BR112014013920B1 - dispositivo de balanceamento de bateria, sistema de veículo que compreende o dispositivo de balanceamento de bateria, e método para processamento de balanceamento de estados de carga de uma pluralidade de baterias - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO DE BALANCEAMENTO DE SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA. A presente invenção se refere a um dispositivo de balanceamento (de equilíbrio) (16) de sistema de armazenamento de energia (10) disposto para desempenhar um processo de balanceamento de estados de carga de uma pluralidade de sistemas de armazenamento de energia (10) sendo desconectados uns a partir dos outros e a partir de cargas externas (14). Cada um de referidos sistemas de armazenamento de energia (10) é dividido em uma pluralidade de células e pelo menos um dispositivo de equalização é disposto em cada sistema de armazenamento de energia (10) para balanceamento (equilíbrio) das células dentro de referido sistema. Em concordância com a presente invenção, referido dispositivo de balanceamento (16) é disposto para pelo menos coletar informação acerca de voltagem de pelo menos uma célula em cada sistema de armazenamento de energia (10) a partir do/s dispositivo/s de equalização e para determinação da situação (status) de balanceamento do sistema de armazenamento de energia (10) sobre o fundamento da informação coletada. Referido dispositivo de balanceamento (16) é adicionalmente disposto para determinar uma voltagem de célula alvo em dependência da situação de balanceamento e proporcionar a voltagem de célula alvo para cada dispositivo de equalização para controlar referido balanceamento das células.
Description
[001] A presente invenção se refere a um dispositivo de balanceamento de sistema de armazenamento de energia disposto para desempenhar processo de balanceamento de estados de carga de uma pluralidade de sistemas de armazenamento de energia sendo desconectados uns a partir dos outros e a partir de pelo menos uma carga externa. A presente invenção também se refere a um sistema de veículo compreendendo referido dispositivo de balanceamento de sistema de armazenamento de energia. A presente invenção adicionalmente se refere a um método para desempenho de referido processamento de balanceamento.
[002] Sist emas de armazenamento de energia elétrica carregáveis e descarregáveis, normalmente chamados de baterias, são utilizados em muitas aplicações. Desde a introdução de veículos híbridos e elétricos, a necessidade tem aumentado para otimização das baterias de maneira a terem capacidade para otimizar carregamento, armazenamento e utilização da energia elétrica.
[003] Os módulos de bateria cada um possui uma pluralidade de células de baterias (células elétricas) conectadas em série e/ou em paralelo. Características de carga-descarga podem variar entre a pluralidade de células de baterias. Consequentemente, é preferível que carga- descarga de cada célula de bateria seja individualmente controlada de maneira a balancear as células dentro da bateria para prevenir que a célula de bateria venha a ser sobrecarregada ou sobredescarregada.
[004] Conseqüentemente, cada bateria compreende pelo menos um sistema de equalização disposto para balancear as células dentro da bateria. O número de sistemas de equalização pode variar em dependência do número de células, se a bateria compreende módulos de bateria montados juntamente para formar a bateria, e se um sistema de equalização é utilizado para controlar uma ou uma pluralidade de células. Independentemente do número de sistemas de equalização, todas as células da bateria são monitoradas e gerenciadas por referidos sistemas para assegurar uma otimização da bateria ao longo do tempo e em capacidade.
[005] O pedido de patente norte americano número US 2011/0127963 apresenta um dispositivo de equalização. O dispositivo é disposto para desempenhar processamento de equalização de estados de carga de uma pluralidade de células de bateria que são conectadas em série, em que a pluralidade de células de bateria é dividida em uma pluralidade de grupos. O dispositivo de equalização inclui um detector disposto para detectar a situação/estado (status) de carga da pluralidade de células de bateria, um seletor disposto para selecionar qualquer da pluralidade de grupos fundamentada sobre os estados de carga detectados pelo detector, e uma unidade de processamento de equalização disposta para desempenhar o processamento de equalização por seletivamente provocar que as células de bateria que pertencem ao grupo selecionado pelo seletor venham a descarregar.
[006] Quando conectando duas ou mais baterias em paralelo, é importante que estas baterias estejam no mesmo estado de carga [state of charge (SOC)] de maneira a se possuir uma distribuição uniforme de força (energia) e igual tempo de vida útil. Uma vez que as baterias estejam conectadas umas para as outras elas irão se esforçar para alcançar o mesmo nível de voltagem na medida em que elas estão fisicamente conectadas umas para as outras. Esta é uma característica desejada na medida em que elas irão, se o tempo for longo o suficiente, alcançar a mesma voltagem de pacote e por aquele mesmo nível de SOC permitido no qual a temperatura é mantida constante. Por isto, as baterias no sistema irão tentar compartilhar (dividir) a carga de trabalho e distribuir a energia uniformemente.
[007] Existe, então, um desafio para assegurar que o Estado De Carga [State Of Charge (SOC)] para as diferentes baterias seja o mesmo de maneira a se possuir uma distribuição uniforme de força (energia) e igual tempo de vida útil. Se as baterias possuírem diferente SOC no tempo de conexão de umas para as outras elas não irão automaticamente convergir para o mesmo SOC ainda que elas estabilizem para o mesmo nível de voltagem. Isto irá também resultar em que o tempo de vida útil venha a diferir entre as baterias. Se as baterias são utilizadas em diferente SOC provocado por baterias desbalanceadas, existe um risco de que uma bateria virá a ser excessivamente utilizada e, portanto, possuir um envelhecimento acelerado.
[008] O objetivo da presente invenção é, conseqüentemente, o de assegurar que o estado de carga [state of charge (SOC)] seja o mesmo para uma pluralidade de baterias sendo conectadas umas para as outras.
[009] O objetivo da presente invenção é solucionado por intermédio de um dispositivo de balanceamento de sistema de armazenamento de energia disposto para desempenhar processo de balanceamento de estados de carga de uma pluralidade de sistemas de armazenamento de energia sendo desconectados uns a partir dos outros e a partir de cargas externas. Cada um de referidos sistemas de armazenamento é dividido em uma pluralidade de células e pelo menos um dispositivo de equalização é disposto em cada sistema de armazenamento para balanceamento das células dentro de referido sistema. Referido dispositivo de balanceamento é disposto para pelo menos coletar informação acerca de voltagem de pelo menos uma célula em cada sistema de armazenamento a partir do/s dispositivo/s de equalização e para determinação de uma situação de balanceamento dos sistemas de armazenamento sobre o fundamento da informação coletada. Referido dispositivo de balanceamento é adicionalmente disposto para determinar uma voltagem de célula alvo em dependência da situação de balanceamento e proporcionar a voltagem de célula alvo para cada dispositivo de equalização para controlar referido balanceamento das células.
[010] o objetivo da presente invenção é adicionalmente conseguido por intermédio de um sistema de veículo compreendendo o dispositivo de balanceamento de sistema de armazenamento de energia em concordância com qualquer das reivindicações de patente 1 - 5 subsequentemente.
[011] O objetivo da presente invenção é adicionalmente conseguido por intermédio de um método para processamento de balanceamento de estados de carga de uma pluralidade de sistemas de armazenamento de energia sendo desconectados uns a partir dos outros e a partir de cargas externas. Cada um de referidos sistemas de armazenamento é dividido em uma pluralidade de células e pelo menos um dispositivo de equalização é disposto em cada sistema de armazenamento para balanceamento das células dentro de referido sistema. O dispositivo de balanceamento desempenha as etapas de: - pelo menos coleta de informação acerca de voltagem de pelo menos uma célula em cada sistema de armazenamento a partir do/s dispositivo/s de equalização; - determinação de uma situação de balanceamento dos sistemas de armazenamento sobre o fundamento de referida informação coletada; - determinação de uma voltagem de célula alvo em dependência da situação de balanceamento; - provisão da voltagem de célula alvo para cada dispositivo de equalização para controlar referido balanceamento das células.
[012] Com a presente invenção, as baterias são controladas para estarem na mesma região de estado de carga, o que significa que elas irão possuir o mesmo desempenho de força e desempenho de energia. Isto também significa que as baterias são utilizadas igualmente e irão se degradar simultaneamente. A capacidade remanescente do conjunto de baterias irá ser conhecida o tempo todo e o tempo de vida útil irá ser otimizado. Adicionalmente, a conexão de baterias juntamente ao invés de aumento de células em uma bateria irá apresentar mais benefícios.
[013] A presente invenção irá agora ser descrita em maiores detalhes com referência para os Desenhos acompanhantes: Figura 1 ilustra um diagrama de blocos mostrando a configuração de um sistema de armazenamento de energia. Figura 2 ilustra um diagrama de bloco mostrando a configuração de uma disposição com uma pluralidade de sistemas de armazenamento de energia sendo balanceados por um dispositivo de balanceamento. Figura 3 ilustra um fluxograma de um método em concordância com a presente invenção.
[014] As concretizações da presente invenção com desenvolvimentos adicionais descritas a seguir são para serem consideradas unicamente como exemplos e não são de forma nenhuma para limitar o escopo da proteção proporcionado pelas reivindicações de patente acompanhantes.
[015] A presente invenção se refere a um dispositivo de balanceamento de sistema de armazenamento de energia e a um sistema de veículo disposto para desempenhar processamento de balanceamento de estados de carga de uma pluralidade de sistemas de armazenamento de energia sendo desconectados uns a partir dos outros e a partir de pelo menos uma carga externa. Ainda que a descrição detalhada primordialmente descreva o dispositivo de balanceamento, a pessoa especializada no estado da técnica irá compreender que o método para processamento de balanceamento é também apresentado na descrição.
[016] A Figura 1 ilustra um diagrama de blocos mostrando a configuração em um sistema de armazenamento de energia (10), a seguir exemplificado por uma bateria. Uma pessoa especializada no estado da técnica irá compreender que outro sistema de armazenamento de energia compreendendo as características necessárias é também contemplado dentro da presente invenção. A bateria possui uma pluralidade de células de bateria (13) (células elétricas) conectadas em série e/ou em paralelo. A arquitetura de célula da Figura 1 é um exemplo intencionado para ilustrar que células podem ser dispostas em paralelo e em série dentro da bateria.
[017] Características de carga-descarga podem variar entre a pluralidade de células de bateria (13). Por conseqüência, de maneira a assegurar balanceamento de estado de carga, cada célula de bateria é individualmente controlada por um dispositivo de equalização (11). Isto é para prevenir que a bateria venha a ser sobrecarregada ou sobredescarregada. Consequentemente, cada bateria compreende pelo menos um sistema de equalização disposto para balancear as células dentro da bateria.
[018] O número de sistemas de equalização (11) pode variar em dependência do número de células (13), se a bateria compreende módulos de bateria montados juntamente para formar a bateria, e se um sistema de equalização é utilizado para controlar uma célula ou uma pluralidade de células. Independentemente do número de sistemas de equalização, todas as células da bateria são monitoradas e gerenciadas por referidos sistemas para assegurar uma otimização da bateria ao longo do tempo e em capacidade. Detalhes acerca do dispositivo de equalização irão ser descritos no presente pedido de patente e uma pessoa especializada no estado da técnica irá compreender que diferentes tipos de dispositivos de equalização podem ser utilizados com a presente invenção. Como irá ser mostrado a seguir, informação acerca do estado de carga da célula individual irá ser coletado e utilizado para adicional processamento de balanceamento.
[019] Quando conectando duas ou mais baterias em paralelo, é importante que estas baterias estejam no mesmo estado de carga [state of charge (SOC)] de maneira a se possuir uma distribuição uniforme de força (energia) e igual tempo de vida útil. É, conseqüentemente, um desafio assegurar que o Estado De Carga [State Of Charge (SOC)] para as diferentes baterias é o mesmo de maneira a se possuir uma distribuição uniforme de força (energia) e igual tempo de vida útil. Se as baterias possuem diferentes SOC no tempo de conexão de umas para as outras estas baterias não irão automaticamente convergir para o mesmo SOC ainda que elas se estabilizem para o mesmo nível de voltagem. Isto irá também resultar em que o tempo de vida útil venha a diferir entre as baterias.
[020] A presente invenção, em conseqüência, propõe um dispositivo de balanceamento de sistema de armazenamento de energia (16), ver a Figura 2, disposto para desempenhar processamento de balanceamento de estados de carga de uma pluralidade de sistemas de armazenamento de energia. De maneira a desempenhar referido balanceamento, os sistemas de energia são desconectados uns a partir dos outros e a partir de todas as cargas externas (14). O dispositivo de balanceamento é preferivelmente disposto para desconectar os sistemas de armazenamento uns a partir dos outros e da carga antes de determinação da situação de balanceamento.
[021] O que particularmente caracteriza o dispositivo de balanceamento (16) é o fato de que ele é disposto para pelo menos coletar informação acerca de voltagem de pelo menos uma célula (13) em cada sistema de armazenamento (10) a partir do/s dispositivo/s de equalização (11) e para determinação de uma situação de balanceamento dos sistemas de armazenamento (10) sobre o fundamento da informação coletada. O dispositivo é adicionalmente disposto para determinar uma voltagem de célula alvo em dependência da situação de balanceamento e proporcionar a voltagem de célula alvo para cada dispositivo de equalização para controlar referido balanceamento das células (13).
[022] Isto significa que o dispositivo de balanceamento (16) coleta informação acerca da voltagem a partir dos dispositivos de equalização (13) por intermédio de conexões (17). Estas conexões são feitas a cabo ou sem fio e preferivelmente fundamentadas sobre um protocolo adequado (informação digital). Uma pessoa especializada no estado da técnica irá compreender que diferentes conexões são contempladas dentro do escopo da presente invenção. O dispositivo de balanceamento, então, envia o valor de voltagem de célula alvo de volta para os dispositivos de equalização e referidos dispositivos utilizam esta informação para balancear (carregar, descarregar) as células para aproximadamente o mesmo nível de voltagem.
[023] O escopo da presente invenção é, conseqüentemente, o de controlar o balanceamento em cada célula (13) em cada dispositivo de armazenamento de energia (10) int encionado para ser conectado um para o outro. Este controle é fundamentado sobre uma determinação do estado de carga de cada célula em cada sistema de armazenamento de energia. A condição fundamental é a de que os sistemas de armazenamento de energia (pacotes de bateria) (10) não são conectados uns para os outros ou para uma carga (14) quando o procedimento de balanceamento começa.
[024] Com a presente invenção, as baterias são controladas para estarem na mesma região de estado de carga, o que significa que estas baterias irão possuir o mesmo desempenho de força e desempenho de energia. Isto também significa que as baterias são utilizadas igualmente e irão se degradar simultaneamente. A capacidade remanescente do conjunto de baterias irá ser conhecida o tempo todo e o tempo de vida útil irá ser otimizado (aperfeiçoado). Adicionalmente, s conexão de baterias juntamente ao invés de aumento de células em uma bateria irá apresentar mais benefícios.
[025] A presente invenção é também relacionada para um método para desempenho de referido processamento de balanceamento. No método, as seguintes quatro etapas são desempenhadas, ver a Figura 3: 1. Um dispositivo de balanceamento (16) pelo menos coletando (19) informação acerca de voltagem de pelo menos uma célula (13) em cada sistema de armazenamento a partir do/s dispositivo/s de equalização (11). 2. Referido dispositivo de balanceamento (16) adicionalmente determinando (20) uma situação de balanceamento dos sistemas de armazenamento (10) sobre o fundamento de referida informação coletada. 3. Referido dispositivo de balanceamento (16) adicionalmente determinando (21) uma voltagem de célula alvo em dependência da situação de balanceamento. 4. Referido dispositivo de balanceamento (16) proporcionando (22) a voltagem de célula alvo para cada dispositivo de equalização (11) para controlar referido balanceamento das células (13).
[026] Um sist ema de veículo pode compreender o dispositivo de balanceamento de sistema de armazenamento de energia. Isto significa que o balanceamento pode começar quando o veículo tiver sido desligado (chave retirada) e o dispositivo de balanceamento ao mesmo tempo desconecta os sistemas de armazenamento uns a partir dos outros e da carga. A situação dos sistemas de armazenamento de energia (pacotes de bateria) é, então, mensurada quando a chave é desligada.
[027] Se os sistemas de energia estão desbalanceados, o processo de balanceamento compreende um procedimento onde o dispositivo de balanceamento (16) descarrega e/ou carrega os sistemas de armazenamento (10) para conseguir o mesmo ou um similar estado de carga para referidos sistemas de armazenamento. Carregamento e descarregamento são preferivelmente coordenados de maneira que o procedimento de balanceamento é tão eficiente (perdas de energia, tempo) quanto possível.
[028] A presente invenção não é limitada para um determinado procedimento de carga/descarga para consecução de uma eficiente carga/descarga dos sistemas de armazenamento de energia. Carregamento pode ser desempenhado por um carregador (15) e descarregamento é desempenhado por queima de energia sobre uma resistência, tanto as resistências comumente utilizadas nos sistemas de armazenamento de energia ou quanto se necessitado também sobre uma resistência externa.
[029] Se o dispositivo de balanceamento (16) é disposto em um sistema de veículo, o sistema de veículo pode contribuir com a descarga e/ou a carga de sistemas de armazenamento para conseguir o mesmo ou um similar estado de carga para referidos sistemas de armazenamento. Carregamento é, então, desempenhado pelo sistema de veículo [força (energia) a partir de um gerador, de uma fonte de energia externa ou os similares]. Descarregamento é desempenhado por conexão de uma carga (14) no sistema de veículo.
[030] O dispositivo de balanceamento (16) preferivelmente controla o carregamento e o descarregamento por interruptores de controle (18). Por acoplamento e desacoplamento seletivos dos interruptores, os sistemas de armazenamento de energia podem ser conectados ou desconectados uns para os outros, para uma carga (14) ou para um carregador (15). A razão para utilizar uma carga (14) e um carregador (15) é a de conseguir uma condição de partida benéfica e/ou equalizar as condições de partida para os sistemas de armazenamento de energia que irão conduzir para um balanceamento aperfeiçoado e mais rápido dos sistemas de armazenamento de energia.
[031] O dispositivo de balanceamento (16) pode adicionalmente coletar informação acerca de temperatura de pelo menos uma célula a partir do/s dispositivo/s de equalização. É preferível levar em consideração diferenças de temperatura e histerese quando determinando o estado de carga. Qualquer informação coletada a partir do/s dispositivo/s de equalização e utilizada para determinar o estado de carga de cada sistema de armazenamento de energia é contemplada dentro da presente invenção.
[032] O dispositivo de balanceamento (16) é preferivelmente disposto para proporcionar a voltagem de célula alvo para cada dispositivo de equalização (11) em todos os sistemas de armazenamento (10) para os quais ele é conectado. Adicionalmente, o dispositivo de balanceamento (16) de sistema de armazenamento de energia (10) é adicionalmente disposto para aguardar com a determinação da situação de balanceamento até que um período de tempo tenha decorrido depois que os sistemas de armazenamento são desconectados uns a partir dos outros e a partir da carga. Desta maneira, é assegurado que o armazenamento de energia irá ter tempo para ir para um modo não operativo, e em conseqüência disso, a determinação irá resultar em melhores resultados. Um período de tempo de 20 minutos pode ser preferível para utilizar dentro de sistemas de veículo.
[033] Enquanto concretizações preferidas da presente invenção tenham sido descritas anteriormente, é para ser compreendido que variações e modificações irão ser aparentes para aquelas pessoas especializadas no estado da técnica sem afastamento a partir do escopo e espírito da presente invenção. O escopo da presente invenção, conseqüentemente, é para ser determinado unicamente pelas reivindicações de patente posteriormente, como interpretado pela descrição e pelos Desenhos anexos.
[034] A Figura 2 mostra como o dispositivo de balanceamento (16) opera interruptores (18) de maneira a desconectar e conectar os sistemas de armazenamento de energia (11) para carregamento e descarregamento. Durante o processo de balanceamento, os sistemas de armazenamento de energia são desconectados a partir do sistema para o qual eles proveram energia durante operação. Se o dispositivo de balanceamento é disposto em um veículo, o dispositivo de balanceamento opera outros interruptores (não mostrados) de maneira a desconectar e conectar os sistemas de armazenamento para o sistema de veículo. Quando a chave é desligada, os sistemas de armazenamento de energia são desconectados a partir do sistema de veículo. Quando a chave é ligada, os sistemas de armazenamento de energia são novamente conectados para o sistema de veículo para proporcionar energia utilizada para operar o veículo. Quando os sistemas de armazenamento são novamente conectados para o sistema de veículo, o procedimento de balanceamento da presente invenção é interrompido.
[035] Assim, embora a presente invenção tenha sido descrita em concordância e com referência para exemplos específicos e concretizações preferidas, aqueles especializados no estado da técnica irão apreciar que a presente invenção pode ser concretizada de muitas outras diferentes formas com um número de modificações, variações e mudanças sendo conceptível sem afastamento a partir do espírito inventivo e do escopo de proteção como estabelecido pelas reivindicações de patente subsequentemente.
Claims (6)
1. Dispositivo de balanceamento (16) de bateria (10) disposto para desempenhar processamento de balanceamento de estados de carga (SOC) de uma pluralidade de baterias (10), onde as baterias são adaptadas para serem conectadas em paralelo e onde o dispositivo de balanceamento (16) é adaptado para desconectar as baterias umas a partir das outras e a partir de cargas externas (14) antes que uma situação de balanceamento seja determinada, em que cada uma de referidas baterias (10) é dividida em uma pluralidade de células de bateria (13) e em que pelo menos um dispositivo de equalização (11) é disposto em cada bateria (10) para balanceamento das células de bateria (13) dentro de referida bateria, caracterizado pelo fato de que referido dispositivo de balanceamento (16) é disposto para pelo menos coletar informação acerca de voltagem de pelo menos uma célula de bateria (13) em cada bateria (10) a partir do dispositivo de equalização (11) e para determinação da situação de balanceamento das baterias (10) sobre o fundamento da informação coletada, referido dispositivo de balanceamento (16) adicionalmente sendo disposto para determinar uma voltagem de célula alvo para pelo menos uma célula de bateria (13) em dependência da situação de balanceamento e proporcionar a voltagem de célula alvo para cada dispositivo de equalização (11) para controlar referido balanceamento das células de bateria (13), onde o dispositivo de balanceamento (16) é disposto para descarregar e/ou carregar as baterias para conseguir o mesmo ou um similar estado de carga para referidas baterias quando o processo de balanceamento é completado.
2. Dispositivo de balanceamento (16) de bateria (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de balanceamento (16) é adicionalmente disposto para coletar informação acerca de temperatura de pelo menos uma célula de bateria a partir do dispositivo de equalização.
3. Dispositivo de balanceamento (16) de bateria (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de balanceamento (16) é disposto para proporcionar a voltagem de célula alvo para cada dispositivo de equalização em todas as baterias para as quais ele é conectado.
4. Dispositivo de balanceamento (16) de bateria (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de balanceamento (16) é disposto para aguardar com a determinação da situação de balanceamento até que um período de tempo tenha decorrido depois que as baterias são desconectadas umas a partir das outras e a partir da carga.
5. Sistema de veículo, caracterizado pelo fato de que compreende o dispositivo de balanceamento (16) de bateria (10) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4.
6. Método para processamento de balanceamento de estados de carga de uma pluralidade de baterias (10) adaptadas para serem conectadas em paralelo e sendo desconectadas umas a partir das outras e a partir de cargas externas (14), em que cada uma de referidas baterias é dividida em uma pluralidade de células de bateria (13) e em que pelo menos um dispositivo de equalização (11) é disposto em cada bateria (10) para balanceamento das células de bateria (13) dentro de referida bateria (10), caracterizado pelo fato de que o método compreende as etapas de: - coletar pelo menos (19) informação acerca de voltagem de pelo menos uma célula de bateria (13) em cada bateria (10) a partir de pelo menos um dispositivo de equalização (11); - desconectar as baterias umas das outras e a partir de cargas externas antes que uma situação de balanceamento seja determinada; - determinar (20) a situação de balanceamento das baterias (10) sobre o fundamento de referida informação coletada; - determinar (21) uma voltagem de célula alvo para uma célula de bateria em dependência da situação de balanceamento; - prover (22) a voltagem de célula alvo para cada dispositivo de balanceamento (11) para controlar referido balanceamento das células de bateria (13); - descarregar e/ou carregar as baterias para conseguir o mesmo ou um similar estado de carga para referidas baterias quando o processo de balanceamento é completado.
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