DE102011112690A1 - Method for checking operability of lithium-ion battery cell, involves obtaining measurement value for impedance for frequencies of alternating voltage, and determining whether cell is operated based on measured values of impedance - Google Patents

Method for checking operability of lithium-ion battery cell, involves obtaining measurement value for impedance for frequencies of alternating voltage, and determining whether cell is operated based on measured values of impedance Download PDF

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Abstract

The method involves coupling an alternating voltage source (G) to positive and negative poles (P1, P2) of a lithium-ion battery cell (10) such that impedance (Z0) is measured between the poles. A measurement value for the impedance is obtained for frequencies (f1, f2) of the alternating voltage. A determination is made to check whether the cell is operated according to a predetermined criterion based on the measured values. The voltage source is coupled to a housing (12) of the cell such that the measurement value for impedances (Z1, Z2) between the poles and the housing is obtained.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle auf Funktionsfähigkeit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for testing a lithium-ion battery cell for functionality according to the preamble of patent claim 1.

Es ist bekannt, die beiden Pole (Pluspol und Minuspol) der Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer Wechselspannungsquelle zu koppeln und so die Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen. Es wird hierbei die Impedanz zwischen den beiden Polen gemessen.It is known to couple the two poles (positive pole and negative pole) of the lithium-ion battery cell with an AC voltage source and thus to apply an AC voltage to the lithium-ion battery cell. In this case, the impedance between the two poles is measured.

Aus dem Ausmaß der Abweichung der Impedanz von einem Sollwert wird sodann auf die Funktionsfähigkeit geschlossen: Weicht der Wert für die Impedanz zu stark von dem Sollwert ab, gilt die Lithium-Ionen-Batteriezelle als nicht ausreichend funktionsfähig.From the extent of the deviation of the impedance from a target value is then concluded on the functionality: If the value for the impedance deviates too much from the target value, the lithium-ion battery cell is considered insufficiently functional.

Man verwendet typischerweise eine mittlere Frequenz wie z. B. von 1 kHz für die Wechselspannung, bei der die Impedanz gemessen wird.One typically uses a medium frequency such as. 1 kHz for the AC voltage at which the impedance is measured.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass nicht alle Lithium-Ionen-Batteriezellen, die den genannten Funktionstest bestehen, tatsächlich voll funktionsfähig sind und den Anforderungen entsprechen.However, it has been shown that not all lithium-ion battery cells that pass the above-mentioned functional test are actually fully functional and meet the requirements.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Prüfen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle bereitzustellen, das zuverlässiger ist als das bisher bekannte, oben beschriebene Verfahren.It is an object of the invention to provide a method for testing a lithium-ion battery cell, which is more reliable than the previously known method described above.

Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.The object is achieved by the method according to claim 1.

Erfindungsgemäß wird somit für zumindest zwei Frequenzen der Wechselspannung ein Messwert für die Impedanz gewonnen, und nach einem vorbestimmten Kriterium wird anhand der Messwerte festgelegt, ob die Lithium-Ionen-Batteriezelle funktionsfähig ist oder nicht.According to the invention, therefore, a measured value for the impedance is obtained for at least two frequencies of the alternating voltage, and according to a predetermined criterion, it is determined from the measured values whether the lithium-ion battery cell is functional or not.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Änderung der Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batteriezelle auch derart aussehen kann, dass sich bei einer bestimmten Frequenz (zufällig) die Impedanz nicht ändert. Der ganze Kurvenverlauf der Impedanz über die Frequenz kann sich jedoch gleichwohl ändern. Misst man dann nur mit der einen Frequenz, so bleibt diese Änderung nicht sichtbar. Misst man mit zumindest einer zweiten Frequenz, bevorzugt einer dritten, vierten, fünften, sechsten, siebten, achten, neunten oder gar zehnten Frequenz, dann steht um so exakter der Kurvenverlauf der Impedanz über die Frequenz fest, und es kann eine genauere Aussage zur Funktionsfähigkeit gemacht werden, gegebenenfalls sogar über die Art eines Fehlers.The invention is based on the recognition that a change in the properties of the lithium-ion battery cell can also be such that at a certain frequency (coincidentally) the impedance does not change. However, the whole curve of the impedance over the frequency can change nevertheless. If one measures then only with the one frequency, then this change does not remain visible. If one measures with at least one second frequency, preferably a third, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth, ninth or even tenth frequency, then the curve of the impedance over the frequency is the more accurate and it can be a more accurate statement on the functionality be made, possibly even on the nature of a mistake.

Es können hierbei komplexe Kurvenverlaufsanalysen eingesetzt werden.Complex curve analysis can be used here.

Eine einfache Art der Prüfung bleibt jedoch diejenige des Vergleichs zwischen Ist-Wert und Soll-Wert. Bevorzugt wird jedoch daraufhin geprüft, ob eine nach einem weiteren vorbestimmten Kriterium definierte Teilgruppe von Werten für eine Impedanz über ein vorbestimmtes Ausmaß (das von der Frequenz abhängig sein kann) hinaus von einem jeweiligen Sollwert abweicht. Die Werte sind bevorzugt die Messwerte, können aber auch interpolierte Messwerte sein. Zur Teilgruppe kann definiert sein, dass sie immer bestimmte Frequenzen oder Frequenzpaare beinhalten muss, die Teilgruppe kann aber auch anhand ihrer Größe definiert sein, beispielsweise dadurch, dass die Teilgruppe eine Mindestzahl an Elementen aufweist. So kann bei Verwendung von drei Messwerten für die Impedanz vorgesehen sein, dass bei zumindest zweien die Abweichung über das vorbestimmte Außenmaß vom jeweiligen Sollwert gegeben sein muss; der eine Messwert, der noch im Sollbereich liegt, bleibt dann außer acht.However, a simple type of check remains that of the comparison between the actual value and the setpoint value. However, it is then preferably checked whether a subgroup of values for an impedance defined according to a further predetermined criterion deviates beyond a particular desired value beyond a predetermined extent (which may depend on the frequency). The values are preferably the measured values, but can also be interpolated measured values. The subgroup may be defined as always having to include certain frequencies or frequency pairs, but the subgroup may also be defined by its size, for example, by the subgroup having a minimum number of elements. Thus, when using three measured values for the impedance, it may be provided that, for at least two, the deviation must be given over the predetermined external dimension of the respective desired value; a measured value that is still in the target range, then remains out of consideration.

Es ist Erkenntnis der Erfinder der vorliegend beanspruchten Idee, dass zusätzlich zu der Messung der Impedanz zwischen den beiden Polen der Lithium-Ionen-Batteriezelle auch eine weitere Art von Impedanz gemessen werden kann, nämlich die Wechselspannungsquelle auch mit einem Pol der Lithium-Ionen-Batteriezelle und dem Gehäuse der Lithium-Ionen-Batteriezelle gekoppelt werden kann, und so wird zumindest ein Messwert für die Impedanz zwischen dem Pol und dem Gehäuse gewonnen, und diese Impedanz wird bei den vorbestimmten Kriterium berücksichtigt, anhand dessen festgelegt wird, ob die Lithium-Ionen-Batteriezelle funktionsfähig ist oder nicht.It is knowledge of the inventors of the presently claimed idea that in addition to the measurement of the impedance between the two poles of the lithium-ion battery cell, a further type of impedance can be measured, namely the AC voltage source with a pole of the lithium-ion battery cell and the housing of the lithium-ion battery cell can be coupled, and so at least one measured value for the impedance between the pole and the housing is obtained, and this impedance is taken into account in the predetermined criterion, by which it is determined whether the lithium ions Battery cell is functional or not.

Die Erkenntnis ist hierbei diejenige, dass in einer Batteriezelle auch solche Fehler auftreten können, die sich weniger in der Impedanz zwischen den beiden Polen als in der Impedanz zwischen einem der Pole und dem Gehäuse niederschlagen, aber dennoch die Funktionsfähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle maßgeblich beeinträchtigen.The knowledge here is that in a battery cell, such errors may occur, which are reflected less in the impedance between the two poles than in the impedance between one of the poles and the housing, but still the functioning of the lithium-ion battery cell significantly affect.

Die genannte Impedanz zwischen dem Pol und dem Gehäuse kann auch eine derjenigen Impedanzen sein, die gemäß der oben genannten bevorzugten Ausführungsform zur Teilgruppe von Werten gehört. Die Teilgruppe lässt sich beispielsweise so definieren, dass bei Messung von Messwerten für die Impedanz bei zwei Frequenzen der Wechselspannung, angelegt zwischen den beiden Polen einerseits und zwei weiteren Messwerten bei zwei Frequenzen der Wechselspannung zwischen einem der Pole und dem Gehäuse andererseits, die Teilgruppe immer einen Wert für die Impedanz zwischen den Polen und einen Wert für die Impedanz zwischen einem Pol und dem Gehäuse beinhalten muss.The said impedance between the pole and the housing may also be one of those impedances belonging to the subset of values according to the above-mentioned preferred embodiment. For example, the subgroup may be defined so that when measuring impedance measurements at two frequencies of the AC voltage applied between the two poles on the one hand and two other readings at two frequencies of the AC voltage between one of the poles and the housing, the subset will always be must include a value for the impedance between the poles and a value for the impedance between a pole and the housing.

Bevorzugt wird somit die Impedanz zwischen dem Pol und dem Gehäuse für zumindest zwei Frequenzen der Wechselspannung gewonnen, und die Messwerte werden bei dem vorbestimmten Kriterium ebenfalls berücksichtigt. Auf diese Weise werden Fehler besonders präzise ermittelt.Preferably, therefore, the impedance between the pole and the housing is obtained for at least two frequencies of the alternating voltage, and the measured values are also taken into account in the predetermined criterion. In this way, errors are determined very precisely.

Bevorzugt wird jeweils zumindest ein Messwert für die Impedanz zwischen einem ersten Pol und dem Gehäuse einerseits und für die Impedanz zwischen einem zweiten Pol und dem Gehäuse andererseits gewonnen und bei dem vorbestimmten Kriterium berücksichtigt. Es gibt somit drei Arten von Messungen für die Impedanz bei dieser bevorzugten Ausführungsform, und dies trägt der Tatsache Rechnung, dass sich unterschiedliche Fehlerquellen in der Lithium-Ionen-Batteriezelle auf unterschiedliche Art und Weise auf die einzelnen Impedanzen auswirken können.Preferably, in each case at least one measured value for the impedance between a first pole and the housing on the one hand and for the impedance between a second pole and the housing on the other hand is obtained and taken into account in the predetermined criterion. Thus, there are three types of measurements for the impedance in this preferred embodiment, and this takes into account the fact that different sources of error in the lithium-ion battery cell can affect the individual impedances in different ways.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, in derHereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to the drawing, in which

1 eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer darin angeschlossenen Messeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht; 1 illustrates a lithium-ion battery cell with a measuring device connected therein for carrying out the method according to the invention;

2 drei mögliche Kurvenverläufe für die Impedanz zwischen den beiden Polen über die Frequenz veranschaulicht; 2 illustrates three possible waveforms for the impedance between the two poles versus frequency;

3 die Lithium-Ionen-Batteriezelle aus 1 mit zwischen dem Minuspol und dem Gehäuse angeschlossener Messeinrichtung veranschaulicht; und 3 the lithium-ion battery cell off 1 illustrated with connected between the negative terminal and the housing measuring device; and

4 die Lithium-Ionen-Batterie aus 1 mit zwischen dem Pluspol und dem Gehäuse angeschlossener Messeinrichtung veranschaulicht. 4 the lithium-ion battery off 1 illustrated with connected between the positive terminal and the housing measuring device.

Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Lithium-Ionen-Batteriezelle weist zwei Pole P1 und P2 auf, die aus einem Gehäuse 12 hervorstehen. Zwischen den Polen lässt sich frequenzabhängig die Impedanz Z0 messen, zwischen dem Pluspol P1 und dem Gehäuse 12 die Impedanz Z1 und zwischen dem Minuspol P2 und dem Gehäuse 12 die Impedanz Z2.One in total with 10 designated lithium-ion battery cell has two poles P 1 and P 2 , consisting of a housing 12 protrude. Between the poles, the impedance Z 0 can be measured as a function of frequency, between the positive pole P 1 and the housing 12 the impedance Z 1 and between the negative pole P 2 and the housing 12 the impedance Z 2 .

Zunächst steht die Impedanz Z0 im Zentrum des Interesses:
Die Pole P1 und P2 werden mit einer Wechselspannungsquelle (Generator G) gekoppelt, die die Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer Wechselspannung beaufschlagt. In an sich bekannter Weise wird bei einer ersten Frequenz f1 durch eine geeignete Messeinrichtung die Impedanz Z0 gemessen, symbolisiert durch ein Z in einem Kreis mit einem dadurch verlaufenden Pfeil. Zur Messung der Impedanz genügt es beispielsweise, passend zur bekannten Spannungsamplitude die Stromstärke und die Phase zu messen.
First, the impedance Z 0 is at the center of interest:
The poles P 1 and P 2 are coupled to an AC voltage source (generator G), which supplies the lithium-ion battery cell with an AC voltage. In a manner known per se, the impedance Z 0 is measured at a first frequency f 1 by a suitable measuring device, symbolized by a Z in a circle with an arrow extending therethrough. To measure the impedance, it is sufficient, for example, to measure the current intensity and the phase in accordance with the known voltage amplitude.

Vorliegend wird zusätzlich zur Messung der Impedanz Z0 bei der Frequenz f1 diese auch bei einer Frequenz f2 gemessen, etc.In the present case, in addition to the measurement of the impedance Z 0 at the frequency f 1, it is also measured at a frequency f 2 , etc.

Der Hintergrund ist der folgende:
Die Idealkurve der Impedanz Z0(f) ist in 2 mit 14 bezeichnet. Es kann sich ergeben, dass eine fehlerhafte Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 die nicht ideale Kurve 16 zeigt, die gestrichelt gezeichnet ist. Wählt man nun als Frequenz f1 den Wert von 1 kHz, so kann man keinen Unterschied zwischen den beiden Kurven 14 und 16, zwischen der funktionsfähigen und der nicht voll funktionsfähigen Lithium-Ionen-Batterizelle, erkennen. Misst man aber zusätzlich bei den Frequenzen f2 von 100 Hz, f3 von 10 kHz, so ergibt sich eine Abweichung in der Impedanz Z0(f) zwischen der Idealkurve 14 und der Kurve 16 bei diesen Frequenzen. Durch Messung bei mehreren Frequenzen lässt sich daher auch bei komplexen Zusammenhängen die fehlerhafte Lithium-Ionen-Batteriezelle identifizeren.
The background is the following:
The ideal curve of the impedance Z 0 (f) is in 2 With 14 designated. It may turn out that a faulty lithium-ion battery cell 10 the not ideal curve 16 shows, which is drawn by dashed lines. If one chooses the value of 1 kHz as frequency f 1 , then one can not distinguish between the two curves 14 and 16 between the functional and the non-fully functional lithium-ion battery cell. However, if one additionally measures at the frequencies f 2 of 100 Hz, f 3 of 10 kHz, a deviation in the impedance Z 0 (f) between the ideal curve results 14 and the curve 16 at these frequencies. By measuring at several frequencies, it is thus possible to identify the faulty lithium-ion battery cell even in complex contexts.

Dies gilt auch bei einer Kurve 18, bei der die Kurve 14 etwas zu höheren Frequenzen hin verschoben ist: Hier wäre auch bei der Frequenz von 1 kHz ein Unterschied zu sehen, das Ausmaß der Abweichung wäre aber möglicherweise nicht ersichtlich, sondern die korrekte Analyse lässt sich erst anhand des Kurvenverlaufs durchführen.This also applies to a curve 18 in which the curve 14 shifted slightly towards higher frequencies: Here a difference could be seen even at the frequency of 1 kHz, but the extent of the deviation might not be apparent, but the correct analysis can only be carried out on the basis of the curve.

Zusätzlich zur Impedanz Z0 kann auch die Impedanz Z2 gemessen werden, wie in 3 gezeigt. Auch diese Impedanz zeigt ähnliche Kurvenverläufe, Idealkurvenverläufe und davon abweichende Kurvenverläufe bei einem Defekt, und wenn auch diese Impedanz Z2 bei mindestens einer Frequenz und bevorzugt zwei Frequenzen f1, f2 etc gemessen wird, lässt sich eine weitere Aussage über die Funktionsfähigkeit der Lithium-Ionen-Batteriezelle machen. Zur Messung der Impedanz Z2 sind der Minuspol P2 und das Gehäuse 12 mit der Wechselspannungsquelle G gekoppelt.In addition to the impedance Z 0 , the impedance Z 2 can also be measured, as in FIG 3 shown. This impedance also shows similar curves, ideal curve profiles and deviating curves for a defect, and although this impedance Z 2 is measured at at least one frequency and preferably two frequencies f 1 , f 2, etc., a further statement can be made about the functionality of the lithium Make ion battery cell. To measure the impedance Z 2 , the negative pole P 2 and the housing 12 coupled to the AC voltage source G.

Entsprechend werden zur Messung der Impedanz Z1 der Pluspol P1 und das Gehäuse 12 mit der Wechselspannungsquelle G gekoppelt, auch hier werden mindestens zwei Werte bei unterschiedlichen Frequenzen f1, f2 gewonnen.Accordingly, to measure the impedance Z 1, the positive pole P 1 and the housing 12 coupled to the AC voltage source G, also here at least two values at different frequencies f 1 , f 2 are obtained.

Bei geeigneter Wahl der Anzahl der Messungen steht eine Schar von Messwerten zur Verfügung, nämlich zur Impedanz Z0(f1), Z0(f2) eventuell Z1, (f1), Z1(f2) eventuell Z2, (f1), Z2(f2). Zu diesen Impedanzwerten lässt sich überprüfen, ob eine Teilgruppe innerhalb eines Sollbereichs von einer Idealkurve liegt, also in einem Intervall eines bestimmten Ausmaßes, das von der Frequenz abhängig sein kann, das um einen Sollwert zu der besagten Frequenz liegt.With a suitable choice of the number of measurements, a set of measured values is available, namely for the impedance Z 0 (f 1 ), Z 0 (f 2 ) possibly Z 1 , (f1), Z 1 (f 2 ) possibly Z 2 , ( f 1 ), Z 2 (f 2 ). These impedance values can be used to check whether a subgroup lies within a desired range of an ideal curve, that is to say in an interval of a certain extent, which may depend on the frequency which lies around a desired value at the said frequency.

Grundsätzlich wäre es auch möglich, für jede einzelne Art von Impedanz Z0, Z1, Z2 nur jeweils einen Messwert zu gewinnen und aufgrund unterschiedlicher Messungen eine Aussage zu machen.In principle, it would also be possible to obtain only one measured value for each individual type of impedance Z 0 , Z 1 , Z 2 and to make a statement on the basis of different measurements.

Die Frequenzen müssen hierbei nicht bei allen Messungen gleich sein. Bei dem vorliegend beschriebenen Verfahren soll jedoch zumindest bei einer Art von Impedanzmessungen die zweite Frequenz f2 zusätzlich eingesetzt werden.The frequencies do not have to be the same for all measurements. In the case of the method described here, however, the second frequency f 2 should additionally be used, at least for one type of impedance measurement.

Claims (6)

Verfahren zum Prüfen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) auf Funktionsfähigkeit, bei dem zwei Pole (P1, P2) der Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) mit einer Wechselspannungsquelle (G) gekoppelt werden und die Impedanz (Z0) zwischen den beiden Polen (P1, P2) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest zwei Frequenzen (f1, f2) der Wechselspannung ein Messwert (Z0(f1), Z0(f2)) für die Impedanz gewonnen wird und nach einem vorbestimmten Kriterium anhand der Messwerte festgelegt wird, ob die Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) funktionsfähig ist oder nicht.Method for testing a lithium-ion battery cell ( 10 ) on functionality, in which two poles (P 1 , P 2 ) of the lithium-ion battery cell ( 10 ) are coupled to an AC voltage source (G) and the impedance (Z 0 ) between the two poles (P 1 , P 2 ) is measured, characterized in that for at least two frequencies (f 1 , f 2 ) of the AC voltage is a measured value ( Z 0 (f 1 ), Z 0 (f 2 )) is obtained for the impedance and is determined according to a predetermined criterion based on the measured values, whether the lithium-ion battery cell ( 10 ) is functional or not. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass geprüft wird, ob eine nach einem weiteren vorbestimmten Kriterium definierte Teilgruppe von Werten für eine Impedanz (Z0, Z1, Z2) über ein vorbestimmtes Ausmaß hinaus von einem jeweiligen Sollwert abweicht.Method according to Claim 1, characterized in that it is checked whether a subgroup of values for an impedance (Z 0 , Z 1 , Z 2 ) defined according to a further predetermined criterion deviates from a respective desired value beyond a predetermined extent. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere vorbestimmte Kriterium beinhaltet, dass die Teilgruppe eine Mindestanzahl an Elementen aufweist.A method according to claim 2, characterized in that the further predetermined criterion includes that the subgroup has a minimum number of elements. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle (G) auch mit einem Pol (P1, P2) der Lithium-Ionen-Batteriezelle und dem Gehäuse (12) der Lithium-Ionen-Batteriezelle gekoppelt wird und zumindest ein Messwert für die Impedanz (Z1, Z2) zwischen dem Pol (P1, P2) und dem Gehäuse (12) gewonnen wird und bei dem vorbestimmten Kriterium berücksichtigt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the AC voltage source (G) also with a pole (P 1 , P 2 ) of the lithium-ion battery cell and the housing ( 12 ) of the lithium-ion battery cell is coupled and at least one measured value for the impedance (Z 1 , Z 2 ) between the pole (P 1 , P 2 ) and the housing ( 12 ) and is taken into account in the predetermined criterion. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwert für die Impedanz (Z1(f1), Z1(f2); Z2(f1), Z2(f2)) zwischen dem Pol (P1, P2) und dem Gehäuse (12) für zumindest zwei Frequenzen (f1, f2) der Wechselspannung gewonnen wird und bei dem vorbestimmten Kriterium berücksichtigt wird.A method according to claim 4, characterized in that a measured value for the impedance (Z 1 (f 1 ), Z 1 (f 2 ), Z 2 (f 1 ), Z 2 (f 2 )) between the pole (P 1 , P 2 ) and the housing ( 12 ) is obtained for at least two frequencies (f 1 , f 2 ) of the AC voltage and is taken into account in the predetermined criterion. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zumindest ein Messwert für die Impedanz zwischen einem ersten Pol (P1) und dem Gehäuse (12) einerseits und für die Impedanz zwischen einem zweiten Pol (P2) und dem Gehäuse (12) andererseits gewonnen wird und bei dem vorbestimmten Kriterium berücksichtigt wird.A method according to claim 4 or claim 5, characterized in that in each case at least one measured value for the impedance between a first pole (P 1 ) and the housing ( 12 ) on the one hand and for the impedance between a second pole (P 2 ) and the housing ( 12 ) on the other hand, and taken into account in the predetermined criterion.
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