CN111630359A - 用于插头连接器的电触头元件，插头连接器和监测电流流动的方法 - Google Patents

用于插头连接器的电触头元件，插头连接器和监测电流流动的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于插头连接器的电触头元件、插头连接器和用于监测电流流动的方法。本发明还涉及一种充电电缆，用于将机动车辆的电池连接到电压源，特别是用于给电动车辆充电。触头元件(100)具有导电基体(105)，其可以以导电的方式连接到相关联的配合触头元件，基体(105)具有纵向轴线(112)，其沿着插接方向在触头元件(100)和配合触头元件之间行进。用于检测温度(T1，T2)的至少一个第一温度探头(120)和至少一个第二温度探头(122)布置在触头元件(100)的沿着触头元件(100)的纵向轴线(112)彼此间隔开的两个不同的测量区域(108，110)处。

Description

用于插头连接器的电触头元件，插头连接器和监测电流流动 的方法
技术领域
本发明涉及用于插头连接器的电触头元件、相应的插头连接器和在电流流动期间监测插头连接器处的温度的方法。本发明的有利之处在于，用于将机动车辆的电池连接到电压源的充电电缆，特别是可用于给电动车辆充电，以及充电控制单元，用于控制机动车辆中的电池的充电操作。然而，本发明的原理也可以有利地用于电流的任何其他类型的温度监测的传输。
背景技术
电动车辆可以以各种充电模式充电。目前，定义了模式1至5。这些尤其在安全装置、与车辆的通信和充电性能方面有所不同。本质上，区别在于，通过交流电进行充电(模式1至3)，其也可以通过普通的家用电源进行，但是需要相对较长的时间，以及通过快得多的直流充电(模式4和模式5)。目前，存在所谓的CCS插头(“组合充电系统”)，例如，其能够实现两种充电类型并支撑350kW的功率。因此，电动车辆电池可在适当的充电站通过直流电在几分钟内充电至80％。进行比较：在自己的车库的插头插座上，常规的电动车辆电池需要充电七至八个小时。未来的直流充电插头必须安全地传输更高的功率水平，例如高至500kW。
为了确保插头设备的触头元件不会过热，必须在所有快速DC充电系统中监测连接器、电缆和其他电力部件的温度。对于电流超过200A的操作，联接器和插头必须配备独立的装置，以永久监测所有DC触头中的温度。如果DC触头之一的温度达到90℃或更高，则插头和联接器处的至少一个传感器必须在30秒内将其转发到评估单元。在插头连接器的情况下，接触区代表最热，因此是危险最高的区域。但是，在接触区中直接检测温度没有实际可行的可能性。
例如，由DE 10 2016 107401 A1已知提供一种导电触头元件，其具有用于与互补的触头元件产生接触区域且具有用于连接电线和至少一个温度传感器的连接区域，该温度传感器检测触头元件的测量区域中的温度，其位于前述连接区域和接触区域之间。
然而，可以看出，在接触区域中产生的热量在测量区域的方向上缓慢地传输，以至于在测量区域中检测到的温度不达到临界值，直到接触区域已经过热到危险水平。温度传感器和接触区域之间的20mm的间距已经太大，无法满足相应安全法规的要求。
因此，必须从测量区域中的温度推断出接触区域中的温度。然而，为了导出可靠的模型以从测量区域中的温度计算接触区域中的温度的估计值，从而预测在哪个测得的温度下必须减少和/或中断电力传输，这必须求解太多的热方程。特别地，沿着触头元件的纵向轴线位于单个测量区域中的温度传感器布置无法区分来自接触区域且从而热源的影响与来自连接区域(即，热沉)的影响。在应用环境中，电缆对连接区域的影响可能发生巨大变化，从而使预测受到危险不确定性的困扰。
因此，需要一种装置，该装置允许安全且精确地监测插头连接器的接触区域中的温度，并因此特别在给电动车辆的电池充电时增强和简化对电流流动的监测。
发明内容
该问题通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利改进是从属权利要求的主题。
本发明是基于沿着热流的路线在触头元件处放置两个温度传感器的想法。结果，可以经由校准步骤确定两个温度传感器之间的热阻(以下也称为温度探头)，从而可以减少热未知的数量。如果已知两个温度传感器之间的热阻，则可以在它们的时间分布中(例如，以离散的时间步长)评估两个温度传感器的输出信号，且根据其计算热流的大小和方向和其时间变化。触头元件和对应的配合触头元件之间的过渡处的热导率以及连接区(例如压接连接)处的热阻取决于设计，并且同样可以通过校准来确定。可以看出，为了可靠地预测接触区域中的温度，而且仅热对流损失对环境的影响仍然很重要，但是可以例如经由确定环境温度来考虑这一点。
特别地，用于插头连接器的创造性的触头元件具有导电基体，其可以以导电的方式连接到相关联的配合触头元件，基体具有纵向轴线，其沿着插接方向在触头元件和配合触头元件之间行进。根据本发明，提供用于检测温度的至少一个第一温度探头和至少一个第二温度探头，它们布置在沿着触头元件的纵向轴线彼此间隔开的两个不同的测量区域处。
这样的触头元件使得可以以特别简单和可靠的方式来预测与远离两个测量区域的配合触头元件接触的区域中的温度，从而及时地识别危险的过热。
当触头元件具有触头针脚并且配合触头元件具有触头套管时，根据本发明的装置可以以特别简单的方式机械地(并且对于模型形成以计算方式)实现。然而，自然地，当触头元件具有触头套管时，也可以使用根据本发明的原理。另外，还可以提供不止一个第一温度探头和第二温度探头，它们布置在相同的或相对于纵向轴线更加偏移的测量区域上。以特别有利的方式，本发明可以用于触头针脚，其用于电动车辆的充电插座中。
为了确定用于预测接触区域中的温度的估计值，除了温度探头的绝对温度之外，还必须有温度探头之间的温度差值。
如果温度探头中的至少一个具有热电偶，则可以以特别有利的方式实现根据本发明的原理。热电偶基于所谓的热电效应：如果连接两种同材料的电线，并且连接点的温度与自由端的温度不同，则可以在其自由端测量电压。温度差始终在连接点处的温度与测量器具的端子(夹子)处的温度之间测量。热电效应基于导电材料的特定于材料的特性。在导体内部，当经由导体发生温度变化(上升或下降)时，温度效应会引起电子密度的偏移(体积扩散效应)。用数学术语来说，这种变化称为温度梯度。在热端，由于较高的动能，会发生贫化(impoverishment)，而在冷端会发生电荷载流子的富集。每个导体片本身就是电压源。两个连接的导线的布置称为热电偶或热对。只有不同材料的导线中的电压总和的差才会产生可测量的电压，这是连接点和测量器具的夹具之间的温度差的量度。
根据材料的组合，在连接点处，热电电压与温度之间存在可重现的依赖关系。从多种可能的导线对(已知用于温度测量的300多种材料对)中，有些用于工业温度测量。这里，热电电压在5mV/℃到约100mV/℃的范围内。适于工业温度测量的材料在DIN EN 60584-1中标准化(DIN EN 60584-1：2014-07，标题(德文)：Thermoelemente-Teil 1：Thermospannungen und Grenzabweichungen[热电偶-部分1：热电电压和极限偏差](IEC60584-1：2013)；德文版EN 60584-1：2013。本标准规定的热电电压始终与0℃的参考点温度有关。
如本领域技术人员通常已知的，适用于温度测量的材料大多以铂作为参考金属，根据热电电压序列中的热电电压排序。热电偶的示例是S型铂/铑铂(Pt/RhPt)、R型、K型镍铬/镍(NiCr/Ni)或T型铜/康铜(Cu/CuNi)。
有利实施例的当前描述限于热电偶作为温度探头的示例性使用。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，每一种其他类型的温度传感器也可以用作根据本发明的温度探头，例如电阻传感器，比如Pti00或Ni100元件，以及具有负或正温度系数的电阻元件(NTC或PTC元件)。
如果放置两个温度探头使得基体在两个测量区域中比接触头元件的其他区域具有更小的导热横截面积，则可以确保对接触区域中的温度进行特别精确的预测。以这种方式，传感器布置能够检测温度梯度最高的地方的温度梯度。
此外，本发明涉及用于充电电缆的插头连接器，该插头连接器具有根据前述权利要求中任一项所述的至少一个触头元件。特别地，根据本发明的插头连接器可以是电动车辆的充电插座的一部分。
根据本发明的有利改进，电子评估和控制单元布置在插头连接器中，其连接到至少一个第一和第二温度探头，且其在触头元件的不同于测量区域的监测区域中用于计算那里存在的温度的估计值。替代地，也可以将电子评估和控制单元设置为“电缆内控制和保护装置”(IC-CPD)的一部分或车辆电子设备的一部分。此外，也可以使插头连接器和配合插头连接器都设置为配备有根据本发明的温度探头，且还使充电站具有对应的评估和控制单元。
根据有利的实施例，根据本发明的插头连接器包括外壳和触头锁定设备(未在图中示出)，该触头锁定设备将触头固定值外壳，基体在两个测量区域之间具有周向凹槽，触头锁定设备接合在该凹槽中。因此，温度探头布置在触头元件的功能单元处，即使在触头元件的各种不同配置的情况下，该单元通常不会变化，且始终表示纵向方向上的最强温度梯度的收缩。
最后，本发明涉及在电流流动期间监测插头连接器处的温度的方法，电流流动通过插头连接器进行，该方法包括以下步骤：
(a)将电流施加到触头元件，其中触头元件连接到相关联的配合触头元件，
(b)在第一时间，确定第一测量区域和第二测量区域处的第一温度值，第二测量区域沿着触头元件的纵向轴线与第一测量区域间隔开，
(c)从第一温度值计算第一局部温度梯度，
(d)在第二时间，确定第一测量区域和第二测量区域处的第二温度值，
(e)从第二温度值计算第二局部温度梯度，
(f)计算局部温度梯度中的时间变化，
(g)根据局部温度梯度中的时间变化，计算触头元件的不同于测量区域的监测区域中的温度的估计值，
(h)将估计值输出到评估单元。
为了计算估计值，两个第一和两个第二温度值之间的差以及两个第一和两个第二温度值中的至少每一个的绝对值是必需的。
估计值可以与目标值进行比较，例如，电流流动被调节以使得估计值不超过目标值的预定偏差。替代地，也可以提供估计值与阈值的比较。
这样的估计值可以例如预测在触头元件和配合触头元件之间的接触区域处发生的温度。因此，通过测量第一和第二测量区域中的两个温度值，可以确保例如防止在接触区域中即将发生的过热。根据本发明，当估计值超过阈值和/或外推的接触温度可用于控制器具时，例如生成警告信号以中断或减少电流流动。
例如，通过使用两个阈值，可以实现特别简单的超温关断。如果，一方面，第一阈值针对温度差设定，另一方面，第二阈值针对第一测量区域中的绝对温度指定，可以通过适当选择阈值，以从达到阈值的预定时间内得出达到某一临界温度的结论。例如，触头元件可以制造为使得，当差T1-T2大于或等于14℃且T1的绝对温度大于或等于50℃时，可以始终预测接触区处存在大于90℃的接触温度Tcontact。
另一个有利的实施例包括温度和环境温度中的时间变化。这特别是在模式5中温度控制的充电操作的情况下是必需的。
以有利的方式，重复步骤(b)至(h)，直到估计值超过阈值，或断开触头元件和配合触头元件之间的连接。以此方式，可以在整个电流传输过程期间进行监测。
为了考虑对环境的热损失的影响，从而使估计值的计算更加准确，此外，可以检测远离至少一个触头元件的环境温度，并将其输入到估计值的计算中。环境温度的检测例如可以通过温度探头进行，温度探头是电子模块的整体部件，其包含评估和控制单元，可以经由数据总线系统可由车辆使用。
附图说明
为了更好地理解本发明，使用以下附图中描绘的示例性实施例更详细地解释本发明。这里，相同的部件具有相同的附图标记和相同的部件名称。另外，来自分别示出和描述的实施例的单个特征或特征的组合可以代表独立的创造性方案或根据本发明的方案。在附图中：
图1示出了根据本发明的触头针脚的示意图及其热等效电路图；
图2示出了用于测量触头针脚的第一和第二测量区域处的温度的测量电路的示意图；
图3示出了根据本发明的用于监测充电操作的方法的简化流程图。
具体实施方式
下面参考附图更详细地解释本发明，并且首先参考图1。
图1示出了触头针脚100，如用于给电动车辆的电池充电的充电电缆插头连接器，以及该触头针脚100的热等效电路图102。为了传输电流，触头针脚100(下文中称为针脚)连接到对应的配合触头元件，即，连接到触头套管(未在图中示出)。触头针脚100和触头套管之间的电气过渡发生在接触区域104中。
触头针脚100具有基体105且还具有连接区域106，其在本例中形成为用于连接电缆的压接连接。根据本发明，触头针脚100具有第一测量区域108和第二测量区域110，它们相对于基体105的纵向轴线112彼此具有已知的间隔d。纵向轴线112沿着触头针脚100的插入方向行进到相关联的套管(未示出)中。第一温度探头放置在第一测量区域108中，且第二温度探头放置在第二测量区域110中(温度探头未在图1中示出)。有利地，两个测量区域108、110放置在触头针脚100的横截面积最小的区域中。
此外，图1示出了触头针脚100的热等效电路图。在这样的热等效电路图的情况下，热流
Figure BDA0002591702590000061
对应于电路图的电流，而温度差应等于电路图中的电压。如图1所示的热等效电路图102中可以看出，两个测量区域108、110之间的部分具有热阻Rknown，其可以通过适当的校准测量来确定。该已知的热阻Rknown可以用于针脚100的热建模。
在等效电路图102中，到配合触头元件的过渡形成具有热阻Rcond contact的热源114，该热阻对应于通过配合触头元件的热传导，以及配合触头元件的热容Ccontact，而电缆的热阻Rcable和热容Ccable表示热沉116。针脚的热阻Rcond pin(其对应于通过针脚的热传导)和热容Cpin反映基体105的材料性质和设计。以相应的方式，压接连接的热阻Rcond crimp(其对应于通过压接连接的热传导)和热容Ccrimp反映压接连接的材料性质和几何形状。这些材料和设计变量对于一个系列中的所有触头针脚都是相同的，可以通过适当的校准方法确定并集成到模型中。
如果已知第一节点113处的绝对温度和在热阻Rknown上下降的温度差T1-T2，则可以计算流经Rknown的热流。假定触头针脚的热容Cpin完全饱和，通过热阻Rcond pin的热流与通过Rknown的热流相同。这是第二节点115处寻求的热流
Figure BDA0002591702590000071
条件是不考虑到环境的对流损失的影响。
热阻Rconv loss表示到环境的对流损失。如果环境温度Ta是已知的，则该值也可以建模。
以此方式，可以从第一节点113处的绝对温度的值以及温度差T1-T2预测接触温度的值。
根据本发明，确定第一温度值T1的第一热电偶放置在第一测量区域108处。确定第二温度值T2的第二热电偶布置在第二测量区域110处。例如，热电偶焊接到基体105上。在有利的方式中，这样的热电偶可以以非常小的参数方差来制造，使得两个值T1和T2的测量可以非常精确地匹配。由于两个热电偶直接附接到基体105上并且本身具有低热容，因此可以确保两个测得的温度值T1和T2之间的低热耦合。
图2示出了评估电路118的示例，其可以连接到第一热电偶120和第二热电偶122，以便确定所寻求的热流。
例如，两个热电偶经由滤波和稳定电路124连接到评估电路118的模拟输入端子126。输入多路复用器128使得可以测量四个单独的信号或两个差分信号。分别选择的信号被馈送到放大器130。放大的信号被施加到模/数转换器132的输入，例如Δ-∑模/数转换器。串行接口134产生与数字端子136的连接。同样提供参考电压138和振荡器140。此外，评估电路118具有内部第三温度传感器142，其测量评估电路118的温度并因此测量环境温度Ta。
评估电路118可以例如由制造商得克萨斯仪器公司的ADS1118型Δ-∑模拟/数字转换器形成。
根据本发明，借助于通过温度传感器142检测该温度，一方面可以进行冷结补偿(CJC)，另一方面可以使得环境温度Ta的值可用，这是针脚100的建模所需要的。
在有利的方式中，根据本发明的评估电路118使得可以在高压侧对温度T1、T2和Ta的值进行A/D转换，使得只有来自高压侧的数字信号必须安全地传输以进行低压信号处理。经由光学或磁性隔离，可以以电隔离的方式比模拟信号更经济地传输数字信息。此外，集成在评估电路中的诊断单元(图中未示出)可以提供与安全相关的诊断数据，例如，确定温度探头处的断线或短路，从而使插头连接器的自诊断成为可能。
如果，在插头连接器是充电电缆的一部分的情况下，设想使用两个评估电路118，即分别用于DC+针脚的评估电路和用于DC-针脚的评估电路，可以为温度监测实现非常高的安全水平(例如，根据ISO 26262-1：2011“道路车辆-功能安全性”的汽车安全完善度等级C(ASIL C))。
图3以流程图的形式示出了在根据本发明的温度监测的情况下在例如电动车辆的电池的充电操作期间执行的各个步骤。
在开始充电操作并且进行电流流动之后(步骤S1)，在第一时间t1确定温度T1、T2和Ta(步骤S2)。可以从T1和T2之差的量和符号来计算局部温度梯度(步骤S3)。随后，在第二时间确定温度T1、T2和Ta(步骤S4)，并从两个局部温度梯度的比较来确定温度梯度中的时间变化(步骤S5)。可以根据量和符号来从温度梯度中的该时间变化计算通过触头针脚100的热流(步骤S6)。
最后，热流
Figure BDA0002591702590000081
的该确定对应于量热法，其中馈入的温度差从热流确定。
借助于热流
Figure BDA0002591702590000082
和从等效电路图102已知的热阻和热容，可以计算接触区的温度的预测的温度值Tcontact(步骤S7)。
预测的温度值Tcontact在步骤8中输出到评估单元，现在可以在接触区的温度的存储的极限值Tgrenz进行比较。例如，如果预测的温度值Tcontact已达到或超过阈值Tgrenz，则可以中止充电操作，和/或可以启动进一步的安全措施。也可以规定要进行的充电电流密度的调节，这确保在接触区域中计算出的温度在预定的公差带内保持在期望的目标温度附近。
如果没有识别出满足结束充电操作的标准，则监测方法返回到步骤S2，然后再次运行该方法。否则，充电操作结束。结束充电操作的标准，除了由温度监测生成的紧急关断信号之外，还包括定期关断的标准，例如当电池充满电时。
通过使用根据本发明的方法，特别是在用于电动车辆的超快速充电操作的情况下，可以确保可以足够安全且准确地监测无法直接测量的接触区域中的温度，如果需要，甚至可以对其进行调节。
本发明的原理可以用于其他有利的变型中。举例来说，触头元件本身可以形成热电偶的一部分。为此，T型热电偶铜/康铜(Cu/CuNi)是特别合适的，因为触头元件通常由铜制成。对于此配置，必须在高压侧和评估电子期间之间提供足够的电绝缘。
在有利的方式中，第一温度探头具有第一热电偶，其包括第一导体和第二导体，第一导体和第二导体由不同的材料制成且在第一测量点处彼此连接，且第二温度探头具有第二热电偶，其包括第三导体和第四导体，第三导体和第四导体由不同的材料制成且在第二测量点处彼此连接，第一测量点和第二测量点与触头元件的基体邻接。以此方式，可以以特别简单且节省空间的方式实现可靠且鲁棒的测量布置。
特别地，第一导体和第四导体可以由相同的材料制成。以此方式，两个热电偶的串联连接可以牢固地布线，从而可以在两个热电偶的公共端子处节省线路。
如果选择热电偶，且其一种材料与触头元件的材料相匹配，则通过穿过触头元件的基体形成第一至第四导体中的至少一个，可以进一步简化构造。如果触头元件是由铜制成的(至少在测量区域中)，则上述热电偶铜/康铜(T型)适用于这种情况。
举例来说，使用两个传感器，它们的输出信号具有相反的特性曲线，作为温度的函数。这样的传感器可以串联连接，以便确定温差。例如，可以使用两个相对配对的热电偶，它们以完全相反的方式相互连接，以测量总电压。如果该串联电路牢固地布线，则可以在两个热电偶的公共端子处节省线路。但是，还必须确保在两个温度探头之一处也确定绝对温度的测量值。
在图1的图示中，基体105的材料可以作为第一和/或第二热对的一部分包含在温度测量中。举例来说，触头针脚100的基体105可以至少在测量区域108、110中由铜(至少部分地)构成，使得放置在第一测量区域108中的第一康铜(CuNi)线与基体105形成第一热电偶且放置在第二测量区域110中的第二康铜线形成第二热电偶。第一和第二康铜线之间可以分接的电压在第一测量区域108和第二测量区域110之间形成温度差。
附图标记列表
Figure BDA0002591702590000101
Figure BDA0002591702590000111

Claims (14)

1.一种用于插头连接器的电触头元件，所述电触头元件(100)具有：
导电基体(105)，其可以以导电的方式连接到相关联的配合触头元件，所述基体(105)具有纵向轴线(112)，所述纵向轴线沿着插接方向在所述触头元件(100)和所述配合触头元件之间行进，
用于检测温度(T1，T2)的至少一个第一温度探头(120)和至少一个第二温度探头(122)布置在所述触头元件(100)的沿着所述触头元件(100)的纵向轴线(112)彼此间隔开的两个不同的测量区域(108，110)处。
2.如权利要求1所述的电触头元件，其中所述触头元件(100)具有触头针脚且所述配合触头元件具有触头套管。
3.如前述权利要求中任一项所述的电触头元件，其中所述温度探头(120，122)中的至少一个具有热电偶。
4.如前述权利要求中任一项所述的电触头元件，其中所述基体(105)在所述两个测量区域(108，110)之间比在所述触头元件(100)的其他区域中具有更小的导热横截面积。
5.一种用于充电电缆的插头连接器，其中所述插头连接器具有至少一个如前述权利要求中任一项所述的电触头元件(100)。
6.如权利要求5所述的插头连接器，还包括电子评估和控制单元(118)，所述电子评估和控制单元连接到所述至少一个第一温度探头(120)和至少一个第二温度探头(122)且可以操作为计算所述触头元件(100)的不同于所述测量区域(108，110)的监测区域(104)中的温度的估计值(Tcontact)。
7.如权利要求5或6所述的插头连接器，还包括外壳和触头锁定设备，所述触头锁定设备将所述触头元件固定到所述外壳，其中所述基体(105)在所述两个测量区域(108，110)之间具有周向凹槽，所述触头锁定设备接合在凹槽中。
8.如权利要求1至7中任一项所述的插头连接器，其中所述插头连接器是机动车辆的充电插座的一部分。
9.一种在电流流动期间监测插头连接器处的温度的方法，所述电流流动通过所述插头连接器进行，其中所述方法包括以下步骤：
(a)将电流施加到如权利要求1至5中任一项所述的触头元件(100)，其中所述触头元件(100)连接到配合触头元件，
(b)在第一时间，确定第一测量区域(108)和第二测量区域(110)处的第一温度值(T1(t1)，T2(t2))，所述第二测量区域沿着所述触头元件(100)的纵向轴线(112)与所述第一测量区域间隔开，
(c)从所述第一温度值计算第一局部温度梯度，
(d)在第二时间，确定所述第一测量区域(108)和第二测量区域(110)处的第二温度值(T1(t2)，T2(t2))，
(e)从所述第二温度值计算第二局部温度梯度，
(f)计算所述局部温度梯度中的时间变化，
(g)根据所述局部温度梯度中的时间变化，计算所述触头元件的不同于所述测量区域的监测区域中的温度的估计值(Tcontact)，
(h)将所述估计值(Tcontact)输出到评估单元。
10.如权利要求9所述的方法，其中将所述估计值(Tcontact)与目标值进行比较，并且调节电流流动以使得所述估计值不超过所述目标值的预定偏差。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中将所述估计值(Tcontact)与阈值(Tgrenz)进行比较，且当超过所述阈值时中断所述电流流动。
12.如权利要求11所述的方法，其中，当所述估计值超过所述阈值时，生成用于中断或减小所述电流流动的警告信号。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中重复步骤(b)至(h)，直到所述估计值超过所述阈值，或断开所述触头元件和所述配合触头元件之间的连接。
14.如权利要求9或13中任一项所述的方法，其中还检测远离所述至少一个触头元件(100)的环境温度(Ta)，并将该环境温度(Ta)输入到所述估计值的计算中。
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