CN103057430A - 用于增程式电动汽车的多燃料选择发电及双模式供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于增程式电动汽车的多燃料选择发电及双模式供电系统，包括多燃料选择电喷电控/进气系统、发动机、双定子发电机、双模式供电控制系统、电机控制器和驱动电机；多燃料选择电喷电控/进气系统与发动机连接，发动机与双定子发电机连接，双定子发电机与双模式供电控制系统连接，双模式供电控制系统通过电机控制器与驱动电机连接。本发明可用三种能源燃料发电，有利于因地制宜的选择合适的燃料；双定子发电机质量比功率比一般发电机高一倍，体积小，更有利于装在电动汽车上；双模式供电控制系统根据电动汽车行驶状态动态瞬时的调整供电模式，用最小的消耗换取最大效率。具有噪音低、震动小、体积小、效率高、成本低的优点。

Description

用于增程式电动汽车的多燃料选择发电及双模式供电系统

 

技术领域

本发明涉及一种多燃料选择发电及双模式供电系统，应用于新能源增程式电动汽车、固定发电和户外应急发电，特别是小型、微型电动汽车的增程发电机。

背景技术

小型纯电动汽车依靠动力电池组供电行驶，由于电动汽车体积和载重的限制和动力电池质量比容量低，导致电动汽车续驰里程短，充电时间长、受到充电地点和设备的限制而充电不方便。电动汽车产业化和商业化无法被大众接受。

在这种情况下，2012年十二五规划中提出了增程式电动汽车的发展概念：采用增程式发电机作为辅助燃料发电，增加电动汽车的续驶里程。

增程式发电机的优势在于：采用燃料发电增加电动汽车的续驰里程，在不需要停车找充电设备的情况下保证了电动汽车不会在半途因没电而导致无法工作；减少了电池组的需求，降低电动汽车的整体制造成本。

现有发电机的缺点：

1、发电机的体积大，导致小型电动汽车缺少布置空间或布置不合理；

2、震动和噪音大，很难满足轿车的行驶舒适性要求；

3、效率低、能耗大导致无法长时间工作，燃油经济性差，燃油消耗基本和燃油汽车相同而失去竞争优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于增程式电动汽车的多燃料选择发电及双模式供电系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：用于增程式电动汽车的多燃料选择发电及双模式供电系统，包括多燃料选择电喷电控/进气系统、发动机、双定子发电机、双模式供电控制系统、电机控制器和驱动电机；多燃料选择电喷电控/进气系统与发动机连接，发动机与双定子发电机连接，双定子发电机与双模式供电控制系统连接，双模式供电控制系统通过电机控制器与驱动电机连接。

作为优选，多燃料选择电喷电控/进气系统包括天燃气选择开关、汽油选择开关、乙醇汽油选择开关、天燃气选择传感器、汽油选择传感器、乙醇汽油选择传感器、多燃料选择控制器、发动机ECU、一体化电喷/进气机构、天然气罐、汽油箱、乙醇汽油箱；天然气罐包括天然气供气泵，汽油箱包括汽油供油泵，乙醇汽油箱包括乙醇汽油供油泵；天燃气选择开关、汽油选择开关、乙醇汽油选择开关分别连接到多燃料选择控制器；多燃料选择控制器分别与天然气供气泵、汽油供油泵、乙醇汽油供油泵连接，天然气罐、汽油箱、乙醇汽油箱分别通过管路对一体化电喷/进气机构供气或供油，一体化电喷/进气机构分别通过天燃气选择传感器、汽油选择传感器、乙醇汽油选择传感器对发动机供气或供油；天燃气选择传感器、汽油选择传感器、乙醇汽油选择传感器分别连接到发动机ECU；发动机ECU还分别与多燃料选择控制器和一体化电喷/进气机构连接。

作为优选，多燃料选择控制器包括单片机、12V电源、用于控制天然气供气管道通断的第一电磁阀、用于控制汽油供油管道通断的第二电磁阀、用于控制乙醇汽油供油管道通断的第三电磁阀；单片机分别与第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀连接并分别控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的通断。

作为优选，双定子发电机包括：电机左壳体、左定子铁芯、左定子线圈绕组、转子左磁钢片、盘式转子、转子右磁钢片、右定子铁芯、右定子线圈绕组、电机右壳体、电机转子轴、固定螺栓；

盘式转子为圆盘形状，偶数个转子左磁钢片和同样数量的转子右磁钢片对称分布并固定在盘式转子的左右两侧；左定子线圈绕组绕在左定子铁芯构成左定子绕组单元且均布在电机左壳体的内侧，左定子绕组单元的数量是转子左磁钢片数量的3倍且位于同一圆周上，其中每3个左定子绕组单元对应1个转子左磁钢片；

右定子线圈绕组绕在右定子铁芯构成右定子绕组单元且均布在电机右壳体的内侧，右定子绕组单元的数量是转子右磁钢片数量的3倍且位于同一圆周上，其中每3个右定子绕组单元对应1个转子右磁钢片；

电机转子轴两端分别通过轴承与电机左壳体、电机右壳体连接，电机转子轴中部与盘式转子固定连接；

电机左、右壳体通过固定螺栓连接。

作为优选，电机左壳体和电机右壳体设有用于冷却水循环的冷却水道和电机水道进、出口。

作为优选，盘式转子的左右两侧分别由左、右转子磁钢与左、右定子绕组形成的磁场方向相同。

作为优选，双模式供电控制系统包括交直流转换电路、供电判断控制器、动力电池组、电流叠加器以及电机电流采样电路；双定子发电机的定子线圈绕组输出的交流电通过交直流转换电路转换为直流电输出，受供电判断控制器的控制，输出的直流电分别成为两路输出，其中一路连接到动力电池组，然后通过电流叠加器连接到电机控制器；另外一路输出的直流电跳过动力电池组直接通过电流叠加器连接到电机控制器。

作为优选，交直流转换电路包括整流电路、反馈电压端和直流输出端；双定子发电机的左定子线圈绕组与右定子线圈绕组的输出端并联后通过整流电路后构成直流电输出的直流输出端，直流输出端输出动力电池的输出电压；在直流输出端的正负极之间跨接了由电阻R7、R8和R9串联组成电阻组，其中R7和R9为固定电阻，R8为可调电阻，在R7与R9之间接出为反馈电压端V1，反馈电压端V1将电压信号传递到电机控制器。

作为优选，电机电流采样电路包括电流互感器和信号转换电路；电流互感器通过信号转换电路将电机瞬时工作电流的电流值转变为0到5V的反馈电压信号，并将反馈电压信号传递到供电判断控制器。

作为优选，供电判断控制器包括单片机、第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3；单片机接受电机电流采样电路的电压反馈信号，并分别与第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3连接；第一继电器J1控制动力电池组与电流叠加器连接线路的通断，第二继电器J2控制供电判断控制器与电流叠加器连接线路的通断，第三继电器J3控制动力电池与电机控制器连接线路的通断。

本发明的有益效果是：

发动机可以利用三种不同能源燃料或再生能源发电，有利于不同地区因地制宜的选择合适的燃料；双定子发电机质量比功率比一般发电机高一倍，纵向体积小，更有利于装在电动汽车上；双模式供电控制系统根据电动汽车行驶状态动态瞬时的调整供电模式，用最小的消耗换取最大效率。相比现有产品，具有噪音低、震动小、体积小、效率高、成本低的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明多燃料选择发电及双模式供电系统实施例的结构示意图。

图2是本发明多燃料选择发电及双模式供电系统实施例的多燃料选择控制器的电路图。

图3是本发明多燃料选择发电及双模式供电系统实施例的发动机与双定子发电机的结构示意图。

图4是本发明多燃料选择发电及双模式供电系统实施例的双定子发电机结构示意图。

图5是图4的B向视图。

图6是图4的A向视图。

图7是本发明多燃料选择发电及双模式供电系统实施例的双定子发电机的工作原理示意图。

图4、5、6、7中，1-电机左壳体，2-左定子磁芯，3-左定子线圈绕组，4-转子左磁钢片，5-电机转子，6-转子右磁钢片，7-右定子磁芯，8-右定子线圈绕组，9-电机右壳体，10-电机转子轴，11-电机固定螺栓，12-水道出口。

图8是本发明多燃料选择发电及双模式供电系统实施例的供电判断控制器电路图。

图9是本发明多燃料选择发电及双模式供电系统实施例的交直流转换电路。

图10是本发明多燃料选择发电及双模式供电系统实施例的电机电流采样电路。

具体实施方式

图1是用于增程式电动汽车的多燃料选择发电及双模式供电系统，是由多燃料选择电喷电控/进气系统、发动机、双定子发电机、双模式供电控制系统、电机控制器和驱动电机组成的。其中，多燃料选择电喷电控/进气系统与发动机连接，发动机与双定子发电机连接，双定子发电机与双模式供电控制系统连接，双模式供电控制系统通过电机控制器与驱动电机连接。

多燃料选择电喷电控/进气系统包括天燃气选择开关K1、汽油选择开关K2、乙醇汽油选择开关K3、天燃气选择传感器A、汽油选择传感器B、乙醇汽油选择传感器C、多燃料选择控制器、发动机ECU、一体化电喷/进气机构、天然气罐、汽油箱、乙醇汽油箱。

其中：天燃气选择开关K1、汽油选择开关K2、乙醇汽油选择开关K3分别与多燃料选择控制器连接。

多燃料选择控制器分别与天然气罐的气泵、汽油箱的油泵、乙醇汽油箱的油泵连接，天然气罐的气泵、汽油箱的油泵、乙醇汽油箱的油泵分别通过管路对一体化电喷/进气机构供气或供油。一体化电喷/进气机构再分别通过汽油选择传感器、乙醇汽油选择传感器、天燃气选择传感器对发动机供气或供油。

发动机ECU的信号控制线分别与多燃料选择控制器、一体化电喷/进气机构以及汽油选择传感器、乙醇汽油选择传感器、天燃气选择传感器连接。

一体化电喷/进气机构由发动机进气系统、发动机电子喷油系统和电子点火机构组成，其控制程序由发动机ECU提供。发动机ECU根据多燃料选择控制器提供的信号选择不同的程序来控制一体化电喷/进气机构工作。

如图2所示的多燃料选择控制器由16位单片机、12V电源、电磁阀1（用于控制天然气供气管道的通断）、电磁阀2（用于控制汽油供油管道的通断）、电磁阀3（用于控制乙醇汽油供油管道的通断）以及天然气选择开关K1、汽油选择开关K2、乙醇汽油选择开关K3组成。16位单片机型号为STC12C54xx-28，其中装有供油、供气控制程序。

多燃料选择电喷电控/进气系统可选择使用三种不同的燃料（在本实施例中分别为天然气、汽油、乙醇汽油）。多燃料选择电喷电控/进气系统的工作过程如下：

用户选择启动增程发电机为电动汽车进行补充电时，首先按照所选用的燃料类型按下相应的燃料种类选择开关：天然气选择开关K1或汽油选择开关K2或乙醇汽油选择开关K3。

（1）当选择天然气选择开关K1时，多燃料选择控制器发出以下二路信号：一路给发动机ECU选择天然气供给控制程序对一体化电喷/进气机构进行控制；另一路信号给天然气罐汽泵启动工作指令，同时位于连接天然气罐和天然气泵之间管道上的电磁阀1打开运行并开始供天然气；电磁阀2、电磁阀3关闭，汽油油泵和乙醇汽油油泵不工作。当天然气通过一体化电喷/进气机构后经过天然气选择传感器A判断，选择正确后反馈信号给发动机ECU，系统继续运行；反之，系统则停止运行、自检和显示报警。

（2）当选择汽油选择开关K2时，多燃料选择控制器发出以下二路信号：一路信号通过发动机ECU选择汽油供给控制程序对一体化电喷/进气机构进行控制，一体化电喷/进气机构运行汽油点火和进气、供气的程序；另一路信号给汽油箱的油泵启动工作指令，同时位于连接油箱和油泵之间管道上的电磁阀2打开运行并开始供油；电磁阀1、电磁阀3关闭，乙醇汽油泵和天然气泵不工作。当汽油通过一体化电喷/进气机构后经过汽油选择传感器B判断，选择正确后反馈信号给发动机ECU，系统继续运行；反之，系统则停止运行、自检和显示报警。

（3）当选择乙醇汽油选择开关K3时，多燃料选择控制器发出以下二路信号：一路信号通过发动机ECU选择乙醇汽油供给控制程序对一体化电喷/进气机构进行控制；另一路信号给乙醇汽油箱的油泵启动工作指令，同时位于连接乙醇汽油箱和乙醇汽油泵之间管道上的电磁阀3打开运行并开始供油；电磁阀1、电磁阀2关闭，汽油泵和天然气泵不工作。当乙醇汽油通过一体化电喷/进气机构后经过乙醇汽油选择传感器C判断，选择正确后反馈信号给发动机ECU，系统继续运行；反之，系统则停止运行、自检和显示报警。

如图3所示，发动机与双定子发电机连接为一体化结构。其中，发动机的进气、点火、排气装置作为一体化电喷/进气机构的组成部分，由发动机ECU提供程序控制。活塞通过曲柄连杆机构驱动固定在双定子发电机的电机轴上的圆盘式电机转子转动，在电机转子的两侧设有左定子盘和右定子盘。并且在发电机的机壳上设有水冷腔体，水冷腔体设有水道进口和水道出口。

双定子发电机的具体结构如图4所示。在图4中，双定子发电机由电机左壳体1、左定子铁芯2、左定子线圈绕组3、转子左磁钢片4、盘式转子5、转子右磁钢片6、右定子铁芯7、右定子线圈绕组8、电机右壳体9、电机转子轴10、电机固定螺栓11、水道进口、出口12组成。

盘式转子5为扁的圆盘形状，在其左侧固定设置了6块转子左磁钢片4，在其右侧固定设置相同数量的转子右磁钢片6（图5），左、右磁钢片分别在圆盘形状的盘式转子5的同一圆周上均匀分布且左右两侧对称。

左定子线圈绕组3绕在左定子铁芯2构成了左定子绕组单元，共有3×6个左定子绕组单元均布固定在电机左壳体1的内侧。

左定子绕组单元与转子左磁钢片4靠近且留有间隙，两者并位于同一圆周上，其中每3个左定子绕组单元对应1个转子左磁钢片4。

同样，右定子线圈绕组8绕在右定子铁芯7构成了右定子绕组单元，共有3×6个右定子绕组单元均布固定在电机右壳体9的内侧（图6）。

右定子绕组单元与转子右磁钢片6靠近且留有间隙，两者并位于同一圆周上，其中每3个右定子绕组单元对应1个转子右磁钢片6。

左、右定子绕组在左、右壳体的内侧呈对称分布。

电机转子轴10的两端分别通过轴承与电机左壳体1、电机右壳体9连接，电机转子轴10的中部与盘式转子5固定连接。由电机固定螺栓固定。

在电机左壳体1和电机右壳体9上设有用于冷却水循环的水冷腔体，水冷腔体设有水道进口和水道出口12。冷却水的循环路线从水道进口进入水冷腔体并对发电机机壳进行冷却，再从水道出口12流出带走发电机的热量。

双定子发电机的工作原理如图7所示，当电机的盘式转子5顺时针转动时，盘式转子5上的转子左磁钢片4和转子右磁钢片6形成相反的磁场，而对应的3个绕组单元通电形成和左、右磁钢片反向的磁场，当出现顺时针位移时，反向磁场形成推力，带动电机转子顺时针转动。

在本实施例中，对于驱动电机的供电系统采用了如图1所示的双模式供电控制系统，其由交直流转换电路、供电判断控制器、动力电池组、电流叠加器以及电机电流采样电路组成。双定子发电机的定子线圈绕组输出的交流电通过交直流转换电路转换为直流电输出，受供电判断控制器的控制，输出的直流电其中一路连接到动力电池组，动力电池组再通过电流叠加器连接到电机控制器；另外一路输出的直流电受供电判断控制器的控制，跳过动力电池组直接通过电流叠加器连接到电机控制器。

如图8所示的供电判断控制器由单片机（型号为STC12C54xx-28）、以及继电器J1、继电器J2、继电器J3组成。单片机内嵌供电判断控制程序，单片机接受电机电流采样电路的电压反馈信号，并分别与继电器J1、继电器J2、继电器J3连接；其中，继电器J1用于控制动力电池组和电流叠加器连接线路的通断，继电器J2用于控制供电判断控制器和电流叠加器连接线路的通断，继电器J3用于控制动力电池和电机控制器连接线路的通断（图1）。

双模式供电控制系统的工作原理如下：

在图9所示的交直流转换电路中，由双定子发电机的双定子线圈绕组并联输出的交流电经过整流电路后形成直流电，通过反馈V1端将电压信号传递到电机控制器，OUT端输出动力电池的充电电压。在图10中，电机电流采样电路从电机控制器与驱动电机的连接线取得电流信号，其中的电流互感器及信号转换电路把电机瞬时工作电流的电流值转换为0到5V的电压信号，通过反馈V2端将反馈电压信号输入到供电判断控制器的单片机，供电判断控制器的单片机将供电判断控制程序的预先设定值与接受到的反馈电压信号进行对比，根据对比结果分别采用下述二种供电模式进行供电：

（1）当电机电流采样值低于供电判断控制程序的预先设定值，可以判断电动汽车处于静止或匀速行驶状态，驱动电机需求的瞬时功率小，此时供电判断控制程序采用模式一供电：供电判断控制器中的单片机控制继电器J1和继电器J2断开，控制继电器J3接通，电流不通过电流叠加器，发电机发出的交流电通过交直流转换电路变为直流电为动力电池供电，动力电池直接为电机控制器供电。

（2）当电机电流采样值大于等于供电判断控制程序的预先设定值，可以判断电动汽车处于爬坡或加速行驶状态，驱动电机需求的瞬时功率大，此时供电判断控制程序采用模式二供电：供电判断控制器中的单片机控制继电器J1和继电器J2接通，控制继电器J3断开，电流叠加器工作，发电机发出的交流电通过交直流转换电路转变为电机控制器需求的驱动直流电，该驱动直流电和动力电池输出的直流电通过电流叠加器叠加增大后为驱动电机供电。

本实施例可选择3种不同燃料来驱动发动机，再由发动机驱动双定子发电机发电并通过交直流转换电路转换成直流电输出，采用判断供电控制器和电机电流采样电路对电动汽车行驶状态判断并采用两种模式供电，其中模式一为直接供电给动力电池组；模式二为发电机与动力电池组同时通过电流叠加器提供更大的电流给电机控制器来驱动电机。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。 

Claims (10)

1.用于增程式电动汽车的多燃料选择发电及双模式供电系统，其特征在于：包括多燃料选择电喷电控/进气系统、发动机、双定子发电机、双模式供电控制系统、电机控制器和驱动电机；所述多燃料选择电喷电控/进气系统与发动机连接，所述发动机与双定子发电机连接，所述双定子发电机与双模式供电控制系统连接，所述双模式供电控制系统通过电机控制器与驱动电机连接。

2.根据权利要求1所述的多燃料选择发电及双模式供电系统，其特征在于：所述多燃料选择电喷电控/进气系统包括汽油选择开关、乙醇汽油选择开关、天燃气选择开关、汽油选择传感器、乙醇汽油选择传感器、天燃气选择传感器、多燃料选择控制器、发动机ECU、一体化电喷/进气机构、天然气罐、汽油箱、乙醇汽油箱；天然气罐包括天然气供气泵，所述汽油箱包括汽油供油泵，所述乙醇汽油箱包括乙醇汽油供油泵；所述汽油选择开关、乙醇汽油选择开关、天燃气选择开关分别连接到多燃料选择控制器；所述多燃料选择控制器分别与天然气供气泵、汽油供油泵、乙醇汽油供油泵连接，所述天然气罐、汽油箱、乙醇汽油箱分别通过管路对一体化电喷/进气机构供气或供油，所述一体化电喷/进气机构分别通过汽油选择传感器、乙醇汽油选择传感器、天燃气选择传感器对发动机供气或供油；所述汽油选择传感器、乙醇汽油选择传感器、天燃气选择传感器分别连接到发动机ECU；所述发动机ECU还分别与多燃料选择控制器和一体化电喷/进气机构连接。

3.根据权利要求2所述的多燃料选择发电及双模式供电系统，其特征在于：所述多燃料选择控制器包括单片机、12V电源、用于用于控制天然气供气管道通断的第一电磁阀、控制汽油供油管道通断的第二电磁阀、用于控制乙醇汽油供油管道通断的第三电磁阀；所述单片机分别与第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀连接并分别控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的通断。

4.根据权利要求1所述的多燃料选择发电及双模式供电系统，其特征在于，所述双定子发电机包括电机左壳体、左定子铁芯、左定子线圈绕组、转子左磁钢片、盘式转子、转子右磁钢片、右定子铁芯、右定子线圈绕组、电机右壳体、电机转子轴、固定螺栓；

所述盘式转子为圆盘形状，偶数个所述转子左磁钢片和同样数量的所述转子右磁钢片对称分布并固定在盘式转子的左右两侧；所述左定子线圈绕组绕在左定子铁芯构成左定子绕组单元且均布在电机左壳体的内侧，所述左定子绕组单元的数量是转子左磁钢片数量的3倍且位于同一圆周上，其中每3个左定子绕组单元对应1个转子左磁钢片；

所述右定子线圈绕组绕在右定子铁芯构成右定子绕组单元且均布在电机右壳体的内侧，右定子绕组单元的数量是转子右磁钢片数量的3倍且位于同一圆周上，其中每3个右定子绕组单元对应1个转子右磁钢片；

所述电机转子轴两端分别通过轴承与电机左壳体、电机右壳体连接，电机转子轴中部与盘式转子固定连接；

所述电机左、右壳体通过固定螺栓连接。

5.根据权利要求4所述的多燃料选择发电及双模式供电系统，其特征在于：所述电机左壳体和电机右壳体设有用于冷却水循环的冷却水道和电机水道进、出口。

6.根据权利要求4所述的多燃料选择发电及双模式供电系统，其特征在于：所述盘式转子的左右两侧分别由左、右转子磁钢与左、右定子绕组形成的磁场方向相同。

7.根据权利要求1所述的多燃料选择发电及双模式供电系统，其特征在于：所述双模式供电控制系统包括交直流转换电路、供电判断控制器、动力电池组、电流叠加器以及电机电流采样电路；所述双定子发电机的定子线圈绕组输出的交流电通过交直流转换电路转换为直流电输出，受供电判断控制器的控制，输出的直流电分别成为两路输出，其中一路连接到动力电池组，然后通过电流叠加器连接到电机控制器；另外一路输出的直流电跳过动力电池组直接通过电流叠加器连接到电机控制器。

8.根据权利要求7所述的多燃料选择发电及双模式供电系统，其特征在于：所述交直流转换电路包括整流电路、反馈电压端和直流输出端；所述双定子发电机的左定子线圈绕组与右定子线圈绕组的输出端并联后通过整流电路后构成直流电输出的直流输出端，直流输出端输出动力电池的输出电压；在直流输出端的正负极之间跨接了由电阻R7、R8和R9串联组成电阻组，其中R7和R9为固定电阻，R8为可调电阻，在R7与R9之间接出为反馈电压端V1，反馈电压端V1将电压信号传递到电机控制器。

9.根据权利要求7所述的多燃料选择发电及双模式供电系统，其特征在于：所述电机电流采样电路包括电流互感器和信号转换电路；所述电流互感器通过信号转换电路将电机瞬时工作电流的电流值转变为0到5V的反馈电压信号，并将反馈电压信号传递到供电判断控制器。

10.根据权利要求7所述的多燃料选择发电及双模式供电系统，其特征在于：所述供电判断控制器包括单片机、第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3；所述单片机接受电机电流采样电路的电压反馈信号，并分别与第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3连接；所述第一继电器J1控制动力电池组与电流叠加器连接线路的通断，所述第二继电器J2控制供电判断控制器与电流叠加器连接线路的通断，所述第三继电器J3控制动力电池与电机控制器连接线路的通断。

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