CN101635470A - 一种节电型蓄电池快速充电器及智能化充电方法 - Google Patents

Abstract

本装置通过脉宽调制即PWM降压方式实现无脉冲变压器降压，使得充电器效率得到提高。而快速充电器为提高蓄电池的充电电流接受率，在脉冲充电过程中引入短时间放电脉冲，以去极化达到快速充电的目的；以往放电电流白白消耗，而本装置对于脉冲放电的能量，利用储能电容进行吸收并回馈到充电电路，以实现回充，提高了能量利用效率，实现了快充与节能的双重目标。通过在线实时检测蓄电池内阻、电压及温度参数，反馈给充电器的智能控制部分，并通过内阻、电压及温度参数判断蓄电池的荷电状态及安全状况，以不断调整充电策略，构成完整的闭环控制，直至蓄电池充满为止。实现安全(指对蓄电池充电过程的保护措施)及高速、高效、智能化的充电过程。

Description

一种节电型蓄电池快速充电器及智能化充电方法

所属技术领域

本发明涉及一种蓄电池快速充电器及充电方法，特别涉及一种节电型蓄电池快速充电器及智能化充电方法，属于蓄电池快速充电领域。

背景技术

现就应用于电动交通工具中蓄电池充电设备加以说明：经调研及查阅资料，国家知识产权局公布：申请号为01126621.X蓄电池脉冲快速充电器及其充电方法，及申请号为200710045718.2的电动车蓄电池的快速充电器专利，其蓄电池充电电源均采用开关电源模式，即采用220V交流电经整流、滤波后生成直流电，再通过高频功率开关逆变为高频脉冲，然后经高频脉冲变压器降压及整流、滤波后，得到可用于蓄电池充电的直流电源。高频功率开关的调制频率一般为：数十KHZ至数百KHZ之间。高频脉冲变压器的引入减小了传统220V 50HZ电源变压器的体积和重量，降低了损耗、提高了效率。

但是，上述快速充电器专利仍然存在三方面缺陷，充电过程中的能量损失仍然较大，智能化程度也不够高。

其一、尽管上述快速充电器采用高频脉冲变压器模式，由于仍然存在高频脉冲变压器：即仍然存在绕组和磁芯，因此，在电压变换的过程中仍然有较大的能量损失。

其二、上述快速充电器专利均根据上世纪70年代，J.A.马斯研究的蓄电池充电接受电流的特性，提出的蓄电池充电接受电流与其放电历史有关的马斯三定律：蓄电池可采用脉冲方式，将电量快速充入电池；每个充电脉冲之间的间歇使电池有时间进行热量消散和溶液扩散，使充电接受电流的能力得到恢复；同时，在脉冲充电过程中引入短时间的放电脉冲，产生去极化作用：即通过放出小部分电量去提高蓄电池的充电电流接受率，使得蓄电池能在较高的充电电流下进行脉冲充电，实现快速充电的目的。但上述充电器专利在脉冲快速充电过程中每隔一定时间进行一次脉冲放电，放电电流经外接电阻闭合，导致电能以热量形式白白消耗，使得快速充电器效率降低。

其三、申请号为200710045718.2的电动车蓄电池的快速充电器专利，所述的智能化控制仅限于使用微处理器或单片机实现充电→停止充电→放电→停止放电→充电的充电过程的控制程序，与真正智能化充电相距较远。

发明内容

本发明的目的之一，就是要克服上述快速充电器的缺陷，指出一种节电型快速充电器：其节电措施是通过两方面实现的，其一，简化了充电器开关电源结构，不再采用高频脉冲变压器进行降压的方式，减少了耗能元件的数量，使得电源效率得到提高；其二，上述快速充电器专利为提高蓄电池的充电电流接受率，在脉冲充电过程中引入短时间的放电脉冲，以去极化达到快速充电的目的，放电电流经外接电阻闭合，电能以热量形式白白消耗。而本发明对于脉冲放电的能量，利用储能电容进行能量吸收并回馈到充电电路实现回充，进一步提高了能量利用效率，实现了快速充电与节能充电的双重目标。

本发明的另一个目的是：在节电型快速充电器的基础上采用智能化控制充电策略。由于蓄电池在快速充电控制过程中，充、放电脉冲的频率、幅值、占空比等参数对充电效果及蓄电池寿命影响很大。蓄电池业界有这样的观点“蓄电池不是用坏的，而是充坏的。”可见充电策略的选择不仅仅是提高充电速度的问题，而且具有保护蓄电池、延长其寿命的功能。蓄电池的荷电状态(SOC)＝剩余容量/完全满电容量，描述的是电池当前的实际可用电量，与其内阻的阻值具有相关性。因此，在蓄电池进行充电之前，首先应检测蓄电池内阻及电压，并通过内阻判断蓄电池目前状况，然后根据蓄电池生产厂家的产品说明书选择相应的充电策略。如蓄电池组放电过多时，蓄电池的荷电状态(SOC)处于低段(如SOC＜10％)，内阻较大，根据相关研究及蓄电池生产厂家的要求：此时，蓄电池不适合大电流充电。只有在荷电状态SOC中间段(如10％＜SOC＜90％)，蓄电池可接受较大的充电电流；而当蓄电池的荷电状态SOC在高段(如SOC＞90％)时，充电不当将导致铅酸电池大量发热和电池的容量衰减迅速，寿命严重缩短。对于锂离子电池而言，过充电也会使得电池的电解液分解，产生的气体压力增加、电池的温度迅速上升，继续充电甚至会导致电池的损毁乃至***。因此，在蓄电池进行充电的过程中，在线实时检测蓄电池电压、充电电流、温度等参数，尤其是在线实时检测与蓄电池荷电状态(SOC)直接相关的内阻，以判断蓄电池荷电状态SOC更为重要；检测蓄电池内阻及电压，判断蓄电池的荷电状态SOC在高段(如SOC＞90％)时，应及时根据蓄电池生产厂家产品说明书的要求，采取相应的降低充电电流等充电策略。

上述可见，本发明对蓄电池进行充电的过程中采用了闭环控制方式，通过设置的检测电路在线实时检测蓄电池的内阻，并转换成相应的数字量，与在线实时检测蓄电池的电压、充电电流和温度一起，作为检测量送入由单片机构成的智能单元；给定量为单片机存储区中事先存储的根据蓄电池生产厂家产品说明书，对充电的电压、电流和温度的要求，以及蓄电池内阻与蓄电池的荷电状态(SOC)的关系曲线；检测量与给定量在单片机中通过运算进行比较、判断，并不断调整充、放电脉冲的幅值、频率和占空比，以构成智能化充电模式。

为了达到上述目的，本发明采用两级滤波电容中间加一级电子开关方式取代高频变压器。第一级将交流电经桥式整流、电容滤波后形成较高直流电源，通过中间电子开关导通频率和占空比的控制向第二级滤波电容充电，形成脉宽调制即PWM调压方式。第二级滤波电容上电压的高低取决于中间电子开关导通频率和占空比构成的平均电压，检测第二级滤波电容上的电压并经A/D转换成数字量送入单片机，与设定电压比较后，通过对电子开关进行调节使第二级滤波电容上的电压达到设定值，用于蓄电池进行充电，去掉了高频变压器，提高了效率。

同时，本发明去掉放电电阻，用数级储能电容取而代之，具体级数可根据需要设定，本例中采用两级。两级电容经过电子开关并联在蓄电池两端，当蓄电池需要放电时触发电子开关导通向并联电容放电(等效给电容充电)，蓄电池放电电流的大小取决于并联电容的容量及并联级数。放电电流持续的时间则取决于并联电容回路中电子开关的导通时间，由单片机进行控制。当通过检测外接并联电容上的电压，达到一定数值时，单片机控制电子开关使并联电容转换成串连模式，以构成自举电路将电容电位提高，然后将电能回灌给充电器相应的储能单元，实现了放电电流的能量回收，以达到节能的目的。

为了实现智能化充电的方法，本装置采用闭环控制方式：从充电开始到充电过程及充电结束，不断检测蓄电池的内阻、电压和温度及相关滤波电容的电压，并转换成相应的数字量送入由单片机构成的智能单元，并与单片机存储区中事先通过实验得到的一些先验的数据进行比较、判断，并不断调整充、放电脉冲的频率、幅值和占空比，以期构成“傻瓜”型智能化充电模式。以铅酸电池为例：反映蓄电池状态的重要参数主要有：蓄电池的健康状态(SOH)＝测量的满电容量/额定容量，反映当前电池完全充满电后的有效电量；电池的荷电状态(SOC)＝剩余容量/完全满电容量，描述的是电池当前的实际可用电量。实现准确的电池内阻检测就可以判断电池的荷电状态(SOC)及健康状态(SOH)。

由于蓄电池属于有源器件，其内阻数值一般只有几十毫欧，所以必须用特殊方法进行检测。如：铅酸电池的内阻检测技术主要有直流放电法、交流阻抗法等。本装置采用直流放电法：原理是通过由蓄电池向电阻负载以较大电流放电极短时间，即使电池中流过一阶跃电流I，则电池端电压的相应变化ΔV即可反映电池内阻的大小，一般需要40A以上大电流放电，则检测内阻精度较高。由于放电电流时间极短为毫秒级，而整个充电过程中内阻检测放电次数不超过10次，远远少于为了去极化而放电的次数，故对电动交通工具采用的安时级电池的能量损失极小，可忽略不计。这种在线极短时间深度放电电流即可在线准确检测了蓄电池的内阻，又有利于去极化，因而在线检测采用直流放电法。

从上述可见，本发明所述的一种节电型蓄电池快速充电器及智能化充电方法，应用于电动运输工具蓄电池快速充电时具有很突出的优点。首先，本发明采用两级滤波电容中间加一级电子开关取代高频脉冲变压器，形成脉宽调制即PWM调压方式。去掉了高频脉冲变压器，提高了效率。

其次，本发明去掉放电电阻，用储能电容取而代之，当蓄电池需要放电时经过电子开关向并联电容放电(等效给电容充电)，然后将电能回灌给充电器相应的储能单元，实现了放电电流的能量回收，以达到快充、节能的的双重目的。

其三、本发明采用智能化充电的方法，通过闭环控制方式：在线检测蓄电池的内阻、电压和温度及相关滤波电容的电压，反馈给智能单元以控制充、放电脉冲的频率、幅值、占空比和充电时间，构成了“傻瓜”型智能化充电模式。实现安全(指对蓄电池充电过程的保护措施)及高速、高效、智能化的充电过程。

综上所述，本发明在应用于电动交通工具蓄电池充电时，具有的优点是相关装置无法实现的。

附图说明

现结合附图和具体实施例对本发明进一步加以说明，其中：

图1采用高频脉冲变压器降压方式框图；

图2采用脉宽调制(PWM)降压方式框图；

图3脉冲快速充、放电电流波形图；

图4脉冲快速充电、电阻放电结构图；

图5脉冲快速充电、放电电流吸收、回馈及内阻检测结构图；

图6铅酸蓄电池内阻与剩余容量关系曲线；

图7充电器智能单元硬件结构框图；

图8充电器智能化充电方法流程图；

图9为智能化充电方法上位机(PC机)部分框图。

具体实施方式

参照附图将详细描述具体实施方案。

图1采用高频脉冲变压器降压方式框图；

图1由220V交流电经二极管全桥11整流后由电容12滤波形成直流电源，由电子开关18调制成高频脉冲提供给高频脉冲变压器13，其副边转化为低压高频脉冲，经二极管14半波整流、电容15滤波构成适合蓄电池所需的直流充电电压。模块16采集直流充电电压的数值与设定进行比较、判断，然后模块17输出PWM脉冲，控制电子开关18的导通脉冲占空比，以调节直流充电电压。电路中充电电压比较、判断16及PWM调节17模块，实质为采用高频脉冲变压器降压电路即DC-DC(直流-直流变换)电路，由于采用高频调制的模式，因而效率高于工频50HZ变压器降压的效率。模块16、17、18通过检测、比较、判断及PWM调节施加到高频脉冲变压器的脉冲电压宽度，进而调整高频脉冲变压器的输出脉冲电压宽度，达到稳定输出直流充电电压的目的，形成闭环直流稳压电源的效果。高频脉冲的频率范围一般在：几十KHZ至几百KHZ，效率在90％左右。传统直流DC-DC降压电路是由模块16、17共同构成专用芯片如MC3842、MC3843等控制形成的。

图2采用脉宽调制(PWM)降压方式框图；

图2是图1的简化方式，同样由220V交流电经二极管全桥21整流后由电容22滤波成直流电源，由光控PWM电子开关23调制成高频脉冲提供给滤波电容24，构成适合蓄电池所需的直流充电电压。图2中去掉了图1中高频脉冲变压器13及电子开关18，用光控PWM电子开关23取而代之。模块25采集直流充电电压的数值进入单片机中A/D转换成数字量，并与单片机设定的直流充电电压数值进行比较、判断，然后单片机控制PWM调节模块26输出波形的占空比，进而实现稳定直流充电电压的目的，形成闭环直流稳压电源的效果，并达到节能的目的。

图3为脉冲快速充、放电电流波形图；

图中31为蓄电池高速充电时的脉冲波形，如前所述，每个充电脉冲之间的间歇使电池有时间进行热量消散和溶液扩散，使充电接受电流的能力得到恢复；图中32为在脉冲充电间歇的过程中引入短时间的放电脉冲，以产生去极化作用。虽然放掉了部分电量，但提高了蓄电池的充电电流接受率，使得电池能在较高的充电电流下进行脉冲充电，实现快速充电的目的。

图4脉冲快速充电、电阻放电电路结构图；

图4电路实现了图3脉冲快速充、放电电流波形。图中15所示电容即为图1中15所示电容，15上的电压即为蓄电池的直流充电电压；图中41为充电回路电子开关，生成脉冲用于蓄电池42充电；图中43为放电回路电子开关，生成脉冲用于蓄电池通过电阻44放电，放电电流在消除蓄电池极化现象、提高充电速度的同时，也通过电阻消耗了能量。

图5脉冲快速充电、放电电流吸收、回馈及内阻检测电路结构图；

图5中24所示电容即为图2中24所示电容，24上的电压即为蓄电池的直流充电电压；图中51为充电回路电子开关，52、55、58为保护二极管；51在单片机控制下生成脉冲用于蓄电池515充电；图中53为二极管，利用其单向导电性只允许回充时导通；电子开关54、57、514导通使蓄电池515通过电子开关54、保护二极管55经过电容56及电子开关514构成一路放电回路，另一路蓄电池515通过电子开关54、保护二极管55、电子开关57、保护二极管58经过电容513构成另一路放电回路，两回路共同生成放电脉冲。放电电流对电容56及电容513进行充电，将电能储藏在两电容之上。两电容上的电压是不断被在线检测的，当被蓄电池515放电脉冲充电到适当电压时，电子开关54、57及514关断，而电子开关512导通，电容56、电子开关512及电容513构成串联自举电路，当电容56、513叠加后的电位高于电容24上的电位以及二极管53压降(约0.2V)、电子开关512上的导通压降(约0.3V)时，储能电容56、513将向电容24反向充电，即：将蓄电池515放电时储藏在电容56、513上的能量进行回馈，达到节能的目的。

如前所述，本发明采用智能化充电的方法，需要在线检测蓄电池的内阻，采用测量精度较高的直流放电方式：即通过蓄电池向电阻负载施以大电流极短时间放电，使电池中流过阶跃电流I，则电池端电压的相应变化ΔV即可反映电池内阻的大小。图5中电子开关59、检测端510及电阻负载511构成蓄电池内阻检测回路；在线检测时，打开电子开关54及59，蓄电池515通过电子开关54、二极管55、电子开关59及放电电阻负载511构成完整的放电回路，通过检测端510采集放电电阻负载511上的电压，由于511的阻值已知，即可求出流过的电流；采集蓄电池515上端电压的相应变化ΔV，即可求出电池内阻的数值，即：R＝ΔV/I。并将蓄电池内阻信息上传到单片机，根据蓄电池当前荷电状态采取相应的充电策略。

图6铅酸蓄电池内阻与剩余容量关系曲线；

图6曲线为离线测试好的铅酸蓄电池内阻与剩余容量关系曲线，如图6中A点：检测内阻为56毫欧姆，对应蓄电池剩余容量20％。B点：检测内阻为24毫欧姆，对应蓄电池剩余容量100％。通过事先将图6曲线转换为数字量放在充电器智能单元的存储区，充电器便可以一面对蓄电池进行充电，一面检测蓄电池内阻，并根据图6曲线蓄电池内阻找到蓄电池剩余容量，以确定下一步的充电策略。

图7充电器智能单元硬件结构框图；

图7中71电源接口为单片机及***模块提供各种稳压电源；功率开关PWM接口72接收单片机76片内PWM脉冲输出，控制充、放电各光电开关；电压、电流、温度采样接口73采集蓄电池及各充、放电电容上的压降、蓄电池充电电流同时，充电过程不断采集蓄电池的温度以保证蓄电池安全。电压、电流、温度采样均为模拟量，被单片机76片内ADC转换为数字量反馈给单片机CPU参与智能控制。过压、过流保护74用于装置瞬间出现异常现象时切断电路起到保护作用；内阻检测接口75用于充电过程中实时内阻检测，并送入单片机76片内ADC转换为数字量；单片机76选择具有丰富片内资源和外设接口的混合信号处理器C8051F120，由于8051系列单片机及***模块是公知的技术，不再赘述；蜂鸣器77用于报警及操作提示；键盘接口78用于启、停、设置等功能；LCD接口79用于连接液晶显示器，显示充电曲线、时间等参数；EEPROM芯片710用于储存各种电池先验的实验数据，以备充电过程比较、对照，同时用于现场固化设置的参数。实时时钟711提供标准时间，记录每次充放电以及故障报警的具体时间，以便为测试人员提供准确的记录内容，采用PCF8563实时时钟芯片；232串口712提供了本装置与上位机(PC机)串行通讯的功能，可以把储存在EEPROM中现场实时的充电数据上传给上位机(PC机)；上位机(PC机)将接收到的数据绘制成曲线，存储到数据库中，并将实际充电曲线与标准充电曲线进行比较、分析，显示。对大型电动车辆可对其电池组充、放电曲线按电池编号、建立相应的档案，以便进行查询、分析，并定期对蓄电池进行维护，以延长其使用寿命；JTAG接口713用于单片机开发、仿真时用。

图8充电器智能化充电方法流程；

图8中81为开始阶段：待充电蓄电池连接完成后装置上电；82为***初始化：对各相关控制部分按功能需求编程写入；83装置自检执行状态：运行自检程序，检查各部分能否正常运行；84循环扫描键盘：判断是否设置即键入待充电蓄电池规格、型号并启动充电，如果没有循环等待；如果设置完成，85将在存储区检索相应的蓄电池充电曲线；模块86根据85的检索，并检测待充电蓄电池电压、内阻、温度参数，通过检测内阻及电压变化判断蓄电池荷电状态，选择适当的充、放电脉冲波形并启动充电；模块87判断充电器及蓄电池是否需要报警：在充电过程中充电器出现故障，及蓄电池极化现象产生的大量析气和严重温升均可通过检测温度、内阻及电压变化进行判断，并及时报警，使装置跳转至812模块退出充电；如果本装置在线连接上位机(PC机)，可同时将报警信息通过上传通讯811模块上传给上位机；如无报警，充电器继续定时检测蓄电池温度、内阻及电压参数，模块88根据内阻及电压计算蓄电池荷电情况，记录相关数据并拟合成充电曲线；模块89在液晶上显示充电器充入电量及充电电压、电流；模块810根据内阻及电压判断蓄电池充电是否完成，如未完成转至继续，如完成转至812模块退出充电，可同时将完成信息通过上传通讯811模块上传给上位机。

图9为智能化充电方法上位机(PC机)部分：其中91蓄电池智能管理部分，主要用于：采用电动车的公交充电站、采用电动车的出租车充电站以及一些大型场馆电动车队充电站。智能管理部分充分利用PC机的海量存储及相关软件的图形、表格功能及强大的检索、运算功能，根据充电器上传的蓄电池充电过程数据，为每一组蓄电池建立一套完整的使用档案，并能够对充电历史数据进行整理、归纳，以便及时发现问题并提示维护蓄电池，从而进一步延长蓄电池寿命，降低用户使用成本。

蓄电池智能管理部分软件采用Visual C++。操作简单、界面友好，能实时显示充放电状态，提供用户关心的内容。图中92为充电信息存储数据库：采用mysql，将数据存入数据库，为后续数据分析、检索提供相关参数；93信息显示：数据信息可视化、即将当前的及以往存储的蓄电池充电状态(充电电流，电压等)大量数据转变成直观、形象的变化曲线呈现给用户，并将故障信息及时提示，将标准充放电数据与实际充放电数据进行分析，显示分析结果；94通讯部分：通过PC机RS232接口与充电器通讯，读取下位机的数据：分别为电池状态95、内阻检测数值96、故障状态97、充电状态98、充电电压99、充电电流910、蓄电池温度911、充电时间912，并存储到数据库中。

通过修改平台设置的参数，可方便实现对锂离子蓄电池或其它蓄电池的快速充电，而且同样可以通过检测锂离子蓄电池或其它蓄电池内阻、电压、充电电流、蓄电池温度等反馈量构成智能化充电方式。因而，本装置具有广泛的适用范围。

从上述说明可以看到：本发明所述的节电型蓄电池快速充电器及智能化充电方法简化了充电器开关电源结构，使得电源效率得到提高；对于去极化脉冲放电的能量，利用电容进行能量吸收并回馈到充电电路，进一步提高了能量利用效率，实现了快速充电与节能充电的双重目标。

同时，本发明采用智能化控制充电策略，在蓄电池进行充电的过程中，同时在线测量蓄电池内阻、电压及温度参数，反馈给充电器的智能控制部分(如微处理器或单片机)，并通过电压、内阻及温度参数判断蓄电池荷电状态，以不断调整充电策略，构成完整的闭环控制，直至蓄电池充满为止。实现安全(指对蓄电池充电过程的保护措施)及高速、高效、智能化的充电过程，不但提高充电速度，而且具有保护蓄电池、延长其寿命的功能。

可见本发明在蓄电池快速充电器节电及智能化方面有着显著进步。

Claims (4)

1.一种节电型蓄电池快速充电器，其特征在于：简化了充电器开关电源结构，不再采用高频脉冲变压器进行降压的方式，而是采用两级滤波电容中间加一级电子开关的方式取代高频脉冲变压器进行降压；第一级滤波电容将交流电经桥式整流、电容滤波后形成的较高直流电源，通过中间电子开关导通频率和占空比的控制向第二级滤波电容充电，形成脉宽调制即PWM调压方式；第二级滤波电容上电压的高低取决于中间电子开关导通频率和占空比构成的平均电压，检测第二级滤波电容上的电压并经A/D转换成数字量送入单片机，与设定电压比较后，通过对电子开关进行调节使第二级滤波电容上的电压达到设定值，用于蓄电池进行充电，去掉了高频脉冲变压器，提高了效率。

2.根据权利要求1所述的一种节电型蓄电池快速充电器，其特征在于：将快速充电器为提高蓄电池的充电电流接受率，在脉冲充电过程中引入的短时间放电脉冲，利用储能电容进行能量吸收，并回馈到充电电路实现回充；用于储能的电容经过电子开关并联在蓄电池两端，当蓄电池需要放电时，触发电子开关导通向并联电容放电(等效给电容充电)；蓄电池放电电流的大小取决于并联电容的容量及并联级数，放电电流持续的时间则取决于并联电容回路中电子开关的导通时间，由单片机进行控制；当检测蓄电池外接并联电容上的电压达到一定数值时，单片机控制电子开关使并联电容转换成串连模式，以构成自举电路将电容电位提高，然后将电能回灌给充电器相应的储能单元，实现放电电流的能量回收，达到节能的目的。

3.一种智能化充电方法，其特征在于：在充电过程中采用闭环控制方式，通过设置的检测电路在线实时检测蓄电池的内阻，并转换成相应的数字量，与在线实时检测蓄电池的电压、充电电流和温度一起，作为检测量送入由单片机构成的智能单元；给定量为单片机存储区中事先存储的根据蓄电池生产厂家产品说明书，对充电的电压、电流和温度的要求，以及蓄电池内阻与蓄电池的荷电状态(SOC)的关系曲线；检测量与给定量在单片机中通过运算进行比较、判断，并不断调整充、放电脉冲的幅值、频率和占空比，以构成智能化充电模式。

4.根据权利要求3所述的一种智能化充电方法，其特征在于：蓄电池经电子开关并联一电阻负载，在线实时检测时，单片机控制电子开关导通，蓄电池通过电子开关向电阻负载放电，由于电阻负载的阻值已知，通过检测放电电阻负载上的电压，即可求出流过的电流；采集蓄电池上端电压的相应变化ΔV，即可求出蓄电池内阻的数值。

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