KR101490802B1

KR101490802B1 - 셀 단위 충전장치

Info

Publication number: KR101490802B1
Application number: KR20130104974A
Authority: KR
Inventors: 김기만; 이재민; 이동희
Original assignee: 엘케이테크넷(주)
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-02-06

Abstract

본 발명은 이동 전화 기지국에서 사용하는 축전지에 대한 충전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 셀로 구성된 축전지가 국부전지현상(방전)에 의한 일부 축전지의 기능손실로 인해 전체 전지의 기능에 장애 및 수명 단축을 유발하는 것을 방지하기 위하여, 충전방식을 주 충전과 셀 단위 충전으로 구분하여 관리함으로써 축전지 전체는 물론 각각의 셀 단위로 축전지를 관리하는 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 셀 단위 충전장치는 다수 셀로 구성되어 직렬로 접속된 축전지(100)에 각 셀(101) 단위로 병렬 접속된 다수의 단자(11)를 구비하고 각 단자에 대해 순차적으로 전원을 인가하기 위한 제어 스위치부(1)와, 상기 제어 스위치부(1)가 접점 된 단위 셀(101)에 충전 전류를 공급하는 셀 부동충전부(2) 및, 정류기(200)로 부터의 주 충전 상태를 감지한 후 셀(101) 단위 충전의 지시 및 각 셀의 충전 상태를 감지하기 위한 제어부(1)를 포함하되, 상기 제어 스위치부는 축전지에 각 셀 단위로 병렬 접속된 다수의 단자(11)들과, 상기 단자들을 순차적이고 반복적으로 접점하기 위한 로터리 스위치(12)와, 상기 로터리 스위치의 회전을 조절하기 위한 모터(13) 및 제어부의 통제를 받아 상기 모터의 작동을 컨트롤하기 위한 모터제어부(14)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

셀 단위 충전장치 {DIVICE FOR A RECHARGEABLE CELL UNIT}

본 발명은 이동 전화 기지국에서 사용하는 축전지에 대한 충전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 셀로 구성된 축전지가 국부전지현상(방전)에 의한 일부 축전지의 기능손실로 인해 전체 전지의 기능에 장애 및 수명 단축을 유발하는 것을 방지하기 위하여, 충전방식을 주 충전과 셀 단위 충전으로 구분하여 감시·제어를 함으로써 셀 단위는 물론 전체의 축전지의 기능 유지와 수명연장에 효과적인 장치 제공에 관한 것이다.

현재 대부분의 이동 전화 기지국에서는 장비 회로 보호(Surge 전압 등)를 위해 DC +24V 또는 DC -48V의 전원을 사용하고, DC 전원을 만드는 정류기가 설치되어 운용되고 있다. 그리고 기지국 정전시 계속되는 서비스를 위해 2시간의 전원을 사용할 수 있는 축전지가 설치되어 있으며, 이 축전지는 이동 전화 장비의 전원 부하에 따라 큰 용량의 전원을 발생하여야 하기 때문에 대용량의 전류를 내보내는 납축전지를 사용한다. 대용량 전류를 내보내기 위해 2V용 단위 축전지(셀, cell)를 12개 또는 24개의 직렬로 연결하여 24V 또는 48V 전원을 사용하며(실용신안등록 제111675 참조), 축전지의 충전은 기지국에 설치된 정류기에 의해 부동충전이 되게 된다. 도1은 기존 기지국의 장비 회로 보호를 위한 전원장치의 구성도를 도시한 것으로 다수의 셀(101)을 직렬로 구성한 축전지(100)의 집합이 다수 구성되되, 기지국당 평균 3조가 구성되며, 기지국당 평균 500A의 DC 24V 정류기(200)가 구성되고, 분전반(300) 및 이동 전화 서비스를 위한 장비(400)가 각각 구성되는 것이 일반적이다.

축전지는 시간이 지나면서 국부전지현상(방전)이 나타나 직렬을 이루는 단위 축전지(셀) 중 일부가 제 기능을 하지 못하는 경우가 발행할 수 있다. 특히 축전지의 온도는 섭씨25도 정도의 온도와 만충전(滿充電) 상태를 유지하고 있어야 국부전지현상을 방지할 수 있고 수명 연장을 하는 특성이 있다. 따라서, 시간이 지남에 따라 축전지 특성의 불균형(불균등 충전현상)으로 일부 셀이 충전 부족현상을 일으켜 종국적으로는 전체 축전지의 기능을 훼손함과 동시에 수명을 단축시키는 결과를 초래하게 된다.

문제는 종래의 정류기는 24V 또는 48V의 전체 축전지의 용량의 전압만 충전을 유지하면 되기 때문에 각 2V의 셀 단위로는 충전이 되고 있는지 감지할 수 없다는 점이다. 위와 같은 불균등 충전현상을 방지하기 위해서는 주기적으로 충전 부족이 발생한 축전지를 발견하여 셀 별로 개별 충전하면 되겠지만, 무인 기지국에 이를 적용하려면 많은 인력과 비용이 발생 되기 때문에 현실적인 어려움이 따른다.

관련 선행기술로 배터리 주변 온도에 따라 배터리 충전압을 유동적으로 조절함으로써 배터리의 과충전 및 충전 지연 현상을 막아 주는 기술이 제안된바 있으나, 이는 직렬화 된 축전지의 단위 셀에 적용되기 어려울 뿐만 아니라 그 밖에 부가적인 기술적 난점이 존재한다(공개특허 제10-2002-0024438호 참조). 또한, 축전지 감시 시스템에 관한 기술이 제안된바 있으나 이 역시 셀 단위로 적정 전압을 감지한 후 전체 축전지와 셀 단위 충전상태를 유기적으로 체크하고 관리하는 것에 적용하기에는 무리가 따른다(등록특허 제10-0516019호 참조).

KR

20-0111675

Y1

KR

10-0516019

B1

KR

10-2002-0024438

A

본 발명은 종래 문제점을 해결하기 위하여, 전체 축전지의 충전에 대한 관리 뿐만 아니라, 셀 단위의 충전상태 모니터링 및 충전관리를 통해 셀 단위로 만충(滿充)상태를 유지함으로써, 해당 셀은 물론 전체 축전지의 성능유지와 수명연장에 기여하는 장치와 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 셀 단위 충전장치는 다수 셀로 구성되어 직렬로 접속된 축전지(100)에 각 셀(101) 단위로 병렬 접속된 다수의 단자(11)를 구비하고 각 단자에 대해 순차적으로 전원을 인가하기 위한 제어 스위치부(1)와, 상기 제어 스위치부(1)가 접점 된 단위 셀(101)에 충전 전류를 공급하는 셀 부동충전부(2) 및, 정류기(200)로 부터의 주 충전 상태를 감지한 후 셀(101) 단위 충전의 지시 및 각 셀의 충전 상태를 감지하기 위한 제어부(1)를 포함하되, 상기 제어 스위치부는 축전지에 각 셀 단위로 병렬 접속된 다수의 단자(11)들과, 상기 단자들을 순차적이고 반복적으로 접점하기 위한 로터리 스위치(12)와, 상기 로터리 스위치의 회전을 조절하기 위한 모터(13) 및 제어부의 통제를 받아 상기 모터의 작동을 컨트롤하기 위한 모터제어부(14)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 상기 제어부는 정류기(200)로부터 전체 축전지로의 전원 인가를 통제하기 위한 제1스위치(31)와, 셀 부동충전부(2)로부터 셀 단위로의 전원 인가를 통제하기 위한 제2스위치(32)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 (a) 전체 축전지의 충전상태를 감시(S1)하는 기능을 하고, (b) 전체 축전지의 충전상태가 설정된 값 미만인 경우 (c) 기능을, 설정된 값 이상인 경우 (d) 기능을 수행하도록 제어하는 기능을 하며, (c) 주 충전을 개시(S2)한 후 (a) 기능부터 다시 수행하는 기능을 하고, (d) 주 충전을 차단(S2)하는 기능을 하며, (e) 셀 단위로 충전상태를 감시(S3)하는 기능을 하고, (f) 셀 단위 충전상태가 설정된 값 이상인 경우 (g) 기능을, 설정된 값 미만인 경우 (h) 기능을 수행하도록 제어하는 기능을 하며, (g) 다음 셀로 제어스위치의 접점을 이동(S4)한 후 (e) 기능부터 다시 수행하는 기능을 하고, (h) 셀 단위 충전을 개시(S5)한 후 (e) 기능을 다시 수행하는 기능을 하는 일련의 순차적 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 일련의 순차적 기능 중 상기 (f)기능이 (fa) 설정된 값 미만인 경우 전체 축전지의 충전상태를 감시(S1)하는 기능과, (fb) 전체 축전지의 충전상태가 설정된 값 미만인 경우 (c) 기능을, 설정된 값 이상인 경우 (h) 기능을 순차적으로 수행하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 일련의 기능 중 상기 (h) 기능이 (ha) 셀 부동충전부의 전압이 적정한 값으로 유지되는 지를 측정(S6)하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명에 따른 셀 단위 충전장치 및 충전방법은 전체 축전지의 충전상태를 모니터링하고 관리함은 물론, 직렬을 구성하는 각 축전지(cell)에 대해 균일한 충전상태를 유지하게 함으로써, 비상시 제기능을 원활히 수행하기 위해 상시 만충(滿充)상태를 유지하게 하고, 셀 단위의 수명연장은 물론 전체 축전지의 수명연장에 기여하는 효과가 있으며, 셀 단위로 충전상태를 모니터링하기 때문에 불량 셀의 유무를 판단하는데도 매우 효과적이다. 또한, 셀 단위 관리를 자동적으로 수행하기 때문에 인력과 비용 소모를 줄일 수 있어 기지국 관리 및 유지보수에도 매우 효과적이라 할 수 있다.

도1은 종래의 이동 전화 서비스를 위한 기지국의 전원공급 시스템의 구성도,
도2는 본 발명에 따른 셀 단위 충전장치가 부가된 기지국의 전원공급 시스템의 구성도,
도3은 본 발명에 따른 셀 단위 충전장치, 축전지 및 정류기의 결합상태도,
도4는 본 발명에 따른 셀 단위 충전장치의 구성요소를 도시한 블록도,
도5는 본 발명에 따른 셀 단위 충전장치의 기능 및 충전방법을 도시한 순서도.

본 발명의 목적은 국부전지현상으로 인해 일부 셀(101)이 일정 전압 이상 방전이 이루어지면 각 셀 단위의 온도 및 전해질의 관계로 인한 내부적 특성차이로 인해 불균등한 충전상태가 되므로 해당 셀의 손상은 물론 전체 축전지의 용량 및 수명을 단축을 초래하는 것을 방지하는데 있으며, 이를 위해서는 축전지가 셀 단위로 만충을 유지하도록 해야 하며, 축전지 전체적으로 균일한 충전상태를 유지하도록 하여야 한다.

그런데 문제는 정류기는 24V 또는 48V의 전체 용량의 전압만 유지하기 때문에 정류기로부터 전체 축전지의 충전상태의 감지만으로는 2V 단위로 된 셀의 충전이 제대로 이루어지고 있는지 알 수가 없다는 점이다. 이런 단점을 극복하는 것에 본 발명의 기술적 특징이 있는 것인바, 축전기(100)가 일정한 수준까지(예를 들어 90% 정도까지)는 기존의 방식대로 정류기를 통해 부동충전이 이루어지도록 하되, 나머지 수준(예를 들어 10% 정도)부터는 각 셀(101) 단위로 만충 여부를 감지하고 충전을 관리하는 것이다.

만약 100%에 해당하는 충전을 모두 셀 단위로 관리하게 되면, 축전지의 충전 전류량이 크기 때문에 짧은 시간에 만충전을 기대할 수 없을 것이고, 그로 인해 셀 단위 관리에도 불구하고 여전히 충전의 불균형 문제는 남게 되는 것이다. 따라서, 전체 축전지 차원에서의 충전과 셀 단위의 충전을 유기적으로 조합하여 관리하는 것이 효율적이라 할 수 있다. 예를 들어 약 90%정도의 수준까지는 전체적으로 충전상태를 관리하되, 나머지 10%정도의 수준에서는 불균형의 정도가 그리 크지 않고 셀 단위 충전시간도 많이 소요되지 않기 때문에 신속하고 효과적으로 관리할 수 있을 것이다. 만약 전체적으로 90% 충전을 완료했음에도 불구하고 특정 셀의 충전상태가 현저히 떨어지는 것이 발견된다면 이는 불량 셀이라 할 수 있으므로 교체의 대상으로 관리될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 셀 단위 충전장치는 전체 축전지의 충전상태를 감지하여 적절한 수준까지 정류기로부터 충전되도록 관리하는 기능과, 정류기의 충전이 차단된 후 셀 단위로 충전상태를 감지하고 이를 관리하는 기능을 위한 구성요소로 이루어진다.

본 발명에 따른 셀 단위 충전장치 및 충전방법을 실시하기 위한 구체적인 내용을 도면을 첨부하여 설명하면 하기와 같다.

도1은 종래 이동 전화 서비스를 위한 기지국의 장비들에 대한 구성도를 도시한 것이고 도2는 본 발명에 따른 셀 단위 충전장치가 기지국의 구성들과 결합하여 시스템을 구성한 것을 도시한 구성도이다. 도2에 도시된 장치의 수와 결선 방식은 개요를 설명하기 위해 간략히 도시한 것으로 셀 단위 충전장치는 각 조의 축전지(100) 상응하는 수로 구성되어야 하며, 한 조의 축전지(100)당 한 개의 셀 단위 충전장치가 부가되는 것이 바람직하며, 셀 단위 충전지와 축전지의 셀 들의 결선도는 도3 및 도4의 예와 같다.

도3은 본 발명에 따른 셀 단위 충전장치(10)와, 축전지(100) 및 정류기(200)의 결선을 방식을 개략적으로 도시한 구성도이다. 도시된 바와 같이 정류기(100)와 다수의 셀(101)들로 구성된 축전지(100)는 직렬로 연결되며, 셀 단위 충전장치(10)는 상기 정류기(200)와 축전지(100)에 대해 병렬로 연결되되, 각각의 셀(101) 마다 단자가 연결된다. 셀 단위 충전장치(10)에는 일반전원(P)이 공급될 수 있으며, 적절한 충전상태(예를 들어 90%)에 도달할 경우 셀 단위 관리로 넘기기 위한 주 충전 온/오프를 위한 제1스위치(31)가 부가될 수 있다.

이하 도4에 도시된 본 발명에 따른 셀 단위 충전장치의 세부 구성요소에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 제어스위치부(1)는 셀 부동충전기(2)와 다수의 셀(101)들을 순차적이고 반복적으로 접점될 수 있도록 하기 위한 구성이다. 제어 스위치는 전자적으로나 물리적으로 다양한 형태로 구성될 수 있으나, 일 실시예로 로터리 스위치 방식을 채택할 수 있다. 도4에 도시된 바와 같이 축전지의 셀과 연결된 단자(11)들이 일정한 간격으로 배치되어 있고 회전에 의해 접점의 위치를 변경하기 위한 로터리 스위치(12)가 구비되며, 로터리 스위치의 회전을 작동시키기 위한 모터(13)와 모터를 제어하기 위한 모터제어부(14)가 각각 구비된다. 상기 모터제어부는(14)는 제어부(3)가 특정 셀이 만충 되었다고 감지했을 경우 다음 셀로 이동하라는 지시를 수신함으로써 상기 모터(13)를 작동시키게 된다.

본 발명에 따른 셀 부동충전부(2)는 셀 단위로 충전하기 위한 전원을 공급하는 장치인바, 일반 전원 200V를 셀 부동충전부에 연결하여 제어부(3)의 제어를 받으며 최대 2V에서 2.47V까지 충전을 실시한다. 이때 충전시간에 따라 축전지의 불량 유무도 판단할 수 있다.

본 발명에 따른 제어부(3)는 마이컴(MICOM) 형태로 구현되는 것이 바람직하다. 주요 기능은 크게 주 충전개시 및 차단 여부를 판단하기 위해 전체 축전지의 충전상태를 감지하고 이를 제어하는 기능, 셀 단위로 충전상태를 모니터링하고 충전대상을 찾기 위해 제어스위치(1) 컨트롤하는 기능 및 셀 부동충전부(2)의 작동 개시 및 차단을 통제하는 기능을 들 수 있다. 이하 본 발명에 따른 셀 단위 충전장치의 제어부가 담당하는 기능 및 셀 단위 충전방법에 대해 설명하면 하기와 같다.

본 발명에 따른 셀 단위 충전장치의 제어부(3)는 마이컴(MiCOM)에 의해 순차적이고 반복적으로 수행되는 일련의 기능들을 가진다. 이를 기능적으로 명세하면, 상기 제어부(3) (a) 전체 축전지의 충전상태를 감시(S1)하는 기능을 수행하고, (b) 전체 축전지의 충전상태가 설정된 값 미만인 경우 (c) 기능을, 설정된 값 이상인 경우 (d) 기능을 수행하도록 제어하는 기능을 수행한다. (c) 기능은 주 충전을 개시(S2)하는 기능이고, 이후 (a) 기능부터 다시 수행하는 기능을 수행한다. (d) 기능은 주 충전을 차단(S2)하는 기능을 한다. 다음으로 제어부는 (e) 셀 단위로 충전상태를 감시(S3)하는 기능을 수행하고, (f) 셀 단위 충전상태가 설정된 값 이상인 경우 (g) 기능을, 설정된 값 미만인 경우 (h) 기능을 수행하도록 제어하는 기능을 한다. (g) 기능은 다음 셀로 제어스위치의 접점을 이동(S4)한 후 (e) 기능부터 다시 수행하는 기능이다. (h) 기능은 셀 단위 충전을 개시(S5)한 후, (e) 기능부터 다시 수행하는 일련의 순차적 기능을 포함하는 것이다.

상기 제어부는 부가적으로 상기 셀 단위 충전상태가 설정된 값 이상인지 또는 설정값 미만인지 여부를 판단하는 (f)기능에서 셀 단위의 충전상태가 현저히 떨어졌다고 보여질 경우 전체 축전기의 충전상태 또한 고려해볼 필요가 있기 때문에 부가적으로 순차적 기능이 추가될 수 있는데, (fa) 설정된 값 미만인 경우 전체 축전지의 충전상태를 감시(S1)하는 기능과, (fb) 전체 축전지의 충전상태가 설정된 값 미만인 경우 (c) 기능을, 설정된 값 이상인 경우 (h) 기능을 순차적으로 수행하는 기능을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부(3)는 셀 단위로 충전하는 과정인 (h) 기능에 있어서, 셀 부동충전부의 상태를 점검할 필요성이 있으므로 (ha) 셀 부동충전부의 전압이 적정한 값으로 유지되는지 여부를 측정(S6)하는 기능을 더 포함할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 셀 단위 충전방법은 제어부가 수행하는 일련의 단계로서 다음과 같이 명세할 수 있다.

본 발명에 따른 셀 단위 충전 방법은 (a) 전체 축전지의 충전상태를 감시하는 단계; (b) 전체 축전지의 충전상태가 설정된 값 미만인 경우 (c) 단계를, 설정된 값 이상인 경우 (d) 단계를 수행하도록 제어하는 단계; (c) 주 충전을 개시하고, (a) 단계부터 다시 수행하는 단계; (d) 주 충전을 차단하는 단계; (e) 셀 단위로 충전상태를 감시하는 단계; (f) 셀 단위 충전상태가 설정된 값 이상인 경우(g) 단계를, 설정된 값 미만인 경우(h) 단계를 수행하도록 제어하는 단계; (g) 다음 셀로 제어스위치의 접점을 이동하고, (e) 단계부터 다시 수행하는 단계; (h) 셀 단위 충전을 개시하고, (e) 단계를 다시 수행하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 (f)단계는 (fa) 설정된 값 미만인 경우 전체 축전지의 충전상태를 감시하는 단계; (fb) 전체 축전지의 충전상태가 설정된 값 미만인 경우 (c) 단계를, 설정된 값 이상인 경우 (h) 단계를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 (h) 단계는 (ha) 셀 부동충전부의 전압이 적정한 값으로 유지되는 지를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서 본 발명의 권리범위가 상기 내용으로 인해 제한적으로 해석되어서는 아니 될 것이며, 본 발명의 권리범위는 청구범위는 물론 이와 균등한 범위에도 그 효력이 미친다고 볼 것이다.

10: 셀 단위 충전장치 1: 제어스위치부
11: 단자 12: 로터리 스위치
13: 모터 14: 모터제어부
2: 셀 부동충전부 3: 제어부
31: 제1스위치 32: 제2스위치
100: 축전지 101: 셀
200: 정류기 300: 분전반
400: 이동 전화 서비스 장비

Claims

다수 셀로 구성되어 직렬로 접속된 축전지에 각 셀 단위로 병렬 접속된 다수의 단자를 구비하고 각 단자에 대해 순차적으로 전원을 인가하기 위한 제어 스위치부와,
상기 제어 스위치부가 접점 된 단위 셀에 충전 전류를 공급하는 셀 부동충전부 및,
정류기로부터의 주 충전 상태를 감지한 후 셀 단위 충전의 지시 및 각 셀의 충전 상태를 감지하기 위한 제어부를 포함하되,
상기 제어 스위치부는 축전지에 각 셀 단위로 병렬 접속된 다수의 단자와,
상기 단자들을 순차적이고 반복적으로 접점하기 위한 로터리 스위치와,
상기 로터리 스위치의 회전을 조절하기 위한 모터 및
제어부의 통제를 받아 상기 모터의 작동을 컨트롤하기 위한 모터제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 단위 충전장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 제어부는 정류기로부터 전체 축전지로의 전원 인가를 통제하기 위한 제1스위치와,
셀 부동충전부로부터 셀 단위로의 전원 인가를 통제하기 위한 제2스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 단위 충전장치
제1항에 있어서, 상기 제어부는
(a) 전체 축전지의 충전상태를 감시하는 기능을 하고,
(b) 전체 축전지의 충전상태가 설정된 값 미만인 경우 (c) 기능을, 설정된 값 이상인 경우 (d) 기능을 수행하도록 제어하는 기능을 하며,
(c) 주 충전을 개시한 후 (a) 기능부터 다시 수행하는 기능을 하고,
(d) 주 충전을 차단하는 기능을 하며,
(e) 셀 단위로 충전상태를 감시하는 기능을 하고,
(f) 셀 단위 충전상태가 설정된 값 이상인 경우 (g) 기능을, 설정된 값 미만인 경우 (h) 기능을 수행하도록 제어하는 기능을 하며,
(g) 다음 셀로 제어스위치의 접점을 이동한 후 (e) 기능부터 다시 수행하는 기능을 하고,
(h) 셀 단위 충전을 개시한 후 (e) 기능을 다시 수행하는 기능을 하는 일련의 순차적 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 단위 충전장치.
제4항에 있어서, 상기 제어부는 일련의 순차적 기능 중 상기 (f)기능이
(fa) 설정된 값 미만인 경우 전체 축전지의 충전상태를 감시하는 기능과,
(fb) 전체 축전지의 충전상태가 설정된 값 미만인 경우 (c) 기능을, 설정된 값 이상인 경우 (h) 기능을 순차적으로 수행하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 단위 충전장치.
제4항에 있어서, 상기 제어부는 일련의 기능 중 상기 (h) 기능이 (ha) 셀 부동충전부의 전압이 적정한 값으로 유지되는 지를 측정하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 단위 충전장치.
삭제
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