JPWO2015115466A1 - 蓄電池装置、電力変換装置、およびそれらを備えた蓄電システム - Google Patents

Abstract

この蓄電池装置（２０１）は、少なくとも１つの蓄電池モジュール（２５０）と、蓄電池の状態監視を行う少なくとも１つの制御モジュール（２４１）と、複数本の支柱（２１５）を有し蓄電池モジュール（２５０）および制御モジュール（２４１）を収容するフレーム（２１０）とを備える蓄電池装置であって、支柱（２１５）は、接地電位とされた中空部材であり、また、制御モジュール間で信号を伝送するための信号ケーブル（Ｌｓ）が支柱（２１５）内に配線されている。

Description

本発明は、蓄電池装置、電力変換装置、およびそれらを備えた蓄電システムに関し、特には、製造コストを低減し省スペース化にも有利な蓄電池装置、電力変換装置、およびそれらを備えた蓄電システムに関する。

従来、工業施設や商業施設のバックアップ電源あるいは発電設備内のバックアップ電源等として、複数の蓄電池およびその状態監視を行う制御装置等を備えた大型の蓄電池装置を利用することが提案されている。

蓄電池装置においては、通常、充放電電力を送るための電源系ケーブルと、制御信号を送るための信号ケーブルとが設けられており、放射ノイズによる影響を防止する観点から、従来、信号ケーブルについては電磁シールドが施されることが一般的である。例えば、信号ケーブルとしてシールドケーブルを用いる、信号ケーブルを所定のシールド保護材で保護する、信号ケーブルに近接して遮蔽板を設けるといった手法が採られる。また、電源系ケーブルからの影響を受けにくくするために電源系ケーブルと信号ケーブルとを離隔させる構成が採られることもある。

特許文献１には、一般的な電子機器と考えられるが、支柱を有する筐体内に電子機器ユニットが配置される構成に関し、金属製の支柱内にケーブルを通すことでシールドケーブルを利用する必要を無くしたものが開示されている。

実開平０２−０８４３７８号

しかしながら、同文献の構成では支柱を放射ノイズの遮蔽部材として利用するという一般的な技術思想は開示されているものの、筐体内に実装される電子機器ユニットがどのようなものか不明である。他方、上述したような大型の蓄電池装置においても、製造コストを低減し省スペース化にも有利なシールド構造が採られていることが望ましい。また、こうした課題は、必ずしも蓄電池装置だけではなく、パワーコンディショナなどの電力変換装置においても同様に生じうる問題である。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、製造コストを低減し省スペース化にも有利な蓄電池装置、電力変換装置、およびそれらを備えた蓄電システムを提供することを目的とする。

本発明の一形態の蓄電池装置は下記の通りである：
１．少なくとも１つの蓄電池モジュールと、
前記蓄電池モジュールに接続され蓄電池の状態監視を行う少なくとも１つの制御モジュールと、
複数本の支柱を有し前記蓄電池モジュールおよび前記制御モジュールを収容するフレームと、
を備える蓄電池装置であって、
前記支柱は、接地電位とされた中空部材であり、
前記制御モジュール間で信号を伝送するための信号ケーブルが前記支柱内に配線されている、蓄電池装置。

（用語）
「蓄電池モジュール」とは、複数の電池ユニットを有し所定の電力を出力する、蓄電池装置を構成する一単位のことをいう。
「信号ケーブル」とは、例えば、機器間で制御信号を伝送するためのケーブルのことを言い、伝送される信号は、アナログ信号またデジタル信号のいずれであってもよい。

本発明によれば、信号ケーブルを接地電位とされた支柱内に通す構造としたことで、製造コストを低減し省スペース化にも有利な蓄電池装置等が提供される。

一実施形態に係る蓄電池装置の正面図である。 図１の蓄電池装置の背面図である。 図１の蓄電池装置で使用されるフレームの斜視図である。 フレームに収容される蓄電池モジュールの一例である。 フレームに収容される蓄電池モジュールの他の一例である。 信号ケーブルと電源系ケーブルとの配線を説明するための斜視図である。 支柱形状の一例を示す斜視図である。 支柱の断面形状の幾つかの例を示す断面図である。 支柱、ケーブル、制御モジュールの位置関係を模式的に示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図１〜図３では蓄電池装置の一例の具体的な構造を示し、図４以降では構造を模式的に示しているが、それぞれの図面に開示された技術事項は適宜組み合わせ得るものである。

図１、図２に示すように、この蓄電池装置２０１は、フレーム２１０（図３も参照）内に複数の蓄電池モジュール２５０と、複数の制御モジュール２４１、２４２とが配置された構成となっている。以下、順に説明する。

フレーム２１０は、図３に示すように、一例として、鉛直方向に見て矩形の上枠２１２と、矩形の下枠２１１と、それら両枠を鉛直方向に接続する複数の支柱２１５を有している。フレーム２１０は、横方向に３つの区画２１０Ａ〜２１０Ｃを有しているが、それらは基本的に同様の構成であるので、以下、１つの区画２１０Ａを例に挙げて説明する。

フレーム２１０の区画２１０Ａにおいては、４本の支柱２１５がその四隅部に設けられている。支柱２１５は金属製であり中空部材で構成されたものであってもよい。より具体的には、支柱２１５は、導電性材料であり、一例として鋼材やアルミニウム材を利用することができる。支柱２１５の断面形状等については他の図面を参照して後述する。

１つの区画２０１Ａ内には、図１からも分かるように、蓄電池モジュール２５０−１〜２５０−３（単に「蓄電池モジュール２５０」ともいう）が縦方向に三段に配置されている。各蓄電池モジュール２５０は基本的には同じ構成であり、例えば図４に示すような前面側が開口した収容ケース２５５内に複数の電池ユニット２３０が着脱自在に収納されたものである。３つの蓄電池モジュール２５０のうち１つについては、電池ユニット２３０の幾つか代えて制御機器２８０が収容されている（図１参照）。フレーム２１０内の蓄電池モジュール２５０は互いに直列に接続され、これにより、電池ユニット２３０の数に応じた電力を出力できるように構成されている。

電池ユニット２３０は、詳細な図示は省略するが、例えばリチウムイオン二次電池等の電池セルと、それを保持および／または収容する筐体とを有するものであってもよい。限定されるものではないが、電池ユニット２３０の筐体は図４に示すように縦に細長い形状であってもよく、また、電池ユニット２３０の挿入および抜出しが容易となるように、前面部分に把手部２３３が設けられていてもよい。

なお、電池ユニット２３０は、必ずしもリチウムイオン二次電池である必要はなく、鉛蓄電池、ニッケル水素蓄電池等の他の種類の二次電池を利用するものであってもよい。

図４に示すように、収容ケース２５５内の一部には第１の制御モジュール２４１も収容されている。この第１の制御モジュール（電池監視ユニット：ＢＭＵ）２４１は、各電池ユニット２３０に接続され、充放電の制御を行ったり電池残量を監視したりするものである。

詳細な図示は省略するが、図１の符号２４１で示す部分に、他の電池監視ユニット（ＢＭＵ）がさらに配置されていてもよい。このように複数の電池監視ユニットが蓄電池モジュール２５０ごとに設けられている場合においても、以下の説明では、これらをまとめて「第１の制御モジュール２４１」ともいう。

第１の制御モジュール２４１は、各蓄電池モジュール２５０の下側に配置されているが、最上部の蓄電池モジュール２５０のさらに上方には別の電池監視ユニットである第２の制御モジュール２４２が配置されている。第２の制御モジュール２４２は、第１の制御モジュール２４１との間で通信を行う機能（通信ユニット）と、外部との通信を行う機能（他の通信ユニット）とを有するものである。

蓄電池装置２０１全体の動作は、第１および第２の制御モジュール２４１、２４２等によって制御される。限定されるものではないが、その動作としては例えば次のようなものの１つまたは複数であってもよい。なお、具体的な動作制御等については従来公知の方法を種々利用することが可能である。
（ａ）蓄電池モジュール２５０の電力を外部の所定の機器またはシステムに供給する、
（ｂ）外部から電力を受けて１つまたは複数の電池ユニット２３０の充電を行う、
（ｃ）充放電の開始・終了等のタイミングを制御したり、各電池ユニット２３０の状態を監視したりする、
（ｄ）１つまたは複数の電池ユニット２３０の温度が適正範囲内か否かを判定する、
（ｅ）１つまたは複数の電池ユニット２３０に欠陥が生じているか否かを判定する、
（ｆ）ある電池ユニット２３０について当該電池ユニットがどの程度使用されたかを判定し、それに基づき交換が必要が否かを判定する、等。

なお、図４のような蓄電池モジュール２５０に代えて、図５のような蓄電池モジュール２５０′がフレーム２１０内に収容されてもよい。この蓄電池モジュール２５０′は、上面側が開口した箱状の収容ケース２５５′を有しており、その内部に複数の電池ユニット２３０′および制御モジュール２４１′が配置されたものである。このような蓄電池モジュール２５０′を利用する場合においても本発明は適用可能である。

続いて、蓄電池装置２０１の背面側の配線構造について説明する。なお、説明の都合上、図示右側の区画を「区画２１０Ａ」として示している。図２に示すように、この例では、最下部の蓄電池モジュール２５０−３と真ん中の蓄電池モジュール２５０−２とを接続する電源系ケーブルＬｄ−３と、真ん中の蓄電池モジュール２５０−２と最上部の蓄電池モジュール２５０−１とを接続する電源系ケーブルＬｄ−２と、最上部の蓄電池モジュール２５０−１から電力を外部に引き出すための電源系ケーブルＬｄ−１とが設けられている。これらは、一例で、いずれも略鉛直方向に延びるように配線されており、これにより、３つの蓄電池モジュール２５０が直列接続されている。

具体的には、電源系ケーブルＬｄ−１は、その一部が図示右側の支柱２１５の側面に沿うように引き回されており、一方、電源系ケーブルＬｄ−２、Ｌｄ−３は、その一部が図示左側の支柱２１５の側面に沿うように引き回されている。

図２に模式的に示すように、制御モジュール間で所定の信号を伝送するための信号ケーブルも、電源系ケーブルと同様、略鉛直方向に配置されている。本実施形態における信号ケーブルとしては、最上部の制御モジュール２４２と中間部の制御モジュール２４１とを接続する信号ケーブルＬｓ−１、それより下方の制御モジュール２４１どうしを接続する信号ケーブルＬｓ−２、Ｌｓ−３（以下、これらをまとめて単に「信号ケーブルＬｓ」ともいう）が備えられている。

信号ケーブルＬｓの配置について、以下、図６、図７等を参照しながら詳しく説明する。図６では、フレーム２１０内に配置された１つの蓄電池モジュール２５０と、１つの制御モジュール２４１とが模式的に描かれている。蓄電池モジュール２５０から引き出されているのが電源系ケーブルＬｄであり、支柱２１５の側面に沿うように配線されている。なお、この図ではケーブルが下向きに延在しているが、この向きは本発明の本質的な部分ではない。一方、信号ケーブルＬｓは、支柱２１５の内部を通るように配線されている。

支柱２１５の具体的な構造としては、種々のものを採用しうるが、一例で次のようなものであってもよい。図７の支柱２１５は、一例で、１枚の板材を折り曲げて略四角形の断面形状となるように形成したものである。支柱２１５には塗装が施されていてもよい。支柱２１５は、第１の側面２１５ａ、そこから曲げられた第２の側面２１５ｂ、そこから曲げられた第３の側面２１５ｃおよびそこから曲げられた第４の側面２１５ｄを有している。ここで、第１の側面２１５ａと第４の側面２１５ｄとは接続されておらず、これらの間に、細長いスリットＳが形成されている。スリットＳの幅は一定であってもよいが、それに限定されるものではない。

このように構成された支柱２１５に対して、信号ケーブルＬｓが、スリットＳを経由して内部に挿入される。スリットＳの幅が広すぎる場合、シールド性能が十分に確保されない可能性がある。その一方で、スリットＳの幅が狭すぎる場合、信号ケーブルの挿入、引出しが困難になる懸念がある。そこで、スリットＳの幅としては、一例で、挿入される予定の信号ケーブルの直径と同一、または、同直径の１．５倍以下、２倍以下、もしくは３倍以下程度であることが好ましい。

スリットＳは、支柱２１５の全長にわたって形成されていてもよいが、それに限定されるものではない。複数のスリットＳが支柱２１５の長手方向に連続的に形成されたものであってもよい。あるいは、支柱２１５の上部側および下部側にはスリットＳは形成されておらず、中間部分（具体的には、信号ケーブルＬｓの挿入および抜出しが予定される範囲）のみにスリットＳが形成されていてもよい。

支柱２１５は、前述のとおり導電性材料であり、シールド性能を確保するためアースに接続されている。なお、特許文献１（実開平２−８４３７８）では、断面Ｌ字型の部材を他方の支柱部材にネジ止めすることで１本の支柱となる態様が示されているが、この場合、例えば断面Ｌ字型の部材が塗装されている場合には、両部材が電気的に接続されず、支柱全体を接地とすることができない場合がある。これに対して、特に、図７のように、支柱２１５が単一の部材から構成されている場合、支柱２１５全体を良好に接地とすることができる。

また、図７のような構成は、溶接等の必要がないことから、製造し易く、製造コストの低減にも有利である。

（支柱の他の形態）
支柱の断面形状としては、図８のようなものであってもよい。図８（ａ）は、単一部材で構成された矩形断面の支柱であり、その一部にスリットＳが形成されている。スリットＳの位置は、支柱のいずれの箇所であっても構わないが、同図に示すように１つの側面の中心部付近であってもよい。当然ながら、図７のように、スリットＳが角部付近に形成されていてもよい。

図８（ｂ）は、断面コ字型の２つの部材で支柱を構成したものである。この構成の場合、部材どうしを、例えばリベット止めや溶接により接続することも好ましい。これにより、両部材の物理的固定を行うことができるとともに、電気的な接続も行われることとなり、電磁シールド部材として好適なものとなる。

図８（ｃ）は、断面円形の例である。市販の中空丸棒の部材の一部にスリットＳを形成することでこのような支柱２１５を形成することが可能である。

このように支柱２１５の断面形状は種々変更しうるが、いずれの場合においても、確実アースに接続されていることが望ましい。なお、スリットＳの形状については、上述したように、種々の形態とすることができる。

続いて、スリットＳと制御モジュール２４１、２４２等との位置関係について図７を参照して説明する。スリットＳは、図９に例示するように、蓄電池装置を上方から見たときに、１本の支柱の角部のうち制御モジュール２４１に最も近い角部に設けられていることが好ましい。なお、「角部に設けられる」と言った場合には、厳密に角部を含む位置に限らず、角部を含まないが角部に近接する位置にスリットＳが形成されることをも含む。

このような構成によれば、制御モジュール２４１から支柱２１５に至る未シールドのケーブル部分の長さが短くなるので、放射ノイズの影響をより低減できるという作用効果が得られる。

また、本実施形態では、図９に示されているように（図２も参照）、信号ケーブルＬｓと、電源系ケーブルＬｄとが略平行に配線されている。通常、信号ケーブルＬｓと電源系ケーブルＬｄとが互いに近接して略平行に配線されている場合、電源系ケーブルＬｄからの放射ノイズの影響が出やすいが、本実施形態によれば、信号ケーブルＬｓが支柱内で電磁シールドされているので、このような配線としても放射ノイズの影響を防止することが可能となる。

さらに、電源系ケーブルＬｄが支柱２１５の側面に保持される構成となっていてもよい。この場合、支柱２１５が、（ｉ）フレームの構成部材としての役割および（ｉｉ）信号ケーブルのシールド部材としての役割に加え、（ｉｉｉ）電源系ケーブルの保持部材としての役割をも果たすので、別途、電源系ケーブルの保持部材を設ける必要がなくなる。

なお、電源系ケーブルＬｄの配置位置は、図９の一点鎖線で示す領域（フレーム２１０の外形領域）の内側となるような位置であってもよい。この場合、電源系ケーブルＬｄが装置の外側に引き回されることはないので、装置の小型化に有利である（接地面積を小さくすることができる点でも有利である）。もっともこれは、本発明において電源系ケーブルＬｄが支柱の上記箇所以外に保持されることを排除するものではない。

支柱側面に電源系ケーブルＬｄを保持させるために、例えば、支柱２１５等に電源系ケーブルＬｄを保持する１つまたは複数の保持具が設けられていてもよい。保持具としては、例えば、弾性変形可能に形成された略Ｕ字状の保持部を有するようなものであってもよい。作業者がケーブルをこのＵ字状保持部に嵌め込むことでケーブルが保持固定される。あるいは、樹脂製バンドのような結束具を用いてケーブルを支柱に固定してもよい。

図９では、１本の支柱２１５（図示右側）のみにスリットＳが形成されているが、当然ながら、図示左側の支柱２１５にもスリットＳが形成されていてもよい。また、４本の支柱全てにスリットＳが形成されていてもよい。また、複数の支柱２１５をそれぞれアース接続する構成としてもよいが、別の態様として、各支柱２１５が電気的に接続されており、いずれかの支柱２１５（もしくはそれに接続された所定の部材）をアース接続すると他の支柱２１５についても同電位となる構成としてもよい。

次に、制御モジュール２４１からの信号ラインＬｓの引出し方向について説明する。

図６に例示するように、信号ラインＬｓのうち、制御モジュール２４２から支柱２１５までの部分が略水平方向（水平、および、水平方向に対して±３０度の範囲内、好ましくは±１５度の範囲内を含む）に配線されていることも好ましい。本実施形態のように蓄電池モジュール２５０を縦方向に配置した構成では、蓄電池モジュールどうしを直列接続する関係上、基本的には、電源系ケーブルＬｄは鉛直方向に引き回されることとなる。したがって、信号ケーブルＬｓが略水平方向となっていれば、仮にその近傍に電源系ケーブルＬｄが存在したとしても、信号ケーブルＬｓと電源系ケーブルＬｄとは平行とならず、クロスすることとなる。したがって、電界結合が起こりにくく、放射ノイズによる影響が生じにくい。

以上説明したような本実施形態の蓄電池装置によれば、信号ケーブルＬｓがアース接続された支柱２１５内に配置され電磁シールドされた状態となっているので、例えば、シールドケーブルを用いる、専用のノイズ遮蔽部材を用いる、ノイズ発生源のケーブルと信号ケーブルを隔離させるといった対策を講じる必要がない。これにより、機器構成の簡素化や製造コストの削減を図ることができる。また、支柱２１５が接地電位とされているので信号ケーブルＬｓがより確実に電磁シールドされることとなる。

（他の実施形態）
以上本発明の一形態について説明したが、本発明は、上記に開示された内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。

例えば、上記実施形態では蓄電池装置を例に挙げて説明したが、本発明は、蓄電池装置に接続される電力変換装置（パワーコンディショナ）に適用してもよい。電力変換装置としては、例えば、制御機器を収容するためのフレームと、そのフレーム内に配置された直流交流変換器と、その直流交流変換器の制御等を行う少なくとも１つの制御モジュールとを備えるものであってもよい。

そして、フレームのアース接続された支柱内に信号ケーブルが配置され、電源系ケーブルからの放射ノイズに対して電磁シールドされていればよい。重複する説明は省略するが、このような電力変換装置に本発明を適用した場合においても、上記実施形態で開示した技術事項は適宜組み合せ得るものである。

本明細書は、以下の発明を開示する：
１．少なくとも１つの蓄電池モジュール（５０）と、
上記蓄電池モジュールに接続され蓄電池の状態監視を行う少なくとも１つの制御モジュール（２４１、２４２）と、
複数本の支柱を有し上記蓄電池モジュールおよび上記制御モジュールを収容するフレーム（２１０）と、
を備える蓄電池装置（２０１）であって、
上記支柱は、接地電位とされた中空部材であり、
上記制御モジュール間で信号を伝送するための信号ケーブルが上記支柱内に配線されている、蓄電池装置（２０１）。

２．さらに、電源系ケーブルを備え、
上記信号ケーブルと上記電源系ケーブルとが略平行（完全に平行であることに加え、交差角度が１５度以内となるような交差態様をも含む）に配置されている、
上記記載の蓄電池装置。

３．上記電源系ケーブルが、信号ケーブルが通された上記支柱の外側（外面）に保持されている、
上記記載の蓄電池装置。

４．上記支柱は断面角型であって、かつ、
上記信号ケーブルを挿入および引出し可能な、支柱長手方向に沿って（少なくとも部分的に）延びるスリット（Ｓ）を有する、
上記記載の蓄電池装置。

５．上記支柱は、一枚の板状部材から形成されたものであって、第１の側面、そこから曲げられた第２の側面、そこから曲げられた第３の側面、および、そこから曲げられた第４の側面を有し、
上記第４の側面と第１の側面との間が接合されておらず、これらの間に上記スリット（Ｓ）が形成されている、
上記記載の蓄電池装置。

６．４本の上記支柱が、上方から見たときに、上記制御モジュール（２４１、２４２）の四隅部の外側に位置するように配置されており、
上記スリットは、上方から見たときに、上記制御モジュール（２４１、２４２）に最も近い側の角部に設けられている、
上記記載の蓄電池装置。

７．複数の上記蓄電池モジュール（２５０）および複数の上記制御モジュール（２４１、２４２）が縦方向に多段に配置されており、
上記電源系ケーブルは、所定の上記蓄電池モジュールと他の上記蓄電池モジュールとを接続するためのケーブルである、
上記記載の蓄電池装置。

８．直流および交流の相互に変換する直流交流変換器と、
それに電気的に接続された少なくとも１つの制御モジュールと、
複数本の支柱を有し上記直流交流変換器および上記制御モジュールを収容するフレームと、
を備える電力変換装置であって、
上記支柱は、接地電位とされた中空部材であり、信号ケーブルが上記支柱内に配置されている、電力変換装置。

９．上記記載の蓄電池装置と、それに接続された電力変換装置と、を備える蓄電システム。

２０１ 蓄電池装置
２１０ フレーム
２１１、２１２ 枠
２１０Ａ〜２１０Ｃ 区画
２１５ 支柱
２３０ 電池ユニット
２４１、２４２ 制御モジュール
２５０ 蓄電池モジュール
Ｌｓ 信号ケーブル
Ｌｄ 電源系ケーブル
Ｓ スリット

Claims (9)

1. 少なくとも１つの蓄電池モジュールと、
   前記蓄電池モジュールに接続され蓄電池の状態監視を行う少なくとも１つの制御モジュールと、
   複数本の支柱を有し前記蓄電池モジュールおよび前記制御モジュールを収容するフレームと、
   を備える蓄電池装置であって、
   前記支柱は、接地電位とされた中空部材であり、
   前記制御モジュール間で信号を伝送するための信号ケーブルが前記支柱内に配線されている、蓄電池装置。
2. さらに、電源系ケーブルを備え、
   前記信号ケーブルと前記電源系ケーブルとが略平行に配置されている、
   請求項１に記載の蓄電池装置。
3. 前記電源系ケーブルが、信号ケーブルが通された前記支柱の外側に保持されている、
   請求項２に記載の蓄電池装置。
4. 前記支柱は断面角型であって、かつ、
   前記信号ケーブルを挿入および引出し可能な、支柱長手方向に沿って延びるスリットを有する、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電池装置。
5. 前記支柱は、一枚の板状部材から形成されたものであって、第１の側面、そこから曲げられた第２の側面、そこから曲げられた第３の側面、および、そこから曲げられた第４の側面を有し、
   前記第４の側面と第１の側面との間が接合されておらず、これらの間に前記スリットが形成されている、
   請求項４に記載の蓄電池装置。
6. ４本の前記支柱が、上方から見たときに、前記制御モジュールの四隅部の外側に位置するように配置されており、
   前記スリットは、上方から見たときに、前記制御モジュールに最も近い側の角部に設けられている、
   請求項４または５に記載の蓄電池装置。
7. 複数の前記蓄電池モジュールおよび複数の前記制御モジュールが縦方向に多段に配置されており、
   前記電源系ケーブルは、所定の前記蓄電池モジュールと他の前記蓄電池モジュールとを接続するためのケーブルである、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の蓄電池装置。
8. 直流および交流の相互に変換する直流交流変換器と、
   それに電気的に接続された少なくとも１つの制御モジュールと、
   複数本の支柱を有し前記直流交流変換器および前記制御モジュールを収容するフレームと、を備える電力変換装置であって、
   前記支柱は、接地電位とされた中空部材であり、信号ケーブルが前記支柱内に配置されている、電力変換装置。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の蓄電池装置と、
   それに接続された電力変換装置と、
   を備える蓄電システム。
   

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