JPWO2016063760A1 - 電源装置、保護装置、及び保護方法 - Google Patents

電源装置、保護装置、及び保護方法 Download PDF

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Abstract

電圧検出部３１で検出される電圧に基づいて、該当電池２１と電圧検出部３１との間の電圧検出線２３が断線していると判断した場合、その電圧検出線２３を備える電池モジュール２が電源装置１から切り離されるように、各スイッチ２２の動作を制御し、電圧検出部３１で検出される電圧に基づいて、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であると判断した場合、すべての電池モジュール２の入出力電力を制限する。

Description

本発明は、複数の電池モジュールを備える電源装置、その電源装置の保護装置、及び保護方法に関する。
複数の電池モジュールを備える電源装置として、例えば、何れかの電池モジュールに異常が発生した場合、その電池モジュールを電源装置から電気的に切り離すという保護処理を行うものがある。電池モジュールの異常の種類としては、電池と電圧検出部との間の電圧検出線が断線することや電池が過充電状態又は過放電状態になることなどが考えられる。例えば、特許文献１〜４参照。
しかしながら、電池モジュールに発生するすべての異常に対して同じ保護処理が行われる場合、切り離す必要がない他の電池モジュールを切り離して電源装置を過剰に保護してしまうことや異常発生後に同じ異常が他の電池モジュールにも発生して電源装置の保護が不十分になってしまうことがある。
特開２０１３−０７０４４１号公報 特開２０１３−２４７７７３号公報 特開２０１４−０５０１３８号公報 特開２０１２−０５０１５８号公報
本発明では、複数の電池モジュールを備える電源装置を異常の種類に応じて適切に保護することを目的とする。
実施形態の電源装置は、電池とスイッチを有し、互いに並列接続される複数の電池モジュールと、各電池の電圧を検出する電圧検出部と、制御部とを備える。
制御部は、電圧検出部で検出される電圧に基づいて、該当電池と電圧検出部との間の電圧検出線が断線していると判断した場合、その電圧検出線を備える電池モジュールが電源装置から切り離されるように、各スイッチの動作を制御する。また、制御部は、電圧検出部で検出される電圧に基づいて、該当電池が過充電状態又は過放電状態であると判断した場合、すべての電池モジュールの入出力電力を制限する。
このように、電圧検出線が断線している場合、その電圧検出線を備える電池モジュールを電源装置から切り離すようにしているため、異常が発生していない他の電池モジュールを電源装置から切り離さないようにすることができ、電源装置を過剰に保護しないようにすることができる。また、該当電池が過充電状態又は過放電状態である場合、すべての電池モジュールの入出力電力を制限するようにしているため、その後、他の電池モジュールにおいて同じ異常を発生させないようにすることができ、電源装置を保護することができる。
本発明によれば、複数の電池モジュールを備える電源装置を異常の種類に応じて適切に保護することができる。
実施形態の電源装置の一例を示す図である。 電池制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 他の実施形態の電源装置における電池制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 該当電池の電圧の変化の一例を示す図である。
図１は、実施形態の電源装置の一例を示す図である。
図１に示す電源装置１は、複数の電池モジュール２と、複数の電池監視部３と、電池制御部４（制御部）とを備える。また、電源装置１は、例えば、ハイブリッドカーや電気自動車などの車両に搭載されるものであって、車両駆動用のモータ５を動作させるためのインバータ回路６に電力を供給する。
各電池モジュール２は、それぞれ、互いに直列接続される複数の電池２１（２１−１、２１−２、・・・、２１−ｎ）及びそれら電池２１に直列接続されるスイッチ２２を備える。各電池モジュール２は互いに並列接続されている。あるスイッチ２２がオンすると、そのスイッチ２２を備える電池モジュール２が電源装置１に電気的に接続され、あるスイッチ２２がオフすると、そのスイッチ２２を備える電池モジュール２が電源装置１から電気的に切り離される。
各電池監視部３は、それぞれ、電圧検出部３１及び制御部３２を備える。なお、電池制御部４や制御部３２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）又はＰＬＤ（Programmable Logic Device））などにより構成される。また、特許請求の範囲に記載される保護装置は、例えば、電圧検出部３１や電池制御部４などを備えて構成される。なお、制御部３２は無くてもよい。その場合、電池制御部４が制御部３２の機能を有する。
電圧検出部３１は、対応する電池２１−１〜２１−ｎのそれぞれの両端に接続される電圧検出線２３（２３−１、２３−２、・・・、２３−ｎ、２３−ｎ＋１）を介して電池２１−１〜２１−ｎの電圧Ｖを検出する。例えば、電圧検出部３１は、電圧検出線２３−２が断線していない場合、電圧検出線２３−１と電圧検出線２３−２との間の電圧を電池２１−１の電圧Ｖとして検出する。また、電圧検出部３１は、電圧検出線２３−２が断線している場合、電圧検出線２３−１と電圧検出線２３−３との間の電圧を電池２１−１の電圧Ｖとして検出する。すなわち、電圧検出部３１は、電圧検出線２３−２が断線している場合、電池２１−１及び電池２１−２の合計電圧を、電池２１−１の電圧Ｖとして検出する。
制御部３２は、電圧検出部３１で検出される電圧を示すデータをＣＡＮ（Controller Area Network）などのネットワークを介して電池制御部４へ送信する。
電池制御部４は、制御部３２から送信されるデータに示される電池２１の電圧Ｖに基づいて、その電池２１に接続される電圧検出線２３が断線しているか否かを判断する。例えば、電池制御部４は、電池２１−１の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ１以上である場合、その電池２１−１に接続される電圧検出線２３−２が断線していると判断する。また、電池制御部４は、電池２１−１の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ４未満である場合、その電池２１−１に接続される電圧検出線２３が断線していると判断する。
また、電池制御部４は、制御部３２から送信されるデータに示される電池２１の電圧Ｖに基づいて、その電池２１が過充電状態又は過放電状態であるか否かを判断する。例えば、電池制御部４は、電池２１−１の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ１未満で、かつ、閾値Ｖｔｈ２以上である場合、その電池２１−１が過充電状態であると判断する。また、電池制御部４は、電池２１−１の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ３以下で、かつ、閾値Ｖｔｈ４以上である場合、その電池２１−１が過放電状態であると判断する。なお、閾値Ｖｔｈ１＞閾値Ｖｔｈ２＞閾値Ｖｔｈ３＞閾値Ｖｔｈ４とする。
また、電池制御部４は、発生する異常の種類に応じて、電源装置１に対する保護処理を変える。例えば、電池制御部４は、電圧検出線２３が断線していると判断すると、その電圧検出線２３を備える電池モジュール２が電源装置１から電気的に切り離されるように、各スイッチ２２の動作を制御する。また、電池制御部４は、電池２１が過充電状態又は過放電状態であると判断すると、すべての電池モジュール２の入出力電力を制限する。
図２は、電池制御部４の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図２に示す動作は、異常検出タイミングになると、すべての電池２１に対してそれぞれ行われるものとする。また、異常検出タイミング時に異常検出対象になった電池２１を「該当電池２１」とし、該当電池２１を備える電池モジュール２を「該当電池モジュール２」とする。また、異常検出タイミングは、例えば、一定周期毎に発生するものとする。
まず、電池制御部４は、電圧検出線２３が断線したか否かを判断する（Ｓ１１）。
次に、電池制御部４は、電圧検出線２３が断線したと判断すると（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、その電圧検出線２３を備える電池モジュール２が電源装置１から電気的に切り離されるように、該当電池モジュール２に備えられるスイッチ２２をオフする（Ｓ１２）。すなわち、電池制御部４は、電圧検出線２３が断線したと判断すると（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、その電圧検出線２３を備える電池モジュール２のみが電源装置１から電気的に切り離されるように、その電池モジュール２に備えられるスイッチ２２のみをオフする（Ｓ１２）。その後、次の異常検出タイミングまで待機する。
また、電池制御部４は、電圧検出線２３が断線していないと判断すると（Ｓ１１：Ｎｏ）、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であるか否かを判断する（Ｓ１３）。
次に、電池制御部４は、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であると判断すると（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、すべての電池モジュール２が電源装置１から電気的に切り離されるように、すべてのスイッチ２２をオフする（Ｓ１４）。すなわち、電池制御部４は、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であると判断すると（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、過充電状態又は過放電状態であると判断された該当電池２１を備える電池モジュール２だけでなく、過充電状態又は過放電状態ではない電池２１を備える電池モジュール２も電源装置１から電気的に切り離されるように、すべてのスイッチ２２をオフする（Ｓ１４）。
また、電池制御部４は、該当電池２１が過充電状態及び過放電状態でないと判断すると（Ｓ１３：Ｎｏ）、次の異常検出タイミングまで各スイッチ２２の動作を維持する。
本実施形態の電源装置１では、電圧検出線２３が断線している場合、その電圧検出線２３を備える電池モジュール２を電源装置１から切り離すようにしているため、異常が発生していない他の電池モジュール２を電源装置１から切り離さないようにすることができ、電源装置１を過剰に保護しないようにすることができる。これにより、電圧検出線２３の断線異常が発生した際、電源装置１から切り離されていない電池モジュール２を用いて車両を退避走行させることができる。
また、本実施形態の電源装置１では、電池２１が過充電状態又は過放電状態である場合、すべての電池モジュール２を電源装置１から切り離すようにしているため、すなわち、すべての電池モジュール２の入出力電力を制限しているため、その後、他の電池モジュール２において同じ異常を発生させないようにすることができ、電源装置１を保護することができる。
このように、本実施形態の電源装置１によれば、該当電池モジュール２に発生する異常の種類に応じて電源装置１を適切に保護することができる。
＜他の実施形態＞
図３は、他の実施形態の電源装置１における電池制御部４の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図３に示す動作は、異常検出タイミングになると、すべての電池２１に対してそれぞれ行われるものとする。また、異常検出タイミング時に異常検出対象になった電池２１を「該当電池２１」とし、該当電池２１を備える電池モジュール２を「該当電池モジュール２」とする。また、異常検出タイミングは、例えば、一定周期毎に発生するものとする。
まず、電池制御部４は、電圧検出線２３が断線したか否かを判断する（Ｓ３１）。
次に、電池制御部４は、電圧検出線２３が断線したと判断すると（Ｓ３１：Ｙｅｓ）、該当電池２１に対応する断線検出フラグをオンし（Ｓ３２）、該当電池２１に対応するＮに１を加算する（Ｓ３３）。例えば、断線検出フラグやＮは、電池制御部４の記憶部に記憶される。
次に、電池制御部４は、Ｎが閾値ｔｈ１以上であると判断すると（Ｓ３４：Ｙｅｓ）、該当電池２１に接続される電圧検出線２３が断線していることを確定し、その電圧検出線２３を備える電池モジュール２が電源装置１から電気的に切り離されるように、該当電池モジュール２に備えられるスイッチ２２をオフし（Ｓ３５）、断線検出フラグがオフであるか否かを判断する（Ｓ３６）。すなわち、電池制御部４は、Ｎが閾値ｔｈ１以上であると判断すると（Ｓ３４：Ｙｅｓ）、該当電池２１に接続される電圧検出線２３が断線していることを確定し、その電圧検出線２３を備える電池モジュール２のみが電源装置１から電気的に切り離されるように、その電池モジュール２に備えられるスイッチ２２のみをオフし（Ｓ３５）、断線検出フラグがオフであるか否かを判断する（Ｓ３６）。
また、電池制御部４は、電圧検出線２３が断線していないと判断すると（Ｓ３１：Ｎｏ）、又は、Ｎが閾値ｔｈ１よりも小さいと判断すると（Ｓ３４：Ｎｏ）、断線検出フラグがオフであるか否かを判断する（Ｓ３６）。
また、電池制御部４は、断線検出フラグがオフであると判断すると（Ｓ３６：Ｙｅｓ）、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であるか否かを判断する（Ｓ３７）。
次に、電池制御部４は、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であると判断すると（Ｓ３７：Ｙｅｓ）、該当電池２１に対応するＭに１を加算する（Ｓ３８）。例えば、Ｍは、電池制御部４の記憶部に記憶される。
次に、電池制御部４は、Ｍが閾値ｔｈ２以上であると判断すると（Ｓ３９：Ｙｅｓ）、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であることを確定し、すべての電池モジュール２が電源装置１から電気的に切り離されるように、すべてのスイッチ２２をオフし（Ｓ４０）、断線検出フラグをオフし（Ｓ４１）、異常検出処理を終了する。すなわち、電池制御部４は、Ｍが閾値ｔｈ２以上であると判断すると（Ｓ３９：Ｙｅｓ）、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であることを確定し、過充電状態又は過放電状態であることが確定された該当電池２１を備える電池モジュール２だけでなく、過充電状態又は過放電状態ではない電池２１を備える電池モジュール２も電源装置１から電気的に切り離されるように、すべてのスイッチ２２をオフし（Ｓ４０）、断線検出フラグをオフし（Ｓ４１）、異常検出処理を終了する。
また、電池制御部４は、断線検出フラグがオンであると判断すると（Ｓ３６：Ｎｏ）、又は、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態でないと判断すると（Ｓ３７：Ｎｏ）、又は、Ｍが閾値ｔｈ２以上でないと判断すると（Ｓ３９：Ｎｏ）、断線検出フラグをオフし（Ｓ４１）、異常検出処理を終了する。
図４は、該当電池２１の電圧Ｖの変化の一例を示す図である。なお、閾値ｔｈ１を「５」とし、閾値ｔｈ２を「６」とし、Ｎ、Ｍの初期値を「０」とする。また、断線検出フラグはオフに設定されているものとする。
図４に示す例では、該当電池２１に接続される電圧検出線２３が断線することにより、異常検出タイミングｔ０、ｔ５〜ｔ８において、それぞれ、該当電池２１−１の電圧が閾値Ｖｔｈ１以上になるものとする。また、該当電池２１に対応する電圧検出部３１で検出される電圧の誤差などの影響により、該当電池２１に接続される電圧検出線２３が断線しているにもかかわらず、異常検出タイミングｔ１〜ｔ４において、それぞれ、該当電池２１の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ１未満で、かつ、閾値Ｖｔｈ２以上になるものとする。
このような場合、電池制御部４は、異常検出タイミングｔ０において、断線検出フラグをオンするとともに、該当電池２１に対応するＮに１を加算する。
次に、電池制御部４は、異常検出タイミングｔ１〜ｔ４において、それぞれ、該当電池２１に対応するＭに１を加算する。すなわち、異常検出タイミングｔ４において、Ｎ＝１、Ｍ＝４になる。
次に、電池制御部４は、異常検出タイミングｔ５〜ｔ７において、それぞれ、断線検出フラグをオンするとともに、該当電池２１に対応するＮに１を加算する。すなわち、異常検出タイミングｔ７において、Ｎ＝４、Ｍ＝４になる。
そして、電池制御部４は、異常検出タイミングｔ８において、断線検出フラグをオンするとともに、該当電池２１に対応するＮに１を加算し、Ｎ（「５」）が閾値ｔｈ１（「５」）以上になったと判断する。すると、電池制御部４は、該当電池２１に接続される電圧検出線２３が断線していることを確定し、その電圧検出線２３を備える電池モジュール２が電源装置１から電気的に切り離されるように、該当電池モジュール２に備えられるスイッチ２２をオフする。
このように、他の実施形態の電源装置１では、少なくとも一度電圧検出線２３が断線していると判断すると、その後、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であるか否かの判断を行わないようにし、かつ、該当電池２１に接続される電圧検出線２３が断線していると判断した合計回数Ｎが閾値ｔｈ１以上になったと判断すると、該当電池２１に接続される電圧検出線２３が断線していることを確定しているため、実際には該当電池２１が過充電状態でも過放電状態でもないにもかかわらず、検出時の電圧Ｖの誤差などで該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であると誤って判断されてしまうことを抑えることができ、異常判断の精度を上げることができる。
また、他の実施形態の電源装置１においても、電池モジュール２に発生する異常の種類に応じて電源装置１を適切に保護することができる。
なお、本実施形態では、電池制御部４が各スイッチ２２の動作を制御する構成であるが、各電池監視部３の制御部３２が、それぞれ、自身の電圧検出部３１の検出電圧により、対応する電池モジュール２のスイッチ２２の動作を制御してもよい。
また、本実施形態の電源装置１では、複数の電圧検出部３１を備える構成であるが、電圧検出部３１を１つのみ備え、その電池検出部３１によりすべての電池２１の電圧Ｖを検出するように構成してもよい。
また、本実施形態の電源装置１では、電池制御部４において、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であると判断した場合、又は、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であることを確定した場合、すべての電池モジュール２の入出力電力を制限する構成であり、上述の例では、すべての電池モジュール２が電源装置１から電気的に切り離されるように、すべてのスイッチ２２をオフする構成であるが、他の例として、すべての電池モジュール２に流れる電流を制限するように構成してもよい。
例えば、電池制御部４は、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であると判断した場合、又は、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であることを確定した場合、電池制御部４から車両側の走行制御部や充電器へ送る、電源装置１の入出力可能最大電流値を下げる。走行制御部は、電源装置１の入出力可能最大電流値が下がると、インバータ回路６からモータ５への出力電流の上限値やインバータ回路６から電源装置１への回生電流の上限値を下げる。また、充電器は、電源装置１の入出力可能最大電流値が下がると、充電器から電源装置１への出力電流の上限値を下げる。これにより、電源装置１の入出力電流を制限することができるため、すべての電池モジュール２に流れる電流を制限することができる。
また、例えば、電池制御部４は、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であると判断した場合、又は、該当電池２１が過充電状態又は過放電状態であることを確定した場合、走行を制限する旨の指示を車両側の走行制御部へ送る。走行制御部は、走行を制限する旨の指示を受け取ると、インバータ回路６からモータ５への出力電流の上限値やインバータ回路６から電源装置１への回生電流の上限値を下げる。これにより、電源装置１の入出力電流を制限することができるため、すべての電池モジュール２に流れる電流を制限することができる。
また、電池制御部４は、該当電池２１が重度の過充電状態又は重度の過放電状態であると判断した場合、又は、該当電池２１が重度の過充電状態又は重度の過放電状態であることを確定した場合、すべての電池モジュール２が電源装置１から切り離されるように、各スイッチ２２の動作を制御し、該当電池２１が軽度の過充電状態又は軽度の過放電状態であると判断した場合、又は、該当電池２１が軽度の過充電状態又は軽度の過放電状態であることを確定した場合、すべての電池モジュール２に流れる電流を制限するように構成してもよい。
例えば、電池制御部４は、該当電池２１の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ２ａ以上で、かつ、閾値Ｖｔｈ１未満である場合、該当電池２１が重度の過充電状態であると判断し、該当電池２１の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ２以上で、かつ、閾値Ｖｔｈ２ａ未満である場合、該当電池２１が軽度の過充電状態であると判断し、該当電池２１の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ３ａ以下で、かつ、閾値Ｖｔｈ４以上である場合、該当電池２１が重度の過放電状態であると判断し、該当電池２１の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ３以下で、かつ、閾値Ｖｔｈ３ａよりも大きい場合、該当電池２１が軽度の過放電状態であると判断する。なお、閾値Ｖｔｈ１＞閾値Ｖｔｈ２ａ＞閾値Ｖｔｈ２＞閾値Ｖｔｈ３＞閾値Ｖｔｈ３ａ＞閾値Ｖｔｈ４とする。また、重度の過充電状態、又は、過度の過放電状態とは、例えば、該当電池２１にそれ以上電流が流れ続けると、該当電池２１が故障してしまうおそれがある状態とし、軽度の過充電状態、又は、軽度の過放電状態とは、例えば、該当電池２１にそれ以上電流が流れ続けると、該当電池２１の劣化が加速するおそれがある状態とする。
１ 電源装置
２ 電池モジュール
３ 電池監視部
４ 電池制御部
５ モータ
６ インバータ回路
２１ 電池
２２ スイッチ
２３ 電圧検出線
３１ 電圧検出部
３２ 制御部

Claims (7)

  1. 電池とスイッチを有し、互いに並列接続される複数の電池モジュールと、
    前記各電池の電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部で検出される電圧に基づいて、該当電池と前記電圧検出部との間の電圧検出線が断線していると判断した場合、その電圧検出線を備える電池モジュールが当該電源装置から切り離されるように、前記各スイッチの動作を制御し、前記電圧検出部で検出される電圧に基づいて、該当電池が過充電状態又は過放電状態であると判断した場合、すべての前記電池モジュールの入出力電力を制限する制御部と、
    を備えることを特徴とする電源装置。
  2. 請求項１に記載の電源装置であって、
    前記制御部は、該当電池が過充電状態又は過放電状態であると判断した場合、すべての前記電池モジュールが当該電源装置から切り離されるように、前記各スイッチの動作を制御する、又は、すべての前記電池モジュールに流れる電流を制限する
    ことを特徴とする電源装置。
  3. 請求項１に記載の電源装置であって、
    前記制御部は、該当電池が重度の過充電状態又は重度の過放電状態であると判断した場合、すべての前記電池モジュールが当該電源装置から切り離されるように、前記各スイッチの動作を制御し、該当電池が軽度の過充電状態又は軽度の過放電状態であると判断した場合、すべての前記電池モジュールに流れる電流を制限する
    ことを特徴とする電源装置。
  4. 請求項１に記載の電源装置であって、
    前記制御部は、前記電圧検出線が断線していると判断した場合、該当電池が過充電状態又は過放電状態であるか否かの判断を行わない
    ことを特徴とする電源装置。
  5. 請求項１に記載の電源装置であって、
    前記各電池モジュールは、互いに直列接続される複数の前記電池を有し、
    前記制御部は、前記各電池のうちの何れかの電池と前記電圧検出部との間の電圧検出線が断線していると判断した場合、該当電池が過充電状態又は過放電状態であるか否かの判断を行わない
    ことを特徴とする電源装置。
  6. 電池とスイッチを有する複数の電池モジュールを備える電源装置において、異常が発生した前記電池モジュールを前記電源装置から切り離すことにより前記電源装置を保護する保護装置であって、
    前記各電池の電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部で検出される電圧に基づいて、該当電池と前記電圧検出部との間の電圧検出線が断線していると判断した場合、その電圧検出線を備える電池モジュールが前記電源装置から切り離されるように、前記各スイッチの動作を制御し、前記電圧検出部で検出される電圧に基づいて、該当電池が過充電状態又は過放電状態であると判断した場合、すべての前記電池モジュールの入出力電力を制限する制御部と、
    を備えることを特徴とする保護装置。
  7. 電池とスイッチを有する複数の電池モジュールを備える電源装置において、異常が発生した前記電池モジュールを前記電源装置から切り離すことにより前記電源装置を保護する保護方法であって、
    前記スイッチの動作を制御する制御部は、
    該当電池と電圧検出部との間の電圧検出線が断線していると判断した場合、その電圧検出線を備える電池モジュールが前記電源装置から切り離されるように、前記各スイッチの動作を制御し、
    該当電池が過充電状態又は過放電状態であると判断した場合、すべての前記電池モジュールの入出力電力を制限する
    ことを特徴とする保護方法。
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