CN109196762B - 电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种蓄电池模块电压控制装置、蓄电池模块以及电源系统。电源系统具备蓄电池模块和转换器部。双向DC‑DC转换器(蓄电池模块电压控制装置)连接在负载与二次电池之间，对二次电池的放电电压进行变压并输出到负载。电压控制部(控制部、双向DC‑DC转换器)将二次电池的放电电压变压成向负载输出的电压的目标值即输出电压目标值，并输出到负载。设定输出电压目标值，使得在输出电流值取得部取得的输出电流值为低于给定值的第1阈值以上时，输出电压目标值伴随输出电流值的增大而上升，并且在输出电流值为低于给定值且高于第1阈值的第2阈值与第1阈值之间时，输出电压目标值变得高于转换器部的输出电压。

Description

电源系统
技术领域
本发明涉及辅助向负载的电力提供的蓄电池模块、其电压控制装置以及具备蓄电池模块的电源系统。
背景技术
若在计算机工作中发生停电等，就会产生数据消失、系统故障等各种事故。因此，有即使突然停电也会稳定地向负载(计算机等)提供电力的无停电电源装置。在专利文献1中公开了如下的无停电电源装置：在向负载提供电力的电源组件停止时，通过从蓄电池继续向负载提供电力，来向负载进行稳定的电力提供。
专利文献1记载的无停电电源装置具备对负载提供电力的蓄电池和并联连接的多个电源组件。各电源组件将输出电流限制在给定值，具有在需要输出给定值以上的输出电流的情况下使输出电压下垂的恒功率下垂特性，将输出功率控制得恒定。而且，在向负载提供电力的同时对蓄电池进行充电。无停电电源装置算出每一台电源组件的最大输出功率，将该最大输出功率的值设定给各电源组件，来控制各电源组件的恒功率下垂特性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2015-154552号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在负载是服务器等信息处理系统设备的情况下，电压降低有可能会引起不稳定的动作。因此，具有恒功率下垂特性的专利文献1的电源装置不适合服务器等信息处理系统设备。
为此，本发明的目的在于，提供向负载提供稳定的电压的蓄电池模块、其电压控制装置以及具备蓄电池模块的电源系统。
用于解决课题的手段
本发明所涉及的蓄电池模块电压控制装置特征在于，具备：电压控制部，其连接在负载与二次电池之间，将所述二次电池的放电电压变压成向所述负载输出的电压的目标值即输出电压目标值，并输出到所述负载；和输出电流值取得部，其在输出电流为给定值以下的范围内进行输出给定的恒定电压的恒定电压控制，并取得向所述负载输出电压的转换器部的输出电流值。设定所述输出电压目标值，使得在所述输出电流值取得部取得的所述输出电流值为比所述给定值低的第1阈值以上时，所述输出电压目标值伴随所述输出电流值的增大而上升，并且在所述输出电流值为低于所述给定值且高于所述第1阈值的第2阈值与所述第1阈值之间时，所述输出电压目标值变得高于所述转换器部的输出电压。
另外，本发明所涉及的蓄电池模块由所述蓄电池模块电压控制装置和所述二次电池构成。
另外，本发明所涉及的电源系统由所述转换器部和所述蓄电池模块构成。
在该结构中，在转换器部的输出电流值为第1阈值以上、转换器部进行恒定电压控制的状态下，使蓄电池模块的输出电压目标值上升。由此，在负载成为重负载状态时，通过将来自蓄电池模块的电力提供到负载，能将稳定的电压提供到负载。其结果，能防止电压降低引起的负载的误动作。
可以是如下结构：所述电压控制部在所述输出电流值取得部取得的输出电流值为第3阈值以下时，停止电压控制，所述第3阈值的值低于所述第1阈值。
在该结构中，例如通过在轻负载的情况下停止电压控制，能减低开关损耗等。
所述电压控制部可以是在能编程的状态下保持所述输出电流值与所述输出电压目标值的关系的结构。
在该结构中，能调整将二次电池的充电电压提供到负载的条件(状态)。而且，能在转换器部的变换效率良好的条件(状态)下将二次电池的充电电压提供到负载，并能向负载持续提供恒定电压从而保持效率良好的状态。
可以是如下结构：所述转换器部具备被并联连接且具有基于均流信号的均流功能的多个转换器，所述输出电流值取得部通过接收从所述转换器部接收的所述均流信号来取得所述转换器部的所述输出电流值。
在该结构中，通过利用均流信号而不需要设置电流检测用的电路。
可以是如下结构：所述电压控制部在所述输出电流值取得部取得的输出电流值不足所述第1阈值的情况下用所述转换器部的输出电力对所述二次电池进行充电。
在该结构中，能防止二次电池的充电电压的降低。
优选是如下结构：所述电压控制部的负载连接侧经由OR连接用开关元件与所述转换器部进行OR连接，所述电压控制部在所述转换器部的所述输出电流值成为第4阈值以下时，输出暂时切断所述OR连接用开关元件的信号，该第4阈值低于临界电流值，该临界电流值是与所述输出电流值和所述输出电压目标值的关系中的所述转换器部的所述恒定电压对应的电流值。
根据该结构，由于在转换器部的输出电流值成为低于临界电流值(电压控制部开始电流的辅助的电流值)的第4阈值以下时，即成为逆流电流流过OR连接用开关元件的状态时，OR连接用开关元件被暂时切断，因此能可靠地防止逆流状态。另外，由于与检测OR连接用开关元件的两端电压并仅基于该电压来切断OR连接用开关元件的结构相比，能使误差小，因此即使在小的逆流状态下也能可靠地切断OR连接用开关元件，抑制了在实际不是逆流状态的状态下切断OR连接用开关元件这样的误动作。
发明的效果
根据本发明，即使在重负载状态下转换器部的输出电压降低的情况下，也能从蓄电池模块将稳定的电压提供到负载。其结果，能防止电压降低引起的负载的误动作。
附图说明
图1是第1实施方式所涉及的电源系统的框图。
图2是表示AC-DC转换器的输出电压特性的图。
图3是表示AC-DC转换器和蓄电池模块的输出电压特性的图。
图4是从负载侧来看的负载电流和对负载施加的电压的特性图。
图5的(A)(B)是控制部所进行的处理的流程图。
图6是第2实施方式所涉及的电源系统的框图。
图7的(A)是上述OR连接用开关元件SW的电路图，图7的(B)是上述OR连接用开关元件SWa、SWb、SWc、SWd的电路图。
图8是表示双向DC-DC转换器12的输出电压目标值相对于转换器部102的输出电流的关系、以及双向DC-DC转换器12的输出电压的伴随时间经过的变化的示例的图。
图9是与控制部所进行的处理的另一例相关的流程图。
具体实施方式
《第1实施方式》
图1是第1实施方式所涉及的电源系统100的框图。
电源系统100包含与商用电源101连接的转换器部102、负载103和蓄电池模块10。
负载103具备负载103A、103B、103C。这些负载103A、103B、103C例如是刀片服务器，收在壳体内。负载103A、103B、103C并联连接，且与转换器部102连接。而且，从转换器部102以及蓄电池模块10对负载103A、103B、103C提供电力。
转换器部102具有AC-DC转换器102A、AC-DC转换器102B、AC-DC转换器102C和AC-DC转换器102D。AC-DC转换器102A、102B、102C、102D分别并联连接在商用电源101与负载103之间。而且，AC-DC转换器102A、102B、102C、102D分别将来自商用电源101的交流电压(例如200V)变换成直流电压(例如12V)，提供给负载103。
转换器部102将AC-DC转换器102A、102B、102C、102D并联化而使其拥有冗余性。因此，即使AC-DC转换器102A、102B、102C、102D中的一者因故障等而停止，也能用剩余的AC-DC转换器向负载103进行电力提供。而且，转换器部102能在始终运转的状态下更换发生了故障的AC-DC转换器。
AC-DC转换器102A、102B、102C、102D分别具有将自身的输出电流与其他输出电流进行比较并将输出电流平衡化的功能(所谓均流(current share)功能)。即，AC-DC转换器102A、102B、102C、102D的输出电流分别相同。通过具有该功能，能将每1台转换器的额定功率的并联台数倍的功率提供给负载。另外，通过将进行并联动作的各转换器的负载平衡化能够谋求长寿命化。
另外，AC-DC转换器102A、102B、102C、102D分别具有伴随输出电流超过给定值而使输出电压下垂的功能。
图2是表示AC-DC转换器102A、102B、102C、102D各自的输出电压相对于输出电流的特性的图。
AC-DC转换器102A、102B、102C、102D分别直到输出电流成为阈值A1为止都进行输出恒定电压V1的恒定电压控制。阈值A1是本发明所涉及的“给定值”的一例。若输出电流超过阈值A1，成为重负载，则AC-DC转换器102A、102B、102C、102D分别为了防止烧坏等而使过电流限制起作用。这时，为了维持负载103的动作，为了在重负载状态下也持续进行电力提供，在输出电流超过给定值的状态下，对应于输出电流的增加使输出电压降低。若输出电流达到阈值A2，则AC-DC转换器102A、102B、102C、102D分别进行恒定电流控制。
即，若负载103为轻负载，则从转换器部102提供恒定电压V1，而负载103成为重负载，伴随负载电流的增加，从转换器部102提供给负载103的电压降低。伴随该电压降低，作为刀片服务器的负载103的动作变得不稳定。
在本实施方式中，蓄电池模块10(参考图1)相对于负载103与转换器部102并联连接。蓄电池模块10对向负载103的电流提供进行辅助，以使得在负载103为重负载时不会引起电压降低。而且，通过对负载103提供稳定的电压来使负载103的动作稳定化。
蓄电池模块10具有控制部11、双向DC-DC转换器12和二次电池13。二次电池13例如是锂离子电池等。控制部11和双向DC-DC转换器12是本发明所涉及的“电压控制部”的一例。另外，控制部11是本发明所涉及的“输出电流值取得部”的一例。
双向DC-DC转换器12连接在转换器部102的输出部与二次电池13之间。双向DC-DC转换器12例如是组合了升压斩波器和降压斩波器的电路，在转换器部102的输出部与二次电池13之间双向进行电压变换。即，双向DC-DC转换器12对二次电池13的放电电压进行电压变换并输出到负载103，另外对转换器部102的输出电压进行电压变换并对二次电池13进行充电。
控制部11例如是微型计算机，分别从AC-DC转换器102A、102B、102C、102D适宜地接收均流信号，并对双向DC-DC转换器12进行开关控制，来进行所述的二次电池13的充放电控制。均流信号包含通过均流功能而被平衡化的AC-DC转换器102A、102B、102C、102D各自的输出电流值。
图3是分别表示转换器部102的输出电压相对于输出电流的特性、双向DC-DC转换器12的输出电压目标值相对于转换器部102的输出电流的关系的图。在图3中，用一点划线示出转换器部102的输出电压相对于输出电流的特性。另外，用实线示出双向DC-DC转换器12的输出电压目标值相对于转换器部102的输出电流的关系。
图1所示的控制部11如图3中一点划线所示那样决定双向DC-DC转换器12的输出电压目标值。即，设定输出电压目标值，使得在转换器部102的输出电流值为比阈值A1低的第1阈值Th1以上时，输出电压目标值伴随输出电流值的增大而上升，并且在输出电流值为低于阈值A1且高于第1阈值Th1的第2阈值Th2与第1阈值Th1之间时，输出电压目标值变得高于转换器部102输出的恒定电压V1。
通过上述双向DC-DC转换器12的输出电压目标值的设定，在双向DC-DC转换器12的输出电压目标值超过恒定电压V1的条件(状态)X下开始向负载103的电流提供。
图3中的X点是双向DC-DC转换器12的输出电压目标值和转换器部102的输出电压一致的点。若转换器部102的输出电流超过该X点，则双向DC-DC转换器12的输出电压目标值就超过转换器部102输出的恒定电压V1。
图4是从负载侧来看的负载电流和对负载施加的电压的特性图。如对比图3和图4所明确的那样，即使转换器部102的输出电流超过X点而从蓄电池模块10对负载提供电流，对负载施加的电压实际也没有改变。因此，对负载施加的电压大致稳定在V1，成为平坦的特性。
在重负载时负载电流增加。与此相伴，AC-DC转换器102A、102B、102C、102D各自的负载率提高，输出电流增大。如此一来，由于导通损耗等而AC-DC转换器102A、102B、102C、102D的效率降低。但是，由于如上述那样，在重负载时通过蓄电池模块10对转换器部102的电流提供进行辅助，因此AC-DC转换器102A、102B、102C、102D各自的负载率下降，能使AC-DC转换器102A、102B、102C、102D分别效率良好地驱动。
另外，在本实施方式中，AC-DC转换器102A、102B、102C、102D具有伴随输出电流的增加而使输出电压下垂的功能，但也可以不具有该功能。在该情况下，只要对应于负载103为重负载下的负载电流来设定阈值Th2，则在重负载时也能从蓄电池模块10将恒定的电压(恒定电压V1)提供给负载103。
图5的(A)(B)是控制部11所进行的处理的流程图。
在图5的(A)所示的示例中，控制部11适宜地接收均流信号(S1)。控制部11在基于均流信号而转换器部102的输出电流值为第1阈值Th1以上的情况下(S2：“是”)，设定与转换器部102的输出电流相应的输出电压目标值(S3)。由此，双向DC-DC转换器12进行动作，使得其输出电压成为输出电压目标值。
在来自转换器部102的输出电流值不是第1阈值Th1以上的情况下(S2：“否”)，控制部11判定上述输出电流值是否是第3阈值Th3(参考图3)以下(S4)。第3阈值Th3小于第1阈值Th1，是负载103为轻负载状态的情况，能适宜地变更。
在均流信号中所含的输出电流值为阈值Th3以下的情况下(S4：“是”)，控制部11停止双向DC-DC转换器12的开关控制(S5)。由此，能减低开关控制引起的开关损耗等。
在转换器部102的输出电流值不是阈值Th3以下的情况下(S4：“否”)，回到均流信号的接收。
在图5的(B)所示的示例中，在转换器部102的输出电流值为阈值Th3B以下的情况下(S4：“是”)，控制部11进行充电控制，用转换器部102的输出电力对二次电池13进行充电(S5)。通过在这样的轻负载时对二次电池13进行充电，能够在不提高转换器部102的负载率的情况下，防止二次电池13的充电电压的降低，能防备负载103的急剧的负载变动。
《第2实施方式》
在第2实施方式中示出电压控制部经由OR连接用开关元件与转换器部进行了OR连接的电源系统的示例。
图6是第2实施方式所涉及的电源系统的框图。该电源系统100包含与商用电源101连接的转换器部102、负载103和蓄电池模块10。
在双向DC-DC转换器12的负载连接侧连接有OR连接用开关元件SW。双向DC-DC转换器12经由该OR连接用开关元件SW与总线9进行OR连接。该OR连接用开关元件SW通过流过该OR连接用开关元件SW的电流以及从双向DC-DC转换器12输出的控制信号来控制。控制部11探测AC-DC转换器102A、102B、102C、102D以及双向DC-DC转换器12的输出电流的合计输出电流、即负载电流，在负载电流低于后述的第4阈值时将OR连接用开关元件SW关断。
在AC-DC转换器102A、102B、102C、102D的负载连接部侧分别连接有OR连接用开关元件SWa、SWb、SWc、SWd。AC-DC转换器102A、102B、102C、102D经由OR连接用开关元件SWa、SWb、SWc、SWd与总线9进行OR连接。
其他结构与第1实施方式中在图1示出的电源系统100相同。
图7的(A)是上述OR连接用开关元件SW的电路图，图7的(B)是上述OR连接用开关元件SWa、SWb、SWc、SWd的电路图。
图7的(A)所示的OR连接用开关元件SW具备OR连接用FET Q、比较器COM、AND门AND。图中的二极管D是FET Q的体二极管。比较器COM连接在FET Q的漏极-源极间，在漏极-源极间电压成为源极电压>漏极电压时，使输出为“H”电平。AND门在比较器COM的输出为“H”电平且控制信号Va为“H”电平时，将FET Q接通。
图7的(B)所示的OR连接用开关元件SWa、SWb、SWc、SWd具备OR连接用FET Q以及比较器COM。图中的二极管D是FET Q的体二极管。比较器COM连接在FET Q的漏极-源极间，在漏极-源极间电压成为源极电压>漏极电压时，将FET Q接通。
图8是表示双向DC-DC转换器12的输出电压目标值相对于转换器部102的输出电流的关系、以及双向DC-DC转换器12的输出电压的伴随时间经过的变化的示例的图。在图8中，Vbus是总线9的额定总线电压(例如12.3V)，Vpre是OR连接用开关元件SW为断开状态下的双向DC-DC转换器12的输出电压。另外，在图8中，转换器部的输出电流A0是第1实施方式中图3所示的蓄电池模块10开始电流辅助的电流值(临界电流值)。该临界电流值A0是“对应于转换器部102的输出电流值与输出电压目标值的关系中的转换器部102的恒定电压(总线电压)的电流值”。逆流电流流过双向DC-DC转换器12，OR连接用FET Q被关断的电流的阈值(第4阈值)Th4设定得低于上述临界电流值A0。
本实施方式的电源系统的动作例如下。
首先，若成为蓄电池模块10(双向DC-DC转换器12)对总线9进行电流辅助的状态，则图7的(A)所示的比较器COM的输出成为“H”电平，另外，控制信号Va成为“H”电平。因此，FET Q接通。
之后，考虑从蓄电池模块10对总线9进行电流辅助的状态起流过负载103的电流(负载电流)减少的情况。该变化在图8中用左斜下方向的箭头示出。若转换器部102的输出电流低于临界电流值A0，则电流辅助消失。若转换器部102的输出电流进一步减少而低于阈值Th4，则图7的(A)所示的控制信号Va暂时成为“L”电平，从而FET Q关断。由于想要在产生了正向电流的状态下接通FET Q，因此比较器COM成为容许某种程度的逆流的设定。即，有即使成为流过逆流电流的状态，比较器COM仍然输出“H”电平的情况。在这种情况下，OR连接用开关元件SW也通过控制信号Va将FET Q可靠地关断。
图9是表示通过控制信号Va的“L”电平信号使FET Q的状态发生变化时的动作例的图。
在产生了正向电流的状态下，使FET Q接通，因此将使比较器COM的输出从“L”变为“H”的(Vbus-Vpre)的阈值：Th5设为正的值。另外，为了不使FET Q频繁地重复通断(ON/OFF)，将比较器COM的输出从“H”变为“L”的(Vbus-Vpre)的阈值：Th6设为大于Th5的值。例如若设为Th5＝2mV、Th6＝10mV、FET Q的接通电阻＝1mΩ，则在现有的仅使用比较器COM的方法中，为了使FET Q从接通(ON)改变成断开(OFF)而需要产生10A的逆流电流。与此相对，在本发明中，通过在不产生正向电流的输出电压目标值的条件(假设为Vbus＝12.3V、Vpre＝12.292V)下用控制信号Va(“L”信号)暂时关断FET Q，从而产生Vbus-Vpre＝8mV的电位差。通过作为暂时关断FET Q的阈值而设定为FET Q断开的情况下的(Vbus-Vpre)大于Th5的条件，从而在FET Q暂时关断后，通过比较器COM而继续FET Q的断开状态。因此即使不产生大的逆流电流FET Q也能关断，因此不再从Vbus向FET Q流入大的电流，能实现稳定地保持Vbus的供电系统。
以上说明了各实施方式所涉及的电源系统100，但电源系统100的具体的结构能适宜地变更。
控制部11对双向DC-DC转换器12进行开关控制，使得双向DC-DC转换器12的输出电压目标值相对于转换器部102的输出电流的关系如图3所示那样，而该电压特性例如通过程序来决定。另外，在能编程的状态下保持输出电流值与输出电压目标值的关系，能通过改写等来变更。例如可以使得能变更使双向DC-DC转换器12的输出电压线性上升时的倾斜。若使该倾斜平缓，则能防止双向DC-DC转换器12中的跳变的产生。
另外，控制部11也可以控制双向DC-DC转换器12的输出电压，使其像指数函数的饱和曲线那样上升。如此，通过使得能变更电压特性，从而能调整将二次电池13的充电电压提供到负载的条件(状态)。而且，能在转换器部102的变换效率良好的条件(状态)下将二次电池13的充电电压提供到负载103，使得持续向负载103提供恒定电压，能保持效率良好的状态。
另外，通过变更电压特性(阈值Th1以及Th2等)，能在不变更转换器的输出电压特性的情况下，对应于电源系统的输入(商用电源)的规格来任意设定来自商用电源的供电功率的限制。
另外，电压特性的变更可以在电源系统100工作中进行。在该情况下，能对AC-DC转换器102A、102B、102C、102D各自的负载率逐次进行调整(例如在周围温度、转换器温度高的情况下降低负载率等)来降低AC-DC转换器102A、102B、102C、102D的压力，能谋求AC-DC转换器102A、102B、102C、102D的长寿命化。
另外，通过在瞬时停电时暂时降低转换器的负载率，从而能在转换器的瞬时停电保持时间长的状态下使用，即使是长的瞬时停电时也能使系统继续运转。另外，通过对应于商用电源的累计功率来调整转换器的输出功率与蓄电池模块10的输出功率的比率，能使得不超过商用电源的合同功率。
另外，也可以检测二次电池13的充电容量，在充电容量降低时提高阈值Th1。而且，可以推迟二次电池13的放电开始，在这期间对二次电池13进行充电。由此，能防止二次电池13的充电容量的降低。
进而，在AC-DC转换器102A、102B、102C、102D停止的情况下，控制部11可以从AC-DC转换器102A、102B、102C、102D取得供电停止信号，将蓄电池模块10的输出电压控制得与AC-DC转换器102A、102B、102C、102D的通常输出电压(例如12V)相等。由此，即使是停电时也能向负载103提供恒定的电压。
另外，转换器部102具有并联连接的AC-DC转换器102A、102B、102C、102D，但在电源是直流电源的情况下，转换器部102可以是具有并联连接的DC-DC转换器的结构。另外，转换器部102能使用一般的恒定电压输出特性的转换器部，将蓄电池模块10追加到已有的电源系统是容易的。
附图标记的说明
A1 阈值(给定值)
A2 阈值
AND AND门
COM 比较器
Q FET
SW、SWa、SWb、SWc、SWd OR连接用开关元件
V1 恒定电压
Th1 (第1阈值)
Th2 (第2阈值)
Th3 (第3阈值)
Th4 (第4阈值)
9 总线
10 蓄电池模块
11 控制部
12 双向DC-DC转换器
13 二次电池
100 电源系统
101 商用电源
102 转换器部
102A、102B、102C、102D AC-DC转换器
103 负载
103A、103B、103C 负载

Claims (4)

1.一种电源系统，具备：
转换器部，其在输出电流为给定值以下的范围内进行输出给定的恒定电压的恒定电压控制，向负载输出电压；
二次电池；
电压控制部，其连接在所述负载与所述二次电池之间，将所述二次电池的放电电压变压成向所述负载输出的电压的目标值即输出电压目标值，并输出到所述负载；和
输出电流值取得部，其取得所述转换器部的输出电流值，
所述转换器部具备被并联连接的多个转换器，
所述多个转换器分别具有将自身的输出电流与其他输出电流进行比较并将输出电流平衡化的均流功能，
所述输出电流值取得部通过接收从所述转换器部接收的均流信号来取得所述转换器部的所述输出电流值，
设定所述输出电压目标值，使得在所述输出电流值取得部取得的所述输出电流值在比所述给定值低的第1阈值以上时，所述输出电压目标值伴随所述输出电流值的增大而上升，直到变得高于所述转换器部的输出电压，并且在所述输出电流值在低于所述给定值且高于所述第1阈值的第2阈值与所述第1阈值之间时，所述输出电压目标值变得高于所述转换器部的输出电压。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其中，
所述电压控制部在所述输出电流值取得部取得的所述输出电流值在第3阈值以下时，停止电压控制，所述第3阈值的值低于所述第1阈值。
3.根据权利要求1所述的电源系统，其中，
所述电压控制部在所述输出电流值取得部取得的所述输出电流值不足所述第1阈值的情况下，以所述转换器部的输出电力对所述二次电池进行充电。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电源系统，其中，
所述电压控制部的负载连接侧经由OR连接用开关元件与所述转换器部进行OR连接，
所述电压控制部在所述转换器部的所述输出电流值成为第4阈值以下时，输出暂时切断所述OR连接用开关元件的信号，该第4阈值低于临界电流值，该临界电流值是与所述输出电流值和所述输出电压目标值的关系中的所述转换器部的所述恒定电压对应的电流值。
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