CN116345650B - 一种用于变耦合工况的ipt***的参数补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线充电技术领域,尤其涉及一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,所述方法包括:基于S‑S型无线供电***的工作频率和原边线圈自感计算获取原边谐振补偿电容,基于所述S‑S型无线供电***的工作频率和副边线圈自感获取副边谐振补偿电容;基于基尔霍夫电路定律以及等效阻抗角变换计算出原边、副边等效补偿电容;将等效补偿电容和谐振补偿电容进行串联等效,分别获得***的原边、副边补偿电容。本发明通过在各通道原副边串入等效阻抗补偿电容的方式,消除同侧交叉互感的影响;将计算获得的等效补偿电容与谐振电容进行串联等效,大幅提高各通道间的一致性,消除相位及逆变器输出电流不均衡,提高***传输效率与稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域,尤其涉及一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法。
背景技术
S-S型无线供电(wireless power transfer,WPT)***,因其结构简而得到广泛引用。
现有的S-S型WPT***如图1所示,其工作原理为:直流侧电源经高频逆变器产生高频交流电,高频交流电经过原边补偿网络后以电磁感应的方式传递至副边线圈;副边高频电流流经副边补偿网络后经不控整流单元整流,形成稳定的直流输出向负载供电。
为实现***能量的高效传输,在应用S-S型WPT***时,均采用谐振关系式对原、副边电容进行选值,此时***逆变器阻抗为纯电阻,逆变器输出电流电压相位相同,功率因数为1,逆变器输出功率全部为有功功率,从而大幅提升了***的传输效率。但由受到逆变器以及整流器功率半导体器件功率等级以及成本的限制,传统的S-S型WPT***传输电压等级以及传输功率有限,无法满足高电压-大功率应用。
为实现WPT在高电压-大功率传输中的应用,需要采取如图2所示的输入串联-输出串联(ISOS)多通道WPT***,即将传统S-S型WPT***在直流输入端及直流输出端进行串联连接,以此来提高输入输出电压等级以及***总体的传输功率等级,其中为各通道等效直流电阻。此时,由于出现了如图3所示的多发射线圈-多接受线圈耦合结构,使得各通道间会产生交叉互感,由于不相邻线圈距离较远,因而交叉互感仅在相邻通道间产生,即图2中的/>。其中包括两部分,一部分是通道i与通道j之间发射线圈的同侧交叉互感,另一部分是通道i与通道j发射线圈与接受线圈之间的异侧交叉互感,如图3所示,/>为同侧交叉互感,/>为异侧交叉互感。
由于交叉互感的出现,***的传输特性发生了改变,若此时继续按照谐振关系进行补偿电容的设计时,***各通道逆变器无法呈纯阻性;且当***出现交叉互感后,各通道出现相角、输出电流不均衡的现象,不利于***的稳定高效运行,因此现有技术的电容参数选择方法无法消除同侧交叉互感对***的影响,不适用于多通道***。
发明内容
本发明提供一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,用以解决现有技术中电容参数选择方法无法消除交叉互感对***影响的缺陷。
本发明提供一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,包括:
基于所述S-S型无线供电***的工作频率和原边线圈自感计算获取原边谐振补偿电容,基于所述S-S型无线供电***的工作频率和副边线圈自感获取副边谐振补偿电容;
测量获取线圈间同侧交叉互感的互感数值,基于基尔霍夫电路定律以及等效阻抗角变换计算出原边等效补偿电容和副边等效补偿电容;
将等效补偿电容和谐振补偿电容进行串联等效,分别获得***的原边补偿电容和副边补偿电容。
具体的基于所述S-S型无线供电***的工作频率和原边线圈自感计算获取原边谐振补偿电容,基于所述S-S型无线供电***的工作频率和副边线圈自感获取副边谐振补偿电容,包括:
基于谐振关系式:
;
得原边谐振补偿电容为:
;
得副边谐振补偿电容为:
;
其中,为所述S-S型无线供电***的工作角频率,/>为所述S-S型无线供电***的工作频率,/>为原边串联电容,/>为副边串联电容。
根据本发明提供的一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,计算原边等效补偿电容和副边等效补偿电容之前,包括:
以所述S-S型无线供电***的电压相位为参考相位,获得各通道等效解耦电路的电压电流相量表达式:
;
基于等效阻抗角变换,重构各通道电压电流表达式:
;
将相量相位参考点由输入电压统一为输入电流,使得各通道逆变器输入电流有效值以及向量均相等;
其中,为原边输入电压,/>为通道i逆变器的输入阻抗。
根据本发明提供的一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,计算原边等效补偿电容和副边等效补偿电容之前,获取消除同侧交互互感的条件,包括:
基于基尔霍夫定律得到内侧通道的环路电流方程:
;
;
对于原边线圈,为了消除同侧交互互感的影响,令原边补偿电容满足:
;
对于副边线圈,为了消除同侧交互互感的影响,令副边补偿电容满足:
;
其中,为原边线圈电流,/>为副边输出电压,/>为副边线圈电流。
根据本发明提供的一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,同侧交叉互感被消除后,,依据所述环路电流方程获得同侧交叉互感满足后,***的输入阻抗表达式为:
;
原副边电流关系为:
;
获得副边等效补偿阻抗为:
;
其中,为同侧交叉互感,/>为异侧交叉互感。
根据本发明提供的一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,内侧通道的原边等效补偿电容和副边等效补偿电容为:
;
其中,为内侧通道的原边等效补偿电容,/>为内侧通道的副边等效补偿电容。
根据本发明提供的一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,将等效补偿电容和谐振补偿电容进行串联等效,获得内侧通道的原边补偿电容为:
;
获得内侧通道的副边补偿电容为:
。
根据本发明提供的一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,包括:
获取外侧通道的原边等效补偿电容以及外侧通道的副边等效补偿电容:
;
将等效补偿电容和谐振补偿电容进行串联等效,获取外侧通道的原边补偿电容以及外侧通道的副边补偿电容:
;
。
本发明还提供一种S-S型无线供电***,基于上述任一项所述的补偿电容参数选择方法获取所述***的原边补偿电容和副边补偿电容。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述电容参数补偿方法的步骤。
本发明提供的一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,具有如下的技术效果:
(1)通过在各通道原副边串入等效阻抗补偿电容的方式,消除同侧交叉互感在***中的影响并推导获得了等效阻抗补偿电容的数值表达式,用于进行***补偿电容参数设计。
(2)通过将计算获得的等效补偿电容与电路的谐振电容进行串联等效,获得最终补偿电容参数计算公式,该方法大幅提高了各通道间的一致性,消除了相位及逆变器输出电流不均衡,提高了***传输效率与稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中的无线电能传输***工作原理示意图;
图2是现有技术中的S-S型多通道无线供电***的工作原理示意图;
图3是现有技术中的多发射线圈-多接受线圈的结构示意图;
图4是现有技术中的仿真结果示意图之一;
图5是现有技术中的仿真结果示意图之二;
图6是本发明提供的电容参数补偿方法的流程示意图;
图7是S-S型无线供电***中的内外侧通道示意图;
图8是本发明实施例中的考虑等效补偿电容的内侧通道等效电路示意图;
图9为本发明提供的S-S型无线供电***的仿真结果示意图之一;
图10为本发明提供的S-S型无线供电***的仿真结果示意图之二。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块,而是可选地还包括没有列出的步骤或模块,或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块。
需要说明的是,本发明涉及的术语“第一\第二”仅仅是区别类似的对象,不代表针对对象的特定排序,可以理解地,“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换,以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述或图示的那些以外的顺序实施。
需要说明的是,现有技术中,为实现***能量的高效传输,在应用S-S型WPT***时,均采用下式的谐振关系式对原、副边电容进行选值:
;
其中ω为***工作角频率,f为***工作频率。
当满足上式的谐振关系后,***逆变器阻抗为纯电阻,其表达式如下:
;
其中,图1中原边线圈和原边串联电容/>,副边线圈/>和副边串联电容/>分别构成原、副边串联补偿网络,/>为***的传输互感,/>为直流输出侧滤波电容,/>为***直流负载,/>为***的交流等效电阻;
此时逆变器输出电流电压相位相同,功率因数为1,逆变器输出功率全部为有功功率,大幅提升了***的传输效率,但是受到逆变器以及整流器功率半导体器件功率等级以及成本的限制,传统的如图1所示的S-S型WPT***传输电压等级以及传输功率有限,无法满足高电压-大功率应用;
因此,现有技术采取如图2所示的输入串联-输出串联(ISOS)多通道WPT***,即将传统S-S型WPT***在直流输入端及直流输出端进行串联连接,以此来提高输入输出电压等级以及***总体的传输功率等级,其中为各通道等效直流电阻,但是,由于出现了如图3所示的多发射线圈-多接受线圈耦合结构,使得各通道间会产生交叉互感,由于不相邻线圈距离较远,因而交叉互感仅在相邻通道间产生,即图2中的/>。其中包括两部分,一部分是通道i与通道j之间发射线圈的同侧交叉互感,另一部分是通道i与通道j发射线圈与接受线圈之间的异侧交叉互感,如图3所示,/>为同侧交叉互感,/>为异侧交叉互感。
由于交叉互感的出现,***的传输特性发生了改变,此时继续按照上述谐振关系式所示的谐振关系进行补偿电容的设计时,***各通道逆变器无法呈纯阻性,以三通道***为例,按照谐振关系式的关系匹配***参数,在不同负载下,各通道的逆变器阻抗角,输出电流有效值仿真结果如图4和图5所示,图4为阻抗角仿真结果,图5为输出电流有效值仿真结果,相关仿真参数如表1所示;
由图4-5的仿真结果可以看出,当***出现交叉互感后,各通道出现相角、输出电流不均衡,不利于***的稳定高效运行。因此基于谐振关系式所示的谐振关系的传统补偿电容计算方法不适用与多通道***。
表1 3通道ISOS-WPT***电路参数
在一个实施例中,如图6所示,本发明提供的一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,包括步骤:
基于所述S-S型无线供电***的工作频率和原边线圈自感计算获取原边谐振补偿电容,基于所述S-S型无线供电***的工作频率和副边线圈自感获取副边谐振补偿电容;
测量获取线圈间同侧交叉互感的互感数值,基于基尔霍夫电路定律以及等效阻抗角变换计算出原边等效补偿电容和副边等效补偿电容;
将等效补偿电容和谐振补偿电容进行串联等效,分别获得***的原边补偿电容和副边补偿电容。
具体的,首先,基于等效参数补偿法,假设***各通道原副边均串入补偿阻抗用以消除同侧交叉互感对***的影响;然后基于基尔霍夫电路定律以及等效阻抗角变换计算出补偿原件阻抗参数值,计算结果表明,需串联电容进行参数补偿;最后,因为串入电容会增大***体积与成本,因而将串入电容与原有的谐振补偿电容进行串联等效,将最终的等效电容容值作为***的补偿电容参数。
具体的,基于现有技术中的谐振关系表达式,可计算谐振补偿电容,基于所述S-S型无线供电***的工作频率和原边线圈自感计算获取原边谐振补偿电容,基于所述S-S型无线供电***的工作频率和副边线圈自感获取副边谐振补偿电容,包括:
基于谐振关系式:
;
得原边谐振补偿电容为:
;
得副边谐振补偿电容为:
;
其中,为所述S-S型无线供电***的工作角频率,/>为所述S-S型无线供电***的工作频率,/>为原边串联电容,/>为副边串联电容。
进一步的,基于基尔霍夫电路定律以及等效阻抗角变换计算出补偿原件阻抗参数值,包括:
假设通道i阻抗角为,由于各通道逆变器信号同步,因此各通道交流输入电压初始相位相同,以电压相位为参考相位,进而获得各通道等效解耦电路的电压电流相量表达式如下式:
;
对上式等式左右两端均乘以,基于等效阻抗角变换可以重构各通道电压电流表达式如下所示:
;
通过等效阻抗角变换可以在不改变各通道输入阻抗的前提下,将实际的相量相位参考点由逆变器输入电压统一至输入电流。又由于直流侧串联特性,使得各通道逆变器输入电流有效值相等,即:
;
从而通过等效阻抗角变换,可以在不改变输入阻抗的前提下使得各通逆变器输入电流相量相等,即:
;
其中,为原边输入电压,/>为通道i逆变器的输入阻抗。
需要说明的是,如图7所示,ISOS多通道WPT***通道可分为两类,1)外侧通道:第一个通道与最后一个通道,此类通道相邻通道数为1,仅受到1个相邻通道交叉互感的影响;2)内侧通道:第一个通道与最后一个通道之间的其他通道,相邻通道数为2,受到2个相邻通道交叉互感的影响。,/>以及/>,/>分别为通道原边输入电压、线圈电流以及副边输出电压、线圈电流,/>为通道i逆变器输入阻抗。两者受交叉互感影响状态不同,因而补偿参数值也不相同;
在一个具体的实施例中,以内侧通道为例,计算原边等效补偿电容和副边等效补偿电容:
为补偿同侧交叉互感对各通道输入阻抗角的影响,假设各通道原边/副边均串入等效补偿阻抗与/>用以消除同侧交叉互感的影响,其等效电路图如图8所示(以内侧通道为例),等效补偿阻抗与谐振电容串联等效后的电容即为原、副边最终的电容参数设计值与/>:
计算原边等效补偿电容和副边等效补偿电容之前,获取消除同侧交互互感的条件,包括:
基于基尔霍夫定律得到内侧通道的环路电流方程:
;
;
由此,对于原边线圈,为了消除同侧交互互感的影响,原边补偿电容为:
;
进一步得:
;
对于副边线圈,为了消除同侧交互互感的影响,需令阻抗关系满足;
令副边补偿电容满足:
;
其中,为原边线圈电流,/>为副边输出电压,/>为副边线圈电流。
进一步,同侧交叉互感被消除后,,依据所述环路电流方程获得同侧交叉互感满足后,***的输入阻抗表达式为:
;
原副边电流关系为:
;
因此,仅需利用等效补偿原件抵消同侧交叉互感的作用,即可令***内侧通道输入阻抗重新进入纯阻性状态,***不存在相位差异且效率将大幅提升,得副边等效补偿阻抗表达式如下:
;
因此,为消除同侧交叉互感对内侧通道的影响,原副边均应串如补偿电容,且等效补偿电容容值相等为:
;
其中,为内侧通道的原边等效补偿电容,/>为内侧通道的副边等效补偿电容;
进一步,基于上述步骤获取的内侧通道的原边、副边等效补偿电容,原边、副边得谐振补偿电容,再依据电容串联特性,获得内侧通道的原边补偿电容和副边补偿电容分别为:
;
获得内侧通道的副边补偿电容为:
。
同理,对于外侧通道,此类通道相邻通道数为1,仅受到1个相邻通道交叉互感的影响,因此得外侧通道的原边等效补偿电容以及外侧通道的副边等效补偿电容:
;
基于上述步骤获取的外侧通道的原边、副边等效补偿电容,原边、副边得谐振补偿电容,再依据电容串联特性,获得外侧通道的原边补偿电容和副边补偿电容分别为:
;
。
另一方面,本发明还提供一种S-S型无线供电***,所述***基于上述各方法所提供的电容参数补偿方法的步骤获取补偿电容的数值;
在一个具体的实施例中,基于上述得补偿电容计算结果对S-S型无线供电***进行等效参数补偿,其余参数保持不变,补偿后的内、外侧电容值分别为:
;
;
其中,和/>分别为内侧通道的原边、副边补偿电容,/>和/>分别为外侧通道的原边、副边补偿电容;
依据补偿后的参数对本发明提供的S-S型无线供电***进行仿真实验,外侧及内侧通道***阻抗角、直流输出电压以及逆变器输出电流有效值仿真结果如图9和图10所示,图9为阻抗角仿真结果,图10为逆变器输出电流仿真结果;
本发明提出的补偿电容设计方法,大幅改善了交叉互感对***的传输特性影响,各通道逆变器输出电流始终保持一致,阻抗角差异被大幅减小,更有利于***的高效传输以及控制设计。
本发明还提供一种电子设备,该电子设备可以包括:处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、存储器(memory)和通信总线,其中,处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令,以执行上述各方法所提供的S-S型无线供电***的电容参数补偿方法的步骤。
此外,上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面,本发明还提供一种计算机程序产品,所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序,所述计算机程序包括程序指令,当所述程序指令被计算机执行时,计算机能够执行上述各方法所提供的S-S型无线供电***的电容参数补偿方法的步骤。
又一方面,本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法所提供的S-S型无线供电***的电容参数补偿方法的步骤。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下,即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件。基于这样的理解,上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,其特征在于,包括:
基于S-S型无线供电***的工作频率和原边线圈自感计算获取原边谐振补偿电容,基于所述S-S型无线供电***的工作频率和副边线圈自感获取副边谐振补偿电容;
测量获取线圈间同侧交叉互感的互感数值,基于基尔霍夫电路定律以及等效阻抗角变换计算出原边等效补偿电容和副边等效补偿电容;
将等效补偿电容和谐振补偿电容进行串联等效,分别获得***的原边补偿电容和副边补偿电容;
所述计算原边等效补偿电容和副边等效补偿电容之前,包括:
以所述S-S型无线供电***的电压相位为参考相位,获得各通道等效解耦电路的电压电流相量表达式:
;
基于等效阻抗角变换,重构各通道电压电流表达式:
;
将相量相位参考点由输入电压统一为输入电流,使得各通道逆变器输入电流有效值以及向量均相等;
其中,为原边输入电压,/>为通道i逆变器的输入阻抗;
所述计算原边等效补偿电容和副边等效补偿电容之前,获取消除同侧交互互感的条件,包括:
基于基尔霍夫定律得到内侧通道的环路电流方程:
;
;
对于原边线圈,为了消除同侧交互互感的影响,令原边补偿电容满足:
;
对于副边线圈,为了消除同侧交互互感的影响,令副边补偿电容满足:
;
其中,为原边线圈电流,/>为副边输出电压,/>为副边线圈电流;
同侧交叉互感被消除后,,依据所述环路电流方程获得同侧交叉互感满足后,***的输入阻抗表达式为:
;
原副边电流关系为:
;
获得副边等效补偿阻抗为:
;
其中,为同侧交叉互感,/>为异侧交叉互感;
其中,内侧通道的原边等效补偿电容和副边等效补偿电容为:
;
其中,为内侧通道的原边等效补偿电容,/>为内侧通道的副边等效补偿电容;
进一步,获取外侧通道的原边等效补偿电容以及外侧通道的副边等效补偿电容:
。
2.根据权利要求1所述的一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,其特征在于,基于所述S-S型无线供电***的工作频率和原边线圈自感计算获取原边谐振补偿电容,基于所述S-S型无线供电***的工作频率和副边线圈自感获取副边谐振补偿电容,包括:
基于谐振关系式:
;
得原边谐振补偿电容为:
;
得副边谐振补偿电容为:
;
其中,为所述S-S型无线供电***的工作角频率,/>为所述S-S型无线供电***的工作频率,/>为原边串联电容,/>为副边串联电容。
3.根据权利要求1所述的一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,其特征在于,将等效补偿电容和谐振补偿电容进行串联等效,获得内侧通道的原边补偿电容为:
;
获得内侧通道的副边补偿电容为:
。
4.根据权利要求1所述的一种用于变耦合工况的IPT***的参数补偿方法,其特征在于,包括:
将等效补偿电容和谐振补偿电容进行串联等效,获取外侧通道的原边补偿电容以及外侧通道的副边补偿电容:
;
。
5.一种无线供电***,其特征在于,基于权利要求1-4任一项所述参数补偿方法获取所述***的原边补偿电容和副边补偿电容。
6.一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述无线供电***的电容参数补偿方法的步骤。
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- 2023-05-26 CN CN202310605831.0A patent/CN116345650B/zh active Active
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磁耦合谐振无线电能传输技术的无人机无线充电方案;徐铭乾;电子技术与软件工程;全文 * |
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