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TWI539714B - 具有整合之脈波交流整流器的耦合單元與電瓶模組及可在操作中更換的電池模組 - Google Patents

具有整合之脈波交流整流器的耦合單元與電瓶模組及可在操作中更換的電池模組 Download PDF

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TWI539714B
TWI539714B TW100112895A TW100112895A TWI539714B TW I539714 B TWI539714 B TW I539714B TW 100112895 A TW100112895 A TW 100112895A TW 100112895 A TW100112895 A TW 100112895A TW I539714 B TWI539714 B TW I539714B
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TW
Taiwan
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battery
coupling unit
switch
output
battery module
Prior art date
Application number
TW100112895A
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TW201212471A (en
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史戴芬 布茲曼
賀格 芬克
Original Assignee
三星Ｓｄｉ股份有限公司
羅伯特博斯奇股份有限公司
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Publication date
Application filed by 三星Ｓｄｉ股份有限公司, 羅伯特博斯奇股份有限公司 filed Critical 三星Ｓｄｉ股份有限公司
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Description

具有整合之脈波交流整流器的耦合單元與電瓶模組及可在操作中更換的電池模組
本發明關於一種電瓶模組(Batteriemodul)用的耦合單元，以及一種具有此種耦合單元的電瓶模組。
事實顯示，在將來不論是在位置固定方式的應用或在車輛例如油電雙用車及電動車都更多使用到電池系統。為了使對各種用途的電壓的要求以及可用的功率都要能滿足，故將多數電瓶電池(Batteriezelle，英：battery cell)串聯。由於由這種電瓶提供的電流須流經所有電瓶電池，且一電瓶電池只能通過有限電流，故往往將附加的電瓶電池並聯，以將最大電流提高，這點可藉在一電瓶電池體內設數個電池繞組或藉著將電瓶電池外接而達成。但在此有一問題：由於電池容量和電瓶電壓不是準確地相同，在並聯的電瓶電池間會造成補償電流。
在圖1中顯示外接一個一般的電驅動系統的原理圖，例如見於電動車及油電雙用車或在位置固定的用途，例如在風力發電設備的轉子葉片的調整。一電瓶(10)插到一直流電壓中間回路，它利用一電容器(11)緩衝，有一脈波交流整流器(12)，它經由各二個可切換的半導體閥及二個二極體在三個輸出端提供互相有相位偏移的正弦波電壓以操作一電驅動馬達(13)。此電容器(11)的電容須夠大，以將直流電在中間回路中的電壓穩定化維持一時段，在此時段中，該可切換的半導體閥導通。在一實際的應用，如電動車，則造成毫法拉第範圍的高電容，由於直流電壓中間回轉的電壓一般很高，因此如此大的電容成本很高，且空間需求很大。
圖2顯示圖1中的電瓶(10)的一詳細方塊圖。多數之電瓶電池串聯且可視需要另外作並聯，俾達到各應用所想要的高輸出電壓以及電瓶容量。在電瓶電池的正極與正電瓶端子之間接一充電及隔離裝置(16)。也可視需要在電瓶電池的負極與一其電瓶端子(15)之間一接一隔離裝置(17)。此充電及隔離裝置(16)以及該隔離裝置(17)各包含一保護件(18)或(19)，它們用於將電瓶電池與電瓶端子隔開，以將電瓶端子切換成無電壓。否則會由於串聯的電瓶電池的高直流電壓，對維修人員或類似者會產生很大的危險電位。另外在充電及隔離裝置(16)中設有一充電保護件(20)，它具有一個和充電保護件(20)串聯的充電電阻(21)。如果電瓶接到直流電壓中間回路，則充電電阻(21)限制電容器(11)的充電電流，為此，首先使保護件(18)開路，且只有充電保護件(20)閉路。如果在正電瓶端子(14)的電壓達到電瓶電池的電壓，則保護件(19)可閉路，如有必要，充電保護件(20)使一電瓶(10)成本提高的程度不小，因為對於其可靠性及對於要由它引導的電流的要求很高。
許多電瓶電池串聯的電路的問題，除了總電壓大外，還有一大問題，當有單一電瓶電池故障，則整個電瓶就故降，因為它係串聯電路，電瓶電流須能在所有電瓶電池流過。電瓶的故障會造成整個系統故障。在電動車的場合， 驅動器電池故障會造成所謂的「躺著不動」的車子。而在其他裝置，例如在風力發電設備，轉子葉片的調整裝置故障時，在強風時甚至會造成危害安合的狀況，因此電瓶的可靠性很重要。依定義，「可靠性」一詞指系統正確地工作一段預設時間的能力。此外人們希望這種電瓶系統有高度可取得性(Verfügbakeit，英：availability)。「可取得性」係指能夠在一所予時間點使一種可修復的系統變成一種有功能的狀態。
因此依本發明提供一種電瓶模組用的耦合單元，該耦合單元包含一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端該耦合裝置設計成對一第一控制信號將第一輸入端與第一輸出端連接，並將第二輸入端與第二輸出端連接，且對一第二控制信號將第一輸入端與第一輸出端隔開，並將第二輸入端與第二輸出端隔開，並將第一輸出端與第二輸出端連接。
該耦合裝置可使得一個或數個接在第一及第二輸入端之間的電瓶電池耦合到耦合單元的第一及第二輸出端，可電瓶電池的電壓可在外界供使用，或將第一輸出端與第二輸出端連接，以將電瓶電池橋接，因此可由外界看到0伏特的電壓。因此比起圖1所示的系統，該電瓶系統的可靠性大大提高。因此單一之個別的電瓶電池故障不會立即造成此電瓶系統故障，此外，該電池系統之可取得性大大改善。因為可將第一與第二輸入端解耦將接在第一及第二輸入端的電瓶電池以無電壓方式切換。且在操作中拿掉並利用有功能的電瓶取代，然後該電池可再接通。
耦合單元可具有至少一交流開關，該交流開關設計成將第一輸入端及第二輸入端之一與該第一輸出端或第二輸出端連接，或將該耦合單元的一中點與該第一輸出端或第二輸出端連接。
藉使用至少一交流開關，可確保在耦合單元功能故障是，第一輸入端絕不會與第二輸入端以及與連接的電瓶電池短路。然而一交流電開關一般只能做成電機械開關，這點就價格、尺寸、及故障的安全性而言會造成缺點。
如不用此方式，該耦合單元也可具有一第一開關、一第二開關、及一第三開關、該第一開關接第一輸入端與第一輸出端之間，該第二開關接第二輸入端與第二輸出端之間，該第三開關接第一輸出端與第二輸出端)之間。這種耦合單元的實施例特別適合用導體體開關實施，其中至少一開關宜設計成MOSFET開關或絕緣之閘雙極電晶體(TGBT)開關形式。
本發明第二標的為一種電瓶模組，具有前述任一項申請專利範圍的一種耦合單元且具有至少一電瓶電池，宜為一鋰離子電瓶電池，該電瓶電池接在該耦合單元的第一輸入端及第二輸入端之間。其中該電瓶模組的一第一端子與該耦單元第一輸出端連接，而電瓶模組的一第二端子與該耦單元第二輸出端連接。如果該至少一電瓶電池的電壓在電瓶電池模組的第一及第二端子須可用，則將該耦合單元的第一輸入端接通到其第一輸出端，並將該耦合單元的第二輸入端接通到其第二輸出端，反之如果要將此電瓶模組活化(deaktivieren，英：deactivate)則將該耦合單元的第一輸入端與耦合單元的第一輸出端隔開，並將該耦合單元的第二輸入端與耦合單元的第二輸出端隔開，並將該耦合單元的第一輸出端與耦合單元的第二輸出端連接。如此第一及第二端子互相呈導電連接，因此對電池模組造成0伏特的電壓。
本發明第三標的為一種電瓶，具有一個或數個(且宜正好三個)電瓶模組串，其中一電瓶模組串具有多數申請專利範圍第5項的電瓶模組，故電瓶模組係串聯者，並具有一控制單元，該控制單元設計成產生控制耦合單元的第一及第二控制信號，並送到該耦合單元。
此電瓶有一優點，即使有一電瓶電池故障，相關的電瓶模組也可去活化，而剩下的電瓶模組有電壓可用。固然如此一來，電瓶之最大可用的電壓略降低，但在一電池操作的裝置中這點電壓的降低一般不會使這裝置整個故障。此外，如果一電瓶模組故障且須去活化，則可設一些附加的電瓶模組，它們對應地加入該電瓶模組的串聯電路中。如此，電瓶電池的電壓不受到一電瓶模組故障損害。且不受電瓶的故障影響，如此整個裝置的可靠性也大大提高。所去活化的電瓶模組另外可藉著將第一及第二輸入端隔開而變成無電壓(不考慮去活化的電池模組本身較低的電壓)且因此可在連接操作中更換。
如果如上述該耦合單元有第一、第二及第三開關，則該控制單元設計成將一所選出的耦合單元的第一開關及第二開關閉路，並將所選出的耦合單元的第三開關閉路，或者將所選出的耦合單元的第一開關及第二開關開路，並將所選出的耦合單元的第三開關閉路，或者將該所選出的耦合單元的第一、第二及第三開關開路。如果全部三個開關都開路，則電瓶模組變成高歐姆，如此電瓶模組串中的電流中斷。這點可在維修的情形中利用。在此情形中，舉例而言，可將一電瓶模組串的所有電瓶模組變成高歐姆狀態，俾將無危險地將有缺陷的電瓶模組或整個電瓶更換，如此，先前技術之圖2所示的保護件(17)(18)顯得多餘，因為該耦合單元已能將電瓶的二個極切換成無電壓狀態。
該控制單元另外可設計成在一第一時間點
將一選出的電瓶模組串的耦合單元所有第一輸入端與該一選出的電瓶模組串的耦合單元第一輸出端連接，並將該選出的電瓶模組串的耦合單元的所有第二輸入端連接，並且在一第二時間點將該選出的電瓶模組串的耦合單元所有第一及第二輸入端與該選出的電瓶模組串的耦合單元所有第一及第二輸出端解耦並將該選出的電瓶模組串的耦合單元的所有第一及第二輸出端連接。
如此在第一時間點，在電瓶模組串的輸出端，有所選 出之電瓶模組串的完全的輸出電壓可用，而在第二時間點輸出0伏特的電壓。如此電瓶模組串的耦合單元呈脈波交換整流器的形式操作，它如圖1所示，係將該直流電壓在中間回路的正極或該直流電壓中間回路的負極接通到該脈波交流整流器的輸出端。因此可藉著使用(例如一種脈波寬度調變)的控制手段，可產生近似正弦波形的輸出電壓，其中該驅動馬達的馬達繞組當作濾波器作用。因此本發明電瓶可完全担任先前技術的脈波交流整流器的功能。在具有數電瓶模組串的實施例，各電瓶模組串產生一輸出電壓，它相對於其他電瓶模組串的輸出電壓呈相位移動，因此一驅動馬達可直接與該電瓶連接。在此，另一有利做法，係將電瓶的總電容量分配到數個電瓶模組串，如此可省却電瓶電池的並聯電路，或至少其度量可大大減少。如此並聯的電瓶電池之間的補償電流可除去或至少大大減少。這點可提高電瓶壽命。因此，如不用如圖12單一的直流電壓中間回路，也可設許多直流電壓中間回路，如電瓶模組串。這點有一優點：可能設的緩衝電容器尺寸可成較小或完全省却。
該電瓶可具有一個與該控制單元連接的感測器單元，該感測器單元設計成將一有瑕疪的電瓶電池檢出並顯示給控制單元知道，其中該控制單元設計成藉著輸出適當之控制信號將具有瑕疪電瓶電池的一電瓶模組去活化。舉例而言此控制單元可測量一電瓶電池旳電池電壓或該電瓶電池的其他操作參數，俾判斷該電瓶電池的狀態。在此「瑕疪 的電瓶電池」可不僅指示實際上有瑕疪的電瓶電池，而且也可顯示那些實際狀態的瑕疪機率很高的電瓶電池。(它們在不久電瓶電池就會有實際上的瑕疪)
本發明的第四標的為一種汽車，具有一用於驅動該汽車的電驅動馬達及一個依申請專利範圍第6~9項任一項的電瓶，與該電驅動馬達連接。
本發明的第一二標的為一種汽車，該汽車具有一種電驅動馬達以驅動此汽車，並且有一個依本發明第一標的之電瓶，該電瓶與該電驅動馬達連接。
本發明的實施例利用圖式和以下的說明詳細的敘述，其中相同的圖號表示相同的元件或功能相同的元件。
圖3顯示依本發明的一耦合單元(30)，耦合單元(30)有二個輸入端(31)(32)及二個輸出端(33)(34)，它係計成將第一輸入(31)與第一輸出端(33)連接，以及將第二輸入端(32)與第二輸出端(34)連接，以及將第一輸出端(33)與第二輸出端(34)解耦，或者將第一輸出端(33)與第二輸出端(34)連接[並將輸入端(31)(32)解耦]。此外，在耦合單元之特定實施例，它可設計成將二輸入端(31)(32)與二輸出端(33)(34)解耦，且第一輸出端(33)與第二輸出端(34)解耦，但其中未將第一輸入端(31)與第二輸入端(32)連接。
圖4顯示耦合單元(30)一第一實施例，其中設有一第一開關(35)、第二開關(36)及三開關(37)。
第一開關(35)接在第一輸入端(31)與第一輸出端(33)之間，第二開關(36)接在第二輸入端(32)與第二輸出端(34)之間，第三開關(37)接在第一輸出端(33)與第二輸出端(34)之間，此實施例有一優點，開關(35)(36)(37)可簡單地做成半導體開關形式，例如MOSFET或IGBT。半導體開關的好處為價格便宜，且有高切換速度，因此耦合單元(30)可在很短的時間內可對控制信號反應或對控制信號的變化反應，且可達高切換速率。
圖5顯示耦合單元(30)一第二實施例，它在一第一交流開關(38)及一第二交換開關(39)。也可考慮一些實施例，其中只設二交換開關(38)(39)之一，而另一個用二開關(35)(37)或(37)(36)取代。交換開關(38)(39)具有原理基本性質，俾只能將其各輸入端接通到其輸出端，而其餘的各輸入端則解耦。這點有一優點：即使所用之開關或控制單元有錯誤功能，但耦合單元(30)的第一輸入端(31)絕不會與耦合單元(30)的第二輸入端(32)連接而使連接的電瓶電池短路。交換開關(38)(39)可特別簡單地做成電機械開關的方式。
圖6顯示本發明電瓶模組(40)的一實施例。多數電瓶電池(41)串聯到一耦合單元(30)的輸入端之間。但本發明不限於電瓶電池這種串聯電路，也可只設單一電瓶電池或該電瓶電池的並聯電路或混合串並聯電路。耦合單元(30)的第一輸出端與一第一端子(42)連接。而耦合單元(30)的第二輸出端與一第一端子(43)連接。如上述，此電瓶模組(40)有一優點，耦合單元(30)的電瓶電池(41)與剩下的電瓶解耦，因此可在操作中毫無危險地交換。
圖2顯示本發明電瓶的一第一實施例，它有n個電瓶模組串(50-1)～(50-n)，各電瓶模組串(50-1)～(50-n)有多數電瓶模組(40)，其中各電瓶模組串(50-1)～(50-n)有相同數目的電瓶模組(40)，而各電瓶模組(40)有相同數目的電瓶電池以相同方式配接。各電瓶模組串的一極可與另一電瓶模組串的相關極連接，這點在圖7中利用虛線表示，一般，一電瓶模串有大於1的任何數目的電瓶模組，而一電瓶可有各種數目的電瓶模組串。如果安全測定有必要的話，也可在電瓶模組串的極上另外如圖2所示設充電/隔離裝置及隔離裝置。然而依本發明，這些隔離裝置並不需要，因為利用電瓶模組(40)中所含的耦合單元(30)可將電瓶電池與電瓶端子解耦。
圖8顯示一驅動系統，它具有本發明電瓶的另一實施例，在圖示例中，電瓶有三個電瓶模組串(50-1)(50-2)(50-3)，它們各直接地接引一驅動馬達(13)的一輸入端。由於大多現成的電馬達係設計成用三個相位信號操作，因此本發明的電瓶宜正好有三個電瓶模組串。本發明的電瓶另外有一較佳情形，係將脈波交流完整流器的功能整合到電瓶中。由於電瓶的一控制單元係將一電瓶模組串的所有電瓶模組活化或去活化，在電瓶模組串的輸出端為0伏特或電瓶模組串的完全輸出電壓。因此適合的控制手段，例如會脈波交流器的場合(例如利用脈波寬度調變)可提供適合的相位信號以驅動該驅動馬達(13)。
但除了上述的優點外，本發明還有一些優點：高伏特元件數目及插接連接部的數目減少，且可以將該電瓶的一冷却系統與該脈波交流整流器組合，其中用於冷却該電瓶電池的冷媒隨後可用於冷却脈波交流整流器的元件[以及耦合單元(40)或(60)]因為它們一般會達到較高操作溫度且還可利用這種已被電瓶電池加熱過的冷媒充分冷却。此外可將電瓶與脈波交流整流器的控制單元組合。因此可省却其他成本。此耦合單元提供一種脈波交流整流器與電池的整合安全概念，且提高整個系統的可靠性及可用性以及電瓶的壽命。
具有整合的脈波交流整流器的電瓶的另一優點為：它可很簡單地用模組方式由具有整合的耦合單元的個別電瓶模組建構起來。如此可使用相同的部件[構造原理]。
(10)‧‧‧電瓶
(12)‧‧‧脈波交流整流器
(13)‧‧‧驅動馬達
(14)‧‧‧電瓶端子(正)
(15)‧‧‧電瓶端子(負)
(16)‧‧‧充電及隔離裝置
(17)‧‧‧隔離裝置
(18)‧‧‧保護件
(19)‧‧‧保護件
(20)‧‧‧充電保護件
(21)‧‧‧充電電阻
(30)‧‧‧耦合單元
(31)‧‧‧第一輸入端
(32)‧‧‧第二輸入端
(33)‧‧‧第一輸出端
(34)‧‧‧第二輸出端
(35)‧‧‧第一開關
(36)‧‧‧第二開關
(37)‧‧‧第三開關
(38)‧‧‧交換開關
(39)‧‧‧交換開關
(40)‧‧‧電瓶模組
(41)‧‧‧電瓶電池
(42)‧‧‧第一端子
(43)‧‧‧第二端子
(50-1)...(50-n)‧‧‧電瓶模組串
圖1係依先前技術的一電驅動系統；
圖2係依先前技術的一電瓶方塊圖；
圖3係依本發明的一耦合單元；
圖4係該耦合單元的一第一實施例；
圖5係該耦合單元的一第二實施例；
圖6係本發明電瓶模組的一實施例；
圖7係本發明電瓶模組的一第一實施例；
圖8係具有本發明電瓶的另一實施例的一驅動系統。
(30)．．．耦合單元
(40)．．．電瓶模組
(41)．．．電瓶電池
(42)．．．第一端子
(43)．．．第一端子
(50-1)...(50-n)．．．電瓶模組串

Claims (10)

  1. 一種電瓶模組(40)用的耦合單元(30)，該耦合單元(30)包含一第一輸入端(31)、一第二輸入端(32)、一第一輸出端(33)、及一第二輸出端(34)，該耦合裝置設計成對一第一控制信號將第一輸入端(31)與第一輸出端(33)連接，並將第二輸入端(32)與第二輸出端(34)連接，且對一第二控制信號將第一輸入端(31)與第一輸出端(33)隔開，並將第二輸入端(32)與第二輸出端(34)隔開，並將第一輸出端(33)與第二輸出端(34)連接，一第一開關(35)，其連接在該第一輸入端(31)及第一輸出端(33)之間，且對一第一控制信號及應而閉路及對一第二控制信號反應而開路，一第二開關(36)，其連接在該第二輸入端(32)和第二輸出端(34)間，且對該第一控制信號反應而閉路及對該第二控制信號反應而開路，一第三開關(32)，其連接在該第一輸出端(33)和第二輸出端(34)間，且對該第一控制信號反應開路及對該第二控制信號反應而閉路。
  2. 一種電瓶模組(40)用的耦合單元(30)，該耦合單元(30)包含一第一輸入端(31)、一第二輸入端(32)、一第一輸出端(33)、及一第二輸出端(34)， 一第一交換開關(38)，設計成對一第一控制信號反應將該第一輸出端(33)接到該第一輸入端(31)及第一第二控制信號反應，將該第一輸出端(33)接到一內結點，一第二交換開關(39)，設計成對一第二控制信號反應將該第二輸出端(34)接到該第二輸入端(32)及對一第二控制信號反應，將該第二輸出端(34)接到該內結點，其中該耦合單元(30)設計成對該第一控制信號反應將該內結點與該第一輸入端(31)及第二輸入端(32)斷路以及對該第二控制信號反應，將該第一輸出端(33)經該內結點接到該第二輸出端(34)。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之耦合單元，其中：該耦合單元設計成對該第一控制信號反應，將該第一輸入端(31)接到第一輸出端(33)，將該第二輸入端(32)接到第二輸出端(34)，以及將該第一輸出端(33)與第二輸出端(34)斷路，且對該第二控制信號反應，將該第一輸入端(31)與該第一輸出端(33)斷路，及將該第二輸入端(32)與該第二輸出端(34)斷路，以及將該第一輸出端(33)與第二輸出端(34)連接。
  4. 如申請專利範圍第3項之耦合單元，其中：該第一開關(35)、第二開關(36)或第三開關(37)中至少有一開關設計成MOSFET開關或絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)開關。
  5. 一種電瓶模組(40)，具有一耦合單元(31)，且具有至少一電瓶電池(41)，該電瓶電池接在該耦合單元(30)的第一 輸入端(31)及第二輸入端(32)之間。其中該電瓶模組(40)的一第一端子(42)與該耦單元(30)第一輸出端(33)連接，而電瓶模組(40)的一第二端子(43)與該耦合單元(30)第二輸出端(34)連接。
  6. 一種電瓶，具有一個電瓶模組串(50)，其中一電瓶模組串(50)具有多數申請專利範圍第5項的電瓶模組(40)，故電瓶模組(40)係串聯者，並具有一控制單元，該控制單元設計成產生控制耦合單元(30)的第一及第二控制信號，並送到該耦合單元。
  7. 一種如申請專利範圍第6項的電瓶，且其中該控制單元設計成將一所選出的耦合單元(30)的第一開關(35)及第二開關(36)閉路，並將所選出的耦合單元(30)的第三開關(37)閉路，或者將所選出的耦合單元(30)的第一開關(35)及第二開關(36)開路，並將所選出的耦合單元(30)的第三開關(37)閉路，或者將該所選出的耦合單元(30)的第一、第二及第三開關(35)(36)(37)開路。
  8. 如申請專利範圍第6項或第7項的電瓶，其中：該控制單元另外設計成在一第一時間點將一選出的電瓶模組串(50)的耦合單元(30)所有第一輸入端(31)與該一選出的電瓶模組串(50)的耦合單元(30)第一輸出端(33)連接，並將該選出的電瓶模組串(50)的耦合單元(30)的所有第二輸 入端(34)連接，並且在一第二時間點將該選出的電瓶模組串(50)的耦合單元(30)所有第一及第二輸入端(31)(32)與該選出的電瓶模組串(50)的耦合單元(30)所有第一及第二輸出端(33)(34)解耦並將該選出的電瓶模組串(50)的耦合單元(30)的所有第一及第二輸出端(33)(34)連接。
  9. 如申請專利範圍第6項或第7項的電瓶，其中：具有一個與該控制單元連接的感測器單元，該感測器單元設計成將一有瑕疪的電瓶電池(41)檢出並顯示給控制單元知道，其中該控制單元設計成藉著輸出適當之控制信號將具有瑕疪電瓶電池(41)的一電瓶模組(40)去活化。
  10. 一種汽車，具有一用於驅動該汽車的電驅動馬達(13)及一個依申請專利範圍第6~9項任一項的電瓶，與該電驅動馬達(13)連接。
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