当接部によって前記外装板の外側に形成された外部空間に通じる熱媒体流通孔が形成されている。
前記組電池は、前記2以上の単電池で構成された層が複数重ねられた積層構造を有してもよい。
前記組電池は、前記単電池が、電池本体と、前記電池本体を収容する内部空間を有する収容体とを備え、前記収容体が、金属層と樹脂層とが積層された積層体からなり、前記樹脂層が前記内部空間の側であってもよい。
本発明の一態様に係る電動装置は、前記組電池と、前記組電池によって駆動する駆動機構とを備える。
本発明によれば、通電時の組電池の温度上昇を抑制できる。
本発明の一実施形態の組電池を模式的に示す斜視図である。 図1の組電池の一部を模式的に示す正面図である。 図1の組電池に使用される単電池の例を示す斜視図である。 図1の組電池の一部を模式的に示す断面図である。 図1の組電池の変形例の一部を模式的に示す正面図である。 本発明の一実施形態の電動装置を模式的に示す図である。 実施例および比較例における電池温度の変化を示すグラフである。
図1は、本発明の一実施形態の組電池10を模式的に示す斜視図である。図2は、組電池10の一部を模式的に示す正面図である。図3は、組電池10に使用される単電池1の一例を示す斜視図である。図4は、組電池10の一部を模式的に示す断面図である。
図1に示すように、組電池10は、互いに平行に配置された複数の直方体状の単電池1と、各単電池1を包むように配置された電池外装体2と、単電池1および電池外装体2の両端に配置された一対の矩形状をなすパッキン5と、パッキン5の外側から上記全体を挟む一対の矩形状をなす保護板4とを備える。
図1および図2に示すように、組電池10は、1または複数の電池外装体2を備える。図1に示す実施形態の組電池10は、3つの電池外装体2を備える。これらの電池外装体2を、図2における上から順に、第1電池外装体2A、第2電池外装体2B、および第3電池外装体2Cという。第1~第3電池外装体2A~2Cは、互いに同じ平面寸法および厚さを有し、厚さ方向(Z方向)に重ねられている。
電池外装体2は、向かい合う一対の長方形状の外装板6,6を備え、対をなす外装板6,6の間に、それぞれ複数(この例では3本)の単電池1が互いに平行かつ等間隔を空けて配置されている。
第1電池外装体2Aを構成する外装板6,6を、図2における上から順に、第1および第2外装板6A,6Bという。第2電池外装体2Bを構成する外装板6,6を、図2における上から順に、第3および第4外装板6C,6Dという。第3電池外装体2Cを構成する外装板6,6を、図2における上から順に、第5および第6外装板6E,6Fという。
外装板6は、本発明では限定されないが、例えば、金属、非金属材料(例えば樹脂)などからなる。
外装板6を構成する金属は、例えば、銅、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、アルミニウムなどでもよいし、これらのうち1以上を含む合金もしくはこれらの複合材料でもよい。
外装板6を構成する非金属材料としては、本発明では限定されないが、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)等のポリエステル樹脂;ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂;ナイロン(Ny)等のポリアミド樹脂;ポリイミド樹脂;フッ素樹脂;アクリル樹脂;ポリウレタン樹脂などが挙げられる。
外装板6は、単層構造であってもよいし、同種もしくは異なる材質を積層した多層構造であってもよい。外装板6は、金属層と非金属層とを含む多層構造体であってもよい。
図1および図2において、X方向は外装板6の幅方向である。Y方向は外装板6(例えば基板部11)に沿う面内においてX方向と直交する延在方向である。Z方向はX方向およびY方向に直交する方向であり、外装板6の厚さ方向である。平面視とはZ方向から見ることをいう。
図2に示すように、向かい合う外装板6,6は、X方向に隣り合う単電池1の間隙で、複数の当接部7において互いに当接している。当接部7は接合されていてもよいし、単に当接しているだけで、外装板6,6は分離可能であってもよい。当接部7は、例えばY方向に沿う一定幅の帯状に形成されている。複数の当接部7はX方向に間隔をおいて形成され、この例の各当接部7は隣り合う単電池1の間隙の中央に位置している。
外装板6の、X方向に隣り合う当接部7,7の間の部分を中間部8(非当接部)という。中間部8は、単電池1の上面および下面に面接触する互いに平行な基板部11と、基板部11と当接部7とをつないで基板部11に対して傾斜した一対の側板部12,12とを有する。図示の例の一対の側板部12,12は同じ幅を有するが、互いに異なる幅を有していてもよい。
基板部11はXY平面に沿って形成されている。第1、第3および第5外装板6A,6C,6Eの基板部11の内面(図2の下面)は、それぞれ単電池1(1A,1B,1C)の一方の面(図2の上面)に面接触する。第2、第4および第6外装板6B,6D,6Fの内面(図2の上面)は、それぞれ単電池1(1A,1B,1C)の他方の面(図2の下面)に面接触する。
側板部12,12は、基板部11の両側縁からそれぞれ当接部7,7に向けて延びている。側板部12,12は、基板部11の両側縁から拡幅方向に徐々に相手側の外装板6に近づくように傾斜して延出している。この例の側板部12,12は、XZ断面が直線状となる平坦な形状であり、基板部11に対して角度θ1(0°<θ1<90°)で傾斜している。中間部8は、隣り合う当接部7,7を通るXY平面に対して、相手側の外装板6から離れる方向(外方)に凸となる曲げ形状となっている。
向かい合う外装板6,6の中間部8,8は、中空の角筒状の筒状部14を形成する。筒状部14の内部空間は電池収容部15であり、個々の電池収容部15に一つずつ単電池1が収容される。筒状部14は、当接部7,7によって区画されている。向かい合う外装板6,6は、幅方向(X方向)に並ぶ2以上の筒状部14を有する。一対の向かい合う外装板が形成する筒状部の数は2以上が好ましく、例えば2~200とすることができる。
図2に示す組電池10では、電池外装体2を構成する外装板6,6は、X方向に間隔をおいて4つの当接部7で互いに当接している。そのため、電池外装体2は3つの筒状部14を有する。外装板6,6は、いずれも複数の筒状部14にわたって幅方向に連続して形成されている。
側板部12,12が傾斜しているため、筒状部14は、一対の基板部11と4つの側板部12とからなる六角筒状となっている。一方の中間部が、基板部と、拡幅方向に向かって相手側のシート体に近づくように傾斜した一対の側板部とを有し、他方の中間部が、基板部と、拡幅方向に向かって相手側のシート体に近づくように傾斜した一対の側板部とを有するとき、これら基板部および側板部から構成される中間部の形状を六角筒状となる。
外装板6の幅方向(X方向)に隣り合う中間部8,8の側板部12,12の間には、側板部12,12の外面および当接部7の外面によって凹状の外部空間16が形成される。
当接部7,7は、接着剤によって互いに接着することもできる。当接部7,7を接着するための接着剤としては、例えばポリオレフィン系接着剤、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、ウレタン系接着剤、ナイロン系接着剤、ポリエステル系接着剤などの絶縁材料を挙げることができる。当接部7,7が金属である場合は、接着に限らず、溶接、ろう付け、拡散接合などにより接合してもよい。
電池外装体2は、複数の筒状部14が外装板6の幅方向(X方向)に並んで配列されているため、複数の筒状部14が規則的に配列されたハニカム状構造体である。
電池外装体2(一対の外装板6,6)の数は、2以上が好ましく、例えば2~20であってよい。
組電池10は、2以上の電池外装体2を備え、かつ、それぞれの電池外装体2が2以上の筒状部14を備える。そのため、並列配置された複数の単電池1を直列に配置した構造としてもよい。例えば、図2に示す組電池10では、第1電池外装体2Aに設けられた3つの単電池1Aは互いに並列に接続することができる。第2電池外装体2Bに設けられた3つの単電池1Bは互いに並列に接続することができる。第3電池外装体2Cに設けられた3つの単電池1Cは互いに並列に接続することができる。複数の単電池1Aからなる電池群と、複数の単電池1Bからなる電池群と、複数の単電池1Cからなる電池群とは直列に接続することができる。
厚さ方向(Z方向)に隣り合う電池外装体2,2は、中間部8,8が突き合わせられ、基板部11,11どうしが対面している。そのため、一方の電池外装体2の外面側に形成された外部空間16と、他方の電池外装体2の外面側に形成された外部空間16とによって、筒状空間17が形成される。筒状空間17は、一方の電池外装体2の側板部12,12および当接部7と、他方の電池外装体2の側板部12,12および当接部7とによって囲まれた六角柱状の空間である。
筒状空間17は、供給機構21(図4参照)によって供給された熱媒体を流通させる流通路として用いることができる。
図3に示すように、単電池1は、例えばリチウムイオン電池であってもよい。この実施形態の単電池1は、直方体状の電池本体50と、電池本体50を包み込む収容体51とを備える。
収容体51は、電池本体50が入る四角い窪みを有するトレイ状の容器本体52と、容器本体52と同じ平面寸法を有する平板状の蓋部53とを有し、蓋部53で容器本体52の窪みを塞いでいる。収容体51は、電池本体50を収容する内部空間を有する。収容体51は、容器本体52と蓋部53とを重ね、周縁部54をヒートシールすることにより形成されている。
符号55は、電池本体50の電極(正極)に接続された正極リードである。符号56は、電池本体50の電極(負極)に接続された負極リードである。この例の正極リード55および負極リード56は収容体51の一端部から互いに平行に延出している。
電池本体50は、例えば、正極板(図示略)と、正極板に接する正極活物質層(図示略)と、負極板(図示略)と、負極板に接する負極活物質層(図示略)と、正極活物質層と負極活物質層とを隔てるセパレータ(図示略)と、電解質(図示略)とを有する。正極板および負極板は、例えば金属からなる。正極活物質層は、例えばリチウム系材料などの正極活物質を含む。負極活物質層は、例えばカーボン系材料などの負極活物質を含む。電池本体50は、扁平な形状であって、厚さが一定であることが好ましい。
収容体51を構成する容器本体52および蓋部53は、例えば、図3に示すように金属層57と、金属層57に積層された樹脂層58とを備えた積層体で構成されていてもよい。金属層57は、アルミニウム、ステンレスなどの金属からなる。樹脂層58は、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂からなる。収容体51は、樹脂層58を内部空間側にして構成されている。
図示はしないが、積層体は、金属層と、金属層の第1の面に積層された第1樹脂層と、前記金属層の第2の面(第1の面とは反対の面)に積層された第2樹脂層とを備えた構造(すなわち、樹脂層/金属層/樹脂層の構造)であってもよい。この構造は、積層体の加工性、耐久性の観点から好ましい。
単電池1は扁平な形状であり、厚さ方向をZ方向に向けて電池外装体2の電池収容部15(図1参照)に収容されている。単電池1が扁平な形状であるとは、単電池1の厚さ寸法(Z方向の寸法)が、幅方向(X方向)の寸法および延在方向(Y方向)の寸法より小さいことをいう。単電池1は扁平な形状であるため、組電池10を薄型化できる。
図1および図2に示すように、単電池1は、電池収容部15に一つずつ収容され、電池外装体2に外装されている。単電池1は、電池収容部15に、出し入れ自在に収容されることが好ましい。第1電池外装体2Aの筒状部14内に設けられた単電池1を第1単電池1Aという。第2電池外装体2Bの筒状部14内に設けられた単電池1を第2単電池1Bという。第3電池外装体2Cの筒状部14内に設けられた単電池1を第3単電池1Cという。
複数の筒状部14を有する複数の電池外装体2(2A~2C)は、厚さ方向(Z方向)に重ねられている。そのため、同じ電池外装体2に設けられた複数の単電池1が1つの層を構成し、組電池10は、複数の単電池1で構成された層が複数重ねられた積層構造を有する。なお、本発明における単電池の構造は、図3の構造のみに限定されない。
図1および図4に示すように、保護板4は、例えば、ステンレス鋼などからなる金属板である。保護板4は、電池外装体2および単電池1を外力から保護する。保護板4は、XZ平面に沿う板状に形成されている。保護板4は、パッキン5の外面側に設けられている。保護板4は、パッキン5を介して、筒状部14の両端開口をそれぞれ閉止する。
保護板4には、図1および図4に示すように、熱媒体流通孔18が形成されている。熱媒体流通孔18は、平面視において、少なくとも一部が電池外装体2の筒状空間17に通じる位置に形成されている。この例の熱媒体流通孔18は、筒状空間17の断面形状と同じ六角形状に形成され、筒状空間17の開口部に合致している。
パッキン5は、XZ平面に沿うシート状に形成されている。パッキン5は、筒状部14の両端の周縁にそれぞれ当接する。パッキン5は、軟質樹脂、ゴムなどからなる。パッキン5には、平面視において、少なくとも一部が熱媒体流通孔18および筒状空間17と重なる熱媒体流通孔19が形成されている。この例の熱媒体流通孔19は、筒状空間17の断面形状および熱媒体流通孔18と同じ六角形状に形成され、筒状空間17の開口部に合致している。
図4に示すように、この実施形態の組電池10では、供給機構21によって供給された熱媒体を、熱媒体流通孔18,19を通して筒状空間17に流通させることができる。熱媒体は、例えば空気などの気体でもよいし、水やオイルなどの液体でもよい。熱伝導率の観点からは液体の媒体が好ましい。また、気体を熱媒体として用いることも装置の構成の複雑化を避けられる点から好ましい。供給機構21は、例えば送風機、送液ポンプなどである。供給機構21が送液ポンプの場合には、排出側の熱媒体流通孔18,19から流出した液体を回収して放熱させ、再び供給機構21へ戻すことが好ましい。
組電池10は、熱媒体流通孔18,19を通して筒状空間17に熱媒体を流通させることによって、通電時の単電池1の温度上昇を抑制することができる。
図2に示すように、組電池10は、複数の筒状部14を有する複数の電池外装体2(2A~2C)が、厚さ方向に重ねられた積層構造を有するため、一部の単電池1については放熱がされにくい。例えば、第2電池外装体2Bの3つの筒状部14のうち中央の筒状部14に収容された第2単電池1B(中央単電池1B2)に着目する。中央単電池1B2の厚さ方向(Z方向)の両方(上方および下方)には、他の単電池1(第1単電池1Aおよび第3単電池1C)がある。中央単電池1B2の幅方向(X方向)の両方(左方および右方)にも、他の単電池1(単電池1B1,1B3)がある。そのため、中央単電池1B2は、熱が放出されにくい。組電池10では、熱媒体流通孔18,19を通して筒状空間17に熱媒体を流通させることによって、特に中央単電池1B2の温度上昇を抑制することができる。
図5は、図1等に示す組電池10の変形例である組電池10Aの一部を模式的に示す正面図である。図5に示すように、組電池10Aは、電池外装体102以外は図2等に示す組電池10と同じ構成である。組電池10Aは、3つの電池外装体102を備える。これらの電池外装体102を、図5における上から順に、第1電池外装体102A、第2電池外装体102B、および第3電池外装体102Cという。第1~第3電池外装体102A~102Cは、厚さ方向(Z方向)に重ねられている。
電池外装体102は、向かい合う一対の外装板106,106を備えている。
第1電池外装体102Aを構成する外装板106,106を、上から順に、第1および第2外装板106A,106Bという。第2電池外装体102Bを構成する外装板106,106を、上から順に、第3および第4外装板106C,106Dという。第3電池外装体102Cを構成する外装板106,106を、上から順に、第5および第106外装板106E,106Fという。
外装板106は、組電池10の外装板6と同様に、例えば、金属、非金属材料(例えば樹脂)などからなる。
第1、第3および第5外装板106A,106C,106Eは、複数の当接部107において、それぞれ第2、第4および第6外装板106B,106D,106Fに当接している。当接部107は、例えばY方向に沿う一定幅の帯状に形成され、単電池1同士の間隙の中央に位置している。複数の当接部107はX方向に間隔をおいて形成されている。当接部107は、単電池1同士の間隙内において隣り合う何れか一方の単電池1に接近した位置に配置されてもよい。
外装板106A,106C,106Eの、X方向に隣り合う当接部107,107の間の部分を中間部108(非当接部)という。中間部108は、基板部111と、基板部111に対して傾斜した一対の側板部112,112とを有する。
基板部111はXY平面に沿って形成されている。第1、第3および第5外装板106A,106C,106Eの基板部111の内面(図5の下面)は、それぞれ単電池1(1A,1B,1C)の一方の面(図5の上面)に面接触する。
第2、第4および第6外装板106B,106D,106Fは、平坦に形成されている。外装板106B,106D,106Fの内面(図5の上面)は、それぞれ単電池1(1A,1B,1C)の他方の面(図5の下面)に面接触する。
外装板106A,106C,106Eの側板部112,112は、基板部111の両側縁からそれぞれ当接部107,107に向けて延出する。側板部112,112は、基板部111の両側縁から拡幅方向に徐々に相手側の外装板106(外装板106B,106D,106F)に近づくように傾斜して延出している。
外装板106A,106C,106Eの中間部108と、外装板106B,106D,106Fとは、中空の角筒状の筒状部114を形成する。筒状部114の内部空間は電池収容部115である。筒状部114は、当接部107,107によって区画されている。向かい合う外装板106,106は、幅方向(X方向)に並ぶ2以上の筒状部114を有する。側板部112,112が傾斜しているため、筒状部114は、断面が台形の筒状となっている。
外装板106の幅方向(X方向)に隣り合う側板部112,112の間には、側板部112,112の外面および当接部107の外面によって外部空間116が形成される。厚さ方向(Z方向)に隣り合う電池外装体102,102の間の外部空間116は、筒状空間117である。筒状空間117は、供給機構21(図4参照)によって供給された熱媒体を流通させる流通路として用いることができる。
組電池10Aは、熱媒体流通孔18,19(図4参照)を通して筒状空間117に熱媒体を流通させることによって、通電時の単電池1の温度上昇を抑制することができる。この場合、熱媒体流通孔18,19の形状は、筒状空間117の断面形状と同じ台形であり、筒状空間117の開口部と合致して配置されることが好ましい。
図6は、組電池10を用いた電動装置の例を模式的に示す図である。電動装置400は、駆動機構401によって移動可能な車両である。電動装置400は、車体402と、4つの車輪403とを備える。駆動機構401は、組電池10からの給電によって稼働するモータ等であり、4つの車輪403の少なくとも一部を駆動させる。車体402は、駆動機構401および組電池10を搭載する。車体402は、組電池10の熱媒体流通孔18,19に空気または液体等の流体を送って、もしくは循環させて冷却するための冷却装置をさらに備え、この冷却装置を組電池10で駆動してもよい。電動装置としては、車両に限らず、エスカレータ、洗濯機、冷蔵庫、ドローン等の飛行機、船、工作機械などが例示できる。
本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
単電池1は、リチウムイオン電池に限らず、電気二重層キャパシタ、ニッケル・水素電池、ニッケル・カドミウム電池、ポリマーリチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、その他の二次電池などであってもよい。
図1等に示す電池外装体2では、外装板6,6は、いずれも複数の筒状部14にわたって幅方向に連続して形成されているが、外装板は、向かい合う外装板のうちいずれか一方のみが複数の筒状部にわたって幅方向に連続して形成され、他方の外装板は筒状部ごとにそれぞれ独立した構成であってもよい。
(実施例1)
筒状部14が六角筒状(図1参照)とされた組電池を次のようにして製造した。電池外装体2を構成する外装板6,6を7組製造した。電池外装体2は、電池収容部15をX方向に並んで3つ有する。電池外装体2を重ねることによって、X方向に筒状部14が3つ並び、Z方向に筒状部14が7つ並ぶ構造体を作製した。各筒状部14に合計21個の扁平型の単電池1を入れて、電気的な接続を行った。
X方向に並ぶ3つの単電池1は、並列で導通するように配線を接続し、かつ、Z方向に並ぶ複数の電池群は直列で導通するように配線を接続した。単電池1はリチウムイオン電池である。単電池1の収容体は樹脂層/金属層/樹脂層からなるラミネート積層体である。図1に示すように、得られた電池外装体2の端部にそれぞれ、パッキン5および保護板4を配置した。保護板4の熱媒体流通孔18およびパッキン5の熱媒体流通孔19は、筒状空間17に通じる位置に形成されている(図4参照)。
筒状部14内の各それぞれの単電池1の表面に接するように熱電対21点を配置した。供給機構21(送風機)(図4参照)を用いて筒状空間17に空気を流通させつつ、放電時の各単電池の温度を測定した。電池温度の変化を時間ごとにプロットした。結果を図7に示す。図7のプロットは、熱電対21点の温度の平均値を表す。図7に示すように、開始時に22.7℃であった単電池の温度は、放電1時間後には33.0℃となった。
(比較例1)
保護板およびパッキンが熱媒体通孔を有さない以外は実施例1と同様に組電池を製造した。各組電池の筒状部内の各それぞれの単電池の表面に接するように熱電対21点を配置した。実施例1と同様にして組電池を放電させ、放電時の各単電池の温度を測定した。電池温度の変化を時間ごとにプロットした。結果を図7に示す。図7のプロットは、熱電対12点の温度の平均値を表す。図7に示すように、開始時に22.7℃であった単電池の温度は、放電1時間後には47.3℃となった。
実施例1と比較例1を比較することにより、熱媒体孔18、19を有する実施例1の組電池は、発熱時に熱媒体を通すことにより電池の温度を抑えられることが分かる。
本発明によれば、通電時の組電池の温度上昇を抑制できるから、産業上の利用が可能である。
1,1A,1B,1C…単電池、2,2A,2B,2C,102A,102B,102C…電池外装体、4,…保護板、6,6A~6F,106A~106F…外装板、7,107…当接部、10,10A…組電池、14,114…筒状部、16,116…外部空間、18…熱媒体流通孔、50…電池本体、51…収容体、57…金属層、58…樹脂層、400…電動装置、401…駆動機構。

Claims (4)

  1. 複数の単電池と、
    前記単電池を外装する電池外装体と、
    前記単電池および前記電池外装体を保護する一対の保護板とを備え、
    前記電池外装体は、少なくとも一対の向かい合う外装板を備え、
    前記外装板は、幅方向に間隔をおいて複数の当接部で互いに当接し、
    前記当接部によって区画された複数の筒状部に、それぞれ前記単電池が収容され、
    前記一対の保護板は、前記筒状部の両端の開口をそれぞれ閉止し、
    前記保護板に、前記当接部によって前記外装板の外側に形成された外部空間に通じる熱媒体流通孔が形成されている、組電池。
  2. 複数の前記単電池を備えた層を有し、前記層が複数重ねられた積層構造を有する、請求項1記載の組電池。
  3. 前記単電池は、電池本体と、前記電池本体を収容する内部空間を有する収容体とを備え、
    前記収容体は、金属層と樹脂層とが積層された積層体からなり、前記樹脂層が前記内部空間の側である、請求項1または2に記載の組電池。
  4. 請求項1~3のうちいずれか1項に記載の組電池と、
    前記組電池によって駆動する駆動機構とを備えた電動装置。
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