JP7318102B2 - 上部冷却方式バッテリーパック - Google Patents

Description

本発明は、バッテリーパックに関し、より詳しくは、バッテリーパックの冷却及び組み立て構造に関する。
本出願は、２０１９年８月７日付け出願の韓国特許出願第１０－２０１９－００９６２８４号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。

充電が不可能な一次電池とは異なって、充・放電が自在な電池を二次電池と称する。このような二次電池は、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートパソコンなどの小型先端電子機器分野だけでなく、エネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）、電気自動車（ＥＶ）またはハイブリッド自動車（ＨＥＶ）の動力源としても使用されている。

現在、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などの二次電池が広く使用されている。このような単位二次電池セル、すなわち、単位バッテリーセルの作動電圧は約２．５Ｖ～４．２Ｖである。したがって、これよりも高い出力電圧及びエネルギー容量が求められる場合、複数のバッテリーセルを直列に接続してバッテリーモジュールを構成するか、若しくは、バッテリーモジュールを二つ以上直列又は並列に接続し、その他の構成要素を付け加えてバッテリーパックを構成する。例えば、バッテリーモジュールは複数の二次電池を直列又は並列に接続した装置を意味し、バッテリーパックは容量及び出力などを高めるためバッテリーモジュールを直列又は並列に接続した構成を意味すると言える。

バッテリーパックは、バッテリーモジュールの外にも、バッテリーモジュールの温度を適正に維持するための冷却装置、バッテリーモジュールの作動状態をモニタリングするための制御装置、及びこれらをパッケージングするためのパックケースなどをさらに含んで構成され得る。

一方、電気自動車用バッテリーパックの場合、電気自動車の全長と全幅などによってバッテリーパックの取付空間が制限されるため、バッテリーモジュールを含めた構成品をパックケースの内部に最大限に空間効率的に載置することで、エネルギー密度を高めることが重要である。

従来、バッテリーパックを組み立てるとき、図１に示されたように、パックケースの底面に該当するパックトレイ１の上面にバッテリーモジュール２を配置し、パックトレイ１にボルト締結することでバッテリーモジュール２を機械的に固定している。一般的に、バッテリーモジュール２は前方と後方の角部位の合計４箇所に長ボルトを挿入してパックトレイ１の上面に固定される。また、バッテリーモジュール同士の電気的接続には、一側バッテリーモジュール２の正極端子２ａ及び他側バッテリーモジュール２の負極端子２ｂの上面に金属バー形態のインタ－バスバー３の両端を置き、二つのボルトを使ってこれらを固定する構造が多く採用されている。

さらに、バッテリーパックの冷却構成としては、ヒートシンク４をパックトレイ１の底面に設け、そこに冷却水供給パイプを連結して、パックケースの内外で冷却水を循環させる構成が多く採用されている。

しかし、近年、このような従来のバッテリーパックの組み立て構造に対して幾つかの問題が指摘されている。中でも、バッテリーモジュール及びインタ－バスバーを固定するために使用するボルトの個数が多過ぎて、組み立て工程の非効率、コストの増加、図１の参照符号「Ｏ」で示された領域のような空間の損失、ヒートシンクを設けることによるエネルギー密度の低下、冷却水の漏れ、及びパイプ、冷却ポートなどのシーリング信頼性の確保などの問題が指摘されている。

したがって、上記のような問題を解決可能な冷却及び組み立て構造が適用されたバッテリーパックの開発が求められている。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、冷却水の漏れによる危険を解消し、エネルギー密度を改善し、組み立て工程の効率化を図ることができるバッテリーパックを提供することを目的とする。

本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。

本発明の一態様によれば、複数のバッテリーモジュール、及びバッテリーモジュールを内部に固設可能なパックケースを備えるバッテリーパックであって、
バッテリーモジュールの下部を支持するパックトレイ、及びバッテリーモジュールを覆い、バッテリーモジュールの上端面と接触するように設けられたパックカバーを備えるパックケースと、パックカバーの上部に取り付けられるヒートシンクと、を含むバッテリーパックが提供される。

ヒートシンクは、パックカバーと一体的に設けられ得る。

ヒートシンクは、所定の外部構造物に前もって取り付けられるように設けられ得る。

パックカバーは、バッテリーモジュールの電極端子を互いに電気的に接続する端子接続部が上端内面に設けられ得る。

バッテリーモジュールは、パックカバーによって上部が覆われるとき、一つのバッテリーモジュールの電極端子と隣接する他の一つのバッテリーモジュールの電極端子とがそれぞれ端子接続部に上下方向に接触して電気的に接続され得る。

バッテリーモジュールはそれぞれ、バッテリーセル、及びバッテリーセルを収容するモジュールケースを含み、電極端子は、方形板状であって、モジュールケースの一側面から突出して設けられ得る。

モジュールケースは、電極端子の下部を支持するように一側面から突設されて垂直方向に貫通孔を備える端子支持部を含み得る。

パックカバーは、上端内面に取付ナットをさらに備え、それぞれのバッテリーモジュールは、端子支持部の貫通孔に挿入されて取付ナットに垂直に締結される取付ボルトによってパックカバーに固定され得る。

取付ボルト及び取付ナットの少なくともいずれか一つは、絶縁素材からなり得る。

端子接続部は、電極端子と面接触し、取付ボルトが通過可能な締結孔を備えるインタ－バスバー、及びインタ－バスバーを支持し、パックカバーの内面に固設されるブラケット部材を含み得る。

ブラケット部材は、取付ナットと形状合わせられ、パックカバーの内面に取り付けられ得る。

複数のバッテリーモジュールは、２列に配置され、電極端子同士がパックケースの中心部を基準にして対向するように配置され得る。

本発明の他の態様によれば、上述したバッテリーパックを含む自動車が提供される。該自動車は、電気自動車（ＥＶ）またはハイブリッド自動車（ＨＥＶ）を含み得る。

本発明の一態様によれば、ヒートシンクがパックケースの外部に設けられることで、冷却水の漏れの危険がなく、パックケース内部の組み立て構造の単純化、エネルギー密度改善効果を図ることができる。

本発明の他の態様によれば、パックケース内のバッテリーモジュールの機械的固定構造と電気的接続構造とが統合されることで、組み立て工程の効率化を図ることができる。

本発明の他の効果は後述する詳細な説明によって理解でき、本発明の実施形態からより明らかに分かるであろう。

従来技術によるバッテリーパックの組立例を概略的に示した図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックの概略的な斜視図である。 図２のバッテリーパックの部分分解斜視図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの概略的な斜視図である。 図２のＩ－Ｉ’に沿った概略的な断面図である。 図２のＩＩ－ＩＩ’に沿った概略的な断面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ’に沿った概略的な断面図である。 本発明の一実施形態による端子接続部と取付ナットの概略的な斜視図である。 図８の断面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの固定構造及び電気的接続構造を説明する図である。 図７に対応する図であって、本発明の他の実施形態を説明する図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応じた意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

図２は本発明の一実施形態によるバッテリーパックの概略的な斜視図であり、図３は図２のバッテリーパックの部分分解斜視図であり、図４は本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの概略的な斜視図である。

これら図面を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーパック１０は、複数のバッテリーモジュール１００と、バッテリーモジュール１００を収容するパックケース２００と、パックケース２００の上部に取り付けられるヒートシンク３００とを含む。

図２及び図３に示されたように、パックケース２００は、相互結合するパックトレイ２１０とパックカバー２２０とを含む。パックトレイ２１０は、バッテリーモジュール１００の下部を支持するように広い面積の板状体で設けられ、パックカバー２２０は、パックトレイ２１０と結合してバッテリーモジュール１００全体を覆うように設けられる。

特に、後述するが、それぞれのバッテリーセル１１０は、パックカバー２２０の上端内面に備えられている端子接続部２２１を介して電気的に接続すると同時に機械的に固定される。

バッテリーパック１０を構成する主要構成のうち、冷却構成に該当するヒートシンク３００をまず説明し、続いてバッテリーパック１０内部の組み立て構造を説明する。

本実施形態のヒートシンク３００は、冷媒が循環可能な流路（図示せず）を内部に備える。流路に流れる冷媒は、流路で流れ易く、冷却性に優れた流体であれば、特に限定されない。

ヒートシンク３００は、パックカバー２２０の上端外面に位置する。すなわち、本発明のバッテリーパック１０は、ヒートシンク３００をパックケース２００の外部に設けることで、電気的要素と冷却的要素とが分離している。したがって、外部衝撃などによる冷却水の漏れの危険がない。また、ヒートシンク３００がパックケース２００の内部から除外されることで、組み立て構造の単純化及びエネルギー密度増大の効果を図ることができる。

ヒートシンク３００をパックカバー２２０の上端に設ける方法には、ヒートシンク３００をパックカバー２２０と別途に製作し、それをパックカバー２２０の上に載置して固定する方法があるが、この場合、ヒートシンク３００とパックカバー２２０との表面粗度の差のため、熱接触抵抗が大きくなって冷却効率が低下するおそれがある。

そこで、本実施形態では、パックカバー２２０とヒートシンク３００とを一体的に構成した。例えば、ヒートシンク３００をパックカバー２２０の一部分として組み込んで、熱接触抵抗と熱伝導経路を最小化したものであると言える。このようなヒートシンク一体型パックカバー２２０でパックケース２００内部の熱を吸収することで、ヒートシンク３００がパックケース２００の外部に位置しても冷却性能が低下しない。

代案的な実施形態としては、パックカバー２２０の上端外面に熱伝導材料（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ、以下「ＴＩＭ」とする）を置き、その上にヒートシンク３００を配置する例が挙げられる。ＴＩＭは、パックカバー２２０とヒートシンク３００との間のギャップを埋めて熱接触抵抗を減らす機能をする。ＴＩＭとしては、熱伝導率の高いサーマルパッドまたはレジンを採用し得る。

図４及び図５に示されたように、パックケース２００の内部に収納されるバッテリーモジュール１００はそれぞれ、バッテリーセル１１０、バッテリーセル１１０を内部空間に収容するためのモジュールケース１２０、及びモジュールケース１２０の外側に露出するように設けられる電極端子１５０ａ、１５０ｂを含む。

バッテリーセル１１０は、当業界に広く知られたパウチ型二次電池セルである。パウチ型二次電池セルは、モジュールケース１２０の内部空間に積層可能であるため、エネルギー密度の向上に有利である。勿論、バッテリーセル１１０が必ずしもパウチ型二次電池セルに限定されることはない。例えば、円筒型二次電池セルまたは角形二次電池セルなどに代替されてもよい。

モジュールケース１２０は、バッテリーセル１１０の下部と上部をそれぞれ覆うベースプレート１２１とトッププレート１２２、バッテリーセル１１０の配列方向の最外郭に配置される一対のサイドプレート１２３、及びバッテリーセル１１０の前方と後方をそれぞれ覆う前面カバー１２４と後面カバー１２５を含んで構成され得る。

モジュールケース１２０のトッププレート１２２は、パックカバー２２０の内面と面接触するように設けられ得る。トッププレート１２２とパックカバー２２０の内面との間に、サーマルパッドをさらに介在してもよい。

前面カバー１２４と後面カバー１２５は、バッテリーセル１１０の前後方に位置し、バッテリーセル１１０の電極リードまたはインターコネクションボード（Ｉｎｔｅｒ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｂｏａｒｄ：ＩＣＢ）のような部品が外部に露出しないようにする。電極端子１５０ａ、１５０ｂは、正極端子（電極端子１５０ａ）及び負極端子（電極端子１５０ｂ）を含み、前面カバー１２４の上端外側に位置し、方形板状であって広い面が水平に置かれて、上下方向にボルトを挿入可能な孔を備えて設けられる。

電極端子１５０ａ、１５０ｂは、端子支持部１２６上に置かれて支持され得る。ここで、端子支持部１２６は、前面カバー１２４から突出した部分であって、電極端子１５０ａ、１５０ｂの下部を支持し、バッテリーモジュール１００のボルトを締結する場所として活用され得る。

端子支持部１２６は、前面カバー１２４の幅方向に沿って延設され、正極端子１５０ａ及び負極端子１５０ｂが載置される箇所にはボルトを挿入可能な貫通孔が一つずつ垂直方向に形成され得る。貫通孔は、図示されていないが、電極端子１５０ａ、１５０ｂの孔と上下に一致するように形成され得る。

参考までに、前面カバー１２４と端子支持部１２６とを区分して説明したが、これらは一体型に製作されてもよい。また、図示していないが、電極端子１５０ａ、１５０ｂが位置しない他の箇所にも取付ボルト２０１を挿入できるように貫通孔を設け、取付ボルト２０１をパックカバー２２０に締結してもよい。

一対のサイドプレート１２３は、バッテリーセル１１０の配列方向の最外郭のバッテリーセル１１０の外側でバッテリーセル１１０を圧迫及び支持することができる。

次いで、図６～図１０を参照して、パックケース２００の内部におけるそれぞれのバッテリーモジュール１００の機械的固定構造及び電気的接続構造について詳しく説明する。

本実施形態の場合、バッテリーモジュール１００は合計で８個であり、４個ずつ２列でパックケース２００の内部に収納され得る。このとき、第１列のバッテリーモジュール１００群と第２列のバッテリーモジュール１００群とは、それらの電極端子１５０ａ、１５０ｂがパックケース２００の中心部を基準にして互いに対向するように位置し得る（図３を参照）。このようなバッテリーモジュール１００の配置は、バッテリーモジュール１００同士の電気的接続距離を最小化するのに有利である。勿論、このようなバッテリーモジュール１００の配置は一例であるため、バッテリーモジュール１００の総個数や配置構造は限定されることなく変わり得る。

８個のバッテリーモジュール１００は、パックトレイ２１０の底面に載置されて支持され、パックカバー２２０の上端内面に備えられた端子接続部２２１とボルト締結されて固定され得る。さらに、隣接したバッテリーモジュール１００の電極端子１５０ａ、１５０ｂ同士は、端子接続部２２１に接触して互いに電気的に接続され得る。

例えば、パックカバー２２０によってモジュールケース１２０の上部が覆われるとき、一つのバッテリーモジュール１００の電極端子１５０ａ、１５０ｂと他の一つのバッテリーモジュール１００の電極端子１５０ａ、１５０ｂとがそれぞれ端子接続部２２１に上下方向に接触し、電気的に接続され得る。

図８及び図９に示されたように、パックカバー２２０は、その上端内面に取付ナット２２５をさらに備え得る。取付ナット２２５は、溶接によってパックカバー２２０に予め付着され得る。端子接続部２２１は、取付ナット２２５と形状合わせられてパックカバー２２０に取り付けられ得る。

端子接続部２２１は、取付ボルト２０１が通過可能な締結孔２２１ｃを備え、バッテリーモジュール１００の電極端子１５０ａ、１５０ｂと面接触する金属バー形態のインタ－バスバー２２１ｂ、及びインタ－バスバー２２１ｂを支持し、パックカバー２２０の上端内面に固設される絶縁性素材のブラケット部材２２１ａを含み得る。

ブラケット部材２２１ａは、その後面部が取付ナット２２５と形状合わせられるように設けられる。また、ブラケット部材２２１ａの前面部は、インタ－バスバー２２１ｂの締結孔２２１ｃが取付ナット２２５と上下に一致するように、インタ－バスバー２２１ｂを着脱可能に設けられる。

ブラケット部材２２１ａは、その後面部に両面テープ２２１ｄを貼り付けてパックカバー２２０に簡単に付着し得る。もちろん、ボルトとナットとの組合せなどの他の方式でブラケット部材２２１ａを付着してもよい。

このような構成により、図１０に示されたように、それぞれのバッテリーモジュール１００は、取付ボルト２０１を端子支持部１２６の貫通孔から電極端子１５０ａ、１５０ｂの孔、インタ－バスバー２２１ｂの締結孔２２１ｃへと通過させて取付ナット２２５に締結することで、パックカバー２２０に固定され得る。このとき、隣接する二つのバッテリーモジュール１００は、正極端子１５０ａと負極端子１５０ｂが端子接続部２２１のインタ－バスバー２２１ｂにそれぞれ接触するようになるため、互いに電気的に接続できる。

取付ボルト２０１及び取付ナット２２５の少なくともいずれか一つは、絶縁ボルトまたは絶縁ナットであり得る。絶縁ボルトまたは絶縁ナットを使用することで、パックカバー２２０にバッテリーモジュール１００の機械的固定と電気的接続とが同時に行われても、短絡を防止することができる。

以上のように、本発明のバッテリーパック１０は、バッテリーモジュール１００の機械的固定構造と電気的接続構造とが統合されているため、組み立て工程が非常に容易である。また、それぞれのバッテリーモジュール１００をパックトレイ２１０上にボルトで固定する代わりに、パックカバー２２０に固定することで、パックトレイ２１０の空間活用率または自由度を向上させることができる。

以下、本発明のバッテリーパック１０の組立例を概略的に説明する。

本発明のバッテリーパック１０は、一般的なバッテリーパック１０の組み立て方式とは異なって、パックカバー２２０を逆さまにした後、その中にバッテリーモジュール１００を配置し、これらを固定することが望ましい。

すなわち、パックカバー２２０を逆さまにしておき、バッテリーモジュール１００の電極端子１５０ａ、１５０ｂをパックカバー２２０のクーリングパイプと端子接続部２２１にそれぞれ対面するように、それぞれのバッテリーモジュール１００を位置させる。

その後、取付ボルト２０１をそれぞれのバッテリーモジュール１００とパックカバー２２０との間の締結部位に締結すればよい。すなわち、それぞれのバッテリーモジュール１００を予め決められた位置に置いて取付ボルト２０１を締結することで、バッテリーモジュール１００の機械的固定作業と直列及び／又は並列接続作業とを同時に且つ容易に解決することができる。

その後、Ｏ－リング２３０を介在してパックカバー２２０の凹凸部をパックトレイ２１０の周縁部分に嵌め込めば、主な組み立て工程が終了する。

以下、図１１を参照して、本発明の他の実施形態によるバッテリーパック１０を概略的に説明する。

本実施形態によるバッテリーパック１０は、上述した実施形態によるバッテリーパック１０と基本的な機械的、電気的組み立て構造は同一であるが、冷却構成が異なる。

すなわち、上述した実施形態は、パックカバー２２０とヒートシンク３００とが一体型であるが、本実施形態では、パックカバー２２０とヒートシンク３００とが分離型で設けられる。

ヒートシンク３００は、所定の外部構造物に前もって取り付けられるように設けられ得る。例えば、ヒートシンク３００の上部を自動車の車体２０に取り付け可能な形態で設け、ヒートシンク３００の下部をパックカバー２２０の上面に対面するように設ける。そして、自動車の車体２０にヒートシンク３００を先に取り付けた後、バッテリーモジュール１００を収納したパックケース２００をヒートシンク３００の下方に取り付ける。このとき、パックカバー２２０の上面には、ＴＩＭ４００がさらに設けられ得る。

本実施形態によれば、バッテリーパック１０を構成する電気エネルギー構成品と冷却構成品とが完全に分離されるため、各構成品の構造をさらに単純化することができる。特に、ヒートシンク３００を車両に前もって取り付けることができるため、冷却構成に必要な冷却水配管の連結及びシーリング性を確保する作業を容易に行うことができる。

一方、上述した本発明によるバッテリーパックは、バッテリーモジュールの充放電を制御するための各種の装置、例えばバッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ：ＢＭＳ）、電流センサ、ヒューズなどをさらに含むことができる。バッテリーパックは電気自動車やハイブリッド自動車のような自動車に適用できる。勿論、バッテリーパックは、電力貯蔵装置またはその他のＩＴ製品群などにも適用できる。

以上、本発明の望ましい実施形態を図示して説明したが、本発明が上述した特定の望ましい実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱することなく当業者であれば多様に変形実施することができ、そのような変更が特許請求の範囲の範囲内にあることは言うまでもない。

一方、本明細書において、上、下、左、右などのように方向を示す用語が使われたが、このような用語は説明の便宜上用いられたものに過ぎず、観測者の位置や対象の位置などによって変わり得ることは当業者にとって自明である。

１００ バッテリーモジュール
２００ パックケース
２１０ パックトレイ
２２０ パックカバー
３００ ヒートシンク

Claims (11)

1. 複数のバッテリーモジュール、及び前記バッテリーモジュールを内部に固設可能なパックケースを備えるバッテリーパックであって、
   前記バッテリーモジュールの下部を支持するパックトレイ、及び前記バッテリーモジュールを覆い、前記バッテリーモジュールの上端面と接触するように設けられたパックカバーを備えるパックケースと、
   前記パックカバーの上端外面に取り付けられるヒートシンクであって、冷却水が循環可能な流路を内部に備えるヒートシンクと、
   を含み、
   前記パックカバーは、前記バッテリーモジュールの電極端子を互いに電気的に接続する端子接続部が上端内面に設けられており、
   前記バッテリーモジュールはそれぞれ、バッテリーセル、及び前記バッテリーセルを収容するモジュールケースを含み、
   前記電極端子は、方形板状であって、前記モジュールケースの一側面から突出して設けられている、バッテリーパック。
2. 前記ヒートシンクは、前記パックカバーと一体的に設けられる、請求項１に記載のバッテリーパック。
3. 前記ヒートシンクは、所定の外部構造物に取り付けられている、請求項１に記載のバッテリーパック。
4. 前記バッテリーモジュールは、
   前記パックカバーによって上部が覆われるとき、一つの前記バッテリーモジュールの電極端子と隣接する他の一つの前記バッテリーモジュールの電極端子とがそれぞれ前記端子接続部に上下方向に接触して電気的に接続される、請求項１に記載のバッテリーパック。
5. 前記モジュールケースは、前記電極端子の下部を支持するように一側面から突設されて垂直方向に貫通孔を備える端子支持部を含む、請求項４に記載のバッテリーパック。
6. 前記パックカバーは、上端内面に取付ナットをさらに備え、
   それぞれの前記バッテリーモジュールは、前記端子支持部の貫通孔に挿入されて前記取付ナットに垂直に締結される取付ボルトによって前記パックカバーに固定される、請求項５に記載のバッテリーパック。
7. 前記取付ボルト及び前記取付ナットの少なくともいずれか一つは、絶縁素材からなる、請求項６に記載のバッテリーパック。
8. 前記端子接続部は、
   前記電極端子と面接触し、前記取付ボルトが通過可能な締結孔を備えるインタ－バスバーと、
   前記インタ－バスバーを支持し、前記パックカバーの内面に固設されるブラケット部材と、
   を含む、請求項６に記載のバッテリーパック。
9. 前記ブラケット部材は、前記取付ナットと形状合わせられ、前記パックカバーの内面に取り付けられる、請求項８に記載のバッテリーパック。
10. 前記複数のバッテリーモジュールは、２列に配置され、電極端子同士が前記パックケースの中心部を基準にして対向するように配置される、請求項１に記載のバッテリーパック。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のバッテリーパックを含む、自動車。

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