KR102606030B1 - 에너지 리사이클링이 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 - Google Patents

에너지 리사이클링이 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 리사이클링이 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 충/방전 성능 검증을 위한 충전기 시뮬레이터의 장치 및 충/방전 시 발생하는 재생에너지와 회생에너지를 이용한 에너지 리사이클링이 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 특정 배터리가 아닌 다양한 전압 혹은 전류 사양의 배터리에 양방향 직류변압기(DC-DC Converter)를 적용하여 다양한 배터리를 전원계통으로 안정적인 승압 및 감압제어를 통해 대응이 가능한 효과가 있다.
본 발명은 재단법인 경남테크노파크에서 수행하는 2020년도 미래자동차 부품 실증 및 사업화 지원사업 (미래형 EV 전기충전장치 테스트시스템의 국내외 판로 개척과 시장조사를 위한 "제 7회 국제전기자동차엑스포" 참가 지원)으로 수행된 연구결과입니다.

Description

에너지 리사이클링이 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 {BATTERY CHARGE AND DISCHARGE TEST SYSTEM WITH ENERGY RECYCLING}
본 발명은 에너지 리사이클링이 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 충/방전 성능 검증을 위한 충전기 시뮬레이터의 장치 및 충/방전 시 발생하는 재생에너지와 회생에너지를 이용한 에너지 리사이클링이 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템에 관한 것이다.
현재 국내외 다양한 산업에서 배터리를 활용한 자연 친화적 에너지 기술을 개발하고 있다. 특히 전기 자동차 및 선박의 배터리 충전장치, 신재생에너지, 수소에너지의 개발 기업에서 테스트하는 에너지가 제동저항 부하기를 이용해 열에너지로 소모되고 낭비되고 있다.
또한, 유도전동기 구동용 인버터에서 전동기를 제동하는 과정에서 전동기로부터 회생에너지가 발생하며, 이는 인버터 내부의 DC-링크 전압을 상승시켜 고장을 일으키는 주요 원인이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 회생에너지를 DBR(Dynamic Braking Resistor)를 통해 열 에너지로 소멸시키는 방법과 회생 컨버터를 이용하여 회생에너지를 전력 계통으로 되돌리는 방법이 있다. 회생 인버터는 교류 전동기의 가변속 제어를 행하는 인버터와 교류 전원의 사이에 배치되어 교류 전동기의 감속시에 발생하는 유도 기전력을 교류전원으로 회생하는 전력 변환기이다.
또한, 종래 기술에 따른 인버터와 같이 회생 에너지를 다이내믹 브레이크 유닛 내의 저항에서 소모시키는 방식을 사용하면 별도의 다이내믹 브레이크 저항과 이러한 저항에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각장치 등을 설치해야 하므로 많은 공간이 요구되기 때문에 인버터를 소형화 시키는데 어려움이 많았다. 그리고, 모터의 제동 토오크는 향상되지만 회생 에너지를 전혀 활용할 수 없기 때문에 효율이 현저히 낮아지는 문제점이 있었다.
KR10-0981438B1
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 소모 및 낭비되는 에너지를 DC-DC 컨버터와 그리드 인버터를 이용하여 테스트 에너지 재사용 시스템, 각종 신재생에너지 연구에 사용되는 에너지 부하 성능을 시뮬레이션 하는 시스템들을 테스트하는 에너지 리사이클링이 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 배터리 충/방전 성능 검증을 위한 충전기 시뮬레이터의 장치 및 충/방전 시 발생하는 재생에너지와 회생에너지를 이용한 에너지 리사이클링이 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 양방향 직류변압기(DC-DC Converter)와 인버터(DC-AC Inverter) 모듈을 이용하여 직류전원 계통연계 기반으로 다양한 입력전원을 활용한 충전기 솔루션과 성능검증을 위한 에너지 절감형 테스트 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 리사이클링이 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템의 일측면에 따르면, 충방전 테스트를 위해 다양한 전압 또는 전류 사양으로 마련되는 배터리; 다양한 전압 또는 전류 사양의 배터리와 다양한 충전 부하에 요구하는 전원 사양으로 변압 제어하여 직류전원계통으로 인가하는 양방향 직류 변압기; 상기 양방향 직류변압기에서 변환된 직류에 의해 충전 부하를 충전시키는 충전장치; 상기 충전장치의 충방전 테스트 시 손실 에너지를 회생시키고 직류전원계통에 직류전원을 공급하거나 직류전원을 받아서 추진 모터 또는 교류 부하를 사용할 수 있도록 하는 인버터; 상기 인버터에서 손실 에너지를 회생 시의 에너지 관리 제어 및 상기 배터리와 부하측 상태를 관리하는 관리 제어기; 및 상기 관리 제어기의 제어에 따라 상기 배터리와 충전장치의 충방전 테스트 동작 상태와 부하측 상태 및 입출력 전원상태 정보를 표시하는 표시장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 양방향 직류 변압기는 직류전원 변압 테스트 시 벅-부스트 컨버팅 방식으로 변압 제어할 수 있다.
또한, 상기 인버터는 상기 충전장치의 충방전 테스트 시 손실 에너지를 재생하여 투입 전원계통으로 회생시킬 수 있다.
또한, 상기 관리 제어기는 상기 배터리와 부하측 상태 정보를 실시간으로 모니터링하여 사용조건에 따른 성능을 실시간으로 분석하고 예측하여 고장이나 경고를 처리하거나 예측경보로 활용할 수 있다.
또한, 상기 표시장치는 적어도 하나 이상의 파라미터 변경을 통해 다양한 충방전 테스트 환경을 구성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 특정 배터리가 아닌 다양한 전압 혹은 전류 사양의 배터리에 양방향 직류변압기(DC-DC Converter)를 적용하여 다양한 배터리를 전원계통으로 안정적인 승압 및 감압제어를 통해 대응이 가능한 효과가 있다.
또한, 회생 기능이 있는 인버터(DC-AC Inverter)를 이용하여 충/방전 테스트가 가능하고, 충전장치 충방전 시험 시 발생한 에너지를 전원계통 연계기기로 리싸이클링(Recycling)하여 소모전력을 저감시키고, 구성 기기간의 통합정보 교환을 위한 마스터 관리 제어기로 운영 시스템 및 시험을 자동화하고 고장 경고신호를 자동으로 처리할 수 있으며, 시각적인 정보전달 장치를 통해 표현되는 정보의 신뢰성과 편의성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 테스트 시스템은 지속적으로 상승중인 전기자동차와 전기선박산업에 활용하는 상용 전기자동차(EV) 배터리 충전기의 성능향상 및 성능시험이 필요하고 각 테스트시 발생하는 손실에너지에 대한 리싸이클링(Recycling)을 통해 에너지 절감형 시험환경을 구축할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전력의 활용도를 높이기 위해 직류전원계통에 다양한 에너지 소스를 연계함과 동시에 각 시스템 구성들 간에 통신 프로토콜을 활용하여 지능형 제어와 통합 에너지 관리를 모니터링할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 배터리 충방전 테스트 시스템 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 리사이클링 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 리사이클링 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 메인 화면의 일예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 리사이클링 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 설정 화면의 일예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 리사이클링 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 시뮬레이션 화면의 일예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 리사이클링 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 분석 화면의 일예를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 2에서 양방향 직류 변압기(DC-DC 변압기)의 제어 구성을 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 일반적인 배터리 충방전 테스트 시스템 구성을 나타내는 도면으로서, 전원계통(40)에서 인가되는 교류(AC)에 의해 충전장치(60)에서 에너지 저장장치(10)와 전기자동차(EV-CAR)(70)로 직류(DC)를 인가하여 배터리 충방전 테스트를 수행하며, 관리 제어기(50)는 각 구성 요소를 제어하여 배터리 충방전 테스트 제어를 수행한다. 그러나, 테스트하는 에너지가 제동저항기(80)를 통해 열에너지로 소모되고 낭비되고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 리사이클링 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 구성을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 리사이클링 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 메인 화면의 일예를 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 리사이클링 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 설정 화면의 일예를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 리사이클링 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 시뮬레이션 화면의 일예를 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 리사이클링 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템 분석 화면의 일예를 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 에너지 리사이클링 가능한 배터리 충방전 테스트 장치는 에너지 저장장치(100)와, 양방향 직류변압기(200)와, 인버터(300)와, 전원계통 연계기기(400)와, 관리 제어기(500)와, 충전장치(600)와 전기자동차(EV-CAR)(700) 및 표시장치(800)를 포함할 수 있다.
에너지 저장장치(100)는 전기에너지를 저장하기 위한 배터리를 의미할 수 있다. 배터리는 다양한 사양으로 마련될 수 있으며, 이를 통해 특정 배터리가 아닌 다양한 전압 또는 전류 사양의 배터리에 대하여 충방전 테스트가 수행될 수 있다.
양방향 직류변압기(DC-DC Converter)(200)는 DC(직류)를 DC(직류)로 변환하는 컨버터로서 DC(직류)로 전압을 변환할 수 있다. IC 등의 전자기기는 각각 동작 가능한 전압 범위가 다르므로 각각에 적합한 전압을 생성할 필요가 있으며, 원래 전압보다 낮은 전압을 생성하는 강압 컨버터로 사용되거나 원래 전압보다 높은 전압을 생성하는 승압 컨버터로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 폭넓은 배터리 전압 및 전력에 대응하기 위해 양방향 직류변압기(DC-DC Converter)(200)를 적용하여 다양한 배터리를 전원계통으로 안정적인 변압(승압 및 감압) 제어하여 DC 전원계통으로 인가할 수 있다. 다시 말해, 특정 배터리가 아닌 다양한 전압 혹은 전류 사양의 배터리에 양방향 직류변압기(DC-DC Converter)(200)를 적용하여 다양한 배터리를 전원계통으로 안정적인 승압 및 감압 제어를 통해 대응할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 양방향 직류변압기(DC-DC Converter)(20)를 적용하여 다양한 배터리를 전원 계통으로 안정적인 승압 및 감압 제어하여 DC 전원계통으로 인가할 수 있다.
인버터(DC-AC Inverter)(300)는 양방향 직류변압기(200)에서 변압된 DC(직류)를 AC(교류)로 변환하여 모터나 AC 부하로 공급할 수 있다. 즉, DC 전원 계통에 연결된 회생 기능이 있는 인버터(DC-AC Inverter)(300)를 이용하여 전원계통 연계기기(400)를 통한 충/방전 테스트를 할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 회생 기능이 있는 인버터(DC-AC Inverter)(300)를 이용하여 전원계통 연계기기(400)을 통한 충/방전 테스트가 가능하고, 장치 구성이 상대적으로 가볍고 간단하여 기동성 있게 운용할 수 있는 장점이 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 DC 전원 계통에 연결 가능하고 회생 기능이 있는 인버터(DC-AC Inverter)(300)를 이용하여 전원계통 연계기기(400) 제어를 통한 실제 충/방전 테스트를 할 수 있으며 에너지 리사이클링이 가능할 수 있다.
관리 제어기(500)는 충/방전 시험시 에너지를 전원계통으로 방전하거나 부하로 사용 가능해 일반적으로 열에너지로 태워서 소모되는 에너지를 리싸이클링(Recycling)하는 에너지 관리 제어 및 배터리와 부하측 상태를 관리할 수 있다. 또한, 정보의 시각적인 전달 및 간편 조작을 위한 시각적 표시장치(HMI)(800)를 활용하여 데이터의 직관적인 관리를 할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 관리 제어기(500)에 해당하는 제어기(PLC) 및 표시장치(HMI)(800)를 통해 직관적인 데이터 관리가 용이하며 간단한 파라미터 변경을 통해 다양한 테스트 환경을 구성할 수 있다. 또한, 배터리와 부하측 상태 및 동작을 관리하는 관리 제어기(500)를 통해 상태정보를 실시간 입수하여 사용조건에 따른 성능을 실시간 분석 및 예측하여 고장이나 경고를 처리하거나 예측경보에 활용할 수 있다. 즉, 관리 제어기(500)의 데이터베이스를 기반으로 하여 데이터의 시각적인 전달 및 간편 조작을 위한 시각적 표시장치를 활용하여 데이터의 직관적인 제어 및 관리를 할 수 있다. 즉, 관리 제어기(500)는 PLC로 구성될 수 있으며 배터리와 충전기, 부하측 상태 및 충방전 테스트 동작 등이 수행되도록 제어할 수 있다. 또한, 표시장치(HMI)(800)를 통해 입출력 전원(Power Source) 상태 확인, 직관적인 데이터 관리가 용이하며, 간단한 파라미터 변경을 통해 다양한 테스트 환경(조건,상태) 및 리사이클 에너지 관리화면을 구성할 수 있다.
충전장치(600)는 인버터(DC-AC Inverter)(300)의 회생 기능에 의해 전원계통을 통해 리싸이클링되는 에너지를 이용하여 배터리(100)나 전기자동차(700)에 대한 충방전 테스트나 시뮬레이션을 할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 배터리 충/방전 성능 검증을 위한 충전기 시뮬레이터의 장치 제어방법 그리고 충/방전 테스트시 발생하는 손실에너지(제동저항 열에너지로 소모)를 회생(Recycling)하여 배터리 및 그 충전장치를 위한 에너지 절감형 테스트 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 각종 신재생 에너지 연구에 사용되는 에너지 부하 성능을 시뮬레이션 하는 시스템들을 테스트하는 에너지 재활용 시스템으로 활용할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 특정 배터리가 아닌 다양한 전압 혹은 전류 사양의 배터리(100)와 전기자동차(EV-CAR)(700)에 양방향 직류 변압기(DC-DC 변압기)(200)를 적용하여 다양한 충전 부하에 요구하는 전원 사양으로 승압 및 감압제어를 통해 안정적인 대응이 가능한 충방전 테스트 장치 또는 시물레이터를 제공할 수 있다. 그리고 충전 부하가 없이 충전기를 테스트 필요 시 발생하는 손실에너지를 재생하여 투입 전원계통으로 회생하는 에너지 리사이클링 시스템을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 예시된 충방전 테스트를 위한 메인 화면에서와 같이 양방향 직류 변압기(DC-DC 변압기)(200)와 회생 기능이 있는 인버터(DC-AC Inverter)(300)를 이용하여 전원계통 제어를 통한 실제 충/방전 테스트를 할 수 있으며 에너지 리사이클링이 가능할 수 있다. 또한, 도 4에 예시된 바와 같이 전원계통 제어를 통한 실제 충/방전 테스트를 위하여 양방향 전류 흐름 제어, 제어 밸브 선택, 알람 등을 설정할 수 있다. 또한, 도 5에 예시된 시뮬레이션 화면에 예시된 바와 같이 전원계통 제어를 통한 실제 충/방전 테스트를 위한 인터페이스가 제공될 수 있으며, 전류, 전압, 전력, 처리 시간 및 충전율이 표시될 수 있다. 또한, 도 6에 예시된 분석 화면에서는 시뮬레이션에 따른 전압/전류 최대값, 연결 및 상태 정보, 에러 정보 등이 표시될 수 있다.
도 7은 도 2에서 양방향 직류 변압기(DC-DC 변압기)의 제어 구성을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 양방향 직류 변압기(DC-DC 변압기)(200)가 배터리(100)에 대응하여 승압/감압을 수행함에 있어 양방향 직류 변압기(DC-DC 변압기)(200)를 활용하여 DC전원 변압 테스트를 할 수 있다. 이때, 사용되는 양방향 직류 변압기(DC-DC 변압기)(200)는 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버팅 방식으로 변압 제어될 수 있으며 양방향 대용량 DC 변압(승압/감압)기를 이용하여 테스트할 수 있다. 또한, 입출력단(P1,N1-P2,N2) 리플 전류(Current ripple) 안정화 제어 알고리즘을 적용할 수 있으며, DC 전압 편차(전위차)에 대응한 전류 제어, 비례(Closed-loop) 제어를 할 수 있다. 또한, DC Grid 링크에 이종의 배터리 및 DC 에너지원 접속에 따른 유연한 변압 테스트가 가능하고, 2개 이상의 DC 전원공급에 대응한 DC Grid 입출력단 관리(스위칭)가 가능하며, 필요한 용량 부하전원 계통에 정격 직류변압기 적용 부하 성능 테스트를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 회생 기능이 있는 DC-AC 인버터 적용시 교류직류 변환기(AC-DC Converter)와 모터 인버터(DC-AC inverter)(300)를 이용할 수 있다. 즉, 직류전원계통(DC Grid)에 직류전원(DC Power Source) 공급 또는 직류전원을 받아서 추진모터(M) 또는 AC 부하를 사용할 수 있다. 특히, 본 발명의 시스템은 직류전원계통(DC Grid) 연계를 위한 다양한 전원(AC 또는 DC Power source)를 이용하기 위해 DC-AC 인버터와 양방향 DC-DC 컨버터를 적용해서 계통에 안정적인 출력특성 구현을 위한 전원 입출력 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 추가로 스위칭 장치와 전력 모니터링 장치를 설치해서 통합에너지 관리, 제어 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 배터리와 충전기, 부하측 상태 및 충/방전 테스트 동작 등을 수행하는 화면과 입출력 전원(Power Source) 상태 확인 등 직관적인 데이터 관리가 용이할 수 있으며, 간단한 파라미터 변경을 통해 다양한 테스트 환경(조건,상태)을 구성할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 에너지 저장장치
200 : 양방향 직류변압기
300 : 인버터
400 : 전원계통 연계기기
500 : 관리 제어기
600 : 충전장치
700 : 전기자동차
800 : 표시장치

Claims (5)

  1. 충방전 테스트를 위해 다양한 전압 또는 전류 사양으로 마련되는 배터리;
    다양한 전압 또는 전류 사양의 배터리와 다양한 충전 부하에 요구하는 전원 사양으로 변압 제어하여 직류전원계통으로 인가하는 양방향 직류 변압기;
    상기 양방향 직류 변압기는, 직류전원 변압 테스트 시 벅-부스트 컨버팅 방식으로 변압 제어하고, 입출력단(P1,N1-P2,N2) 리플 전류 안정화 제어 알고리즘을 적용하고, DC 전압 편차에 대응한 전류 제어, 비례 제어하고, DC Grid 링크에 이종의 배터리 및 DC 에너지원을 접속하고, 2개 이상의 DC 전원공급에 대응한 DC Grid 입출력단 관리가 가능하도록 구성되고,
    전원계통 연계기기를 통한 충전장치의 충방전 테스트가 가능하고, 충방전 시 교류직류 변환기와 모터 인버터를 이용하여 손실 에너지를 회생시키고 직류전원계통에 직류전원을 공급하거나 직류전원을 받아서 추진 모터 또는 교류 부하를 사용할 수 있도록 하는 인버터;
    상기 인버터는, 상기 충전장치의 충방전 테스트 시 손실 에너지를 재생하여 투입 전원계통으로 회생시키고,
    상기 양방향 직류변압기에서 변환된 직류에 의해 충전 부하를 충전시키는 충전장치;
    상기 인버터에서 손실 에너지를 회생 시의 에너지 관리 제어 및 상기 배터리와 부하측 상태를 관리하는 관리 제어기;
    상기 관리 제어기는, PLC로 구성되어 상기 배터리와 부하측 상태 정보를 실시간으로 모니터링하여 사용조건에 따른 성능을 실시간으로 분석하고 예측하여 고장이나 경고를 처리하거나 예측경보로 활용하고, 충/방전 시험시 에너지를 전원계통으로 방전하거나 부하로 사용 가능해 일반적으로 열에너지로 태워서 소모되는 에너지를 리싸이클링(Recycling)하는 에너지 관리 제어 및 배터리와 부하측 상태를 관리하며,
    상기 관리 제어기의 제어에 따라 상기 배터리와 충전장치의 충방전 테스트 동작 상태와 부하측 상태 및 입출력 전원상태 정보를 표시하는 표시장치;
    상기 표시장치는, 적어도 하나 이상의 파라미터 변경을 통해 다양한 충방전 테스트 환경 및 리사이클 에너지 관리화면을 구성하여 데이터의 시각적인 전달, 간편 조작을 통한 데이터의 직관적인 제어 및 관리를 할 수 있는 것을 특징으로 하는 에너지 리사이클링이 가능한 배터리 충방전 테스트 시스템.
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