CN101357595B - 使用双端逆变器系统的串联耦合的双马达驱动 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用双端逆变器系统的串联耦合的双马达驱动,一种车辆中使用的用于逆变器系统的系统和装置。逆变器系统包括六相马达具有第一组三相绕组和第二组三相绕组;三相马达具有第三组三相绕组,其中,第三组三相绕组与第一组三相绕组和第二组三相绕组联接。系统进一步包括第一逆变器与第一能量源联接并适于驱动六相马达和三相马达,其中第一组三相绕组与第一逆变器联接;第二逆变器与第二能量源联接并适于驱动六相马达和三相马达,其中第二组绕组与第二逆变器联接。控制器与第一和第二逆变器联接。

Description

使用双端逆变器系统的串联耦合的双马达驱动
相关申请的交叉参考
本申请请求享有2007年7月30申请的序列号为60952740的美国临时申请的优先权。
技术领域
本申请描述主题的实施方式主要涉及车辆的驱动系统,尤其涉及具有双端逆变器驱动系统的混合动力车辆。
背景技术
在最近几年中,技术的进步以及式样品位的进步导致了在汽车设计中的根本性变化。其中的一个变化包括动力使用和在汽车中各种电气系统的复杂性,特别是在可替代燃料车辆(诸如混合动力、电动和燃料电池汽车)中。
很多的电子组件,包括在这些车辆中使用的电动马达(electric motor),从交流电(AC)电源获得电能。但是,在这些应用中的电源(例如,电池(battery))仅提供直流(DC)功率。因此,已知“功率逆变器”装置用于将DC功率转换为AC功率,经常使用多个开关或者晶体管,以不同间隔操作,以将DC功率转换为AC功率。
此外,这些车辆,特别是燃料电池车辆,通常使用两个分开的电压源(例如,电池和燃料电池)来向驱动车轮的电动马达供电。例如直流到直流(DC/DC)转换器的功率转换器”典型的用于管理和从两个电压源传送电力。现代的DC/DC转换器通常包括由电感来电互连的晶体管。通过控制各个晶体管的状态,通过电感可以施加期望的平均电流,并控制两个电压源之间的功率流。
通过使用功率逆变器和功率转换器增加了汽车电系统的复杂性。两种类型的装置需要的附加部件通常增加了车辆的重量和成本。由此,通过使用双逆变电系统,提出了不使用DC/DC转换器,而操作与多个电源耦合的马达,同时使得马达工作性能最佳的系统和方法。
传统的汽车系统包括为三相马达设计的电系统。但是具有多于三相的多相马达驱动工作起来具有更高的效率和减少了所需的逆变器每相的额定功率。在一些情况下,这除了改进马达的性能之外还导致了成本的降低和紧凑的功率逆变器。此外,具有至少五相或者更多相的多相马达驱动可以构造为与另外的马达驱动以合理的方式串联,因此来减少当为两个马达提供独立控制的时候系统所需的功率逆变器的数目。
因此,希望提供一种使用耦合到两个不同能源的双逆变器系统来操作串联耦合的双马达驱动的系统和方法。本发明其他预期实现的特点和特征通过结合附图和前述的技术领域和背景技术以及随后的说明和权利要求的内容将变得十分清楚。
发明内容
一种装置用于汽车驱动系统。汽车驱动系统包括串联耦合的双马达驱动,包括具有第一组绕组和第二组绕组的第一马达,具有第三组绕组的第二马达,其中第三组绕组与第一组绕组和第二组绕组耦合。第一逆变器和第一组绕组耦合。第二逆变器和第二组绕组耦合。
一种装置用于逆变系统来在具有第一能量源和第二能量源的车辆中使用。逆变器系统包括具有第一组三相绕组和第二组三相绕组的六相马达和具有第三组三相绕组的三相马达,其中第三组三相绕组与第一组三相绕组和第二组三相绕组耦合。第一逆变器与第一能量源耦合并适于驱动六相马达和三相马达,其中第一组三相绕组与第一逆变器耦合。第二逆变器与第二能量源耦合并适于驱动六相马达和三相马达,其中第二组三相绕组与第二逆变器耦合。控制器与第一逆变器和第二逆变器耦合,并可以构造成控制第一逆变器和第二逆变器来实现在第一能量源、第二能量源、六相马达和三相马达之间的期望功率流。
一种方法用于控制使用包含第一逆变器和第二逆变器的双端逆变器系统的串联耦合的六相马达和三相马达。响应于判定对应于在六相马达中的命令扭矩的第一马达电流和对应于在三相马达中的命令扭矩的第二马达电流,该方法包括基于由第一逆变器驱动的六相马达每相的第一马达电流和三相马达每相的第二马达电流来判定第一电流。该方法进一步包括基于由第二逆变器驱动的六相马达每相的第一马达电流和三相马达每相的第二马达电流来判定第二电流,并调整双端逆变器系统的电压输出来在第一逆变器中产生第一电流并在第二逆变器中产生第二电流。
这些概述用于简单介绍发明理念的一部分,在下面的内容中将对其进行详细的说明。这些概述不是要确定发明的重要特征或者已经主张的主旨的基本特征,也不是用于帮助判定主张的主题的范围。
附图说明
对发明主题更加完整的理解可以通过结合参考附图从详细的说明和权利要求中获得,其中在附图中相同的附图标记表示相同的部件。
附图1是根据第一实施例的示例汽车的示意图。
附图2是根据第一实施例的双端逆变器系统的示意图。
附图3是在根据一个实施例的附图2中的双端逆变器系统中使用的第一马达的定子绕组结构的示意图。
附图4是根据一个实施例的操作附图2中的双端逆变器系统的控制系统的示意图。
附图5是根据一个实施例的使用双端逆变器系统操作串联耦合的双马达驱动的控制算法的流程图。
具体实施方式
下述具体说明本质上仅仅是作为示例性说明而不是对主题实施例的限制或者是对这样实施例的应用和使用的限制。如这里所使用,“示例”一词表示“作为举例、例子或者说明”。在此处作为示例的实施例不必解释为优选或者比其他的实施方式更具有优越性。此外,在前述的技术领域、背景技术、发明内容或者随后的详细说明中出现的任何表述的或者暗含的理论都不是起到限制的作用。
随后的说明涉及到的部件或者节点或者零件被相互“连接”或者“耦合”。如这里所使用,除非另有说明,“连接”表示一个部件/节点/零件与另外的一个部件/节点/零件直接结合(join)(或者直接联系(communicate)),并不一定是机械结合。同样的,除非采用其他的方式明确表述,“耦合”表示一个部件/节点/零件与另外的一个部件/节点/零件直接或者非直接结合(或者直接或非直接联系),而不一定是机械结合。因此,虽然这里显示的附图显示了部件的举例的布置,附加的中间(intervening)部件、装置、零件或者组件可以在已经说明的主题的实施例中出现。涉及到结构的“第一”、“第二”和其他这种数字并不说明一定的序列或者顺序,除非从上下文有明确的说明。
附图1中显示了根据本发明实施例的车辆或者汽车10。汽车10包括底盘12、车体14、四个车轮16和电控系统18。车体14布置在底盘12上并基本上包围汽车10的其他部件。车体14和底盘12可以结合形成车架。车轮16每个都可旋转的在车体14的各个角附近耦合到底盘12。
汽车10可以是很多不同类型汽车中的任一种,诸如,例如是轿车、货车、卡车或者运动型多功能车(SUV)、可以是两轮驱动(2WD)(即,后轮驱动或者前轮驱动)、四轮驱动(4WD)或者全轮驱动(AWD)。汽车10可以包括多个不同类型发动机(engine)中的任何一个或其组合,例如,汽油或者柴油内燃机、“柔性燃料车辆”(flex fuel vehicle,FFV)发动机(即使用汽油和酒精的混合物),气体混合物(例如氢气和天然气)燃料发动机、内燃(combustion)/电动马达混合动力发动机和电动马达。
在附图1所示的示例性的实施例中,汽车10进一步包括第一马达(motor)20(即,电动马达/发电机,牵引马达(traction motor)等)、第一能量源22、第二能量源24、功率逆变器组件26、散热器28。散热器28与车架在车架外面的部分连接,虽然没有详细显示,其包括多个包含冷却流体(即冷却剂,例如水或者乙二醇(ethylene glycol)(即防冻液))的冷却通道,并与功率逆变器组件26和第一马达20耦合。在一个实施例中,功率逆变器组件26接收并与第一马达20共享冷却剂。如附图1所示,第一马达20可以包括内置的传动装置,这样第一马达20和传动装置通过一个或者多个驱动轴30机械耦合到车轮16中的至少一些。
如所示,第一能量源22与第二能量源24可操作的联系(communication)和/或电耦合到电控制系统18和功率逆变器组件26。虽然没有显示,第一能量源22与第二能量源24可根据不同的实施例变化而具有相同或者不同的类型。在一个或者多个实施例中,第一能量源22与第二能量源24可以每个都包含电池(battery)、燃料电池(fuel cell)、超电容器(untracapacitor)或者其他适合的电压源。电池可以是任何适合在期望的应用中使用的电池类型,比如铅酸电池、锂离子电池、镍金属电池或者其他可以充电的电池。超电容器可以包括超级电容器(supercapacitor)、电化学双层电容器或者任何其他适合于期望的应用中具有较大的能量密度的电化学电容器。
汽车10进一步包括一个第二马达21,通过以合适的方式来构造马达20和21的定子绕组使第二马达21串联耦合到第一马达20。在一个示例性的实施例中,第二马达21是有大约第一马达20的额定功率10%的额定功率的低功率辅助马达。使用具有明显小于第一马达20的额定功率的第二马达21减小了第一马达20中的定子绕组的损失,这是串联结构的自然结果。虽然第二马达21可以具有大于10%的额定功率比,但是定子绕组的损失会增加到某点,在该点串联耦合的马达驱动就变得不实际。
参考附图1和2,在根据一个实施例的汽车10中双端逆变器系统32适合于驱动串联耦合的双马达驱动23。双端逆变器系统32包括第一马达20、第二马达21、第一能量源22、第二能量源24、功率逆变器组件26和控制器34。
在一个示例性的实施例中,第一马达20是多相交流(AC)马达,并包括第一组绕组(或线圈)36和第二组绕组37,其中每个绕组对应于第一马达20的一相。虽然没有显示,第一马达20包括定子组件(包括线圈)、转子组件(包括铁磁芯)、冷却流体(即,冷却剂),如本领域技术人员所熟知的那样。第一马达20可以是感应马达(induction motor)、永磁体马达或者适宜于期望应用的任何类型。
在一个示例性的实施例中,马达20是六相马达,具有第一组绕组36(相A-C)和第二组绕组37(相D-F)每个都与三相绕组结构相对应。第二马达21是具有对应于三相线圈结构(相a—c)的第三组绕组39的三相马达。绕组36、37和39之间的连接根据所期望的应用而变化,并如现有技术中可以理解的那样被延伸出来适应马达20和21中的附加相。
在一个附加实施例中,串联耦合的两马达驱动23通过连接与第二马达21的相a耦合的第一马达20的相A和D、连接与第二马达21的相b耦合的第一马达20的相B和E、连接与第二马达21的相c耦合的第一马达20的相C和F来产生。根据一个实施例,第三组绕组39可以通过连接不和第一马达20耦合的相a、b、c的端部来构造为Y型连接,形成中性点41。绕组36和37的(相A和D、B和E、C和F)连接可以通过内部连接这样减少第一马达20上的定子终端的数目。
参考附图3,马达20和21中的绕组36、37和39的绕组空间排列根据设计是可以变化的。在一个示例性的实施例中,第一马达20和第二马达21都是对称的。在一个示例性的实施例中,第一马达20是六相对称马达,任何两个连续定子相之间的空间间距(spatial displacement)是60°。在该例子中,相A和D间距180°,这样当马达20如附图2中那样耦合时,通量(flux)/扭矩产生的通过相A(iA-M1)的电流通过相D(iD-M1)返回,因此不会流到第二马达21(即电流在连接点消失并不流到相a)。这也适用于其他间距180°的相(B和E、C和F)。这种结构会导致在第一马达20中的扭矩产生电流不流过第二马达21。第二马达21可以是对称三相马达,这样连续定子相之间的间距就是现有技术中可以理解的120°。
参照附图2,功率逆变器组件26包括第一逆变器38和第二逆变器40,每个包括具有反平行(antiparallel)二极管(即与每个开关反平行)的六个开关(例如半导体装置,诸如晶体管和/或开关)。如所示,在逆变器38和40中的开关布置成三个支路(或对),支路42、44和46在第一逆变器38中,支路48、50和52在第二逆变器40中。
在一个示例性的实施例中,第一马达20的第一组绕组36的第一相(A)电连接在第一逆变器38的开关支路42的开关之间。第一组绕组36的第二相(B)连接在第一逆变器38的支路44的开关之间,第一组绕组36的第三相(C)连接在第一逆变器38的支路46的开关之间。类似的,第二组绕组37的相(D、E、F)可以如图连接到支路48、50和52的开关之间。
在这种结构中,能量源22和24具有不同的电压电平、额定功率和操作特征等,可以同时使用。相对于其他的逆变器系统将就具有了特别的优势,在其他的逆变器系统中作为实际的部件,能量源22和24是需要几乎相同。例如在本例子中,高压源(≥100V)可以同12V的电池同时驱动串联耦合的双马达驱动23。但是,在示例性的实施例中,能量源22和24具有类似的电压电平来实现在系统中的电流的最佳控制。串联耦合的双马达驱动23消除了用于驱动第二马达21的第三逆变器的需要。
继续参照附图2,双端逆变器系统32可以包括第一和第二电容器54和56各自与第一和第二能量源22和24并联连接来平滑操作中的电流波动。控制器34可操作地联系和/或电耦合到第一和第二逆变器38和40。控制器34响应于从汽车10的驾驶员获得的命令(也就是通过加速踏板)并向第一逆变器38和第二逆变器40提供命令,如将要说明的,来控制逆变器38和40的输出。
再次参照附图1,电子控制系统18可操作地与第一马达20、第二马达21、第一能量源22、第二能量源24、以及功率逆变器组件26联系。虽然没有进行详细的显示,电子控制系统18可以包括多种传感器和汽车控制模块,或者电子控制单元(ECU),例如逆变器控制模块(即,附图2所示的控制器34)和车辆控制器,以及至少一个处理器和/或包含存储(或者另外的计算机可以读取的介质)在其上的用于执行下述处理和方法的指令的储存器。
在一个示例性实施例的操作过程中,通过向具有第一马达20的车轮16提供功率来控制汽车10,第一马达20以交替的形式从第一能量源22和第二能量源24接收功率和/或同时从第一能量源22和第二能量源24。为了向第一马达20供电,DC功率从第一能量源22和第二能量源24分别向第一和第二逆变器38和40提供,它们将DC功率转换为AC功率,如现有技术中所知的那样。第一和第二逆变器38和40在绕组36和37(或者相)上产生AC电压。如通常所知,马达20的绕组36和37(图2)上需要的电压取决于速度、命令扭矩(commandedtorque)(即命令的同步架电流(frame current))和其他马达参数。
在一个示例性实施例中,第二马达21作为辅助低功率马达独立于第一马达20工作。能量源22和24以及逆变器38和40还基于速度、命令扭矩(即命令同步架电流)和下面所述的其他参数来给第二马达21供电。
附图4显示了根据本发明的示例性实施例的用于使用双端逆变系统32操作串联耦合的双马达驱动23的控制系统60。高频脉冲宽度调制(PWM)可以被控制器34所应用来调制和控制逆变器38和40并管理由逆变器38和40产生的电压。控制系统60包括第一和第二PWM块68和70、以及双端逆变器系统32。在马达20和21中产生命令扭矩的时候,控制器34提供控制算法来在第一和第二能量源22和24之间实现希望的功率流。虽然没有显示,控制系统60接收第一马达20的扭矩命令,从中控制器34可以判定第一能量源22(和/或第一逆变器38)和第二能量源24(和/或第二逆变器40)的功率命令,以及第一马达20中的绕组36和37的电流。
现在参考附图5,在一个示例性实施例中,控制器34可以构造为操作串联耦合的双马达驱动23。为了响应于扭矩命令产生命令扭矩,控制器34判定第一马达20的每相所需要的电流500。为了响应于第二马达21的扭矩命令产生命令扭矩,控制器34还判定第二马达21每相所需要的电流502。根据一个实施例,相应的扭矩命令可以通过电子控制系统18提供给控制器34。
基于马达20和21各自的扭矩命令,控制器34可以判定逆变器支路42、44、46、48、50和52的所需电流。第一逆变器38所需的电流是基于由第一逆变器38驱动的第一马达20的每相所需的电流和第二马达21的每相所需电流来判定的504。类似的,第二逆变器40所需的电流可以基于第二逆变器40驱动的第一马达20的每相所需的电流和第二马达21的每相所需电流来判定的506。
参考附图2和5,使用所示的绕组36、37和39的结构可以实现,使用现有技术中的矢量控制(vector control)和转子通量定位控制(rotor-flux-orientedcontrol)原则来对第一马达20和第二马达21进行单独或者去耦控制。在一个举例的例子中,第一马达20包括六相而第二马达21包括三相,每个逆变器38和40相支路42、44、46、48、50和52电流包括经过与各支路42、44、46、48、50和52耦合的第一马达20相的电流的和以及与经过与第一马达20相耦合的第二马达21的电流相应的因子(factor)。总之,可以采用下述的等式来进行判定:
iInv1N=iX_M1+α×iy_M2
iInv2N=iX_M1+(1-α)×iy_M2
其中iInv1N或者iInv2N是在涉及的逆变器相支路42、44、46、48、50和52中所需要的电流,iX_M1是与涉及的逆变器相支路42、44、46、48、50和52耦合的第一马达20中的相中所需要的电流,iy_M2是与第一马达中涉及的相耦合的第二马达21中的相中所需要的电流,α是基于在给定的实施例中的各个马达20和21中相的数目和结构的常数。
在附图2所示的一个示例性实施例中,其中第一马达20是对称的六相马达,第二马达是对称的三相马达,α等于0.5。逆变器38和40的电流这时候可以基于第一马达20和第二马达21所需要的电流使用以下的公式来确定:
iInv1A=iA_M1+0.5×ia_M2  iInv2A=iD_M1+0.5×ia_M2
iInv1B=iB_M1+0.5×ib_M2  iInv2B=iE_M1+0.5×ib_M2
iInv1C=iC_M1+0.5×ic_M2  iInv2C=iF_M1+0.5×ic_M2
根据一个实施例,控制器34可以调整双端逆变器系统32的输出电压来产生在第一逆变器38和第二逆变器40中的所需电流508。参考附图4,控制器34可以向第一和第二PWM块68和70提供调制电压信号v1 *和v2 *产生PWM信号来操作第一和第二逆变器38和40中的开关,来在第一马达20中的绕组36和37上施加希望的输出电压,如附图2所示,来以所需要的扭矩操作第一马达20和第二马达21。
如上所述,第一马达20的扭矩产生电流将在连接点消失并不流到第二马达21。在该示例性实施例中,向第二马达21提供的电流与第一马达20空间间距是180°,这样在第一马达20中的电流产生的磁动势(magnetomotiveforce)是零或者负的。总之,第二马达21的扭矩产生电流并不在第一马达20中产生通量或扭矩,第一马达20中的电流产生扭矩在相连接处总和为零。由此,马达20和21的控制可以使用独立的矢量控制或者其他现有技术可以理解的控制技术来去耦。
上述的系统和/或方法的优势是,用于采用不同能量源22和24向第一马达20供电的电系统被大大简化,因为不需要传统的DC/DC转换器。此外,系统不需要附加的逆变器和/或操作第二马达21的不同控制硬件和/或软件。虽然在第一马达20中的定子功率损失增加了,但是双端逆变器系统32,只要第二马达21与第一马达20的额度功率比低,就会导致与使用附加的逆变器来驱动第二马达21相比具有改进的操作效率。如上所述,第一马达20的性能并没有损害,因为命令扭矩将在第一马达20中被控制并产生。
其他的实施例也可以在不同类型的汽车、不同类型的车辆(例如船只和飞行器)或者在不同的电子系统中采用利用上述的系统和方法,因为其可以在任何两个源电压动态地在较宽的范围内变化的条件下使用。第一马达20、第二马达21和逆变器38和40可以具有不同的相数,这里所描述的系统不能被认为是限定为六相和三相的设计。其他形式的能量源22、24也可以使用,例如电流源和包括二极管整流器的负载、晶闸管变换器、燃料电池、电感、电容和/或上述的结合。
出于简化的目的,关于信号处理、数据传输、发射信号、网络控制和系统的其他功能方面(和系统的各自的操作部分)没有进行详细的说明。进一步,这里的各个附图中所示的连接线用于显示例举各种部件之间的功能关系和/或物理耦合。应当注意的是,很多的替换或者附加功能关系或者物理耦合可以在主题的实施例中出现。
当在前面的详细说明中已经出现了至少一个例举实施例的时候,应当理解存在很多的变型。应当理解的是,例举的实施例或者这里说明的实施例不是用于以任何方式限制所要求的主题的范围、应用或者特征。更合适地说,前面详细的说明是向本领域技术人员提供一种方便的途径来应用上述的实施例。应当理解,任何变化可以在不脱离权利要求设定的范围内在部件的功能和设置上得以实现,这些变化包括已知的等同物和实施本专利的时候可以预见的等同物。

Claims (8)

1.一种在具有第一能量源和第二能量源的车辆中使用的逆变器系统,包括:
六相马达,具有第一组三相绕组和第二组三相绕组;
三相马达,具有第三组三相绕组,其中,第三组三相绕组与第一组三相绕组和第二组三相绕组耦合;
第一逆变器,与第一能量源耦合并适于驱动六相马达和三相马达,其中第一组三相绕组与第一逆变器耦合;
第二逆变器,与第二能量源耦合并适于驱动六相马达和三相马达,其中第二组三相绕组与第二逆变器耦合;和
控制器,与第一逆变器和第二逆变器耦合,所述控制器被构造为控制第一逆变器和第二逆变器来实现在第一能量源、第二能量源、六相马达和三相马达之间期望的功率流,
其中第一能量源和第二能量源能具有不同的电压电平、额定功率和操作特征并能同时使用。
2.如权利要求1所述的逆变器系统,其中六相马达是对称的六相马达。
3.如权利要求2所述的逆变器系统,其中三相马达与六相马达耦合来产生串联耦合的双马达六相驱动。
4.如权利要求3所述的逆变器系统,其中六相马达具有第一额定功率,三相马达具有第二额定功率,第二额定功率与第一额定功率的比大约是10%。
5.如权利要求1所述的逆变器系统,其中控制器被构造为独立于六相马达的速度和扭矩,来控制三相马达的速度和扭矩。
6.一种用于使用双端逆变器系统来控制串联耦合的六相马达和三相马达的方法,该双端逆变器系统包括第一逆变器和第二逆变器,该方法包括:
响应于对于六相马达的第一命令扭矩判定所述六相马达的每相所需的第一马达电流;
响应于对于三相马达的第二命令扭矩判定所述三相马达的每相所需的第二马达电流;
基于由第一逆变器驱动的六相马达每相的第一马达电流和三相马达每相的第二马达电流来判定所述第一逆变器所需的第一电流; 
基于由第二逆变器驱动的六相马达每相的第一马达电流和三相马达每相的第二马达电流来判定所述第二逆变器所需的第二电流;和
通过操作所述第一逆变器和所述第二逆变器来调整双端逆变器系统的电压输出,以产生第一逆变器中的第一电流和第二逆变器中的第二电流。
7.如权利要求6所述的方法,其中判定第一逆变器的第一电流由下列等式确定:
iInv1A=iA_M1+0.5×ia_M2
其中iA_M1是六相马达的A相的第一马达电流,ia_M2是三相马达的a相的第二马达电流,
iInv1B=iB_M1+0.5×ib_M2
其中iB_M1是六相马达的B相的第一马达电流,ib_M2是三相马达的b相的第二马达电流,
iInv1C=iC_M1+0.5×ic_M2
其中iC_M1是六相马达的C相的第一马达电流,ic_M2是三相马达的c相的第二马达电流。
8.如权利要求7所述的方法,其中判定第二逆变器的第二电流由下列等式确定:
iInv2A=iD_M1+0.5×ia_M2
其中iD_M1是六相马达的D相的第一马达电流ia_M2是三相马达的a相的第二马达电流,
iInv2B=iE_M1+0.5×ib_M2
其中iE_M1是六相马达的E相的第一马达电流,ib_M2是三相马达的b相的第二马达电流,
iInv2C=iF_M1+0.5×ic_M2
其中iF_M1是六相马达的F相的第一马达电流ic_M2是三相马达的c相的第二马达电流。 
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