KR101438962B1 - 배터리의 냉각 제어방법 및 시스템 - Google Patents

배터리의 냉각 제어방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 차량의 외기온 및 배터리의 온도를 측정하는 측정단계; 차량의 외기온이 제1온도를 초과하는 경우 배터리온도와 외기온을 반영하여 냉각기준온도가 설정되는 설정단계; 및 설정된 냉각기준온도에 따라 냉각팬의 단수가 조절되어 냉각됨으로써, 냉각이 종료되는 배터리의 온도가 제2온도를 초과하지 않도록 냉각 제어하는 냉각단계;를 포함하여 구성되는 배터리의 냉각 제어방법 및 시스템이 소개된다.

Description

배터리의 냉각 제어방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR COOLING BATTERY}
본 발명은 배터리의 냉각 제어기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외기온이 고온인 경우, 냉각이 종료된 배터리의 온도가 외기온에 의한 배터리 온도의 상승분이 감해진 온도로 유지되도록 냉각팬을 제어하여 냉각함으로써, 장시간 주차 이후의 배터리 온도가 시동시 발진성능을 저해하는 온도 이상으로 상승하는 것을 방지하도록 한 배터리의 냉각 제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근, 환경문제, 고유가 등의 원인으로 전기차 등의 환경차량에 대한 관심이 높아지고 있는 추세에 있다. 이러한, 환경차량은 전기를 동력원으로 모터를 구동함으로써, 차량을 주행하게 되는바, 배터리는 모터, 인버터 등과 함께 환경차량에 있어 핵심부품 중 하나이다.
이중, 배터리 성능은 주변환경의 온도에 따라 크게 좌우된다.
즉, 도 1의 (a)(b)는 SOC잔량이 60%인 배터리의 온도별 충전 및 방전 출력 변화를 나타낸 것으로, 배터리의 온도가 50℃ 이상 높아지게 되면, 충전 및 방전 출력이 급격하게 저하되면서 배터리의 성능 역시 크게 저하된다.
한편, 도 2는 외기온이 42℃인 경우 차량의 주행시간 동안 배터리에 수렴되는 온도변화를 나타낸 것으로, 주행중 최대 배터리 온도가 약 50℃까지 상승하게 되며, 특히 외기온이 42℃인 상태에서 약 2시간 정도 주차를 하게 되면, 고온의 외기온 영향을 받아 배터리가 주행을 마친 후보다 오히려 더 높은 53~54℃의 온도까지 상승하게 된다.
이에, 외기온이 높은 경우, 배터리의 온도가 배터리의 성능이 급격하게 떨어지는 50℃를 초과하게 됨으로써, 차량의 시동시 발진성능이 크게 저하되는 것은 물론, 배터리의 성능도 떨어지는 문제가 있다.
한편, 종래에 한국 공개특허공보 공개번호 10-2010-0035772호의 "하이브리드 차량의 고전압배터리 냉각 제어 방법"이 소개된바 있다.
그러나, 상기한 종래 기술은 고전압배터리 셀간의 온도 편차 및 여러 셀중 최고온도를 기준으로 냉각팬의 단수를 조절하는 것으로, 단순히 배터리의 온도가 일정온도에 근접하면 배터리를 냉각시키게 되는바, 외기온의 영향에 의한 배터리에서의 온도 상승분이 고려되어 있지 않아, 장시간 주차시 배터리 온도가 상승됨에 따 발진 성능이 저하되는 것을 피할 수 없는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2010-0035772 A
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 외기온이 고온인 경우, 냉각이 종료된 배터리의 온도가 외기온에 의한 배터리 온도의 상승분이 감해진 온도로 유지되도록 냉각팬을 제어하여 냉각함으로써, 장시간 주차 이후의 배터리 온도가 시동시 발진성능을 저해하는 온도 이상으로 상승하는 것을 방지하도록 한 배터리의 냉각 제어방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 차량의 외기온 및 배터리의 온도를 측정하는 측정단계; 차량의 외기온이 제1온도를 초과하는 경우 배터리온도와 외기온을 반영하여 냉각기준온도가 설정되는 설정단계; 및 설정된 냉각기준온도에 따라 냉각팬의 단수가 조절되어 냉각됨으로써, 냉각이 종료되는 배터리의 온도가 제2온도를 초과하지 않도록 냉각 제어하는 냉각단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 설정단계에서는, 측정된 외기온에서 제1온도를 빼고, 배터리 온도를 더하여 냉각기준온도를 설정할 수 있다.
상기 제1온도는 40℃이며, 상기 제2온도는 45℃일 수 있다.
상기 냉각단계에서는, 상기 냉각기준온도가 제2온도 이상이고, 제3온도 이하인 경우 상기 냉각기준온도를 제2온도 미만으로 낮출 수 있는 세기의 냉각팬의 단수로 조절하여 배터리를 냉각할 수 있다.
상기 냉각단계에서는, 상기 냉각기준온도가 제3온도를 초과하는 경우 상기 냉각기준온도를 제2온도 미만으로 낮출 수 있는 세기의 냉각팬의 단수로 조절하여 배터리를 냉각할 수 있다.
내비게이션에 목적지를 설정하여, 목적지에 도착하기까지 남은 도착예정시간정보를 입력받는 입력단계; 상기 예정시간이 기준시간 이내인 경우, 측정된 외기온에 따라 배터리의 냉각 제어를 결정하는 도착시간반영단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명의 구성은, 차량의 외기온 및 배터리의 온도를 측정하는 측정부; 차량의 외기온이 제1온도를 초과하는 경우 배터리온도와 외기온을 반영하여 냉각기준온도가 설정되는 설정부; 설정된 냉각기준온도에 따라 냉각팬의 단수가 조절되어 냉각됨으로써, 냉각이 종료되는 배터리의 온도가 제2온도를 초과하지 않도록 냉각 제어하는 냉각제어부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 구성은, 차량의 외기온 및 배터리의 온도를 측정하며, 차량의 외기온이 제1온도를 초과하는 경우 배터리온도와 외기온을 반영하여 냉각기준온도가 설정되고, 설정된 냉각기준온도에 따라 냉각팬의 단수가 조절되어 냉각됨으로써, 냉각이 종료되는 배터리의 온도가 제2온도를 초과하지 않도록 냉각 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 제어 입력변수에 외기온을 추가하여 배터리온도를 보다 효과적으로 관리함으로써, 배터리 수명과 출력관리 측면에서 유리하고, 특히 외기온이 고온일 때에, 차량을 장시간 주차하기 전에 외기온의 영향으로 상승되는 배터리의 온도가 50℃를 넘지 않도록 제어함으로써, 배터리의 성능이 저하되는 것을 방지하며, 주차후에 시동을 걸때 발진성능이 저하되는 것을 방지하는 효과가 있다.
더욱이, 내비게이션을 통해 차량의 목적지 도착정보를 입력변수로 사용함으로써, 주차 이외의 상황에서 주행 중 냉각팬이 과도하게 사용되는 것을 방지하게 되는바, 냉각팬 구동에 따른 소음을 최소화시키는 효과도 있다.
더욱이, 외기온이 고온인 경우를 제외하면, 기존의 제어로직으로 배터리의 온도를 제어하므로, 추가적인 비용이 소모되지 않는 효과도 있다.
도 1 (a)(b)는 배터리의 온도에 대한 충전 및 방전 출력 변화를 나타낸 도면.
도 2는 외기온이 고온인 경우, 차량의 주행시간 동안 배터리에 수렴되는 온도변화를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 배터리의 냉각 제어방법을 순차적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의한 배터리의 냉각 제어방법에 대한 제어 흐름을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 배터리의 냉각 제어시스템을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에서 외기온이 일정 온도를 초과하는 경우에 냉각팬 단수 조절 동작을 설명하기 위한 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 배터리의 냉각 제어방법에 대한 제어 흐름을 나타낸 도면이다.
본 발명의 따른 배터리의 냉각 제어방법은, 크게 측정단계(S300)와, 설정단계(S400)와, 냉각단계(S500)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 3을 참조하여, 본 발명에 의한 배터리의 냉각 제어방법을 살펴보면, 차량의 외기온 및 배터리의 온도를 측정하는 측정단계(S300); 차량의 외기온이 제1온도를 초과하는 경우 배터리온도와 외기온을 반영하여 냉각기준온도가 설정되는 설정단계(S400); 설정된 냉각기준온도에 따라 냉각팬의 단수가 조절되어 냉각됨으로써, 냉각이 종료되는 배터리의 온도가 제2온도를 초과하지 않도록 냉각 제어하는 냉각단계(S500);를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 제1온도는 40℃이며, 상기 제2온도는 45℃이고, 제3온도는 47℃로 설정될 수 있다.
여기서, 상기 제2온도가 45℃로 설정되는 이유를 설명하면, 예를 들어 외기온이 제1온도인 40℃를 초과하는 경우, 배터리의 온도가 48~49℃인 차량이 약 2시간동안 주차한 이후에는 외기온의 영향으로 배터리의 온도가 약 5℃ 정도 상승되어 53~54℃가 된다.
또, 외기온이 제1온도인 40℃를 초과하는 경우, 배터리의 온도가 45℃인 차량이 약 2시간동안 주차한 이후에는 외기온의 영향으로 배터리의 온도가 약 5℃ 정도 상승되어 50℃가 된다.
이처럼, 외기온이 제1온도를 초과하는 고온의 상태에서는 주차 전 배터리의 온도는 온도상승량과 관계가 없이 유사한 상승량만큼 상승하게 된다.
따라서, 냉각이 종료된 시점에서 배터리의 온도를 제2온도인 45℃를 초과하지 않도록 설정하게 되면, 장시간 주차한 이후에도 배터리의 온도가 50℃를 초과하지 않게 되는바, 제2온도를 45℃로 설정하는 것이다.
아울러, 본 발명의 상기 설정단계(S400)에서는, 측정된 외기온에서 제1온도를 빼고, 배터리 온도를 더하여 냉각기준온도가 설정될 수 있다.
이를 수식으로 나타내면, 냉각기준온도=배터리온도+(외기온-제1온도) 이다.
그리고, 상기 냉각단계(S500)에서는, 상기 냉각기준온도가 제2온도 이상이고, 제3온도 이하인 경우 상기 냉각기준온도를 제2온도 미만으로 낮출 수 있는 세기의 냉각팬 단수로 조절하여 배터리를 냉각하게 된다.
이때, 상기 냉각팬의 단수는 차량의 속도와 냉각기준온도에 따라 다르게 설정되어 냉각팬의 송풍량을 조절하는 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이 1단에서 9단까지로 설정될 수 있다. 다만, 상기한 단수는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 불과한 것으로, 냉각팬의 단수는 다양하게 조절 가능할 것이다.
즉, 도 6을 참조하면, 상기 냉각기준온도가 제2온도인 45℃ 이상이고, 제3온도인 47℃ 이하인 경우, 상기 냉각팬의 단수는 최대 냉각팬 단수보다 한 단계 낮은 8단으로 단수를 조절하여 배터리를 냉각하게 된다.
또한, 상기 냉각단계(S500)에서는, 상기 냉각기준온도가 제3온도를 초과하는 경우 상기 냉각기준온도를 제2온도 미만으로 낮출 수 있는 세기의 냉각팬의 단수로 조절하여 배터리를 냉각하게 된다.
즉, 도 6을 참조하면, 상기 냉각기준온도가 제3온도인 47℃를 초과하는 경우, 상기 냉각팬의 단수는 최대 냉각팬 단수인 9단으로 단수를 조절하여 배터리를 냉각하게 된다.
여기서, 상기 냉각기준온도를 설정하는 이유에 대해 설명하면, 예를 들어 차량의 외기온이 제1온도인 40℃를 초과하는 경우, 외기온이 5℃가 증가하게 되더라도 배터리의 온도는 5℃ 미만으로 증가하게 된다.
즉, 외기온이 1℃ 증가할 때, 배터리의 온도를 1℃ 더 낮추는 냉각을 하게 되면, 배터리의 온도를 충분히 냉각시킬 수 있게 된다.
일례로, 주차전 배터리의 온도가 45℃이고, 외기온이 42℃인 경우, 위의 냉각기준온도 설정 계산식에 따라 냉각기준온도는 47℃로 설정된다. 이같은 상황조건에서 차량을 장시간 주차하게 되면, 외기온의 영향으로 배터리의 온도가 50℃로 상승할 것으로 예상되는바, 도 6의 냉각팬 단수 제어 설정에 따라 주차 전에 냉각팬의 단수를 47℃에 해당하는 8단으로 냉각하여 제어하게 된다.
즉, 냉각팬의 단수를 8단으로 조절하면, 외기온이 제1온도인 40℃를 초과하는 조건에서 약 1~3℃의 냉각이 이루어지게 된다. 따라서, 냉각이 완료된 배터리의 온도가 45℃보다 1~3℃ 떨어지게 되어, 주차후 온도가 5℃ 상승하게 되더라도 상승된 배터리의 온도가 50℃를 넘지 않게 되는바, 배터리의 성능 저하를 막고, 주차후 시동시의 발진성능이 저하되는 것을 막게 된다.
다른 예시로서, 주차전 배터리의 온도가 48℃이고, 외기온이 42℃인 경우, 위의 냉각기준온도 설정 계산식에 따라 냉각기준온도는 50℃로 설정된다. 이같은 상황조건에서 차량을 장시간 주차하게 되면, 외기온의 영향으로 배터리의 온도가 53℃로 상승할 것으로 예상되는바, 도 6의 냉각팬 단수 제어 설정에 따라 주차 전에 냉각팬의 단수를 50℃에 해당하는 9단으로 냉각하여 제어하게 된다.
즉, 냉각팬의 단수를 9단으로 조절하면, 외기온이 제1온도인 40℃를 초과하는 조건에서 약 4~5℃의 냉각이 이루어지게 된다. 따라서, 냉각이 완료된 배터리의 온도가 48℃에서 4~5℃ 떨어지게 되어, 주차후 온도가 5℃ 상승하게 되더라도 상승된 배터리의 온도가 50℃를 넘지 않게 되는바, 배터리의 성능 저하를 막고, 주차후 시동시의 발진성능이 저하되는 것을 막게 된다.
아울러, 도 3 및 도 4와 같이, 본 발명은 내비게이션에 목적지를 설정하여, 목적지에 도착하기까지 남은 도착예정시간정보를 입력받는 입력단계(S100); 상기 예정시간이 기준시간 이내인 경우, 측정된 외기온에 따라 배터리의 냉각 제어를 결정하는 도착시간반영단계(S200);를 더 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 기준시간은 30분일 수 있으며, 상기 내비게이션에서 입력되는 정보는 CAN통신을 이용하여 제어시스템에 전송될 수 있다.
즉, 내비게이션에서 제공되는 현재시각에서 도착예정시각을 뺀 도착예정시간정보가 입력되며, 입력되는 예정시간정보가 30분 이내인 경우, 외기온에 따른 배터리 냉각 제어를 결정하게 된다.
한편, 도 5는 본 발명에 의한 배터리의 냉각 제어시스템을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 배터리 냉각 제어시스템은, 차량의 외기온 및 배터리의 온도를 측정하는 측정부(10); 차량의 외기온이 제1온도를 초과하는 경우 배터리온도와 외기온을 반영하여 냉각기준온도가 설정되는 설정부(20); 설정된 냉각기준온도에 따라 냉각팬의 단수가 조절되어 냉각됨으로써, 냉각이 종료되는 배터리의 온도가 제2온도를 초과하지 않도록 냉각 제어하는 냉각제어부(30);를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 배터리 냉각 제어시스템은, 상기와 같이 측정부(10), 설정부(20), 냉각제어부(30)의 구성이 제어부(40)의 구성으로 통합되어 구성될 수 있다.
즉, 차량의 외기온 및 배터리의 온도를 측정하며, 차량의 외기온이 제1온도를 초과하는 경우 배터리온도와 외기온을 반영하여 냉각기준온도가 설정되고, 설정된 냉각기준온도에 따라 냉각팬의 단수가 조절되어 냉각됨으로써, 냉각이 종료되는 배터리의 온도가 제2온도를 초과하지 않도록 냉각 제어하는 제어부(40);를 포함하여 구성될 수 있다.
도 4를 참조하여, 본 발명에 의한 배터리의 냉각 제어방법에 대한 제어 흐름을 설명한다.
먼저, 차량의 주행시, 내비게이션에서 목적지까지의 남은 도착예정시간정보를 전송받는다(S1). 이때, 도착예정시간정보가 30분 이하인지 판단(S2)하여, 30분 이하로 판단되는 경우, S3단계로 이동한다.
S3단계에서는, 외기온과 제1온도를 비교하여, 외기온이 제1온도인 40℃ 이하인 경우, S10단계로 이동하여 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 단수를 1단에서 9단 사이에서 제어하게 되는데, 이 경우 배터리 온도에 따라 냉각팬을 1단에서 9단 사이의 풍량으로 단수 제어하면서 냉각하게 된다.
아울러, 외기온과 제1온도를 비교하여, 외기온이 제1온도인 40℃를 초과하는 경우, S4단계로 이동하여 냉각기준온도를 설정한다.
이에, S5단계에서는, 설정된 냉각기준온도가 제2온도인 45℃미만인 경우, S6단계로 이동하여 도 4에 도시된 냉각팬 제어 설정에 따라 냉각팬을 1단에서 7단 사이의 단수로 풍량 제어하여 배터리를 냉각한다.
그리고, S5단계에서, 설정된 냉각기준온도가 제2온도인 45℃ 이상인 경우, S7단계로 이동하여, 설정된 냉각기준온도와 제3온도를 비교한다.
비교결과, 설정된 냉각기준온도가 제3온도인 47℃이하인 경우, S8단계로 이동하여 도 4에 도시된 냉각팬 제어 설정에 따라 냉각팬을 8단의 단수로 제어하여 배터리를 1~3℃ 냉각시키게 된다.
반면, 설정된 냉각기준온도가 제3온도인 47℃를 초과하는 경우, S9단계로 이동하여 도 4에 도시된 냉각팬 제어 설정에 따라 냉각팬을 9단의 단수로 제어하여 배터리를 4℃이상 냉각시키게 된다.
이처럼, 냉각과정을 거친 S9단계는 물론, S8단계와, S6단계, S10단계는 모두 S11단계로 이동되어, 냉각이 종료된 배터리의 온도가 45℃를 초과하지 않도록 냉각시키게 된다.
이와 같이, 본 발명은 제어 입력변수에 외기온을 추가하여 배터리온도를 보다 효과적으로 관리함으로써, 배터리 수명과 출력관리 측면에서 유리하고, 특히 외기온이 고온일 때에, 차량을 장시간 주차하기 전에 외기온의 영향으로 상승되는 배터리의 온도가 50℃를 넘지 않도록 제어함으로써, 배터리의 성능이 저하되는 것을 방지하며, 주차후에 시동을 걸때 발진성능이 저하되는 것을 방지하게 된다.
또한, 내비게이션을 통해 차량의 목적지 도착정보를 입력변수로 사용함으로써, 주차 이외의 상황에서 주행 중 냉각팬이 과도하게 사용되는 것을 방지하게 되는바, 냉각팬 구동에 따른 소음을 최소화시킨다.
더욱이, 외기온이 고온인 경우를 제외하면, 기존의 제어로직으로 배터리의 온도를 제어하므로, 추가적인 비용이 소모되지 않게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (8)

  1. 차량의 외기온 및 배터리의 온도를 측정하는 측정단계(S300);
    차량의 외기온이 제1온도를 초과하는 경우 배터리온도와 외기온을 반영하여 냉각기준온도가 설정되는 설정단계(S400);
    설정된 냉각기준온도에 따라 냉각팬의 단수가 조절되어 냉각됨으로써, 냉각이 종료되는 배터리의 온도가 제2온도를 초과하지 않도록 냉각 제어하는 냉각단계(S500);를 포함하며, 상기 설정단계(S400)에서는, 측정된 외기온에서 제1온도를 빼고, 배터리 온도를 더하여 냉각기준온도를 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 냉각 제어방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1온도는 40℃이며, 상기 제2온도는 45℃인 것을 특징으로 하는 배터리의 냉각 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각단계(S500)에서는, 상기 냉각기준온도가 제2온도 이상이고, 제3온도 이하인 경우 상기 냉각기준온도를 제2온도 미만으로 낮출 수 있는 세기의 냉각팬의 단수로 조절하여 배터리를 냉각하는 것을 특징으로 하는 배터리의 냉각 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각단계(S500)에서는, 상기 냉각기준온도가 제3온도를 초과하는 경우 상기 냉각기준온도를 제2온도 미만으로 낮출 수 있는 세기의 냉각팬의 단수로 조절하여 배터리를 냉각하는 것을 특징으로 하는 배터리의 냉각 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    내비게이션에 목적지를 설정하여, 목적지에 도착하기까지 남은 도착예정시간정보를 입력받는 입력단계(S100);
    상기 예정시간이 기준시간 이내인 경우, 측정된 외기온에 따라 배터리의 냉각 제어를 결정하는 도착시간반영단계(S200);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 냉각 제어방법.
  7. 차량의 외기온 및 배터리의 온도를 측정하는 측정부(10);
    차량의 외기온이 제1온도를 초과하는 경우 배터리온도와 외기온을 반영하여 냉각기준온도가 설정되는 설정부(20);
    설정된 냉각기준온도에 따라 냉각팬의 단수가 조절되어 냉각됨으로써, 냉각이 종료되는 배터리의 온도가 제2온도를 초과하지 않도록 냉각 제어하는 냉각제어부(30);를 포함하며,
    상기 설정부(20)는 측정된 외기온에서 제1온도를 빼고, 배터리 온도를 더하여 냉각기준온도를 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 냉각 제어시스템.
  8. 차량의 외기온 및 배터리의 온도를 측정하며, 차량의 외기온이 제1온도를 초과하는 경우 측정된 외기온에서 제1온도를 빼고, 배터리온도를 더하여 냉각기준온도가 설정되고, 설정된 냉각기준온도에 따라 냉각팬의 단수가 조절되어 냉각됨으로써, 냉각이 종료되는 배터리의 온도가 제2온도를 초과하지 않도록 냉각 제어하는 제어부(40);를 포함하는 배터리의 냉각 제어시스템.
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