CN102371871B - 电加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于PTC的机动车加热装置，优选为具有电推力的机动车的加热装置，其中一个或多个辅助回路以被选择性地接入的方式连接至加热回路。以这种方式，存在多种可能性来进行对电动车是重要的能量管理的温度控制。

Description

电加热装置
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的电加热装置。具体地，本发明涉及一种以液体介质作为传热介质的适合于电动车和混合机动车的电加热装置。
背景技术
关于加热，对于以电驱动或混合驱动的机动车存在的问题在于，机动车的驱动单元不消耗充足的废热来用于加热或空气调节。因此，合适的机动车加热装置必须适合于为机动车内部提供用于加热所需的热量，以及提供用于机动车的各个系统部件中运行过程(例如以预热机动车的可充电电池为例)或至少支持机动车的各个系统部件中运行过程所需的热量。一种明显的方法是通过电气装置提供所需热量。在现有技术状态下，已知的是可使用所谓的电阻加热元件或者PTC(正温度系数)加热元件来达到该目的。他们是自动调节的，这是因为随着持续加热他们表现出越高的电阻，从而通过的电流量减少。因此，PTC加热元件的自动调节特性能够防止过度加热。
因此，PTC加热元件常常用在加热装置中，特别是用于加热机动车中的机动车乘客室，其中机动车的驱动不会产生用于机动车乘客室的空气调节或加热系统的足够多的过程热。在混合机动车中，PTC加热装置还可以在内燃机不运行期间(例如在交通信号灯或交通堵塞时)用作备用加热器。
当在具有电推力的机动车中利用电加热元件时，存在的另一个问题是，机动车的电池(蓄电池)作为既用于提供牵引力的机动车驱动也用于加热的能量源。这样，机动车驱动和加热就会在电池的两个充电过程间争夺可利用的有限量的能量。换言之，在两个电池充电器间，随着电能用于电加热，机动车的运行范围就会减小。
因此，在电动车或混合机动车中，考虑到驱动、加热以及其他部分(如，照明)消耗电力，一个健全的深思熟虑的能量管理思想起着重要的作用。能量管理的一个重要方面是使用机动车内不是基于电池电能的附加能源。机动车内可利用的这种性质的资源具体表现为来自机动车的一些组件的废热的形式。产生以废热形式可利用的附加能量的组件包括混合机动车的附加内燃机(增程器)、制动器以及机动车电池本身或者内置电池充电器(车载充电器)。因此，期望在能量管理系统的范围内尽可能地利用机动车内产生的废热来用于加热，以延长运行范围。利用PTC加热，机动车乘客室中的空气借助于PTC电阻加热元件(空气加热器)直接或通过其中热的液体流过散热器的回路间接地被加热。优选地，使用水作为该液体(热水加热)。对于能量管理系统，热水加热具有的优势在于，由机动车的一个区域(冷却回路)中的水吸收的废热可通过冷却和加热回路来用于另一位置的加热。
然而，应当注意，来自机动车组件的废热通常只是暂时可用的。因而，混合机动车上的附加内燃机只在其运行时提供废热。制动提供大量的废热，尤其是在很长的下坡路段期间。至于机动车电池，它必须是首先通过预热达到要求的运行温度，然后在运行操作期间冷却的这样的情形。因此，加热与冷却回路的组合尤其存在的劣势在于，如果缺少废热，循环中大量冷的冷却剂的存在阻止了有效加热，从而给电能消耗和运行范围带来负面影响。
发明内容
本发明的目标是提供一种有利于有效能量管理的机动车加热装置，具体为具有电推力的机动车的加热装置。
通过具有权利要求1所述特征的加热装置实现了该目标。
根据本发明，提供一种机动车的加热装置，具有为具有电推力的机动车的电加热装置。使用液体介质作为该加热装置的传热介质。该加热装置包括具有液体介质作为传热介质的加热回路。此外，该加热装置包括配置在加热回路中用于加热液体介质的电PTC加热元件。此外，该加热装置包括具有独立热源的辅助回路，该辅助回路能够被选择性地接入加热回路。
本发明的特别方法是，加热装置配置有电PTC加热元件，使得可利用的附加热源能够用于有效的能源管理。能够被选择性地接入的辅助回路实现了这一点，它使得来自电加热元件的热量可独立地使用。根据加热要求和运行条件，通过控制辅助回路的接入和断开，辅助回路可用于能量管理。
该加热装置还可以包括用以控制PTC加热元件的控制装置。这使得PTC加热元件能够被控制为其承担着总加热功率(heating power)中借助于辅助回路不能提供的部分。这样便实现了尽可能地从非电能源提供加热，特别是从废热提供加热。当来自其他热源的热量不够时使用电加热。
辅助回路的选择性接入可被控制为首先通过接入辅助回路来满足加热装置的热量需求。辅助回路被控制为当加热装置具有的热量需求可由辅助回路满足时将辅助回路接入。根据优选的实施方式，借助于阀门来进行辅助回路的选择性接入。
此外，该加热装置另外可包括用以使加热回路里的液体介质循环的泵。加热回路中液体介质的循环用于传递由电加热元件及适用情况下其他热源提供的热量。根据要求可只开启或关闭泵或者通过另外地控制泵的功率可以实现这一情况。通常适用以下情况：加热功率越高，回路的流速一定越快。加热功率要求越高时，更多的热量就能够以更高的旋转速度被传递。
辅助回路的独立加热源可以是机动车某一组件的废热。以此方式，可以有效地利用现有热量，要不然就会被无用的浪费。因此，机动车的某一组件或区域的冷却可以与机动车的另一组件或区域的加热相连。利用此来节约电动车的能量从而增加机动车的运行范围。热量可由混合机动车的内燃机提供。这种性质的内燃机具体是所谓的“增程器(range extender)”，特别是在比较长的行程时将其接入以增加运行范围。这种性质的增程器具体用于串行混合设计，其中，内燃机(增程器)产生电能，通过发电机可直接用于机动车驱动，也可间接用于电池充电。通过选择性地接入可实现组合。另外，增程器还可以通过离合器接入而作为用于机动车推动的直接驱动(并行混合设计)。
供给辅助回路的另一可想到的热源是来自制动器的废热，尤其是在很长的下坡路段，以及来自机动车电池的废热。利用用于电动车和混合机动车的机动车电池，在几百伏特(例如300V、380V或500V)的机动车高压范围下，运行过程中电池的持续冷却起着重要作用。另一方面，机动车运行时，首要的是将冷却的电池预热到一定的运行温度。例如，在本发明范围内，首先可通过使用阀门控制辅助回路来预热电池，而当它达到运行温度时，电池废热将用于加热机动车乘客室。
在根据本发明的加热装置的机动车构造中，包括能够被选择性地接入的另一辅助回路。
该加热装置还包括配置在加热回路中的温度探测器(温度传感器)，其中将该加热装置控制为由温度探测器测定的温度被调节到特定的温度目标值。另外，控制装置包括比较器，用以比较由温度探测器测定的温度和温度目标值。在根据本发明的能量管理系统的框架内，如果要提高温度，首先要对辅助回路是否能够提供足够的热水进行状态检查。仅当它不够时，才会增加PTC的功率。至于要降低温度的情形，首先要降低PTC的加热功率，然后根据需要从辅助回路供应冷水以用于快速冷却。
此外，当辅助回路不能产生可用于加热的热量时可将其断开。在必须要求电加热进行加热时这一点尤其重要。在机动车处于冷却状态时，例如在一段行程开始之前，循环中初始要被加热的冷水越少，加热越快。
在根据本发明的加热装置中，根据预定的加热功率控制PTC加热元件。另外，这里预定的加热功率等于需要的总加热功率与辅助回路能够满足的加热功率间的差值。
根据实施方式，一个或多个PTC加热元件、控制装置、用于将一个或多个辅助回路接入或断开的阀门以及用于使液体介质循环的泵配置在共同的壳体内。这种性质的构造形式有利于特定的小型加热装置，具体来说，其中控制所需要的元件结合在加热装置内，使得它们可利用的处理器能力被选择性地利用并且单独的控制单元就成为多余的。这有利高度集成并降低了控制的整体复杂性。
优选地，使用水作为液体介质(传热介质)。
本发明的其他具有优势的实施方式是所附权利要求书的主题。
附图说明
下文将基于附图描述本发明，附图中：
图1示出了根据本发明的具有辅助回路的加热装置的加热回路，其中，
图1A示出了辅助回路与加热回路断开的状态，以及
图1B示出了开启的辅助回路(包含在加热回路中)的状态；
图2示出了根据本发明的具有另一辅助回路的加热回路的表示；
图3示出了根据本发明的加热装置的控制思想的示意性表示；
图4示出了根据本发明的加热装置的控制的实施方式的流程图；以及
图5示出了根据本发明的加热装置的控制示例的另一流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种机动车加热器，该机动车加热器可形成为热水加热器并包括一个或多个PTC加热元件。如果存在多个加热元件，则他们可被组合而形成一个或多个加热台，这样加热台的多个加热元件就被共同控制。例如，可通过脉冲宽度调制(PWM)来进行控制。此外，可以进行多个二元加热台的组合，其中使用PWM能够准连续地或以微小的间隙对其进行调整。因而，利用微小的间隙调整能够实现将自动高压范围内出现的诸如EMC(电磁兼容性)干扰的非期望侧边影响最小化。
根据本发明的加热装置有利于机动车乘客室的加热，在适用情况下，还可以使用电能(通过PTC加热元件)之外的其他热源(优选为非电力的)。此外，后者可以包括来自需要冷却的机动车组件的废热以及以其他方式要丢掉或无用的废热。为了实现此，根据本发明的加热装置除了包括主回路(加热回路)之外，还包括一个或多个能够被选择性接入的辅助回路。借助于合适的控制装置，可实现选择性接入或断开，使得加热装置支持机动车的有效能量管理。在这方面，实现了在从其他资源不能获得足够的热量时才利用电发热能量。这有助于电能的有效利用以及尽可能地增大机动车的范围(运行范围)。
为了减少用于控制的通常费用，可以为在任何情况下用于控制电加热装置都是必要的处理器能力分配向辅助回路提供控制的附加任务。
图1示意性地示出了根据本发明的具有加热回路(主回路)2和辅助回路3的加热装置的构造实例。图1A示出了辅助回路处于与主回路断开的状态，及图1B示出了开启的辅助回路，使得液体传热介质(下文指定水作为示例)流过辅助回路3。
加热装置1包括通过3/2路阀门40a和40b相连的主回路2和辅助回路3。
回路中的箭头表示水在回路中流动。为机动车的安全起见，最高水温优选为60℃。
在主回路中，还包括PTC加热元件20、散热器(热交换器)30和泵60。在此处所示出的优选实施方式中，阀门40a和40b配置在加热回路2中相对于PTC加热器20位于流动的相反方向的一部分中。然而，另一配置也是可行的。在优选实施方式中，配置在辅助回路中的附加热源50是混合机动车的附加内燃机(增程器)。
PTC加热元件20的电力供应由机动车电池10提供，机动车电池10还负责机动车的牵引(推进)。在热交换器(散热器)30中，热量从水分散到周围空气中。散热器30可以配置成将例如机动车的乘客室内的空气直接加热。可替换地，例如通过鼓风机吹入机动车乘客室中的空气可被加热。此外，可以借助于多个散热器来实现内部空气直接加热和间接加热的结合。优选以电方式驱动的泵6维持回路中水的循环。根据对阀门40a和40b的控制，回路中水的流动要么直接流过阀门40a和40b之间的主回路的短部分，要么另一方面通过所包含的辅助回路3(图1B)。如图1B所示，水从在辅助回路3方向打开的阀门40a开始流动，首先经过辅助回路到达增程器50。这里，水可以吸收来自增程器的废热，优选地借助于其他增程器(图中未示出)。然后水经由被适宜地启动的阀门40b流过辅助回路3而回到主回路。
在辅助回路中还可以配置一另一热源来取代增程器50，并与电PTC加热分开。例如，借助于合适的热交换装置，来自制动器的废热例如可通过流过辅助回路的水带走。
为了将加热装置1包含在电动车或混合机动车的整个能量管理系统中，至少需要适当地控制PTC加热元件20和阀门40a和40b。参照图3和图5进一步详细地说明该控制思想和相应的控制装置(图1中未示出)。泵60也可以由该控制装置控制，其中只能控制泵的开启/关闭或者还有泵的功率(取决于旋转速度)。从机械构造的观点来看，如果PTC加热器与阀门、泵及控制装置结合到一个单个壳体内，这是具有优势的。这样节省空间并且尤其是有成本效益的。
此外，在本发明的思想范围内，通过能够被选择性地接入的其他辅助回路来向机动车的一些区域提供热量(可选地，包括在加热回路中的)是可行的。用于连接这种性质的可选辅助回路的阀门优选配置在从电PTC加热装置看为水流的方向。
在图2中，随同通过对阀门40a和40b的控制能够被选择性接入的辅助回路3一起，示出了借助于3/2-路阀门40c和40d能够被选择性接入的第二辅助回路3a。在图2中所示的示例中，辅助回路3a在机动车电池10的附近运行。这种性质的辅助回路能够实现两个作用：
一方面，辅助回路3a可用于将电池预热到电池达到其运行温度。为此目的，通过对阀门40c和40d的适当的控制而使辅助回路3a包含在加热回路中，并且其中流过被PTC加热元件20加热的水。在预热电池阶段，优选将阀门40a和40b控制为增程器的辅助回路3处于断开状态。由于在机动车运行之前辅助回路3不能提供任何热量，所以为了快速有效地将加热回路中的水加热，有利的是断开辅助回路3，以减少循环水量。
此外，可替换地，还可以提供散热器30以加热位于回路中一部分的机动车乘客室，该回路通过合适的阀门(图2中未示出)也能够被选择性地接入。利用这种性质的实施方式，特别是为了快速加热电池，首先可以将散热器30从加热回路移除，然后优选一旦电池达到其运行温度，再将散热器接入。同时可以断开辅助回路3a。
另一方面，回路3a还可以以与图2中左边所示的辅助回路3相同的方式用作附加的热源。这里，电池10的运行期间所产生的电池废热可以被用作单独的热源。为此目的，一旦电池达到其运行温度，辅助回路3a就不与回路的其他部分分开，或者根据要求在运行操作期间一段时间后再次接入。
图3示出了根据本发明实施方式的加热装置的控制思想的概述。本发明的重要优势在于，用于控制阀门和泵的控制装置可以结合到在任何情况下都存在于高压(HV)PTC加热器20中的控制电子器件中。换句话说，已存在于PTC加热器中的控制电子器件的处理器能力被分配有附加任务，例如控制泵60和阀门(图3中由3/2路阀门40a和40b表示)。为此目的，除了高压连接(由HV插头22表示)之外，HV PTC加热器还具有机动车低压范围(LV-低压-由LV插头24表示)的连接。一方面，这些连接用于向HV PTC 20外部的元件(泵和阀门)传输控制数据。另一方面，控制数据通过这些连接被传输到控制装置。在所示的图中，将机动车的空气调节操作面板70示为示例性数据源。以此方式，例如，使用者就可以输入对期望温度的要求或者功率要求。优选经由机动车总线(图3中由LIN总线表示)进行数据通信。然而，本发明并不局限于某些接口格式。也可以使用其他总线系统，诸如以CAN总线系统为例。经由低压范围下的控制连接(优选经由机动车总线系统)，用于控制加热装置的其他相关数据可通信至结合于HV PTC 20中的控制装置。例如，这涉及到由加热回路或机动车其他位置处的温度测定装置(温度传感器)所确定的数据的提供。可替换地或另外，关于能够被选择性接入的某些辅助回路中的热能(例如，来自废热)的可利用率，数据可以通过机动车总线和LV插头24通信到控制装置。
以下将基于图4和图5中的流程图描述作为示例的根据本发明的加热装置的控制的实施方式。
图4示出了测定温度被调整到特定温度目标值的处理示例。在这方面，测定温度可以是由加热回路某位置处的温度探测器获得的温度。这里，从流程方向看，温度探测器优选配置在PTC加热装置后面。然而，其他配置也是可行的。
可替换地，可以包括由加热装置加热的并在机动车某区域测得的温度。例如，这可以是机动车乘客室。然而，也可以是在机动车的另一区域(诸如以在机动车电池(蓄电池)的区域为例)处的温度。
在方法的第一步骤(S10)中，定义温度目标值TSET。这可以借助于空气调节操作面板70由操作者(驾驶员或车主)来完成。在方法的第二步骤(S20)中，结合到HV PTC加热装置20中的控制电子器件检查由温度探测器当前测定的温度TACTUAL是否低于温度目标值。如果测定的温度值低于特定的温度目标值(S20：是)，则该方法移动到步骤S30。
在步骤S30中，控制电子器件执行断开的辅助回路是否能够提供附加的热量的评估。通过机动车总线，这种性质的信息可被控制装置所利用。例如，通过增程器的温度，控制装置具有关于增程器(混合机动车的附加内燃机)的可利用预热的可利用信息。类似地，关于用于提供热量的其他热源(诸如以制动器或机动车电池为例)的合适的信息基于他们的温度是可被利用的。
在断开的辅助回路能够提供热量(S30：是)的情况下，在接下来的步骤(S40)中，通过适当地控制阀门来将相关辅助回路接入。然后该方法进行到步骤S60。在步骤S60中，控制电子器件评估辅助回路是否能够提供足够的热量来使温度达到温度目标值TSET。如果评估是肯定的(S60：是)，则根据图4该方法结束。如由箭头(S60：是-＞S20)所示，处理循环然后从起点开始。在另一情况(S60：否)下，在下一步骤(S50)中，增加PTC加热装置的加热功率。
可选地，如果步骤S30中的评估表示当前的断开辅助回路不能够提供附加热量(S30：否)，于是该方法直接移动到步骤S50。在步骤S50中，通过控制装置增加PTC加热功率。
此外，如果在评估步骤S20中发现，当前测定的温度不低于温度目标值(S20：否)，则该方法首先继续到评估步骤S70。在步骤S70中，评估当前温度是否高于温度目标值。如果不是这种情况(S70：否)，即当前温度(在适当的特定误差范围内)等于温度目标值，则根据图4的流程图该方法终止，然后循环重新从步骤S20开始。
在另一种情况(S70：是)下，即当测定的温度高于温度目标值时，该方法进行到步骤S75。在步骤S75中，控制装置评估PTC加热装置当前是否在提供热量。如果PTC加热装置当前正在提供热量(S75：是)，则方法进行到步骤S90。在步骤S90中，控制装置评估当前断开的辅助回路(其可向加热回路提供冷水)是否存在。如果不是这种情况(S90：否)，则根据图4中的流程图该方法终止。在另一种情况(S90：是)下，首先将所有可提供冷水的辅助回路接入(步骤S100)。这样便实现了快速冷却(使温度实际值与温度目标值相等)。
如果在评估步骤S75中，评估当前的热量是由PTC加热装置提供的(S75：否)，则在接下来的步骤S80中首先将PTC加热功率降低。然后该方法返回到判定步骤S20，并进一步检查获得的PTC加热功率的降低量是否足以使测定温度等于温度目标值。
相应地，该方法沿着图4中所示的循环继续重复，起始于评估步骤S20。可替换地，还可以以特定的有规律的间隔根据步骤S20以及在可应用的情况下根据步骤70执行评估。这就产生了在通过该循环一段的结束与通过循环S20的下一段的开始之间的相应等待期。根据图4，该方法以步骤S10重新开始，并重新定义特定的目标温度TSET。
在本发明范围内，图4中所示的顺序的其他修改作为示例是可行的。例如，可首先执行步骤S70来评估是否TACTUAL＞TSET，然后在否定情况下，该方法继续到步骤20。
代替温度(TSET)，另一选择是指定要获得的加热功率。首先评估哪个加热功率部分的要求可以通过辅助回路从非电力热源提供，然后对包括PTC加热装置20的加热装置和辅助回路3，3a进行控制。在能量管理范围内，PTC加热的使用仅限于从其他热源不能提供的剩余部分。最后，功率指标(power specification)也可能源于由控制电子器件转换成功率指标的温度指标。
下文将参考图5中的流程图描述按照根据本发明加热装置的控制的另一实施方式的方法。
在使机动车在长期停止后运行时，根据图5的方法以步骤S200开始，在该步骤中，开启PTC加热装置20，并然后通过适当地控制阀门40c和40d(参考图2)接入电池辅助回路3a，以对机动车电池10进行预热。由于机动车处于停止状态时，不能从附加的热源(例如废热)获得热能，所以用于连接其他辅助回路(例如以增程器50的辅助回路3为例)的阀门的状态优选处于关闭状态。这样，可以实现水的快速循环以及因此实现电池的快速预热。
然后，在评估步骤S210中，评估是否达到机动车电池10的运行温度。只要尚未达到电池10的运行温度(S210：否)，加热装置的状态就保持不变(循环S210：否-＞S210)。
当已达到电池运行温度时(S210：是)，该方法继续到步骤S220。在步骤S220中，由于阀门40c和40d的状态被适当地改变，所以最初电池辅助回路3a是断开的。然后在步骤S230中，控制装置评估循环中是否需要附加的热量以及电池的辅助回路3a是否能够提供废热。例如，如图4中所示，作为示例，这种性质的评估可发生在能量管理范围内。可替换地，该评估还可以根据不同的标准实施，例如，基于某一加热功率规范。
只要没有电池废热是可利用的或没有加热所需要的电池废热(S230：否)，加热装置的状态就保持不变。否则(S230：是)，在步骤S240中，通过适宜地控制阀门40c和40d，控制装置再将电池辅助回路3a接入。
如所附权利要求书中所限定的，本发明并不局限于以上详述的实施方式。具体来说，只要不导致冲突，可将一些实施方式的各个特征组合。
总之，本发明涉及一种基于PTC的机动车加热装置，优选地是具有电推力的机动车的加热装置，其中一个或多个辅助回路以选择性接入的方式连接至加热回路。以这种方式，存在多种可能性来进行对电动车是重要的能量管理的温度控制。

Claims (13)

1.一种用于机动车的加热装置，其中液体介质用作传热介质，所述加热装置包括：
加热回路(2)，使用液体介质作为传热介质，
电PTC加热元件(20)，配置在加热回路(2)中用以加热所述液体介质，以及
辅助回路(3,3a)，具有独立的热源(10,50)，所述热源能够被选择性地接入所述加热回路中，
其中还包括用于控制所述PTC加热元件(20)的控制装置(25)，其中所述PTC加热元件(20)被控制为贡献总加热功率中所述辅助回路(3,3a)不能提供的部分，并且
其中，根据预定的加热功率控制所述PTC加热元件(20)，
以及其中，所述预定加热功率等于需要的总加热功率与由辅助回路(3,3a)能够满足的加热功率之间的差值。
2.根据权利要求1所述的加热装置，利用用于控制所述辅助回路(3,3a)的选择性接入的控制装置，使得首先通过接入所述辅助回路(3,3a)来满足所述加热装置的加热需求。
3.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述辅助回路(3,3a)的选择性接入借助于阀门(40a,40b,40c,40d)来实现。
4.根据权利要求1所述的加热装置，还包括用以使所述加热回路(2)中的所述液体介质循环的泵(60)。
5.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述辅助回路(3,3a)的所述独立的热源(10,50)是由机动车组件的废热提供的。
6.根据权利要求5所述的加热装置，其中，所述废热能够从混合机动车的增程器内燃机(50)来获得。
7.根据权利要求1所述的加热装置，还包括配置在所述加热回路(2)中的温度探测器，其中，所述加热装置被控制为由所述温度探测器测定的温度被调整为特定温度目标值。
8.根据权利要求1所述的加热装置，其中，在所述辅助回路(3,3a)不能为加热提供热量时，所述辅助回路(3,3a)被断开。
9.根据权利要求1所述的加热装置，还包括至少一个能够被选择性地接入的辅助回路(3,3a)。
10.根据权利要求1所述的加热装置，其中，在所述加热回路(2)中的温度要降低时，接入辅助回路(3,3a)，并且所接入的所述辅助回路(3,3a)中的液体介质比所述加热回路(2)中的温度低。
11.根据权利要求9所述的加热装置，其中，能够被选择性地接入的辅助回路(3,3a)被形成为特别用于加热所述机动车的某一区域或某一组件。
12.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述PTC加热元件(20)、控制装置(25)、用于使所述辅助回路(3,3a)接入和断开的阀门(40a,40b,40c,40d)以及用于使液体介质循环的泵(60)配置在共同的壳体内。
13.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述机动车是具有电推力的机动车。
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