CN110429671B - 一种电动汽车高适应性充电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动汽车高适应性充电系统及方法，该系统包括动力电池组、电池管理系统，充电接口、充电正极继电器、充电负极继电器和结构变换继电器组；充电正极继电器包括普通充电模式的正极继电器、高压充电模式的正极继电器和低压充电模式的正极继电器；采用构变继电器组控制电池组的串并联结构，调整电动汽车的充电电压；在充电机的许用充电电流下，调整电池组的充电电压以适应所连接的充电桩；对于高电压大功率充电机，提高电池组的充电电压，显著提高电池组的充电功率，缩短充电时间，提高了电动汽车对远距离行驶的适应性；对于低电压充电机，降低电池组的充电电压，使电池组兼容低电压充电机，降低了电动汽车对一般充电基础设施的依赖性。

Description

一种电动汽车高适应性充电系统及方法
技术领域
本发明涉及电动汽车充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车高适应性充电系统及方法。
背景技术
电动汽车采用电动机作为驱动装置，由车载可充电蓄电池或其他能量储存装置提供能量，具有零排放、高效率、安静、运行平稳、驾驶操作容易、使用维护费用低和所需电能来源广泛等优点，因而在现有的新能源汽车技术中，被视为长期发展目标。
在电动汽车上常用的储能装置为蓄电池组(以下简称电池组)，如常用的锂离子电池模组等，具有比能量高，寿命长等优点；目前常用的电池组充电设备为充电机，可分为普通充电机与高速充电机。充电机与电池组的充电电压不匹配问题是目前限制纯电动汽车普适充电的重要问题。目前，市面上常见的充电机，其标准电压输出通常为400V、750V、1000V等几个规格；而市面上常见电动汽车的电压范围规格很多，一般乘用车的电池电压相对较低，大多为300V-400V，而大型电动客车的的电池电压相对较高，无法直接适用于较低电压的充电设施；同时低压电池应用于高压充电设施时也会因电压损耗而在一定程度上增大了能源浪费。这种不匹配性在一定程度上限制了电动汽车行业的发展。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种电动汽车高适应性充电系统及方法，通过结构变换继电器组改变动力电池组的串并联结构使动力电池组的充电电压可以进行高低调节。实现电池组接入不同规格充电装置的情况下都能实现安全充电。
为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：
一种电动汽车高适应性充电系统，包括动力电池组和电池管理系统，所述动力电池组包括由若干充电电压上限固定的电池单元构建的串并联结构，其特征在于，还包括充电接口、充电正极继电器、充电负极继电器和结构变换继电器组；所述充电正极继电器包括普通充电模式的正极继电器、高压充电模式的正极继电器和低压充电模式的正极继电器，各所述正极继电器均连接充电接口正极，所述充电负极继电器连接充电接口负极；
所述结构变换继电器组包括若干结构变换继电器，各结构变换继电器分布在充电正极继电器和动力电池组之间以及动力电池组内的串并联结构中，通过多个结构变换继电器的闭合、断开状态组合改变动力电池组内电池单元的串并联结构；
所述电池管理系统根据充电电压的上限来全部控制或结合整车控制器联合控制所述充电正极继电器、充电负极继电器和结构变换继电器组内各结构变换继电器的闭合、断开状态切换，进而实现普通充电模式、高压充电模式以及低压充电模式下的充电。
进一步地，所述系统其特征在于还包括电流传感器和/或温度传感器，所述电流传感器检测充电系统的实时电流并将检测的数据发送至电池管理系统，所述温度传感器检测动力电池组实时温度并将检测的数据发送至电池管理系统。
进一步地，所述系统其特征在于还包括保护继电器，所述保护继电器连接动力电池组和电动汽车用电组件。
进一步地，所述系统其特征在于所述电动汽车用电组件包括驱动电机、电机控制器、车载充电机、DCDC转换器。
进一步地，所述系统其特征在于所述电池管理系统还包括预测控制模块；所述预测控制模块保存有动力电池组充电历史数据、充电SOC变化特性数据、SOH变化特性数据、生热特性数据，并根据上述数据依托模型预测控制法、神经网络法、模糊预测法预测动力电池组在某一特定工况下的性能变化，根据预测结果制定充电控制策略。
进一步地，所述系统其特征在于所述根据预测结果制定充电控制策略是指基于预测得到的动力电池组性能变化数据采用滚动优化方法得到最优充电控制策略；所述滚动优化方法包括二分法、极大似然估计法、牛顿搜索法、和/或拟牛顿搜索法。
一种使用上述系统的电动汽车高适应性充电方法，包括如下步骤：
A.将某充电装置连接充电接口，充电系统与充电装置握手并获得充电装置电压范围，电池管理系统判断动力电池组常规充电电压上限、最大充电电压上限以及最小充电电压下限是否匹配充电装置电压；所述动力电池组常规充电电压上限为动力电池组正常放电工作状态下达到的最大充电电压；所述动力电池组最大充电电压上限为动力电池组内电池单元所能使用的最大串联状态下达到的最大充电电压；所述动力电池组最小充电电压下限为电池组内所能使用的最大并联结构状态下达到的最小充电电压；
B.电池管理系统根据工作电压匹配判断结果选择合适的充电模式，所述充电模式包括普通充电模式、高压充电模式和低压充电模式；
C1.当电池管理系统判断动力电池组常规充电电压上限匹配充电装置电压，选用普通充电模式；当使用普通充电模式时，电池管理系统控制普通充电模式的正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元保持正常放电状态下的串并联结构不变，此时充电装置以匹配动力电池组工作电压的标准电压对动力电池组进行充电直至充满；
C2.当电池管理系统判断动力电池组最大充电电压匹配充电装置电压，选用高压充电模式；当使用高压充电模式时，电池管理系统控制高压充电模式的正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组各电池单元形成全串联结构，串并联结构变化后的动力电池组工作电压升高，此时充电装置以升高后的动力电池组工作电压对动力电池组进行充电直至充满；
C3.当电池管理系统判断动力电池组最小充电电压下限匹配充电装置电压，选用低压充电模式；当使用低压充电模式时，电池管理系统控制低压充电模式的正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统首先调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组各电池单元形成最大并联结构，串并联结构变化后的动力电池组工作电压降低，此时充电装置以降低后的动力电池组工作电压对动力电池组进行充电直至充满；
D1.当使用普通充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，充电过程结束；
D2.当使用高压充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元转为正常放电状态下的串并联结构，充电过程结束；
D3.当使用低压充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，同时BMS系统调整构变继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元转为正常放电状态下的串并联结构，充电过程结束。
进一步地，所述方法其特征在于所述步骤C2、C3还包括在充电过程中断开保护继电器，当充电结束后闭合保护继电器。
本发明的有益效果为：
采用本发明所述技术方案对电动汽车进行充电操作，能够在不改变电池组内部物理结构的基础上，通过结构变换继电器组(简称构变继电器组)改变电池组内电池单元的串并联结构，实现升高或降低电动汽车电池组充电电压，实现该充电电压的调整，从而与不同规格的充电设施相匹配；也就是说，充电机的许用充电电流下，调整电池组的充电电压以适应所连接的充电桩；在不改变当前电池组串并联结构的情况下，可适用于一般电压规格充电设备；对于高电压大功率充电机，当与高压规格充电设施连接时，可通过构变继电器组控制电池组的串并联结构以提升电池组充电电压，在不增大充电电流的条件下提升充电功率，从而缩短了充电时间，提高了电动汽车对远距离行驶的适应性，提升电动汽车充电使用体验；对于低电压充电机，当与低压规格充电设施连接时，可通过构变继电器组控制电池组的串并联结构以降低充电电压，使电池组兼容低电压充电机，降低了电动汽车对一般充电基础设施的依赖性，也就是说，兼容低压充电设备，提升低电压充电设备的利用率。在应用本发明所述技术方案对电动汽车进行充电操作的过程中，可以保证充电设备的输出电流稳定，最大程度的提高了锂离子电池的寿命和安全性，减小了锂离子电池因大电流充电而造成的提前老化或过热现象发生的风险，同时有效改善了充电系统的负载能力；通过增加保护继电器，使动力电池组充电过程中可以通过断开保护继电器实现电动汽车用电组件与电池组的完全隔离，保护用电组件不受充电电压影响，提高了充电的安全性。
附图说明
图1为本发明电动汽车高适应性充电系统的第一实施例结构示意图。
图2为本发明电动汽车高适应性充电系统的第二实施例结构示意图。
图3为本发明电动汽车高适应性充电方法的预测控制模块工作流程示意图。
附图编号说明：1-BMS系统、2-充电接口、311-普通充电正极继电器、312-高压充电正极继电器、313-低压充电正极继电器、32-充电负极继电器、R1～R11-构变继电器、4-动力电池组、41-电池单元、5-保护继电器、6-电流传感器/温度传感器、7-用电组件。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。
第一实施例以一个由200个充电电压上限为4.2V电池单元组成的动力电池组为例。在常规放电工作状态下，该动力电池组内的电池单元串并联结构为两组各100个电池单元组成串联结构后再相互并联形成充电电压上限为420V的动力电池组(即电池组充电电压上限取决于串联结构的电池单元数量乘以单个电池单元的充电电压上限)，同时假设动力电池组与充电桩的充电电流上限均为120A。如图1所示，第一实施例的电动汽车高适应性系统结构包括电池管理系统(即BMS系统1)、充电接口2、充电正极继电器(包括普通充电模式的正极继电器、高压充电模式的正极继电器和低压充电模式的正极继电器，即如图1所示的普通充电正极继电器311、高压充电正极继电器312、低压充电正极继电器313)、充电负极继电器32、由结构变换继电器(简称构变继电器)R1～R11组成的结构变换继电器组(简称构变继电器组)、动力电池组4、电池单元41，以及优选组件：保护继电器5、电流传感器/温度传感器6以及用电组件7。其中充电负极继电器一端连接充电接口负极，另一端通过构变继电器组连接动力电池组；普通充电正极继电器311、高压充电正极继电器312、低压充电正极继电器313一端连接充电接口正极，另一端通过构变继电器组连接动力电池组；动力电池组与用电组件之间通过保护继电器相连接。各构变继电器R1～R11分布在充电正极继电器和动力电池组4之间以及动力电池组4内的串并联结构中，通过多个构变继电器R1～R11的闭合、断开状态组合改变动力电池组4内电池单元41的串并联结构。在动力电池组常规放电工作状态下，构变继电器组中R2、R3、R6、R8、R11闭合，同时R1、R4、R5、R7、R9、R10断开，形成两组各100个电池单元组成串联结构后再相互并联的电池组结构。
需要说明的是，图1仅为一种优选实施例，本发明所述的结构变换继电器组中的结构变换继电器的数量和分布可以进行改变，可以更多或更少，只需将各结构变换继电器分布在充电正极继电器和动力电池组之间以及动力电池组内的串并联结构中，通过BMS系统控制多个结构变换继电器的闭合、断开状态组合改变动力电池组内电池单元的串并联结构，实现BMS系统根据工作电压匹配判断结果选择合适的充电模式，例如普通充电模式、高压快速充电模式和混合快速充电模式。
所述的普通充电模式是指：当电动汽车电压范围与充电设备规格相匹配时，动力电池组不需要进行串并联结构变换而采用的常规充电模式，充电正极继电器和充电负极继电器闭合，构变继电器断开，BMS系统控制电池组在标准电压下充电。该运行模式下，动力电池组与充电设备连接完成后，充电设备以常规电压对动力电池组进行充电。
所述的高压充电模式是指：电动汽车与高压充电设备连接时所采用的模式，此时电动汽车充电电压范围低于充电设备最大允许充电电压规格。该运行模式下，通过构变继电器组改变动力电池组内部原有电路串并联结构，增加动力电池组的电池串联数，降低动力电池组的电池并联数，从而提高动力电池组电压，在许用充电电流条件下显著提高动力电池组充电功率(充电电流不变但电压升高)。除动力电池组外的其他高压部件全部进行断路隔离，主要包括：驱动电机，电机控制器，车载充电机，DCDC转换器等车载高压零部件。在该运行模式下，构变继电器有BMS系统进行控制，也可采用部分构变继电器由整车控制器控制，其他部分由BMS系统控制，以降低因控制逻辑错误引起的整车安全风险。完成充电后，动力电池组恢复原有串并联结构，车辆可正常行驶。
所述的低压充电模式是指：电动汽车与低压充电设备连接时所采用的模式，此时电动汽车电压范围高于充电设备最大允许充电电压规格。该运行模式下，通过构变继电器组改变动力电池组内部原有串并联结构，增加动力电池组的电池并联数，降低动力电池组的电池串联数；使动力电池组充电电压低于充电设备最高允许充电电压，使得动力电池组可与低压充电设备兼容，动力电池组可以与低压充电设备连接充电。除动力电池组外的其他高压部件全部进行断路隔离，主要包括：驱动电机，电机控制器，车载充电机，DCDC转换器等车载高压零部件。在该运行模式下，构变继电器有BMS系统进行控制，也可采用部分构变继电器由整车控制器控制，其他部分由电池管理系统控制，以降低因控制逻辑错误引起的整车安全风险。完成充电后，电池组恢复原有串并联结构，车辆可正常行驶。
对于实施例1所示的电动汽车高适应性充电系统，当选用普通充电模式时，BMS系统控制构变继电器组中R2、R3、R6、R8、R11与普通充电正极继电器R+、充电负极继电器R-闭合同时R1、R4、R5、R7、R9、R10以及高压充电正极继电器R_C、低压充电正极继电器R_D断开，即动力电池组串并联结构状态与常规放电工作状态下相同，此时电池组充电电压上限为420V，理论最大充电功率为50.4kW。当选用高压充电模式时，BMS系统控制构变继电器组中R1、R6、R7、R8与高压充电正极继电器R_C、充电负极继电器R-闭合同时R2、R3、R4、R5、R9、R10、R11以及普通充电正极继电器R+、低压充电正极继电器R_D断开，形成200个电池单元全部串联在一起的电池组结构，此时电池组充电电压上限为840V，理论最大充电功率为100.8kW，相对普通充电模式，同样电流下充电功率提高100％。当选用低压充电模式，BMS系统控制构变继电器组中R2、R3、R4、R5、R9、R10、R11与低压充电正极继电器R_D、充电负极继电器R-闭合同时R1、R6、R7、R8以及普通充电正极继电器R+、高压充电正极继电器R_C断开，形成4组各50个电池单元串联结构相互并联的电池组，此时电池组充电电压为210V，理论最大充电功率为25.2kW，能够与充电设备输出电压相匹配，可满足特殊情况下充电需求(例如高压充电设备被占用，只有低压充电设备空闲)。
第二实施例以一个由300个充电电压上限为3.6V电池单元组成的动力电池组为例。在常规放电工作状态下，该动力电池组内的电池单元串并联结构为三组各100个电池单元组成串联结构后再相互并联形成充电电压上限为360V的动力电池组(即电池组充电电压上限取决于串联结构的电池单元数量乘以单个电池单元的充电电压上限)，同时假设动力电池组与充电桩的充电电流上限均为120A。如图2所示，第二实施例的电动汽车高适应性系统结构包括BMS系统1、充电接口2、普通充电正极继电器311、高压充电正极继电器312、充电负极继电器32、由构变继电器R1～R7组成的构变继电器组、电池单元41、电流传感器/温度传感器6。其中充电负极继电器一端连接充电接口负极，另一端通过构变继电器组连接动力电池组；普通充电正极继电器、高压充电正极继电器一端连接充电接口正极，另一端通过构变继电器组连接动力电池组；系统内还连接有BMS系统以及电流传感器/温度传感器。在动力电池组常规放电工作状态下，构变继电器组中R1、R2、R5、R7闭合，同时R3、R4、R6断开，形成三组各100个电池单元组成串联结构后再相互并联的电池组结构。
对于实施例2所示的电动汽车高适应性充电系统，当选用普通充电模式时，BMS系统控制构变继电器组中R1、R2、R5、R7与普通充电正极继电器、充电负极继电器闭合同时R3、R4、R6以及高压充电正极继电器断开，即动力电池组串并联结构状态与常规放电工作状态下相同，此时电池组充电电压上限为360V，理论最大充电功率为43.2kW。当选用高压充电模式，BMS系统控制构变继电器组中R3、R4、R6与高压充电正极继电器、充电负极继电器闭合同时R1、R2、R5、R7以及普通充电正极继电器断开，形成2组各150个电池单元串联结构相互并联的电池组，此时电池组充电电压为540V，理论最大充电功率为64.8kW。相对普通充电模式，同样电流下高压充电模式下充电功率提高了50％。优选地，本发明的BMS系统还包括预测控制模块；所述预测控制模块保存有动力电池组充电历史数据、充电SOC变化特性数据、SOH变化特性数据、生热特性数据，并根据上述数据依托模型预测控制法、神经网络法、模糊预测法预测动力电池组在某一特定工况下的性能变化，根据预测结果制定充电控制策略。如图3所示为BMS系统内预测控制模块的工作流程，通过动力电池组当前充电SOC变化特性数据、SOH变化特性数据、生热特性数据以及充电历史数据，根据预测模型计算得到动力电池组在特定工况下的运行状态预测，并采用滚动优化方法制定最优化充电控制策略，得到充电控制策略修正值，将修正值应用于BMS系统操作中以控制动力电池组充电运行过程，完成一次预测控制过程。
本发明提供的电动汽车高适应性充电系统以及采用所述系统的电动汽车高适应性充电方法，优点如下：
1、在不改变动力电池组内部物理结构的基础上，通过构变继电器组改变电池组串联数与并联数，实现升高或降低电动汽车电池电压，从而与不同规格的充电设施相匹配；在不改变当前电池串并联结构的情况下，可适用于原有规格充电设备；当与高电压规格充电设施连接时，可通过采用构变继电器组控制电池组的串并联结构以提升充电电压，在不增大充电电流的条件下提升充电功率，从而缩短了充电时间，提升电动汽车品质(且保证了车载其它用电装置的安全性)；当与低压规格充电设施连接时，可通过采用构变继电器组控制电池组的串并联结构以降低充电电压，兼容低压充电设备，提升低电压充电设备的利用率。
2、保持了充电桩的许用充电电流，即电池的充电电流不继续增大，最大程度的提高了锂离子电池的寿命和安全性，减小了锂离子电池因大电流充电而造成的提前老化或过热现象发生的风险。
3、不增大充电桩的最大需用输出电流，而通过提高动力电池组充电电压的方式提高充电桩的输出能力，有效改善了充电系统的负载能力。
4、在充电过程中将非电池组元件与动力电池组的高压连接全部断开，保持非电池组元件不通过，提高了车辆的充电安全性。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种电动汽车高适应性充电方法，其特征在于，采用电动汽车高适应性充电系统，所述电动汽车高适应性充电系统包括动力电池组和电池管理系统，所述动力电池组包括由若干充电电压上限固定的电池单元构建的串并联结构，还包括充电接口、充电正极继电器、充电负极继电器和结构变换继电器组；所述充电正极继电器包括普通充电模式的正极继电器、高压充电模式的正极继电器和低压充电模式的正极继电器，各所述正极继电器均连接充电接口正极，所述充电负极继电器连接充电接口负极；
所述结构变换继电器组包括若干结构变换继电器，各结构变换继电器分布在充电正极继电器和动力电池组之间以及动力电池组内的串并联结构中，通过多个结构变换继电器的闭合、断开状态组合改变动力电池组内电池单元的串并联结构；
所述电池管理系统根据充电电压的上限来全部控制或结合整车控制器联合控制所述充电正极继电器、充电负极继电器和结构变换继电器组内各结构变换继电器的闭合、断开状态切换，进而实现普通充电模式、高压充电模式以及低压充电模式下的充电；
还包括电流传感器和/或温度传感器，所述电流传感器检测充电系统的实时电流并将检测的数据发送至电池管理系统，所述温度传感器检测动力电池组实时温度并将检测的数据发送至电池管理系统；
还包括保护继电器，所述保护继电器连接动力电池组和电动汽车用电组件；
所述电动汽车用电组件包括驱动电机、电机控制器、车载充电机、DCDC转换器；
所述电池管理系统还包括预测控制模块；所述预测控制模块保存有动力电池组充电历史数据、充电SOC变化特性数据、SOH变化特性数据、生热特性数据，并根据上述数据依托模型预测控制法、神经网络法、模糊预测法预测动力电池组在某一特定工况下的性能变化，根据预测结果制定充电控制策略；
所述根据预测结果制定充电控制策略是指基于预测得到的动力电池组性能变化数据采用滚动优化方法得到最优充电控制策略；所述滚动优化方法包括二分法、极大似然估计法、牛顿搜索法、和/或拟牛顿搜索法；
电动汽车高适应性充电方法包括如下步骤：
A.将某充电装置连接充电接口，充电系统与充电装置握手并获得充电装置电压范围，电池管理系统判断动力电池组常规充电电压上限、最大充电电压上限以及最小充电电压下限是否匹配充电装置电压；所述动力电池组常规充电电压上限为动力电池组正常放电工作状态下达到的最大充电电压；所述动力电池组最大充电电压上限为动力电池组内电池单元所能使用的最大串联状态下达到的最大充电电压；所述动力电池组最小充电电压下限为电池组内所能使用的最大并联结构状态下达到的最小充电电压；
B.电池管理系统根据工作电压匹配判断结果选择合适的充电模式，所述充电模式包括普通充电模式、高压充电模式和低压充电模式；
C1.当电池管理系统判断动力电池组常规充电电压上限匹配充电装置电压，选用普通充电模式；当使用普通充电模式时，电池管理系统控制普通充电模式的正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元保持正常放电状态下的串并联结构不变，此时充电装置以匹配动力电池组工作电压的标准电压对动力电池组进行充电直至充满；
C2.当电池管理系统判断动力电池组最大充电电压匹配充电装置电压，选用高压充电模式；当使用高压充电模式时，电池管理系统控制高压充电模式的正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组各电池单元形成全串联结构，串并联结构变化后的动力电池组工作电压升高，此时充电装置以升高后的动力电池组工作电压对动力电池组进行充电直至充满；
C3.当电池管理系统判断动力电池组最小充电电压下限匹配充电装置电压，选用低压充电模式；当使用低压充电模式时，电池管理系统控制低压充电模式的正极继电器与充电负极继电器闭合，同时电池管理系统首先调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组各电池单元形成最大并联结构，串并联结构变化后的动力电池组工作电压降低，此时充电装置以降低后的动力电池组工作电压对动力电池组进行充电直至充满；
D1.当使用普通充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，充电过程结束；
D2.当使用高压充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元转为正常放电状态下的串并联结构，充电过程结束；
D3.当使用低压充电模式对动力电池组充满电时，断开充电装置与充电接口的连接，同时电池管理系统调整结构变换继电器组闭合、断开状态使动力电池组内各电池单元转为正常放电状态下的串并联结构，充电过程结束。
2.如权利要求1所述的一种电动汽车高适应性充电方法，其特征在于所述步骤C2、C3还包括在充电过程中断开保护继电器，当充电结束后闭合保护继电器。
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