JP2015041611A - 電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】万一、電池ケースの内部で冷却水の漏れが生じたとしても、冷却水による構成部材の損傷を最小限に抑制する。【解決手段】電池セル１１が配される下側の空間に、万一、ヒートシンク５を循環する冷却水が全て漏れたとしても、ジャンクションボックス１４が設けられた空間に冷却水が浸入しない高さＨの位置に仕切り板１３を配する。【選択図】図３

Description

本発明は、電池ケースの内部に冷却水が循環される電池装置に関する。

環境へ排出される排ガスを削減するため、電気自動車が種々開発されている。電気自動車は、モータの駆動により動力を得ているため、電源となる電池（電池セル）を搭載している。電気自動車では、限られたスペースに多くの電池セルを搭載する必要があるため、複数の電池セルが電池ケースに積層されて収容され、電池パックが形成されている。

駆動用の電源となる電池パックには、ヒューズ、コンダクタ、サービスプラグ、セルモニターユニット等、電力系統の分岐や中継等の端子、端末から構成されるジャンクションボックス（保護箱）が備えられて電池装置とされている。

電気自動車に搭載される電池装置は、走行に応じて電池セルの充放電が繰り返されて温度が上昇するため、冷却装置により冷却されている。電池装置の冷却装置としては、冷却効率が高い水冷の冷却装置が従来から用いられている（例えば、特許文献１参照）。

水冷の冷却装置を備えた電池装置では、電池ケースの内部の適宜箇所にヒートシンク等を配置し、冷却配管に冷却水を流通させて電池セルを冷却するようになっている。冷却水は外部の熱交換器（例えば、蒸発器）により冷却され、冷媒として機能する冷却水が流通される。

車両用の電池装置は、高電圧の電気回路が構築されているため、万一、電池ケース内で漏水が生じた際には、漏水による損傷を最小限に抑制する必要がある。例えば、漏水を検出するための検出装置を備え、検出装置により電池ケースの内部の漏水を検出することが行われている。近年、漏水を防止する対策は当然のことながら、万一の場合であっても、漏水を想定して電池装置の構成部材の損傷の抑制に対する対策を講じることが求められてきているのが実情である。

特開２００９−１３４９０１号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、万一、電池ケースの内部で冷却水の漏れが生じたとしても、冷却水による構成部材の損傷を最小限に抑制することができる電池装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の電池装置は、電池を収容する電池ケースと、前記電池ケースの内部の底部側に配され、前記電池を冷却する冷却水が循環する冷却水循環部材と、前記冷却水循環部材の上側に設置された前記電池の上側に配され、前記電池ケースを上下方向に仕切る仕切り板と、前記仕切り板の上側に配される電子部品とを備え、前記仕切り板は、前記冷却水循環部材に循環される冷却水の総量が前記電池ケース内に浸入したと仮定した際の冷却水の設定水位よりも高い位置に配されていることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、冷却水の総量が電池ケース内に浸入したと仮定しても、冷却水の設定水位よりも高い位置に仕切り板配されているので、仕切り板から上に冷却水が浸入することがなく、電子部品に冷却媒体の影響が及ぶことがない。

このため、電池ケースの内部で冷却水の漏れが生じたと仮定しても、冷却水による構成部材の損傷を最小限に抑制することが可能になる。

そして、請求項２に係る本発明の電池装置は、請求項１に記載の電池装置において、前記設定水位は、前記冷却水の総量、前記電池ケースの底面積、前記電池の底面積、前記電池の高さに基づいて設定されることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、冷却水の総量、電池ケースの形状、電池の形状により、冷却水の水位を設定して仕切り板を的確な位置に配置することができる。

また、請求項３に係る本発明の電池装置は、請求項２に記載の電池装置において、前記設定水位は、前記電池の高さを境として、電池の高さ未満までの算出式、電池の高さ以上の算出式に応じて設定され、前記電池の高さ未満の場合の算出式は、前記冷却水の総量、前記電池ケースの底面積、前記電池の底面積に基づいて設定され、前記電池の高さ以上の場合の算出式は、前記冷却水の総量、前記電池ケースの底面積、前記電池の底面積に加え、前記電池の高さに基づいて設定されることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、高さ方向で電池が存在する部位と存在しない部位との水位に応じて設定水位を的確に設定することができる。

また、請求項４に係る本発明の電池装置は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電池装置において、前記電池ケースの前記仕切り板の下側の前記電池ケースを、前記仕切り板に対して略垂直な方向に仕切ると共に流体の流通を許容するバッファ板部材を配したことを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、バッファ板部材により、仕切り板に対して略垂直な方向で、即ち、横方向で、仕切り板の下側の電池ケースが仕切られているため、車体の揺れに伴う液面の揺れのエネルギーを吸収して水の跳ね上がりを抑制することができる。

バッファ板部材は、電池ケースの底面との間に隙間を設けたり、下側に冷却水が流通する穴を設けたりすることが好ましい。これにより、バッファ板部材がバッフル板として機能し、仮に、冷却水が漏れたとしても、偏在をなくして部分的に水位が高くなることをなくすことができる。

また、請求項５に係る本発明の電池装置は、請求項４に記載の電池装置において、前記電池は、複数の電池セルにより構成され、前記バッファ板部材は、前記電池セルの間に配されていることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、複数の電池セルにより構成された電池装置に適用することができる。

また、請求項６に係る本発明の電池装置は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電池装置において、前記仕切り板の周縁部の少なくとも一部には、前記電池ケースの内壁に沿って上方に折り返される折り返し部が形成されていることを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、仕切り板の周縁部電池ケースの内壁に仕切り板の周縁部を密着できない箇所で、周縁部を上方に折り返して折り返し部とすることで、冷却水の液面に跳ね上がりが生じても、折り返し部により仕切り板の上側に冷却水が飛散することがない。

折り返し部の上縁を電池ケースの内側に曲げることが好ましい。折り返し部よりも高い位置に冷却水が飛散しても、内側に曲げた部位により、仕切り板の上面側に浸入しようとする冷却水の浸入が阻止される。また、内側に曲げる部位を曲線状に曲げることで、配線等が存在していても曲げ部位で破断することがない。

本発明の電池装置は、万一、電池ケースの内部で冷却媒体の漏れが生じたとしても、冷却媒体による構成部材の損傷を最小限に抑制することができる。

本発明の一実施例に係る電池装置の一部を破断した外観図である。 本発明の一実施例に係る電池装置の分解斜視図である。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。 図１中のＩＶ−ＩＶ線矢視図である。 図２中のＶ−Ｖ線矢視図である。 冷却水の循環系統の概念図である。 冷却水の水位の概念図である。 他の実施例に係るバッファ板部材の図である。 他の実施例に係るバッファ板部材の図である。

図１から図７に基づいて本発明の一実施例に係る電池装置の構成を説明する。

図１には本発明の一実施例に係る電池装置の全体構成を説明するために電池ケースの一部を破断した状態の外観、図２には本発明の一実施例に係る電池装置の構成部材を分解して表した分解斜視、図３にはバッファ板に直交する方向の断面視（図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視）、図４にはバッファ板に沿った方向の断面視（図１中のＩＶ−ＩＶ線矢視）、図５には仕切り板の部位の平面視（図２中のＶ−Ｖ線矢視）を示してある。また、図６には冷却水の循環系統を説明するための概念、図７には電池ケースの内部における冷却水の水位の概念を示してある。

図１から図５に基づいて電池装置を説明する。

図１から図５に示すように、電池装置１の電池ケース２は、上部が開口したケースボックス３及びカバー４で構成され、ケースボックス３の底面（電池ケース２の底部）には隙間がない状態で冷却水循環部材としてヒートシンク５が配されている。ヒートシンク５の面はケースボックス３の底面と略同一の形状とされ、実質的に、電池ケース２の底面とされている。

ヒートシンク５には冷却水が供給される供給管６が設けられると共に、ヒートシンク５を循環した冷却水が排出される排出管７が設けられている。供給管６及び排出管７は、後述する冷却水の循環系統に接続されている。

ヒートシンク５の上側の電池ケース２の内部には、電池として多数の電池セル１１が備えられ、電池セル１１は端子１２が上側に向けられて配されている。電池セル１１の上側には電池ケース２を上下方向に仕切る仕切り板１３が設けられ、仕切り板１３により、電池セル１１が配される下側の空間と、電池セル１１が隔離される上側の空間とに電池ケース２の内部が区画されている。

仕切り板１３の上側には電子部品としてのジャンクションボックス１４が設けられている。ジャンクションボックス１４は、ヒューズ、コンダクタ、サービスプラグ、セルモニターユニット等、電力系統の分岐や中継等の端子、端末から構成される。電池セル１１の端子１２同士、及び、電池セル１１の端子１２とジャンクションボックス１４はバスバー１５で電気的に接続され、バスバー１５はシールゴム１６を介して仕切り板１３を貫通している。

具体的には後述するが、電池セル１１が配される下側の空間に、万一、ヒートシンク５を循環する冷却水が漏れたとしても、仕切り板１３より上側の空間（ジャンクションボックス１４が設けられた空間）に冷却水が浸入しないようになっている。即ち、電池セル１１が配される下側の空間に冷却水が漏れたと仮定しても、冷却水の水位が仕切り板１３を超えないようになっている。

仕切り板１３の下面には、バッファ板部材１７が取付けられ、バッファ板部材１７は電池セル１１の間に配されて、電池ケース２の下側の空間が横方向に仕切られている。バッファ板部材１７は、仕切り板１３の下側の電池ケース２の空間を、仕切り板１３に対して略垂直な方向（横方向）に仕切っている。バッファ板部材１７の下縁とヒートシンク５の上面との間には隙間１８が存在し、隙間１８から流体が流通可能となっている（流体の流通が許容されている）。

電池ケース２は、ケースボックス３及びカバー４で構成され、ケースボックス３とカバー４がボルトにより固定される構造となっている。電池ケース２の外側の張り出し等をなくすため、ボルトの締結部は内壁面側に突出している（主に図５参照）。仕切り板１３は、冷却水が上側の空間に浸入することを阻止する機能を有する部材であるので、仕切り板１３の周縁部は、全周が電池ケース２の内壁面に密着されて固定されることが好ましい。

電池ケース２の内壁面側には、ボルトの締結部が存在しているので、仕切り板１３の周縁の全周を電池ケース２の内壁面に密着させるためには、仕切り板１３の周縁の形状を複雑な形状にする必要があり、コストや製作の手間がかかり現実的ではない。また、配線を通す空間が必要になる場合、更に、仕切り板１３の形状が複雑な形状になる。

このため、ボルトの締結部が存在部位に対応する（配線を通る空間に対応する）仕切り板１３の周縁は、電池ケース２の内壁面に密着されずに、上方に折り返された折り返し部１９とされている。折り返し部１９を存在させることにより、電池ケース２の内壁と仕切り板１３の隙間から冷却水が飛散して浸入しても（冷却水の液面に跳ね上がりが生じても）、ジャンクションボックス１４側への冷却水の浸入（仕切り板１３の上側への冷却水の飛散）が折り返し部１９で阻止される。

折り返し部１９の上縁部は内側に円弧状に曲げられて湾曲部１９ａとされている。上縁部が内側に曲げられることで、ジャンクションボックス１４側への冷却水がより浸入し難くなる。そして、上縁部が円弧状に曲げられた湾曲部１９ａとされているので、配線等を通しても配線等が折り返し部１９で損傷されて断線等が生じることがない。

主に図４に示すように、ボルトの締結部が存在しない部位では、仕切り板１３の周縁が電池ケース２の内壁面に密着して固定されている。この場合、仕切り板１３の周縁を真っ直ぐに上に伸ばし、電池ケース２の内壁面に接着させることも可能である。

図６に基づいて冷却水の循環系統を説明する。

図６に示すように、供給管６及び排出管７は電池ケース２の外部の循環経路２１に接続されている。ヒートシンク５を循環して電池セル１１を冷却した冷却水は、排出管７からタンク２２に戻される。タンク２２の冷却水は給水ポンプ２３により熱交換器（例えば、蒸発器）２４に送られて冷却される。熱交換器２４で冷却された冷却水は給水ポンプ２３により供給管６に圧送され、ヒートシンク５に送られる。

つまり、熱交換器２４で冷却された冷却水が給水ポンプ２３によりヒートシンク５に送られ、ヒートシンク５を循環し、電池セル１１を冷却した後の冷却水が熱交換器２４に循環される電池装置１の冷却系が構築されている。

尚、冷却水の循環系統としては、ヒートシンク５と並列に車載充電器の冷却系が備えられた循環系等を適用することも可能である。つまり、タンク２２と熱交換器２４を車載充電器の冷却手段に並列に接続した構成の循環系等とすることも可能である。

上述したように、電池装置１の冷却系では、ヒートシンク５、タンク２２、熱交換器２４、配管系等に冷却水が循環している。このため、万一、ヒートシンク５で冷却水が漏れて全ての冷却水が電池ケース２の内部に漏れたと仮定しても、水面より高い位置に仕切り板１３が配されるように、仕切り板１３の高さＨが設定されている（図３参照）。即ち、万一、冷却水の総量が電池ケース２の内部に漏れたとしても、仕切り板１３の位置まで液面が達することがない。

このため、ヒートシンク５で冷却水が漏れて全ての冷却水が電池ケース２の内部に漏れたと仮定しても、ジャンクションボックス１４に冷却水が浸入することがなく、ヒューズ、コンダクタ、サービスプラグ、セルモニターユニット等、電力系統の分岐や中継等の端子、端末が冷却水により破損することがない。

図７を参照して仕切り板１３の高さＨの設定を説明する。

図７（ａ）は水位を設定するための各構成部材の関係を示し、図７（ｂ）は冷却水の水位と水量との関係を表すグラフを示してある。

図７（ａ）に示すように、仕切り板１３（図１など参照）の高さは、冷却水の総量Ｖ、電池ケース２の底面積Ａ（ヒートシンク５の面積）、電池セル１１の底面積ａ、電池セル１１の高さｈｂに基づいて設定されている。尚、ここでの電池セル１１の高さｈｂは、端子１２を含まない電池セル１１の本体部の高さとする。

即ち、冷却水系に循環される冷却水の総量Ｖが電池ケース２内に浸入したと仮定した際の冷却水の水位ｈが設定水位とされる。設定水位ｈは、電池セル１１の高さｈｂ未満までの範囲の算出式（下記（１）式参照）を求め、（１）式を用い、電池セル１１の高さｈｂ以上の算出式（下記（２）式参照）に応じて求められる。つまり、最終的に（２）式で設定水位ｈが求められることになり、求める過程で、電池セル１１の高さｈｂ未満までの範囲の（１）式が用いられる。

電池セル１１の高さｈｂ未満までの算出式は、冷却水の総量Ｖ、電池ケース２の底面積Ａ、電池セル１１の底面積ａ（×電池セルの数ｎ）に基づいて設定される。電池セル１１の高さｈｂ以上の算出式は、冷却水の総量Ｖ、電池ケース２の底面積Ａ、電池セル１１の底面積ａ（×電池セルの数ｎ）に加え、電池セル１１の高さｈｂに基づいて設定される。

そして、仕切り板１３は、設定水位ｈよりも高い位置（高さＨ）に配される。このため、冷却水の総量Ｖ、電池ケース２の形状、電池セル１１の形状、高さＨにより、冷却水の水位を設定して仕切り板１３を的確な位置に配置することができる。

水位ｈの設定を具体的に説明する。

水面が電池セル１１の高さｈｂ未満までの範囲の水位、即ち、冷却水の量がＶ１までの水位は、以下の（１）式により設定される。
水位ｈ＝Ｖ／（Ａ−ｎ・ａ）・・・（１）

但し、図７（ａ）に示したように、
Ｖは冷却水量、
Ａはケースボックス３の底面の面積（ヒートシンク５の面積）、
ａは電池セル１１の底面積、
ｎは電池セル１１の数である。

そして、（１）式において、水位ｈが電池セル１１の高さｈｂと等しくなり、それ以上の水位、即ち、冷却水の量がＶ２までの水位は、以下の（２）式により設定される。
水位ｈ＝［{Ｖ−（Ａ−ｎ・ａ）・ｈｂ}／Ａ］＋ｈｂ・・・（２）
但し、図７（ａ）に示したように、ｈｂは電池セル１１の高さである。

（３）式を求める手順は以下の通りである。
電池セル１１の高さまでの冷却水量は、（Ａ−ｎ・ａ）・ｈｂ
で表すことができ、
電池セル１１の高さ以上の冷却水量は、Ａ（ｈ−ｈｂ）
で表すことができるので、
冷却水量Ｖによる液面の高さ（水位ｈ）は、以下の（３）式により表すことができる。
冷却水量Ｖ＝（Ａ−ｎ・ａ）・ｈｂ＋Ａ（ｈ−ｈｂ）・・・（３）
（３）式を整理することにより、水位ｈを求めることができる。

即ち、
Ｖ＝（Ａ−ｎ・ａ）・ｈｂ＋Ａ（ｈ−ｈｂ）を整理すると、
Ａ（ｈ−ｈｂ）＝Ｖ−（Ａ−ｎ・ａ）・ｈｂ
（ｈ−ｈｂ）＝{（Ｖ−（Ａ−ｎ・ａ）・ｈｂ}／Ａ
ｈ＝［{（Ｖ−（Ａ−ｎ・ａ）・ｈｂ}／Ａ］＋ｈｂ
となる。

つまり、冷却水量Ｖによる液面の高さ（水位ｈ）を求めることで、上述した（２）式に示すように、設定水位となる水位ｈを求めることができる。

従って、図７（ｂ）に示すように、電池セル１１の高さを境として、水面の高さが電池セル１１の高さ未満の場合、（１）式で、冷却水の水量Ｖ、ケースボックス３の底面の面積Ａ、電池セル１１のトータルの底面積（ｎ・ａ：電池セル１１の底面積）により高さが設定される。そして、水面の高さが電池セル１１の高さ以上の場合、（２）式で、冷却水の水量Ｖ、ケースボックス３の底面の面積Ａ、電池セル１１のトータルの底面積（ｎ・ａ：電池セル１１の底面積）に、電池セル１１の高さｈｂを加えて高さが設定される。

このようにして、冷却水量Ｖに対しての水面の高さが（水位ｈ）が求められ、設定数位とされる。仕切り板１３が配される位置の高さＨは、設定水位ｈよりも高い位置に設定される。

従って、冷却水の総量Ｖ、電池ケース２の形状、電池セル１１の形状、電池セル１１の高さｈｂにより、万一、冷却水が漏れたと仮定した際の水位が設定され、設定された水位ｈよりも高い位置に仕切り板１３を配置することができる。このため、冷却水の総量Ｖが電池ケース２内に浸入したと仮定しても、仕切り板１３よりも上に冷却水が浸入することがなく、ジャンクションボックス１４に冷却水の影響が及ぶことがない。

万一、仕切り板１３の下側の空間に冷却水が漏れたと仮定し、車体の揺れ等により冷却水が飛散しても、仕切り板１３の周縁が電池ケース２の内壁面に密着して固定されていない部位には、折り返し部１９が備えられているため、冷却水の液面に跳ね上がりが生じても、仕切り板１３の上側への冷却水の飛散が折り返し部１９で阻止される。

そして、ケースボックス３の底面との間に隙間１８が存在するバッファ板部材１７により、電池ケース２が横方向で仕切られているため、万一、仕切り板１３の下側の空間に冷却水が漏れたと仮定しても、車体の揺れ等に伴う液面の揺れのエネルギーを吸収して水の跳ね上がりを抑制することができる。また、隙間１８の存在により、冷却水が漏れたと仮定しても、偏在をなくして部分的に水位が高くなることをなくすことができる。

従って、万一、電池ケース２の内部で冷却水の漏れが生じたとしても、ジャンクションボックス１４に冷却水が浸入せず、ヒューズ、コンダクタ、サービスプラグ、セルモニターユニット等、電力系統の分岐や中継等の端子、端末が冷却水により破損することがなく、冷却水による電池装置１の構成部材の損傷を最小限に抑制することができる。

図８、図９に基づいてバッファ板部材の他の実施例を説明する。

図８（ａ）、図９（ａ）には他の実施例に係るバッファ板部材の断面視、図８（ｂ）、図９（ｂ）には他の実施例に係るバッファ板部材の側面視を示してある。

図８に示したバッファ板部材３１は、仕切り板１３の下面からケースボックス３の底面に亘って設けられ、バッファ板部材３１には冷却水が流通する多数の穴３２が設けられている。このため、上下が固定されたバッファ板部材３１により、液面の揺れのエネルギーを吸収して水の跳ね上がりを抑制することができ、穴３２の存在により、冷却水の偏在をなくすことができる。

図９に示したバッファ板部材３５は、仕切り板１３の下面に設けられ、ケースボックス３の底面との間に隙間３６が形成されている。バッファ板部材３５の両側のケースボックス３の底面には、側面視で隙間３６の部位に対応した下バッファ板部材３７が設けられている。このため、側面視で隙間３６が覆われた、バッファ板部材３５、及び、下バッファ板部材３７により、液面の揺れのエネルギーを吸収して水の跳ね上がりを抑制することができる。そして、隙間３６の存在により、冷却水の偏在をなくすことができる。

上述した実施例では、ケースボックス３の底面にヒートシンク５を隙間なく配した例を挙げて説明したが、ケースボックス３の底面（電池ケース２の底部）とヒートシンク５との間に、緊急時に冷却水を案内するスペースを設けることも可能である。この場合、ケースボックス３の底面とヒートシンク５との間の容量に基づいてスペースでの冷却水の水位を求め、設定水位を求める際には、下側のスペースの水位が加味される。

本発明は、内部に冷却水が循環される電池装置の産業分野で利用することができる。

１ 電池装置
２ 電池ケース
３ ケースボックス
４ カバー
５ ヒートシンク
６ 供給管
７ 排出管
１１ 電池セル
１２ 端子
１３ 仕切り板
１４ ジャンクションボックス
１５ バスバー
１６ シールゴム
１７、３１、３５ バッファ板部材
１８、３６ 隙間
１９ 折り返し部
２１ 循環経路
２２ タンク
２３ 給水ポンプ
２４ 熱交換器
３７ 下バッファ板部材

Claims (6)

1. 電池を収容する電池ケースと、
   前記電池ケースの内部の底部側に配され、前記電池を冷却する冷却水が循環する冷却水循環部材と、
   前記冷却水循環部材の上側に設置された前記電池の上側に配され、前記電池ケースを上下方向に仕切る仕切り板と、
   前記仕切り板の上側に配される電子部品とを備え、
   前記仕切り板は、
   前記冷却水循環部材に循環される冷却水の総量が前記電池ケース内に浸入したと仮定した際の冷却水の設定水位よりも高い位置に配されている
   ことを特徴とする電池装置。
2. 請求項１に記載の電池装置において、
   前記設定水位は、前記冷却水の総量、前記電池ケースの底面積、前記電池の底面積、前記電池の高さに基づいて設定される
   ことを特徴とする電池装置。
3. 請求項２に記載の電池装置において、
   前記設定水位は、前記電池の高さを境として、電池の高さ未満までの算出式、電池の高さ以上の算出式に応じて求められ、
   前記電池の高さ未満の場合の算出式は、前記冷却水の総量、前記電池ケースの底面積、前記電池の底面積に基づいて設定され、
   前記電池の高さ以上の場合の算出式は、前記冷却水の総量、前記電池ケースの底面積、前記電池の底面積に加え、前記電池の高さに基づいて設定される
   ことを特徴とする電池装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電池装置において、
   前記電池ケースの前記仕切り板の下側の前記電池ケースを、前記仕切り板に対して略垂直な方向に仕切ると共に流体の流通を許容するバッファ板部材を配した
   ことを特徴とする電池装置。
5. 請求項４に記載の電池装置において、
   前記電池は、複数の電池セルにより構成され、
   前記バッファ板部材は、前記電池セルの間に配されている
   ことを特徴とする電池装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電池装置において、
   前記仕切り板の周縁部の少なくとも一部には、前記電池ケースの内壁に沿って上方に折り返される折り返し部が形成されている
   ことを特徴とする電池装置。

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