KR101658230B1 - 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치에 관한 것으로 전기자동차의 상태에 따른 PWM 신호를 받아 DC 신호로 변환하는 PWM-DC변환부, 상기 PWM변환부로부터 상기 DC 신호를 입력받아 디지털신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기 및 상기 변환된 디지털신호에 근거하여 전기자동차의 상태를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치{ELECTRIC VEHICLE STATE JUDGEMENT APPARATUS FOR IN-CABLE-CONTROL BOX}

본 발명은 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기자동차 측에서 발생하는 노이즈를 배제할 수 있는 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치에 관한 것이다.

최근 환경규제가 강화됨에 따라 친환경적인 전기자동차(Electric Vehicle)에 대한 요구가 증가하고 있다. 다만 모터로 구동되는 전기자동차의 경우 내연기관을 사용하는 기존의 자동차의 비해 최대운행거리가 짧다는 단점이 존재한다. 하지만 전기자동차의 배터리의 용량을 증가시키는 것은 차량의 무게를 가중시키기 때문에 효율성 측면에서 문제가 있으므로 잦은 충전이 요구된다. 따라서 전기자동차의 보급을 위해서는 충전인프라의 확충이 필요하다.

전기자동차 충전시스템은 크게 충전방식, 연결방식, 통신방식에 따라 구분할 수 있다. 충전방식은 접촉식(Conductive) 충전방식, 유도식(Inductive) 충전방식 그리고 배터리 교환방식(Battery Swapping)으로 구분가능하다. 전기적 연결 장치는 주유기에 해당하는 커넥터(Connector), 및 주유구에 대응되며 전기자동차에 장착되는 인렛(Inlet)을 포함하며, 사용 전원의 유형에 따라 단상 및 삼상 교류용, 직류 전용 및 교류와 직류가 함께 있는 콤보(Combo)형으로 구분된다. 충전설비와 전기자동차간의 통신방식은 크게 일본에서 사용하는 CAN(Controller Area Network) 통신방식과 미국 및 유럽에서 선호하는 PLC(Power Line Communication) 통신방식이 있다.

전기자동차의 충전방식 중 접촉식은 전기적 접속을 통하여 충전이 이루어지는 방식으로, 교류 충전스탠드를 사용하는 방법과 직류충전장치를 사용하는 방법이 있다. 교류 충전스탠드는 충전장치가 아니라 충전을 위하여 교류 전원을 공급해 주는 전원 공급 장치에 해당하며 실제 충전은 전기자동차 내부의 온보드 충전기(On Board Charger)가 담당한다. 이러한 교류 충전스탠드의 입력 및 출력은 모두 상용주파수의 교류 전원이다.

교류 충전스탠드에는 크게 자립형 충전 스탠드와 휴대 가능한 인-케이블 제어 장치(In-cable-Control Box: 이하 'ICCB'라 함)가 있다. 자립형 충전 스탠드는 ICCB에 비해 상대적으로 매우 고가이기 때문에 충전 스테이션에 주로 사용되며, 가정에서는 주로 ICCB가 사용되고 있다.

전술한바와 같이 ICCB는 교류 충전스탠드의 일종으로 충전장치가 아니라 전원 공급 장치에 해당하므로, ICCB 자체적으로 충전을 수행하는 것이 아니라 온보드 충전기를 통해 전기자동차의 상태를 파악하고 이에 따라 전원을 공급하는 역할을 한다. 즉 ICCB는 전기자동차 내부의 온보드 충전기의 상태에 따른 PWM 신호를 입력받은 후, PWM 레벨에 근거하여 충전 케이블의 전류용량, 충전 준비 상태, 전류 누설 상태 등 전기자동차의 상태를 판단하고, 이에 따라 전원을 공급한다.

그런데, 종래 ICCB는 PWM 신호를 그대로 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 입력하고 변환된 결과에 근거하여 전기자동차의 상태를 판단했기 때문에, PWM 로우 레벨의 값을 읽을 경우 전기자동차의 상태를 판단할 수 없다는 문제점이 존재하였다. 또한 PWM의 순간 피크 값을 읽을 경우 전기자동차의 상태를 오판할 가능성이 있고, 외부 노이즈 신호가 존재하는 경우 전기자동차의 상태 판단이 어려워, 충전 도중 고장이 아님에도 충전이 해제될 수 있다는 문제점이 존재하였다.

한편 본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2011-0043731호(2011.04.27.)에 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 ICCB의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기자동차의 충전 중 전기자동차 내부 및 외부 환경에 의해 발생할 수 있는 PWM 신호의 노이즈를 필터링 할 수 있는 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치는 전기자동차의 상태에 따른 PWM 신호를 받아 DC 신호로 변환하는 PWM-DC변환부; 상기 PWM변환부로부터 상기 DC 신호를 입력받아 디지털신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 및 상기 변환된 디지털신호에 근거하여 전기자동차의 상태를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 PWM-DC변환부는, 상기 PWM 신호를 DC 신호로 변환하는 DC변환부; 및 상기 변환된 DC 신호의 노이즈를 필터링하고, 과전압을 방지하는 보호부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 PWM-DC변환부는, 상기 변환된 DC 신호의 레벨을 변환하여 상기 보호부에 제공하는 레벨변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 전기자동차의 상태 판단 시, 상기 제어부는 상기 디지털신호에 대응하는 전압값이 미리 설정된 기준횟수 이상 유지되는 경우 상기 전기자동차가 상기 전압값에 대응하는 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 전기자동차의 상태 판단 시, 상기 제어부는 상기 디지털신호에 근거하여 기준값을 산출하고, 상기 기준값에 대응하는 전기자동차의 상태가 미리 설정된 기준횟수 이상 유지되는 경우 상기 전기자동차가 상기 기준값에 대응하는 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치는 PWM 신호의 DC 변환을 통해 노이즈를 제거함으로써 인-케이블 제어 장치가 전기자동차의 상태를 정확히 판단할 수 있도록 하여 전기자동차 측 노이즈 및 외부 환경변화에 대한 강건성을 확보할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치에서 PWM-DC변환부를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치에서 기준값을 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치에서 PWM-DC변환부를 설명하기 위한 회로도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치에서 기준값을 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치는 제어부(100), 아날로그-디지털 변환기(110), PWM-DC변환부(120)를 포함한다.

인-케이블 제어 장치(이하 'ICCB'라 함)와 전기자동차의 온보드 충전기 사이의 연결은 ICCB의 커넥터가 전기자동차의 인렛에 결합되면 이루어진다. 이때 ICCB는 PWM 신호를 온보드 충전기로 보내 전기자동차의 상태를 확인한다. 상기 PWM 신호의 전압 레벨은 ICCB 측 임피던스와 온보드 충전기 측 임피던스에 의해 분배되고, 이렇게 전압이 분배된 PWM 신호를 ICCB가 다시 입력받아 전기자동차의 상태를 판단하게 된다. 즉 온보드 충전기는 임피던스의 변화를 통해 전기자동차의 상태를 ICCB로 전송할 수 있다.

전기자동차의 상태는 전기자동차의 원활한 충전을 위해 구분되며, 전기자동차의 연결여부, 충전가능여부, 환기 필요여부 등으로 나누어진다. 예를 들어 ICCB가 입력받은 PWM 신호가 9V인 경우는 전기자동차가 커넥터에 연결되었으나 충전을 위한 준비가 완료되지 않은 상태인 것에, 6V인 경우는 전기자동차가 커넥터에 연결되었고 충전을 위한 준비가 완료되었으며 환기는 불필요한 상태인 것에 대응된다.

다만 임피던스의 오차, 접지 편이(ground shift), 섀시 저항 등에 의해 편차나 변형이 발생할 수 있으므로 상하한의 여유를 둘 수 있다. 예를 들어 입력신호가 8.36V~9.56V의 범위를 만족하면, 입력신호가 9V인 경우와 마찬가지로, ICCB는 전기자동차가 커넥터에 연결되었으나 충전을 위한 준비가 완료되지 않은 상태인 것으로 판단할 수 있다.

PWM-DC변환부(120)는 상기와 같은 전기자동차의 상태에 따른 PWM 신호를 받아 DC 신호로 변환한다. 도2에 도시된 바와 같이, PWM-DC변환부(120)는 DC변환부(121), 레벨변환부(122), 보호부(123)를 포함할 수 있다.

DC변환부(121)는 커패시터(C1)와 배리스터(MOV1)를 포함하여 PWM 신호를 DC 신호로 변환할 수 있다. 커패시터(C1)는 PWM신호를 DC신호로 평활시킬 수 있고, 배리스터(MOV1)는 서지로부터 회로를 보호할 수 있다. 예를 들어 0V~12V의 레벨로 입력된 PWM 신호는 커패시터(C1)에 의해 0V~12V 레벨의 DC 신호로 변환될 수 있다. 또한 MOV1로 14V 규격의 금속 산화물 배리스터를 채용하여 14V가 넘는 서지 전압을 차단할 수 있다. 이렇게 DC변환부(121)를 통해 PWM 신호를 DC 신호로 변환하면, 로우 레벨과 하이 레벨의 구분이 없어지므로 ICCB가 PWM 신호의 로우 레벨을 읽어 전기자동차의 상태 판단이 불가능해지는 경우는 발생하지 않게 된다.

레벨변환부(122)는 두 개의 저항(R1,R2)을 포함하여 DC로 변환된 신호의 레벨을 변환할 수 있다. 즉 저항분압원리를 이용하여 DC 신호의 레벨을 조절 할 수 있다. 예를 들어 R1로 510kΩ, R2로 270kΩ을 채용하여 0V~12V 레벨의 DC 신호를 0V~5.2V 레벨의 DC 신호로 변환할 수 있다. 이렇게 레벨변환부(122)를 통해 DC 신호의 레벨 변환이 가능하도록 하면, 제어부(100) 또는 아날로그-디지털 변환기(110)의 사양에 따른 PWM-DC변환부의 다양한 설계가 가능하게 된다.

보호부(123)는 두 개의 커패시터(C2,C3), 인덕터(L1), 저항(R3), 배리스터(MOV2) 및 제너 다이오드(D1)를 포함하여 DC로 변환된 신호의 노이즈를 필터링하고 과전압을 방지할 수 있다.

보호부(123)는 인덕터(L1), 저항(R3) 및 커패시터들(C2,C3)을 이용한 필터를 구성하여, DC로 변환된 신호의 노이즈를 필터링할 수 있다. 이렇게 보호부(123)를 통해 입력 신호의 노이즈를 필터링하면, 외부의 접지 환경 및 전기자동차의 조건에 따른 노이즈를 제거할 수 있으며, ICCB가 PWM 신호의 순간적인 피크 값을 읽어 전기자동차의 상태를 오판하는 경우를 줄일 수 있다. 보호부(123)는 DC로 변환된 신호의 노이즈를 필터링하기 위해 도2에 도시된 형태 외에도 다양한 형태의 필터를 채용할 수도 있다.

또한 보호부(123)는 배리스터(MOV2) 및 제너 다이오드(D1)를 이용하여 아날로그-디지털 변환기(110)에 과도한 전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어 MOV2로 5V 규격의 금속 산화물 배리스터를 채용하고, D1로 5.6V 규격의 제너 다이오드를 채용하여, 서지 전압을 차단하고 아날로그-디지털 변환기(110)에 5.6V 이하의 전압이 인가될 수 있도록 하여 아날로그-디지털 변환기(110) 또는 제어부(100)를 보호할 수 있다.

아날로그-디지털 변환기(110)는 PWM변환부(120)로부터 DC 신호를 입력받아 디지털신호로 변환한다. 아날로그-디지털 변환기(110)는 제어부(100)와 별개로 구성될 수 있으나, 마이컴의 형태 등 아날로그-디지털 변환기(110)와 제어부(100)가 일체로 구성되는 형태일 수도 있다.

제어부(100)는 아날로그-디지털 변환기(110)를 통해 변환된 디지털신호에 근거하여 전기자동차의 상태를 판단할 수 있다. 종래의 아날로그-디지털 변환기(110)를 통해 PWM 신호를 그대로 변환하는 경우는 PWM 로우 레벨이 존재하기 때문에, ICCB가 여러 번의 입력을 읽어 그 중 높은 값을 기준으로 전기자동차의 상태를 판단하여야 했다. 반면 본 실시예와 같이 PWM 신호를 일단 DC 신호로 변환한 후 디지털신호로 변환한 경우에는 제어부(100)가 입력신호를 읽을 때마다 전기자동차의 상태를 판단할 수 있다.

즉 아날로그-디지털 변환기(110)의 샘플링 주파수에 따라 제어부(100)가 1초 동안 전기자동차의 상태를 판단할 수 있는 횟수가 정해진다. 예를 들어 아날로그-디지털 변환기(100)가 4kHz의 샘플링 주파수를 가진다면, 제어부(100)는 1초에 4000개의 입력신호를 읽을 수 있으며, 각 경우마다 전기자동차의 상태를 판단할 수 있다.

다만 전기자동차의 상태를 보다 정확하게 판단하기 위해 제어부(100)는 아날로그-디지털 변환기(110)를 통해 변환된 디지털신호에 대응하는 전압값이 미리 설정된 기준횟수 이상 유지되는 경우, 상기 전기자동차가 상기 전압값에 대응하는 상태인 것으로 판단할 수 있다.

예를 들어 9V에 대응하는 디지털신호가 192라고 할 때, 아날로그-디지털 변환기(110)를 통해 변환된 디지털신호가 192로 4000회(기준횟수) 유지된 경우, 즉 입력신호가 9V로 4000회 유지된 경우 제어부(100)는 전기자동차가 9V에 대응하는 상태인 것으로 판단할 수 있다.

다만 PWM 입력신호가 레벨변환부(122)를 거쳐 아날로그-디지털 변환기(110)에 입력된다면, 상기와 같은 경우에 있어 아날로그-디지털 변환기(110)에 입력되는 실제 전압 레벨은 9V가 아닌 3.75V 일 수 있다. 이렇게 입력신호가 레벨변환부(122)를 거친 경우라 하더라도, 아날로그-디지털 변환기(110) 및 제어부(100)의 설계에 따라 아날로그-디지털 변환기(110)를 통해 변환된 디지털신호는 여전히 192일 수 있고, 제어부(100)는 PWM 입력신호가 3.75V가 아닌 9V인 것으로 인식할 수 있다.

또한 제어부(100)는 아날로그-디지털 변환기(110)를 통해 변환된 디지털신호에 대응하는 전기자동차의 상태가 기준횟수 이상 유지되는 경우, 상기 전기자동차가 상기 상태인 것으로 판단할 수 있다. 전기자동차의 하나의 상태에 대응하는 전압값의 기준은 상하한의 여유(예를 들어 9V인 경우 8.36V~9.56V)가 존재할 수 있으므로, 디지털신호가 일정한 값을 유지하지는 않으나 디지털신호에 대응하는 전기자동차의 상태가 하나의 상태로 기준횟수 이상 유지된다면, 제어부(100)는 상기 전기자동차가 기준횟수 동안 유지되고 있는 상기 상태인 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어 4000회 동안 디지털신호가 184~200의 범위(이에 대응되는 전압값은 8.625V~9.375V의 범위) 내에서 유지된다면, 이러한 범위의 디지털신호에 대응하는 전기자동차의 상태는 동일하므로, 제어부(100)는 전기자동차가 상기 상태 즉, 9V에 대응하는 상태인 것으로 판단할 수 있다.

제어부(100)가 디지털신호에 대응하는 전기자동차의 상태가 유지될 때 전기자동차의 상태를 판단하는 경우가, 제어부(100)가 디지털신호에 대응하는 전압값이 유지될 때 전기자동차의 상태를 판단하는 경우보다 전압의 작은 흔들림에 유연하게 대처할 수 있다. 다만 제어부(100)가 디지털신호에 대응하는 전압값이 유지될 때 전기자동차의 상태를 판단하는 경우는, 제어부(100)가 디지털신호에 대응하는 전기자동차의 상태가 유지될 때 전기자동차의 상태를 판단하는 경우에 비해 보다 정확한 상태판단이 가능하게 한다.

여기서 기준횟수 및 기준시간은 일정한 범위내의 전압이 충분히 유지되어 제어부(100)가 전기자동차의 상태를 결정해도 무방하다고 볼 수 있는 기준값으로 기본적으로 미리 설정되어 있으며 본 실시예에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치의 사양에 따라 다양한 값으로 설계될 수 있다.

또한 제어부(100)는 아날로그-디지털 변환기(110)를 통해 변환된 디지털신호에 근거하여 기준값을 산출하고, 상기 기준값에 대응하는 전기자동차의 상태가 기준횟수 이상 유지되는 경우 상기 전기자동차가 상기 기준값에 대응하는 상태인 것으로 판단할 수도 있다.

여기서 기준값은 과거 기준값과 현재 디지털신호를 비교하여 산출될 수 있다. 제어부(100)는 과거 기준값이 디지털신호와 같은 경우 과거 기준값을 유지하고, 과거 기준값이 디지털신호보다 큰 경우 과거 기준값을 감소시켜 기준값을 산출하며, 과거 기준값이 디지털신호보다 작은 경우 과거 기준값을 증가시켜 기준값을 산출할 수 있다.

예를 들어 제어부(100)는 기준값의 증감폭을 1로 하여 기준값을 산출할 수 있다. 도3을 참조하면, 과거 기준값이 10이고 디지털신호가 12라면, 제어부(100)는 과거 기준값에 1을 증가시켜 새로운 기준값인 11을 산출한다. 이후 디지털신호가 15라면, 제어부(100)는 과거 기준값에 1을 증가시켜 새로운 기준값인 12를 산출한다. 다음으로 디지털신호가 10이라면, 제어부(100)는 과거 기준값에서 1을 감소시켜 새로운 기준값인 11을 산출한다.

이러한 기준값 산출 이후, 제어부(100)는 기준값에 대응하는 전기자동차의 상태가 기준횟수 이상 유지되는 경우 상기 전기자동차가 상기 기준값에 대응하는 상태인 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어 10~20 범위의 기준값에 대응하는 전기자동차의 상태가 동일하다면, 도3에 도시된 경우는 기준값에 대응하는 전기자동차의 상태가 유지되는 경우에 해당한다.

반면 제어부(100)가 디지털신호에 대응하는 전기자동차의 상태가 유지될 때 전기자동차의 상태를 판단한다면, 도3에 도시된 경우는 4번째 순서에 의해 전기자동차의 상태가 유지되는 경우에 해당하지 않는다.

즉 제어부(100)는 기준값이라는 중간단계를 통해 도3에 도시된 4번째 순서와 같은 순간적인 노이즈의 영향을 무시하고 전기자동차의 상태를 판단할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치는 PWM 신호의 DC 변환을 이용한 노이즈 제거를 통해 인-케이블 제어 장치가 전기자동차의 상태를 정확히 판단할 수 있도록 함으로써 인-케이블 제어 장치를 통한 안정적인 전기자동차 충전이 가능하도록 한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100: 제어부
110: 아날로그-디지털 변환기
120: PWM-DC변환부
121: DC변환부
122: 레벨변환부
123: 보호부

Claims (5)

1. 전기자동차의 상태에 따른 PWM 신호를 받아 DC 신호로 변환하는 PWM-DC변환부;
   상기 PWM-DC변환부로부터 상기 DC 신호를 입력받아 디지털신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 및
   상기 변환된 디지털신호에 근거하여 전기자동차의 상태를 판단하는 제어부를 포함하되,
   상기 PWM-DC변환부는,
   상기 PWM 신호를 DC 신호로 변환하는 DC변환부; 및
   상기 변환된 DC 신호의 노이즈를 필터링하고, 과전압을 방지하는 보호부를 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 디지털신호에 근거하여 기준값을 산출하고, 상기 기준값에 대응하는 전기자동차의 상태가 미리 설정된 기준횟수 이상 유지되는 경우 상기 전기자동차가 상기 기준값에 대응하는 상태인 것으로 판단하되,
   상기 기준값 산출 시, 상기 제어부는, 과거 기준값과 상기 디지털신호가 같은 경우 상기 과거 기준값을 상기 기준값으로 하고, 상기 과거 기준값이 상기 디지털신호보다 큰 경우 상기 과거 기준값에서 기준값의 증감폭만큼 차감하여 상기 기준값을 산출하며, 상기 과거 기준값이 상기 디지털신호보다 작은 경우 상기 과거 기준값에 상기 증감폭을 가산하여 상기 기준값을 산출하는 것을 특징으로 하는 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 PWM-DC변환부는,
   상기 변환된 DC 신호의 레벨을 변환하여 상기 보호부에 제공하는 레벨변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인-케이블 제어 장치의 전기자동차 상태 판단 장치.
   
4. 삭제
5. 삭제

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