CN102455410A - 蓄电池组远程放电控制系统、监控单元装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓄电池组远程放电控制系统、监控单元装置及检测方法,所述检测方法包括:在蓄电池组的放电过程中,同时进行以下操作:采集记录蓄电池组的单体电压、总电压、放电电流以及标示温度,据此绘制本次放电曲线;实时计算蓄电池组在当前标示温度下放出的容量,并将该容量值换算为基准温度下的容量值;比较本次放电曲线和相同负载下绘制的历史放电曲线以实时更新蓄电池组的老化率;在放电结束时计算本次测试开始时蓄电池组的实际总容量,再根据该实际总容量、本次放电曲线、放出的容量信息计算得到所需的检测数据。采用本发明,可进行远程放电测试,能够迅速地查询蓄电池组的测试数据,克服了蓄电池组的老化问题,提高了估算的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域,尤其涉及一种蓄电池组远程放电控制系统、蓄电池组监控单元装置以及蓄电池组的在线检测方法。
背景技术
蓄电池组作为通信行业中基站、机房的后备电源供电系统,起到非常重要的作用,其保证了通信设备的不间断工作。因此对蓄电池组的监控和维护,从而保障整个通信系统的可靠性,具有非常重大的意义。
蓄电池的管理和维护工作是十分费时费力的事情,蓄电池没有经过较好的维护,往往会提前进入报废期。目前蓄电池的维护需要维护人员亲自到现场进行放电测试,检测故障电池,大大消耗了人力、时间。因此对蓄电池的智能化维护和管理显得尤为重要。
在市电故障的情况下,运维人员需要掌握蓄电池组可利用的放电时间,提前做好防掉电准备。预知放电时间需要准确预知蓄电池组的当前放电剩余容量。
当前剩余容量估算的方法公开的有多种。有一种需要通过大电流来放电测试,通过获取的电压值与原来存储的标准值比较,从而获取对应的蓄电池组的剩余容量。但是该方法需要将蓄电池组脱离实际负载来进行测试,比较麻烦;而且随着电池使用年限的增多,电池的性能就会偏离原来的标准曲线对应的容量关系值,这样累积误差会越来越大,精度难以保证。
内阻法来测量单体对应的容量,内阻与容量并没有严格的线性关系,只是具有一定的相关性。内阻测量需要逐个检测单体,费时费力。检测的结果与人为的因素关系比较密切,操作不当就会误判为故障电池。而实际的故障电池从严格意义上来讲,需要通过放电过程准确检测,从而知道实际容量。
专利号WO97.41448估算蓄电池的剩余容量,通过获取3条不同负载电流下的放电曲线,进行归一化处理,得到不同负载电流下的电压-容量的对应关系。在实际放电的过程中,根据负载电流的范围选择最接近的已知电流曲线,按照线性内插的方法得出电压-剩余容量的对应关系,从而估算出剩余容量。该方法首先要获得大量的曲线数据进行存储,获取数据复杂;通过内插法进行估算依据选择的放电曲线,本身就存在的误差较大。另外由于该专利没有考虑蓄电池的老化,所以其所测到的数据随着蓄电池使用年限的增加误差会越来越大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蓄电池组远程放电控制系统,可对蓄电池组放电测试进行远程控制,能够快速查询蓄电池组的相关信息,为维护提供更可靠依据。
本发明的另一目的在于提供一种蓄电池组监控单元装置以及蓄电池组的在线测试方法,能够方便、快速、准确地估算出蓄电池组的剩余容量。
本发明实施例是这样实现的,一种蓄电池组监控单元装置,包括依次连接的采集接口防雷单元、多路开关单元、用以进行信号放大处理的信号调理电路、用以进行模数转换处理的A/D采集转换电路、CPU处理器单元、通信接口单元,还包括驱动电路、温度传感器单元和电流传感器单元;其中,
所述驱动电路,连接于CPU处理器单元与多路开关单元之间,用于实现CPU处理器单元与多路开关单元的接口;
所述温度传感器单元和电流传感器单元均与蓄电池组连接,分别用以采集蓄电池组的标示温度和放电电流;
所述采集接口防雷单元,同时与温度传感器单元、电流传感器单元、蓄电池组的电压采集端口连接,用以对采集接口进行防雷保护并将来自电流传感器单元、电压采集端口和温度传感器单元的模拟信号传输至多路开关单元;
所述多路开关单元,由CPU处理器单元通过驱动电路进行控制,将所述模拟信号分时传输至信号调理电路,经信号调理电路、A/D采集转换电路处理后传输至CPU处理器单元;
所述CPU处理器单元,用以根据采集数据(即从所接收到的模拟信号中获取,包括温度传感器单元所采集的标示温度、电流传感器单元所采集的放电电流、以及蓄电池组的单体电压和总电压)绘制本次放电曲线,通过对比本次放电曲线和相同负载下绘制的历史放电曲线以计算得出蓄电池组的老化率,再根据老化率、历史放电曲线以及本次放电曲线计算得出所需的测试数据,并将测试数据通过通讯接口单元上报。
其中,所述信号调理电路包括:
信号放大电路,用于将多路开关单元输出的模拟信号放大至A/D转换器的输入电压范围内;
信号隔离电路,用于实现信号放大电路输出的模拟信号与后级电路的隔离;
低通滤波电路,用于滤除信号隔离电路输出的模拟信号中的高频成分。
一种蓄电池组远程放电控制系统,包括:网管中心、协议转换控制器、开关电源以及如上所述的蓄电池组监控单元装置,其中,
所述网管中心,用于负责向协议转换控制器发送携带放电截止条件信息的启动远程放电测试命令,以及接收协议转换控制器上报的测试数据并显示;
所述协议转换控制器,用于在接收到启动远程放电测试命令时向开关电源发送放电开始命令,并根据放电截止条件向开关电源发送放电结束命令;接收蓄电池组监控单元装置上报的测试数据并将其转发给网管中心;
所述开关电源,用于根据放电开始/结束命令控制蓄电池组的放电过程;
所述蓄电池组监控单元装置,用于在蓄电池组的放电过程中,采集记录蓄电池组的单体电压、总电压、放电电流以及标示温度并实时上报,据此绘制本次放电曲线、实时计算蓄电池组在当前标示温度下放出的容量并将该容量值换算为基准温度下的容量值,同时,比较本次放电曲线和相同负载下绘制的历史放电曲线以实时更新计算蓄电池组的老化率;在放电结束时根据最终更新的老化率、历史放电曲线对应的蓄电池组总容量以及本次放电曲线计算得出所需的测试数据,并将测试数据上报给协议转换控制器。
其中,所述网管中心与协议转换控制器之间采用2M时隙网/IP网络传输方式或者无线传输方式进行通信。
其中,所述协议转换控制器与蓄电池组监控单元装置之间采用RS232/422/485串行方式或者无线传输方式进行通信。
一种蓄电池组的在线检测方法,所测试数据包括蓄电池组的剩余容量,该方法包括:
启动待检测的蓄电池组的放电过程;
在蓄电池组的放电过程中,同时进行以下操作:采集记录蓄电池组的单体电压、总电压、放电电流以及标示温度,据此绘制反映总电压和放电电流关系的本次放电曲线;实时计算蓄电池组在当前标示温度下放出的容量,并将该容量值换算为基准温度下的容量值;比较本次放电曲线和相同负载下绘制的放电深度最深的历史放电曲线以实时计算并更新蓄电池组的老化率;
在放电结束时根据最终更新的老化率、历史放电曲线对应的蓄电池组总容量计算本次测试开始时蓄电池组的实际总容量,再根据该实际总容量、本次放电曲线、放出的容量信息计算得到所需的测试数据。
其中,在所述放电过程中,控制蓄电池组的放电深度大于15%。
其中,在蓄电池组的放电过程中,每隔预设的放电时间间隔或者总电压每下降预设的幅度时,按照公式计算蓄电池组的老化率;其中,C1为当前总电压V/放电时间T下本次蓄电池组在基准温度下放出的容量值,C2为该电压V/放电时间T下历史数据中查得的蓄电池组在基准温度下放出的容量值。
其中,所述蓄电池组的剩余容量的计算方法为:
本发明实施例与现有技术相比,有益效果在于:
1)采用本发明,维护人员可对蓄电池组进行远程放电测试,不仅简单方便,不用脱离负载来进行测试,而且能够迅速地查询蓄电池组的各种测试数据,为维护提供了可靠的依据;
2)本发明所提供的测试数据的估算方法简单快速,而且克服了蓄电池组的老化问题,提高了估算的精确度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的蓄电池组监控单元装置结构图。
图2是本发明实施例提供的信号调理电路的组成框图。
图3是本发明实施例提供的信号隔离电路的组成框图。
图4是本发明实施例提供的蓄电池组远程放电控制系统结构示意图。
图5是本发明实施例提供的蓄电池组放电剩余容量的在线测试方法流程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图1所示的蓄电池组监控单元装置030的结构框图。本实施例中,蓄电池组监控单元装置030包括:采集接口防雷单元130、温度传感器单元110、电流传感器单元120、多路开关单元140、驱动电路170、信号调理电路150、A/D采集转换电路160、CPU处理器单元180、通信接口单元190、供电单元200。其各个组成部分的功能分别如下所述。
温度传感器单元110:用来贴在蓄电池组的单体表面上,测量其标示温度;可采用专用的集成温度传感器,例如数字单总线温度传感器DS1820(此时输出的信号为数字信号,则可直接输出给CPU处理器单元180进行处理),也可以使用模拟温度传感器AD590(此时输出的信号为模拟信号,则需经信号调理电路150和A/D采集转换电路160处理后再传输给CPU处理器单元180,图1中以此连接方式为例)等。
电流传感器单元120:用来测量蓄电池组的充放电电流值;采用霍尔电流传感器,在应用时安装于蓄电池组的母线排连接线缆上。
采集接口防雷单元130:直接与蓄电池组的电压采集端口相连接,还与温度传感器单元110、电流传感器单元120的信号输出端口连接;主要是对设备硬件内部电路进行保护,防止因遭受雷击而损害设备,可采用的保护器件有PTC热敏电阻、大功率电阻、压敏电阻、放电管的组合,能够有效防止外部高压、大电流所造成的损害;在应用时,采集接口防雷单元130若采用大功率电阻与压敏电阻的组合,则与单体电压测量端口连接,该电阻的阻值大概5Ω~50Ω之间,这样既保证了采集信号的精度,又起到了很好的防雷效果。;
驱动电路170:实现CPU处理器单元180与多路开关单元140的接口,增强CPU处理器单元180对多路开关单元140的驱动能力。
多路开关单元140:由CPU处理器单元180通过驱动电路170进行控制,将各种模拟信号分时输出到后级的信号调理电路150;多路开关单元140由光电继电器开关和模拟开关组合,光电继电器开关实现了模拟信号与数字控制信号的隔离。
信号调理电路150:实现把外部输入的模拟信号调整到A/D转换器所要求的采集电压范围之内,可以在0~5V范围之内。
A/D采集转换电路160:用于将模拟信号转变成数字信号,由CPU处理器单元180来读取该数字信号数据并进行处理;A/D采集转换电路160采用分辨率位数较高的器件,保证了转换的精度。
CPU处理器单元180:用于接收处理协议转换控制器020的命令;读取经A/D采集转换电路160处理后的单体电压、总电压、放电电流,标示温度,根据这些采集数据进行放电曲线的绘制和测试数据的计算,并进行测试数据的实时上报。
通信接口单元190:负责蓄电池组监控单元装置030与协议转换控制器020之间的通讯,将测试数据(包括:采集的单体电压、总电压、充放电电流、蓄电池组标示温度、蓄电池组均浮充状态、放电剩余容量、放电剩余时间、落后单体等)实时传输给协议转换控制器,由其上报到网管中心;通信接口单元190可以采取无线传输和有线传输多种方式,本实施例采用RS422串行通信方式。
供电单元200:负责给蓄电池组监控单元装置030提供电源,包括模拟电路的电源、数字电路部分电源,其中模拟电源与数字电源之间采取隔离,降低共模干扰。
如图2所示,上述的信号调理电路150包括了信号放大电路210、信号隔离电路220、低通滤波电路230三部分。
其中,信号放大电路210用于将外部输入的模拟电压信号放大至A/D转换器要求的输入电压范围之内,利用高精度的运输放大器来实现,其放大电路中反馈电阻选用高精度的金属膜电阻器,从而保证了信号无失真的通过,保持原始信号。
模拟信号隔离电路220用于实现外部输入的模拟电压信号与电路内部的隔离,有效隔离外部的共模干扰信号,可采用线性光耦进行隔离,保证采集输入信号的精度。
低通滤波电路230主要把模拟信号中的高频成分有效滤除掉,提高模拟信号采集的精度。
请参阅图3所示的模拟信号隔离电路220的结构框图,上述的模拟信号隔离电路220又由高精度的线性光耦320、温漂小的电压基准源300、电压基准源330、低噪声的运放电路310、运放电路340、隔离电源模块350组成。
其中,隔离电源模块350为线性光耦两端的运放电路310和运放电路320供电隔离开来,保证信号彻底前后级隔离;电压基准源300为运放电路310提供一个标准的参考源,使得运放电路310把输入信号调理得更精确(因为隔离的缘故,所以在线性光耦之后又专门提供一个电压基准源330);运放电路310和运放电路340就是为了实现输入信号与输出信号的比例换算关系,本实施例采用了1:1的换算关系。
请参阅图4,该图所示为本实施例中蓄电池组远程放电控制系统的结构,包括:远端的网管中心010、协议转换控制器020、蓄电池组监控单元装置030、开关电源040。
其中,网管中心010:负责接收远端蓄电池组监控单元装置030上报的测试信息,包括蓄电池组的剩余容量、蓄电池组的剩余放电时间、蓄电池组中的落后单体、蓄电池组的充放电状态、蓄电池组的单体电压、蓄电池组的总电压、蓄电池组的充放电电流、蓄电池组的标示温度值;负责将接收的测试信息进行人性化的界面显示,方便用户操作、查询,便于对蓄电池组进行维护工作;负责向协议转换控制器020发送启动远程放电测试命令,同时配置放电保护参数(包括放电终止电压、放电保护时长、放电终止剩余容量等参数),确保远程放电的安全、可靠。
协议转换器020:负责接收网管中心010的各种命令及参数,当收到远程放电测试命令时,向开关电源040发送放电测试开始命令,从而控制蓄电池组开始放电;接收蓄电池组监控单元装置030上报的测试信息并将其转发给网管中心010,并根据测试信息和放电保护参数判断当前是否满足放电截止条件,若满足,则向开关电源040发送放电测试结束命令。
开关电源040:用以为基站各设备供电,并根据协议转换器020的放电测试开始命令和放电测试结束命令控制蓄电池组的放电过程。
蓄电池组监控单元装置030:其结构如图1所示,负责在蓄电池组的放电过程中,实时采集蓄电池组的单体电压、总电压、放电电流、标示温度,据此绘制本次放电曲线、实时计算蓄电池组在当前标示温度下放出的容量并将该容量值换算为基准温度下的容量值,同时,比较本次放电曲线和相同负载下绘制的历史放电曲线以实时更新计算蓄电池组的老化率;在放电结束时根据最终更新的老化率、历史放电曲线对应的蓄电池组总容量以及本次放电曲线计算得出所需的测试数据(包括蓄电池组当前的剩余容量、剩余放电时间、落后单体、蓄电池组状态等),并将测试数据上传到协议转换控制器020,由其上报给网管中心010。
上述系统中,网管中心010与协议转换控制器020之间的通信方式有多种,可采取E1/IP方式(2M时隙网或IP网络)或无线传输方式,该无线传输包括GPRS、GSM、CDMA、WCDMA等无线方式。
上述系统中,协议转换控制器020与蓄电池组监控单元装置030之间的通讯可采用有线、无线方式。有线方式包括串行通信,例如RS232/422/485、IP网络通信等;无线方式包括ZIGBEE、WIFI、RF通信方式等。
请参阅图5,本实施例提供的蓄电池组放电剩余容量的在线测试方法包括以下步骤:
501、网管中心下发远程启动放电测试命令给协议转换控制器,协议转换控制器接收到后再向开关电源发送放电测试开始命令,开关电源控制蓄电池组开始放电。
其中,远程启动放电测试命令中包括放电保护参数,协议转换控制器由此放电保护参数可获知放电截止条件。由于蓄电池组在放电初始阶段,电压下降比较快,会出现一个短暂跌落再上升一些的趋势,最后在一直保持下降的趋势,直到放电结束,所以为了跳过起初的电压下降又上升的那段区间,保证转换的精度,需要控制蓄电池组的放电深度超过15%。一般将单体电压下降至1.8V即总电压下降至43.2V作为完整充放电的放电结束条件。
502、绘制完整的本次充放电曲线,绘制方法具体包括:
在蓄电池组放电过程中,实时检测蓄电池组的单体电压、总电压、放电电流、标示温度,按照放电电流和放电时间的积分计算出在当前的标示温度下放出的容量,在电压每下降0.1V的间隔或者每1分钟的放电时间间隔记录一次所采集到的总电压、放电时间、标示温度、放出的容量;记录的同时,根据公式
将当前标示温度t下的放出容量换算到25摄氏度下的容量并存储(本实施例中,以25摄氏度作为基准温度);同时,根据采集数据绘制反映总电压和放电电流对应关系的本次放电曲线。
上述公式①中:为换算到25摄氏度下的容量,为t摄氏度下的容量,t是放电时的环境温度,K是温度系数,10小时放电率时K=0.006/℃,5小时放电率时K=0.007/℃,3小时放电率时K=0.008/℃,1小时放电率时K=0.01/℃。
放电结束后,蓄电池组开始充电,在该充电过程中,实时检测蓄电池组的单体电压、总电压、放电电流、标示温度,按照电流和时间的积分计算出在当前的标示温度下充入的容量,在电压每上升0.1V的间隔或者每1分钟的充电时间间隔记录一次所采集到的总电压、放电时间、标示温度、充入的容量;记录的同时,根据公式①,将当前标示温度t下的充入容量换算到25摄氏度下的容量并存储(本实施例中,以25摄氏度作为基准温度);同时,根据采集数据绘制反映总电压和充电电流对应关系的本次充电曲线。
至此,即完成了完整的充放电曲线的绘制,在本实施例的后续部分仅涉及到放电曲线。
503、若本次放电深度超过15%,则选择与本次测试时负载相同的历史放电曲线待用。
504、在放电过程中,按照预设时间间隔或者电压下降大小间隔,对比本次测试放电曲线和历史放电曲线,以计算更新蓄电池组的老化率。
采取时间间隔的方法时,时间间隔可以取5分钟到20分钟之间,优选10分钟,间隔时间到后读取此刻的电压;采取下降一定电压的方法时,电压下降值可以取0.05~0.5V的范围,优选0.1V。
在每次计算时,以电压为参考,同时在本次放电曲线中和历史放电曲线中查找该电压对应的蓄电池组基准温度下的放出容量值C1和C2,按照公式②计算得出老化率P;
上述公式②中,C1为某电压V下本次蓄电池组在基准温度下放出的容量值;C2为该电压V下历史曲线中查得的蓄电池组在基准温度下放出的容量值。
505、在放电结束时,根据最终更新的老化率P按照公式③计算得出蓄电池组在本次放电开始时的实际总容量,
上述公式③中,C3为本次放电开始时蓄电池组的实际总容量;C4为参考的历史放电曲线对应的蓄电池组的总容量;P为最终更新后的蓄电池组老化率。
然后,根据公式④,将C3换算到当前温度t下的容量,
最后,根据公式⑤计算出当前蓄电池组的剩余容量,
上述公式⑥中,I为当前环境下的放电电流。
506、测试过程结束,将蓄电池组的剩余容量等数据上报给协议转换控制器,由其转发给网管中心。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种蓄电池组监控单元装置,其特征在于,包括依次连接的采集接口防雷单元、多路开关单元、用以进行信号放大处理的信号调理电路、用以进行模数转换处理的A/D采集转换电路、CPU处理器单元、通信接口单元,还包括驱动电路、温度传感器单元和电流传感器单元;其中,
所述驱动电路,连接于CPU处理器单元与多路开关单元之间,用于实现CPU处理器单元与多路开关单元的接口;
所述温度传感器单元和电流传感器单元均与蓄电池组连接,分别用以采集蓄电池组的标示温度和放电电流;
所述采集接口防雷单元,同时与温度传感器单元、电流传感器单元、蓄电池组的电压采集端口连接,用以对采集接口进行防雷保护并将来自电流传感器单元、电压采集端口和温度传感器单元的模拟信号传输至多路开关单元;
所述多路开关单元,由CPU处理器单元通过驱动电路进行控制,将所述模拟信号分时传输至信号调理电路,经信号调理电路、A/D采集转换电路处理后传输至CPU处理器单元;
所述CPU处理器单元,用以根据采集数据绘制本次放电曲线,通过对比本次放电曲线和相同负载下绘制的历史放电曲线以计算得出蓄电池组的老化率,再根据老化率、历史放电曲线以及本次放电曲线计算得出所需的测试数据,并将测试数据通过通讯接口单元上报。
2.如权利要求1所述的蓄电池组监控单元装置,其特征在于,所述信号调理电路包括:
信号放大电路,用于将多路开关单元输出的模拟信号放大至A/D转换器的输入电压范围内;
信号隔离电路,用于实现信号放大电路输出的模拟信号与后级电路的隔离;
低通滤波电路,用于滤除信号隔离电路输出的模拟信号中的高频成分。
3.一种蓄电池组远程放电控制系统,其特征在于,包括:网管中心、协议转换控制器、开关电源以及如权利要求1所述的蓄电池组监控单元装置,其中,
所述网管中心,用于负责向协议转换控制器发送携带放电截止条件信息的启动远程放电测试命令,以及接收协议转换控制器上报的测试数据并显示;
所述协议转换控制器,用于在接收到启动远程放电测试命令时向开关电源发送放电开始命令,并根据放电截止条件向开关电源发送放电结束命令;接收蓄电池组监控单元装置上报的测试数据并将其转发给网管中心;
所述开关电源,用于根据放电开始/结束命令控制蓄电池组的放电过程;
所述蓄电池组监控单元装置,用于在蓄电池组的放电过程中,采集记录蓄电池组的单体电压、总电压、放电电流以及标示温度并实时上报,据此绘制本次放电曲线、实时计算蓄电池组在当前标示温度下放出的容量并将该容量值换算为基准温度下的容量值,同时,比较本次放电曲线和相同负载下绘制的历史放电曲线以实时更新计算蓄电池组的老化率;在放电结束时根据最终更新的老化率、历史放电曲线对应的蓄电池组总容量以及本次放电曲线计算得出所需的测试数据,并将测试数据上报给协议转换控制器。
4.如权利要求3所述的蓄电池组远程放电控制系统,其特征在于,所述网管中心与协议转换控制器之间采用2M时隙网/IP网络传输方式或者无线传输方式进行通信。
5.如权利要求3所述的蓄电池组远程放电控制系统,其特征在于,所述协议转换控制器与蓄电池组监控单元装置之间采用RS232/422/485串行方式或者无线传输方式进行通信。
6.一种蓄电池组的在线检测方法,所测试数据包括蓄电池组的剩余容量,其特征在于,该方法包括:
启动待检测的蓄电池组的放电过程;
在蓄电池组的放电过程中,同时进行以下操作:采集记录蓄电池组的单体电压、总电压、放电电流以及标示温度,据此绘制反映总电压和放电电流关系的本次放电曲线;实时计算蓄电池组在当前标示温度下放出的容量,并将该容量值换算为基准温度下的容量值;比较本次放电曲线和相同负载下绘制的放电深度最深的历史放电曲线以实时计算并更新蓄电池组的老化率;
在放电结束时根据最终更新的老化率、历史放电曲线对应的蓄电池组总容量计算本次测试开始时蓄电池组的实际总容量,再根据该实际总容量、本次放电曲线、放出的容量信息计算得到所需的测试数据。
7.如权利要求6所述的蓄电池组的在线检测方法,其特征在于,该方法还包括:在所述放电过程中,控制蓄电池组的放电深度大于15%。
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