JP4804994B2 - フォークリフト用電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、蓄電池などのバッテリーとモータなどの負荷との間がメンテナンス用のプラグによって着脱可能であり、該プラグと負荷との間に並列接続されたキャパシタを有し、前記負荷が前記キャパシタに蓄えられたエネルギーを用いるフォークリフト用電源装置に関するものである。

従来から、フォークリフトは、狭い空間での作業が多いことからバッテリーを電源とするバッテリーフォークリフトが用いられている。一方、近年、フォークリフトの性能をより向上するために、ハイブリッド車両などのようにキャパシタが多用されるようになっている。

キャパシタは、たとえば鉛蓄電池などのバッテリーとモータなどの負荷との間に配置され、負荷が、このキャパシタに蓄えられたエネルギーを直接用いるようにしている。キャパシタを用いると、キャパシタが負荷からの回生エネルギーを効率よく蓄積することができるとともに、キャパシタが持つ放電特性により瞬時に大電流が取り出せ起動性が向上する。更に、キャパシタが負荷変動を吸収してバッテリーの長寿命化を促進することができるという利点をもつ。

特開２００２−３２０３０２号公報 特開２００５−１６０１５４号公報

しかしながら、フォークリフトなどでは、このキャパシタの容量が数百Ｆであり、１００〜１０００μＦ程度の電子機器などのキャパシタ容量に比して格段に大きな容量であるため、キャパシタの蓄電量が十分でない場合、このキャパシタを充電してから電源オン状態に移行する必要があるため、電源オン可能状態になるまでに１時間以上かかる場合があり、作業性を大きく低下させるという問題点があった。

一般に、キャパシタに蓄えられた電荷は、漏れ電流により、キャパシタの蓄電量は時間経過とともに徐々に減少していく。したがって、キャパシタがバッテリーに常時接続された状態であれば、このバッテリーによって常に充電されているため、キャパシタとバッテリーとの電圧はほぼ同一状態となり、直ちに動作可能な状態となる。

しかし、フォークリフトなどの車両に搭載されるキャパシタは、搭載スペースやメンテナンスの関係からバッテリーボックスから離間した位置に搭載されるのが一般的である。バッテリーはバッテリープラグにより負荷と接続されているが、メンテナンス時にはバッテリープラグの抜き差しが行われるためメインコンタクタが不可欠である。メインコンタクタが無いとキャパシタに瞬時に大電流が流れ、ケーブルの損焼やキャパシタが破壊されることが起きる。また、バッテリープラグが抜かれた状態が長いとキャパシタは漏れ電流により放電状態となり、バッテリープラグを差し込んでもキーＯＮ時にキャパシタの充電が必要となり速やかに作業に移行することが出来ないという問題がある。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、キャパシタを用いた電源であっても直ちに電源オン状態に移行することができるフォークリフト用電源装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるフォークリフト用電源装置は、押し込み充電されるバッテリーと負荷との間がメンテナンス用のプラグによって着脱可能であり、該プラグと負荷との間に並列接続されたキャパシタを有し、前記負荷が前記キャパシタに蓄えられたエネルギーを用いるフォークリフト用電源装置であって、前記プラグと前記バッテリーとの間に設けられたノーマリーオフスイッチであるメインコンタクタと、前記キャパシタからの漏れ電流値を超え、かつ該漏れ電流値近傍の微小電流値で前記キャパシタを予め充電するよう、抵抗とノーマリーオン状態のスイッチとの直列接続回路からなり、前記メインコンタクタに並列接続されたノーマリーオンの微小予充電回路と、前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えたか否かを判定し、前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えていないときは、前記微小予充電回路の前記スイッチをオン状態とし、前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えているときは、前記微小予充電回路の前記スイッチをオフ状態とする制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるフォークリフト用電源装置は、上記の発明において、前記メインコンタクタに並列接続され、前記キャパシタを急速充電するノーマリーオフの急速充電回路を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるフォークリフト用電源装置は、上記の発明において、前記制御手段は、起動時に前記バッテリーの電圧値が、前記キャパシタの電圧値に所定値を加えた電圧値を超えた場合、前記急速充電回路をオン状態にし、超えない場合、前記メインコンタクタをオン状態にする制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるフォークリフト用電源装置は、上記の発明において、押し込み充電されるバッテリーと負荷との間がメンテナンス用のプラグによって着脱可能であり、該プラグと負荷との間に並列接続されたキャパシタを有し、前記負荷が前記キャパシタに蓄えられたエネルギーを用いるフォークリフト用電源装置であって、前記プラグと前記バッテリーとの間に設けられたメインコンタクタと、前記キャパシタからの漏れ電流値を超え、かつ該漏れ電流値近傍の微小電流値で前記キャパシタを予め充電するよう、抵抗とスイッチとの直列接続回路からなり、前記メインコンタクタに並列接続された微小予充電回路と、前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えたか否かを判定し、前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えていないときは、前記微小予充電回路の前記スイッチをオン状態とし、前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えているときは、前記微小予充電回路の前記スイッチをオフ状態とする制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるフォークリフト用電源装置は、上記の発明において、前記メインコンタクタに並列接続され、前記キャパシタを急速充電する急速充電回路を備え、前記制御手段は、起動時に前記バッテリーの電圧値が、前記キャパシタの電圧値に所定電圧値を加えた電圧値を超えた場合、前記急速充電回路をオン状態にし、超えない場合、前記メインコンタクタをオン状態にする制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかるフォークリフト用電源装置は、上記の発明において、前記バッテリーの負荷側に隣接して並列接続された電力変換回路を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるフォークリフト用電源装置は、上記の発明において、前記微小予充電回路は、コレクタ側に接続された抵抗と、該抵抗の他端とベース間に接続された定電圧ダイオードとを有し、前記抵抗の抵抗値と前記定電圧ダイオードの電圧値とベース・コレクタ間電圧とで決定される定電流値である前記微小電流値の電流を流す第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタのベース側に接続され、前記制御手段によってスイッチングされて前記第１のトランジスタをスイッチングする第２のトランジスタと、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるフォークリフト用電源装置は、上記の発明において、前記急速充電回路は、前記制御手段から送られるＰＷＭ信号によって通電量が制御される第３のトランジスタを備えたことを特徴とする。

この発明にかかるフォークリフト用電源装置は、メインコンタクタに並列接続されたノーマリーオンの微小予充電回路が、キャパシタからの漏れ電流値を超え、かつ該漏れ電流値近傍の微小電流値で前記キャパシタを予め充電しておくようにしているので、キャパシタを用いた電源であっても直ちに電源オン状態に移行することができるという効果を奏する。

以下、この発明を実施するための最良の形態であるフォークリフト用電源装置について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１であるフォークリフト用電源装置の構成を示す回路図である。また、図２は、図１に示したフォークリフト用電源装置が搭載されるフォークリフトの構成を示す図である。図１に示したフォークリフト用電源装置１は、図２に示したフォークリフト１０に搭載されて用いられる。

フォークリフト用電源装置１は、鉛蓄電池などによって実現されるバッテリー２を有し、このバッテリー２は、プラス側に接続されたスイッチ群３を介してバッテリープラグ４の一方に接続される。バッテリープラグ４の他方は、電気二重層コンデンサなどによって実現されるキャパシタ５が接続され、さらにこのキャパシタ５にインバータ６が接続され、このインバータ６から出力された交流出力によってモータ７が駆動される。バッテリープラグ４は、製造時やメンテナンス時に、バッテリー２をキャパシタ５側から外すためのプラグであり、着脱可能である。これは、バッテリー２の寿命が短い一方、キャパシタ５の寿命が長いため、交換部品であるバッテリー２のみを交換操作しやすくするためである。なお、バッテリー２の電圧は、通常４８Ｖあるいは７２Ｖであり、キャパシタ５の容量は、数百Ｆ程度である。また、モータ７に流れる電流は通常、１００Ａ程度であり、負荷が大きいときには３００〜４００Ａ程度流れる。また、キャパシタ５は、大きな漏れ電流が発生し、ここでは、２００ｍＡ程度の漏れ電流が発生している。

スイッチ群３は、メインコンタクタ３１，微小予充電回路３２，および急速充電回路３３がそれぞれ並列接続されている。メインコンタクタ３１は、メインの電源スイッチであってノーマリーオフスイッチである。微小予充電回路３２は、上述した２００ｍＡの漏れ電流を超え、かつバッテリープラグ接続時に火花が発生する等の危険がないような漏れ電流近傍の電流値、たとえば２２０ｍＡを流して予充電を行う抵抗Ｒ１とノーマリーオン状態のスイッチＳＷ１とが直列接続されている。また、急速充電回路３３は、キャパシタ５に対する急速充電時の電流値を規制する抵抗Ｒ２とノーマリーオフ状態のスイッチＳＷ２とが直列接続されている。したがって、電源オフ時には通常、微小予充電回路３２のみがオン状態となってキャパシタ５の漏れ電流に打ち勝つ微小電流で予充電しており、キャパシタ５の電圧がバッテリー２の電圧とほぼ同程度の状態を維持するようにしている。

コントローラＣは、キースイッチＳＷを介してバッテリー２に接続される。また、コントローラＣは、スイッチ群３、インバータ６、および操作部８に接続される。操作部８は、図２に示したフォークリフト１０のレバー１４やアクセル１５などに相当し、コントローラＣは、操作部８から入力された操作量をもとに、インバータ６を制御してモータ７の制御を行う。また、コントローラＣは、キースイッチＳＷのオンの検出やバッテリー２の
電圧値Ｖ_BATおよびキャパシタ５の電圧値Ｖ_CAPなどをもとにスイッチ群３を制御する。

なお、図２に示したフォークリフト１０において、バッテリー１は、クレーンなどによって容易に取り出しやすい座席の下に配置される。また、キャパシタ５は、フォーク１２およびマスト１１側である前方の車体内に配置される。モータ７は、車体のほぼ中央部に配置される。スイッチ群３，バッテリープラグ４，コントローラＣ，およびインバータ６は、車体後方のカウンターウェイト１３側に配置される。

ここで、図３および図４に示すフローチャートを参照して、コントローラＣによるスイッチ群３に対する制御処理について説明する。図３は、キースイッチＳＷがオンされた場合におけるコントローラＣによるスイッチ群３に対する起動処理制御手順を示すフローチャートである。図３において、コントローラＣは、まず、キースイッチＳＷがオンされたか否かを判断する（ステップＳ１０１）。キースイッチＳＷがオンされない場合（ステップＳ１０１，ＮＯ）には、このステップＳ１０１の判断を継続し、キースイッチＳＷがオンされた場合（ステップＳ１０１，ＹＥＳ）には、さらに、バッテリー２の電圧値Ｖ_BATが、キャパシタ５の電圧値Ｖ_CAPに所定値ΔＶを加えた値を超えているか否かを判断する（ステップＳ１０２）。

電圧値Ｖ_BATが、電圧値Ｖ_CAPに所定値ΔＶを加えた値を超えている場合（ステップＳ１０２，ＹＥＳ）には、急速充電回路３３のスイッチＳＷ２をオフ状態からオン状態にしてキャパシタ５に対する急速充電を行い（ステップＳ１０３）、ステップＳ１０２に移行する。一方、電圧値Ｖ_BATが、電圧値Ｖ_CAPに所定値ΔＶを加えた値を超えていない場合（ステップＳ１０２，ＮＯ）には、メインコンタクタ３１をオフ状態からオン状態にして電源オンにし（ステップＳ１０４）、本処理を終了する。

この処理では、製造時やメンテナンス時に、ユーザがバッテリープラグ４を外してバッテリー２を保管などしている場合、キャパシタ５の電圧が極端に低くなる場合があり、このような場合にキャパシタ５の電圧が迅速にバッテリー２の電圧とほぼ同じ電圧となるようにするため、急速充電を行い、その後、メインコンタクタ３１がオンされるようにして、フォークリフト用電源装置の安全性を確保するとともに迅速な電源オン状態に移行できるようにしている。なお、フォークリフト用電源装置の安全性の確保とは、キャパシタ５の電圧がバッテリー２の電圧に比して極端に低い場合、バッテリー２側からキャパシタ５側に大きな電流が流れ、接続ケーブルなどの許容電流値を超えてしまい、接続ケーブル自体や接続部分の破損や発火を招いてしまうことを防止することである。

つぎに、図４を参照して、コントローラＣによる予充電処理手順について説明する。図４において、コントローラＣは、電源オン・オフ状態にかかわらず、常にこの予充電処理を行っている。まず、コントローラＣは、バッテリー２の電圧値Ｖ_BATが、キャパシタ５の耐圧を超えたか否かを判断する（ステップＳ２０１）。バッテリー２の電圧値Ｖ_BATが、キャパシタ５の耐圧（定格電圧）を超えた場合（ステップＳ２０１，ＹＥＳ）には、微小予充電回路３２のスイッチＳＷ１をオフ状態し（ステップＳ２０２）、キャパシタ５に大きな電圧がかかることによって寿命が短くなることを防止できる状態にしてステップＳ２０１に移行する。一方、バッテリー２の電圧値Ｖ_BATが、キャパシタ５の耐圧を超えていない場合（ステップＳ２０１，ＮＯ）には、微小予充電回路３２のスイッチＳＷ１をオン状態し（ステップＳ２０３）、キャパシタ５の漏れ電流に打ち勝つ微小電流をキャパシタ５に供給することによって予め充電を行い、ステップ２０１に移行する。

この予充電処理によって、キャパシタ５の電圧は、電源オン・オフにかかわらず、常に安全に予充電され、起動時における迅速な電源オンを確保できるようにしている。なお、バッテリー２の電圧値Ｖ_BATが、キャパシタ５の耐圧（定格電圧）を超えるような場合と
は、図示しない充電器によるバッテリー２に対する充電、いわゆる押し込み充電を行う場合に生じる。この場合、バッテリー２に対する充電を行っても、キャパシタ５の耐圧が大きければ問題ないが、キャパシタ５の耐圧が小さくても、上述した予充電処理を行うことによって、キャパシタ５の長寿命化を確保することができる。なお、図３に示した起動時処理と図４に示した予充電処理とは、コントローラＣによって並列処理される。

ここで、上述した微小予充電回路３２および急速充電回路３３の変形例について説明する。図５は、微小予充電回路３２の変形例を示す回路図である。図５に示すように、この微小予充電回路は、コレクタ側およびエミッタ側がそれぞれ入出力端として機能するトランジスタＴｒ１を有し、このトランジスタＴｒ１のコレクタ側には抵抗Ｒ３が接続され、入力端とベースとの間にツェナーダイオードＤＺが接続される。さらにトランジスタＴｒ１のベースには、抵抗Ｒ４を介してコレクタ側が接続されたトランジスタＴｒ２が接続され、このトランジスタＴｒ２のエミッタ側は接地され、ベースには、コントローラＣからのオン・オフの制御信号が入力される。このため、コントローラＣからトランジスタＴｒ２へのオン・オフの制御信号にしたがって、トランジスタＴｒ１がオン・オフ状態になる。

この場合、抵抗Ｒ３とツェナーダイオードＤＺのツェナー電圧との値によって充電電流値を的確に設定することができる。すなわち、トランジスタＴｒ１を流れる電流Ｉ２は、ツェナーダイオードＤＺの電圧値をＶ_DZとし、トランジスタＴｒ１のベース・コレクタ間の電圧値をＶ_BCとし、さらに抵抗Ｒ３の抵抗値をＲとすると、電流Ｉ２は、（Ｖ_DZ−Ｖ_BC）／Ｒで決定され、所定の微小予充電電流を定電流としてキャパシタ５に流すことができる。

また、図６は、急速充電回路３３の変形例を示す回路図である。図６に示すように、この急速充電回路は、入力端側にトランジスタＴｒ３を接続し、出力側にインダクタンスＬを接続し、トランジスタＴｒ３のエミッタとインダクタンスＬとの接続点に、この接続点に向かう方向を順方向とするダイオードＤを接続し、このダイオードＤの他端が接地される。トランジスタＴｒ３のベースには、コントローラＣからトランジスタＴｒ３の通電量を制御するためのＰＷＭ信号が入力され、このＰＷＭ信号のディーティ比によって通電量、すなわち電流Ｉ３が制御される。ここで、トランジスタＴｒ３から出力された電流は、脈動しているが、インダクタンスＬによって整流された電流Ｉ３として出力端から出力され、キャパシタ５への急速充電が行われる。この図６のような回路を用いることによって、急速充電による充電電流量を可変制御することができるため、コントローラＣの制御によって柔軟な急速充電を行うことができる。

（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。この実施の形態２では、上述した実施の形態１のバッテリー２とキャパシタ５との間に電力変換回路２１を設けるようにし、インバータ６およびモータ７の負荷側に対してキャパシタ５からのエネルギー供給を効率的に行うようにしている。

図７は、この発明の実施の形態２であるフォークリフト用電源装置２０の構成を示す回路図である。上述したように、このフォークリフト用電源装置２０は、電力変換回路２１によってバッテリー２側とキャパシタ５側とを分離するようにしている。この電力変換回路２１は、たとえばＤＣ−ＤＣ変換回路などによって実現される。

実施の形態１のように、バッテリー２とキャパシタ５とが直接に並列接続された状態であると、キャパシタ５の変動が小さいため、キャパシタ５からインバータ５側へのエネルギー供給量が、バッテリー２の内部抵抗の変動による変化分のみと小さくなる場合が発生
し、バッテリー２からエネルギー供給がなされ、キャパシタ５を設けた効果が薄れる可能性がある。

この実施の形態２のように電力変換回路２１を設けると、負荷変動はそのままキャパシタ５が受け、キャパシタ５から直接に負荷側にエネルギーが供給されるようになる。この結果、キャパシタ５による迅速なエネルギー供給と蓄積がなされるとともに、バッテリーの長寿命化を促進することができる。

なお、上述した実施の形態１，２では、スイッチ群３がコントローラＣによって制御されるものとして説明したが、これに限らず、スイッチ群３を手動によって操作するようにしてもよい。この場合、微小予充電回路３２は、ノーマリーオン状態であることが好ましく、メインコンタクタ３１と急速充電回路３３は、ノーマリーオフ状態であることが好ましい。コントローラＣによるスイッチ制御がなくても、通常状態で微小予充電回路３２によるキャパシタ５への予充電が行われるからである。

また、上述した実施の形態１，２では、急速充電回路３１を設けるようにしていたが、急速充電回路３１は必要に応じて設ければよい。一般に、微小予充電回路３２が備わっていれば、上述したように、起動時、微小予充電回路３２によるキャパシタ５への予充電が常時なされ、迅速な電源オンの立ち上がりを実現できるからである。

この発明の実施の形態１であるフォークリフト用電源装置の回路構成を示すブロック図である。 図１に示したフォークリフト用電源装置が搭載されたフォークリフトの構成を示す図である。 コントローラによるスイッチ群に対する起動時処理制御手順を示すフローチャートである。 コントローラによるスイッチ群に対する予充電処理制御手順を示すフローチャートである。 微小予充電回路の変形例を示す回路図である。 急速充電回路の変形例を示す回路図である。 この発明の実施の形態２であるフォークリフト用電源装置の回路構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，２１ フォークリフト用電源装置
２ バッテリー
３ スイッチ群
４ バッテリープラグ
５ キャパシタ
６ インバータ
７ モータ
８ 操作部
１０ フォークリフト
１１ マスト
１２ フォーク
１３ カウンターウェイト
１４ レバー
１５ アクセル
２１ 電力変換回路
３１ メインコンタクタ
３２ 微小予充電回路
３３ 急速充電回路
Ｃ コントローラ
ＳＷ キースイッチ
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 抵抗

Claims (8)

1. 押し込み充電されるバッテリーと負荷との間がメンテナンス用のプラグによって着脱可能であり、該プラグと負荷との間に並列接続されたキャパシタを有し、前記負荷が前記キャパシタに蓄えられたエネルギーを用いるフォークリフト用電源装置であって、
   前記プラグと前記バッテリーとの間に設けられたノーマリーオフスイッチであるメインコンタクタと、
   前記キャパシタからの漏れ電流値を超え、かつ該漏れ電流値近傍の微小電流値で前記キャパシタを予め充電するよう、抵抗とノーマリーオン状態のスイッチとの直列接続回路からなり、前記メインコンタクタに並列接続されたノーマリーオンの微小予充電回路と、
   前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えたか否かを判定し、前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えていないときは、前記微小予充電回路の前記スイッチをオン状態とし、前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えているときは、前記微小予充電回路の前記スイッチをオフ状態とする制御手段と、
   を備えたことを特徴とするフォークリフト用電源装置。
2. 前記メインコンタクタに並列接続され、前記キャパシタを急速充電するノーマリーオフの急速充電回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載のフォークリフト用電源装置。
3. 前記制御手段は、起動時に前記バッテリーの電圧値が、前記キャパシタの電圧値に所定値を加えた電圧値を超えた場合、前記急速充電回路をオン状態にし、超えない場合、前記メインコンタクタをオン状態にする制御を行うことを特徴とする請求項２に記載のフォークリフト用電源装置。
4. 押し込み充電されるバッテリーと負荷との間がメンテナンス用のプラグによって着脱可能であり、該プラグと負荷との間に並列接続されたキャパシタを有し、前記負荷が前記キャパシタに蓄えられたエネルギーを用いるフォークリフト用電源装置であって、
   前記プラグと前記バッテリーとの間に設けられたメインコンタクタと、
   前記キャパシタからの漏れ電流値を超え、かつ該漏れ電流値近傍の微小電流値で前記キャパシタを予め充電するよう、抵抗とスイッチとの直列接続回路からなり、前記メインコンタクタに並列接続された微小予充電回路と、
   前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えたか否かを判定し、前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えていないときは、前記微小予充電回路の前記スイッチをオン状態とし、前記バッテリーの電圧値が前記キャパシタの耐圧を超えているときは、前記微小予充電回路の前記スイッチをオフ状態とする制御手段と、
   を備えたことを特徴とするフォークリフト用電源装置。
5. 前記メインコンタクタに並列接続され、前記キャパシタを急速充電する急速充電回路を備え、
   前記制御手段は、起動時に前記バッテリーの電圧値が、前記キャパシタの電圧値に所定電圧値を加えた電圧値を超えた場合、前記急速充電回路をオン状態にし、超えない場合、前記メインコンタクタをオン状態にする制御を行うことを特徴とする請求項４に記載のフォークリフト用電源装置。
6. 前記バッテリーの負荷側に隣接して並列接続された電力変換回路を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のフォークリフト用電源装置。
7. 前記微小予充電回路は、
   コレクタ側に接続された抵抗と、該抵抗の他端とベース間に接続された定電圧ダイオードとを有し、前記抵抗の抵抗値と前記定電圧ダイオードの電圧値とベース・コレクタ間電圧とで決定される定電流値である前記微小電流値の電流を流す第１のトランジスタと、
   前記第１のトランジスタのベース側に接続され、前記制御手段によってスイッチングされて前記第１のトランジスタをスイッチングする第２のトランジスタと、
   を備えたことを特徴とする請求項１，４〜６のいずれか一つに記載のフォークリフト用
   電源装置。
8. 前記急速充電回路は、前記制御手段から送られるＰＷＭ信号によって通電量が制御される第３のトランジスタを備えたことを特徴とする請求項３，５，６のいずれか一つに記載のフォークリフト用電源装置。

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