KR20170124304A - 방열 성능을 향상시킨 배터리 모듈 - Google Patents

방열 성능을 향상시킨 배터리 모듈 Download PDF

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장선호
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 서로 밀착되어 차례로 적층되는 복수의 단위 전지를 포함하며, 상기 복수의 단위 전지 각각은, 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 수용하는 카트리지, 상기 배터리 셀 위에 위치하는 방열판 및 상기 방열판 위에 위치하는 압착 패드를 포함할 수 있다.

Description

방열 성능을 향상시킨 배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리는 전기버스 또는 전기자동차의 동력용으로 사용 되는 경우가 많으며, 이 경우 일시적으로 고출력을 사용하게 된다. 이때, 배터리 자체에서 발생되는 열의 양이 상당하며, 이러한 열은 배터리의 온도를 상승시키는 요인이 된다. 또한, 이러한 배터리의 온도 상승은 배터리의 수명과 직접적인 연관이 있다.
한편, 일반적으로, 리튬 이온 배터리를 장착하는 카트리지는 열전달 효율이 낮은 폴리머 계열의 물질로 제작된다. 또한, 폴리머 계열의 배터리 카트리지는 배터리 사이에 유격을 발생시키며, 이에 의해 배터리에서 발생하는 열이 배터리 사이에 응집되어 배터리의 온도를 상승시키는 요인으로 작용할 수 있다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 배터리 셀의 온도 상승을 감소시킬 수 있는 배터리 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 서로 밀착되어 차례로 적층되는 복수의 단위 전지를 포함하며, 상기 복수의 단위 전지 각각은, 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 수용하는 카트리지, 상기 배터리 셀 위에 위치하는 방열판 및 상기 방열판 위에 위치하는 압착 패드를 포함할 수 있다.
상기 방열판은, 상기 배터리 셀과 밀착되는 평탄부 및 상기 평탄부의 일측에 위치하며, 상기 카트리지에 고정되는 고정부를 포함할 수 있다.
상기 고정부는 절곡 형상을 가질 수 있다.
상기 평탄부에는 복수의 돌기가 형성될 수 있다.
상기 압착 패드는 상기 평탄부 위에 위치할 수 있다.
상기 압착 패드는, 복수의 판상형 부재로 이루어질 수 있다.
상기 압착 패드는 EPDM(Ethylene Prophlene Diene Monomer)을 포함할 수 있다.
상기 압착 패드는 열전도 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 압착 패드의 상면 및 하면 중 적어도 하나에는 복수의 돌기 또는 주름이 형성될 수 있다.
상기 방열판의 상면 및 하면 중 적어도 하나에 절연막이 형성될 수 있다.
상기 절연막은 애노다이징 코팅막일 수 있다.
상기 방열판은 알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 방열판 일측 단부에는 방열 소자가 결합될 수 있다.
상기 방열 소자는, 팬, TEC(thermal electric cooler) 및 히트 파이프(Heat Pipe) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 배터리 셀과 상기 방열판 사이에 보호 필름이 위치할 수 있다.
상기 방열판과 상기 압착 패드 사이에 접착층이 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 서로 밀착되어 차례로 적층되는 복수의 단위 전지를 포함하며, 상기 복수의 단위 전지 각각은, 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 수용하는 카트리지, 상기 배터리 셀 위에 위치하는 압착 패드 및 상기 압착 패드 위에 위치하는 방열판을 포함할 수 있다.
상기 방열판과 상기 압착 패드 사이에 접착층이 위치할 수 있다.
상기 압착 패드는 열전도 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 압착 패드의 상면 및 하면 중 적어도 하나에는 복수의 돌기 또는 주름이 형성될 수 있다.
상기한 바와 같은 배터리 모듈에 의하면, 배터리 셀의 온도 상승을 감소시킬 수 있다.
또한, 배터리 셀의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 단위 전지의 사시도이다.
도 3은 도 2의 III-III를 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 2의 방열판을 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 V-V을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 4의 방열판의 변형예이다.
도 7은 도 6의 VII- VII을 따라 자른 단면도이다.
도 8은 도 1의 단위 전지의 변형예이다.
도 9는 방열판에 의한 방열 효과를 측정한 결과이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 배터리 모듈(10)은 복수의 단위 전지(Battery_Unit 1, Battery_Unit 2, Battery_Unit 3)를 포함할 수 있다. 즉, 배터리 모듈(10)은 복수의 단위 전지(Battery_Unit 1, Battery_Unit 2, Battery_Unit 3)가 서로 적층되어 형성될 수 있다. 이때, 복수의 단위 전지(Battery_Unit 1, Battery_Unit 2, Battery_Unit 3) 각각은 서로 동일한 단위 전지로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이 3개의 단위 전지(Battery_Unit 1, Battery_Unit 2, Battery_Unit 3)가 적층되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 배터리 모듈(10)은 2개 또는 4개 이상의 단위 전지로 이루어질 수 있다.
이때, 복수의 단위 전지(Battery_Unit 1, Battery_Unit 2, Battery_Unit 3)는 서로 밀착되어 있다. 보다 자세히, 복수의 단위 전지(Battery_Unit 1, Battery_Unit 2, Battery_Unit 3)는 차례로 적층되면서, 서로 마주보는 단위 전지는 서로 밀착되도록 배치된다.
이하에서는, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 실시예의 배터리 모듈을 구성하는 단위 전지에 대해 설명한다.
도 2는 도 1의 단위 전지의 사시도이며, 도 3은 도 2의 III-III를 따라 자른 단면도이다. 그리고, 도 4는 도 2의 방열판을 나타낸 사시도이며, 도 5는 도 4의 V-V을 따라 자른 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 단위 전지(Battery_Unit)는 카트리지(100), 배터리 셀(300), 방열판(500) 및 압착 패드(700)를 포함할 수 있다. 이때, 도 2에 도시된 단위 전지(Battery_Unit)는 도 1의 단위 전지(Battery_Unit 1, Battery_Unit 2, Battery_Unit 3)와 동일한 구성이다.
카트리지(100)는 배터리 셀(300)을 내부에 수용하여 배터리 셀(300)을 보호 및 고정할 수 있다. 카트리지(100)에는 직육면체 형상의 배터리 셀(300)을 내부에 수용하기 위한 수용 홈이 형성될 수 있다. 이때, 수용 홈의 깊이는 내부에 수용되는 배터리 셀(300)의 높이와 같거나 크게 형성될 수 있다. 즉, 측면에서 바라볼 때, 카트리지(100)의 수용 홈 내에 위치하는 배터리 셀(300)이 카트리지(100) 위로 돌출되지 않는다.
한편, 카트리지(100)는 폴리머 계열의 물질로 이루어질 수 있다. 이에 의해, 카트리지(100) 내부에 수용되는 배터리 셀(300)은 인접한 단위 전지에 수용된 다른 배터리 셀(300)과 전기적으로 절연될 수 있다.
배터리 셀(300)은 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 재사용할 수 있는 전지일 수 있다. 이때, 배터리 셀(300)은, 전지(NiCd), 니켈 전지(NiMH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)일 수 있다.
이때, 배터리 셀(300)은 직육면체 형태로 형성되어, 상기 카트리지(100)의 수용 홈 내부에 수용될 수 있다. 그러나, 배터리 셀(300)의 형상은 이에 한정되지 않고, 원기둥, 타원기둥 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
한편, 방열판(500)은 배터리 셀(300) 위에 배치되어, 배터리 셀(300)에서 발생된 열을 외부로 방출시킬 수 있다. 이때, 방열판(500)은 얇은 금속 판재로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는, 방열판(500)은 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 방열판(500)은 알루미늄 이외에 열전도성이 좋은 다른 금속으로 이루어질 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 방열판(500)은 평탄부(510) 및 고정부(540)를 포함할 수 있다. 평탄부(510)는 배터리 셀(300)과 접촉하는 영역으로 판재 형상으로 이루어질 수 있다. 배터리 셀(300)과 접촉 면적을 증가시키기 위해, 평탄부(510)은 판재 형상으로 이루어질 수 있다. 배터리 셀(300)과의 접촉 면적이 증가되면, 배터리 셀(300)에서 발생된 열을 외부로 효과적으로 방출시킬 수 있다. 도 2에서는, 평탄부(510)의 면적이 배터리 셀(300)의 면적보다 작게 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 평탄부(510)는 배터리 셀(300)의 면적과 동일하거나 더 클 수 있다.
고정부(540)는 평탄부(510)의 양측 단부에 형상되는 영역으로, 카트리지(100)의 측벽에 고정 결합될 수 있다. 고정부(540)는 금속 판재가 절곡되어 형성된 영역으로, 고정부(540)는 카트리지(100)의 측벽을 감싼 채 카트리지(100)에 고정될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는, 방열판(500)의 평탄부(510)에는 복수의 돌기(550)가 형성될 수 있다. 평탄부(510)에 복수의 돌기(550)가 형성됨으로써, 평탄부(510)의 방열 면적이 증가될 수 있다. 이에 의해, 배터리 셀(300)에서 발생된 열이 외부로 신속하게 방출될 수 있다. 그리고, 배터리 셀(300)에서 발생된 열이 외부로 신속하게 방출되면, 배터리 셀(300)의 온도가 급격히 증가되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 배터리 셀(300)의 온도 상승을 억제하여, 배터리 셀(300)의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
도 9는 방열판(500)에 의한 방열 효과를 측정한 결과로서, 도 9를 참조하면 방열판(500)에 의한 배터리 셀(300)의 온도 상승이 억제되는 것을 확인할 수 있다. 도 9의 (A)는 방열판이 설치되지 않은 배터리 셀의 온도 변화를 나타내는 그래프이고, 도 9의 (B)는 방열판이 설치되었으나 복수의 돌기가 형성되지 않는 배터리 셀의 온도 변화를 나타낸다. 그리고, 도 9의 (C)는 복수의 돌기가 형성된 방열판이 설치된 배터리 셀의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9에 나타난 바와 같이, 방열판이 설치된 배터리 셀((B), (C))의 온도가 방열판이 설치되지 않은 배터리 셀((A))의 온도 보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한, 방열판이 설치되더라도, 방열판에 복수의 돌기가 형성된 배터리 셀((C))의 온도가 복수의 돌기가 형성되지 않은 배터리 셀((B))의 온도보다 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 9를 통해 확인된 바와 같이, 배터리 셀(300)에 복수의 돌기(550)가 형성된 방열판(500)이 결합되면, 배터리 셀(300)의 온도 상승을 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 복수의 돌기(550)는 배터리 셀(300)과 반대측으로 돌출될 수 있다. 즉, 복수의 돌기(550)는 후술하는 압착 패드(700) 측으로 돌출될 수 있다. 만약, 복수의 돌기(550)가 배터리 셀(300) 측으로 돌출되면, 배터리 셀(300)과 방열판(500)의 접촉 면적이 감소할 수 있어, 이에 의해 배터리 셀(300)로부터 방열판(500) 측으로 열 전달이 감소될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 복수의 돌기(550)는 압착 패드(700) 측으로 돌출되도록 형성될 수 있다.
그리고, 복수의 돌기(550)에 의해, 후술하는 압착 패드(700)로부터 배터리 셀(300)에 전달되는 압력을 효과적으로 전달할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
그러나, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 방열판(500)의 평탄부(510)에는 복수의 돌기가 형성되지 않을 수도 있다.
방열판(500)의 상면 및 하면 중 적어도 하나에는 절연막이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연막은, 방열판(500)과 배터리 셀(300) 사이 또는 방열판(500)과 압착 패드(700) 사이, 또는 양측에 모두 형성될 수 있다.
이때, 절연막은 금속 재질의 방열판(500)의 표면을 애노다이징하여 형성될 수 있다. 금속 표면의 애노다이징은 금속 표면의 일부를 금속 산화물로 변환시켜 금속 산화물층을 형성하게 된다. 애노다이징된 방열판(500)의 표면은 내부식성 및 내마모성이 증가될 수 있으며, 또한 절연막으로서 기능을 할 수 있다.
다시 도 4 및 도 5를 참조하면, 방열판(500)의 일측 단부(530)에는 추가적인 방열 소자(미도시)가 결합될 수 있다. 방열판(500)의 단부(530)는 고정부(540)의 일측에 형성된 영역으로, 방열판(500)의 단부(530)가 절곡되어 형성될 수 있다. 이때, 방열판(500)의 단부(530)는 고정부(540)과 반대방향으로 절곡되어 형성될 수 있다.
이때, 방열 소자는 방열판(500)의 방열 효과를 증가시키기 위해 결합되는 소자로서, 팬, TEC(thermal electric cooler) 및 히트 파이프(Heat Pipe) 중 하나일 수 있다. 즉, 방열판(500)의 단부(530)에는 팬, TEC(thermal electric cooler) 및 히트 파이프(Heat Pipe) 중 어느 하나가 추가적으로 결합될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 방열판(500) 위에는 압착 패드(700)가 위치할 수 있다. 압착 패드(700)는 배터리 셀(300)에 압력을 인가할 수 있다. 압착 패드(700)가 배터리 셀(300)에 압력을 가하면, 배터리 셀(300)의 성능을 향상시킬 수 있으며, 또한 방열판(500)과 배터리 셀(300)이 유격이 없도록 밀착시켜 방열 효과를 향상시킬 수 있다.
이때, 압착 패드(700)는 방열판(500)의 평탄부(510) 위에 위치할 수 있다. 압착 패드(700)는 미리 정해진 두께를 갖는 판상 형태로 이루어질 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는, 압착 패드(700)는 하나의 판상 형태로 이루어질 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 도 8에 도시된 바와 같이, 압착 패드(710)는 복수의 판상형 부재로 이루어질 수 있다. 즉, 복수의 압착 패드(710)가 방열판(500) 위에 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 배터리 모듈(10)은 복수의 단위 전지(Battery_Unit 1, Battery_Unit 2, Battery_Unit 3)가 적층 배치되는데, 상부에 적층된 다른 단위 전지의 카트리지(100)의 하부면과 압착 패드(700)가 서로 밀착될 수 있다. 즉, 다른 단위 전지의 카트리지(100)가 압착 패드(700)의 상면을 가압하고, 압착 패드(700)가 다시 배터리 셀(300)에 압력을 가한다.
압착 패드(700)는 EPDM((Ethylene Prophlene Diene Monomer)을 포함할 수 있다. 또한, 압착 패드(700)에는 열전도 물질을 더 포함할 수 있다. 압착 패드(700)에 열전도 물질이 포함되면, 방열판(500)에서 방열되는 열을 압착 패드(700)를 통해 외부로 더욱 효과적으로 전달할 수 있다.
한편, 압착 패드(700)의 상면 및 하면 중 적어도 하나에는 복수의 돌기 또는 주름이 형성될 수 있다. 복수의 돌기 또는 주름에 의해, 다른 단위 전지의 카트리지(100)에서 전달되는 압력이 압착 패드(700)를 통해 배터리 셀(300)에 효과적으로 전달될 수 있다.
본 실시예의 단위 전지(Battery_unit)는, 배터리 셀(300), 방열판(500) 및 압착 패드(700) 순으로 적층되는 것으로 설명된다. 그러나, 이와 달리, 배터리 셀(300), 압착 패드(700) 및 방열판(500) 순으로 적층될 수 있다. 즉, 배터리 셀(300) 및 방열판(500) 사이에 압착 패드(700)가 배치될 수 있다.
본 실시예에서는, 배터리 셀(300)과 방열판(500) 사이에 보호 필름(미도시)이 개재될 수 있다. 보호 필름은 방열판(500)에 의해 배터리 셀(300)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 방열판(500)과 압착 패드(700) 사이에는 접착층(미도시)이 개재될 수 있다. 접착층은 압착 패드(700)를 방열판(500)의 평탄부(510) 위에 위치 고정시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 방열판(500)에 복수의 돌기(550)가 형성되고, 방열판(500) 상부에 압착 패드(700)이 배치됨으로써, 배터리 셀(300)에서 발생된 열을 외부로 신속하게 방출시킬 수 있으며, 또한 배터리 셀(300)의 성능을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
Battery_Unit 단위 전지
10 배터리 모듈
100 카트리지
300 배터리 셀
500 방열판
700 압착 패드

Claims (20)

  1. 서로 밀착되어 차례로 적층되는 복수의 단위 전지를 포함하며,
    상기 복수의 단위 전지 각각은,
    배터리 셀;
    상기 배터리 셀을 수용하는 카트리지;
    상기 배터리 셀 위에 위치하는 방열판; 및
    상기 방열판 위에 위치하는 압착 패드를 포함하는, 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열판은,
    상기 배터리 셀과 밀착되는 평탄부 및
    상기 평탄부의 일측에 위치하며, 상기 카트리지에 고정되는 고정부를 포함하는, 배터리 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고정부는 절곡 형상을 갖는, 배터리 모듈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 평탄부에는 복수의 돌기가 형성된, 배터리 모듈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 압착 패드는 상기 평탄부 위에 위치하는, 배터리 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압착 패드는, 복수의 판상형 부재로 이루어진, 배터리 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 압착 패드는 EPDM(Ethylene Prophlene Diene Monomer)을 포함하는, 배터리 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 압착 패드는 열전도 물질을 더 포함하는, 배터리 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 압착 패드의 상면 및 하면 중 적어도 하나에는 복수의 돌기 또는 주름이 형성된, 배터리 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열판의 상면 및 하면 중 적어도 하나에 절연막이 형성된, 배터리 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 절연막은 애노다이징 코팅막인, 배터리 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열판은 알루미늄을 포함하는, 배터리 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열판 일측 단부에는 방열 소자가 결합되는, 배터리 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 방열 소자는, 팬, TEC(thermal electric cooler) 및 히트 파이프(Heat Pipe) 중 어느 하나인, 배터리 모듈.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀과 상기 방열판 사이에 보호 필름이 위치하는, 배터리 모듈.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열판과 상기 압착 패드 사이에 접착층이 위치하는, 배터리 모듈.
  17. 서로 밀착되어 차례로 적층되는 복수의 단위 전지를 포함하며,
    상기 복수의 단위 전지 각각은,
    배터리 셀;
    상기 배터리 셀을 수용하는 카트리지;
    상기 배터리 셀 위에 위치하는 압착 패드; 및
    상기 압착 패드 위에 위치하는 방열판을 포함하는, 배터리 모듈.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 방열판과 상기 압착 패드 사이에 접착층이 위치하는, 배터리 모듈.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 압착 패드는 열전도 물질을 더 포함하는, 배터리 모듈.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 압착 패드의 상면 및 하면 중 적어도 하나에는 복수의 돌기 또는 주름이 형성된, 배터리 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102024524B1 (ko) 2018-04-27 2019-10-01 주식회사 엘투와이 전기자동차 배터리 팩용 방열패키지 제조방법과 이에 의해 제조된 배터리 팩용 방열 패키지
KR102333290B1 (ko) * 2021-03-25 2021-12-01 고려대학교 산학협력단 탭 직접 냉각 방식의 배터리 모듈

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