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KR102353921B1 - 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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KR102353921B1
KR102353921B1 KR1020180004408A KR20180004408A KR102353921B1 KR 102353921 B1 KR102353921 B1 KR 102353921B1 KR 1020180004408 A KR1020180004408 A KR 1020180004408A KR 20180004408 A KR20180004408 A KR 20180004408A KR 102353921 B1 KR102353921 B1 KR 102353921B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀, 배터리 셀의 양측면에 배치되는 가압 플레이트 및 가압 플레이트와 결합되며, 배터리 셀의 상하측을 커버하는 모듈 커버를 포함하며, 모듈 커버의 양단부는, 가압 플레이트의 상하측 단부를 커버할 수 있게 벤딩되고, 가압 플레이트와 용접 결합되며, 모듈 커버의 길이 방향을 따라 상호 소정 거리 이격되는 복수 개의 보조 용접 홈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK AND VEHICLE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.6V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 여기서, 배터리 모듈이나 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀들은 일반적으로 용이하게 상호 적층할 수 있는 이점을 갖는 파우치형 이차 전지로 구비된다.
종래 배터리 모듈은, 일반적으로, 복수 개의 배터리 셀들, 복수 개의 배터리셀들을 패키징하는 모듈 케이스를 포함하여 구성된다. 여기서, 종래 복수 개의 배터리 셀들 사이 사이에는 셀 스웰링으로 인한 부피 변화를 제어하기 위한 완충 패드들이 삽입된다.
그러나, 이러한 복수 개의 배터리 셀들 사이마다 배치되는 완충 패드들로 구성된 배터리 모듈의 경우, 모듈 케이스 내의 복수 개의 완충 패드들로 인한 공간 손실로 인해 전체 배터리 모듈의 에너지 밀도가 감소하며, 진동이나 충격 등 발생 시 모듈 케이스 내에서 배터리 셀들의 상대 운동으로 인해 기구적으로 취약한 문제가 있다.
이를 해결하기 위해, 종래 배터리 모듈은 복수 개의 완충 패드들 대신에 복수 개의 배터리 셀들 양단에서 배터리 셀들을 가압하는 고강성의 가압 플레이트 구조를 채택하는 추세이다.
이러한 가압 플레이트 구조의 경우, 전체 배터리 모듈 내부에서 배터리 셀들이 차지하는 공간을 상대적으로 더 확보할 수 있으며, 모듈 내부에서 배터리 셀들의 상대 운동을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
이러한 가압 플레이트 구조는 가압 플레이트와 배터리 셀들을 커버하는 모듈 커버의 벤딩 부분이 용접 결합 등을 통해 접합되는데, 이들 부재들간의 접합 강도 확보가 중요하다.
종래 모듈 커버는 가압 플레이트와의 접합을 위해 양단부가 벤딩되는데, 벤딩 성형 각도에 따라 편차 발생 시 가압 플레이트와의 접합이 불균일해지는 등의 접합 불량이 발생할 수 있다. 벤딩 성형 공정 상 어느 정도의 벤딩 편차가 발생될 가능성이 크기에, 용접 접합이 이루어지는 모듈 커버의 벤딩 부분이 불균일하게 벤딩되더라도, 접합 품질의 균일성을 확보하여 원하는 접합 강도를 만족할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
따라서, 본 발명의 목적은 모듈 커버와 가압 플레이트의 상호 접합 시, 접합 품질의 균일성을 확보할 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 양측면에 배치되는 한 쌍의 가압 플레이트; 및 상기 한 쌍의 가압 플레이트와 결합되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 상하측을 커버하는 모듈 커버;를 포함하며, 상기 모듈 커버의 양단부는, 상기 한 쌍의 가압 플레이트의 상하측 단부를 커버할 수 있게 벤딩되고, 상기 한 쌍의 가압 플레이트와 용접 결합되며, 상기 모듈 커버의 길이 방향을 따라 상호 소정 거리 이격되는 복수 개의 보조 용접 홈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 모듈 커버의 양단부에는, 상기 벤딩 후 상기 한 쌍의 가압 플레이트와의 용접을 위한 복수 개의 용접부;가 마련되며, 상기 복수 개의 보조 용접 홈은, 상기 복수 개의 용접부 사이 사이에 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 보조 용접 홈은, 상기 복수 개의 용접부와 단차지게 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 보조 용접 홈은, 소정 크기의 오목한 홈 형상일 수 있다.
상기 모듈 커버의 양단부의 벤딩에 따라 상기 모듈 커버의 양단부가 상기 한 쌍의 가압 플레이트와 나란히 배치되면, 상기 복수 개의 용접부에서 용접 결합이 수행되며, 상기 모듈 커버의 양단부의 벤딩에 따라 상기 모듈 커버의 양단부가 상기 한 쌍의 가압 플레이트 밖으로 소정 각으로 경사지게 배치되면, 상기 복수 개의 보조 용접 홈에서 용접 결합이 수행될 수 있다.
상기 한 쌍의 가압 플레이트에는, 상기 모듈 커버의 벤딩되는 양단부가 안착되는 커버 안착부;가 마련될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 모듈 커버와 가압 플레이트의 상호 접합 시, 접합 품질의 균일성을 확보할 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈의 단면도이다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈의 주요부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 7은 도 1의 배터리 모듈의 모듈 커버의 용접 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 도 1의 배터리 모듈의 단면도이며, 도 3은 도 1의 배터리 모듈의 주요부를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀(100), 가압 플레이트(200), 보호 패드(300), 히트 싱크(400) 및 모듈 커버(500)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(100)은, 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지, 원통형 이차 전지 및 각형 이차 전지 중 어느 하나일 수 있다. 이하, 본 실시예에서, 상기 배터리 셀(100)은 파우치형 이차 전지로 구비된 것으로 한정하여 설명한다.
이러한 상기 배터리 셀(100)은 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 마련될 수 있으며, 이하, 본 실시예에서는 상기 배터리 셀(100)이 복수 개로 구비된 것으로 한정하여 설명한다.
상기 가압 플레이트(200)는, 한 쌍으로 구비되며, 상기 적어도 하나, 본 실시예의 경우, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 양측면에 배치되어 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 가압할 수 있게 구비될 수 있다.
본 실시예의 경우, 이러한 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)를 통해 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 셀 스웰링을 제어할 수 있다. 이에 따라, 종래와 같은 배터리 셀들(100) 사이 사이에 구비되는 완충 패드를 생략할 수 있어, 상기 배터리 모듈(100)의 전체 에너지 밀도를 높일 수 있다.
상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)에는 커버 안착부(205)가 마련될 수 있다.
상기 커버 안착부(205)는 각각의 가압 플레이트(200)의 상하측에 구비되며, 후술하는 모듈 커버(500)의 벤딩되는 양단부(550)가 안착될 수 있다. 이를 위해, 상기 커버 안착부(205)는 후술하는 모듈 커버(500)의 벤딩되는 양단부(550)에 대응되는 형상을 가질 수 있다.
상기 보호 패드(300)는 한 쌍으로 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 중 상기 가압 플레이트(200)를 마주 하는 배터리 셀(100)과 상기 가압 플레이트(200) 사이에 배치될 수 있다.
이러한 상기 보호 패드(300)는 상기 가압 플레이트(200)에 의한 상기 배터리 셀들(100)의 가압 시 상기 가압 플레이트(200)를 마주 하는 배터리 셀(100)의 직접적인 접촉에 따른 손상 등을 방지할 수 있으며, 외부 충격 등 발생 시 상기 가압 플레이트(200)에서 전달되는 충격 등을 완충시킬 수 있다.
상기 히트 싱크(400)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 냉각을 위한 것으로서, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 저부에 배치될 수 있다. 이러한 상기 히트 싱크(400)는 공랭식 또는 수냉식 구조로 마련될 수 있으며, 높은 열전달효율을 갖는 소재로 구비될 수 있다.
상기 모듈 커버(500)는, 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)와 결합되며, 상기 적어도 하나, 본 실시예의 경우, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상하측을 커버할 수 있다. 이러한 상기 모듈 커버(500)는 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)와 결합을 통해 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 패키징할 수 있다.
상기 모듈 커버(500)는 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)와 결합을 위해 양단부(550)가 벤딩될 수 있다. 구체적으로, 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)는 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)의 상하측 단부를 커버할 수 있게 수직 방향을 따라 벤딩될 수 있으며, 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)의 상기 커버 안착부(205)에 안착된 후 용접 결합을 통해 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)에 고정될 수 있다. 즉, 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)는 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)에 용접 결합을 통해 접합되어 고정될 수 있다.
이러한 용접 결합을 위해, 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)에는 복수 개의 용접부(552)가 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 용접부(552)는 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550) 표면에 형성되며, 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550) 벤딩 후 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)와 용접이 수행되는 메인 용접 포인트일 수 있다.
상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)에는, 복수 개의 보조 용접 홈(555)이 구비될 수 있다.
상기 복수 개의 보조 용접 홈(555)은 상기 모듈 커버(500)의 길이 방향을 따라 상기 모듈 커버(500)의 양단부에서 상호 소정 거리 이격 배치될 수 있다. 이러한 상기 복수 개의 보조 용접 홈(555)은 상기 복수 개의 용접부(552) 사이 사이에 배치될 수 있다. 즉, 상기 복수 개의 보조 용접 홈(555)은 상기 복수 개의 용접부(552)와 교대로 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 보조 용접 홈(555)은 상기 복수 개의 용접부(552)와 단차지게 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 복수 개의 보조 용접 홈(555)은 소정 크기의 오목한 형상일 수 있다. 이에 따라, 상기 복수 개의 보조 용접 홈(555)의 상기 모듈 커버(500)의 상기 양단부(550)의 두께 상에서 상기 복수 개의 용접부(552)보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
이하에서는, 이러한 본 실시예에 따른 상기 모듈 커버(500)의 용접 공정에 대해 보다 구체적으로 살펴 본다.
도 4 내지 7은 도 1의 배터리 모듈의 모듈 커버의 용접 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)의 벤딩에 따라 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)가 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)와 나란히 배치될 수 있다.
상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)가 수직하게 벤딩되어 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)와 나란하게 배치될 경우, 즉, 상기 벤딩되는 양단부(550)의 치수 및 평탄도에 치우침이 없을 경우, 용접 결합(S)은 상기 복수 개의 용접부(552)가 배치되는 메인 용접 포인트(P1)에서 수행될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)의 벤딩에 따라 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)가 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200) 밖으로 소정 각으로 경사지게 배치될 수 있다.
상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)가 직각이 아닌 소정 각으로 경사지게 벤딩되어 상기 한 쌍의 가압 플레이트(200)와 소정 각을 형성하게끔 배치될 경우, 즉, 상기 벤딩되는 양단부(550)의 치수 및 평탄도에 치우침이 있을 경우, 상기 용접 결합(S)이 상기 복수 개의 용접부(552)에서 수행된다면 치우침에 따른 단차로 인해 용접 품질이 불균일해지는 등의 용접 불량이 발생할 위험이 커질 수 있다.
본 실시예에서는, 이러한 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)의 벤딩에 따른 치수 및 평탄도에 치우침이 발생할 경우, 상기 용접 결합(S)이 상기 복수 개의 용접부(552)의 상기 메인 용접 포인트(P1, 도 5 참조)가 아닌 상기 보조 용접 비μ(555)가 배치되는 보조 용접 포인트(P2)에서 수행될 수 있다.
이 경우, 상기 용접부(552)보다 상대적으로 얇은 두께를 갖는 상기 보조 용접 비μ(555)가 상기 치우침에 따른 단차를 보상할 수 있기에, 상기 용접 결합(S) 시 용접 품질이 불균일해지는 등의 용접 불량이 발생되는 위험을 현저히 줄일 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 보조 용접 홈(555)을 통해, 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550) 벤딩 성형 각도에 따라 벤딩 편차가 발생하더라도, 상기 모듈 커버(500)의 양단부(550)와 상기 가압 플레이트(200)의 접합 부분이 균일하게 상호 접합될 수 있다.
아울러, 본 실시예에서는, 상기 보조 용접 홈(555)을 통해, 상기 벤딩 편차로 인한 접합 강도 저하, 또한, 효과적으로 방지할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 배터리 팩(1)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈(10) 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 패키징하는 팩 케이스(50)를 포함할 수 있다.
이러한 상기 배터리 팩(1)은 자동차의 연료원으로써, 자동차에 구비될 수 있다. 예로써, 상기 배터리 팩(1)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차에 구비될 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(1)은 상기 자동차 이외에도 이차 전지를 이용하는 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(1)과 상기 자동차와 같은 상기 배터리 팩(1)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 상기 배터리 모듈(10)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(10)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(1) 및 이러한 배터리 팩(1)을 구비하는 자동차 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 모듈 커버(500)와 가압 플레이트(200)의 상호 접합 시, 접합 품질의 균일성을 확보할 수 있는 배터리 모듈(10), 이를 포함하는 배터리 팩(1) 및 자동차를 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
1: 배터리 팩
10: 배터리 모듈
50: 팩 케이스
100: 배터리 셀
200: 가압 플레이트
205: 커버 안착부
300: 보호 패드
400: 히트 싱크
500: 모듈 커버
550: 양단부
552: 용접부
555: 보조 용접 홈

Claims (8)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    적어도 하나의 배터리 셀;
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 양측면에 배치되는 한 쌍의 가압 플레이트; 및
    상기 한 쌍의 가압 플레이트와 결합되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 상하측을 커버하는 모듈 커버;를 포함하며,
    상기 모듈 커버의 양단부는,
    상기 한 쌍의 가압 플레이트의 상하측 단부를 커버할 수 있게 벤딩되고, 상기 한 쌍의 가압 플레이트와 용접 결합되며, 상기 모듈 커버의 길이 방향을 따라 상호 소정 거리 이격되는 복수 개의 보조 용접 홈;을 포함하며,
    상기 모듈 커버의 양단부에는, 상기 벤딩 후 상기 한 쌍의 가압 플레이트와의 용접을 위한 복수 개의 용접부;가 마련되며,
    상기 복수 개의 보조 용접 홈은, 상기 복수 개의 용접부와 단차지게 배치되며,
    상기 모듈 커버의 양단부의 벤딩에 따라 상기 모듈 커버의 양단부가 상기 한 쌍의 가압 플레이트와 나란히 배치되면, 상기 복수 개의 용접부에서 용접 결합이 수행되며,
    상기 복수 개의 보조 용접 홈은, 상기 복수 개의 용접부와 단차지게 배치됨으로써 상기 벤딩에 따라 발생될 수 있는 벤딩 각도 편차를 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 보조 용접 홈은,
    상기 복수 개의 용접부 사이 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 보조 용접 홈은,
    소정 크기의 오목한 홈 형상인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 가압 플레이트에는,
    상기 모듈 커버의 벤딩되는 양단부가 안착되는 커버 안착부;가 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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