JP2009291016A - 車両用電源装置および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の駆動力源であるモータへ電力供給するために搭載された複数の蓄電装置について、ユーザによる車両の使用の仕方にかかわらず、自動的に均等な使用を実現する。
【解決手段】車両用電源装置１０は、モータ１２に対してそれぞれリレーＳＭＲ１〜ＳＭＲｎを介して電力供給可能に並列接続される複数の電池Ｂ１〜Ｂｎと、リレーＳＭＲ１〜ＳＭＲｎを選択的に開閉制御するバッテリＥＣＵ２８とを車両駆動システムとして有する。バッテリＥＣＵ２８は、前回システム作動停止時に電力供給を行っていた電池Ｂｍする記憶するＲＡＭを有し、前回システム作動停止時後にシステム作動開始するとき前回使用電池の次の高位番号の電池Ｂｍ＋１を選択してこの電池に対応するリレーＳＭＲｍ＋１を閉路する制御を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用電源装置および車両に係り、より詳しくは、車輪に動力を出力するモータへ電力供給するための複数の蓄電装置を含む車両用電源装置およびこれを用いた車両に関する。

従来、環境に配慮した自動車として、ハイブリッド車が知られている。このハイブリッド車は、車輪に駆動力を出力する動力源として、内燃機関であるエンジンと電動機であるモータとを併せ持っている。上記モータは、車両に搭載された蓄電装置またはバッテリから電力供給されて作動し、これにより駆動力を出力するようになっている。

上記ハイブリッド車において、蓄電装置を１つだけでなく複数搭載して、安定した電力供給を可能にすることが考えられる。この場合、各蓄電装置について均等に充放電が行われるようにすることが望ましい。しかし、ユーザによる車両の使用の仕方によっては、各蓄電装置の使用状態が均等にはならずに偏り生じ、各蓄電装置の劣化具合や寿命にばらつきが発生する可能性がある。

例えば、特許文献１には、充電電源に対してそれぞれ開閉路可能なスイッチ回路を介して並列接続される複数の二次電池モジュールを充電するに当たり、各二次電池モジュールの残容量や装着順序によらず、ユーザの希望に応じた順に二次電池モジュールの充電を行うようにした二次電池の充電装置が開示されている。

また、特許文献２には、並列給電接続される複数個の蓄電池についてそれぞれ残容量を表示させ、この表示を確認して使用者が放電させる蓄電池を順次に切り替えることにより、長時間の連続使用を可能にする蓄電池駆動装置が開示されている。

特開２００４−３６４３８８号公報 特開平５−１３５８０５号公報

上記特許文献１および２には、ユーザの選択操作によって所望する順序で切り替えて複数の二次電池について充電を順次に行うことが記載されているが、上述したような複数の蓄電装置を搭載したハイブリッド車において駆動システム作動時や走行中にユーザが、使用すなわち電力供給する蓄電装置を自ら選択操作するのは非現実的であるとともに煩雑さおよび危険性を伴うものであり、しかも、ユーザの操作によって使用する蓄電装置を選択するのでは各蓄電装置についての均等な使用は到底望めない。

本発明の目的は、車両の駆動力源であるモータへ電力供給するために搭載された複数の蓄電装置について、ユーザによる車両の使用の仕方にかかわらず、自動的に均等な使用を実現する車両用電源装置と、これを用いた車両を提供することにある。

本発明は、車輪の駆動力を出力可能なモータに対してそれぞれ閉開路部を介して電力供給可能に並列接続される第１ないし第ｎ（ｎは２以上の自然数）の蓄電装置と、前記閉開路部を選択的に開閉制御する制御部とを車両駆動システムとして有する車両用電源装置であって、制御部は、前回システム作動停止時直前に電力供給を行っていた第ｍ（ｍは１ないしｎのいずれかの自然数）の蓄電装置を記憶する記憶部を有し、前回システム作動停止時後にシステム作動開始するとき第ｍ＋１（ここでｍ＝ｎのときｍ＋１は１となる）の蓄電装置を選択して該蓄電装置に対応する開閉路部を閉路する制御を実行することを特徴とする。

本発明に係る車両用電源装置において、制御部は、各蓄電装置の残容量を監視しており、現在給電中の第ｍの蓄電装置の残容量が所定値以下に低下したとき、電力供給する蓄電装置を第ｍの蓄電装置から第ｍ＋１の蓄電装置に切り替える制御を実行してもよい。

また、本発明に係る車両用電源装置において、システム作動停止中に前記蓄電装置を充電するために、車両外部電源に接続する給電部材が接続される充電口をさらに有しており、制御部は、前回システム作動停止時後にシステム作動開始するときに使用されることとなる第ｍ＋１の蓄電装置を充電対象として選択して該蓄電装置に対応する開閉路部を閉路する制御を実行してもよい。

この場合に、制御部は、各蓄電装置の残容量を監視しており、現在充電中の第ｍ＋１の蓄電装置の充電が完了したとき、充電不足の蓄電装置を順次に選択して充電するように切り替える制御を実行してもよい。

さらに、本発明に係る車両は、上記いずれかの車両用電源装置を備えたことを特徴とする。この場合、車両は、車輪の駆動力を出力可能なエンジンをさらに備えていてもよい。

本発明に係る車両用電源装置によれば、制御部が、前回システム作動停止時直前に電力供給を行っていた第ｍ（ｍは１ないしｎのいずれかの自然数）の蓄電装置を記憶していて、前回システム作動停止時後にシステム作動開始するとき第ｍ＋１（ここでｍ＝ｎのときｍ＋１は１となる）の蓄電装置を選択して該蓄電装置に対応する開閉路部を閉路する制御を実行することで、システム作動時には前回使用されていた蓄電装置とは異なる蓄電装置が常に選択されることになる。その結果、ユーザによる車両の使用の仕方にかかわらず、複数の蓄電装置の使用状態を均等なものにできる。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施形態である車両用電源装置１０の概略構成を示す図である。この車両用電源装置１０が組み込まれる車両１は、車輪２ａ，２ｂに駆動力を出力可能なモータ１２を有する。モータ１２の回転軸１４は、差動ギヤ部１６を介して車軸１８に連結されており、これによりモータ１２の作動による回転軸１４の回転駆動力が差動ギヤ部１６および車軸１８を介して車輪２ａ，２ｂに伝達されるようになっている。

ここで、車両１は駆動力源としてモータ１２のみを有するように図示されるが、車両用電源装置１０はモータのみを駆動力源とする電気自動車に限らず、ガソリンや軽油等を燃料とする内燃機関であるエンジンを駆動力源として併用するハイブリッド車にも適用可能である。この場合、エンジンからの動力の分配を受けて発電する発電機としてのモータをさらに備えており、このモータによって発電された電力がインバータで交流電圧から直流電圧に変換されてから後述する各電池に充電されるか、または、上記モータ１２の駆動電力として直に供給される。

モータ１２には、三相同期電動機が好適に用いられる。モータ１２のステータの一部を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイルの各一端部は、中性点Ｎに共通接続される一方、各相コイルの他端部は電圧変換器２０に電気的にそれぞれ接続されている。電圧変換器２０は、後述する蓄電装置である二次電池から供給される直流電圧をモータ印加電圧である三相交流電圧に変換するインバータを含む。また、電圧変換器２０は、上記二次電池から供給される直流電圧を所定上限値までの範囲内で電圧値まで昇圧する昇圧コンバータをさらに含む。これらのインバータおよび昇圧コンバータを含む電圧変換器２０は、モータＥＣＵ(Electronic Control Unit、以下に同じ。)２２からの指令に基づいて、内包する電力用スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ等）がオン・オフ制御されることにより、上記直流・交流変換機能および昇圧機能を実行するようになっている。なお、上記インバータおよび昇圧コンバータは、周知の構成のものを用いることができ、ここでの詳細な説明を省略する。

上記モータ１２は、車両１の制動および減速等の回生時には発電機としても機能することもできる。モータ１２によって発電された電力は、電圧変換器２０においてインバータで交流電圧から直流電圧へ変換されてからコンバータで降圧された後、後述する各電池に充電されることになる。

上記車両用電源装置１０は、電圧変換器２０に接続される電力ライン２４および接地ライン２６に、それぞれ対応するシステムメインリレー（開閉路部）ＳＭＲ１，ＳＭＲ２，・・・，ＳＭＲｎを介して並列に電気接続される蓄電装置としての第１ないし第ｎの電池（以下、適宜に「バッテリ」ともいう。）Ｂ１，Ｂ２，・・・，Ｂｎと、上記システムメインリレー（開閉路部）ＳＭＲ１，ＳＭＲ２，・・・，ＳＭＲｎを選択的にオン（閉路）・オフ（開路）制御するバッテリＥＣＵ（制御部）２８とを含む。ここで、図１では少なくとも３つ以上の電池が示されるが、上記「ｎ」は２以上の自然数であればよく、例えば２つの電池Ｂ１，Ｂ２だけの場合でもよい。また、各電池Ｂ１，Ｂ２，・・・，Ｂｎには、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池が好適に用いられるが、それ以外にキャパシタ等が蓄電装置として用いられてもよい。

バッテリＥＣＵ２８は、制御プログラムを実行するＣＰＵ、制御プログラムやパラメータ閾値等を予め格納するＲＯＭ、前回システム作動停止時またはその直前に電力供給を行って電池番号等のデータを一時的に記憶して随時に読み出し可能なＲＡＭ（記憶部）等を含んで構成される。

また、各電池Ｂ１，Ｂ２，・・・，Ｂｎには、バッテリ電流を検出する電流センサ３０がそれぞれ設けられている。バッテリＥＣＵ２８は、各電流センサ３０から入力されるバッテリ電流をそれぞれ積算処理することによって、各電池Ｂ１，Ｂ２，・・・，Ｂｎについての残容量（ＳＯＣ(State Of Charge)）を監視している。

車両１は、メインＥＣＵ３２をさらに備える。メインＥＣＵ３２には、パワースイッチ３４、車速センサ３６およびアクセル開度センサ３８がそれぞれ電気接続される。パワースイッチ３４は、車両１の運転席に座ったユーザが操作しやすい位置に設置される例えば押しボタン式のスイッチであり、オン操作することでモータ１２、電圧変換器２０、各電池各電池Ｂ１，Ｂ２，・・・，Ｂｎ、各システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２，・・・，ＳＭＲｎ等から構成される車両駆動システムが作動開始して走行可能な状態になり、一方、オフ操作することで車両駆動システムが作動停止する。また、メインＥＣＵ３２は、車速センサ３６から入力される車速とアクセル開度センサ３８から入力されるアクセル開度とに基づいて車両要求トルクを求め、その車両要求トルクに応じた駆動力をモータ１２から出力されるようにモータＥＣＵ２２に対してトルク指令を送信する。さらに、メインＥＣＵ３２は、バッテリＥＣＵ２８とも通信可能に電気接続されており、各電池Ｂ１，Ｂ２，・・・，Ｂｎについての残容量、図示しないセンサによって検出されるバッテリ電圧やバッテリ温度等の各種データを受信し、一方、パワースイッチ３４のオン・オフ信号等を送信する。

続いて、図２を参照して上記車両用電源装置１０の動作および制御について説明する。図２は、バッテリＥＣＵ２８において実行される制御手順を示すフローチャートである。この制御は、例えばメインＥＣＵ３２による制御によって車両ドアの電磁ロックが解除されたときに処理が開始される。

まず、パワースイッチ３４がオン操作されたか否かを判定する（ステップＳ１０）。この判定は、ユーザによってパワースイッチ３４がオン操作されたこと示すオン信号がメインＥＣＵ３２から受信されるか否かで判定される。そして、所定時間以上経過してもオン信号を受信できないときには（ステップＳ１０でＮＯ）、そのまま処理を終了する。

一方、パワースイッチ３４がオン操作されたとき（ステップＳ１０でＹＥＳ）、ｎ個ある電池Ｂ１〜Ｂｎのうちどの電池を使用するかを選択する（ステップＳ１２）。このとき、車両駆動システムについて前回のシステム作動停止時に電力供給に使用されていた電池番号がＲＡＭに記憶されていることから、前回システム作動停止時に使用されていた電池番号がｍ（ｍは１ないしｎのいずれかの自然数）、すなわち第ｍの電池Ｂｍが前回使用電池であった場合、次の高位番号の電池である第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１が今回の電力供給用電池として選択される。これにより、バッテリＥＣＵ２８は、電池Ｂｍ＋１に対応するシステムメインリレーＳＭＲｍ＋１をオンさせて電池Ｂｍ＋１からモータ１２への電力供給を可能にする。

このように使用電池が選択されると、その電池番号であるｍ＋１をＲＡＭに記憶して使用電池の記憶を更新する(ステップＳ１４)。そして、ユーザによるアクセル操作等に応じて第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１から電力が供給され（ステップＳ１６）、これによりモータ１２が作動して駆動力が出力される。

ついで、使用中の第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１の残容量ＳＯＣが所定閾値、例えば定格容量の４０％未満に低下しているか否かが判定される(ステップＳ１８)。ここで、ＳＯＣが４０％以上であれば（ステップＳ１８でＮＯ）、パワースイッチ３４がオフされたか否かを判定し(ステップＳ２４)、パワースイッチ３４がオフされていない場合には（ステップＳ２４でＮＯ）、上記ステップＳ１６に戻って第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１の使用を継続する。

このように上記ステップＳ１６，Ｓ１８およびＳ２４の処理を繰り返すうちに、第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１のＳＯＣが４０％未満になったとき(ステップＳ１８でＹＥＳ)、使用電池を次の高位番号の電池、すなわち第ｍ＋２の電池に切り替える（ステップＳ２０）。このとき、システムメインリレーＳＭＲｍ＋２がオンされて第ｍ＋２の電池Ｂｍ＋２からの電力供給を可能にしてから、システムメインリレーＳＭＲｍ＋１がオフされる。また、第ｎの電池Ｂｎが使用されてＳＯＣが４０％未満になったときは、次の使用電池は第１の電池Ｂ１に切り替えられる。

上記のように使用電池が切り替えられると、ＲＡＭに記憶される使用電池番号をｍ＋２に更新して記憶する（ステップＳ２２）。その後、上記と同様に、パワースイッチ３４がオフされたか否かが判定され(ステップＳ２４)、パワースイッチ３４がオフされるまで上記ステップＳ１６〜Ｓ２４の処理が繰り返し実行される。そして、パワースイッチ３４がオフされると（ステップＳ２４でＹＥＳ）、車両駆動システムが作動停止するが、そのときＲＡＭにはシステム作動停止まで使用中であった電池の電池番号が前回使用電池として記憶された状態となる。

上述したように、本実施形態の車両用電源装置１０によれば、前回システム作動停止時またはその直前に電力供給を行っていた使用電池を記憶していて、次にパワースイッチ３４がオンされてシステム作動開始するときには前回使用電池の次の高位番号の電池が使用電池として選択される。したがって、システム作動時には前回使用されていた電池とは異なる電池が常に選択されることになり、その結果、ユーザによる車両１の使用の仕方にかかわらず、ｎ個の電池Ｂ１〜Ｂｎの使用状態を均等なものにできる。

次に、図３および図４を参照して、別の実施形態の車両用電源装置１１について説明する。図３は、車両用電源装置１１を含む車両１の概略構成を示す図である。上記車両用電源装置１１は、上記車両用電源装置１０とほぼ同様の構成を備えているため、同一構成要素には同一符号を付して重複することとなる説明を援用により省略し、ここでは主に相違点について説明する。

車両用電源装置１１は、上記システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２，・・・，ＳＭＲｎを介して負荷であるモータ１２に対して並列に電気接続される第１ないし第ｎの電池Ｂ１，Ｂ２，・・・，Ｂｎ、および上記システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２，・・・，ＳＭＲｎを選択的にオン・オフ制御するバッテリＥＣＵ２８を含むと共に、車両１のボディの側面または後部等に開閉可能なカバー部材で覆われて設置される給電口４４をさらに含む。給電口４４は、モータ１２の中性点Ｎに電気接続されている。これにより、車両１が停車状態にあってシステム作動停止中に、車両外部電源４０に電気接続されるプラグ４２を給電口４４に接続すると、給電口４４から入力される電力がモータ１２および電圧変換器２０を介して各電池Ｂ１〜Ｂｎに充電されるようになっている。車両外部電源４０は、家庭用の交流電源（ＡＣ１００ボルト）であってもよいし、または、より高圧の工業用交流電源であってもよい。この場合、給電口４４からモータ１２を介して供給される交流電圧は電圧変換器２０内のインバータによって直流電圧に変換され、必要に応じてコンバータで降圧してから各電池Ｂ１〜Ｂｎに充電される。

なお、上記車両用電源装置１１が搭載される車両１は、駆動力源としてモータ１２のみを有するように図示されるが、車両用電源装置１１はモータのみを駆動力源とする電気自動車に限らず、ガソリンや軽油等を燃料とする内燃機関であるエンジンを駆動力源として併用するハイブリッド車にも適用可能である。このようなハイブリッド車は、「プラグインハイブリッド車」と呼ばれることがある。

続いて、図４を参照して、上記構成からなる車両用電源装置１１の動作および制御について説明する。図４は、バッテリＥＣＵ２８において実行される制御手順を示すフローチャートである。この制御は、例えば、メインＥＣＵ３２の制御によって給電口４４を覆うカバーの電磁ロックが解除されたときに処理が開始される。

まず、充電が開始されたか否かを判定する（ステップＳ３０）。この判定は、給電口４４の近傍に配置されてプラグ４２の接続を検知するプラグ検知センサ（図示せず）からの入力信号、あるいは、給電口４４から電力が入力されたことを検知する電圧センサ（図示せず）からの入力信号等に基づいて行われる。

プラグ４２が給電口４４に挿入されることなくカバーが閉じられて電磁ロックされたときには（ステップＳ３０でＮＯ）、そのまま処理を終了する。一方、充電が開始されると(ステップＳ３０でＹＥＳ)、充電されるべき電池を選択する(ステップＳ３２)。ここでは、次にパワースイッチ３４がオン操作されてシステム作動開始されるときに使用されることとなる電池が選択される。上記車両用電源装置１０の例に沿って説明すると、前回システム作動停止時の使用電池が第ｍの電池Ｂｍであった場合、次のシステム作動開始時の使用電池には第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１が選択されることとなるため、この第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１が充電対象として選択される。

このように第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１が充電対象として選択されると、これに対応するシステムメインリレーＳＭＲｍ＋１がオンされる。これにより、給電口４４から供給される電力がモータ１２および電圧変換器２０を介して第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１に充電される（ステップＳ３４）。

そして、第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１の充電が完了したか否かを判定する（ステップＳ３６）。ここでは、第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１のＳＯＣが定格容量の８０％に達したときに充電完了と判定する。

第ｍ＋１の電池Ｂｍ＋１の充電が完了すると(ステップＳ３６でＹＥＳ)、システムメインリレーＳＭＲｍ＋１がオフされ、続いて、充電不足の電池が有るか否かを判定する（ステップＳ３８）。ここでは、バッテリＥＣＵ２８で監視されるＳＯＣが８０％未満である電池が充電不足と判定される。

充電不足の電池が無ければ（ステップＳ３８でＮＯ）、そのまま処理を終了する。一方、充電不足の電池が有る場合には(ステップＳ３８でＹＥＳ)、その充電不足の電池に対応するシステムメインリレーをオンして充電電池を切り替える(ステップＳ４０)。このとき、充電不足の電池が複数有る場合、システム作動中に切り替えられる順序、すなわち電池番号の小さい方の電池から順に充電を行ってもよいし、あるいは、ＳＯＣが低い方から順に充電を行ってもよい。

上記ステップＳ３４〜Ｓ４０の処理が繰り返されてすべての電池Ｂ１〜Ｂｎについて充電が完了すると(ステップＳ３８でＮＯ)、最後の充電電池に対応するシステムメインリレーをオフして処理を終了する。

このように、本実施形態の車両用電源装置１１によれば、上記車両用電源装置１０と同様の効果を奏するのに加えて、次回のパワースイッチ３４のオン操作によるシステム作動開始時に最初に使用されることとなる電池から充電を行うようしたことで、次回のシステム作動開始をより確実に実行することができる。

なお、上記車両用電源装置１１では、給電口４４をモータ１２の中性点Ｎに電気接続したが、これに限定されず、例えば、充電専用電圧変換器を別に設けて給電口４４をこれに電気接続し、この充電専用電圧変換器を電力ライン２４および接地ライン２６に電気接続してもよい。この場合、給電口４４から入力される交流電圧は、上記充電専用電圧変換器によって、直流電圧に変換され、必要に応じて昇圧または降圧されてから、各電池Ｂ１〜Ｂｎに充電される。

本発明の一実施形態の車両用電源装置を含む車両の概略構成を示す図である。 図１の車両用電源装置において実行される制御手順を示すフローチャートである。 本発明の別の実施形態の車両用電源装置を含む車両の概略構成を示す図である。 図３の車両用電源装置において実行される制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 車両、２ａ，２ｂ 車輪、１０，１１ 車両用電源装置、１２ モータ、１４ 回転軸、１６ 差動ギヤ部、１８ 車軸、２０ 電圧変換器、２２ モータＥＣＵ、２４ 電力ライン、２６ 接地ライン、２８ バッテリＥＣＵ、３０ 電流センサ、３２ メインＥＣＵ、３４ パワースイッチ、３６ 車速センサ、３８ アクセル開度センサ、４０ 車両外部電源、４２ プラグ、４４ 給電口、Ｂ１〜Ｂｎ 電池、ＳＭＲ１〜ＳＭＲｎ システムメインリレー、Ｎ 中性点。

Claims (6)

1. 車輪の駆動力を出力可能なモータに対してそれぞれ閉開路部を介して電力供給可能に並列接続される第１ないし第ｎ（ｎは２以上の自然数）の蓄電装置と、前記閉開路部を選択的に開閉制御する制御部とを車両駆動システムとして有する車両用電源装置であって、
   制御部は、前回システム作動停止時直前に電力供給を行っていた第ｍ（ｍは１ないしｎのいずれかの自然数）の蓄電装置を記憶する記憶部を有し、前回システム作動停止時後にシステム作動開始するとき第ｍ＋１（ここでｍ＝ｎのときｍ＋１は１となる）の蓄電装置を選択して該蓄電装置に対応する開閉路部を閉路する制御を実行することを特徴とする車両用電源装置。
2. 請求項１に記載の車両用電源装置において、
   制御部は、各蓄電装置の残容量を監視しており、現在給電中の第ｍの蓄電装置の残容量が所定値以下に低下したとき、電力供給する蓄電装置を第ｍの蓄電装置から第ｍ＋１の蓄電装置に切り替える制御を実行することを特徴とする車両用電源装置。
3. 請求項１に記載の車両用電源装置において、
   システム作動停止中に前記蓄電装置を充電するために、車両外部電源に接続する給電部材が接続される充電口をさらに有しており、
   制御部は、前回システム作動停止時後にシステム作動開始するときに使用されることとなる第ｍ＋１の蓄電装置を充電対象として選択して該蓄電装置に対応する開閉路部を閉路する制御を実行することを特徴とする車両用電源装置。
4. 請求項３に記載の車両用電源装置において、
   制御部は、各蓄電装置の残容量を監視しており、現在充電中の第ｍ＋１の蓄電装置の充電が完了したとき、充電不足の蓄電装置を順次に選択して充電するように切り替える制御を実行することを特徴とする車両用電源装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに１項に記載の車両用電源装置を備えた車両。
6. 請求項５に記載の車両において、車輪の駆動力を出力可能なエンジンをさらに備えることを特徴とする車両。

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