KR102644000B1 - 래칭 릴레이를 이용한 ess 운용장치 - Google Patents

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Abstract

ESS(Energy Storage System)를 에너지 저장장치로 사용할 때, 상태 변화시점에만 래칭 릴레이를 컨트롤하여 ESS의 릴레이 제어에 의한 전류 소모량을 줄여 ESS 용량 확보와 ESS 대기시간 증가를 도모하도록 한 래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치에 관한 것으로서, 릴레이 구동 전원을 공급하는 릴레이 전압 공급부, ESS의 운용 상태의 변화시점에서 래칭 릴레이 제어신호를 발생하는 배터리 관리 시스템(BMS), 래칭 릴레이 제어신호에 따라 래칭 릴레이의 동작을 제어하는 래칭 릴레이 구동부, 래칭 릴레이 구동부의 릴레이 구동 동작에 따라 온 또는 오프 동작을 하여 배터리 팩과 부하 간의 전류를 공급 또는 차단하는 래칭 릴레이, 및 래칭 릴레이의 릴레이 코일에 접속되어 방전을 통해 래칭 릴레이를 온시키고, 래칭 릴레이의 오프 시 전류를 충전하는 충방전 콘덴서를 포함하여, 래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치를 구현한다.

Description

래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치{ESS operation device using latching relay}
본 발명은 래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치에 관한 것으로, 특히 ESS(Energy Storage System)를 에너지 저장장치로 사용할 때, 상태 변화시점에만 래칭 릴레이를 컨트롤하여 ESS의 릴레이 제어에 의한 전류 소모량을 줄여 ESS 용량 확보와 ESS 대기시간 증가를 도모하도록 한 래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치에 관한 것이다.
일반적으로 ESS(Energy storage system)는 발전소에서 과잉 생산된 전력 또는 불규칙하게 생산되는 신 재생에너지를 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해주는 저장장치를 말한다.
구체적으로 ESS란 에너지를 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전기 전력계통에 전기를 저장해 두는 시스템을 말한다. 다시 말해, 기존의 2차 전지처럼 하나의 제품에 시스템이 통합된 스토리지로 구성되는 하나의 집합체이다.
최근 급속히 성장하고 있는 신 재생에너지인 태양광 발전시 불안정한 발전 에너지를 저장했다가 필요한 시점에 안정적으로 전력 계통에 다시 공급해주는 필수 장치로 ESS의 중요성이 대두되고 있다. 만약 ESS가 없다면 바람이나 태양광에 의존하는 불안정한 전력 공급으로 인해 전력 계통에 갑작스런 단전 등 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 환경에서 스토리지가 매우 중요한 분야로 대두되고 있다.
이러한 ESS는 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 이용되고 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신 재생에너지를 이용한 발전기 출력 안정화, 첨두 부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 비상 전원 등의 기능으로 사용되고 있다.
상기 ESS는 배터리 팩으로부터 서지성 고전류가 흐르게 되는 데, 안전성 확보를 위해 전송선로 상에 메인 릴레이를 이용하여 배터리 팩으로부터 유입되는 과전류를 제한한다.
여기서 릴레이의 장점으로는 저전압계로 구성된 회로의 동작에 의해 고전압계의 회로를 온/오프시킨다든지 대전류의 회로를 온/오프시킬 수 있다는 것이다. 이는 코일 부분과 접점 부분이 절연되어 있어 전기적으로 외부기기와도 절연할 수 있기 때문이다.
하기의 <특허문헌 1> 에 개시된 바와 같이, ESS는 전자석 릴레이를 이용한다. 전자석 릴레이는 ESS 사용중일 때 지속적으로 릴레이 전류를 공급해야 하는 상태가 된다.
이와 같이 전자석 릴레이를 적용한 ESS의 경우, 사용자가 사용을 시작한 뒤로 상시 온(on) 상태이므로 전자석 릴레이를 구동시키는 누적 전류는 점점 증가하여 사용 용량에 영향을 준다. 이는 결과적으로, ESS의 용량 저하를 유발하고 ESS의 대기시간을 단축시키는 요인이 된다.
대한민국 공개특허 10-2020-0053376(2020.05.18. 공개)(배터리 팩의 대전류를 온/오프시키는 릴레이 스위치 장치)
따라서 본 발명은 일반적인 ESS 장치에 적용된 전자석 릴레이의 사용에 따라 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, ESS(Energy Storage System)를 에너지 저장장치로 사용할 때, 상태 변화시점에만 래칭 릴레이를 컨트롤하여 ESS의 릴레이 제어에 의한 전류 소모량을 줄여 ESS 용량 확보와 ESS 대기시간 증가를 도모하도록 한 래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치"는,
릴레이 구동 전압(RY12V)을 소정 레벨의 정전압으로 만들어 릴레이 구동 전원을 공급해주는 릴레이 전압 공급부;
ESS의 운용 상태의 변화시점에서 래칭 릴레이 제어신호를 발생하는 배터리 관리 시스템(BMS);
상기 배터리 관리 시스템에서 발생하는 래칭 릴레이 제어신호에 따라 상기 릴레이 전압 공급부에서 공급된 릴레이 구동 전원을 제1 스위칭소자를 통해 래칭 릴레이로 공급해주거나 상기 래칭 릴레이의 방전 전원을 제2 스위칭 소자를 통해 접지로 방전시키는 래칭 릴레이 구동부;
상기 래칭 릴레이 구동부에서 공급된 릴레이 구동 전원을 릴레이 코일을 통해 후단의 충방전 콘덴서에 충전하고, 상기 래칭 릴레이 구동부의 방전 동작에 따라 상기 충방전 콘덴서에 충전된 전원을 상기 릴레이 코일을 통해 상기 래칭 릴레이 구동부로 방전시킴과 동시에 연동하는 릴레이 스위치를 턴-온시켜 배터리 팩의 전원을 부하에 공급해주는 래칭 릴레이; 및
상기 래칭 릴레이의 릴레이 코일에 접속되어 상기 릴레이 코일을 통해 공급되는 전원을 충전하고, 상기 래칭 릴레이 구동부의 방전 동작에 따라 상기 충전된 전원을 상기 래칭 릴레이의 릴레이 코일을 통해 상기 래칭 릴레이 구동부측으로 방전시키는 충방전 콘덴서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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상기에서 제1 스위칭소자는 N 채널 전계효과트랜지스터이고, 상기 제2 스위칭소자는 P 채널 전계효과트랜지스터인 것을 특징으로 한다.
상기에서 래칭 릴레이는 전원 온/오프시 또는 배터리 보호를 위한 사용 기능 제한시와 같이 상태 변화 시점에만 스위칭 동작이 변경되고, 스위칭 동작 후에는 다음 상태 변화 시점 시까지 현재 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 ESS(Energy Storage System)를 에너지 저장장치로 사용할 때, 상태 변화시점에만 래칭 릴레이를 컨트롤하여 ESS의 릴레이 제어에 의한 전류 소모량을 줄여 ESS 용량 확보와 ESS 대기시간 증가를 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치의 회로도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 래칭 릴레이를 이용한 ESS(Energy Storage System) 운용장치의 회로도로서, 릴레이 전압 공급부(10), 배터리 팩(20), 배터리 관리 시스템(BMS)(30), 래칭 릴레이 구동부(40), 래칭 릴레이(50) 및 충방전 콘덴서(C11)를 포함할 수 있다.
릴레이 전압 공급부(10)는 릴레이 구동 전원(RY12V)을 소정 레벨의 정전압으로 만들어 래칭 릴레이 구동부(40)에 공급하거나, 충전용 전원으로 공급해주는 역할을 한다.
이러한 릴레이 전압 공급부(10)는 입력되는 릴레이 전압(RY12V)의 역전류를 방지하는 역전류 방지 다이오드(D1), 상기 역전류 방지 다오이드(D1)의 전류를 충전 또는 방전하는 충방전 콘덴서(C2), 상기 충방전 콘덴서(C2)에서 방전되는 전압을 정전압으로 만들어 출력하는 정전압 다이오드(D2)를 포함할 수 있다.
배터리 관리 시스템(30)은 ESS의 운용 상태의 변화시점에서 래칭 릴레이 제어신호를 발생하는 역할을 한다.
여기서 ESS의 운용 상태의 변화 시점은 ESS 온/오프 시점, 보호 모드 진입시점이 될 수 있다.
래칭 릴레이 구동부(40)는 상기 배터리 관리 시스템(30)에서 발생하는 래칭 릴레이 제어신호(CONTROL)에 따라 래칭 릴레이(50)의 동작을 제어하는 역할을 한다.
이러한 래칭 릴레이 구동부(40)는 상기 래칭 릴레이 제어신호에 따라 게이트 구동신호를 발생하는 게이트 드라이버(41), 상기 게이트 드라이버(41)의 게이트 구동신호에 따라 상기 래칭 릴레이(50)의 릴레이 코일(51)을 통해 충방전 콘덴서(C11)를 충전하거나 충전된 전원을 방전시켜 래칭 릴레이(50)의 스위칭 동작을 제어하는 제1 및 제2 스위칭 소자(Q1, Q3)를 포함할 수 있다.
상기 제1 스위칭소자(Q1)는 N 채널 전계효과트랜지스터(FET)이고, 상기 제2 스위칭소자(Q3)는 P 채널 전계효과트랜지스터(FET)로 구현할 수 있다.
예컨대, 상기 래칭 릴레이 구동부(40)는 상기 배터리 관리 시스템(30)에서 발생하는 래칭 릴레이 제어신호에 따라 상기 릴레이 전압 공급부(10)에서 공급된 릴레이 구동 전원을 제1 스위칭소자(Q1)를 통해 래칭 릴레이(50)로 공급해주거나 상기 래칭 릴레이(50)의 방전 전원을 제2 스위칭 소자(Q3)를 통해 접지로 방전시키게 된다.
래칭 릴레이(50)는 릴레이 코일(51)과 릴레이 스위치(52)를 구비하고, 상기 래칭 릴레이 구동부(40)의 릴레이 구동 동작에 따라 상기 릴레이 스위치(52)가 온(on) 또는 오프(off) 동작을 하여 배터리 팩(20)과 부하 간의 전류를 공급 또는 차단하는 역할을 한다.
예컨대, 상기 래칭 릴레이(50)는 상기 래칭 릴레이 구동부(40)에서 공급된 릴레이 구동 전원을 릴레이 코일(51)을 통해 후단의 충방전 콘덴서(C11)에 충전하고, 상기 래칭 릴레이 구동부(40)의 방전 동작에 따라 상기 충방전 콘덴서(C11)에 충전된 전원을 상기 릴레이 코일(51)을 통해 상기 래칭 릴레이 구동부(40)로 방전시킴과 동시에 연동하는 릴레이 스위치(52)를 턴-온시켜 배터리 팩(20)의 전원을 부하에 공급해준다.
이러한 래칭 릴레이(50)는 전원 온/오프시 또는 배터리 보호를 위한 사용 기능 제한시(Protection 모드)와 같이 상태 변화 시점에만 스위칭 동작이 변경되고, 스위칭 동작 후에는 다음 상태 변화 시점 시까지 현재 상태를 유지한다.
충방전 콘덴서(C11)는 상기 래칭 릴레이(50)의 릴레이 코일(51)에 일단이 접속되어 방전을 통해 상기 래칭 릴레이(50)를 온시키고, 상기 래칭 릴레이(50)의 오프 시 전류를 충전하는 역할을 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 래칭 릴레이를 이용한 ESS(Energy Storage System) 운용장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 릴레이 전압 공급부(10)는 역전류 방지 다이오드(D1)를 통해 공급되는 릴레이 구동 전원(RY12V)을 충방전 콘덴서(C2)에 충전하고, 상기 충방전 콘덴서(C2)에서 방전되는 전압을 정전압 다이오드(D2)를 통해 미리 설정된 정전압으로 만들어 래칭 릴레이 구동부(40)에 출력한다.
상기 래칭 릴레이 구동부(40)의 게이트 드라이버(41)는 상기 릴레이 전압 공급부(10)에서 공급되는 래칭 릴레이 공급전압을 전압 입력단자(VDD)를 통해 입력받고, 배터리 관리 시스템(30)으로부터 발생한 래칭 릴레이 제어신호(CONTROL)에 따라 래칭 릴레이 구동신호를 발생한다.
여기서 배터리 관리 시스템(30)은 ESS의 운용 상태의 변화시점에서만 래칭 릴레이 제어신호를 발생한다.
여기서 ESS의 운용 상태의 변화 시점은 ESS 온/오프 시점, 보호 모드 진입시점이 될 수 있다.
즉, 배터리 관리 시스템(30)은 배터리팩(20)의 상태에 따라 액티브(Active) 모드, 딥 슬립(Deep Sleep) 모드 및 보호(Protection) 모드와 같은 3가지의 운용 모드로 ESS를 운용한다.
ESS 온 시점(액티브 모드)은 Cell, 전류, 전압 및 온도 모니터링, SOC 산출, 외부 통신 등 활용 가능 자원의 모든 기능을 활성화하는 상태로서, 사용자가 ESS를 사용하는 상태이다.
ESS 오프 시점(딥 슬립 모드)은 배터리 팩의 전원 OFF 상태로 제품의 장기간 미 사용시 또는 제품 출하 시 상태이다.
보호 모드는 배터리 팩의 전압, 전류 또는 온도 이상 시 배터리 보호를 위해 사용 기능을 제한하는 상태이다.
배터리 관리 시스템(30)은 ESS의 운용 상태를 보고, 상태 변화 시점이 ESS 온 시점이라고 판단이 되면, 릴레이 제어신호(CONTROL)로 전기적인 하이신호(3.3V ~ 5V)를 발생하여 게이트 드라이버(41)에 전달한다.
상기 게이트 드라이버(41)는 ESS 온 시점에 대한 릴레이 제어신호를 입력단자(IN+)를 통해 수신하고, 수신한 릴레이 제어신호가 전기적인 하이신호이면 래칭 릴레이 온으로 판단을 하고, 출력 단자(OUT)를 통해 로우 신호(L)를 출력한다.
상기 출력 단자(OUT)를 통해 출력되는 로우 신호(L)는 제1 및 제2 스위칭 소자(Q1, Q3)의 게이트 단자에 각각 전달된다.
이때, 상기 제1 스위칭소자(Q1)인 N 채널 전계효과트랜지스터(FET)는 게이트 단자에 인가되는 로우 신호에 의해 턴-오프되고, 상기 제2 스위칭소자(Q3)인 P 채널 전계효과트랜지스터(FET)는 게이트 단자에 인가되는 로우 신호에 의해 턴-온 상태가 된다.
상기 제1 스위칭 소자(Q1)가 턴-오프되면, 상기 릴레이 전압 공급부(10)에서 공급되는 전압이 래칭 릴레이(50)로 공급되는 것이 차단되고, 상기 제2 스위칭 소자(Q3)가 턴-온되면 충방전 콘덴서(C11)에서 충전된 전류가 방전을 하여 래칭 릴레이(50)의 릴레이 코일(51)의 +단자에서 -단자로 흘러, 릴레이 스위치(52)의 a 접점 및 b 접점이 접속되어 래칭 릴레이(50)가 온 상태가 된다. 이때, 배터리 팩(20)에 충전된 전압이 부하로 공급되어, ESS가 활성화된다.
래칭 릴레이(50)가 온된 상태에서는, 래칭 릴레이를 이루는 기계적 요소에 의해 상태 변화가 없는 동안은 현재 상태를 고정하여 현재 상태를 유지한다.
한편, ESS의 운용 중 ESS 오프 상태로의 변화 시점이 되면, 배터리 관리 시스템(30)은 릴레이 제어신호(CONTROL)로 전기적인 로우 신호(0V)를 발생하여 게이트 드라이버(41)에 전달한다.
상기 게이트 드라이버(41)는 ESS 오프 시점에 대한 릴레이 제어신호를 입력단자(IN+)를 통해 수신하고, 수신한 릴레이 제어신호가 전기적인 로우 신호이면 래칭 릴레이 오프로 판단을 하고, 출력 단자(OUT)를 통해 전기적인 하이신호(H, 3.3V ~ 5V)를 출력한다.
상기 출력 단자(OUT)를 통해 출력되는 하이 신호(H)는 제1 및 제2 스위칭 소자(Q1, Q3)의 게이트 단자에 각각 전달된다.
이때, 상기 제1 스위칭소자(Q1)인 N 채널 전계효과트랜지스터(FET)는 게이트 단자에 인가되는 하이 신호에 의해 턴-온되고, 상기 제2 스위칭소자(Q3)인 P 채널 전계효과트랜지스터(FET)는 게이트 단자에 인가되는 하이 신호에 의해 턴-오프 상태가 된다.
상기 제1 스위칭 소자(Q1)가 턴-온되면, 상기 릴레이 전압 공급부(10)에서 공급되는 전압이 래칭 릴레이(50)로 공급되며, 상기 제2 스위칭 소자(Q3)는 턴-오프 상태가 된다. 이때, 래칭 릴레이(50)의 릴레이 코일(51)의 -단자에서 +단자로 흘러, 충방전 콘덴서(C11)에는 전류가 충전되며, 릴레이 스위치(52)의 a 접점 및 b 접점이 접속이 해제되어 래칭 릴레이(50)가 오프 상태가 된다. 이때, 배터리 팩(20)에 충전된 전압이 부하로 공급되는 것이 차단되어 ESS가 오프 상태가 된다.
래칭 릴레이(50)가 오프된 상태에서는, 래칭 릴레이를 이루는 기계적 요소에 의해 상태 변화가 없는 동안은 현재 상태를 고정하여 현재 상태를 유지한다.
아울러 BMS(30)는 ESS의 초기 기동 시 릴레이 제어신호로 로우 신호(L)를 출력하여 래칭 릴레이(50)를 오프하고 충방전 콘덴서(C11)를 충전하며, 이후, ESS의 상태를 확인하여 정상적인 상태이면 릴레이 제어신호를 하이 신호(H)로 출력하여 충방전 콘덴서(C11)에 충전된 전류를 방전시켜 래칭 릴레이(50)를 온 시켜, ESS를 정상상태로 동작시킨다.
이와 같이 기존 전자석 릴레이를 이용한 ESS의 경우 사용자가 ESS 사용을 시작한 뒤로 상시 전자석 릴레이를 구동하기 전류를 온 상태로 하므로, 누적 전류의 증가와 전류 낭비를 초래하였다.
본 발명은 래칭 릴레이의 사용과 ESS의 상태 변화 시점에서만 릴레이 제어신호를 발생하여 래칭 릴레이를 구동시키는 방식이므로, 상태 변화 시점에서만 소량의 래칭 릴레이 구동 전류를 소모하기 때문에, 릴레이를 구동하기 위한 전류 소모량을 줄일 수 있어 ESS 용량 확보가 가능하고, 이로 인해 ESS 대기시간을 증가시킬 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
10: 릴레이 전압 공급부
20: 배터리 팩
30: 배터리 관리 시스템(BMS)
40: 래칭 릴레이 구동부
41: 게이트 드라이버
Q1, Q3: 제1 및 제2 스위칭 소자
50: 래칭 릴레이
51: 릴레이 코일
52: 릴레이 스위치
C2, C11: 충방전 콘덴서

Claims (5)

  1. 릴레이 구동 전압(RY12V)을 소정 레벨의 정전압으로 만들어 릴레이 구동 전원을 공급해주는 릴레이 전압 공급부(10);
    ESS의 운용 상태의 변화시점에서 래칭 릴레이 제어신호를 발생하는 배터리 관리 시스템(BMS)(30);
    상기 배터리 관리 시스템(30)에서 발생하는 래칭 릴레이 제어신호에 따라 상기 릴레이 전압 공급부(10)에서 공급된 릴레이 구동 전원을 제1 스위칭소자(Q1)를 통해 래칭 릴레이(50)로 공급해주거나 상기 래칭 릴레이(50)의 방전 전원을 제2 스위칭 소자(Q3)를 통해 접지로 방전시키는 래칭 릴레이 구동부(40);
    상기 래칭 릴레이 구동부(40)에서 공급된 릴레이 구동 전원을 릴레이 코일(51)을 통해 후단의 충방전 콘덴서(C11)에 충전하고, 상기 래칭 릴레이 구동부(40)의 방전 동작에 따라 상기 충방전 콘덴서(C11)에 충전된 전원을 상기 릴레이 코일(51)을 통해 상기 래칭 릴레이 구동부(40)로 방전시킴과 동시에 연동하는 릴레이 스위치(52)를 턴-온시켜 배터리 팩(20)의 전원을 부하에 공급해주는 래칭 릴레이(50); 및
    상기 래칭 릴레이(50)의 릴레이 코일(51)에 접속되어 상기 릴레이 코일(51)을 통해 공급되는 전원을 충전하고, 상기 래칭 릴레이 구동부(40)의 방전 동작에 따라 상기 충전된 전원을 상기 래칭 릴레이(50)의 릴레이 코일(51)을 통해 상기 래칭 릴레이 구동부(40)측으로 방전시키는 충방전 콘덴서(C11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치.
  2. 청구항 1에서, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 ESS의 상태 변화 시점에서만 릴레이 제어신호를 발생하되, 상기 ESS의 상태 변화 시점은 ESS 전원 온 시점, ESS 전원 오프 시점, 보호 모드 진입 시점인 것을 특징으로 하는 래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에서, 상기 제1 스위칭소자는 N 채널 전계효과트랜지스터이고, 상기 제2 스위칭소자는 P 채널 전계효과트랜지스터인 것을 특징으로 하는 래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치.
  5. 청구항 1에서, 상기 래칭 릴레이는 전원 온/오프시 또는 배터리 보호를 위한 사용 기능 제한시와 같이 상태 변화 시점에만 스위칭 동작이 변경되고, 스위칭 동작 후에는 다음 상태 변화 시점 시까지 현재 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 래칭 릴레이를 이용한 ESS 운용장치.
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