CN107618388B - 一种电动汽车无线充电*** - Google Patents

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Abstract

一种电动汽车无线充电***，包括：发射端、发射线圈、接收线圈和接收端，所述发射端和发射线圈电连接；所述发射线圈和接收线圈通过交变磁场感应相连，并能实现电能从发射端到接收端的传输；所述接收线圈和接收端电连接；本发明有效的提高的了电动汽车的电能转化效率，有效的抑制交流电网中的高频干扰对本发明***的影响，减少了线路损耗，进一步提高了无线充电的转化效率，高了充电输出电压的精度，采用CAN通信方式，具备了实时性强、抗电磁干扰能力强、成本低等优点，同时，接收端主控单元与发射端主控单元采用2.4G无线收发器进行无线通信的方式，实现了电动汽车在移动状态下依然能够通信的功能。

Description

一种电动汽车无线充电***
技术领域
本发明属于新能源技术领域，尤其是一种电动汽车无线充电***，该***具备较高的充电效率，安全可靠。
背景技术
随着电动汽车的广泛应用，近年来我国一些城市陆续投入使用电动汽车充电桩，因此新能源汽车的推广和使用得到了快速的发展。
2009年日本东京大学Yoichi Hori领导的研究团队在以电动汽车充电为背景下研制了无线充电装置，2013年，韩国科学技术院在龟尾市试验一种无线充电公交车，可边行驶边充电。
目前，特斯拉、奥迪、宝马、沃尔沃、奔驰、丰田、高通、西门子等巨头均已开始在这一领域展开研究，2016年5月31日，美国汽车工程师协会(SAE)发布了第一个插电式混动车及纯电动车无线充电技术的行业标准-SAE J2954，世界主要国家都积极开展电动汽车无线充电的研发及商业化应用，无线充电未来将有可能成为电动汽车的主要充电方式之一。
2016年8月24日，电动汽车无线充电三项国家标准制定工作在深圳正式启动，该会议由中国电力科学研究院主办，中兴通讯和中兴新能源汽车联合承办，在我国无线充电技术成为了电动汽车智能化发展道路上的基础技术，受到了社会各界的广泛关注和重视；
电池管理***(Battery Management System，BMS)作为实时监控、自动均衡、智能充放电的电子部件，起到保障安全、延长寿命、估算剩余电量等重要功能，是动力和储能电池组中不可或缺的重要部件。它通过一系列的管理和控制，从而保障电动汽车的正常运行。
功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的比值；当功率因数值越大，代表其电力利用率越高；功率因数(PF：Power Factor)一般定义为交流输入前有功功率P0与视在功率Pa之比：PF＝Po/Pa。当***由工频电网供电时，根据推导和PF定义可知要实现PF＝1，不但需要输入交流电流与输入电压同相位即，cosΦ＝cos0°＝1，而且还要求输入交流电流为正弦波，即谐波为零只有这样，才能实现PF＝1；为了提高功率因数，限制电流畸变和谐波，必须将开关变换器技术移植、必须进行功率因数校正(Power Factor Correction-PFC)，以达到电流波形整形和改善功率因素之目的；
从有线到无线，是消费电子产业发展的必然趋势，也是移动互联网时代的自然需求，更是电动汽车行业发展的必然趋势；虽然无线充电技术在各国都取得很大的进步，但是目前无线充电的效率偏低，远远达不到有线充电的工作效率，刷卡计费以及自动控制等智能化方面也不如有线充电完善。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电动汽车无线充电***，针对目前无线充电效率不高以及智能化方面不如有线充电***完善的不足而提出，该***设计科学合理、结构安全可靠，维护方便,通过完善的主控单元的进一步优化设计，大大增强了无线充电转换的可操作性和安全性；
一种电动汽车无线充电***，包括：发射端、发射线圈、接收线圈和接收端，其中，所述发射端和发射线圈电连接；所述发射线圈和接收线圈通过交变磁场感应相连，并能实现电能从发射端到接收端的传输；所述接收线圈和接收端电连接；
所述发射端包括：交流输入端、EMI滤波电路、一号整流桥、发射端主控单元、PFC升压转换器、IGBT全桥高频逆变器和一路谐振耦合补偿电路；
进一步的，所述交流输入端的一端与所述EMI滤波电路的一端电连接，所述EMI滤波电路的另一端与所述一号整流桥的一端电连接，所述一号整流桥的另一端分别与所述PFC升压转换器及发射端主控单元的一端电连接，所述PFC升压转换器的另一端分别与所述IGBT全桥高频逆变器的一端及发射端主控单元的另一端电连接，所述PFC升压转换器的又一端与所述发射端主控单元的又一端电连接，所述IGBT全桥高频逆变器的另一端分别与所述发射端主控单元的第四端及一路谐振耦合补偿电路的一端电连接；所述IGBT全桥高频逆变器的第三端与所述发射端主控单元的第五端电连接；所述一路谐振耦合补偿电路的另一端与所述发射线圈的一端电连接；
作为一种举例说明，所述发射端主控单元的第六端与一号显示屏电连接；所述发射端主控单元的第七端与一号风扇电连接；
所述接收端包括：直流充电接口、滤波电路、DC-DC变换器、二号整流桥、升压变压器、二路谐振耦合补偿电路和接收端主控单元；
进一步的，所述直流充电接口的一端分别与所述滤波电路的一端及接收端主控单元的一端电连接；所述滤波电路的另一端与所述DC-DC变换器的一端电连接；所述DC-DC变换器另一端与所述接收端主控单元的第二端电连接；所述DC-DC变换器又一端分别与所述二号整流桥的一端及接收端主控单元的第三端电连接；所述二号整流桥的另一端与所述升压变压器的一端电连接；所述升压变压器的另一端与所述二路谐振耦合补偿电路的一端电连接；所述二路谐振耦合补偿电路的另一端与所述接收线圈的一端电连接；
作为一种举例说明，所述接收端主控单元的第四端与二号风扇的一端电连接；所述接收端主控单元的第五端与二号显示屏的一端电连接；
作为一种举例说明，所述接收端主控单元设置有稳压控制，进一步提高了充电输出电压的精度。
进一步的，所述发射端主控单元与电动汽车上的电池管理***采用CAN通信方式，具备了实时性强、抗电磁干扰能力强、成本低等优点，同时，接收端主控单元与发射端主控单元采用2.4G无线收发器进行无线通信的方式，实现了电动汽车在移动状态下依然能够通信的功能。
本发明的有益效果：
1、本发明的发射端主控器通过对PFC升压转换器和IGBT全桥高频逆变器的控制，有效的提高的了电动汽车的电能转化效率，为电动汽车无线充电提供一种高效率的充电结构。
2、本发明的发射端的EMI滤波电路，有效的抑制交流电网中的高频干扰对本发明***的影响，提高了无线充电过程中的安全性能。
3、所述接收端的升压变压器进一步提高了对外输出的电压，减少了线路损耗，进一步提高了无线充电的转化效率。
附图说明
图1为本发明一种电动汽车无线充电***之原理结构示意图
图2为本发明一种电动汽车无线充电***之发射端主控单元的结构示意图
图3为本发明一种电动汽车无线充电***之接收端主控单元的结构示意图
图4为本发明一种电动汽车无线充电***之松散耦合变压器谐振耦合补偿电路的等效电路图
具体实施方式
下面，参考图1至图4所示，一种电动汽车无线充电***，包括：发射端、发射线圈、接收线圈和接收端，其中，所述发射端和发射线圈电连接；所述发射线圈和接收线圈通过交变磁场感应相连，并能实现电能从发射端到接收端的传输；所述接收线圈和接收端电连接；
所述发射端包括：交流输入端、EMI滤波电路、一号整流桥、发射端主控单元、PFC升压转换器、IGBT全桥高频逆变器和一路谐振耦合补偿电路；
进一步的，所述交流输入端的一端与所述EMI滤波电路的一端电连接，所述EMI滤波电路的另一端与所述一号整流桥的一端电连接，所述一号整流桥的另一端分别与所述PFC升压转换器及发射端主控单元的一端电连接，所述PFC升压转换器的另一端分别与所述IGBT全桥高频逆变器的一端及发射端主控单元的另一端电连接，所述PFC升压转换器的又一端与所述发射端主控单元的又一端电连接，所述IGBT全桥高频逆变器的另一端分别与所述发射端主控单元的第四端及一路谐振耦合补偿电路的一端电连接；所述IGBT全桥高频逆变器的第三端与所述发射端主控单元的第五端电连接；所述一路谐振耦合补偿电路的另一端与所述发射线圈的一端电连接；
作为一种举例说明，所述发射端主控单元的第六端与一号显示屏电连接；所述发射端主控单元的第七端与一号风扇电连接；
所述接收端包括：直流充电接口、滤波电路、DC-DC变换器、二号整流桥、升压变压器、二路谐振耦合补偿电路和接收端主控单元；
进一步的，所述直流充电接口的一端分别与所述滤波电路的一端及接收端主控单元的一端电连接；所述滤波电路的另一端与所述DC-DC变换器的一端电连接；所述DC-DC变换器另一端与所述接收端主控单元的第二端电连接；所述DC-DC变换器又一端分别与所述二号整流桥的一端及接收端主控单元的第三端电连接；所述二号整流桥的另一端与所述升压变压器的一端电连接；所述升压变压器的另一端与所述二路谐振耦合补偿电路的一端电连接；所述二路谐振耦合补偿电路的另一端与所述接收线圈的一端电连接；
作为一种举例说明，所述接收端主控单元的第四端与二号风扇的一端电连接；所述接收端主控单元的第五端与二号显示屏的一端电连接；
为了更好的说明本发明的设计原理，现结合优选实施例，对本发明的设计原理阐述如下：
无线充电是通过发射线圈将电信号转化成电磁信号，并将电磁信号发射出去，与发射线圈相耦合的接收线圈通过接收该电磁信号，并将该电磁信号转化为电信号；感应无线功率传输(WPT)中的发射线圈和接收线圈可以等效为松散耦合变压器；感应无线功率传输的松散耦合变压器和传统变压器的区别在于，漏感大，而且工作频率高，传统变压器工作的频率一般是50/60Hz，而松散耦合变压器工作在千赫兹/兆赫兹。因此，本发明整体设计结构为发射端和发射线圈相连，发射线圈和接收线圈通过交变磁场相连，并实现电能从发射端到接收端的传输，接收线圈和接收端相连；
首先：如附图1所示，市电或三相交流电经过交流输入端后通过EMI滤波电路，设计EMI滤波电路的主要作用是滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，再经过一号整流桥整流得到直流电，设计为直流电的好处在于减少开关电源本身对外界的电磁干扰；通过EMI滤波电路过滤后的直流电被送到了PFC升压转换器上；设计PFC升压转换器的一个主要作用，就是在电网和负载之间扦入校正环节，使输入电流波形逼近输入电压波，通常情况下，就是使得输入电流成为与输入电压同相位的正弦电流；同时另外一个主要作用是提高电压值，因为目前国内电动车的电池组电压值较高，例如，比亚迪的电动汽车秦的电池组的标称电压是560V，而比亚迪唐的电池组电压是700V，然而，市电/三相交流电直接转化过来的直流电压很难满足这类电动汽车电池电压的要求，所以在进行功率因子校正的同时必须要采用了一个boost升压功能，因此在本发明中采用了PFC升压转化器，提高功率因数的同时也提高了电压值；经过PFC升压转化器校正了功率因数并升压后的直流电又被送到了IGBT全桥高频逆变器上，在IGBT全桥高频逆变器上直流电被逆变成方波，该方波输出后经一路谐振耦合补偿电路送到发射线圈两端，且输出的方波频率为设定值；
其次：发射线圈和接收线圈之间相当于一个松散耦合变压器，为了提高这个松散耦合变压的耦合系数效率优化无线充电方式，因此引入了两个谐振耦合补偿电路一路谐振耦合补偿电路和二路谐振耦合补偿电路；为了改善初、次级侧电路性能，使电路发生谐振，增强***的功率传输能力，需要对电路初、次级侧进行谐振耦合，其方式有多种，一般采用耦合电容来平衡电路中的感抗，且采用串联耦合，串联-串联耦合结构(S-S)，松散耦合变压器谐振耦合补偿电路的等效电路如附图4所示，当发射线圈和接收线圈发生谐振耦合时，电路的发射线圈上的电流角频率ω1和接收线圈上的电流角频率ω2等于***的固有工作频率ω，即：
其中，C1、C2分别为发射线圈和接收线圈的补偿电容，即C1为一路谐振耦合补偿电路，C2为二路谐振耦合补偿电路，根据此串联谐振无线供电***的模型得到发射端的输出功率P1和接收端的输入功率P2如下：
其中，U1为发射端发射线圈两端的输入电压，R1为接收端回路的等效电阻，R2为发射端回路的等效电阻，M为发射线圈和接收线圈的互感系数，RL为负载电阻。
根据公式(2)可以得到，无线充电***的***效率η为：
根据公式(3)可以得到无线充电的***效率η与互感系数M、角频率ω之间的关系，如下：
当***的互感M一定时，增大***谐振角频率ω，能够提高无线充电的***效率η；当***角频率ω一定时，增加***互感M，无线充电的效率η也随之增大。由上面的公式可知，当无线充电***的***角频率ω为设定值时，只能通过调整***互感M来调整无线充电***的***效率。当无线充电***做好后，即***互感M为设定值是，可以通过提高***角频率ω，来提高无线充电的效率。
目前，国内外都是根据无线充电***的***效率η的计算公式(3)，让***角频率ω位固定值，则接收端的输入功率P2恒定，即让充电功率为恒定值，整体充电功率的提高是通过提高***互感M值来提高无线充电的功率，即增加发射及接收线圈的体积。为了保持***角频率ω的恒定，因此在无线充电***中引入了数字锁相环电路，来减少相位差，使频率基本恒定在一个值。
如图1所示，在本发明中，发射端主控单元采集PFC升压转换器和IGBT全桥高频逆变器两端的电压和电流信息，并接收发射端主控单元发送的信息，发射端发送的信息包括：电池管理***BMS提供的电压、电流需求信息以及发射端采集的电流、电压、频率和温度等信息；发射端主控单元根据这些信息分别给出控制PFC升压转换器和IGBT全桥高频逆变器的信号，让PFC升压转换器实时调整，得到功率因数值最大、电压值升高且稳定的电压，让IGBT全桥高频逆变器输出角频率ω的值固定，但根据充电需求电压值可以通过占空比可调的方波。
再次：如图1所示，接收端主控单元采集DC-DC变换器和滤波电路两端的电流和电压值，并根据采集到的电流和电压值，接收端主控单元输出对DC-DC变换器的控制信号，让DC-DC变换器输出稳定的电压值；
作为一种举例说明，所述接收端主控单元还设置有对外交互的接口，可以实现人机交互和电池管理***BMS的通信；
最后：二路谐振耦合补偿电路用于提高耦合系数，从而使传输电能的效率最大；接收线圈接通过电磁感应接收到电能，通过二路谐振耦合补偿电路把接收到的交流电发送给升压变压器，再次升压，目的还是为了满足一些电动汽车高压需求；升压后的交流电又经过二号整流桥整流后，得到直流电，该直流电通过了一个DC-DC变换器，电车充电***常常会受到某些干扰因素，该DC-DC变换器用来确保充电电压和功率的稳定要求；DC-DC变换器输出的电压经过滤波电路后输出给直流充电接口，直流充电接口与电动汽车电池相连的接口相连，给电动汽车电池充电；
参照图2所示,优选实施例之本发明发射端电路结构具体连接示意图设计举例，包括：
一号电流采集传感器、一号电压采集传感器、PFC升压转换控制器、二号电压采集传感器、一号低压辅助电源、三号电压采集传感器、IGBT驱动电路、数字锁相环电路、过零检测电路、四号电压采集传感器、一号2.4G收发器、一组温度传感器、一号USB接口和发射端主控制器；
进一步的，所述一号低压辅助电源是给接收端的各个电路中的主控芯片供电的；这里引入PFC升压转换控制器的目的是为了提高控制速度，所以PFC升压转换控制器没有集成到发射端主控制器中，发射端主控制器只是在开机时给PFC升压转换控制器输出一个软启动控制信号，让PFC升压转换控制器开机后就工作；PFC升压转换控制器是用来控制PFC升压转换器的，所以PFC升压转换控制器通过一号电流采集传感器和二号电压采集传感器输入电流和电压采样，以及二号电压采集传感器得到反馈电压，引入控制算法计算得到PFC升压转换控制器对PFC升压转换器的控制信号；因此，一号电流采集传感器位于一号整流桥和PFC升压转换器之间的直流母线负上，一号电压采集传感器通过直流正母线分别与一号整流桥和PFC升压转换器相连；二号电压采集传感器通过直流母线正分别与PFC升压转换器和IGBT全桥高频逆变器相连；
发射端主控制器通过三号电压采集传感器、过零检测电路、四号电压采集传感器以及一号2.4G收发器接收到的接收端主控单元发射过来的信号，通过算法计算得到对IGBT驱动电路的脉冲宽度调制PWM控制信号，IGBT驱动电路将得到的脉冲宽度调制PWM控制信号放大后驱动并控制IGBT全桥高频逆变电路的上桥臂及下桥臂的导通和截止，从而实现直流电通过IGBT全桥高频逆变电路后，能够输出角频率恒定的方波，且该方波的占空比是经过发射端主控制器计算得到的，即该方波的有效电压值的大小是根据充电要求调整好的。三号电压采集传感器用于采集输入给IGBT全桥高频逆变器的电压，过零检测电路用于产生的与电网电压同步的方波信号，在数字锁相环电路的作用下，产生与电网电压同频同相的一个基准正弦信号，并以基准正弦数组的形式存放在发射端主控制器中，四号电压采集传感器用来为发射端主控制器提供反馈电压值。因此，三号电压采集传感器通过直流正母线分别与PFC升压转换器和IGBT全桥高频逆变器相连；过零检测电路通过IGBT全桥高频逆变器的上桥臂引出的上段导线与IGBT全桥高频逆变器和一路谐振耦合补偿电路相连；所述四号电压采集传感器通过IGBT全桥高频逆变器的上桥臂引出的上段导线分别与IGBT全桥高频逆变器和一路谐振耦合补偿电路相连；
发射端主控制器通过一号USB接口实现人机互交操作，同时还通过一组温度传感器采集发射端的温度，当温度过高时，可以驱动一号风扇工作来降温；同时，发射端主控制器还可以外接一号显示屏来辅助显示和操作；一号2.4G收发器是发射端和接收端无线通讯的电路，实现了数据的无线传输；因此，发射端主控制器还分别与一号USB接口、一号风扇、一号显示屏、一号温度传感器和一号2.4G收发器相连。
如图3所示，本发明的一个实施例的接收端的电路结构示意图，二号低压辅助电源是用来给发射端主控单元内的芯片供电的；接收端主控制器通过采集DC-DC变换器输入端的电流和电压，以及DC-DC变换器经过二号滤波电路滤波后的电压，通过计算得到该DC-DC变换器的输出控制信号，从而用来确保充电电压和功率的稳定要求，防止外界干扰对接收端的影响；因此，二号电流采集传感器位于二号整流桥和DC-DC变换器之间的直流母线负上；所述五号电压采集传感器通过直流母线正分别与二号整流桥和DC-DC变换器相连；所述二号低压辅助电源的正极通过直流母线正分别与二号整流桥和DC-DC变换器相连；所述二号低压辅助电源的负极通过直流母线负分别与二号电流采集传感器和DC-DC变换器相连；所述六号电压采集传感器通过直流母线正分别与二号滤波电路和直流充电接口相连。
接收端主控单元中的二号2.4G收发器与发射端主控单元的一号2.4G收发器实现了无线通讯，二号USB接口能够实现了与人机的交互功能，CAN接口实现了电池管理***BMS的通讯，并可以将BMS给定的充电电压和电流通过二号2.4G收发器发送给发射端主控单元中的发射端主控制器，接收端主控制器采集的电压、电流、频率等信息也可以通过二号2.4G收发器发送给发射端主控制器；同时接收端主控制器还通过二组温度传感器采集接收端的温度，当温度过高时，可以驱动二号风扇工作来降温。同时，接收端主控制器还可以外接二号显示屏来辅助显示和操作。因此，接收端主控制器分别与二号电流采集传感器、五号电压采集传感器、二号低压辅助电源、六号电压采集传感器、CAN接口、二组温度传感器、二号USB接口和二号2.4G收发器相连；
通过上面的介绍可以看出，本发明的发射端主控器通过对PFC升压转换器和IGBT全桥高频逆变器的控制，有效的提高的了电动汽车的电能转化效率，为电动汽车无线充电提供一种高效率的充电结构。本发明的发射端的EMI滤波电路，有效的抑制交流电网中的高频干扰对本发明***的影响，提高了无线充电过程中的安全性能。本发明的接收端的升压变压器进一步提高了对外输出的电压，减少了线路损耗，进一步提高了无线充电的转化效率。本发明接收端主控单元增加了稳压控制，进一步提高了充电输出电压的精度。本发明发射端主控单元与电动汽车上的电池管理***采用CAN通信方式，具备了实时性强、抗电磁干扰能力强、成本低等优点，同时，接收端主控单元与发射端主控单元采用2.4G无线收发器进行无线通信的方式，实现了电动汽车在移动状态下依然能够通信的功能。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (4)

1.一种电动汽车无线充电***，其特征在于，包括：发射端、发射线圈、接收线圈和接收端，所述发射端和发射线圈电连接；所述发射线圈和接收线圈通过交变磁场感应相连，并能实现电能从发射端到接收端的传输；所述接收线圈和接收端电连接；
所述发射端包括：交流输入端、EMI滤波电路、一号整流桥、发射端主控单元、PFC升压转换器、IGBT全桥高频逆变器和一路谐振耦合补偿电路；
所述交流输入端的一端与所述EMI滤波电路的一端电连接，所述EMI滤波电路的另一端与所述一号整流桥的一端电连接，所述一号整流桥的另一端分别与所述PFC升压转换器及发射端主控单元的一端电连接，所述PFC升压转换器的另一端分别与所述IGBT全桥高频逆变器的一端及发射端主控单元的另一端电连接，所述PFC升压转换器的又一端与所述发射端主控单元的又一端电连接，所述IGBT全桥高频逆变器的另一端分别与所述发射端主控单元的第四端及一路谐振耦合补偿电路的一端电连接；所述IGBT全桥高频逆变器的第三端与所述发射端主控单元的第五端电连接；所述一路谐振耦合补偿电路的另一端与所述发射线圈的一端电连接；
所述接收端包括：直流充电接口、滤波电路、DC-DC变换器、二号整流桥、升压变压器、二路谐振耦合补偿电路和接收端主控单元；
所述直流充电接口的一端分别与所述滤波电路的一端及接收端主控单元的一端电连接；所述滤波电路的另一端与所述DC-DC变换器的一端电连接；所述DC-DC变换器另一端与所述接收端主控单元的第二端电连接；所述DC-DC变换器又一端分别与所述二号整流桥的一端及接收端主控单元的第三端电连接；所述二号整流桥的另一端与所述升压变压器的一端电连接；所述升压变压器的另一端与所述二路谐振耦合补偿电路的一端电连接；所述二路谐振耦合补偿电路的另一端与所述接收线圈的一端电连接；
所述发射端主控单元包括发射端主控制器，所述发射端主控制器通过三号电压采集传感器、过零检测电路、四号电压采集传感器以及一号2.4G收发器接收到的接收端主控单元发射过来的信号，通过算法计算得到对IGBT驱动电路的脉冲宽度调制PWM控制信号，IGBT驱动电路将得到的脉冲宽度调制PWM控制信号放大后驱动并控制IGBT全桥高频逆变电路的上桥臂及下桥臂的导通和截止，从而实现直流电通过IGBT全桥高频逆变电路后，能够输出角频率恒定的方波，且该方波的占空比是经过发射端主控制器计算得到的，即该方波的有效电压值的大小是根据充电要求调整好的。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车无线充电***，其特征在于，所述发射端主控单元的第六端与一号显示屏电连接；所述发射端主控单元的第七端与一号风扇电连接。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车无线充电***，其特征在于，所述接收端主控单元的第四端与二号风扇的一端电连接；所述接收端主控单元的第五端与二号显示屏的一端电连接。
4.根据权利要求3所述的一种电动汽车无线充电***，其特征在于，所述接收端主控单还设置有对外交互的接口，可以实现人机交互和电池管理***BMS的通信。
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