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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein muskelbetriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nachrüstung einer Erfassungseinrichtung in dem Antriebsystem.
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Es sind elektrische Fahrräder bekannt, welche ohne eine physikalische Antriebsverbindung zwischen Tretkurbel und Hinterrad angetrieben werden können. Der Fahrer treibt dabei mit den Tretkurbeln einen Generator zur Stromerzeugung an, um einen mit dem Hinterrad verbundenen Antriebsmotor mit Strom zu versorgen. Bei einem derartigen Antriebssystem kann somit die physikalische Antriebsverbindung, wie z.B. Kette, Zahnriemen, Kardanwelle etc. entfallen. Eine im Betrieb entstehende Wärme wird dabei in der Regel über das Gehäuse des Generators an die Umgebung abgegeben.
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Die Druckschrift
DE 196 00 698 A1 offenbart ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug, insbesondere Fahrrad. Das Fahrrad weist einen Generator, der zur Stromerzeugung durch einen Fahrzeugbenutzer antreibbar ist, und mindestens einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs, der mit dem Generator zur Übertragung elektrischer Leistung verbunden ist, auf. Insbesondere ist zwischen einer Tretkurbel für das Antreiben des Generators und dem Generator ein Übersetzungsgetriebe in größere Drehzahl vorgesehen ist, wobei das Getriebe ein Planetengetriebe ist, das vorzugsweise mindestens zum Teil im Inneren des Generators untergebracht ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches sich durch eine einfache Nachrüstmöglichkeit für eine optionale Erfassungseinrichtung auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und/oder den beigefügten Figuren.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Antriebssystem, welches für ein muskelbetriebenes, insbesondere motorunterstütztes Fahrzeug ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere ist das Fahrzeug als ein elektrisches Fahrrad, auch als Pedelec bekannt, ausgebildet. Grundsätzlich kann das Fahrrad genau zwei Räder aufweisen. Alternativ kann das Fahrzeug jedoch auch mehr als zwei, insbesondere genau drei oder vier Räder aufweisen.
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Das Antriebssystem weist ein Generatormodul auf, welches zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Antriebsmodul ausgebildet und/oder geeignet ist. Das Generatormodul ist insbesondere separat zu dem Antriebsmodul ausgebildet. Das Generatormodul weist hierzu einen Generator auf, der durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft antreibbar ist. Insbesondere erzeugt der Generator eine elektrische Leistung, welche aus der am Generator aufgebrachten Drehmomente und Drehzahlen resultiert. Vorzugsweise kann der Fahrzeugbenutzer die Größe der elektrischen Leistung in Abhängigkeit der Tretkraft bzw. Trittfrequenz variieren. Besonders bevorzugt ist der Generator nicht zur Umsetzung eines Betriebs als Antriebsmotor ausgebildet und/oder kann ausschließlich in einem Generatorbetrieb laufen. Alternativ kann der Generator elektromotorisch betrieben werden, um z.B. die Kurbeln in eine bestimmte Position zu bringen. Das Generatormodul weist bevorzugt einen Stator und einen Rotor auf.
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Das Generatormodul weist eine Tretkurbelwelle auf, welche zur Übertragung der Tretkraft auf den Generator ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere sind an der Tretkurbelwelle endseitig jeweils eine Tretkurbel angeordnet, über welche die Tretkraft in die Tretkurbelwelle eingeleitet wird. Vorzugsweise ist die Tretkurbelwelle mit dem Generator getrieblich verbunden, sodass das Antriebsmoment auf den Generator übertragen werden kann, um die elektrische Energie und/oder elektrische Leistung zu erzeugen. Insbesondere ist die Tretkurbelwelle drehbar in dem Generatormodul gelagert. Bevorzugt definiert die Tretkurbelwelle mit ihrer Rotationsachse eine Drehachse des Generatormoduls. Die Tretkurbelwelle verläuft durchgängig von einer Tretkurbel zu der anderen Tretkurbel.
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Optional weist das Antriebssystem das Antriebsmodul zur Erzeugung eines elektrischen Antriebsmoments auf. Das Antriebsmodul umfasst vorzugsweise mindestens einen Elektromotor, welcher elektrische Energie in ein elektrisches Antriebsmoment wandelt. Dabei ist das Antriebsmodul, insbesondere der Elektromotor, mit mindestens oder genau einem Antriebsrad des Fahrzeugs antriebstechnisch verbindbar und/oder verbunden. Prinzipiell ist das Antriebsmodul als ein Radnabenantrieb ausgebildet, welcher in das Antriebsrad des Fahrzeugs integriert ist. Alternativ kann das Antriebsmodul jedoch auch außerhalb des Antriebsrades angeordnet und/oder als zentraler Antriebsmotor für ein oder mehrere Antriebsräder dienen. Grundsätzlich ist das Antriebsrad als ein Hinterrad des Fahrzeugs ausgebildet. Alternativ kann das Antriebsrad jedoch auch als ein Vorderrad des Fahrzeugs ausgebildet sein.
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Das Antriebssystem weist eine Elektronikeinheit auf, welche zur Umformung und/oder Verteilung der elektrischen Energie zwischen dem Generatormodul und dem Antriebsmodul und/oder einem Energiespeichermodul ausgebildet und/oder geeignet ist. Beispielsweise kann die Elektronikeinheit hierzu als eine Leistungselektronik ausgebildet sein oder diese umfassen. Optional hat die Elektronikeinheit die Funktion, das Antriebsmoment und/oder eine Antriebsdrehzahl des Antriebsmoduls in Abhängigkeit der Tretkraft und/oder der Trittfrequenz an der Tretkurbelwelle zu steuern und/oder zu regeln.
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Das Antriebssystem weist eine Kontrolleinheit auf, welche zur Kontrolle, insbesondere zur Steuerung und/oder Regelung, des Generatormoduls, insbesondere des Generators, ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere kontrolliert die Kontrolleinheit ein Gegenmoment und/oder eine Gegenkraft zu dem Antriebsmoment bzw. der Tretkraft, damit ein Fahrzeugbenutzer ein der Situation entsprechendes Fahrgefühl bereitgestellt bekommt. Die Kontrolleinheit ist beispielsweise als eine digitale Datenverarbeitungsvorrichtung, wie zum Beispiel ein Mikrocontroller ausgebildet. So ist es beispielsweise möglich, dass über die Kontrolleinheit unterschiedliche virtuelle Gänge realisiert werden können, wobei bei einem kleinen Gang das Gegenmoment und/oder die Gegenkraft kleiner gewählt ist und bei einem größeren Gang das Gegenmoment und/oder die Gegenkraft größer gewählt ist. Die Gänge können gestuft oder stufenlos, wie zum Beispiel in einem virtuellen Automatikgetriebe, gewählt werden. Optional kann das Generatormodul, insbesondere die Kontrolleinheit, eine Mensch-Maschine-Schnittstelle aufweisen, sodass von dem Fahrzeugbenutzer entsprechende Kontrollinstruktionen zur Gangwahl eingeleitet werden können. Ferner ist es möglich das die Gegenkraft und/oder das Gegenmoment von der Kontrolleinheit nach anderen Kriterien eingestellt wird.
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Das Antriebssystem weist mindestens oder genau ein Anschlusskabel auf, welches zum Anschluss der Elektronikeinheit an die Kontrolleinheit des Generatormoduls ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere dient das Anschlusskabel zur Übertragung der elektrischen Energie und/oder zur Übertragung von Daten und/oder Signalen. Besonders bevorzugt wird durch das Anschlusskabel ein bidirektionaler Übertragungsweg, also von der Elektronikeinheit zur Kontrolleinheit und von der Kontrolleinheit zur Elektronikeinheit, umgesetzt. Anders formuliert sind die Elektronikeinheit und die Kontrolleinheit über das Anschlusskabel elektrisch und/oder datentechnisch miteinander verbunden.
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Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anschlusskabel zum Anschluss einer Erfassungseinrichtung ausgebildet und/oder geeignet ist. Die Erfassungseinrichtung dient zur Erfassung einer Bewegung und/oder Lage mindestens oder genau einer der Tretkurbeln. Insbesondere ist die Erfassungseinrichtung zur Winkelmessung und/oder Kurbelpositionsmessung und/oder Drehfrequenzmessung und/oder zur Drehmomentmessung der Kurbel ausgebildet. Das Anschlusskabel ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Erfassungseinrichtung über das Anschlusskabel außerhalb des Generatormoduls an die Kontrolleinheit und/oder die Elektronikeinheit angeschlossen werden kann und/oder angeschlossen ist. Vorzugweise werden die durch die Erfassungseinrichtung erfassten Messgrößen als Sensordaten über das Anschlusskabel und damit kabelgebunden an die Kontrolleinheit zur weiteren, datentechnischen Verarbeitung weitergeleitet. Hierzu weist das Anschlusskabel mindestens einen Signal- bzw. Datenleiter zur signal- bzw. datentechnischen Übertragung der Sensordaten auf. Optional kann das Anschlusskabel mindestens einen Versorgungsleiter zur Versorgung der Erfassungseinrichtung mit elektrischer Energie aufweisen.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, basierend auf den Sensordaten der Erfassungseinrichtung weitere Funktionalitäten umzusetzen und/oder die Sensordaten datentechnisch weiterzuverarbeiten. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Sensordaten bei der Kontrolle des Generatormoduls berücksichtigt werden. Insbesondere weist die Kontrolleinheit ein Auswertemodul auf, welches zur Auswertung der Sensordaten ausgebildet und/oder geeignet ist. Das Auswertemodul kann prinzipiell als ein Hardwaremodul ausgebildet sein. Bevorzugt jedoch ist das Auswertemodul als ein Softwaremodul, insbesondere ein Softwareprogramm, ausgebildet. Beispielsweise ist das Softwaremodul auf einer Recheneinheit, einem Prozessor oder einem Mikrochip installiert oder kann bei einem Anschluss der Erfassungseinrichtung im Rahmen eines Updates aufgespielt werden. Beispielsweise ist das Auswertemodul ausgebildet, auf Basis der Sensordaten einen aktuellen Drehwinkel und/oder Position und/oder Drehfrequenz und/oder Drehmoment der Kurbel bzw. der Tretkurbelwelle zu ermitteln. Alternativ oder optional ergänzend ist das Auswertemodul ausgebildet ist, auf Basis der Sensordaten eine Information über eine aktuelle Tretkraft, Trittfrequenz, Leistungsdaten, Zustandsdaten etc. abzuleiten. Optional weist die Kontrolleinheit ein Kontrollmodul auf, wobei das Kontrollmodul ausgebildet ist, auf Basis der Sensordaten bzw. auf Basis der durch das Auswertemodul ausgewerteten Sensordaten ein Kontrollsignal zu generieren, wobei der Generator auf Basis des Kontrollsignals beispielsweise das Gegenmoment und/oder die Gegenkraft erzeugt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aus Kostengründen bislang auf eine sparte Sensorik (Erfassungseinrichtung) zur Erfassung der Bewegung und/oder Lage der Tretkurbel, insbesondere eines Kurbelwinkels, verzichtet wurde. Für die grundsätzliche Betriebssoftware ist die Erfassung des (internen) Rotorwinkels des Generators, z.B. zur Kommutierung, ausreichend. Sollen weitere Komfortfunktionen zur Verfügung gestellt werden, so ist eine entsprechende separate Sensorik erforderlich. Üblicherweise kann die Sensorik für alle Bauvarianten - unabhängig davon ob die Komfortfunktionen tatsächlich geordert werden - intern, also innerhalb des Generatormoduls vorgesehen werden, dies hat zur Folge, dass alle Varianten entsprechenden teurer werden.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit gefunden wurde, das Antriebssystem in einer Basisausstattung ohne Erfassungseinrichtung anzubieten, jedoch durch den Anschluss über das Anschlusskabel eine Option bzw. eine Nachrüstung einer Erfassungseinrichtung ermöglicht wird. Durch den Anschluss über das Anschlusskabel kann die Erfassungseinrichtung zudem außerhalb des Generatormoduls einfach und unkompliziert angeschlossen werden, ohne das Generatormodul öffnen zu müssen. Auf diese Weise können zudem auch Erweiterungen und/oder Verbesserungen der Erfassungseinrichtung leicht umgesetzt werden ohne das Generatormodul dafür verändern zu müssen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass über das Anschlusskabel ein besonders einfacher Austausch bzw. eine besonders einfache Integration der Erfassungseinrichtung in ein bestehendes Antriebssystem realisiert werden kann.
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In einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung mindestens oder genau einen gegenüberliegend der Kurbelwelle angeordneten und/oder anordbaren Sensor aufweist. Insbesondere ist der Sensor zur berührungslosen Erfassung der Bewegung und/oder Lage der Tretkurbel ausgebildet und/oder geeignet. Der Sensor kann als ein Absolutwertgeber oder als ein Inkrementalgeber ausgebildet sein. Bevorzugt ist der Sensor als ein Drehgeber ausgebildet. Insbesondere ist der Sensor stationär an dem Generatormodul und/oder einem Rahmen des Fahrzeugs angeordnet. Genauer gesagt, verbleibt der Sensor bei einer Verdrehung der Kurbel um die Drehachse der Tretkurbelwelle stationär.
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Gemäß dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung ein Sensorkabel aufweist, wobei der mindestens eine Sensor über das Sensorkabel mit dem Anschlusskabel verbindbar und/oder verbunden ist. Insbesondere ist der Sensor über das Sensorkabel mit dem Anschlusskabel datentechnisch und/oder versorgungstechnisch verbunden. Beispielsweise kann das Sensorkabel über eine Anschlussschnittstelle der Elektronikeinheit oder der Kontrolleinheit, zum Beispiel eine Busschnittstelle, im Speziellen eine Can-Bus-Schnittstelle, angeschlossen werden. Durch den Anschluss des Sensors über das Sensorkabel kann eine sichere Datenübertragung sichergestellt werden, wobei zugleich der Sensor flexibel an dem Fahrzeug anordbar ist.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung mindestens oder genau ein durch den Sensor erfassbares Targetelement aufweist, welches zur Anordnung an der Tretkurbel ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere ist das Targetelement um die Drehachse rotierbar an der Kurbel angeordnet. Beispielsweise kann das Targetelement formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig an der Kurbel befestigt sein. Vorzugsweise ist das Targetelement aus einem elektrisch-leitfähigen und/oder magnetischen und/oder magnetisierbaren Werkstoff gebildet. Bevorzugt ist der Sensor ausgebildet die Bewegung und/oder die Position des Targetelements induktiv oder magnetisch oder optisch oder akustisch zu erfassen. Durch das Targetelement kann somit eine besonders sichere Erfassung der der Tretkurbel bzw. deren Bewegung und/oder Lage realisiert werden.
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In einer weiteren konkreten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Anschlusskabel über eine Steckerverbindung mit der Elektronikeinheit und der Kontrolleinheit verbunden ist. Die Steckerverbindung ist aus einem elektronikseitigen Kontaktelement und aus einem zu dem elektronikseitigen Kontaktelement komplementär ausgebildeten modulseitigen Kontaktelement gebildet. Anders formuliert, ist das eine Kontaktelement als ein männliches Einsteckteil und das andere Kontaktelement als ein weibliches Aufnahmeteil ausgebildet. Elektronikseitig bedeutet dabei, dass das elektronikseitige Kontaktelement der Elektronikeinheit zugeordnet ist. Modulseitig bedeutet dabei, dass das modulseitige Kontaktelement dem Generatormodul zugeordnet ist. Prinzipiell kann wahlweise das elektronikseitige Kontaktelement oder das modulseitige Kontaktelement zum festen Einbau in ein Gehäuse als eine Buchse ausgebildet sein. Bevorzugt jedoch sind die beiden Kontaktelemente jeweils an einem Kabelende angeordnet. Vorzugsweise ist das Anschlusskabel über die Steckerverbindung in zwei Kabelhälften unterteilt, wobei die eine Kabelhälfte als ein Elektronikkabel an die Elektronikeinheit angeschlossen ist und die andere Kabelhälfte als ein Modulkabel an das Generatormodul, insbesondere die Kontrolleinheit, angeschlossen ist.
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Gemäß dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steckerverbindung zum Anschluss der Erfassungseinrichtung, insbesondere des Sensorkabels, ausgebildet und/oder geeignet. Prinzipiell kann die Steckerverbindung einen zusätzlichen Steckplatz für das Sensorkabel aufweisen. Bevorzugt jedoch wird das Sensorkabel durch auftrennen der Steckerverbindung zwischengeschlossen werden. Die Steckerverbindung weist eine entsprechende Pinbelegung auf, welche zum Anschluss von ein oder mehreren Sensoren bzw. Sensorkabel dienen. Entsprechend sind die entsprechenden Leiter (Versorgungsspannung, CAN-Signale) in das Anschlusskabel der Elektronikeinheit und/oder des Generatormoduls eingeschleift. Die Steckerverbindung ist besonders bevorzugt außerhalb des Generatormoduls, und/oder von außen zugänglich angeordnet. Es wird somit eine Möglichkeit der Nachrüstbarkeit geschaffen, wobei zugleich eine besonders einfache nachträgliche Montage der Erfassungseinrichtung ermöglicht wird. Durch den Anschluss über die Steckerverbindung können somit der Hardwareaufwand und die Kosten deutlich reduziert werden.
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In einer konkreten Umsetzung ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung einen Sensoradapter aufweist. Insbesondere ist der Sensoradapter endseitig an dem Sensorkabel angeordnet. Der Sensoradapter weist ein zu dem elektronikseitigen Kontaktelement komplementäres erstes Kontaktelement sowie ein zu dem modulseitigen Kontaktelement komplementäres zweites Kontaktelement auf, sodass der Sensoradapter zur Bildung der Steckerverbindung mit den beiden Kontaktelementen verbindbar und/oder verbunden ist. Insbesondere wird der Sensoradapter durch Auftrennen der Steckerverbindung mit den beiden Kontaktelementen verbunden. Prinzipiell kann der Sensoradapter fest mit dem Sensorkabel verbunden sein. Alternativ kann der Sensoradapter als ein separates Bauteil ausgebildet sein, wobei das Sensorkabel mit dem Sensoradapter über eine weitere Steckerverbindung verbindbar und/oder verbunden ist. Es wird somit ein Antriebssystem vorgeschlagen, welches sich durch eine besonders einfache Integration bzw. einen besonders einfachen Anschluss der Erfassungseinrichtung über die Steckerverbindung auszeichnet.
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In einer ersten möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Sensoradapter ein Adapterkabel aufweist, wobei das erste und das zweite Kontaktelement über das Adapterkabel miteinander verbunden sind. Insbesondere sind die beiden Kontaktelemente des Sensoradapters als an den Kabelenden angeordneter Stecker und Kupplung ausgebildet. Das Adapterkabel weist vorzugsweise alle Leiter des Anschlusskabels auf, wobei zusätzlich die Leiter für das mindestens eine Sensorkabel eingeschleift sind. Insbesondere sind das Adapterkabel und das Sensorkabel über das erste oder das zweite Kontaktelement mit dem Anschlusskabel verbunden. Anders formuliert, trennt sich das Anschlusskabel bzw. dessen Leiter an dem ersten oder zweiten Kontaktelement in das Anschlusskabel und das Sensorkabel auf. Durch das Adapterkabel wird eine besonders flexible und kostengünstige Ausgestaltung des Sensoradapters vorgeschlagen.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Sensoradapter als ein das erste und das zweite Kontaktelement umfassender Zwischenstecker ausgebildet ist. Der Zwischenstecker weist vorzugsweise die gleiche Pinbelegung wie die beiden Kontaktelemente auf. Insbesondere ist der Zwischenstecker zwischen den beiden Kontaktelementen einsteckbar, wobei das Sensorkabel über den Zwischenstecker angeschlossen und/oder anschließbar ist. Vorzugsweise ist der Zwischenstecker endseitig an dem Sensorkabel fest montiert. Es wird somit eine besonders kompakte Anbindung der Erfassungseinrichtung vorgeschlagen.
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In einer weiteren Realisierung ist vorgesehen, dass das Antriebssystem einen Nachrüstsatz aufweist, wobei der Nachrüstsatz die Erfassungseinrichtung, insbesondere den Sensor, das Sensorkabel und optional das Targetelement, aufweist, welche in einem Montagezustand über das Anschlusskabel mit der Elektronikeinheit und/oder der Kontrolleinheit verbunden sind. Insbesondere ist die Erfassungseinrichtung in dem Montagezustand zumindest signaltechnisch über das Anschlusskabel mit der Kontrolleinheit, insbesondere dem Auswertemodul verbunden. Optional ist die Erfassungseinrichtung, insbesondere der Sensor über das Sensorkabel und das Anschlusskabel versorgungstechnisch, insbesondere elektrisch mit der Elektronikeinheit und/oder der Kontrolleinheit verbunden. Optional ergänzend kann die Erfassungseinrichtung des Nachrüstsatzes mindestens oder genau einen weiteren Sensor aufweisen, wobei der mindestens eine weitere Sensor über das Sensorkabel oder ein weiteres Sensorkabel mit dem Anschlusskabel, insbesondere über die Steckerverbindung, verbunden und/oder verbindbar ist.
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In einer weiteren konkreten Realisierung ist vorgesehen, dass das Generatormodul ein Gehäuse aufweist, welches zur Aufnahme des Generators ausgebildet und/oder geeignet ist. Vorzugsweise weist das Gehäuse einen zylinderförmigen Bauraum zur Aufnahme des Generators auf. Besonders bevorzugt sind der Generator und die Tretkurbelwelle und optional ergänzend eine Getriebeeinrichtung koaxial in dem Gehäuse, insbesondere dem Aufnahmeraum angeordnet. Im Speziellen ist das Gehäuse zylinderförmig bzw. als ein Zylindergehäuse ausgebildet. Die Kontrolleinheit ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und über eine an dem Gehäuse angeordnete Anschlussschnittstelle mit dem Anschlusskabel verbunden. Insbesondere ist die Kontrolleinheit auf einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Kontrollplatine (PCB) angeordnet. Beispielsweise kann die Kontrolleinheit auf der Kontrollplatine aufgelötet oder aufgesteckt sein. Optional kann die Anschlussschnittstelle auf der Platine angeordnet sein, wobei die Anschlussschnittstelle mit der Kontrolleinheit über mindestens eine auf der Kontrollplatine aufgedruckte Leiterbahn verbunden ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass sich die Kontrollplatine in einer Radialebene zu der Tretkurbelwelle bzw. der Drehachse erstreckt. Im Speziellen ist die Kontrollplatine und damit die Kontrolleinheit in einen Trockenraum, insbesondere getrennt von einem Generator und/oder Getrieberaum angeordnet. Prinzipiell kann die Anschlussschnittstelle durch das modulseitige Kontaktelement gebildet sein, sodass die Steckerverbindung unmittelbar am Gehäuses des Generatormoduls gebildet ist. Bevorzugt ist die Anschlussschnittstelle jedoch über ein separates, insbesondere modulseitiges Anschlusskabel mit dem modulseitigen Kontaktelement verbunden. Es wird somit ein Generatormodul vorgeschlagen, welches sich durch einen einfachen Anschluss sowie einen besonders kompakten Aufbau auszeichnet.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachrüstung der Erfassungseinrichtung in dem Antriebssystem, wie diese bereits zuvor beschrieben wurden, bei dem:
- - die Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Bewegung und/oder Lage einer der Tretkurbeln montiert wird;
- - die Erfassungseinrichtung über das Anschlusskabel zumindest übertragungstechnisch, vorzugsweise datentechnisch, mit einer Kontrolleinheit verbunden wird, um die erfasste Bewegung und/oder Lage der Tretkurbel der Kontrolleinheit als Sensordaten bereitzustellen;
- - die Kontrolleinheit basierend auf den Sensordaten der Erfassungseinrichtung weitere Funktionalitäten umsetzt und/oder die Sensordaten datentechnisch weiterverarbeitet.
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Insbesondere wird der Sensor gegenüberliegend zu einer der Tretkurbeln fest, insbesondere an dem Gehäuse des Generatormoduls oder dem Rahmen des Fahrzeugs, montiert. Optional kann an der Tretkurbel, insbesondere gegenüberliegend zu dem Sensor, das Targetelement montiert werden. Das Sensorkabel wird über die Steckerverbindung angeschlossen. Hierzu wird der Sensoradapter, insbesondere das Adapterkabel oder der Zwischenstecker, durch Auftrennen der Steckerverbindung zwischengeschlossen. Dabei werden die beiden Kontaktelemente des Sensoradapters mit dem jeweils zugehörigen Kontaktelement verbunden, insbesondere ineinandergesteckt. In einem möglichen Zwischenschritt kann das als Softwaremodul ausgebildete Auswertemodul installiert bzw. nach-geflasht werden. Im einem Fahrzeugbetrieb wird eine Bewegung und/oder Lage der Tretkurbel durch den Sensor erfasst und als Sensordaten an die Kontrolleinheit, insbesondere das Auswertemodul, übermittelt. Das Auswertemodul kann basierend auf den Sensordaten beispielsweise einen Drehwinkel, eine (Winkel-)Position, eine Drehfrequenz oder dergleichen der Kurbel ermitteln, welche wiederum zur weiteren Verarbeitung durch die Kontrolleinheit, insbesondere einem Kontrollmodul, und/oder zur Umsetzung weiterer Funktionalitäten bereitgestellt werden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Antriebssystem;
- 2 eine schematische Blockdarstellung des Antriebssystems;
- 3 eine schematische Darstellung des Antriebssystems mit einer Basisausstattung;
- 4 in gleicher Darstellung wie 3 das Antriebssystem mit einer nachgerüsteten Sensorik;
- 5 in gleicher Darstellung wie 4 das Antriebssystem mit der nachgerüsteten Sensorik in einer alternativen Ausführung;
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1 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung ein muskelkraftbetriebenes Fahrzeug 1. Das Fahrzeug 1 ist als ein Fahrrad, insbesondere ein Pedelec, ausgebildet, welches im Wesentlichen aus einem Rahmen 2 sowie einem Vorderrad 3 und einem Hinterrad 4 gebildet ist.
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Das Fahrzeug 1 weist ein Antriebssystem 5 auf, wobei das Antriebssystem 5 zum Antrieb des Hinterrads 4 ausgebildet und/oder geeignet ist. Das Hinterrad 4 bildet somit ein Antriebsrad des Fahrzeugs 1, wobei das Vorderrad 3 antriebslos bleibt. Optional kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Vorderrad 3 angetrieben wird.
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Das Antriebssystem umfasst ein Generatormodul 6, ein Antriebsmodul 7 und ein Energiespeichermodul 8. Das Generatormodul 6 ist im Bereich des Tretlagers angeordnet und kann durch einen Fahrzeugbenutzer per Tretkraft angetrieben werden, um elektrische Energie für das Antriebsmodul 7 zu erzeugen. Das Generatormodul 6 weist hierzu zwei diametral zueinander angeordnete Tretkurbeln 9 auf, welche per Tretkraft in Rotation versetzt werden, um elektrische Leistung in dem Generatormodul 6 zu erzeugen.
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Das Antriebssystem 5 weist weiterhin eine Elektronikeinheit 10 auf, über welche das Generatormodul 6, das Antriebsmodul 7, der Energiespeicher 8 sowie optional ein Verbraucher 11 über ein oder mehrere Anschlusskabel 12 elektrisch miteinander verbunden sind. Das Fahrzeug 1 weist dabei keine mechanische Antriebsverbindung zwischen den Tretkurbeln 9 und dem Antriebsrad 4 auf. Das Generatormodul 6 ist lediglich über das Anschlusskabel 12 bzw. die Elektronikeinheit 10 mit dem Antriebsmodul 7 und/oder dem Energiespeichermodul 8 und/oder dem Verbraucher 11 elektrisch verbunden, um die für das Antriebsmodul 7 nötige elektrische Energie bereitzustellen. Das Antriebsmodul 7 kann beispielsweise als ein in das Hinterrad 4 integrierter Radnabenmotor ausgebildet sein, welcher ein elektrisches Antriebsmoment auf das Hinterrad 4 überträgt. Das Antriebsmodul 7 kann dabei direkt durch die von dem Generatormodul 6 erzeugte elektrische Energie oder mittelbar durch die in dem Energiespeichermodul 8 gespeicherte elektrische Energie versorgt werden. Das Energiespeichermodul 8 kann während der Fahrt vom Generatormodul 6 gespeist werden und darüber hinaus von einer externen Stromquelle geladen werden. Optional kann die vom Generatormodul 6 bereitgestellte elektrische Energie dem Verbraucher 11, zum Beispiel ein Licht, zur Verfügung gestellt werden.
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Die 2 zeigt das Antriebssystem 5 in einer stark schematisierten Blockdarstellung. Die Elektronikeinheit 10 ist beispielsweise als eine Leistungselektronik ausgebildet, welche im Wesentlichen zur Verteilung und Umformung der elektrischen Energie zwischen dem Generatormodul 6, dem Antriebsmodul 7 und dem Energiespeichermodul 8 dient.
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Das Generatormodul 6 weist eine Tretkurbelwelle 13 auf, welche mit ihrer Rotationsachse eine Drehachse 100 definiert. In einer Einbausituation sind an der Tretkurbelwelle 13 endseitig die Tretkurbeln 9 montiert. Das Generatormodul 6 weist zudem einen Generator 14 sowie eine Kontrolleinheit 15 auf, welche gemeinsam in einem Gehäuse 16 aufgenommen sind. Optional kann das Generatormodul 6 eine Getriebeeinrichtung, nicht dargestellt, umfassen, welche dazu dient, ein in die Tretkurbelwelle 13 eingeleitetes Tretmoment auf den Generator 14 zu übersetzen. Beispielsweise ist die Getriebeeinrichtung als ein Exzentergetriebe ausgebildet, welches in Bezug auf die Drehachse 100 koaxial zu dem Generator 14 und der Tretkurbelwelle 13 angeordnet ist.
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Die Tretkurbelwelle 13 ist koaxial zur Drehachse 100 durch das Gehäuse 16 geführt und kann beispielsweise über eine oder mehrere Lagereinrichtungen, nicht dargestellt, relativ zu dem Gehäuse 16 drehbar gelagert sein.
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Die Kontrolleinheit 15 ist ebenfalls koaxial zur Drehachse 100 angeordnet und kann beispielsweise auf einer kreisrunden bzw. kreisringförmigen Kontrollplatine (PCB), nicht dargestellt, angeordnet sein. Beispielsweise kann die Kontrolleinheit 15 eine Vielzahl von elektrischen Komponenten zum Beispiel zur Umsetzung einer weiteren Leistungselektronik umfassen.
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Das Antriebssystem 5 weist weiterhin eine Erfassungseinrichtung 17 auf, welche zur Erfassung einer Bewegung und/oder Lage einer der Tretkurbeln 9 dient und als Sensordaten bereitstellt. Die Erfassungseinrichtung 17 umfasst im Wesentlichen einen Sensor 18, welcher über ein Sensorkabel 19 an das Anschlusskabel 12 angebunden ist, wobei das Anschlusskabel 12 wiederum die Elektronikeinheit 10 und die Kontrolleinheit 15 zumindest elektrisch miteinander verbindet. Das Anschlusskabel 12 umfasst hierzu ein oder mehrere Versorgungsleiter zum elektrischen Anschluss des Generatormodul 6 an die Elektronikeinheit 10. Weiterhin kann das Anschlusskabel 12 mindestens einen weiteren Versorgungsleiter zum elektrischen Anschluss des Sensors 18 an die Elektronikeinheit 10 aufweisen. Zudem weist das Anschlusskabel 12 mindestens einen Signalleiter zum signal- bzw. datentechnischen Anschluss des Sensors 18 an die Kontrolleinheit 15 auf.
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Der Sensor 18 hat die Funktion, einen Drehwinkel und/oder eine Winkelposition der Kurbel 9 zu erfassen. Alternativ oder optional ergänzend kann der Sensor 18 auch das eingeleitete Antriebsmoment als Messgröße erfassen. Der Sensor 18 ist über das Sensorkabel 19 signal- bzw. datentechnischen mit der Kontrolleinheit 15 verbunden, sodass die Messgrößen als Sensordaten kabelgebunden an die Kontrolleinheit 15 übermittelt werden können.
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Die Kontrolleinheit 15 weist ein Auswertemodul 20 auf, welches zur Auswertung der Sensordaten, insbesondere der erfassten Bewegung und/oder Lage der Tretkurbel 9, ausgebildet und/oder geeignet ist. Das Auswertemodul 20 ist beispielsweise als ein auf einem Mikrochip oder Prozessor installiertes Softwaremodul ausgebildet. Beispielsweise kann das Auswertemodul 20 auf Basis der Sensordaten eine Drehzahl, eine Trittfrequenz, eine Kurbelposition etc. der Kurbel 9 bzw. der Tretkurbelwelle 13 ermitteln und als Kurbeldaten zur weiteren, datentechnischen Verarbeitung bereitstellen.
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Die Kontrolleinheit 15 weist ein Kontrollmodul 21 auf, welches ausgebildet ist, den Generator 14 auf Basis der Kurbeldaten zu steuern und/oder zu regeln. Beispielsweise ist das Kontrollmodul 21 ausgebildet, auf Basis der Kurbeldaten oder einer Auswahl der Kurbeldaten eine Kontrollstrategie für den Generator 14 abzuleiten und umzusetzen. Beispielsweise kann auf Basis der Kurbeldaten eine Gegenkraft und/oder ein Gegenmoment an dem Generator 14 angepasst werden.
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3 zeigt eine Basisausstattung des Antriebssystems 5 in einer schematischen Darstellung. Das Anschlusskabel 12 ist durch ein an die Elektronikeinheit 10 angeschlossenes Elektronikkabel 22 und ein an das Generatormodul 6 angeschlossenes Modulkabel 23 gebildet, welche über eine Steckerverbindung 24 elektrisch sowie signal- bzw. datentechnisch miteinander verbunden sind. Die Steckerverbindung 24 weist ein elektronikseitiges Kontaktelement 25 und ein modulseitiges Kontaktelement 26, wobei das eine Kontaktelement 25, 26 als ein männliches Einsteckteil und das andere Kontaktelement 25, 26 als ein weibliches Aufnahmeteil ausgebildet ist, welche zur Bildung der Steckerverbindung 24 durch Einstecken miteinander verbunden sind.
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Das Generatormodul 6 weist eine Anschlussschnittstelle 27 auf, welche zum Anschluss des Modulkabels 23 an das Generatormodul 6 dient. Die Anschlussschnittstelle 27 ist beispielsweise als eine an dem Gehäuse 16 fest verbaute Buchse gebildet, über welche das Modulkabel 23 mit einem endseitig angeordneten Stecker zur Bildung einer weiteren Steckerverbindung angeschlossen ist. Die Anschlussschnittstelle 27 ist wiederum mit der Kontrolleinheit 15 elektrisch und signal- bzw. datentechnisch verbunden.
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4 zeigt in gleicher Darstellung wie 3 ein mit der Erfassungseinrichtung 17 erweitertes Antriebsystem 5 als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei wird vorgeschlagen, den für Zusatzfunktionen notwendigen Sensor 18, z.B. ein Kurbelwinkelsensor bzw. ein Kurbelwinkelpositionssensor, außerhalb des Gehäuses 6 gegenüberliegend einer der Tretkurbeln 9 anzuordnen. Prinzipiell kann das mit Sensor 18 bezeichnete Element auch aus mehreren Einzelsensoren bestehen bzw. kann die Erfassungseinrichtung 17 mindestens einen weiteren Sensor, nicht dargestellt, aufweisen, welcher z.B. zur Erfassung der anderen Tretkurbel 9 dient. Der Sensor 18 ist dabei relativ zu der Tretkurbel 9 stationär an dem Gehäuse 16 oder dem Rahmen 2 des Fahrzeugs 1, wie in 1 beschrieben, befestigt. Der Sensor 18 ist dabei gegenüberliegend der Tretkurbel 9 angeordnet und verbleibt bei einer Drehung der Tretkurbel 9 stationär.
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Der Sensor 18 ist ausgebildet, eine Bewegung und/oder eine Lage der Kurbel berührungslos zu erfassen. Je nach Sensorprinzip kann die Erfassungseinrichtung 17 optional ein Targetelement 28 aufweisen, welches an der Tretkurbel 9 montiert und durch den Sensor 18 erfassbar ist. Je nachdem welches Sensorprinzip zum Einsatz kommt und wie genau die Bewegung und/oder Lage der Tretkurbel 9 für die angestrebten Funktionen erfasst bzw. aufgelöst werden soll, kann das Targetelement 28 als ein Magnet, eine Magnetscheibe, eine Gradscheibe o.ä. ausgebildet sein.
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Zum Anschluss des Sensorkabels 19 an das Anschlusskabel 12 weist die Erfassungseinrichtung 17 einen Sensoradapter 29 auf, welcher das Sensorkabel 19 über die Steckerverbindung 24 elektrisch und signal- bzw. datentechnisch an das Anschlusskabel 12 anbindet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Sensoradapter 29 ein Adapterkabel 30 mit einem endseitig angeordneten ersten und zweiten Kontaktelement 31, 32 auf. Das erste Kontaktelement 31 ist dabei komplementär zu dem elektronikseitigen Kontaktelement 25 ausgebildet und das zweite Kontaktelement 32 ist komplementär zu dem modulseitigen Kontaktelement 26 ausgebildet. Dabei ist das Sensorkabel 19 an das zweite Kontaktelement 32 angeschlossen, sodass die von dem Sensor 18 erfassten Sensordaten über das Sensorkabel 19 und das Modulkabel 23 kabelgebunden an die Kontrolleinheit 15 des Generatormoduls 6 übertragen werden. Hierzu weist die Steckerverbindung 29 bzw. die Kontaktelemente 25, 26 zusätzlich für die Sensorbelegung erforderliche Pins auf, welche in der Basisausstattung nicht belegt sind. Optional kann der Sensor 18 die für den Sensor 18 erforderliche Versorgungsspannung über das Adapterkabel 30 und das erste Kontaktelement 31 von der Elektronikeinheit 10 oder über das zweite Kontaktelement 31 von dem Generatormodul 6 abgegriffen werden.
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Bei einer Nachrüstung der Erfassungseinrichtung 17 kann die Steckerverbindung 24, wie in 3 gezeigt, außerhalb des Generatormoduls 6 getrennt werden und der Sensoradapter 29 zwischen den beiden Kontaktelementen 25, 26 angeschlossen werden. Es wird somit Möglichkeit vorgesehen, den Sensor 18 außerhalb des Generatormoduls 6 in das Anschlusskabel 12 einzuschleifen (Versorgungsspannung, CAN-Signale), wobei lediglich das Auswertemodul 20 als Software(-option) in allen Bauvarianten implementiert werden muss. Somit werden der Hardwareaufwand und die Kosten für die Nachrüstung minimiert. Zudem ist der Sensor 18 durch das dünne Sensorkabel 19 sehr flexibel an einer geeigneten Stelle positionierbar. Weiterhin ist eine Nachrüstbarkeit an „alte“ bzw. bestehende Generatormodule möglich, wobei das dafür erforderliche geänderte oder erweiterte Auswertemodul 15 im Zuge des Einbaus nach-geflasht werden kann, so dass das Generatormodul 6 dafür auch nicht geöffnet werden muss. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Erfassungseinrichtung 17, z.B. der Sensor 18, das Sensorkabel 19 und/oder der Sensoradapter 29, durch die Anbindung über die Steckerverbindung 24 bei einer Beschädigung leicht zu tauschen sind. Auf diese Weise können auch Erweiterungen und Verbesserungen des Sensoradapters 29 leicht umgesetzt werden, ohne das Generatormodul 6 dafür verändern zu müssen.
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5 zeigt in gleicher Darstellung wie 4 ein mit der Erfassungseinrichtung 17 erweitertes Antriebsystem 5 mit einer alternativen Ausgestaltung des Sensoradapters 29 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Sensoradapter 29 ist als ein das erste und das zweite Kontaktelement 31, 32 umfassender Zwischenstecker 33 ausgebildet, welcher endseitig an dem Sensorkabel 19 angeordnet ist. Der Zwischenstecker 33 wird, wie bereits zuvor beschrieben, durch Auftrennen der Steckerverbindung 29 zwischen den beiden Kontaktelementen 25, 26 angeschlossen bzw. zwischengesteckt. Es wird somit ein Sensoradapter 29 vorgeschlagen, welcher sich durch einen deutlich kompakteren Aufbau auszeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Rahmen
- 3
- Vorderrad
- 4
- Hinterrad
- 5
- Antriebssystem
- 6
- Generatormodul
- 7
- Antriebsmodul
- 8
- Energiespeicher
- 9
- Tretkurbel
- 10
- Elektronikeinheit
- 11
- Verbraucher
- 12
- Anschlusskable
- 13
- Tretkurbelwelle
- 14
- Generator
- 15
- Kontrolleinheit
- 16
- Gehäuse
- 17
- Erfassungseinrichtung
- 18
- Sensor
- 19
- Sensorkabel
- 20
- Auswertemodul
- 21
- Kontrollmodul
- 22
- Elektronikkabel
- 23
- Modulkabel
- 24
- Steckerverbindung
- 25
- Kontaktelement
- 26
- Kontaktelement
- 27
- Anschlussschnittstelle
- 28
- Targetelement
- 29
- Sensoradapter
- 30
- Adapterkabel
- 31
- erstes Kontaktelement
- 32
- zweites Kontaktelement
- 33
- Zwischenstecker
- 100
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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