JP6428448B2 - 絶縁抵抗低下検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁抵抗低下検出装置に関し、より特定的には、車両に搭載された電気系統の絶縁抵抗の低下を検出するための装置に関する。

近年、環境に配慮した車両として、蓄電装置（たとえば二次電池やコンデンサなど）を搭載し、蓄電装置に蓄えられた電力を用いて、モータによって発生する駆動力により走行する車両が注目されている。このような車両には、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車などが含まれる。

このような車両には、蓄電装置、走行用のモータ、およびそれを駆動するためのインバータなど、比較的高電圧の電気機器が搭載されており、一般的には、これらの高圧システムと車両の接地電位とは電気的に絶縁された構成となっている。

特開２０１４−１５５３２９号公報（特許文献１）は、このような電動車両において、車両に搭載された電気系統の絶縁低下を判定する構成を開示する。特開２０１４−１５５３２９号公報（特許文献１）においては、電気系統に交流信号を印加し、その交流信号の波高値を検出することによって、絶縁低下が生じているか否かが判定される。

特開２０１４−１５５３２９号公報 特開２００７−１４７３９１号公報 特開２００２−３２３５２６号公報

上記のような構成の車両においては、電気系統にどのような電気機器が接続されるかによって、コモンモードにおける高電圧回路の浮遊容量が変化し、それによって検出対象の電気系統のインピーダンスが変化する。浮遊容量が増加すると、絶縁抵抗が見かけ上低下してしまうため、実際には電気系統の絶縁状態が正常であっても、絶縁状態が低下していると誤判定してしまう可能性がある。

特開２０１４−１５５３２９号公報（特許文献１）では、電気系統に印加する交流信号の周波数を切換え、それぞれの周波数を用いた場合の波高値からコモンモードにおける浮遊容量を推定し、その推定結果に基づいて、絶縁低下を判定するためのしきい値を変更することによって、上記のようなインピーダンス変化による誤検出を防止している。

しかしながら、特開２０１４−１５５３２９号公報（特許文献１）で提案される手法では、交流信号の周波数を切換えるための機構が必要であったり、推定機能を実現するために処理が複雑化する可能性があるため、コスト面および小型化の観点からは、さらなる改善の余地がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、比較的シンプルな構成を用いて、車両に搭載された電気系統の絶縁抵抗の低下を精度よく検出することである。

本発明に係る絶縁抵抗検出装置は、車両に搭載された電気系統の絶縁抵抗の低下を検出するための絶縁抵抗低下検出装置である。絶縁抵抗低下検出装置は、信号発生部と、検出部と、設定部と、判定部とを備える。信号発生部は、電気系統に電気的に接続される信号線に交流信号を与える。検出部は、信号線における交流信号の波高値を検出する。設定部は、電気系統に接続される電気機器に応じて、絶縁低下判定用のしきい値を変更する。判定部は、検出部によって検出された波高値が、設定部で設定されたしきい値を下回ったことに基づいて、絶縁抵抗の低下を検出する。

このような構成とすることによって、電気系統に接続される電気機器に起因する浮遊容量の変化を考慮して、絶縁低下判定用のしきい値が設定できるため、比較的シンプルな構成を用いて絶縁抵抗の低下を精度よく検出することが可能となる。

本発明によれば、車両に搭載された電気系統の絶縁抵抗の低下の検出精度を向上させることができる。

本実施の形態に従う絶縁抵抗低下検出装置を備える車両の全体ブロック図である。 図１における絶縁検出部の詳細を示すブロック図の一例である。 検出部で検出される波高値と絶縁抵抗との関係を説明するための図である。 電気系統に含まれる電気機器のコモン容量と絶縁判定しきい値の一例を示す図である。 本実施の形態において、絶縁検出部で実行される絶縁抵抗検出制御を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［車両の基本構成］
図１は、本実施の形態に従う絶縁抵抗低下検出装置（以下、「絶縁検出部」とも称する。）６００を備える車両１００の全体ブロック図である。

図１を参照して、車両１００は、蓄電装置１１０と、システムメインリレーＳＭＲ１１５と、駆動装置であるＰＣＵ（Power Control Unit）１２０と、モータジェネレータ１３０と、駆動輪１４０と、補機装置１５０と、制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）３００と、絶縁低下検出装置である絶縁検出部６００とを備える。

蓄電装置１１０は、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。蓄電装置１１０は、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池あるいは鉛蓄電池などの二次電池や、電気二重層キャパシタなどの蓄電素子を含んで構成される。

蓄電装置１１０は、電力線ＰＬ１，ＮＬ１を介してＰＣＵ１２０に接続される。そして、蓄電装置１１０は、車両１００の駆動力を発生させるための電力をＰＣＵ１２０に供給する。また、蓄電装置１１０は、モータジェネレータ１３０で発電された電力を蓄電する。蓄電装置１１０の出力はたとえば２００Ｖ程度である。

蓄電装置１１０には、いずれも図示しないが、蓄電装置１１０の電圧および入出力電流を検出するための電圧センサや電流センサが設けられる。検出された電圧ＶＢおよび電流ＩＢはＥＣＵ３００へ出力される。ＥＣＵ３００は、これらの検出値に基づいて、蓄電装置１１０の充電状態ＳＯＣ（State of Charge）を演算する。

ＳＭＲ１１５は、蓄電装置１１０の正極端子と電力線ＰＬ１とに接続されるリレーと、蓄電装置１１０の負極端子と電力線ＮＬ１とに接続されるリレーとを含む。ＳＭＲ１１５は、ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥ１に基づいて、蓄電装置１１０とＰＣＵ１２０との間での電力の供給と遮断とを切換える。

ＰＣＵ１２０には、いずれも図示しないが、コンバータ、インバータなどが含まれる。コンバータは、ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＣにより制御されて蓄電装置１１０からの電圧を変換する。インバータは、ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＩにより制御されて、コンバータで変換された電力を用いてモータジェネレータ１３０を駆動する。

モータジェネレータ１３０は交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機である。

モータジェネレータ１３０の出力トルクは、減速機や動力分割機構などを介して駆動輪１４０に伝達されて、車両１００を走行させる。モータジェネレータ１３０は、車両１００の回生制動動作時には、駆動輪１４０の回転力によって発電することができる。そして、その発電電力は、ＰＣＵ１２０によって蓄電装置１１０の充電電力に変換される。

なお、図１においては、モータジェネレータおよびインバータのペアが１つ設けられる構成が示されるが、モータジェネレータおよびインバータの数はこれに限定されない。２つより多くのモータジェネレータおよびインバータのペアが設けられる構成としてもよい。

また、本実施の形態においては、車両１００として電気自動車を例として説明するが、車両１００はこれに限定されない。すなわち、車両１００は車両駆動力発生用の電動機を搭載する車両を示すものであり、電気自動車のほかに、燃料電池自動車や、エンジンおよび電動機により車両駆動力を発生するハイブリッド自動車などを含む。

補機装置１５０は、空調装置や、車両１００における低電圧系の機器を総称したものである。補機装置１５０としては、上記の空調装置の他、たとえば、蓄電装置１１０からの電圧を降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータや、補機バッテリ、および、オーディオなどの補機負荷が含まれる。

車両１００は、外部電源５００から供給される電力によって蓄電装置１１０を充電する外部充電のための構成として、さらに、充電装置２００と、充電リレーＣＨＲ２１０と、インレット２２０とを備える。

インレット２２０は、車両１００の外表面に設けられる。インレット２２０には、充電ケーブル４００のコネクタ４１０が接続される。そして、外部電源５００からの電力が、充電ケーブル４００を介して車両１００に伝達される。

充電ケーブル４００は、コネクタ４１０に加えて、外部電源５００のコンセント５１０に接続するためのプラグ４２０と、コネクタ４１０およびプラグ４２０とを電気的に結ぶ電線部４３０とを含む。また、電線部４３０には、外部電源５００からの電力の供給および遮断を切換えるための充電回路遮断装置（Charging Circuit Interrupt Device：ＣＣＩＤ）４４０が任意的に含まれてもよい。

充電装置２００は、電力線ＡＣＬ１，ＡＣＬ２を介して、インレット２２０に接続される。また、充電装置２００は、電力線ＰＬ２，ＮＬ２によって、充電リレーＣＨＲ２１０を介して蓄電装置１１０に接続される。充電装置２００は、ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＤにより制御され、インレット２２０から供給される交流電力を蓄電装置１１０の充電電力に変換する。

ＣＨＲ２１０は、蓄電装置１１０の正極端子と電力線ＰＬ２とに接続されるリレーと、蓄電装置１１０の負極端子と電力線ＮＬ２とに接続されるリレーとを含む。ＣＨＲ２１０に含まれる各リレーは、ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥ２によって制御され、充電装置２００から蓄電装置１１０への電力の供給と遮断とを切換える。

絶縁検出部６００は、蓄電装置１１０の負極と接地ノードＧＮＤ（車両のシャーシ）に接続され、図１に示された車両システムにおける電力経路の絶縁抵抗の低下、すなわち漏電の有無を検出する。絶縁検出部６００は、漏電の有無を示す信号ＬＤＰをＥＣＵ３００へ出力する。なお、絶縁検出部６００の詳細については図２で後述する。

ＥＣＵ３００は、いずれも図１には図示しないがＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および入出力バッファを含み、各センサ等からの信号の入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、車両１００および各機器の制御を行なう。なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

ＥＣＵ３００は、絶縁検出部６００からの漏電の有無を示す信号ＬＤＰを受ける。ＥＣＵ３００は、絶縁検出部６００からの信号ＬＤＰにより、走行中あるいは補機装置１５０を駆動しているときに車両システムの絶縁抵抗の低下が検出された場合には、ＰＣＵ１２０および補機装置１５０の駆動を停止するとともにＳＭＲ１を開放する。また、外部充電中に絶縁抵抗の低下が検出された場合には、充電装置２００の駆動を停止するとともにＣＨＲ２１０を開放する。

図１においては、ＥＣＵ３００として１つの制御装置を設ける構成としているが、たとえば、制御対象機器ごとまたは各機能ごとに個別の制御装置を設ける構成としてもよい。また、絶縁検出部６００の機能は、ＥＣＵ３００に含まれる構成であってもよい。

なお、図１の車両システムにおいて、蓄電装置１１０、ＥＣＵ３００、および絶縁検出部６００を除いた装置を、包括的に「電気系統１０５」と称することとする。

［絶縁検出部の構成］
図２は、図１に示した絶縁検出部６００の詳細な構成の一例を説明するための図である。図２を参照して、絶縁検出部６００は、信号発生部である交流電源６１０と、検出抵抗６２０と、カップリングコンデンサ６３０と、検出部６４０と、しきい値設定部６５０と、判定部６６０とを含む。検出部６４０は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６４２と、ピークホールド回路６４４とを含む。

交流電源６１０および検出抵抗６２０は、ノードＮ１と接地ノードＧＮＤとの間に直列に接続される。交流電源６１０は、所定周波数で変化する交流信号ＳＩＧを出力する。

カップリングコンデンサ６３０は、蓄電装置１１０の負極端子とノードＮ１との間に接続される。カップリングコンデンサ６３０は、車両１００の電気系統１０５と接地ノードＧＮＤとを絶縁する。

バンドパスフィルタ６４２は、ノードＮ１上の交流信号ＳＩＧを受け、その受けた交流信号ＳＩＧから所定周波数の成分だけを抽出してピークホールド回路６４４へ出力する。ピークホールド回路６４４は、バンドパスフィルタ６４２から受けた信号のピークをホールドし、そのホールドした信号ＶＡを判定部６６０へ出力する。すなわち、信号ＶＡは、バンドパスフィルタ６４２から受けた交流信号の波高値を表す信号である。

しきい値設定部６５０は、電気系統１０５に接続されている電気機器に関する情報ＩＮＦをＥＣＵ３００から受ける。しきい値設定部６５０は、ＥＣＵ３００からの情報ＩＮＦに基づいて、絶縁低下を判定するためのしきい値Ｖｔｈを決定し、判定部６６０に決定したしきい値Ｖｔｈを出力する。

判定部６６０は、ピークホールド回路６４４からの信号ＶＡと、しきい値設定部６５０で設定された判定用のしきい値Ｖｔｈとを受ける。判定部６６０は、信号ＶＡをしきい値Ｖｔｈと比較することによって、車両システムの絶縁抵抗Ｒｉの低下を検出し、絶縁抵抗Ｒｉの低下（漏電）を示す信号ＬＤＰをＥＣＵ３００へ出力する。

次に、絶縁抵抗Ｒｉの低下を検出する動作について説明する。
交流電源６１０から出力された交流信号ＳＩＧは、検出抵抗６２０、カップリングコンデンサ６３０、および絶縁抵抗Ｒｉを含んで構成される直列回路に印加される。これにより、検出抵抗６２０およびカップリングコンデンサ６３０の接続点に相当するノードＮ１には、絶縁抵抗Ｒｉおよび検出抵抗６２０（抵抗値Ｒｄ）の分圧比：Ｒｉ／（Ｒｄ＋Ｒｉ）と交流電源６１０からの交流信号ＳＩＧの振幅（Ｖ０）との積を波高値とする交流電圧が発生する。

ノードＮ１に発生した交流電圧は、バンドパスフィルタ６４２によって交流信号ＳＩＧの周波数以外の成分が減衰される。ピークホールド回路６４４は、バンドパスフィルタ６４２を通過した交流電圧のピーク電圧ＶＡを判定部６６０へ出力する。

絶縁抵抗Ｒｉの抵抗値は、正常時にはＲｉ＞＞Ｒｄである。Ｒｉが高くなるにつれて、ピーク電圧ＶＡは交流電源の電圧Ｖ０にほぼ等しくなる。一方、絶縁抵抗Ｒｉが低下すると、分圧比：Ｒｉ／（Ｒｄ＋Ｒｉ）が低下し、それによってピーク電圧ＶＡが低下する。

したがって、絶縁抵抗Ｒｉの許容下限値と検出抵抗６２０の抵抗値Ｒｄとの分圧比に従ったしきい値電圧Ｖｔｈとピーク電圧ＶＡとを比較することによって、絶縁抵抗Ｒｉの低下を検出することができる。

絶縁正常時には、ピーク電圧ＶＡはしきい値電圧Ｖｔｈを超えて、最大電圧Ｖ０に達する。一方、絶縁異常時には、ピーク電圧ＶＡはしきい値電圧Ｖｔｈよりも小さくなる。

上記のような絶縁検出部６００の構成とすることによって、電気系統１０５の絶縁抵抗の低下の有無を判定することができる。

［絶縁抵抗検出制御の説明］
一方で、電気系統１０５に接続される各電気機器は、接地ノードＧＮＤに対して少なからず浮遊容量（以下。「コモン容量」とも称する。）を有している。このため、接続される電気機器によっては、電気系統１０５および接地ノードＧＮＤ間のコモン容量が増加し、その影響によって電気系統１０５と接地ノードＧＮＤとの間のインピーダンスが低下する場合がある。そうすると、コモン容量の増加によって、実際には絶縁低下（漏電）が生じてないにも関わらず、電気系統１０５の絶縁抵抗が低下していると誤検出してしまう可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、電気系統１０５に接続されている電気機器に応じて、絶縁低下を判定するためのしきい値Ｖｔｈを可変に設定することによって、電気系統１０５に接続される電気機器のコモン容量の影響を低減し、絶縁抵抗低下の誤検出を抑制する絶縁抵抗検出制御を行なう。

図３は、本実施の形態にいて、検出部６４０で検出される波高値（ピーク電圧ＶＡ）と絶縁抵抗との関係を説明するための図である。図３において、横軸には絶縁抵抗が示され、縦軸には波高値が示される。

図３を参照して、漏電に関する設計仕様において、絶縁異常（絶縁低下）として必ず検知すべき絶縁抵抗の上限値をＺ１で表し、正常と判断できる絶縁抵抗の最小値をＺ２（＞Ｚ１）で表す。すなわち、検出された絶縁抵抗がＺ１以下であると、電気系統の絶縁は異常状態であると判定され、検出された絶縁抵抗がＺ２以上であると、電気系統の絶縁は正常であると判定される。なお、絶縁抵抗がＺ１より大きくＺ２より小さい領域（Ｚ１＜絶縁抵抗＜Ｚ２）は、電気系統のインピーダンスによって、正常／異常の判定が異なり得る領域である。

曲線Ｌ１は、電気系統のコモン容量が０ｎＦの場合、すなわち、電気系統のインピーダンスが最も高い場合の関係を示す曲線であり、たとえばすべての電気機器が切り離されているような状態における曲線である。

この曲線Ｌ１において、常に異常と検知する絶縁抵抗Ｚ１の場合の波高値（電圧）をＶｔｈ１とすると、コモン容量が０ｎＦの場合には、検出された波高値がこのしきい値Ｖｔｈ１より大きいと、少なくとも絶縁抵抗は異常な状態ではないと判断することができる。

電気系統に電気機器が接続されてコモン容量が増加すると、それに応じて曲線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４のように、同じ絶縁抵抗の場合に検出される波高値が低下する。言い換えれば、コモン容量が大きくなるにつれて、波高値のしきい値Ｖｔｈ１と曲線との交点が、グラフの右方向（すなわち、絶縁抵抗が高くなる方向）へとシフトする。

ここで、曲線としきい値Ｖｔｈ１との交点が絶縁抵抗Ｚ２の位置となるまでコモン容量が増加した状態（曲線Ｌ２，コモン容量＝Ｃ１）となるまでは、検出された波高値がしきい値電圧Ｖｔｈ１以上であれば、絶縁抵抗は異常な状態ではないと判断することができる。

しかしながら、コモン容量がさらに大きくなると、曲線Ｌ３，Ｌ４のように、本来正常と判断できる絶縁抵抗Ｚ２の場合に検出される波高値が、しきい値Ｖｔｈ１よりも低くなる。そのため、この状態において、検出された波高値としきい値Ｖｔｈ１との比較に基づいて絶縁状態を判断した場合には、実際には絶縁抵抗が正常（＞Ｚ２）であるにも関わらず、異常と判断してしまう可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、電気系統に接続される電気機器のコモン容量に応じて、判定用のしきい値Ｖｔｈを変更する。たとえば、図３に示されるように、コモン容量がＣ１より大きくＣ２以下の場合には、判定用のしきい値をＶｔｈ２（＜Ｖｔｈ１）と設定し、コモン容量がＣ２より大きくＣ３以下の場合には、判定用のしきい値をＶｔｈ３（＜Ｖｔｈ２）と設定する。このように変更されたしきい値Ｖｔｈを用いて判定することによって、コモン容量が増加した場合であっても、絶縁低下を誤検出する可能性を低減することができる。

より具体的には、図４で示されるような、予め実験等によって測定した各電気機器に対応するコモン容量と、それに対応した判定用しきい値との関係を示すマップを、しきい値設定部６５０（図２）に格納しておき、しきい値設定部６５０が、ＥＣＵ３００から通知される各電気機器の接続状態に応じて、当該マップを参照することによって判定用しきい値Ｖｔｈを設定する。

その後、図２を用いて上述したように、判定部６６０が、しきい値設定部６５０で設定されたしきい値Ｖｔｈと、検出部６４０で検出された波高値ＶＡとを比較することによって、絶縁低下の有無を判定する。

図５は、本実施の形態において、絶縁検出部６００で実行される絶縁抵抗検出制御を説明するためのフローチャートである。図５に示すフローチャートは、絶縁検出部６００に予め格納されたプログラムがメインルーチンから呼び出されて、所定周期で実行されることによって処理が実現される。あるいは、一部のステップについては、専用のハードウェア（電子回路）を構築して処理を実現することも可能である。

図５を参照して、しきい値設定部６５０は、ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、ＥＣＵ３００からの情報ＩＮＦに基づいて、現在電気系統１０５にどの電気機器（高圧ユニット）が接続されているかを確認する。

しきい値設定部６５０は、Ｓ１１０にて、図４で説明したようなマップを用いて、接続されている電気機器のコモン容量に応じた判定用のしきい値Ｖｔｈを取得する。

判定部６６０は、Ｓ１２０にて、現在絶縁判定用に使用しているしきい値と、Ｓ１１０で取得したしきい値Ｖｔｈとを比較して、現在使用中のしきい値が適切であるか否かを判定する。具体的には、判定部６６０は、現在使用中のしきい値が、取得したしきい値Ｖｔｈよりも小さいか否かを判定する。

現在使用中のしきい値が適切な場合（Ｓ１２０にてＹＥＳ）は、判定部６６０は、Ｓ１３０をスキップしてＳ１４０に処理を進めて、現在使用中のしきい値とピークホールド回路６４４から受けたピーク電圧ＶＡとを比較して、絶縁低下検出を行なう。

一方、現在使用中のしきい値が適切でない場合（Ｓ１２０にてＮＯ）は、処理がＳ１３０に進められて、判定部６６０は、Ｓ１１０で取得したしきい値Ｖｔｈを判定用のしきい値に変更する。なお、このしきい値変更の実行中は、誤判定を防止するために、絶縁低下検出を一時的に中断することが好ましい。

判定用のしきい値の変更が完了すると、処理がＳ１４０に進められて、判定部６６０は、変更したしきい値とピーク電圧ＶＡとを用いて絶縁低下検出を再開する。

以上のような処理に従って制御を行なうことによって、電気系統に接続された電気機器のコモン容量を考慮して、絶縁抵抗の低下を判定することができる。これにより、電気機器のコモン容量に起因する誤判定が防止でき、それによって絶縁抵抗の低下の検出精度を向上させることができる。さらに、上記のような制御においては、追加的な機構や、複雑な処理が不要であるため、比較的シンプルな構成で検出精度の向上が実現できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 車両、１０５ 電気系統、１１０ 蓄電装置、１１５ ＳＭＲ、１２０ ＰＣＵ、１３０ モータジェネレータ、１４０ 駆動輪、１５０ 補機装置、２００ 充電装置、２１０ ＣＨＲ、２２０ インレット、３００ ＥＣＵ、４００ 充電ケーブル、４１０ コネクタ、４２０ プラグ、４３０ 電線部、４４０ ＣＣＩＤ、５００ 外部電源、５１０ コンセント、６００ 絶縁検出部、６１０ 交流電源、６２０ 検出抵抗、６３０ カップリングコンデンサ、６４０ 検出部、６４２ バンドパスフィルタ、６４４ ピークホールド回路、６５０ しきい値設定部、６６０ 判定部、ＡＣＬ１，ＡＣＬ２，ＮＬ１，ＮＬ２，ＰＬ１，ＰＬ２ 電力線、ＧＮＤ 接地ノード、Ｎ１ ノード。

Claims (1)

1. 車両に搭載された電気系統の絶縁抵抗の低下を検出するための絶縁抵抗低下検出装置であって、
   前記電気系統に電気的に接続される信号線に交流信号を与える信号発生部と、
   前記信号線における前記交流信号の波高値を検出するための検出部と、
   前記電気系統に接続される電気機器に応じて絶縁低下判定用のしきい値を設定する設定部と、
   前記検出部によって検出された波高値が、前記設定部で設定されたしきい値を下回ったことに基づいて、前記絶縁抵抗の低下を検出する判定部とを備え、
   前記判定部は、前記設定部においてしきい値を変更している間は、前記絶縁抵抗の低下検出を一時的に中断する、絶縁抵抗低下検出装置。

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