KR101401721B1 - 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈 - Google Patents

에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈에 관한 것으로, 직렬 연결된 복수의 커패시터의 각각의 양단에 연결된 전압감지선 사이에 연결된 각각의 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우, 상기 셀의 전압을 상기 기준전압으로부터 설정된 오차범위 이내가 되도록 균등화하는 전압 균등화부; 외부전원이 상기 커패시터에 인가되어 충전될 때, 상기 셀의 양단에 걸리는 전압을 검출하는 전압 검출부; 및 상기 전압 균등화부의 셀 전압 균등화 동작 및 상기 전압 검출부의 셀 전압 검출 동작을 제어하고, 상기 전압 균등화부로부터 상기 셀의 전압에 관한 데이터를 수신하여 상기 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과하고 상기 커패시터에 입력되는 전류를 검출하여 설정전류를 초과하는 경우 상기 커패시터에 입력되는 전류를 차단하고 오류신호를 발생시키는 제어부;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우, 외부의 전원공급 없이 셀의 전압을 기준전압으로부터 설정된 오차범위 이내가 되도록 균등화할 수 있다. 또한, 과전압, 저전압 및 대전류 입력시 커패시터에 입력되는 전류를 차단하여 회로를 보호할 수 있다.

Description

에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈{Voltage equalization module of energy store device}
본 발명은 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈에 관한 것이다.
최근의 전 세계적인 산업화와 급속한 기술발달로 많은 공장이 들어서고, 많은 기계장치들을 가동시키기 위해 지속적으로 전력수요가 증가하고 있다. 기존의 에너지원인 화석연료의 고갈과 지구의 온난화로 인한 환경문제가 전 세계적인 공통 관심사로 부각된 지 오래이다. 이에, 새로운 대체연료가 필요하게 되었고, 친환경, 고효율, 재생 가능한 에너지원을 개발하기 위한 노력이 계속되고 있다. 특히, 자연에서 얻을 수 있는 태양광 발전 및 풍력발전을 통한 전력생산이 전 세계적인 추세이기도 하다.
재생에너지원 발전에서의 에너지 저장장치 시스템의 일부분으로 재생에너지원의 급격한 부하변동 및 불규칙한 상태로 전력계통 연계시에 발생하는 주파수 변동 또는 전압변동 등을 보상하기 위해 에너지 저장장치와 전력관리기술의 필요성이 대두되고 있다.
에너지 저장장치로서는 리튬 이차전지, NiMH, NaS 전지, 슈퍼 커패시터 등이 사용되고 있다. 이 중 슈퍼 커패시터는 용도에 따라 수 패러드(Farad)부터 수천 패러드까지 크기와 용량이 커지고 있고, 사용용도로는 장난감, 블랙박스, 무정전 전원공급장치, 경관등, 도로 표지병, 하이브리드 자동차, 태양열 발전, 풍력발전, 열차나 버스의 유도급전, 반도체 엘시디(LCD) 생산라인의 보조 전원공급용 산업 전반에 걸쳐 응용분야가 늘어나고 있다. 이와 같이 슈퍼 커패시터가 산업 전반에 걸쳐 응용되는 이유는, 기존의 납 축전지 및 리튬 이차전지는 에너지 밀도는 크고 출력특성이 나쁘고 짧은 수명의 특성을 갖지만, 이에 비해 슈퍼 커패시터는 에너지 밀도는 작지만 출력밀도가 높고 고속의 충방전 특성과 수명이 수십 만회 이상으로 길다는 장점을 갖고 있기 때문이다. 또한, 수 밀리 초(milliseconds)로 응답속도가 빠르기 때문이기도 하다.
고출력 장수명의 순간응답특성이 우수한 슈퍼 커패시터는 재생 에너지원의 출력변동을 보상하기 위해 출력변동 빈도가 높은 단주기 출력보상을 담당한다.
수백 kWh급의 전력사용시 전력품질 보상을 위해 슈퍼 커패시터의 활용이 늘어나고 있는 환경에서 수백 V의 고전압 슈퍼 커패시터 단위 셀, 단위 셀을 여러 개 직렬 연결한 모듈, 이 모듈을 여러 개로 병렬 연결하는 시스템이 필요하게 된다. 수십, 수백 개의 슈퍼 커패시터들은 각각의 용량값, 내부저항, 누설전류특성이 모두 달라 충전 및 방전시 전압차이가 발생하여 효율적으로 각 셀, 모듈, 시스템의 제어관리를 하지 않으면 슈퍼 커패시터에 과전압이 발생되어 화재 및 폭발 위험성을 갖게 된다.
이와 같은 수십 개 또는 수백 개의 슈퍼 커패시터들을 직렬 및 병렬로 연결하여 에너지 저장장치의 응용 시스템에 적용할 때 효율적인 전압제어관리의 필요성이 대두된다. 따라서, 각 셀 단위, 모듈 단위로 능동 전압균등화를 실현하여 셀의 과전압, 저전압, 및 의도하지 않은 대전류 입력으로 인해 각 셀들을 안정적인 범위 내에서 동작할 수 있게 하는 제어장치의 필요성이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2011-0092286호
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우, 외부의 전원공급 없이 셀의 전압을 기준전압으로부터 설정된 오차범위 이내가 되도록 균등화하는 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 과전압, 저전압 및 대전류 입력시 커패시터에 입력되는 전류를 차단하여 회로를 보호할 수 있는 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈은, 2.5V급 슈퍼커패시터 셀이 수십 개 직렬 연결된 모듈과 이 모듈이 복수로 직렬 연결된 모듈과 복수의 수백 V급 슈퍼커패시터 셀이 직렬로 연결된 슈퍼커패시터 모듈에 있어서 각각의 셀 양단에 연결된 전압감지선 사이에 각각의 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우, 상기 셀의 전압을 상기 기준전압으로부터 설정된 오차범위(기준전압±수V) 이내가 되도록 균등화하는 전압 균등화부; 외부전원이 상기 커패시터에 인가되어 충전될 때, 상기 셀의 양단에 걸리는 전압을 검출하는 전압 검출부; 및 상기 전압 균등화부의 셀 전압 균등화 동작 및 상기 전압 검출부의 셀 전압 검출 동작을 제어하고, 상기 전압 균등화부로부터 상기 셀의 전압에 관한 데이터를 수신하여 상기 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과하고, 상기 커패시터에 입력되는 전류를 검출하여 설정전류를 초과하는 경우 상기 커패시터에 입력되는 전류를 차단하고 오류신호를 발생시키는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 셀은 상기 전압감지선에 연결된 바이패스 저항을 포함하고, 상기 전압 균등화부는 상기 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우 상기 커패시터에 입력되는 전류가 상기 바이패스 저항을 통해 흘러 상기 셀이 과충전 상태에서 방전 상태로 되게 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 셀의 전압에 관한 데이터와 상기 커패시터에 입력되는 전류의 데이터를 7 세그먼트로 디스플레이한다.
또한, 상기 전압 검출부는 상기 커패시터와 병렬로 연결된 다수 개의 동일한 저항을 포함하고, 상기 저항은 직렬로 연결되어 상기 커패시터에 인가된 전압을 분배한다.
또한, 상기 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우, 상기 제어부로부터 차단신호를 수신하여 상기 커패시터에 입력되는 전류를 차단하는 전류 차단부를 더 포함한다.
또한, 상기 전류 차단부는 양방향 스위칭 소자를 포함하고, 상기 직렬 연결된 복수의 커패시터 중 일측단의 커패시터의 (-)측에 다른 전압감지선보다 굵은 전압감지선이 연결되고, 상기 굵은 전압감지선은 PCB의 일측에 연결되고, 상기 PCB의 일측에 상기 커패시터의 개수와 동일한 개수의 양방향 스위칭 소자의 컬렉터가 병렬로 연결되고, 상기 양방향 스위칭 소자와 이미터가 공통 연결된 상기 개수의 다른 양방향 스위칭 소자의 각각의 컬렉터에는 상기 외부전원의 (-)단이 연결된다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우, 외부의 전원공급 없이 셀의 전압을 기준전압으로부터 설정된 오차범위 이내가 되도록 균등화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 과전압, 저전압 및 대전류 입력시 커패시터에 입력되는 전류를 차단하여 에너지 저장장치를 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 전압 균등화 방법의 흐름도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈은, 전압 균등화부(100), 전압 검출부(200), 전원 공급부(300), 제어부(400) 및 전류 차단부(500)를 포함할 수 있다.
전압 균등화부(100)는 직렬 연결된 복수의 커패시터(capacitor, 10, 11, 12)의 각각의 양단에 연결된 전압감지선 사이에 연결된 각각의 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우, 셀의 전압을 기준전압으로부터 설정된 오차범위 이내가 되도록 균등화한다. 예를 들면, 오차범위는 ±1V일 수 있고, 이 외에도 다양하게 설정될 수 있다. 오차범위 이내로 셀의 전압이 균등화되면 전류소모를 최소화할 수 있다. 여기서, 커패시터(10, 11, 12)는 수십.수백 V급의 슈퍼 커패시터(super capacitor)일 수 있다. 커패시터 양단의 전압감지선 사이에는 바이패스 저항(bypass resistor, 20)과 포토 MOSFET(30)가 연결된다. 셀은 전압감지선에 연결된 바이패스 저항(20)을 포함하고, 전압 균등화부(100)는 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우 커패시터에 입력되는 전류가 바이패스 저항(20)을 통해 흘러 셀이 과충전 상태에서 방전 상태로 되게 한다.
전압 검출부(200)는 외부전원이 커패시터에 인가되어 충전될 때, 셀의 양단에 걸리는 전압을 검출한다. 전압 검출부(200)는 커패시터와 병렬로 연결된 다수 개의 동일한 저항(13, 14, 16)을 포함하고, 저항(13, 14, 16)은 직렬로 연결되어 커패시터에 인가된 전압을 분배한다. 저항(13, 14, 16)에서의 전압분배를 통해 전압을 낮추게 되는데, 이 중에서 하나의 저항(13, 14, 16)에 문제가 발생될 때 전류가 흐르지 않게 되므로 과전압으로부터 보호할 수 있다. 또한, 전압 검출부(200)는 차동 증폭기(40)와 절연 증폭기(50)를 포함하는데, 저항(16) 양측의 접점(15)을 통해 차동 증폭기(40) 및 절연 증폭기(50)로 신호가 입력된다.
전원 공급부(300)는 다수의 DC-DC 컨버터(60, 61, 62)를 포함하는데, 이들 DC-DC 컨버터(60, 61, 62)와 제어부(400)에 포함된 부품들은 다른 외부전원에 전원(예를 들어, 15V)을 공급할 수 있다. 이 중 에서 DC-DC 컨버터(60)는 고압측 DC-DC 컨버터이고, DC-DC 컨버터(61)는 저압측 DC-DC 컨버터이며, DC-DC 컨버터(62)는 IGBT 전원 공급용 DC-DC 컨버터이다. 이때, DC-DC 컨버터(60)는 각각의 절연 증폭기(60)에 1대씩 연결되고, DC-DC 컨버터(61)는 모든 절연 증폭기(60)에 공통적으로 연결되고, DC-DC 컨버터(62)는 각각의 절연 증폭기(60)에 연결되고, 전류 차단부(500)의 2채널 MOSFET(63)에 연결된다.
제어부(400)는 A/D 컨버터(70), 씨피유(CPU, 80), 디스플레이부(81) 및 통신부(82)를 포함한다. 씨피유(80)는 전압 균등화부(100)의 셀 전압 균등화 동작 및 전압 검출부(200)의 셀 전압 검출 동작을 제어하고, A/D 컨버터(70)를 통하여 전압 검출부(200)의 절연 증폭기(50)와 연결된다. 그리고, 씨피유(80)는 전압 균등화부(100)로부터 셀의 전압에 관한 데이터를 수신하여 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우 통신부(82)를 통하여 오류신호를 발생시킨다. 또한, 씨피유(80)는 커패시터에 입력되는 전류를 검출하여 설정전류를 초과하는 경우 커패시터에 입력되는 전류를 차단하고 통신부(82)를 통하여 오류신호를 발생시킨다. 또한, 씨피유(80)는 셀의 전압에 관한 데이터와 커패시터에 입력되는 전류의 데이터를 디스플레이부(81)를 통하여 7 세그먼트(segment)로 디스플레이한다.
전류 차단부(500)는 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우, 제어부(400)로부터 차단신호를 수신하여 커패시터에 입력되는 전류를 차단한다. 전류 차단부(500)는 양방향 스위칭 소자(31, 32)를 포함하고, 직렬 연결된 복수의 커패시터 중 일측의 커패시터에는 외부전원의 (+)단이 연결되고, 타측의 커패시터에는 양방향 스위칭 소자의 컬렉터(Collector)가 연결된다. 그리고, 컬렉터와 이미터(Emitter)가 공통으로 연결된 다른 양방향 스위칭 소자의 컬렉터에는 외부전원의 (-)단(0V)이 연결된다. 양방향 스위칭 소자로는 IGBT가 사용될 수 있다. 이렇게 하여, 충전시에는 순방향 전류가 흐르고, 방전시에는 역방향 전류가 흐르게 된다. 외부전원의 (-)단과 제어부(400)의 A/D 컨버터(70) 사이에는 전류 검출기(83)가 연결되어, 전류 검출기(83)에서 검출된 전류는 A/D 컨버터(70)를 통해 씨피유(80)에 전달된다. 양방향 스위칭 소자(31, 32)와 DC-DC 컨버터(62) 사이에는 2채널 MOSFET(63)가 연결되고, 2채널 MOSFET(63)와 씨피유(80) 사이에는 포토 트랜지스터(64)가 연결된다. 이때, 포토 트랜지스터(64)에는 에미터 공통 듀얼 트랜지스터(emitter common dual transistor)가 사용된다.
이와 같은 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈은 수십 개, 수백 개의 슈퍼 커패시터를 직렬 및 병렬로 연결하여 100KW급 또는 그 이상의 에너지저장 시스템 중 커패시터 뱅크(capacitor bank)의 안전을 확보하고 효율적으로 관리가 가능하여 풍력발전, 태양광발전 등의 재생에너지 저장장치의 응용시스템에 적용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 전압 균등화 방법의 흐름도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 전압 균등화 방법은 S100 내지 S600과 같다.
먼저, 외부전원이 커패시터에 인가되어 충전된다(S100).
S100 이후, 전압 검출부가 직렬 연결된 복수의 커패시터의 각각의 양단에 연결된 전압감지선 사이에 연결된 각각의 셀의 양단에 걸리는 전압을 검출한다(S200).
S200 단계 이후, 제어부가 전압 균등화부로부터 셀의 전압에 관한 데이터를 수신하여, 셀의 전압(V)이 기준전압(Vm)으로부터 설정전압(Vmax)을 초과하는지를 판단한다(S300). 여기서, 기준전압은 셀의 평균전압이고, 설정전압은 설정된 셀간 최대 전압편차이다.
S300 이후, 셀의 전압(V)이 기준전압(Vm)으로부터 설정전압(Vmax)을 초과하는 경우, 제어부가 커패시터에 입력되는 전류(I)를 검출하여 설정전류(Imax)를 초과하는지를 판단한다(S400). 여기서, 설정전류는 설정된 최대 입력전류이다. 그러나, 셀의 전압(V)이 기준전압(Vm)으로부터 설정전압(Vmax)을 초과하지 않는 경우에는 S200을 수행한다.
S400 이후, 커패시터에 입력되는 전류가 설정전류를 초과하는 경우, 제어부가 커패시터에 입력되는 전류를 차단하고 오류신호를 발생시킨다(S500). 그러나, 커패시터에 입력되는 전류가 설정전류를 초과하는 경우에는 S500을 수행하지 않고 S600을 수행한다.
S500 이후, 전압 균등화부가 셀의 전압을 기준전압으로부터 설정된 오차범위 이내가 되도록 균등화한다(S600).
상술한 바와 같이, 각 셀 단위, 모듈 단위로 능동 전압균등화를 실현하여 셀의 과전압, 저전압, 및 의도하지 않은 대전류 입력으로 인해 각 셀들을 안정적인 범위 내에서 동작할 수 있게 하는 제어장치의 필요성이 요구되어 왔던 종래기술과는 달리, 본 발명의 일 실시예를 통하여 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우, 외부의 전원공급 없이 셀의 전압을 기준전압으로부터 설정된 오차범위 이내가 되도록 균등화할 수 있다. 또한, 과전압, 저전압 및 대전류 입력시 커패시터에 입력되는 전류를 차단하여 회로를 보호할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사항 내에서 당 분야의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
13, 14, 16 : 저항
15 : 접점
20 : 바이패스 저항
30 : 포토 릴레이
31, 32 : 양방향 스위칭 소자
40 : 차동 증폭기
50 : 절연 증폭기
60, 61, 62 : DC-DC 컨버터
63 : 2채널 MOSFET
64 : 포토 트랜지스터
70 : A/D 컨버터
80 : 씨피유
81 : 디스플레이부
82 : 통신부
83 : 전류 검출기
100 : 전압 균등화부
200 : 전압 검출부
300 : 전원 공급부
400 : 제어부
500 : 전류 차단부

Claims (6)

  1. 2.5V급 슈퍼커패시터 셀이 수십 개 직렬 연결된 모듈과 이 모듈이 복수로 직렬 연결된 모듈과 복수의 수백 V급 슈퍼커패시터 셀이 직렬로 연결된 슈퍼커패시터 모듈에 있어서 각각의 셀 양단에 연결된 전압감지선 사이에 각각의 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우, 상기 셀의 전압을 상기 기준전압으로부터 설정된 오차범위(기준전압±수V) 이내가 되도록 균등화하는 전압 균등화부;
    외부전원이 상기 커패시터에 인가되어 충전될 때, 상기 셀의 양단에 걸리는 전압을 검출하는 전압 검출부; 및
    상기 전압 균등화부의 셀 전압 균등화 동작 및 상기 전압 검출부의 셀 전압 검출 동작을 제어하고, 상기 전압 균등화부로부터 상기 셀의 전압에 관한 데이터를 수신하여 상기 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과하고 상기 커패시터에 입력되는 전류를 검출하여 설정전류를 초과하는 경우 상기 커패시터에 입력되는 전류를 차단하고 오류신호를 발생시키는 제어부;
    를 포함하는, 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀은 상기 전압감지선에 연결된 바이패스 저항을 포함하고, 상기 전압 균등화부는 상기 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우 상기 커패시터에 입력되는 전류가 상기 바이패스 저항을 통해 흘러 상기 셀이 과충전 상태에서 방전 상태로 되게 하는, 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 셀의 전압에 관한 데이터와 상기 커패시터에 입력되는 전류의 데이터를 7 세그먼트로 디스플레이 하는, 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압 검출부는 상기 커패시터와 병렬로 연결된 다수 개의 동일한 저항을 포함하고, 상기 저항은 직렬로 연결되어 상기 커패시터에 인가된 전압을 분배하는, 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀의 전압이 기준전압으로부터 설정전압을 초과할 경우, 상기 제어부로부터 차단신호를 수신하여 상기 커패시터에 입력되는 전류를 차단하는 전류 차단부를 더 포함하는, 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전류 차단부는 양방향 스위칭 소자를 포함하고, 상기 직렬 연결된 복수의 커패시터 중 일측단의 커패시터의 (-)측에 다른 커패시터에 연결된 다른 전압감지선보다 굵은 전압감지선이 연결되고, 상기 굵은 전압감지선은 PCB의 일측에 연결되고, 상기 PCB의 일측에 상기 커패시터의 개수와 동일한 개수의 양방향 스위칭 소자의 컬렉터가 병렬로 연결되고, 상기 양방향 스위칭 소자와 이미터가 공통 연결된 상기 개수의 다른 양방향 스위칭 소자의 각각의 컬렉터에는 상기 외부전원의 (-)단이 연결된, 에너지 저장장치의 전압 균등화 모듈.
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