CN109510275B - 一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置及方法 - Google Patents

一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置及方法，根据缓冲启动参数和检测信号，通过缓冲控制算法计算出各种状态下的控制信号，以控制母线接触器和电阻接触器，从而通过配置负载通路的母线接触器和电阻通路的电阻接触器实现燃料电池电能向不同对象进行输出实现缓冲启动。本发明实现燃料电池启动时的缓冲功能，使得燃料电池输出电压经过变换后更加稳定，同时对燃料电池进行保护，达到延长燃料电池使用寿命，减小对直流变换器输入电压范围的要求，减少直流变换器成本以及选型难度。

Description

一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置及方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置及方法。
背景技术
新能源作为未来的发展方向及研究热点，已经得到国家机构及各领域学者的广泛关注，其中氢能以清洁环保，能量密度高，使用便捷安全等优势，被普遍认为是可能会取代化石燃料成为主要能量载体的能量源之一。燃料电池是利用氢能产生氢能产生电能的装置，其中质子交换膜燃料电池具有常温运行，功率等级在几百瓦到几十千瓦等特点，在交通运输及微电网得到了较多的应用。
燃料电池作为一项新技术，虽然具有各种优点，但同时也有许多尚不成熟之处。如目前燃料电池电堆成本较高，往往每千瓦的成本在上万元，同时使用寿命较为有限，实验环境下测试可达几千小时的运行时间，但在许多工业应用情况下，面对恶劣的工况，寿命往往小于两千小时。国内外的学者通过研究指出，燃料电池频繁启停机及输出功率骤变是影响燃料电池寿命的主要因素。
在实际运用中，由于燃料电池不像普通的电源可以做到恒压输出，因此为保持后级用电设备得到稳定高质量的电源，需要在燃料电池输出后加入一级直流变换器来稳定输出电压。燃料电池的输出电压随着输出功率的上升而下降，这被称为极化现象，这一现象的出现，使得后级直流变换器必须选用宽输入范围的变换器，同时如果负载需求电压在极化曲线段内，还需要使用升降压型直流变换器，增加了成本及直流变换器的选型难度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置及方法，实现燃料电池启动时的缓冲功能，使得燃料电池输出电压经过变换后更加稳定，同时对燃料电池进行保护，达到延长燃料电池使用寿命，减小对直流变换器输入电压范围的要求，减少直流变换器成本以及选型难度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置，包括缓冲切换电路、信号检测电路和缓冲控制器；
所述缓冲切换电路包括负载通路和电阻通路，所述负载通路包括输入电压电流变送器、母线接触器、防倒流二极管和输出电压电流变送器，所述输入电压电流变送器的输出端依次经过母线接触器和防倒流二极管连接至输出电压电流变送器的输入端；所述电阻通路包括依次连接的电阻接触器和耗散电阻，所述输入电压电流变送器的输出端还连接至电阻接触器；所述输入电压电流变送器的输入端连接至燃料电池组件，所述输出电压电流变送器的输出端连接至负载组件；
所述信号检测电路分别连接至缓冲切换电路和缓冲控制器，检测缓冲切换电路的输入输出信号，并将检测信号传送至缓冲控制器；
所述缓冲控制器，接收信号检测电路检测信号，经过处理分析后分别发送控制信号至母线接触器和电阻接触器；通过配置负载通路的母线接触器和电阻通路的电阻接触器实现燃料电池电能向不同对象进行输出实现缓冲启动。耗散电阻在燃料电池输出功率小，输出电压高时接入电路起到对后级直流变换器缓冲的作用，防反二极管针对燃料电池不能逆向输入电流的特性，防止电流逆流，保护燃料电池。
进一步的是，所述信号检测电路，包括信号调理电路和信号检测元件；所述信号检测元件检测输入电压电流变送器的输入电压和输入电流，以及输出电压电流变送器的输出电压和输出电流，并将检测信号送入调理电路，调理电路经过滤波放大后送入缓冲控制器进行运算控制。
进一步的是，所述缓冲控制器包括模数转换器、处理器、GPIO接口和CAN通信电路，所述模数转换器分别连接信号调理电路和处理器，所述处理器分别连接至GPIO接口和CAN通信模块，所述GPIO接口分别连接至母线接触器和电阻接触器，所述CAN通信电路与外部设备通讯连接；
由模数转换器进行信号的采集量化得到采集数据，将采集数据通过处理器的缓冲控制算法计算后，通过GPIO接口控制负载接触器和电阻接触器的工作状态，同事CAN通信电路将系统的工作状态及故障信息传输给外部设备。
进一步的是，所述母线接触器和电阻接触器采用高压大功率直流接触器作为切换执行装置，在接触器驱动电路中使用电容器稳定控制信号，减小在使用过程中出现误动和据动的可能性。
进一步的是，在所述处理器的缓冲控制算法中采用迟滞判断，避免负载需求功率在缓冲启动状态切换点附近波动时，系统状态频繁改变带来的不稳定。
进一步的是，在所述处理器的缓冲控制算法中，通过修改设置的燃料电池功率范围和电压范围，适用于缓冲启动不同功率等级的燃料电池，通过修改设置的负载电压范围调整缓冲启动状态切换电压。
另一方面，本发明基于一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置，还提供了一种燃料电池供电系统的缓冲启动方法，包括步骤：
S100，设定缓冲启动参数；
S200，通过信号检测电路采集检测信号；
S300，根据缓冲启动参数和检测信号，通过缓冲控制算法计算出各种状态下的控制信号，以控制母线接触器和电阻接触器，从而通过配置负载通路的母线接触器和电阻通路的电阻接触器实现燃料电池电能向不同对象进行输出实现缓冲启动。
进一步的是，所述缓冲启动参数包括状态切换电压、状态切换迟滞电压、低功率待机时间、燃料电池最高电压、燃料电池最低电压和燃料电池最高电流。
进一步的是，所述缓冲控制算法包括：
S301，进入缓冲启动状态：开启电阻接触器，关闭负载接触器，使燃料电池向耗散电阻输出功率，输出电压不断下降，输出功率不断上升；
当检测到输出电压小于状态切换电压时，开启负载接触器，使得燃料电池同时向耗散电阻及负载进行供电，输出电压进一步下降；
当检测到输出电压小于状态切换电压和状态切换迟滞电压之差时，关闭电阻接触器，由燃料电池向负载供电，进入正常运行模式，转入步骤S302；
当检测到输入电压高于燃料电池最高电压、输入电压小于燃料电池最低电压、或输入电流高于燃料电池最高电流的情况，说明系统内出现故障，转入步骤S304；
S302，进入正常运行状态：当检测到输出电压高于状态切换电压时，开启负载接触器，燃料电池同时向负载和电阻供电，维持燃料电池最小输出功率，防止燃料电池功率骤降及停机；当检测到输出电压高于状态切换电压加状态切换迟滞电压时，说明负载需求功率小，燃料电池主要向电阻供电，系统进入待机状态，转入步骤S303；当检测到输入电压高于燃料电池最高电压、输入电压小于燃料电池最低电压、或输入电流高于燃料电池最高电流的情况，说明系统内出现故障，转入步骤S304；
S303，进入待机运行状态：燃料电池以低功率向负载输出能量，避免停机并等待产生的负载功率上升；
当检测到输出电压小于状态切换电压与状态切换迟滞电压之差时，负载功率上升，关闭电阻接触器，燃料电池向负载供电，进入正常运行状态，转入步骤S302；
若检测到输入电压高于燃料电池最高电压、输入电压小于燃料电池最低电压、或输入电流高于燃料电池最高电流的情况，说明系统内出现故障，转入步骤S304；
进入等待低功率待机时间后，说明负载长时间没有需求功率，此时关闭负载接触器，同时向燃料电池控制器发出关机信号，关闭燃料电池，结束本次运行；
S304，进入故障状态：当系统检测到电参数信号异常时，进入故障保护状态，根据不同类型的故障进行不同的处理方式同时向外部设备发送故障信息。
进一步的是，所述故障保护状态的处理方式，包括：
当输入电流高于燃料电池最高电流，负载出现短路故障或者挂载了功率过高的负载；开启电阻接触器，关闭负载接触器，燃料电池单独向电阻供电；延时一段时间后关闭燃料电池，同时由缓冲启动控制器向外部设备发出过流故障信号；
当输入电压高于燃料电池最高电压，出现电路故障包括信号采集电路异常或防反二极管损坏导致出现电流逆流；立即关闭燃料电池并由缓冲启动控制器向外部设备发出过流故障信号；
当输入电压小于燃料电池最低电压，若出现电流过流则按过流故障处理；若未出现电流过流，燃料电池性能衰减导致电压功率下降，由缓冲启动控制器向外部设备发出过流故障信号。
采用本技术方案的有益效果：
本发明中燃料电池启动时通过耗散电阻进行缓冲，度过极化曲线的电化学极化区，并在需求功率短暂下降时通过投入耗散电阻来维持燃料电池输出功率，避免输出功率剧烈下降降低燃料电池寿命或者在不必要的时刻使燃料电池停机。
本发明根据燃料电池输出电压作为判断依据，结合极化特性曲线，在开路电压较高的电化学极化区暂时不将燃料电池投入到整个供电系统中，而是通过耗散电阻作为负载，使燃料电池的工作状态过渡到电压相对平稳的欧姆极化区，再将燃料电池投入到系统中，同时切除耗散电阻避免功率浪费；同样，当母线需求功率降低时，燃料电池输出功率降低，输出电压上升，投入耗散电阻以维持燃料电池功率需求，为可能来临的负载做准备，或在接收到停机信号或者等待一段时间后进行停机，避免因功率波动而频繁启停机。
本发明通过控制器切除与投入耗散电阻的执行器件选用直流接触器，保障了足够的通过电流及设备的安全性；燃料电池输出电压通过电压变送器转化为低功率信号，再通过调理电路转变为单片机能识别的信号，单片机对于电压信号进行采样后，根据程序设定进行判断燃料电池所处的工作状态，并通过两个直流接触器来改变燃料电池与直流变换器及耗散电阻之间的连接状态；为防止需求功率在判断条件上下波动导致系统状态频繁变更，设计了迟滞控制算法来减少功率波动和干扰信号带来的影响。
本发明通过以上结构及控制方法，实现了燃料电池运行过程中的功率稳定以及缩小直流变换器的输入电压范围，从而提高燃料电池寿命，减少直流变换器成本以及选型难度。
附图说明
图1为本发明的一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置的结构示意图；
图2为本发明的一种燃料电池供电系统的缓冲启动方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中缓冲控制算法的流程示意图；
图4为本发明实施例中故障保护状态的处理方式的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置，包括缓冲切换电路、信号检测电路和缓冲控制器；
所述缓冲切换电路包括负载通路和电阻通路，所述负载通路包括输入电压电流变送器、母线接触器、防倒流二极管和输出电压电流变送器，所述输入电压电流变送器的输出端依次经过母线接触器和防倒流二极管连接至输出电压电流变送器的输入端；所述电阻通路包括依次连接的电阻接触器和耗散电阻，所述输入电压电流变送器的输出端还连接至电阻接触器；所述输入电压电流变送器的输入端连接至燃料电池组件，所述输出电压电流变送器的输出端连接至负载组件；
所述信号检测电路分别连接至缓冲切换电路和缓冲控制器，检测缓冲切换电路的输入输出信号，并将检测信号传送至缓冲控制器；
所述缓冲控制器，接收信号检测电路检测信号，经过处理分析后分别发送控制信号至母线接触器和电阻接触器；通过配置负载通路的母线接触器和电阻通路的电阻接触器实现燃料电池电能向不同对象进行输出实现缓冲启动。耗散电阻在燃料电池输出功率小，输出电压高时接入电路起到对后级直流变换器缓冲的作用，防反二极管针对燃料电池不能逆向输入电流的特性，防止电流逆流，保护燃料电池。
作为上述实施例的优化方案，所述信号检测电路，包括信号调理电路和信号检测元件；所述信号检测元件检测输入电压电流变送器的输入电压和输入电流，以及输出电压电流变送器的输出电压和输出电流，并将检测信号送入调理电路，调理电路经过滤波放大后送入缓冲控制器进行运算控制。
作为上述实施例的优化方案，所述缓冲控制器包括模数转换器、处理器、GPIO接口和CAN通信电路，所述模数转换器分别连接信号调理电路和处理器，所述处理器分别连接至GPIO接口和CAN通信模块，所述GPIO接口分别连接至母线接触器和电阻接触器，所述CAN通信电路与外部设备通讯连接；
由模数转换器进行信号的采集量化得到采集数据，将采集数据通过处理器的缓冲控制算法计算后，通过GPIO接口控制负载接触器和电阻接触器的工作状态，同事CAN通信电路将系统的工作状态及故障信息传输给外部设备。
其中，所述母线接触器和电阻接触器采用高压大功率直流接触器作为切换执行装置，在接触器驱动电路中使用电容器稳定控制信号，减小在使用过程中出现误动和据动的可能性。
作为上述实施例的优化方案，在所述处理器的缓冲控制算法中采用迟滞判断，避免负载需求功率在缓冲启动状态切换点附近波动时，系统状态频繁改变带来的不稳定。
在所述处理器的缓冲控制算法中，通过修改设置的燃料电池功率范围和电压范围，适用于缓冲启动不同功率等级的燃料电池，通过修改设置的负载电压范围调整缓冲启动状态切换电压。
为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图2所示，本发明还提供了一种燃料电池供电系统的缓冲启动方法，包括步骤：
S100，设定缓冲启动参数；
S200，通过信号检测电路采集检测信号；
S300，根据缓冲启动参数和检测信号，通过缓冲控制算法计算出各种状态下的控制信号，以控制母线接触器和电阻接触器，从而通过配置负载通路的母线接触器和电阻通路的电阻接触器实现燃料电池电能向不同对象进行输出实现缓冲启动。
作为上述实施例的优化方案，所述缓冲启动参数包括状态切换电压、状态切换迟滞电压、低功率待机时间、燃料电池最高电压、燃料电池最低电压和燃料电池最高电流。
作为上述实施例的优化方案，如图3所示，所述缓冲控制算法包括：
S301，进入缓冲启动状态：开启电阻接触器，关闭负载接触器，使燃料电池向耗散电阻输出功率，输出电压不断下降，输出功率不断上升；
当检测到输出电压小于状态切换电压时，开启负载接触器，使得燃料电池同时向耗散电阻及负载进行供电，输出电压进一步下降；
当检测到输出电压小于状态切换电压和状态切换迟滞电压之差时，关闭电阻接触器，由燃料电池向负载供电，进入正常运行模式，转入步骤S302；
当检测到输入电压高于燃料电池最高电压、输入电压小于燃料电池最低电压、或输入电流高于燃料电池最高电流的情况，说明系统内出现故障，转入步骤S304；
S302，进入正常运行状态：当检测到输出电压高于状态切换电压时，开启负载接触器，燃料电池同时向负载和电阻供电，维持燃料电池最小输出功率，防止燃料电池功率骤降及停机；当检测到输出电压高于状态切换电压加状态切换迟滞电压时，说明负载需求功率小，燃料电池主要向电阻供电，系统进入待机状态，转入步骤S303；当检测到输入电压高于燃料电池最高电压、输入电压小于燃料电池最低电压、或输入电流高于燃料电池最高电流的情况，说明系统内出现故障，转入步骤S304；
S303，进入待机运行状态：燃料电池以低功率向负载输出能量，避免停机并等待产生的负载功率上升；
当检测到输出电压小于状态切换电压与状态切换迟滞电压之差时，负载功率上升，关闭电阻接触器，燃料电池向负载供电，进入正常运行状态，转入步骤S302；
若检测到输入电压高于燃料电池最高电压、输入电压小于燃料电池最低电压、或输入电流高于燃料电池最高电流的情况，说明系统内出现故障，转入步骤S304；
进入等待低功率待机时间后，说明负载长时间没有需求功率，此时关闭负载接触器，同时向燃料电池控制器发出关机信号，关闭燃料电池，结束本次运行；
S304，进入故障状态：当系统检测到电参数信号异常时，进入故障保护状态，根据不同类型的故障进行不同的处理方式同时向外部设备发送故障信息。
作为上述实施例的优化方案，如图4所示，所述故障保护状态的处理方式，包括：
当输入电流高于燃料电池最高电流，负载出现短路故障或者挂载了功率过高的负载；开启电阻接触器，关闭负载接触器，燃料电池单独向电阻供电；延时一段时间后关闭燃料电池，同时由缓冲启动控制器向外部设备发出过流故障信号；
当输入电压高于燃料电池最高电压，出现电路故障包括信号采集电路异常或防反二极管损坏导致出现电流逆流；立即关闭燃料电池并由缓冲启动控制器向外部设备发出过流故障信号；
当输入电压小于燃料电池最低电压，若出现电流过流则按过流故障处理；若未出现电流过流，燃料电池性能衰减导致电压功率下降，由缓冲启动控制器向外部设备发出过流故障信号。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置，其特征在于，包括缓冲切换电路、信号检测电路和缓冲控制器；
所述缓冲切换电路包括负载通路和电阻通路，所述负载通路包括输入电压电流变送器、母线接触器、防倒流二极管和输出电压电流变送器，所述输入电压电流变送器的输出端依次经过母线接触器和防倒流二极管连接至输出电压电流变送器的输入端；所述电阻通路包括依次连接的电阻接触器和耗散电阻，所述输入电压电流变送器的输出端还连接至电阻接触器；所述输入电压电流变送器的输入端连接至燃料电池组件，所述输出电压电流变送器的输出端连接至负载组件；
所述信号检测电路分别连接至缓冲切换电路和缓冲控制器，检测缓冲切换电路的输入输出信号，并将检测信号传送至缓冲控制器；
所述缓冲控制器，接收信号检测电路检测信号，经过处理分析后分别发送控制信号至母线接触器和电阻接触器；通过配置负载通路的母线接触器和电阻通路的电阻接触器实现燃料电池电能向不同对象进行输出实现缓冲启动；
所述信号检测电路，包括信号调理电路和信号检测元件；所述信号检测元件检测输入电压电流变送器的输入电压和输入电流，以及输出电压电流变送器的输出电压和输出电流，并将检测信号送入调理电路，调理电路经过滤波放大后送入缓冲控制器进行运算控制。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置，其特征在于，所述缓冲控制器包括模数转换器、处理器、GPIO接口和CAN通信电路，所述模数转换器分别连接信号调理电路和处理器，所述处理器分别连接至GPIO接口和CAN通信模块，所述GPIO接口分别连接至母线接触器和电阻接触器，所述CAN通信电路与外部设备通讯连接；
由模数转换器进行信号的采集量化得到采集数据，将采集数据通过处理器的缓冲控制算法计算后，通过GPIO接口控制负载接触器和电阻接触器的工作状态，同时CAN通信电路将系统的工作状态及故障信息传输给外部设备。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置，其特征在于，所述母线接触器和电阻接触器采用高压大功率直流接触器作为切换执行装置，在接触器驱动电路中使用电容器稳定控制信号。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置，其特征在于，在所述处理器的缓冲控制算法中采用迟滞判断。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置，其特征在于，在所述处理器的缓冲控制算法中，通过修改设置的燃料电池功率范围和电压范围，适用于缓冲启动不同功率等级的燃料电池，通过修改设置的负载电压范围调整缓冲启动状态切换电压。
6.一种燃料电池供电系统的缓冲启动方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一所述的一种燃料电池供电系统的缓冲启动装置，包括步骤：
S100，设定缓冲启动参数；
S200，通过信号检测电路采集检测信号；
S300，根据缓冲启动参数和检测信号，通过缓冲控制算法计算出各种状态下的控制信号，以控制母线接触器和电阻接触器，从而通过配置负载通路的母线接触器和电阻通路的电阻接触器实现燃料电池电能向不同对象进行输出实现缓冲启动。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池供电系统的缓冲启动方法，其特征在于，所述缓冲启动参数包括状态切换电压、状态切换迟滞电压、低功率待机时间、燃料电池最高电压、燃料电池最低电压和燃料电池最高电流。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池供电系统的缓冲启动方法，其特征在于，所述缓冲控制算法包括：
S301，进入缓冲启动状态：开启电阻接触器，关闭负载接触器，使燃料电池向耗散电阻输出功率，输出电压不断下降，输出功率不断上升；
当检测到输出电压小于状态切换电压时，开启负载接触器，使得燃料电池同时向耗散电阻及负载进行供电，输出电压进一步下降；
当检测到输出电压小于状态切换电压和状态切换迟滞电压之差时，关闭电阻接触器，由燃料电池向负载供电，进入正常运行模式，转入步骤S302；
当检测到输入电压高于燃料电池最高电压、输入电压小于燃料电池最低电压、或输入电流高于燃料电池最高电流的情况，说明系统内出现故障，转入步骤S304；
S302，进入正常运行状态：当检测到输出电压高于状态切换电压时，开启负载接触器，燃料电池同时向负载和电阻供电，维持燃料电池最小输出功率，防止燃料电池功率骤降及停机；当检测到输出电压高于状态切换电压加状态切换迟滞电压时，说明负载需求功率小，燃料电池向电阻供电，系统进入待机状态，转入步骤S303；当检测到输入电压高于燃料电池最高电压、输入电压小于燃料电池最低电压、或输入电流高于燃料电池最高电流的情况，说明系统内出现故障，转入步骤S304；
S303，进入待机运行状态：燃料电池以低功率向负载输出能量，避免停机并等待产生的负载功率上升；
当检测到输出电压小于状态切换电压与状态切换迟滞电压之差时，负载功率上升，关闭电阻接触器，燃料电池向负载供电，进入正常运行状态，转入步骤S302；
若检测到输入电压高于燃料电池最高电压、输入电压小于燃料电池最低电压、或输入电流高于燃料电池最高电流的情况，说明系统内出现故障，转入步骤S304；
进入等待低功率待机时间后，说明负载长时间没有需求功率，此时关闭负载接触器，同时向燃料电池控制器发出关机信号，关闭燃料电池，结束本次运行；
S304，进入故障状态：当系统检测到电参数信号异常时，进入故障保护状态，根据不同类型的故障进行不同的处理方式同时向外部设备发送故障信息。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池供电系统的缓冲启动方法，其特征在于，所述故障保护状态的处理方式，包括：
当输入电流高于燃料电池最高电流，负载出现短路故障或者挂载了功率过高的负载；开启电阻接触器，关闭负载接触器，燃料电池单独向电阻供电；延时一段时间后关闭燃料电池，由缓冲启动控制器向外部设备发出过流故障信号；
当输入电压高于燃料电池最高电压，出现电路故障包括信号采集电路异常或防反二极管损坏导致出现电流逆流；立即关闭燃料电池，由缓冲启动控制器向外部设备发出过流故障信号；
当输入电压小于燃料电池最低电压：若出现电流过流则，按过流故障处理；若未出现电流过流，燃料电池性能衰减导致电压功率下降，由缓冲启动控制器向外部设备发出过流故障信号。
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