JP4580037B1 - 電池システム、及び電池の安全警報システム - Google Patents
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Abstract
【課題】電池の破裂を防止することができる電池システム、及び、そのための電池の安全警報システムを提供する。
【解決手段】本実施形態の電池システムは、円筒型、且つ、電解質として有機電解液を含むリチウムイオン電池２と、レーザ光を出射するレーザ光源３と、リチウムイオン電池２の外周部に複数条巻き付けられ、且つ、光源３から出射されたレーザ光が伝送されるシングルモードの光ファイバ４と、光ファイバ４により伝送されたレーザ光を受光し、光ファイバ４によるレーザ光の損失又は損失の経時変化に基づいてリチウムイオン電池４の異常を検知する検知器６と、検知器６によりリチウムイオン電池２の異常が検知された場合に、該異常を警告する警報器７とを有する。
【選択図】図１
【解決手段】本実施形態の電池システムは、円筒型、且つ、電解質として有機電解液を含むリチウムイオン電池２と、レーザ光を出射するレーザ光源３と、リチウムイオン電池２の外周部に複数条巻き付けられ、且つ、光源３から出射されたレーザ光が伝送されるシングルモードの光ファイバ４と、光ファイバ４により伝送されたレーザ光を受光し、光ファイバ４によるレーザ光の損失又は損失の経時変化に基づいてリチウムイオン電池４の異常を検知する検知器６と、検知器６によりリチウムイオン電池２の異常が検知された場合に、該異常を警告する警報器７とを有する。
【選択図】図１
Description
本開示は、電池システム、及びそのための電池の安全警報システムに関する。
各種の電子機器に、アルカリ乾電池、ニッケル乾電池などの１次電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池が使用されている。特に、携帯電話を含む携帯型の情報端末機器では、その動力源として軽く、貯蔵できるエネルギーが大きいことにより長時間使用が可能なリチウムイオン二次電池（以下、単に「リチウムイオン電池」という）が使用されている（非特許文献１参照）。また、リチウムイオン電池は、そのエネルギー密度が高いこと、自己放電特性（エネルギー保持特性）に優れること、デンドライト状物質の析出に起因する電極間短絡の問題が実質的に生じないことから、上記の端末機器だけでなく、例えば、ハイブリッド型自動車等の電源として使用されており、さらに、開発が進んでいる電気自動車への搭載も期待されている。
一般に、リチウムイオン電池を含む各種の電池は、密閉性が高く、過充電や逆装てんによる充電などが原因で電池内圧が極度に上昇することがある。このような場合に備え
、電池の破裂を防止すべく、通常、各種の電池には、内圧上昇の原因となるガスを電池外部へ放出するための安全弁が設けられている。
、電池の破裂を防止すべく、通常、各種の電池には、内圧上昇の原因となるガスを電池外部へ放出するための安全弁が設けられている。
[online][２０１０年３月１８日検索]インターネット＜http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/battery/lithiumion.htm＞
しかしながら、その安全弁が正常に作動しない場合には、電池の破裂に至ってしまうおそれがある。特に、例えば車載用途が期待されるリチウムイオン電池の破裂は、発火の原因となり得ることから、実用化のためには、電池の破裂を防止するための防護対策を万全に施す必要がある。
そこで、電池の破裂を防止することができる電池システム、及び、そのための電池の安全警報システムを提供することが望まれる。
本開示による電池システムは、電池と、光を出射する光源と、電池の外面部（例えば、セル単位又はそのセルが複数連接されたモジュール単位の電池自体の外面でもよいし、その電池が収容される筐体の外面でもよい）に接触して設けられ、且つ、光源から出射された光が伝送される光ファイバと、光ファイバにより伝送された光を受光し、光ファイバの伝送特性に基づいて電池の異常を検知する検知器とを有する。
上記構成では、電池内圧の上昇により電池の外形が大きくなると、電池の外面部に接触した光ファイバに側圧が作用する。側圧とは、ファイバの側面に作用する圧力である。光ファイバへかかる側圧が作用すると、光ファイバの伝送特性が悪化する。従って、光ファイバによる伝送特性の変化（つまり、伝送損失）を計測することにより、その計測結果に基づいて、検知器により電池の異常を検知することが可能となる。このようにして、検知器により電池の異常が検知された場合に、電池の使用を停止するにより、電池の破裂を未然に防ぐことが可能となる。
例えば、検知器により電池の異常が検知された場合に、該異常を警告する警報器をさらに有する。警報器により異常が警告されることにより、電池の異常を速やかに知らせることができる。なお、「警告」とは、検知器による異常検知信号を出力／伝達／伝送／送出するあらゆる作為を含む。また、検知器及び警報器のいずれか一方が他方を兼ねていてもよく、これらは別体に設けられていても、一体に設けられていても構わない。
また、例えば、検知器は、光ファイバによる光の損失（伝送損失の絶対値）に基づいて、電池の異常を検知する。あるいは、検知器は、光ファイバによる光の損失の経時変化に基づいて、電池の異常を検知する。
さらに、例えば、電池は、リチウムイオン電池である。また、例えば、リチウムイオン電池は、電解質として有機電解液を含む。リチウムイオン電池に使用されている有機電解液は、揮発性が高い傾向にあるので、過充電などで電池が高温になるとその内部の圧力が上昇し、破裂しやすくなる可能性があることから、本開示は、特にリチウムイオン電池の破裂を効果的に防止することができる。
またさらに、光ファイバのモードは特に制限されず、例えば、シングルモードの光ファイバが挙げられ、光源としては、レーザ光（レーザの種類も特に制限されず、例えば、半導体レーザ）を出射するものが挙げられる。シングルモードの光ファイバは、マルチモードの光ファイバと比べて、側圧の作用による特性劣化が大きい傾向にある。すなわち、電池の同じ外形変化に対して、伝送される光の損失が大きくなり、検知器により電池の外形異常を検知しやすくなる。これにより、電池の外形の変化に対する感度をより高めることができる。
さらにまた、例えば、電池は、筒型（円筒状でも角筒状でもよい）の外形を有する。例えば、光ファイバは、電池の外面部に巻き付けられている。これにより、電池の外面部が局所的に変化した場合においても、光ファイバに側圧が作用することから、光ファイバが電池の外面部に巻き付けられていない場合に比して、電池の外形異常をより効果的に又はより高感度で検知することができる。また、電池の側圧が作用する光ファイバの面積が大きくなることから、側圧に対する光の伝送特性の変化が大きくなり、電池の外形異常をより効果的にかつより確実に検知することができる。また、例えば、光ファイバが、電池の外面部に複数条巻き付けられることにより、電池の外形異常に対する感度を更に一層高めることができる。
本開示は、上記の電池システムを有する自動車、携帯電話、パーソナルコンピュータに用いると有用であり、これにより、電池の破裂を防止することが可能な防護対策を備える自動車、携帯電話、パーソナルコンピュータを提供できる。
また、本開示による電池の安全警報システムは、光を出射する光源と、電池の外面部に接触して設けられ、且つ、光源から出射された光が伝送される光ファイバと、光ファイバにより伝送された光を受光し、光ファイバの伝送特性に基づいて電池の異常を検知し、かつ、電池の異常が検知された場合に、その異常を警告する検知警報器とを有する。
或いは、本開示による電池システムは、筒型、且つ、電解質として有機電解液を含むリチウムイオン電池と、レーザ光を出射するレーザ光源と、リチウムイオン電池の外周部に複数条巻き付けられ、且つ、光源から出射されたレーザ光が伝送されるシングルモードの光ファイバと、光ファイバにより伝送されたレーザ光を受光し、光ファイバによるレーザ光の損失又は損失の経時変化に基づいてリチウムイオン電池の異常を検知する検知器と、検知器によりリチウムイオン電池の異常が検知された場合に、その該異常を警告する警報器とを有する。
上記構成では、電池内圧の上昇によりリチウムイオン電池の外形が大きくなると、リチウムイオン電池の外周部に接触したシングルモードの光ファイバに側圧が作用する。光ファイバへ側圧が作用すると、光ファイバの伝送特性が悪化し、光ファイバによるレーザ光の損失が増加する。この光ファイバによるレーザ光の損失又は損失の経時変化に基づいて、検知器によりリチウムイオン電池の異常が検知され、警報器によりリチウムイオン電池の異常が警告される。リチウムイオン電池の異常が警告された場合、リチウムイオン電池の使用を停止するなどの処理や動作を行うことにより、リチウムイオン電池の破裂を未然に防ぐことが可能となる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右などの位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本開示は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
図１は、本実施形態の電池システムの構成を示す図である。また、図２は、電池システムに使用されるリチウムイオン電池の構成を示す図である。本実施形態に係る電池システム１は、リチウムイオン電池２と、光源３と、光ファイバ４と、検知警報器５（検知器及び警報器を兼ねる）とを有する。
図２に示すように、リチウムイオン電池２は、例えば、円筒形にパッケージ化されている。リチウムイオン電池２は、芯部を中心として、シート状の陽極（正極）２１、セパレータ２２、及び陰極（負極）２３が、何枚も重ねて巻き付けられている。陽極２１、セパレータ２２及び陰極２３は、電解質としての電解液に浸漬されている。
陽極２１は、リチウムイオンを挿入及び脱離することができる金属酸化物を含み、その材料に限定はないが、例えば、リチウム・コバルト系複合酸化物（LiCoO2）、リチウム・ニッケル系複合酸化物（LiNiO2）、リチウム・マンガン系複合酸化物（LiMn2O2）、リチウム・鉄系複合酸化物（LiFeO2）などからなる。
セパレータ２２は、電解液を陽極２１と陰極２３との間に保持し、陽極２１と陰極２３とが相互に接触することを防止するために設けられている。セパレータ２２は、リチウムイオンが通過可能であり且つ電解液を保持可能な材料であれば特に限定はないが、例えば多孔質プラスチックからなる。
セパレータ２２に含浸させる電解液は、例えば、炭酸エチレンや炭酸ジエチル等の有機溶媒と、リチウム塩からなる溶質とを含む有機電解液からなる。有機電解液は、揮発性があり、過放電などで高温になると電池の内部の圧力を上昇させる可能性がある。
陰極２３は、リチウムイオンを挿入及び脱離することができる材料を含み、その材料に限定はないが、例えば、黒鉛等の炭素材料からなる。
陽極端子２４は、陽極２１に電気的に接続されており、例えば、アルミニウムにより形成される。また、陰極端子２５は、陰極２３に電気的に接続されており、例えば、ニッケルにより形成される。
リチウムイオン電池の充放電の原理について説明する。放電の場合は、陰極２３に含まれているリチウムが電解液の中でイオン化され、セパレータ２２を通過して陽極２１に到達する。このときのリチウムのイオン化に伴って電子が解放されることにより、これら電子が外部回路を流れる電流となる。充電の場合は、陽極端子２４と陰極端子２５に外部から電圧をかけると、陽極２１に存在するリチウムイオンは、セパレータ２２を通過して放電とは逆に陰極２３へ戻る。この繰り返しによる化学反応が、リチウムイオン電池２が二次電池として働く基本原理である。
上記のリチウムイオン電池２が過充電されると、高温になり、その結果、有機電解液が揮発して電池内部の圧力が上昇し、電池パッケージが膨張する可能性がある。このような電池内部の圧力の上昇は、陽極や陰極などの電池の主要構成成分に不純物が誤って混入された場合にも生じる。図２に示すリチウムイオン電池２では、このような電池の内部の圧力の上昇を防止するために、安全弁２６が設けられている。安全弁２６は、電圧内圧が所定の閾値を超えた場合に開いて、内部のガスを外部へ逃がすように構成されている。
本実施形態に係る電池システム１では、安全弁２６が正常に作動しない又は安全弁２６を備えていない場合であっても、上記のリチウムイオン電池２の外形の変化を監視し、破裂を防止するためのシステムとして、光源３、光ファイバ４及び検知警報器５が設けられている。
光源３は、光ファイバ４の一端に結合されており、光ファイバ４へ向けて光を出射する。光源３は、例えば、レーザ光を出射する。レーザ光の波長は、使用環境、用途に応じ適宜選択されてよいが、例えば、１．３１μｍ又は１．５５μｍの波長が用いられる。レーザ光源の種類も特に制限されず、例えば、半導体レーザが用いられる。
光ファイバ４は、リチウムイオン電池２の外周部に密着して設けられており、一端が光源３に光学的に結合され、他端が検知警報器５に光学的に結合されている。このように、リチウムイオン電池２の外周部に光ファイバ４を密着させることにより、図３に示すように、リチウムイオン電池２の内部の圧力の上昇により電池の外形が大きくなると、光ファイバ４に引っ張り張力が作用し、その結果、光ファイバ４に側圧が作用する。光ファイバ４へ側圧が作用すると、通常、光ファイバ４の伝送特性が悪化し、光ファイバ４による光の損失が増加する。この損失を検知警報器５により検知することにより、リチウムイオン電池２の外形異常を検知することが可能となる。従って、光ファイバ４は、リチウムイオン電池２の外周部に接触していればよく、リチウムイオン電池２の外周部に１条だけ巻き付けられていてもよい。
図１に示すように、リチウムイオン電池２の外周部に光ファイバ４を巻き付けることにより、リチウムイオン電池２の外周部の一部が変化した場合においても、光ファイバ４に側圧が作用することとなり、リチウムイオン電池２の全側面の変化を監視することができる。また、リチウムイオン電池２の外周に光ファイバ４を複数条巻き付けることにより、リチウムイオン電池２の外周部と光ファイバ４との接触面積を大きくすることができ、側圧に対する光ファイバの伝送特性の変化を大きくすることができる。
図４は、光ファイバ４の構成の一例を示す断面図である。光ファイバ４は、コア４１と、コア４１の外側を被覆するクラッド４２と、クラッド４２の外側を被覆する被覆層４３とを有する。光ファイバ４は、例えば、石英ガラス又はプラスチック材料により形成される。
コア４１は、クラッド４２よりも高い屈折率の材料により形成される。プラスチック材料を用いる場合には、クラッド４２は、例えばフッ素系ポリマーが用いられ、コア４１はフッ素系ポリマーよりも高い屈折率の材料により形成される。例えば、コア４１として、完全フッ素系ポリマー、ポリメタクリル酸メチル系材料、ポリカーボネート、ポリスチレンが用いられる。石英ガラスを用いる場合、コア４１、クラッド４２ともに、石英ガラスにより形成される。コア４１には、屈折率を上げるために、例えばゲルマニウムやリンが添加される。また、クラッド４２には、屈折率を下げるために、例えばホウ素やフッ素が添加される。
被覆層４３は、通常、クラッド４２の外側を被覆する１次被覆層４３ａと、１次被覆層４３ａの外側をさらに被覆する２次被覆層４３ｂの２層構造からなる。１次被覆層４３ａは、外力を分散させる目的で形成されており、弾性率が２次被覆層４３ｂよりも小さな樹脂により形成される。２次被覆層４３ｂは、光ファイバの機械的強度を補償する目的で形成されており、弾性率が１次被覆層４３ａよりも大きな材料により形成される。
光ファイバ４の種類、構造は、使用環境、用途に応じて、適宜選択されれば良いが、一例として、シングルモードファイバが用いられる。シングルモードファイバは、伝播させる光の振動モードが単一のファイバであり、マルチモードファイバに比べてコア４１の径が小さいものである。シングルモードファイバの場合、コア４１の径は約８μｍ〜１２μｍである。シングルモードファイバを用いることにより、マルチモードファイバを用いる場合に比べて、側圧に対する伝送特性の変化を大きくすることができる。
また、本実施形態では、例えば、被覆層４３をできるだけ薄くし、且つコア４１とクラッド４２の屈折率比（Δ％）ができだけ小さくした光ファイバ４が用いられる。これにより、側圧に対する伝送特性の変化を
大きくすることができる。
大きくすることができる。
なお、光源３からリチウムイオン電池２までの途中部及びリチウムイオン電池２から検知警報器５までの部分においては、リチウムイオン電池２の外形変化以外の外力が加わることによる光ファイバ４の伝送特性の変化を防止するために、被覆層４３の外側にさらに補強用の被覆層が形成されていてもよい。補強用の被覆層は、例えば、ナイロンやポリエチレンを使用することができる。または、光ファイバ４を補強用のパイブに挿入してもよい。これにより、リチウムイオン電池２の外形変化以外の外力に起因する検知誤差を少なくすることができる。
図５は、光ファイバ４における側圧と損失の関係の一例を示す図である。ここで使用された円筒形のリチウムイオン電池２の寸法は、外形３４．２ｍｍ、長さ６１．５ｍｍである。光ファイバ４として、クラッド径８０μｍ、外形１２５μｍ、コアとクラッドの屈折率比０．３５〜０．３８％のシングルモードファイバを使用した。このシングルモードファイバをリチウムイオン電池２の外形に沿って密着させながら、約５０ｍｍにわたり巻き付けた。この場合、光ファイバ４の最小曲げ径は、約５ｍｍである。また、照射波長１．５５μｍのレーザ光を使用した。図５に示すように、光ファイバ４に作用する側圧に比例して損失が増加することが確認された。
検知警報器５は、光ファイバ４により伝送されたレーザ光を受光し、光ファイバ４の伝送特性の変化（光の損失の増加）に基づいてリチウムイオン電池２の異常を警告する。具体的には、検知警報器５は、検知器６及び警報器７を有する。
検知器６は、光ファイバ４により伝送されたレーザ光を受光し、光ファイバによるレーザ光の伝送特性の変化に基づいてリチウムイオン電池の異常を検知する。検知器６は、例えば、光ファイバからの光信号を電気信号に変換するフォトダイオード等からなるＯ／Ｅ変換器（Optical/Electronic signal converter）と、Ｏ／Ｅ変換器からの電気信号に基づいて光ファイバによる光の損失を演算し、予め設定された閾値と光の損失とを比較して、該比較結果に基づいて警報器７を制御する制御回路とを含む。検知器６は、例えば、レーザ光の損失の絶対値に基づいて、リチウムイオン電池２の異常を検知する。この場合には、レーザ光の損失と、予め定めた閾値とを比較して、レーザ光の損失が閾値よりも大きい場合には、リチウムイオン電池２の異常を検知する。閾値は、例えば実際に使用する環境下において、予め図５に示すような光ファイバ４における側圧と損失の関係を測定することにより、決定される。あるいは、検知器６は、レーザ光の損失の経時変化量に基づいて、リチウムイオン電池２の異常を検知してもよい。これにより、急激なリチウムイオン電池２の外形変化を異常として検知することができる。
警報器７は、検知器６によりリチウムイオン電池の異常が検知された場合に、当該異常を警告する。警報器７は、例えば、異常を表示するか、警報を鳴らすことにより、異常を警告する。
上記の本実施形態に係る電池システム１の動作について説明する。光源３により出射されたレーザ光は、光ファイバ４を介して伝送されて、検知器６に受光される。検知器６では、光ファイバ４を介して伝送されるレーザ光の受光量がモニタされ、光の損失が測定される。リチウムイオン電池２の内部圧力の上昇等によりリチウムイオン電池２の外形が変化した場合、光ファイバ４に側圧が作用し、その結果、光ファイバ４の伝送特性が悪化する。この場合、検知器６で測定される光の損失が増加する。例えば、光の損失が所定の閾値になった場合には、警報器７により警告（表示又は音）が発せられる。警報器７により警告が発せられた場合には、リチウムイオン電池２の使用を停止すればよい。その後、リチウムイオン電池２は点検されて再使用されるか、廃棄されることとなる。なお、警報器７により警告が発せられた後の対応については、特に限定はない。
なお、上述したとおり、本開示は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、セル単位又はそのセルが複数連接されたモジュール単位の電池自体の外面や、その電池が収容される筐体の外面に光ファイバ４を巻き付けてもよい。例えば、本実施形態では、リチウムイオン電池２は、角形やコイン形であってもよい。また、リチウムイオン電池２の構造に限定はない。さらに、本実施形態は、リチウムイオン電池以外の二次電池、アルカリ乾電池、ニッケル乾電池などの１次電池、又は燃料電池に適用可能である。
本開示の電池の安全警報システムは、リチウムイオン電池を含む２次電池の全般、アルカリ乾電池、ニッケル乾電池などの１次電池、又は燃料電池に利用することができる。また、本開示の電池システムは、携帯電話、パーソナルコンピュータを含む電子機器全般の他、自動車に利用することができる。
１…電池システム、２…リチウムイオン電池、３…光源、４…光ファイバ、５…検知警報器、６…検知器、７…警報器、２１…陽極、２２…セパレータ、２３…陰極、２４…陽極端子、２５…陰極端子、２６…安全弁、４１…コア、４２…クラッド、４３…被覆層、４３ａ…１次被覆層、４３ｂ…２次被覆層。
Claims (15)
- 筒型、且つ、電解質として有機電解液を含むリチウムイオン電池と、
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記リチウムイオン電池の外周部に複数条巻き付けられ、且つ、前記光源から出射された前記レーザ光が伝送されるシングルモードの光ファイバと、
前記光ファイバにより伝送された前記レーザ光を受光し、前記光ファイバに側圧が作用することによる前記レーザ光の損失又は損失の経時変化に基づいて前記リチウムイオン電池の異常を検知する検知器と、
前記検知器により前記リチウムイオン電池の異常が検知された場合に、該異常を警告する警報器と、
を有する電池システム。 - 筒型、且つ、電解質として有機電解液を含むリチウムイオン電池と、
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記リチウムイオン電池の外周部に複数条巻き付けられ、且つ、前記光源から出射された前記レーザ光が伝送されるシングルモードの光ファイバと、
前記光ファイバにより伝送された前記レーザ光を受光し、受光量の経時変化に基づいて前記リチウムイオン電池の異常を検知する検知器と、
前記検知器により前記リチウムイオン電池の異常が検知された場合に、該異常を警告する警報器と、
を有する電池システム。 - 電池と、
光を出射する光源と、
前記電池の外面部に巻き付けられ、且つ、前記光源から出射された光が伝送されるシングルモードの光ファイバと、
前記光ファイバにより伝送された光を受光し、前記光ファイバに側圧が作用することによる伝送特性の変化に基づいて前記電池の異常を検知する検知器と、
を有する電池システム。 - 電池と、
光を出射する光源と、
前記電池の外面部に巻き付けられ、且つ、前記光源から出射された光が伝送されるシングルモードの光ファイバと、
前記光ファイバにより伝送された光を受光し、受光量の経時変化に基づいて前記電池の異常を検知する検知器と、
を有する電池システム。 - 前記検知器により前記電池の異常が検知された場合に、該異常を警告する警報器をさらに有する、
請求項３又は４に記載の電池システム。 - 前記電池は、リチウムイオン電池である、
請求項３又は４に記載の電池システム。 - 前記リチウムイオン電池は、電解質として有機電解液を含む、
請求項６記載の電池システム。 - 前記光源は、レーザ光を出射する、
請求項３又は４に記載の電池システム。 - 前記電池は、筒型の外形を有する、
請求項３又は４に記載の電池システム。 - 前記光ファイバは、前記電池の外面部に複数条巻き付けられている、
請求項３又は４に記載の電池システム。 - 請求項３又は４に記載の電池システムを有する自動車。
- 請求項３又は４に記載の電池システムを有する携帯電話。
- 請求項３又は４に記載の電池システムを有するパーソナルコンピュータ。
- 光を出射する光源と、
電池の外面部に巻き付けられ、且つ、前記光源から出射された光が伝送されるシングルモードの光ファイバと、
前記光ファイバにより伝送された光を受光し、前記光ファイバに側圧が作用することによる伝送特性の変化に基づいて前記電池の異常を検知し、かつ、前記電池の異常が検知された場合に、該異常を警告する検知警報器と、
を有する電池の安全警報システム。 - 光を出射する光源と、
電池の外面部に巻き付けられ、且つ、前記光源から出射された光が伝送されるシングルモードの光ファイバと、
前記光ファイバにより伝送された光を受光し、受光量の経時変化に基づいて前記電池の異常を検知し、かつ、前記電池の異常が検知された場合に、該異常を警告する検知警報器と、
を有する電池の安全警報システム。
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