CN107015139B - 使用交流耦合对焊接接触器的检测 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测被配置为将电池串连接到车辆中的直流总线的接触器的状况的系统可以包括被配置为断开或接通接触器的控制器。该系统还可以包括被配置为当控制器断开接触器时提供AC测试信号的交流(AC)信号源。该系统还可以包括AC耦合电路。AC耦合电路可以包括连接到AC测试信号源的AC耦合电路的初级侧，以及连接到接触器的次级侧。该系统还可以包括被配置为接收对应于AC测试信号的AC返回信号，并且基于AC返回信号确定接触器的缺陷状况的检测电路。
Description
技术领域
本公开一般地涉及用于检测接触器的状况的系统和方法，更具体地，涉及用于从车辆的直流(DC)总线检测被配置为连接电池的接触器的缺陷状况的系统和方法。
背景技术
电池供电的车辆(例如电动车辆或混合动力车辆)，可以包含连接到DC总线的一个或多个高电压电池。高电压电池组可以用作车辆的主电源以驱动各种主负载(例如，牵引电动机)和各种辅助负载(例如，HVAC、照明、泵等)。在操作期间，电池组或其一部分可能由于电池组中的故障部件或状况而需要脱机。对于诸如电动车辆的高电压电池应用，可以通过断开(open)连接在电池组和高电压总线之间的接触器来实现对电池组的断开。随着时间的推移，如果接触器未能正确断开或接通(close)，则接触器可能会劣化并导致安全隐患。尽管可以通过直接测量高电压DC电路中的DC电流或电压来检测有缺陷的接触器，但是这种检测方法可能损害接触器与作为大多数控制器电路基准的底盘接地之间的DC隔离。本公开旨在解决这些考虑中的至少一些。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种用于检测被配置为将电池串连接到车辆中的DC总线的接触器的状况的系统。该系统可包括配置成断开或接通接触器的控制器。该系统还可以包括被配置为当控制器断开接触器时提供AC测试信号的交流(AC)信号源。该系统还可以包括具有初级侧和次级侧的AC耦合电路。AC耦合电路的初级侧可以连接到AC测试信号源，并且次级侧可以连接到接触器。该系统还可以包括被配置为接收对应于AC测试信号的AC返回信号，并且基于AC返回信号检测接触器的缺陷状况的检测电路。
本公开的另一方面涉及一种用于检测被配置为将电池串连接到车辆中的DC总线的接触器的状况的方法。该方法可以包括通过控制器断开接触器，以及通过AC测试信号源提供AC测试信号。AC测试信号源可以连接到AC耦合电路的初级侧。另外，AC耦合电路可以具有连接到接触器的次级侧。该方法还可以包括由检测电路接收与AC测试信号相对应的AC返回信号，以及由检测电路基于AC返回信号检测接触器的缺陷状况。
本公开的另一方面涉及一种车辆。车辆可以包括电池串和DC电力总线。车辆还可以包括接触器，被配置为当接触器接通时将电池串连接到DC电力总线，并且当接触器断开时将电池串从DC电力总线断开连接。车辆还可以包括被配置为断开或接通接触器的控制器，以及被配置为当控制器断开接触器时提供AC测试信号的AC信号源。车辆还可以包括AC耦合电路，其具有连接到AC测试信号源的初级侧和连接到接触器的次级侧。车辆还可以包括检测电路，被配置为接收与AC测试信号相对应的AC返回信号，并且基于AC返回信号检测接触器的缺陷状况。
附图说明
图1是根据一些实施例的包括用于检测被配置为将电池串连接到DC总线的接触器的状况的系统的示例性车辆的示意图；
图2是根据一些实施例的示出图1所示的车辆的示例性动力总成系统的示意图；
图3是根据一些实施例的示出在图2的系统中使用的示例性电路的示意图；
图4是根据一些实施例的由图2的系统执行的示例性处理的流程图；以及
图5是根据一些实施例的由图2的系统执行的示例性处理的流程图。
具体实施方式
为了讨论的目的，结合图1所示的示例性车辆100描述本公开的原理。本领域技术人员将认识到，本公开的原理可以应用于任何类型的机器，以采用接触器将电池连接到DC总线。
图1是示出示例性车辆100的局部视图的示意图。将使用电动车辆作为车辆100的示例性实施例来描述图1，但车辆100可以是至少部分地由电力供电的任何类型的车辆。例如，车辆100可以是混合动力车辆。车辆100可以具有任何车身风格，例如轿车、小轿车、跑车、卡车、旅行车、SUV、小型货车或转换车。如图1所示，车辆100可以包括动力总成102(图1中的实线所示)，动力总成102还可以包括连接到公共DC总线的一个或多个高电压电池组104和电驱动系统106。
尽管图1示出了位于底盘中并且朝向车辆100的后部的电池组104，但是电池组104也可以位于车辆100的任何其它隔间(compartment)中(例如，在发动机罩区域内)或者均匀地分布在底盘内。电池组104可以包括并联的一个或多个高电压电池串。每个电池串可以进一步包括串联或并联的多个电池单元。每个电池串可以向电驱动系统106提供高电压DC(例如，400V)。车辆100可以使用并联的多个电池串，以提高系统可靠性和功率可用性。电池串的并联配置可以有助于确保将一个电池串从车辆100的DC总线断开不会使其它电池串不工作。因此，每个电池串可独立于其它电池串操作，从而便于在一个或多个其它电池串发生故障的情况下连续进行车辆操作。
电池组104可以与用于以安全和可靠的方式管理电池串的使用和充电的电池管理系统(BMS，未示出)相关联。具体地，BMS可以不断地监测电池的荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)。如果BMS检测到特定电池串中的故障，例如过温度、过电流、过电压、欠电压，电压监测失去或隔离失去，则BMS可能使得故障串从DC总线断开。有时，在车辆100停止并且从电池汲取的电流处于最小值之后，可以断开故障串。然而，为了确保安全，当车辆100仍在运行时，即当DC总线处于重负载下时，故障串常常断开。
车辆100可以使用高功率接触器或继电器(未示出)来接合或断开来自DC总线的电池串。接触器可以包括与电枢相关联的线圈、机械耦合到电枢的移动触点以及固定触点。也可以想到触点的其它布置，例如多个移动触点。当与接触器相关联的控制器将电流引导到线圈时，在线圈中产生的所得到的磁场可吸引电枢。由于移动触点机械地耦合到电枢，因此接触器可以使用吸引力将移动触点与固定触点耦合。两个触点的耦合可以使得电流从电池串流到负载。当控制器停止向线圈供应电流时，磁场中断，并且移动触点通过诸如弹簧或重力的力返回到其松弛状态。因此，电池串和负载之间的电连接被中断，防止电流从电池串流到负载。在所谓的“闭锁”接触器或继电器的其它实施方式中，接触器可以包含多个电枢并且具有两个机械稳定状态，一个状态中触点连接，另一个状态中触点不连接。激励特定的电枢可以使接触器从一种状态转换到另一种状态。
与大多数机电设备一样，接触器在有限数量的操作之后往往失效。与在接通和断开位置之间切换接触器相关联的重复电弧可能导致故障。例如，当接触器断开和接通时，可移动触点与固定触点断开，并开始缩回到其静止状态。在断开之后，可移动触点和固定触点之间的高电压电势可能在可移动触点缩回到其静止状态时产生的小间隙中引起电弧。随着时间的推移，这种电弧可能使触点的材料劣化，导致不平坦的表面。这种劣化甚至会妨碍电流在触点的整个表面上的均匀分布。这种劣化可最终削弱一个或多个触点对由电弧引起的高温的耐受度，并且潜在地使得两个触点焊接在一起。如果触点焊接在一起，则用于使可移动触点返回到其松弛状态的机构可能没有足够的力来分开触点，基本上消除了将电池与负载断开连接的能力。焊接触点的其它原因可以包括例如通过接触器的电流超过接触器的容许额定电流，通过接通触点形成的短路或放电的电容性负载。
如果接触器不能断开，则电池可能错误地继续向负载供电，导致不适当的能量损失，并且可能损坏车辆或其部件。当电池正在通过电池充电器或在再生制动模式下操作的电驱动系统进行充电时，故障接触器可能导致电池的过充或过电压，并且可能导致危险的电池状况。在一些情况下，接触器故障可能导致高电压隔离的失去，并且因此可能存在安全隐患。如下所述，在与本公开一致的示例性实施例中，车辆100可以采用系统来检测接触器的缺陷状况(例如，接触器的触点已被焊接在一起)。在一些实施例中，当检测到缺陷接触器时，系统还可以提供警告信号，禁止某些车辆功能和/或断开缺陷接触器。
电驱动系统106可以包括各种负载和控制单元，诸如具有功率电子器件(例如，逆变器系统)和冷却系统的电动机、包括制动系统的变速器、用于车辆内部气候控制的高电压空调等。例如，当车辆100正在加速或保持恒定速度时，逆变器系统可以将由电池组104供应的DC转换为用于驱动电动机的AC。然而，当车辆100在再生制动模式下操作时，电动机可以作为输出AC的发电机操作，AC通过逆变器系统转换为DC以用于对电池组104充电和/或驱动动力总成102的其它负载。
图2是根据一些实施例的车辆100的示例性动力总成系统200的示意图。动力总成系统200可以用在图1所示的车辆100中。如图2所示，动力总成系统200可以包括DC总线210、多个高电压电池串220、多个接触器230、监测电路250、控制器260和电驱动系统106。
DC总线210可以包括正电力总线210A和负电力总线210B，它们电连接包括多个高电压电池串220和电驱动系统106的车辆100的动力总成的各部件。每个高电压电池串220可以配备有开关器件，例如多个接触器230，以连接电池串220并将它们与DC总线210断开。例如，如果车辆100的操作者关闭车辆，则控制器260断开接触器230，从而使多个电池串220与DC总线210脱离接合。在另一示例中，当车辆100正在运行但特定电池串220经历故障状况(例如，过温度、过电流、过电压、欠电压、电压监测失去或隔离失去)时，控制器260可断开一个或多个与故障串相关联的接触器230，其然后可从DC总线210断开连接。
在一些实施例中，每个高电压电池串220可以与一对接触器230和230'连接。接触器230被配置为连接(接触器230接通)或断开(接触器230断开)电池串220的正极端子，并且接触器230'被配置为连接或断开电池串220的负极端子。这样，当一个或两个接触器230断开时，电池串220可以从DC总线210断开连接。
在一些实施例中，每个接触器230可以包括可移动触点和固定触点。可移动触点可以机械地耦合到与线圈相关联的电枢。线圈可以进一步连接到控制器260。当控制器260激励线圈时，可以在线圈中感应出磁场。磁场可以与电枢中的金属材料相互作用，并且引起电枢和可移动触点的移动。因此，控制器260可以控制接触器230的接通和断开。尽管图2示出了与一对接触器230和230'连接的控制器260，但是其它接触器230和230'可以连接到相同或不同的控制器260并由其控制。
在车辆100的正常操作期间，多个电池串220可以连接到DC总线210(即，所有接触器230和230'接通)，以向连接到DC总线210的负载供电。例如，当车辆100正在加速或保持速度时，车辆100的一个或多个系统可从每个电池串220汲取一定量的电流。
在一些实施例中，动力总成系统200可以包括耦合到每个接触器230和控制器260的监测电路250。尽管图2仅示出了监测电路250耦合到一个接触器230，但是可以设想，监测电路250也可以连接到其它接触器230和230'。监测电路250可以被配置为检测接触器230的缺陷状况。在一些实施例中，如果检测到有缺陷的接触器，则监测电路250可以提供指示所述有缺陷的接触器的警告信号。可以向控制器260通知有缺陷的接触器。在一些实施例中，可通知操作者，使得有缺陷的接触器可被及时修理或更换。在一些实施例中，与有缺陷接触器相关联的电池串可从DC总线210断开。例如，如果监测电路250检测到与电池串相关联的接触器230有缺陷，则监测电路250可以向控制器260提供指示有缺陷的接触器的警告信号。控制器260然后可以断开与有缺陷的接触器230配对的接触器230'，从而使电池串220与DC总线210脱离接合。作为备选或补充，如果检测到有缺陷的接触器，则控制器260可以禁止车辆100的一个或多个功能。
图3是根据一些实施例的可以在动力总成系统200中实现的用于检测接触器230的缺陷状况的示例性监测电路250的示意图。如图3所示，监测电路250可以连接到接触器230和控制器260。监测电路250可以包括AC信号源251、AC耦合电路252、多个电容器253、254和255、电阻器256和检测电路257。AC信号源251可以被配置为产生AC测试信号。在一些实施例中，当控制器260断开或接通接触器230时，控制器260可以向AC信号源251发送控制信号，并且AC信号源251可以基于接收到的控制信号产生AC测试信号。AC测试信号可以通过监测电路250的各个部件传输到接触器230。AC测试信号的幅度范围可以从约1μA至约20mA。AC测试信号的频率范围可以从约100kHz至约10MHz。
AC信号源251可以直接或经由电容器253连接到AC耦合电路252。AC耦合电路252可以具有初级侧和次级侧。AC耦合电路252可以被配置为在初级侧的电路和次级侧的电路之间传输电信号。AC耦合电路252的初级侧可以连接到AC信号源251(直接或经由电容器253)并且被配置为接收由AC信号源251产生的AC测试信号。AC耦合电路252的第二次级侧可以经由电容器254和/或255连接到接触器。在一些实施例中，电阻器256可以与接触器230并联地连接到AC耦合电路252的次级侧。在一些实施例中，AC耦合电路252可以是具有初级绕组和次级绕组的变压器。
在一些实施例中，在接触器和底盘接地之间存在DC隔离，许多控制器电路(例如控制器260)可以以该底盘接地为基准。通过使用通过诸如AC耦合电路252和电容器254和/或255的DC隔离组件耦合到DC电路的AC测试信号，可以保持DC隔离，以确保安全。
检测电路257可以被配置为检测与由AC信号源251产生的AC测试信号相对应的AC返回信号。在一些实施例中，检测电路257可以连接到AC耦合电路252的初级侧。检测电路257可以基于检测到的AC返回信号进一步确定接触器230是否有缺陷(例如，接触器230的触点是否焊接在一起)。例如，检测电路257可以确定检测到的AC返回信号的幅度是否超过阈值。如果是，则检测电路257可以确定接触器230有缺陷。在一些实施例中，检测电路257可以提供指示有缺陷的接触器230的警告信号。控制器260可以接收警告信号。控制器260可以断开与有缺陷的接触器230配对的接触器230'，使得电池串220将从DC总线210断开连接。在一些实施例中，控制器260可以激活保护机构(未示出)以将电池串从DC总线断开连接。检测电路257可以是控制器260的一部分，或独立于控制器260。
图4是可由图3的电路300执行的示例性处理400的流程图。例如，在402，控制器260可以断开经受测试的接触器230。控制器260还可以向AC信号源251发送信号以产生AC测试信号。在404，AC信号源251可以基于从控制器260接收的信号产生AC测试信号。在一些实施例中，控制器260可以调整AC测试信号的幅度和频率。可以通过AC耦合电路252的初级侧和次级侧将AC测试信号施加到接触器230。
在406，检测电路257可以检测对应于AC测试信号的AC返回信号。在一些实施例中，检测电路257可以在AC耦合电路252的初级侧处检测AC返回信号。在其他实施例中，检测电路257可以在AC耦合电路252的次级侧处检测AC返回信号。在408，检测电路257可以基于检测到的AC返回信号确定接触器230是否有缺陷。例如，检测电路257可以确定检测到的AC返回信号的幅度。检测电路257还可以确定所确定的AC返回信号的幅度是否超过阈值。如果是，则检测电路257可以确定接触器230可能有缺陷。在一些实施例中，阈值可以是在约1μA至约20mA之间的任何数。
在一些实施例中，检测电路257可以基于检测到的AC返回信号的电流和由AC信号源251产生的AC测试信号的电压来确定AC耦合电路252的次级电路的反射阻抗。检测到的AC返回信号的幅度可以由检测电路257检测，而与AC测试信号的幅度有关的信息可以由检测电路257从接触器230和/或AC信号源251接收。检测电路257还可以确定所确定的阻抗是否等于或小于阈值。阈值可以是在接触器短路或接通时确定的阻抗值。如果所确定的阻抗等于或小于阈值，则检测电路257可以确定接触器230有缺陷。
在一些实施例中，如果接触器230被检测为有缺陷，则检测电路257可以提供指示所述有缺陷的接触器230的警告信号。例如，检测电路257可以产生指示特定接触器230有缺陷的警告信号。在一些实施例中，检测电路257可以将警告信号发送到控制器260。在接收到警告信号之后，控制器260可以断开同与有缺陷的接触器相关联的电池串配对的接触器230'，从而使电池串与DC总线脱离接合。作为备选或补充，控制器260可激活保护机构以防止或断开电池串与DC总线的连接。作为备选或补充，控制器260可以向车辆100提供信息以禁止车辆100的某些功能或向用户提供警告。
图5是可由图2的系统执行的另一示例性处理500的流程图。例如，在502，控制器260可以断开经受测试的接触器230。控制器260还可以将第一信号发送到AC信号源251以产生第一AC测试信号。在504，AC信号源251可以基于接收的第一信号产生第一AC测试信号。在一些实施例中，控制器260可以调整将由AC信号源251产生的第一AC测试信号的幅度和/或频率。可以通过AC耦合电路252的初级侧和次级侧将第一AC测试信号施加到接触器230。在506，检测电路257可以检测对应于第一AC测试信号的第一AC返回信号。在一些实施例中，检测电路257可以检测AC耦合电路252的初级侧处的第一AC返回信号。在其他实施例中，检测电路257可以在AC耦合电路252的次级侧检测第一AC返回信号。
在508，控制器260可以接通接触器230。控制器260还可以将第二信号发送到AC信号源251以产生第二AC测试信号。在510，AC信号源251可以基于接收的第二信号产生第二AC测试信号。在一些实施例中，控制器260可以调整要由AC信号源251产生的第二AC测试信号的幅度和/或频率。可以通过AC耦合电路252的初级侧和次级侧将第二AC测试信号施加到接触器230。在512，检测电路257可以检测对应于第二AC测试信号的第二AC返回信号。在一些实施例中，检测电路257可以在AC耦合电路252的初级侧检测第二AC返回信号。在其他实施例中，检测电路257可以在AC耦合电路252的次级侧检测第二AC返回信号。
在514，检测电路257可以基于检测到的第一和第二AC返回信号确定接触器230是否有缺陷。例如，检测电路257可以确定第一AC返回信号的幅度和第二AC返回信号的幅度之差。第一和第二AC返回信号的幅度可以由检测电路257检测，而与第一和第二AC测试信号的幅度有关的信息可以由检测电路257从控制器260和/或AC信号源251接收。检测电路257可以进一步确定所确定的差是否小于阈值。如果是，则检测电路257可以确定接触器230有缺陷。作为备选或补充，检测电路257可确定第一AC返回信号的幅度与第二AC返回信号的幅度的比。检测电路257还可以确定所确定的比是否超过阈值比。如果是，则检测电路257可以确定接触器230有缺陷。
在一些实施例中，如果接触器230被检测为有缺陷，则检测电路257可以提供指示所述有缺陷的接触器230的警告信号。例如，检测电路257可以产生指示特定接触器230有缺陷的警告信号。检测电路257还可以将警告信号发送到控制器260。在接收到警告信号之后，控制器260可以断开与有缺陷的接触器配对的接触器230'，从而使电池串与DC总线210脱离接合。作为备选或补充，控制器260可激活保护机构以将电池串220从DC总线210断开。
虽然本文已经描述了说明性实施例，但是本领域技术人员将理解的是，具有等同元件、修改、省略、组合(例如各实施例的方面)、改写和/或替换的任何和所有实施例的范围也包括在本公开中。权利要求中的限定将基于权利要求中采用的语言广泛地解释，并且不限于本说明书中描述的示例或在本公开的实施过程中。这些实施例被解释为非排他性的。此外，所公开的例程的步骤可以以任何方式修改，包括通过重新排序步骤和/或插入或删除步骤。具体地，非依赖步骤可以以任何顺序或并行地执行。因此，说明书和示例旨在被认为仅是说明性的，真实的范围和精神由所附权利要求及其等同的全部范围指示。
Claims (20)
1.一种用于检测被配置为将电池串连接到车辆中的直流DC总线的接触器的状况的系统，所述系统包括：
控制器，被配置为断开或接通所述接触器；
交流AC信号源，被配置为当所述控制器断开所述接触器时提供第一AC测试信号；
AC耦合电路，具有初级侧和次级侧，所述初级侧连接到所述交流AC信号源，所述次级侧连接到所述接触器；以及
检测电路，被配置为：
接收对应于所述第一AC测试信号的第一AC返回信号，以及
基于所述第一AC返回信号检测所述接触器的缺陷状况。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述检测电路还被配置为：
确定所述第一AC返回信号的幅度；以及
如果所述第一AC返回信号的所述幅度超过阈值，则检测所述接触器的缺陷状况。
3.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述交流AC信号源还被配置为当所述控制器接通所述接触器时提供第二AC测试信号；以及
所述检测电路还被配置为：
接收对应于所述第二AC测试信号的第二AC返回信号，以及
基于所述第一AC返回信号和第二AC返回信号检测所述接触器的缺陷状况。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述检测电路还被配置为：
确定所述第一AC返回信号的幅度和所述第二AC返回信号的幅度之间的差；以及
如果所确定的差小于阈值，则检测所述接触器的缺陷状况。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为：如果所述接触器有缺陷，则将所述电池串从所述直流DC总线断开。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一AC测试信号的幅度范围从约10μA至25mA以及频率范围从约100kHz至约10MHz。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述耦合电路是变压器。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括：至少一个电容器，耦合在所述耦合电路的次级侧和所述接触器之间。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括：至少一个电容器，耦合在所述耦合电路的所述初级侧和所述交流AC信号源之间。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括：电阻器，与所述接触器并联。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述检测电路还被配置为：如果检测到所述接触器的缺陷状况，则提供警告信号。
12.一种用于检测被配置为将电池串连接到车辆中的直流DC总线的接触器的状况的方法，所述方法包括：
由控制器断开所述接触器；
由交流AC信号源提供第一AC测试信号，所述交流AC信号源连接到AC耦合电路的初级侧，所述AC耦合电路具有连接到所述接触器的次级侧；
由检测电路接收对应于所述第一AC测试信号的第一AC返回信号；以及
由所述检测电路基于所述第一AC返回信号检测所述接触器的缺陷状况。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
确定所述第一AC返回信号的幅度；以及
如果所述第一AC返回信号的所述幅度超过阈值，则由所述检测电路检测所述接触器的缺陷状况。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
由所述控制器接通所述接触器；
由所述交流AC信号源产生第二AC测试信号；
由所述检测电路接收对应于所述第二AC测试信号的第二AC返回信号；以及
由所述检测电路基于所述第一AC返回信号和所述第二AC返回信号检测所述接触器的缺陷状况。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
确定所述第一AC返回信号的幅度和所述第二AC返回信号的幅度之间的差；以及
如果所确定的差小于阈值，则检测所述接触器的缺陷状况。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括：如果所述接触器有缺陷，则断开所述电池串和所述直流DC总线。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一AC测试信号的幅度范围从约10μA到25mA以及频率范围从约100kHz到约10MHz。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述耦合电路是变压器。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括：如果检测到所述接触器的缺陷状况，则提供警告信号。
20.一种车辆，包括：
电池串；
直流DC电力总线；
接触器，被配置为将所述电池串连接到所述DC电力总线；
控制器，被配置为断开或接通所述接触器；
交流AC信号源，被配置为当所述控制器断开所述接触器时提供AC测试信号；
AC耦合电路，具有初级侧和次级侧，所述初级侧连接到所述交流AC信号源，所述次级侧连接到所述接触器；以及
检测电路，被配置为：
检测对应于所述AC测试信号的AC返回信号，以及
基于所述AC返回信号确定所述接触器的缺陷状况。
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