CN100595954C - 一种燃料电池控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池控制系统，包括控制单元、用于输出被控燃料电池工作参数的至少一个参数控制执行机构、量测单元、存储单元和调节单元，量测单元用于与负载相连并监测负载的输入电特性，存储单元内存储有燃料电池的各个输出电特性区间、各个输出电特性区间的优选电特性点及与该优选电特性点对应的第一工作参数值，控制单元分别与量测单元、存储单元、参数控制执行机构和调节单元连接，控制单元响应量测单元的输出，确定出优选电特性点和第一工作参数值，并控制燃料电池工作在优选电特性点上，并按照第一工作参数值输出控制信号至参数控制执行机构。本发明简化了燃料电池控制系统及控制算法，降低了成本，保证了燃料电池的发电性能。

Description

一种燃料电池控制系统及控制方法

【技术领域】

本发明涉及燃料电池控制系统，尤其涉及质子交换膜燃料电池控制系统，用于对燃料电池工作参数进行控制，以保证燃料电池的发电性能。

【背景技术】

燃料电池是由燃料和氧化剂产生电能的装置，可以获得高发电效率。燃料电池系统中，以高分子电解质膜为中心，其两侧设置有阳极(ANODE)和阴极(CATHODE)，作为燃料的氢气在上述阳极发生电化学还原反应，作为氧化剂的氧气在阴极发生电化学氧化反应，此时通过生成的电子的移动，产生电能。

以典型的质子交换膜燃料电池(PEM燃料电池)为例，以氢气为燃料，在阳极反应中，氢气经由扩散层进入，借助催化层的催化剂如铂金属的催化作用，将氢气分解为氢质子及电子，前者经由质子交换膜进入阴极反应区，后者则经由集电装置向外部负载输出，另一方面，氧气经由阴极侧的扩散层进入，借助催化层的催化剂如铂金属的催化反应作用将氧化分解，并结合来自于质子交换膜的氢质子及来自集电装置的电子，于阴极反应区生成水。一个PEM燃料电池系统通常由反应气供应单元、PEM燃料电池单体或多节串连或并联燃料电池堆体、燃料电池控制器构成。

燃料电池控制器根据负载对功率的要求，随时调节反应气流量、压力，以保证电化学反应有效地进行和反应产物水适时地排出，并且通过热交换将反应温度控制到最佳度，对整个PEM燃料电池进行水管理及热管理。

由于工作温度、反应气压力、反应气湿度、反应气流量及催化剂的活性等参数都对PEM燃料电池发电性能有很大影响，且各种参数间数学关系复杂。目前燃料电池控制系统组成方法如图1所示，系统由作为被控对象的燃料电池3、输出参数量测单元4、控制器及控制策略单元1、执行机构2以及反馈通路5构成，量测单元4实时将燃料电池的输出电压、输出电流参数及其变化量通过反馈通道5反馈给控制器及控制策略单元1，控制器及控制策略单元1预先存储控制算法，算法为实现输出量及其变化量关于工作温度、反应气压力、反应气湿度、反应气流量等主要参数的函数，或者是工作温度、反应气压力、反应气湿度、反应气流量等主要参数关于输出量及其变化量的函数，利用执行机构2实现函数功能，执行机构2由温度控制、湿度控制、流量控制、压力控制等子执行机构组成，各子执行机构联动，由控制器及控制策略单元1控制，从而实现工作温度、反应气压力、反应气湿度、反应气流量等参数的闭环控制。该控制系统保证了在每个功率点燃料电池都具备高性能，然而闭环控制的方法造成了建立PEM燃料电池控制系统数学模型的难度以及PEM燃料电池控制系统组成的复杂化，而大量应用模糊控制、神经网络辨识等现代控制理论组建一个理想的PEM燃料电池控制系统，各参数子执行机构协同工作实现复杂函数，也使得PEM燃料电池控制器成本大幅增加。

【发明内容】

本发明的主要目的就是为了解决上述问题，提出一种简单、低成本的燃料电池控制系统，实现对燃料电池的工作参数的控制，保证燃料电池的发电性能。

本发明另一目的是提出一种燃料电池控制系统的控制方法，利用一种简单、低成本的电池控制系统，实现对燃料电池的工作参数的控制，保证燃料电池的发电性能。

为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池控制系统，包括控制单元、用于输出被控燃料电池工作参数的至少一个参数控制执行机构和量测单元，其特征在于：所述量测单元用于与负载相连并监测负载所需功率，还包括存储单元和调节单元，所述存储单元内存储有燃料电池的各个输出功率区间、各个输出功率区间的优选功率点及与该优选功率点对应的第一工作参数值，所述控制单元分别与量测单元、存储单元、参数控制执行机构和调节单元连接，所述控制单元响应量测单元的输出，将负载所需功率与存储单元中的电池输出功率区间对比，确定出负载所需功率所属的电池输出功率区间，读取与该电池输出功率区间对应的优选功率点和第一工作参数值，将负载所需功率和优选功率点进行比较，根据比较结果控制调节单元，以使燃料电池工作在优选功率点上，并按照第一工作参数值输出控制信号至参数控制执行机构。

所述功率调节单元的一种组成方案是包括蓄电池和电源管理模块，所述蓄电池的输出端用于与燃料电池的输出端并联，所述电源管理模块响应控制单元输出的控制信号，用于在负载所需功率大于优选功率点时控制蓄电池向负载放电、在负载所需功率小于优选功率点时控制蓄电池充电。

所述功率调节单元的另一种组成方案是包括附加负载和附加负载管理模块，所述附加负载用于串联在燃料电池和负载组成的回路中，所述附加负载管理模块响应控制单元输出的控制信号，用于在负载所需功率大于优选功率点时控制附加负载减小功率消耗、在负载所需功率小于优选功率点时控制附加负载增加功率消耗。

本发明的进一步改进是：还包括用于监测各工作参数的相应的传感器，所述控制单元响应传感器输出的第二工作参数值，根据第二工作参数值和第一工作参数值的比较结果输出相应的控制信号至相应的参数控制执行机构。

所述量测单元优选为功率计算单元。

为实现上述目的，本发明还提供一种燃料电池控制系统的控制方法，包括以下步骤：

A1、检测负载所需功率；

B1、将负载所需功率与预先存储在存储单元中的该燃料电池的输出功率区间对比，确定出负载输入电特性所属的功率区间；

C1、读取预先存储在存储单元中的、与该电池输出功率区间对应的优选功率点和与该优选功率点对应的第一工作参数值；

D1、将负载所需功率和优选功率点进行比较，并根据比较结果控制调节单元，以使燃料电池工作在优选功率点上；并按照第一工作参数值输出控制信号以控制参数控制执行机构工作。

其中，在步骤D1之后还包括以下步骤：

E1、监测当前各工作参数作为第二工作参数值；

F1、将第二工作参数值和第一工作参数值进行比较，根据比较结果输出相应的控制信号至参数控制执行机构，以调节参数控制执行机构的输出。

本发明的有益效果是：本发明充分利用燃料电池出厂时的测试数据组建燃料电池控制系统，例如将燃料电池发电功率划分为连续的功率段，各功率段中选取功率点，并将功率区间、优选功率点及其对应的工作参数值存储于燃料电池控制系统中，利用功率调节单元使燃料电池稳定工作在所选取的功率点上，利用数据存储单元存储的最佳控制参数，使燃料电池工作在最佳控制参数上。本发明改变了现有燃料电池闭环控制系统组成方式，功率反馈仅用于确定功率段及功率点，利用数据存储单元存储的最佳控制参数，构成一种近似的开环控制系统，各参数执行机构独立工作，简化了燃料电池控制系统结构以及控制算法，降低了燃料电池控制器成本，并保证了燃料电池最佳的发电性能，延长燃料电池使用寿命。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1为现有技术中系统的燃料电池控制系统的结构图；

图2为本发明实施例一的燃料电池控制系统的结构图；

图3为本发明实施例一中功率调节单元的电路结构图；

图4为本发明实施例一的控制流程图；

图5为本发明实施例二中的燃料电池控制系统的结构图；

图6为本发明实施例二中功率调节单元的电路结构图。

【具体实施方式】

通过大量燃料电池发电性能测试实验表明，燃料电池性能与其工作温度、反应气流量、反应气压力、反应气湿度等参数紧密相关，燃料电池在一特定的功率点对应一组最佳工作参数，最佳工作参数可以保证燃料电池工作的性能和稳定，而该特定的功率点对应的电池的输出电流和输出电压基本稳定或在很小的一个范围内变化。燃料电池最佳工作参数可由测试实验获得。

下面以燃料电池的输出功率作为控制参数为例进行说明。

在燃料电池测试时，通过观察燃料电池的性能和稳定状态，将燃料电池的输出特性划分为连续的几个功率区间，在每个功率区间内设定一优选功率点，该优选功率点可通过观察实验数据得到，该优选功率点对应一系列控制系统主要工作参数的设定值，包括电池工作温度、反应气压力、反应气流量、反应气湿度等对电池性能构成主要影响的参数。

具体实施例一、基于上述的研究结果，本实施例的控制系统组成结构框图如图2所示，包括由微处理器构成的燃料电池控制单元101、存储工作参数的存储单元102、温度控制执行机构103、湿度控制执行机构104、压力控制执行机构105、流量控制执行机构106、量测单元108和功率调节单元。在该燃料电池作为成品进行出厂检测时，将该燃料电池的输出特性划分为若干连续的功率区间，将每个功率区间(即该区间功率的最大值和最小值)、该功率区间对应的优选功率点和该优选功率点对应的一系列控制系统的主要工作参数的设定值存储在控制系统的存储单元内，通常工作参数包括工作温度、反应气压力、反应气流量、反应气湿度。存储单元102可以通过编程只读存储器芯片(EPROM)实现；该数据存储单元还可包括一个EPROM编程电路和接口，有助于电池维护时更新EPROM内数据。

量测单元108可以为一个功率计算单元，其用来监测负载111的所需功率，即实时监测负载111的输入电压和输入电流，计算负载所需功率，负载所需功率数据反馈给控制单元101。控制单元101根据量测单元108反馈的输出功率，读取存储单元102所设定的功率区间数值，通过比较功率区间的上、下限，确定当前负载所需功率对应的功率区间，读取该功率区间的优选功率点和该优选功率点对应的主要工作参数值，该主要工作参数值即为第一工作参数值，控制单元101根据该第一工作参数值控制各参数控制执行机构，由各参数控制执行机构实现控制参数在设定值处的稳定。同时控制单元101还控制燃料电池107工作在优选功率点上，以保证燃料电池107发电功率和工作参数的最佳配合。控制单元101根据量测单元108监测的负载111的所需功率，将负载111的所需功率和优选功率点进行比较，根据比较结果，通过功率调节单元控制燃料电池107工作在优选功率点上。

功率调节单元包括蓄电池109和电源管理模块110，蓄电池109的输出端与燃料电池107的输出端并联，电源管理模块110用于控制蓄电池109的工作状态。蓄电池109通过电源管理模块110并联在燃料电池107两端，控制单元101根据所设定的功率点数值通过电源管理单元110控制燃料电池107对蓄电池109进行充放电，系统负载111所需功率大于所设定功率点功率时，控制单元101控制蓄电池109放电；系统负载111所需功率小于所设定功率点功率时，控制单元101控制燃料电池107对蓄电池109充电。控制单元101通过电源管理模块110控制蓄电池109的充放电状态，并通过比较量测单元108反馈的负载需求功率与所设定优选功率点功率，控制蓄电池109的充放电功率，使燃料电池107工作在所设定的优选功率点上。

功率调节单元的一种组成电路如图3所示，电源管理模块包括充电限流电路和放电限流电路；充电限流电路包括第一功率晶体管Q1、第一运算放大器AR1、第二运算放大器AR2和第一采样电阻RS1，第一运算放大器AR1连接成差分放大器方式，第二运算放大器AR2连接成比较器方式，第二运算放大器AR2响应控制单元101输出的第一控制信号VREF1和第一运算放大器AR1输出的信号，其输出端耦合到第一功率晶体管Q1的控制极，第一功率晶体管Q1的两个主电流导通极用于分别连接燃料电池107的正极和第一采样电阻RS1的一端，第一采样电阻RS1的另一端耦合到蓄电池109的正极，第一运算放大器AR1的两个输入端分别连接第一采样电阻RS1的两端；放电限流电路包括第二功率晶体管Q2、第三运算放大器AR3、第四运算放大器AR4和第二采样电阻RS2，第三运算放大器AR3连接成差分放大器方式，第四运算放大器AR4连接成比较器方式，第四运算放大器AR4响应控制单元101输出的第二控制信号VREF2和第三运算放大器AR3输出的信号，其输出端耦合到第二功率晶体管Q2的控制极，第二功率晶体管Q2的两个主电流导通极分别连接燃料电池107的正极和第二采样电阻RS2的一端，第二采样电阻RS2的另一端耦合到负载111，第三运算放大器AR3两个输入端分别连接第二采样电阻RS2的两端。

第一功率晶体管Q1和第二功率晶体管Q2可以是MOS管或三极管，用于利用小信号进行电流控制。当第一功率晶体管Q1和第二功率晶体管Q2是MOS管时，MOS管的栅极为控制极，漏极和源极为两个主电流导通极，当第一功率晶体管Q1和第二功率晶体管Q2是三极管时，三极管的基极为控制极，集电极和发射极为两个主电流导通极。MOS管或三极管作为功率晶体管的连接方式为本领域技术人员所熟悉，所以不再描述。

通过第一采样电阻RS1采样蓄电池109的充电电流，第一控制信号VREF1为电压信号，连接第二运算放大器AR2的同相端，第一采样电阻RS1采样的电流电压信号连接AR2反向端，实现恒流充电，充电电流为VREF1/RS1。

通过第二采样电阻RS2采样蓄电池109的放电电流；第二控制信号VREF2为电压信号，连接第四运算放大器AR4的同相端，第二采样电阻RS2采样的电流电压信号连接第四运算放大器AR4的反向端，实现恒流放电，放电电流为VREF2/RS2。

因上述充电/放电限流电路为现有技术，其工作原理不再过多说明。

VREF1、VREF2可通过控制单元101利用数字信号/模拟信号转换芯片发出，控制单元101通过比较系统负载功率和设定优选功率点功率，改变VREF1和VREF2的大小，即改变充电功率大小或放电功率大小，使燃料电池107工作在设定的优选功率点上。VREF1或VREF2为0时，即意味着关闭蓄电池的充电限流电路或关闭蓄电池的放电限流电路，在控制单元确定充放电状态后，通过将VREF1或VREF2设置为0，单独启用充电限流电路或单独启用放电限流电路。

上述实施例中，量测单元108也可以直接将负载111的输入电压、输入电流反馈到控制单元101，控制单元101根据输入电压、输入电流计算出负载所需功率。

为保证各参数控制执行机构工作在第一工作参数值上，本实施例还增加了相应的传感器，传感器将感应的各工作参数作为第二工作参数值反馈到控制单元，控制单元将第二工作参数值和第一工作参数值进行比较，根据比较结果输出相应的控制信号至参数控制执行机构，以调节参数控制执行机构的输出，从而形成闭环控制。

下面以温度控制为例说明本实施例的控制流程，流程图如图4所示，包括以下步骤：

在步骤S10，控制单元通过功率检测过程获得当前输出功率，然后执行步骤S12；

在步骤S12，控制单元读取存储单元，将输出功率与功率区间设定值进行比较，获得输出功率所属的功率区间，进而获得优选的功率点，通过蓄电池及电源管理模块使燃料电池工作在该功率点，然后执行步骤S14；

在步骤S14，控制单元读取存储单元，获得燃料电池在该功率点最佳工作温度的设定值，然后执行S16；

在步骤S16，控制单元内部预先存储温度控制策略，以温度设定值为目标控制温度执行机构，然后执行步骤S18；

在步骤S18，将监测的当前工作温度与温度设定值进行比较，如果当前工作温度大于温度设定值，则执行步骤S20，如果当前工作温度小于温度设定值，则执行步骤S22，如果当前工作温度等于温度设定值，则执行步骤S24；

在步骤S20，控制温度控制执行机构降低温度；

在步骤S22，控制温度控制执行机构提高温度；

在步骤S24，控制温度控制执行机构稳定温度。

其他参数的控制与温度同理进行控制，各参数具有独立的控制策略，独立的执行机构。通过各工作参数的闭环控制，使工作参数保持在设定的参数值上(即从存储单元中读取的第一工作参数)，从而保证燃料电池的工作环境，保证了燃料电池的发电性能。

控制单元对各参数控制执行机构输出的控制信号是PWM波，通过输出不同占空比的PWM波来调节参数控制执行机构的输出，从而调节各工作参数。

上述实施例中，燃料电池控制单元和存储单元可集成在具有足够存储空间的一个芯片内，构成一个控制装置。

具体实施例二、与具体实施例一不同的是功率调节单元还可以通过如图5所示的方案实现。

功率调节单元包括附加负载209和附加负载管理模块210，附加负载209串联在燃料电池107和负载111组成的回路中，起功率消耗的作用。控制单元101比较所设定的优选功率点数值及系统负载功率，向附加负载管理模块210输出控制信号，使附加负载管理模块210在负载所需功率大于优选功率点时控制附加负载209减小功率消耗、在负载所需功率小于优选功率点时控制附加负载209增加功率消耗，从而使燃料电池107工作在所设定的优选功率点上。

本实施例是在燃料电池107的放电回路放置限流电路，即将功率调节单元作为限流电路，具体电路如图6所示，附加负载为第三限流电阻RS3，附加负载管理模块210包括第三功率晶体管Q3、第五运算放大器AR5和第六运算放大器AR6，第五运算放大器AR5连接成差分放大器方式，第六运算放大器AR6连接成比较器方式，第六运算放大器AR6响应控制单元输出的第三控制信号VREF3和第五运算放大器AR5输出的信号，其输出端耦合到第三功率晶体管Q3的控制极，第三功率晶体管Q3的两个主电流导通极分别连接燃料电池107的正极和第三限流电阻RS3的一端，第三限流电阻RS3的另一端耦合到负载111，第五运算放大器AR5的两个输入端分别连接第三限流电阻RS3的两端。

第三功率晶体管Q3可以是MOS管或三极管，当第三功率晶体管Q3是MOS管时，MOS管的栅极为控制极，漏极和源极为两个主电流导通极，当第三功率晶体管Q3是三极管时，三极管的基极为控制极，集电极和发射极为两个主电流导通极。

通过第三限流电阻RS3采样放电电流；第三控制信号VREF3是电压信号，连接第六运算放大器AR6的同相端，第三限流电阻RS3采样的电流电压信号连接第六运算放大器AR6的反向端，实现恒流放电，放电电流为VREF3/RS3。

VREF3可通过控制单元101利用数字信号/模拟信号转换芯片发出，控制单元101通过比较系统负载功率和设定功率点功率，改变VREF3的大小，即改变燃料电池放电功率大小，使燃料电池107工作在设定的优选功率点上。

在确定功率点后，控制单元101发送各最佳工作参数值至相应参数控制执行机构，由各参数控制执行机构实现工作参数在设定值处的稳定。控制流程如同实施例一所述。

实施例二在牺牲一定燃料电池发电效率但保证燃料电池稳定工作的情况下进一步降低燃料电池控制系统成本。

上述具体实施例描述的是一种包含数据存储单元按功率大小分段式质子交换膜燃料电池控制系统组成方法。而实际使用中，由于燃料电池放电功率的大小亦可以用燃料电池放电电流的大小或放电电压的大小或燃料电池的阻抗中来进行表征，因此本发明也可以按电流大小、电压大小或阻抗大小进行分段，监测负载的相对应电特性，构建成使燃料电池稳定在一定的放电电流点或放电电压点或阻抗点上的分段式燃料电池控制系统。

Claims (9)

1.一种燃料电池控制系统，包括控制单元、用于输出被控燃料电池工作参数的至少一个参数控制执行机构和量测单元，其特征在于：所述量测单元用于与负载相连并监测负载所需功率，还包括存储单元和调节单元，所述存储单元内存储有燃料电池的各个输出功率区间、各个输出功率区间的优选功率点及与该优选功率点对应的第一工作参数值，所述控制单元分别与量测单元、存储单元、参数控制执行机构和调节单元连接，所述控制单元响应量测单元的输出，将负载所需功率与存储单元中的电池输出功率区间对比，确定出负载所需功率所属的电池输出功率区间，读取与该电池输出功率区间对应的优选功率点和第一工作参数值，将负载所需功率和优选功率点进行比较，根据比较结果控制调节单元，以使燃料电池工作在优选功率点上，并按照第一工作参数值输出控制信号至参数控制执行机构。

2.如权利要求1所述的燃料电池控制系统，其特征在于：所述调节单元为功率调节单元。

3.如权利要求2所述的燃料电池控制系统，其特征在于：所述功率调节单元包括蓄电池和电源管理模块，所述蓄电池的输出端用于与燃料电池的输出端并联，所述电源管理模块响应控制单元输出的控制信号，用于在负载所需功率大于优选功率点时控制蓄电池向负载放电、在负载所需功率小于优选功率点时控制蓄电池充电。

4.如权利要求3所述的燃料电池控制系统，其特征在于：所述电源管理模块包括充电限流电路和放电限流电路；所述充电限流电路包括第一功率晶体管、第一运算放大器、第二运算放大器和第一采样电阻，所述第一运算放大器连接成差分放大器方式，所述第二运算放大器连接成比较器方式，所述第二运算放大器响应控制单元输出的第一控制信号和第一运算放大器输出的信号，其输出端耦合到第一功率晶体管的控制极，所述第一功率晶体管的两个主电流导通极用于分别连接燃料电池的正极和第一采样电阻的一端，所述第一采样电阻的另一端耦合到蓄电池的正极，所述第一运算放大器的两个输入端分别连接第一采样电阻的两端；所述放电限流电路包括第二功率晶体管、第三运算放大器、第四运算放大器和第二采样电阻，所述第三运算放大器连接成差分放大器方式，所述第四运算放大器连接成比较器方式，所述第四运算放大器响应控制单元输出的第二控制信号和第三运算放大器输出的信号，所述第四运算放大器的输出端耦合到第二功率晶体管的控制极，所述第二功率晶体管的两个主电流导通极用于分别连接燃料电池的正极和第二采样电阻的一端，所述第二采样电阻的另一端用于耦合到负载，所述第三运算放大器的两个输入端分别连接第二采样电阻的两端。

5.如权利要求2所述的燃料电池控制系统，其特征在于：所述功率调节单元包括附加负载和附加负载管理模块，所述附加负载用于串联在燃料电池和负载组成的回路中，所述附加负载管理模块响应控制单元输出的控制信号，用于在负载所需功率大于优选功率点时控制附加负载减小功率消耗、在负载所需功率小于优选功率点时控制附加负载增加功率消耗。

6.如权利要求5所述的燃料电池控制系统，其特征在于：所述附加负载管理模块包括第三功率晶体管、第五运算放大器和第六运算放大器，所述第五运算放大器连接成差分放大器方式，所述第六运算放大器连接成比较器方式，所述第六运算放大器响应控制单元输出的第三控制信号和第五运算放大器输出的信号，所述第六运算放大器的输出端耦合到第三功率晶体管的控制极，所述第三功率晶体管的两个主电流导通极用于分别连接燃料电池的正极和附加负载的一端，所述附加负载的另一端用于耦合到负载，所述第五运算放大器的两个输入端分别连接附加负载的两端。

7.如权利要求1至6中任一项所述的燃料电池控制系统，其特征在于：还包括用于监测各工作参数的相应的传感器，所述控制单元响应传感器输出的第二工作参数值，根据第二工作参数值和第一工作参数值的比较结果输出相应的控制信号至相应的参数控制执行机构。

8.一种燃料电池控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

A1、检测负载所需功率；

B1、将负载所需功率与预先存储在存储单元中的该燃料电池的输出功率区间对比，确定出负载所需功率所属的电池输出功率区间；

C1、读取预先存储在存储单元中的、与该电池输出功率区间对应的优选功率点和与该优选功率点对应的第一工作参数值；

D1、将负载所需功率和优选功率点进行比较，并根据比较结果控制调节单元，以使燃料电池工作在优选功率点上；并按照第一工作参数值输出控制信号以控制参数控制执行机构工作。

9.如权利要求8所述的燃料电池控制系统的控制方法，其特征在于：在步骤D1之后还包括以下步骤：

E1、监测当前各工作参数作为第二工作参数值；

F1、将第二工作参数值和第一工作参数值进行比较，根据比较结果输出相应的控制信号至参数控制执行机构，以调节参数控制执行机构的输出。

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