KR20180019364A - 출력 전압 가변형 온보드 충전장치 및 그 충전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 출력 전압 가변형 온보드 충전장치 및 그 충전 방법에 관한 것으로, 자연 공냉 구조를 가지며, 효율적 충전을 하기 위한 출력 전압 가변제어 특성을 갖도록 하는 데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명에 따른 출력 전압 가변형 온보드 충전장치는, 정류회로로부터 출력되는 높은 AC 전압을 DC 고전압으로 상승시켜줌으로써 역률(Power Factor)을 상승시키는 PFC(Power Factor Correction)부, 상기 PFC 단으로부터 출력된 고전압으로 상승된 DC를 배터리 충전을 위해 다시 절연을 거쳐 다시 배터리의 정격에 맞는 DC 전압으로 변환하는 PSFB(Phase Shift Full Bridge)부; 및 상기 PFC부와 상기 PSFB부를 제어하고, 전기 차량 내부의 배터리 관리 시스템과 통신하여 전기 차량에 적용되는 배터리의 정격에 맞게 상기 PSFB부의 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티비(Duty Ratio)를 조절하는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

출력 전압 가변형 온보드 충전장치 및 그 충전방법{On Board Charger for Controlling Output Voltage and Charging Method Threrof}
본 발명은 전기자동차의 출력 전압 가변형 온보드 충전장치 및 그 충전 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 자연 공냉 구조를 가지며, 효율적 충전을 하기 위한 출력 전압 가변제어 특성을 갖는 출력 전압 가변형 온보드 충전장치 및 그 충전방법에 관한 것이다.
근래에 휘발유 등의 화석연료 대신에 전기에너지를 동력원으로 하여 운행하는 전기자동차(EV:Electric Vehicle)에 대한 관심이 높아지고 있다.
상기 전기자동차(EV)는, 그 주행속도에 따라서 FSEV(Full Speed Electric Vehicle)와 NEV(Neighborhood Electric Vehicle)로 구분할 수 있다.
상기 FSEV는 화석연료를 사용하는 일반 자동차와 같은 속도를 낼 수 있는 고속 전기자동차를 의미하고, NEV는 시속 60㎞ 미만으로 운행되는 저속 전기자동차를 의미한다.
이러한 전기자동차는 내연기관 자동차의 엔진을 전기 모터로 대체한 것으로서, 에너지 공급원인 배터리의 경량화, 소형화 및 급속 충전이 핵심적인 기술을 이루고 있다.
전기자동차의 배터리를 충전하는 종래의 충전장치로는, 전력 변환 장치 또는 충전기의 경우, 고가의 DSP(Digital Signal Processer) 등을 사용하여 AC 전력을 전기 자동차의 충전 배터리 전압에 맞추어 변환시킴으로써 배터리의 사양을 충족시키고 있다.
또한 종래의 배터리 충전장치는, 반도체 및 자성소자의 방열을 위해 케이스 구조에 수냉 방식을 적용하고 있다.
따라서 종래의 NEC용 충전기는, 저 용량임에도 불구하고 부품 가격의 상승으로 인해 제품 단가가 높아지는 문제가 있다.
또한 종래의 전력 변환장치인 충전기는, 전력 효율의 향상에 초점을 맞추고 있기 때문에 고가의 전자 부품들이 다수 장착되어야 하고, 충전 효율의 증대를 위해서는 사이즈가 커질 수밖에 없다는 문제점이 있다.
한편, 충전기의 사이즈를 축소하려면 충전기의 조립 구조가 복잡해져 생산성이 저하된다는 문제가 있다.
또한 상기 NEV용 배터리는, EV 차량보다 낮은 전압 용량 및 전류 용량을 갖고 있으며, 차량 특성에 따라 42V, 72V, 115V 등의 다양한 전압 레벨을 충전시킬 수 있어야 한다.
그런데 종래의 저가형 전력 변환장치에 의하면, 42V 또는 72V와 같이 한 가지 전압을 고정적으로 출력하고 있어 과충전 또는 충전 부족이 발생하기 쉽고, NEV의 다양한 충전 전압에 호환성 있게 대응할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자연 공냉 구조를 가지며, 효율적 충전을 하기 위한 출력 전압 가변제어 특성을 갖는 출력 전압 가변형 온보드 충전장치 및 그 충전방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 종래의 전력변환 장치 또는 온보드 충전 장치와 같이 DSP 등의 고가 부품을 사용하지 않고 전용 컨트롤러와 저가형 MCU(Micro Controller Unit)를 사용함으로써 제품 단가를 낮추는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 공냉식의 냉각 구조를 적용함으로써, 수냉식 냉각 구조에서 발생할 수 있는 구조적인 문제를 해결하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, MCU에 의한 궤환 전압제어를 통해 다양한 NEV 배터리의 용량에 맞는 전압을 출력할 수 있도록 하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 출력 전압 가변형 온보드 충전장치는, 출력 전압 가변형 온보드 충전장치로서, 정류회로로부터 출력되는 높은 AC 전압을 DC 고전압으로 상승시켜줌으로써 역률(Power Factor)을 상승시키는 PFC(Power Factor Correction)부, 상기 PFC 단으로부터 출력된 고전압으로 상승된 DC를 배터리 충전을 위해 다시 절연을 거쳐 다시 배터리의 정격에 맞는 DC 전압으로 변환하는 PSFB(Phase Shift Full Bridge)부; 및 상기 PFC부와 상기 PSFB부를 제어하고, 전기 차량 내부의 배터리 관리 시스템과 통신하며 전기 차량에 적용되는 배터리의 정격에 맞게 상기 PSFB부의 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티비(Duty Ratio)를 조절하는 MCU(Microcontroller Unit)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충전장치는 일면에 부착된 히트 싱크를 위한 공기 순환식의 방열 구조를 갖는 방열판을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 PFC부는 상기 PSFB부로 출력되는 DC 전압의 역률을 조정하기 위한 PFC 제어부를 포함하고, 상기 MCU는 상기 PSFB부로 출력되는 전압 및 전류값을 감지하고, 차량의 배터리로부터 수신된 배터리의 정격과 비교하여 상기 PSFB부의 DC-DC 변환전압을 조절하기 위한 궤환신호를 상기 PSFB부로 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 PSFB부는 DC-DC 변환을 위한 트랜스포머; 상기 트랜스포머에 절연 게이트 신호를 출력하기 위한 절연 게이트 드라이브회로; 및 상기 MCU로부터 궤환신호를 수신하여 상기 절연 게이트 드라이브 회로에 시프트된 레벨의 전압 제어신호를 출력하는 PSFB 제어부를 더 포함한다.
또한, 상기 MCU는, 입력되는 신호의 증폭을 위한 제1 OP 앰프, 상기 제1 OP 앰프로부터 출력되는 신호에서 저역 성분만을 걸러내기 위한 저역 필터, 상기 필터링된 신호를 다시 증폭하기 위한 제2 오피앰프 및 상기 제2 오피앰프로부터 출력된 신호를 전압 분배하는 전압 분배회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 출력 전압 가변형 온보드 충전장치의 충전 방법은, 상기 MCU 기능을 초기화한 후 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 NEV 차량의 배터리 충전상태, 배터리 충전 전압을 체크하고, 배터리 관리 시스템의 릴레이 준비상태를 확인한 후 DC-DC 변환을 위해 PSFB 단을 온시켜 배터리의 충전을 시작하고, 배터리를 CV(Constant Voltage;정전압)와 CC(Constant Current;정전류) 모드로 제어하여 충전을 완료하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 자연 공냉 구조를 가지며, 효율적 충전을 하기 위한 출력 전압 가변제어 특성을 갖는 출력 전압 가변형 온보드 충전장치 및 그 충전방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, DSP와 같은 고가의 부품을 사용하지 않고 전용 컨트롤러와 저가형 MCU(Micro Controller Unit)를 사용함으로써 제품 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 공냉식의 냉각 구조를 적용함으로써, 수냉식 냉각 구조에서 발생할 수 있는 구조적인 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
또한, MCU에 의한 궤환 전압제어를 통해 다양한 NEV 배터리의 용량에 맞는 전압을 출력할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전압 가변형 온보드 충전장치에 대한 개략적인 블록 사시도.
도 1b는 도 1a의 출력 전압 가변형 온보드 충전장치의 배면에 대한 개략적인 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전압 가변형 온보드 충전장치의 전체 시스템에 대한 개략도.
도 3은 본 발명의 전압 가변형 온보드 충전장치의 충전 방법의 충전 흐름을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전압 가변형 온보드 충전장치의 PFC와 PSFB의 상세회로도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 감지 회로의 세부 구성을 나타내는 회로도.
도 6은 본 발명의 출력 전압 가변형 온보드 충전장치의 반도체 및 PCB 접촉면의 구조를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전압 가변형 온보드 충전장치에 대한 개략적인 블록 사시도이고, 도 1b는 상기도 1a의 출력 전압 가변형 온보드 충전장치의 배면에 대한 개략적인 사시도이다.
본 발명의 출력 전압 가변형 온보드 충전장치(1000)는, 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 그 일면에 부착된 히트 싱크를 위한 방열판(1100)을 구비한다.
상기 방열판(1100)은 공기 순환식의 방열 구조를 가지므로 종래의 수냉식 방열구조에 비해 구조가 간단해진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전압 가변형 온보드 충전장치의 전체 시스템에 대한 개략도를 도시한 것이다.
본 발명의 충전장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 충전 장치의 각 구성요소를 전체적으로 제어하는 MCU(200), 통상 AC 220V의 상용 교류 전압을 수신하여 교류전압에 포함된 노이즈(Noise) 성분을 필터링하는 필터부(100), 상기 필터부(100)로부터 출력되는 노이즈 필터링된 교류 전압에 포함된 돌입전류를 차단하는 돌입전류 차단 릴레이 단(300), 상기 돌입 전류 릴레이 단(300)으로부터 입력되는 교류 전압을 전파정류를 통해 1차 정류한 후 인버팅하여 높은 AC 전력을 출력하는 브리지(Bridge) 단(400), 상기 브리지 단(400)으로부터 출력되는 높은 AC 전압을 DC 고전압으로 상승시켜줌으로써 역률(Power Factor)을 상승시키는 PFC(Power Factor Correction) 단(500), 및 상기 PFC 단(500)으로부터 출력된 고전압으로 상승된 DC를 배터리 충전을 위해 다시 절연을 거쳐 다시 배터리의 정격에 맞는 DC 전압으로 변환하는 PSFB(Phase Shift Full Bridge) 단(600)을 포함한다.
또한, 본 발명의 전압 가변형 온보드 충전장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 PSFB 단(600)으로부터 출력되는 가변 출력 전압을 수신하는 배터리 관리 시스템(710) 및 상기 배터리 관리 시스템(710)의 제어하에 배터리(도시 생략)로부터 DC 전압을 공급받아 동작하는 차량 전원 수신부(720)를 포함하는 전기 자동차부(700)를 구비한다.
여기서 상기 MCU(200)는, 충전 장치의 각부 즉, 돌입전류 릴레이 단(300), 브리지단(400), PFC 단(500) 및 PSFB 단(600)에 온 또는 오프 신호를 출력하고, 차량의 배터리 관리 시스템(710)으로부터 입수한 배터리 정격에 따라 상기 PSFB 단(600)로부터 출력되는 DC 전압 및 전류를 가변적으로 제어한다.
즉, 상기 PSFB 단(600)은, 차량 특성에 따라 42V, 72V, 115V 등의 DC 전압을 출력하나, 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, 출력되는 전력은 1.5kW가 일반적이지만 이에 한정하는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 전압 가변형 온보드 충전 장치의 충전 방법의 충전 흐름을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 충전 장치의 충전 방법은, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 상용 교류 전원으로부터 AC 전원이 접속되는 단계(S10), 보조입력단자 즉, 외부 입력단자를 온시키는 단계(S20), 충전장치의 MCU(200)를 온시키는 단계(S30), 상기 MCU(200)를 온시키는 단계(S30)를 포함한다.
더욱 상세하게는, MCU(200) 기능을 초기화한 후 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 NEV 차량의 배터리 충전상태, 배터리 충전 전압을 체크하고, 배터리 관리 시스템(710)의 릴레이 준비상태를 확인한 후 상기 릴레이의 온을 확인하여(S31, S32, S33), PFC(500)를 온시키고(S40), PSFB 단(600)을 온시키기 위해 차량의 메인 릴레이(도시 생략)를 온시킨 다음, DC-DC 변환을 위해 PSFB 단(600)을 온시킨다(S50, S60).
이어서, 배터리의 충전을 시작하고, 배터리를 CV(Constant Voltage;정전압)/CC(Constant Current;정전류) 모드로 제어하고 충전을 완료한다(S80, S90).
상기 단계 S50 내지 S90의 단계의 수행에 있어서, 인터럽트 루틴(Interrupt Routine)으로서 과전압 보호회로, 부족전압 보호회로, 과전류 보호회로, 과온 보호회로 및, 저온 보호회로를 체크한다.
또한, 에러 여부를 확인하여 에러가 있는 경우, 에러 모드 시퀀스를 가동하여(S210, S220, S230) 충전을 정지하고 오프시킨다(S240).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전압 가변형 온보드 충전장치의 PFC와 PSFB의 상세회로도를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 충전장치의 PFC(500)는, 도 2에 도시된 전단의 브리지 단(400)을 통해 승압하여 입력되는 높은 AC 전압을 전파정류 회로(510)를 통해 정류하여 후단의 DC 승압 회로(520)로 출력한다.
상기 전파전류 회로(510)는 다이오드(D1-D4)로 구성되고, 상기 DC 승압 회로(520)는 인덕터(L1, L2)와 다이오드(D5, D6)로 구성된다.
PFC 전용 제어기로 구성된 PFC 제어부(550)는 다이오드(D5, D6)의 온/오프를 제어하여 후단의 PSFB(600)으로 출력되는 DC 전압의 역률을 조정한다.
다이오드(D5, D6)의 온/오프는 스위칭 FET 트랜지스터(Q1, Q2)를 통해 수행하고, 스위칭부(530)는 상기 PFC 제어부(550)의 출력에 따라 다이오드 D5, D6를 온시킨다.
도 4에 있어서 후단의 커패시터(C1, C2, C3)를 포함하는 보호회로(540)는 전압 리플을 제거하는 소자이다.
한편, PSFB(600)는, 4개의 FET(Q3 내지 Q6)로 구성된 DC-DC 컨버터(610)와 1차코일과 2차 코일로 구성된 트랜스포머(Trnasformer)(620)가 DC-DC 전압 컨버팅을 수행하는데, 상기 DC-DC 컨버터(610)에 포함되는 다이오드들은 기생 다이오드들로서 역전류를 차단하는 소자이다.
상기 트랜스포머(620)는, 절연 게이트 드라이브 회로(660)에 의해 트랜스포머1 차 코일과 2차 코일의 절연을 유지한다.
MCU(200)는, DC-DC 컨버터(610)와 트랜스포머(620)를 거쳐 출력되는 전압 및 전류값을 감지하고, 차량의 배터리로부터 수신된 배터리의 정격과 비교하여 상기 DC-DC 컨버터(610)로 DC-DC 컨버터의 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티비(Duty Ratio)를 조절하기 위한 시프팅된 신호를 피드백시켜 PSFB 제어부(650)로 출력한다.
PSFB 제어부(650)가 절연 게이트 드라이브 회로(660)에 수신한 피드백 신호를 출력하면, DC-DC 컨버터(610)와 트랜스포머(620)는 시프팅된 DC 전압을 출력한다.
상기 PSFB 제어부(650)는 FET(Q7, Q8)를 포함하는 스위칭부(630)에 구동신호를 출력하여 전압 가변된 DC 전압이 출력단을 통해 출력되도록 한다.
도 4에 있어서, L3와 C4로 구성된 필터(640)는, DC-DC 컨버터로부터 출력되는 파형의 신호 손실을 줄이기 위한 보호회로이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 감지 회로의 세부 구성을 나타내는 회로도이다.
도 5를 참조하면, MCU(200)는, 입력 분배저항(R1, R2, R3)을 포함하는 입력부(210), 입력되는 신호의 증폭을 위한 제1 OP 앰프(220), 상기 제1 OP 앰프(220)로부터 출력되는 신호에서 저역 성분만을 걸러내기 위한 저역 필터(230), 필터링된 신호를 다시 증폭하기 위한 제2 오피앰프(240) 및 상기 제2 오피앰프(240)로부터 출력된 신호를 전압 분배하는 전압 분배회로(250)를 포함하여 구성된다.
도 5에서 MCU 전압감지 지점(A)은, MCU(200)가 PSFB(600)의 DC-DC 컨버터의 전압 및 전류를 감지하는 부분이고, MCU 궤환 제어지점(C)은, 상기 전압 분배된 신호를 MCU(200)가 궤환하는 부분이며, DC-DC 변환기 제어부 궤환지점(B)은, 상기 MCU(200)로부터의 궤환 제어신호에 따라 DC-DC 컨버터의 PWM 듀티비를 조절하는 부분이다.
여기서, 상기 저역 필터(230)에서 상단의 C2, R6의 필터부와 비반전 입력부의 C1, R4, R5로 구성되는 입력 리플 제거 부분은, 공지되어 있는 구성이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 의한 충전 장치는 공냉식 방열판(1100)을 채용하고, 표준형 규격 부품 적용에 좋은 호환성을 가질 수 있어 범용성을 가질 수 있다.
이상 기술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 자연 공냉 구조를 갖는 출력 전압 가변형 충전기를 구현함으로써 다양한 NEV 배터리 정격과 양호한 호환성을 가질 수 있도록 할 수 있다.
또한, 종래의 전력변환 장치 또는 온보드 충전 장치와 같이 DSP 등의 고가 부품을 사용하지 않고, 전용 컨트롤러와 저가형 MCU를 사용함으로써 저비용 고효율을 실현할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것으로서 본 발명의 범위는 상기한 특정 실시예에 한정되지 아니한다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
100: 필터부 200: MCU
210: 입력부 220:제1 OP 앰프,
230: 저역 필터 240: 제2 오피앰프
250: 전압 분배회로
300: 돌입전류 차단 릴레이 단 400: 브리지 단
500: PFC 단 510: 전파정류 회로
520: DC 승압회로 530: 스위칭 부
540: 보호회로 550: PFC 제어부
600: PSFB 단 610: DC-DC 컨버터
620: 트랜스포머 630: 스위칭 부
640: 필터 650: PSFB 제어부
660: 절연 게이트 드라이브 회로
700: 전기자동차부 710: 배터리 관리 시스템
720: 차량 전원 수신부
1000: 충전장치 1100: 방열판

Claims (6)

  1. 출력 전압 가변형 온보드 충전장치로서,
    정류회로로부터 출력되는 높은 AC 전압을 DC 고전압으로 상승시켜줌으로써 역률(Power Factor)을 상승시키는 PFC(Power Factor Correction)부,
    상기 PFC 단으로부터 출력된 고전압으로 상승된 DC를 배터리 충전을 위해 다시 절연을 거쳐 다시 배터리의 정격에 맞는 DC 전압으로 변환하는 PSFB(Phase Shift Full Bridge)부; 및
    상기 PFC부와 상기 PSFB부를 제어하고, 전기 차량 내부의 배터리 관리 시스템과 통신하여 전기 차량에 적용되는 배터리의 정격에 맞게 상기 PSFB부의 PWM(Pulse Width Modulation) 듀티비(Duty Ratio)를 조절하는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 전압 가변형 온보드 충전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전장치는, 일면에 부착된 히트 싱크를 위한 공기 순환식의 방열 구조를 갖는 방열판을 구비하는 것을 특징으로 하는 출력 전압 가변형 온보드 충전장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 PFC부는 상기 PSFB부로 출력되는 DC 전압의 역률을 조정하기 위한 PFC 제어부를 포함하고,
    상기 MCU는 상기 PSFB부로 출력되는 전압 및 전류값을 감지하며, 차량의 배터리로부터 수신된 배터리의 정격과 비교하여 상기 PSFB부의 DC-DC 변환전압을 조절하기 위한 궤환신호를 상기 PSFB부로 출력하는 것을 특징으로 하는 출력 전압 가변형 온보드 충전장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 PSFB부는,
    DC-DC 변환을 위한 트랜스포머;
    상기 트랜스포머에 절연 게이트 신호를 출력하기 위한 절연 게이트 드라이브회로; 및
    상기 MCU로부터 궤환신호를 수신하여 상기 절연 게이트 드라이브 회로에 시프트된 레벨의 전압 제어신호를 출력하는 PSFB 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 전압 가변형 온보드 충전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 MCU는,
    입력되는 신호의 증폭을 위한 제1 OP 앰프,
    상기 제1 OP 앰프로부터 출력되는 신호에서 저역 성분만을 걸러내기 위한 저역 필터,
    상기 필터링된 신호를 다시 증폭하기 위한 제2 오피앰프 및 상기 제2 오피앰프로부터 출력된 신호를 전압 분배하는 전압 분배회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 전압 가변형 온보드 충전장치.
  6. 제1항의 출력 전압 가변형 온보드 충전장치의 충전 방법으로서,
    상기 MCU 기능을 초기화한 후 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 NEV 차량의 배터리 충전상태, 배터리 충전 전압을 체크하고,
    배터리 관리 시스템의 릴레이 준비상태를 확인한 후 DC-DC 변환을 위해 PSFB 단을 온시키고 배터리의 충전을 시작하며,
    배터리를 CV(Constant Voltage;정전압)와 CC(Constant Current;정전류) 모드로 제어하여 충전을 완료하는 것을 특징으로 하는 출력 전압 가변형 온보드 충전장치의 충전 방법.
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