JP7724919B1 - エネルギー貯蔵システム - Google Patents

エネルギー貯蔵システム

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Abstract

【課題】電池パック全体が比較的良好な放熱効果を有してエネルギー消費を低減させるエネルギー貯蔵システムを提供する。【解決手段】ハウジング110及びハウジングの内部に位置する複数の電池ユニットを含む電池モジュールと、温度差調整構造130と、を有するエネルギー貯蔵システムであって、温度差調整構造は、電池モジュール上に設けられ、第1プレート131と、第2プレート132と、を含む。第1プレートは、複数の放熱孔を含む。第2プレートは、第1側面132aと、第1側面と対向する第2側面132bと、を含み、第1側面は、第1プレートに接続されており、第2側面は、第1側面に対して電池モジュールにより近い。【選択図】図2B

Description

発明の詳細な説明
〔発明の背景〕
<発明の分野>
本発明は、一般にエネルギー貯蔵システムに関する。
<関連技術の説明>
エネルギー貯蔵システムおよび自動車に現在使用される電池モジュールは、充電および放電用の単一のリチウム電池を具備するのではなく、複数のリチウム電池を直列に有する。しかしながら、直列構造を使用する場合、電池モジュールの温度は、不均一であることがある。長時間、リチウム電池間の温度差が大きすぎる場合、電池の寿命に影響する。
関連技術:日本国特許6753854号公報、日本国特表2019-530191号公報、中国115528346A。
「電池パック、電池キャビネット、およびエネルギー貯蔵システム」と題された中国特許第115528346Aは、電池モジュールとシェルとを備える電池パックを開示している。電池モジュールは、並べて配置される複数の電池を備える。収容キャビティは、シェルに形成され、電池モジュールは、収容キャビティ内に配置され、複数の空気入口領域は、シェルに形成され、各空気入口領域は、少なくとも1つの空気入口を備え、複数の空気入口領域は、第1方向に間隔をおいて配分される。空気入口領域の少なくとも一部の空気口面積は、電池モジュールの長さ方向の一端から他端に向かって徐々に減少され、少なくとも1つの空気出口は、シェルにさらに形成され、空気出口は、電池モジュールの長さ方向の前記他端に近い。電池キャビネットは、キャビネット本体と、複数の電池パックと、を備え、複数の電池パックは、キャビネット本体内に配置される。エネルギー貯蔵システムは、少なくとも1つの電池キャビネットを備える。この開示によれば、電池パック全体が比較的良好な放熱効果を有し、エネルギー消費が低減される。
〔発明の概要〕
本発明は、エネルギー貯蔵システムに関する。エネルギー貯蔵システムは、電池モジュールの異なる区域の温度差を調整する温度差調整構造を含む。
本発明の一態様によれば、電池モジュールと、温度差調整構造と、を含むエネルギー貯蔵システムが提供される。前記温度差調整構造は、前記電池モジュール上に設けられ、前記温度差調整構造は、第1プレートと、第2プレートと、を含む。前記第2プレートは、第1側面と、前記第1側面と対向する第2側面と、を含む。前記第1側面は、前記第1プレートに接続され、前記第2側面は、前記第1側面に対して前記電池モジュールにより近い。
本発明の上記態様および他の態様は、好ましいが限定するものではない(1つまたは複数の)実施形態の次の詳細な説明に関して、より良く理解されるであろう。次の説明は、添付の図面を参照して行われる。
〔図面の簡単な説明〕
図1は、本発明の一実施形態に係るエネルギー貯蔵システムの概略図である。
図2A~2Eは、本発明の一実施形態に係る温度差調整構造の概略図である。
図3A~3Dは、本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図をそれぞれ示す。
図4A~4Eは、本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図をそれぞれ示す。
図5A~5Bは、本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図をそれぞれ示す。
〔発明の詳細な説明〕
図1を参照すると、本発明の一実施形態に係るエネルギー貯蔵システム1の概略図が示されている。エネルギー貯蔵システム1は、電池モジュール100と、温度差調整構造130と、第1ヒートシンク141と、第2ヒートシンク142と、第1ファン151と、第2ファン152と、を含んでもよい。温度差調整構造130は、第1プレート131と、第2プレート132と、を含む。温度差調整構造130は、放熱孔を含み、放熱孔は、第1プレート131上に、または、第2プレート132上に、または、第1プレート131上および第2プレート132上に、設けられることができる。放熱孔の数は、要求に応じて調整されることができる。
温度差調整構造130は、電池モジュール100上に設けられ、電池モジュール100の異なる区域の温度差を調整する。電池モジュール100は、複数の電池ユニット120が直列にまたは並列に接続される構造を有することができ、その構造は、電池モジュール100の電力および容量を増加させ、内部抵抗を減少させることによって、電力供給時間を延長させることができる。しかしながら、電池ユニット120が直列にまたは並列に接続される場合、電池モジュール100の一貫性に注意を払うべきである。例えば、電池ユニット120が直列に接続される場合、電池モジュール100の温度が不均一であり得る。長時間、電池モジュール100が過度の温度差にさらされた場合、電池モジュール100の寿命に影響を与える。電池ユニット120は、例えば、リチウム電池であってもよい。
特に、長方形の電池モジュール100は、少なくとも3つの区域において大きな温度差を有しやすい。図1を参照すると、電池モジュール100は、ハウジング110と、ハウジング110の内部に位置する複数の電池ユニット120と、を含む。ハウジング110は、前部区域111、中部区域112、および後部区域113を含む少なくとも3つの区域を含む。電池セル120の区域間の温度差は、電池モジュール100の、充電効率および放電効率と、寿命と、に影響を与える。したがって、電池モジュール100の温度を制御する場合、各区域の電池ユニット120自体の温度を基準範囲内に維持するだけではなく、電池モジュール100の区域間の一貫性を維持するために、電池ユニット120の区域間の温度差を所定の温度差範囲内に維持する必要がある。
図1を参照すると、第1ファン151は、ハウジング110の前端部に設けられ、第2ファン152は、ハウジング110の後端部に設けられる。第1ファン151および第2ファン152は、ケーシング110の上面110aを通る冷却気流123を案内するために、例えば、冷却気流123をケーシング110の後端から前端に移動するように案内して、上面110aから放散される余分な熱エネルギーを奪うために、使用される。第1ファン151は、例えば、排気ファンであり、第2ファン152は、例えば、吸気ファンである。
いくつかの実施形態において、温度差調整構造130が設けられず、第1ファン151および第2ファン152によって形成される気流123が単に電池モジュール100の温度を下降させるために使用される場合、電池ユニット120の区域間の温度差は、依然として比較的高い。例えば、前部区域111および中部区域112のハウジングの温度は、約56.5℃であると測定され、後部区域113のハウジングの温度は約48.4℃であると測定される。2つの区域間の温度差は、約8.1℃である。これは、後部区域113の電池ユニット120が第2ファン152に近く、その結果、より高い冷却効率を有する第2ファン152によって生成される気流123が後部区域113の電池ユニット120から熱を直接放散する一方、前部区域111および中部区域112の電池ユニット120が第2ファン152から離れており、その結果、より高い冷却効率を有する第2ファン152よって生成される気流123が前部区域111および中部区域112の電池ユニット120から熱を直接放散することができないためである。したがって、後部区域113のハウジングの温度が、前部区域111および中部区域112のハウジングの温度よりも著しく低いことを防ぐために、温度差調整構造130は、第2ファン152(すなわち、気流の吸気端)の近くに配置されて、電池ユニット120の区域間の温度差を減少させる。
図1および2Aを参照すると、ハウジング110の上面110a上に配置される温度差調整構造130は、第1プレート131と、第2プレート132と、を含む。第1プレート131は、複数の放熱孔131cを含む。第2プレート132は、第1側面132aと、第1側面132aと対向する第2側面132bと、を含む。第1側面132aは、第1プレート131に接続されている。第1側面132aに対して第2側面132bが電池モジュール100により近くなるように、第2プレート132は、第1プレート131に対して傾斜している。第1プレート131は、ハウジング110の上面110aに対して実質的に平行であり、第2プレート132は、ハウジング110の上面110aに向かって斜めに延びる。
加えて、放熱孔131cは、第1プレート131に設けられている。放熱孔131cは、例えば、正方形、円形、菱形、台形、長方形、三角形、六角形、または他の多角形の開口である。放熱孔131cは、上昇する熱気が第1プレート131の上方に放散することを可能にし、上昇する熱気の一部が第1プレート131によって遮断され第1プレート131の下方に維持されることによって、電池モジュール100の温度差を調節する。加えて、放熱孔132cは、第2プレート132上に設けられている。放熱孔132cは、第1側面132a(または第1プレート131)に隣接しており、第2側面132b(または電池モジュール100)から離れている。
いくつかの実施形態において、放熱孔131cおよび132cの数または密度がより高い場合、第1プレート131および第2プレート132の開口率がより高く、放散される上昇する熱気の量が増加し、それによって第1プレート131および第2プレート132によって覆われる区域の温度を下降させることを意味する。逆に、放熱孔131cおよび132cの数または密度がより低い場合、第1プレート131および第2プレート132の開口率がより低く、放散される上昇する熱気の量が減少し、それによって第1プレート131および第2プレート132によって覆われる区域の温度を増加させることを意味する。いくつかの実施形態において、第1プレート131および第2プレート132の開口率は、例えば、20%~60%、例えば45%であるが、本発明はそれに限定されない。
加えて、第2プレート132が第2ファン152によって導入される冷却空気を遮断して、温度制御を必要とする、第1プレート131によって覆われる区域に過度の冷却空気が入ることを回避するように、第2プレート132は、第1プレート131に対して所定の角度および所定の長さで傾斜している。いくつかの実施形態において、所定の傾斜の角度は、例えば、10度~45度である。第2プレート132は、平坦なプレート、湾曲したプレート、またはフローガイド(flow guide)構造を有するプレートであってもよい。図2Bに示すように、距離D1が、第1プレート131と、ハウジング110の上面110aと、の間に形成され、第1プレート131と、第2プレート132と、の間に夾角(included angle)Aがある。夾角Aは、90度以上、かつ、180度未満である。例えば、図3Aにおいて、第1プレート131と、第2プレート132と、の間の夾角は、例えば、90度である。
加えて、温度差調整構造130は、支持部材133をさらに含んでもよく、その数は1つであってもよく、または複数であってもよい。支持部材133は、第1プレート131と、電池モジュール100(すなわち、ハウジング110の上面110a)と、の間に配置されている。第1プレート131は、支持部材133を介して(電池モジュール100と接触しないように)間隔をあけて電池モジュール100(すなわち、ハウジング110の上面110a)から隔てられており、それによって電池モジュール100の温度差を制御する。図2Bおよび2Cを参照すると、本発明の2つの実施形態に係る温度差調整構造130の概略側面図が、それぞれ示されている。支持部材133は、例えば、固定された柱である。固定された柱は、高さ(例えば、5mm~40mm)と、ねじ孔(図示せず)と、を有し、(ねじのような)締結具は、第1プレート131の貫通孔(図示せず)を貫通してねじ孔に固定されるように構成される。
図2Bおよび2Cを参照する。図2Bにおいて、第2プレート132の第2側面132bが、例えば、ハウジング110の上面110aと接触する、または上面110aに近いように、支持部材133の高さは、第2プレート132の第1側面132aの、第2側面132bに対する高さと実質的に等しい。支持部材133の高さX2は、第1プレート131と、ハウジング110の上面110aと、の間の距離D1と同じであってもよい。支持部材133の高さX2は、上昇する熱気Hが放散する速度に関連する。支持部材133の高さX2がより低い場合、上昇する熱気Hが放熱するための距離が比較的短いので、上昇する熱気Hが空気中に放散する速度が比較的遅い。対照的に、支持部材133の高さX2が高い場合、上昇する熱気Hが放熱するための距離が比較的長いので、上昇する熱気Hが空気中に放散する速度が比較的速い。したがって、支持部材133の高さX2を制御することによって、区域の単位体積に含まれる熱エネルギーを増加または減少させることができ、これにより第1プレート131に覆われる区域の温度を制御することができる。
加えて、支持部材133は、磁石のような、または強磁性体を含有する円柱のような磁性支持部材であってもよい。第1プレート131は、締結具の必要なく、磁気吸引力を介して支持部材133上に固定されることができる。一方、図2Cにおいて、支持部材133の高さX2が、第2プレート132の第1側面132aの、第2側面132bに対する高さX1よりも大きい場合、第2プレート132の第2側面132bは、ハウジング110の上面110aに対して間隙C1を有するので、第2プレート132の第2側面132bと、ハウジング110の上面110aと、は完全には閉じられない。したがって、気流の一部は、第2プレート132の第2側面132bの間隙C1から、第2プレート132によって覆われる区域内に導入されて、第1プレート131に覆われる区域の温度を下降させることができる。ここで、距離D2が、第2プレート132の第2側面132bと、ハウジング110の上面110aと、の間に形成されている。
図2Dおよび2Eにおいて、温度差調整構造130は、第3プレート136をさらに含む。第3プレート136は、第2プレート132の第2側面132bに接続されており、第3プレート136は、電池モジュール100(すなわち、ハウジング110の上面110a)に取り付けられている。温度差調整構造130は、第3プレート136を介して電池モジュール100とより強固に接触することができる。第3プレート136は、第1プレート131に平行であり、電池モジュール100の上面に適合するように設計されてもよく、または、第3プレート136は、第1プレート131に垂直であり、電池モジュール100の側面110bに適合するように設計されてもよい。
図1を参照する。エネルギー貯蔵システム1は、温度差調整構造130に加えて、ハウジング110の上面110aにそれぞれ配置される、第1ヒートシンク141および第2ヒートシンク142をさらに含んでもよい。第1ヒートシンク141および第2ヒートシンク142は、例えば、同じ面積または異なる面積の金属の放熱フィンである。放熱フィンの数および高さを制御することによって、放熱フィンの放熱効率は変更される。同時に、第1ヒートシンク141および第2ヒートシンク142は、冷却気流123が第1ファン151および第2ファン152を介してハウジング110の後端から前端に移動するように案内して、第1ヒートシンク141および第2ヒートシンク142上の余分な熱エネルギーを奪い、それによって前部区域111または中部区域112における電池ユニット120のハウジング温度を減少させることができる。
いくつかの実施形態において、温度差調整構造130と、第1ヒートシンク141と、第2ヒートシンク142と、が設置された場合、前部区域111および中部区域112のハウジング温度は、約53.7℃(約2.8℃の低下)であると測定され、後部区域113のハウジング温度は、約50.8℃(約2.4℃の上昇)である。2つの区域の間の温度差は、電池モジュール100の一貫性を保つための所定の温度差範囲内である、約2.9℃である。図1を参照すると、電池モジュール100は、(後部区域113の電池ユニット120のうちの1つのような)第1電池ユニットと、(前部区域111または中部区域112の電池ユニット120のうちの別の1つのような)第2電池ユニットと、を有する。前記電池モジュール100上への、前記第1プレート131の垂直方向の投影は、前記第1電池ユニットと重なり、前記電池モジュール100上への、前記第1ヒートシンク141および前記第2ヒートシンク142の垂直方向の投影は、それぞれ前記第2電池ユニットと重なる。
図3A~3Dを参照すると、本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造130の概略図がそれぞれ示されている。図3Aにおいて、温度差調整構造130の支持部材は、第1プレート131および第2プレート132に加えて、前部プレート134を含む。前部プレート134は、第1プレート131の前面131aに接続されており、第1プレート131に対して垂直に延びて、L字形の構造を形成する。図3Bにおいて、温度差調整構造130の支持部材は、前部プレート134と、2つの側面プレート135と、を含む。前部プレート134は、2つの側面プレート135に接続されており、完全に閉じられているが、2つの側面プレート135は、その間に間隙C2を有して第2プレート132に接続されていない。図3Cにおいて、前部プレート134は、2つの側面プレート135に接続されており、間隙C2を有さないで完全に閉じられている。図3Dにおいて、2つの側面プレート135は、第1プレート131および第2プレート132の対向する側面に接続されており、第1プレート131に対して垂直に延びて、ハット形(逆U字形)の構造を形成する。以上の4つの実施形態の構造は、第1プレート131によって覆われる区域内の電池ユニット120のハウジング温度を上昇させ、電池モジュール100の温度差を所定の温度差範囲内に保って、電池モジュール100の区域間の一貫性を維持することができる。
図4A~4Eを参照すると、本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造130の概略図がそれぞれ示されている。図4Aにおいて、第2プレート132は、第1プレート131から延びて円弧面を有する円弧状のプレートであり、円弧面は、下向きに曲げられて上方の変向点を有する。図4Bにおいて、第2プレート132は、第1プレート131から延びて円弧面を有する円弧状のプレートであり、円弧面は、上向きに曲げられて下方の変向点を有する。図4Cにおいて、温度差調整構造130は、第1プレート131および第2プレート132に加えて、第2プレート132上に配置される1つ以上の半円柱状構造137も含む。半円柱状構造137の各表面は、半円柱状形または他の可能な形に形成されてもよく、半円柱状構造137の表面は、互いに接続されても、間隔をあけて隔てられてもよい。図4Dにおいて、温度差調整構造130は、第1プレート131および第2プレート132に加えて、第2プレート132上に配置される1つ以上の三角柱構造138も含む。三角柱構造138の各表面は、互いに接続されても、間隔によって離されてもよい。図4Eにおいて、温度差調整構造130は、第1プレート131および第2プレート132に加えて、第2プレート132上に配置される1つ以上のフィン構造139も含む。フィン構造139の各々は、長方形または他の可能な形であり、2つの隣接するフィンの間に間隙がある。以上の5つの実施形態の構造によって、耐風性を向上させ、または安定した気流を形成することができ、その結果、電池モジュール100の温度差を所定の温度差範囲内にして、電池モジュール100の区域間の一貫性を維持する。
図5A~5Bを参照すると、本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造130の概略図がそれぞれ示されている。図5Aにおいて、温度差調整構造130は、第1プレート131および第2プレート132に加えて、第4プレート131´および少なくとも1つの支持部材133´も含む。前記電池モジュール100上への、前記第4プレート131´の垂直方向の投影は、前記第1プレート131と重なる。第4プレート131´は、第1プレート131に追加されるプレートであってもよい。第4プレート131´は、第1プレート131を覆い、第1プレート131から間隔(例えば、5mm~20mm)をあけて隔てられるために支持部133´によって支持されている。一実施形態において、第1層上の放熱孔131cは、上昇する熱気が第1プレート131から離れるように放散することが可能なように設けられる。第2層上の第4プレート131´は、例えば、放熱孔を有さない積層体(図5A参照)、または放熱孔131c´を有する積層体(図5B参照)である。したがって、図5Aにおいて、第1プレート131を通過する上昇する熱気は、第4プレート131´によって遮断され、第1プレート131と第4プレート131´との間に維持され、または、図5Bにおいて、第1プレート131を通過する上昇する熱気の一部は、第4プレート131´の放熱孔131c´を介して放散され、上昇する熱気の一部は、第4プレート131´によって遮断され、第1プレート131と第4プレート131´との間に維持される。以上の2つの実施形態における構造は、第1プレート131によって覆われる区域内の電池ユニット120のハウジング温度を上昇させ電池モジュール100の温度差を所定の温度差範囲内に保って、電池モジュール100の区域間の一貫性を維持することができる。
本発明の実施形態によれば、エネルギー貯蔵システムおよび温度差調整構造は、電池モジュールの異なる区域の温度差を調整し、電池モジュールの寿命を向上させることができるように、電池ユニットの温度差が長時間、大きすぎることを防ぐことができる。特に長方形の電池モジュールの場合、少なくとも3つの区域において大きな温度差がある。異なる区域の電池温度を効果的に制御し、異なる区域の温度差を減少させることによって、電池モジュールの充放効率および放電効率と、寿命と、信頼性と、を向上させることができ、電池のメンテナンスコストを削減することができる。
本発明は、実施例によって、および好ましい実施形態の観点から説明されたが、本発明は、それらに限定されないことを理解されたい。反対に、様々な変更、ならびに、類似の配置および手順をカバーすることを意図しており、したがって、添付の特許請求の範囲は、そのような変更、ならびに、類似の配置および手順をすべて包含するように、最も広い解釈が与えられるべきである。
本発明の一実施形態に係るエネルギー貯蔵システムの概略図である。 本発明の一実施形態に係る温度差調整構造の概略図である。 本発明の一実施形態に係る温度差調整構造の概略図である。 本発明の一実施形態に係る温度差調整構造の概略図である。 本発明の一実施形態に係る温度差調整構造の概略図である。 本発明の一実施形態に係る温度差調整構造の概略図である。 本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図を示す。 本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図を示す。 本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図を示す。 本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図を示す。 本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図を示す。 本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図を示す。 本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図を示す。 本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図を示す。 本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図を示す。 本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図を示す。 本発明の異なる実施形態に係る温度差調整構造の概略図を示す。

Claims (10)

  1. 電池モジュールと、
    前記電池モジュール上に設けられ、前記電池モジュールの空気の入口側に配置されている温度差調整構造であって、
    第1プレートと、
    第2プレートであって、
    第1側面と、前記第1側面と対向する第2側面と、を含み、
    前記第1側面は、前記第1プレートに接続されており、
    前記第2側面は、前記第1側面に対して前記電池モジュールにより近い、第2プレートと、
    前記第1プレートに接続されており、かつ、前記第1プレートと前記電池モジュールとの間に配置されている支持部材と、
    を備える、温度差調整構造と、
    を備える、エネルギー貯蔵システム。
  2. 前記温度差調整構造は、放熱孔を備える、請求項1に記載のエネルギー貯蔵システム。
  3. 請求項1に記載のエネルギー貯蔵システムであって、
    前記第1プレートと前記電池モジュールとの間に間隔が形成されている、エネルギー貯蔵システム。
  4. 請求項に記載のエネルギー貯蔵システムであって、
    前記支持部材の高さは、前記第2プレートの前記第1側面の、前記第2側面に対する高さ以上である、エネルギー貯蔵システム。
  5. 請求項1に記載のエネルギー貯蔵システムであって、
    前記第1プレートと前記第2プレートとの間に夾角が形成されており、
    前記夾角は、90度以上、かつ、180度未満である、エネルギー貯蔵システム。
  6. 請求項1に記載のエネルギー貯蔵システムであって、
    前記温度差調整構造は、第3プレートをさらに含み、
    前記第3プレートは、前記第2側面に接続されており、
    前記第3プレートは、前記電池モジュールに取り付けられている、エネルギー貯蔵システム。
  7. 請求項1に記載のエネルギー貯蔵システムであって、
    前記エネルギー貯蔵システムは、第1ファンと、第2ファンと、をさらに含み、
    前記電池モジュールは、前記第1ファンと前記第2ファンとの間に位置するハウジングを備え、
    前記第1プレートおよび前記第2プレートは、前記ハウジングの上面に配置されており、
    前記第2プレートは、前記第1側面から前記上面に向かって延びる、エネルギー貯蔵システム。
  8. 請求項1に記載のエネルギー貯蔵システムであって、
    前記第2プレートは、平坦面、曲面、またはフローガイド構造を有する、エネルギー貯蔵システム。
  9. 請求項1に記載のエネルギー貯蔵システムであって、
    前記エネルギー貯蔵システムは、ヒートシンクをさらに備え、
    前記電池モジュールは、第1電池ユニットと、第2電池ユニットと、を有し、
    前記電池モジュール上への、前記第1プレートの垂直方向の投影は、前記第1電池ユニットと重なり、
    前記電池モジュール上への、前記ヒートシンクの垂直方向の投影は、前記第2電池ユニットと重なる、エネルギー貯蔵システム。
  10. 請求項1に記載のエネルギー貯蔵システムであって、
    前記温度差調整構造は、第4プレートを備え、
    前記電池モジュール上への、前記第4プレートの垂直方向の投影は、前記第1プレートと重なり、
    前記第4プレートは、前記第1プレートから間隔をあけて隔てられている、エネルギー貯蔵システム。
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