CN111832192B - 一种软包电池密封寿命的预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种软包电池密封寿命的预测方法及系统,包括:根据原位拉伸力学试验数据得载荷‑位移曲线,采用指数型内聚力模型对载荷‑位移曲线进行拟合,对拟合后的载荷‑位移进行修正得载荷与位移的表达式;根据恒定应力加速退化试验数据得不同载荷下恒定载荷阶段的位移‑时间曲线;根据多个位移‑时间曲线确定分离位移速率与恒定载荷的表达式;确定位移退化量与时间的表达式;采用退化因子的内聚力模型得剩余粘合强度与时间的表达式;在同一坐标系,以时间为横坐标,绘制剩余粘合强度随时间的退化曲线以及输入载荷的时间曲线;确定两条曲线的交点,交点的横坐标为软包电池的密封寿命。通过本发明的上述方法能预测出软包电池的密封寿命。
Description
技术领域
本发明涉及密封寿命预测技术领域,特别是涉及一种软包电池密封寿命的预测方法及系统。
背景技术
软包电池胀气是在概率上不可避免的一种失效问题,目前关于软包电池胀气的研究多是在分析胀气的原因、气体成分以及胀气速率与充放电循环的关系,很少学者研究当胀气问题已经出现时,电池密封包装的寿命如何预测。另外,包装的密封强度以及寿命是保障包装可靠性的重要条件之一,关于包装密封性能的研究,大多都是通过拉伸试验确定其热封强度,或者研究热封工艺的参数设定,对于热封处任意时刻的开裂强度和剩余粘合强度没有较为合适的测定方法,因此基于时间因子的粘合强度测量试验方法有待进一步的考虑。
软包电池在使用过程中胀气问题不是必然出现在每一块电池上的,而是具有概率性的存在于电池上,意味着失效问题的出现具有可能性。针对软包电池的胀气问题,考虑电池在正常服役或存储时的膨胀是一个足够缓慢的过程,对于密封边来说每一小段时间内是一个小载荷的长时间持续作用的过程,因此本领域亟需一种电池密封寿命的预测方法,以精确的预测出密封寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种软包电池密封寿命的预测方法及系统,能预测出软包电池的密封寿命,提高预测精确度。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种软包电池密封寿命的预测方法,包括:
根据原位拉伸力学试验数据得到载荷-位移曲线;所述载荷-位移曲线的横坐标表示位移,所述载荷-位移曲线的纵坐标表示载荷;
采用指数型内聚力模型对所述载荷-位移曲线进行拟合,并对拟合后的载荷-位移进行修正,得到载荷与位移的表达式;
根据恒定应力加速退化试验数据得到不同载荷下恒定载荷阶段的位移-时间曲线,得到多个位移-时间曲线;所述位移-时间曲线的横坐标表示时间,所述位移-时间曲线的纵坐标表示位移;
根据多个所述位移-时间曲线确定分离位移速率与恒定载荷的表达式;
根据所述载荷与位移的表达式和所述分离位移速率与恒定载荷的表达式确定位移退化量与时间的表达式;
根据所述位移退化量与时间的表达式,采用退化因子的内聚力模型,得到剩余粘合强度与时间的表达式;
根据所述剩余粘合强度与时间的表达式,在同一坐标系,以时间为横坐标,分别绘制剩余粘合强度随时间的退化曲线以及输入载荷的时间曲线;
确定两条曲线的交点,所述交点的横坐标为软包电池的密封寿命。
可选的,所述分离位移速率与恒定载荷的表达式为V(τ0)=0.0518τ0 2.062,其中,τ0为恒定载荷,V为分离位移速率。
可选的,所述剩余粘合强度与时间的表达式为τ′m=D(λ2)·(τm-τp)+τ0,其中,τ′m为剩余粘合强度,D(λ2)为恒定载荷下的退化程度,τm为原粘合强度,τp为预紧载荷,τ0为恒定载荷,λ2为位移退化量。
一种软包电池密封寿命的预测系统,包括:
载荷-位移曲线获取模块,用于根据原位拉伸力学试验数据得到载荷-位移曲线;所述载荷-位移曲线的横坐标表示位移,所述载荷-位移曲线的纵坐标表示载荷;
拟合模块,用于采用指数型内聚力模型对所述载荷-位移曲线进行拟合,并对拟合后的载荷-位移进行修正,得到载荷与位移的表达式;
位移-时间曲线获取模块,用于根据恒定应力加速退化试验数据得到不同载荷下恒定载荷阶段的位移-时间曲线,得到多个位移-时间曲线;所述位移-时间曲线的横坐标表示时间,所述位移-时间曲线的纵坐标表示位移;
分离位移速率与恒定载荷表达式确定模块,用于根据多个所述位移-时间曲线确定分离位移速率与恒定载荷的表达式;
位移退化量与时间表达式确定模块,用于根据所述载荷与位移的表达式和所述分离位移速率与恒定载荷的表达式确定位移退化量与时间的表达式;
剩余粘合强度与时间表达式获得模块,用于根据所述位移退化量与时间的表达式,采用退化因子的内聚力模型,得到剩余粘合强度与时间的表达式;
曲线绘制模块,用于根据所述剩余粘合强度与时间的表达式,在同一坐标系,以时间为横坐标,分别绘制剩余粘合强度随时间的退化曲线以及输入载荷的时间曲线;
密封寿命确定模块,用于确定两条曲线的交点,所述交点的横坐标为软包电池的密封寿命。
可选的,所述分离位移速率与恒定载荷的表达式为V(τ0)=0.0518τ0 2.062,其中,τ0为恒定载荷,V为分离位移速率。
可选的,所述剩余粘合强度与时间的表达式为τ′m=D(λ2)·(τm-τp)+τ0,其中,τ′m为剩余粘合强度,D(λ2)为恒定载荷下的退化程度,τm为原粘合强度,τp为预紧载荷,τ0为恒定载荷,λ2为位移退化量。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明提供了一种软包电池密封寿命的预测方法及系统,根据原位拉伸力学试验数据得载荷-位移曲线,采用指数型内聚力模型对载荷-位移曲线进行拟合,对拟合后的载荷-位移进行修正得载荷与位移的表达式;根据恒定应力加速退化试验数据得不同载荷下恒定载荷阶段的位移-时间曲线;根据多个位移-时间曲线确定分离位移速率与恒定载荷的表达式;确定位移退化量与时间的表达式;采用退化因子的内聚力模型得剩余粘合强度与时间的表达式;在同一坐标系,以时间为横坐标,绘制剩余粘合强度随时间的退化曲线以及输入载荷的时间曲线;确定两条曲线的交点,交点的横坐标为软包电池的密封寿命。通过本发明的上述方法能预测出软包电池的密封寿命,提高精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种软包电池密封寿命的预测方法的流程图;
图2为本发明实施例所提供的载荷-位移曲线;
图3为本发明实施例所提供的分别采用多项式内聚力模型和指数型内聚力模型对载荷-位移曲线进行拟合的结果示意图;
图4为本发明实施例所提供的修正前和修正后的载荷-位移曲线;
图5为本发明实施例所提供的不同载荷下的恒定载荷阶段的位移-时间曲线;
图6为本发明实施例所提供的恒定载荷下的退化程度曲线;
图7为本发明实施例所提供的在同一坐标系,剩余粘合强度随时间的退化曲线以及输入载荷的时间曲线;
图8为本发明实施例所提供的一种软包电池密封寿命的预测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种软包电池密封寿命的预测方法及系统,能预测出软包电池的密封寿命,提高预测精确度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例所提供的一种软包电池密封寿命的预测方法的流程图,如图1所示,本发明一种软包电池密封寿命的预测方法,包括:
S101,根据原位拉伸力学试验数据得到载荷-位移曲线;所述载荷-位移曲线的横坐标表示位移,所述载荷-位移曲线的纵坐标表示载荷。
具体的,本发明实施例中将使用凯尔测控生产的原位拉伸力学试验系统对由宁德时代提供的同一批次的侧部密封边样条进行试验,试样的单臂长度为50mm,宽度为8mm,以T型拉伸的加载方式进行试验,研究拉伸载荷与粘合区分离位移的本构关系。本步骤的目的是绘制载荷-位移曲线,因此需要先对粘合强度进行标定测试,测试剥离强度的一般方法如下:
(1)试样采用对称装卡的方式固定在夹具中间,试验中系统通过夹具提供对称载荷并保持试样中心位置不变。
(2)用T型剥离方法从样条非粘合端施加拉力,使粘合区以一定分离速率或一定加载速率产生分离。
(3)记录分离所需的拉伸载荷大小与相应的位移值,绘制载荷-位移曲线,结果如图2所示。
将剥离曲线的载荷-位移曲线中的最高点定义为特征点,纵坐标为密封边样条的强度τm即原粘合强度,相应的横坐标为特征位移λc,多次有效测试中测得的强度平均值,即8mm宽度的软包电池密封边样条可以承载的最大拉力值,同时,多次有效测试中测得的位移平均值即为最大剥离位移,理论上密封结构出现损伤时剩余粘合强度将小于该值。
S101中已经通过位移控制模式对软包电池密封边试样进行了室温下的强度测试,同时获得了连续的载荷-位移关系曲线,因此考虑使用张力-位移表达关系形式的内聚力模型描述粘合界面的本构关系。由于剥离曲线的载荷-位移曲线的变化趋势不符合双线性内聚力模型与梯形内聚力模型,因此使用多项式内聚力模型与指数型内聚力的张力-位移控制方程对试验曲线进行拟合。
如图3所示,根据曲线的变化趋势和临界断裂能的计算结果显示,直接使用特征点进行模型参数的确定时,对在分离位移达到特征点之前的载荷预测有一定的误差,并且多项式内聚力模型的误差更大,因此本发明实施例中在指数型内聚力模型的基础的展开,用Gc=eτmaxλc形式描述密封边样条的本构关系。
指数型内聚力模型是一个描述虚拟界面裂纹扩展的数学模型,因此需要对指数型内聚力模型的数学表达式进行高阶修正,高阶修正目的为使曲线在位移值小于1时斜率增大,大于1时斜率减小,修正方式为待定系数的最小二乘法,通过MATLAB拟合工具箱对多组数据进行拟合,修正后的载荷-位移关系表达式为:
其中,τ为载荷,λ为位移,R2=0.9625,R为趋势线拟合程度的指标。
如图4所示,从对比图可以看出修正前后的影响集中在临界失效点之前,并不改变模型整体趋势。修正后的曲线一方面可以使拉伸开始阶段的曲线变化趋势更加符合试验结果,另一方面临界断裂能也会更加接近试验结果。
S103,根据恒定应力加速退化试验数据得到不同载荷下恒定载荷阶段的位移-时间曲线,得到多个位移-时间曲线;所述位移-时间曲线的横坐标表示时间,所述位移-时间曲线的纵坐标表示位移。
具体的,由上一步进行的试验可知,在5N以下的小载荷对样条持续作用直到样条进入快速失效阶段的作用时间过长,因此为了有限的时间内研究恒定载荷下的位移-时间关系,拟对电池密封边进行基于恒定应力加速退化实验的方法,在较大载荷下进行试验,再反推出小载荷下的关系。
电池密封边分条基于恒定应力加速退化试验的具体试验体设计为5N、10N、15N、20N,载荷保持时长设计为50小时与100小时,共8个组合条件试验,每个条件获得三组有效数据,具体试验操作步骤如下:
1)预紧加载阶段:将有效长度为20mm的对称样条装卡在仪器夹具中间,设置预紧载荷为τp=3N,对样条进行伺服,待载荷稳定后设置位移归零,再以0.1N/s加载速率加载至设定的恒定载荷τ0,阶段结束时位移值为λ1。
2)恒定载荷阶段:以恒定载荷τ0保持时长t0,阶段结束时位移值为λ2。
3)强度测试阶段:通过剥离试验进行强度测试,以0.01mm/s的位移速率拉伸样条至断裂,记录最大载荷值为τ′m。
记录各组试验在强度测试试验中的最大载荷即剩余粘合强度,以2小时为时间间隔取样,绘制50小时试验中恒定载荷阶段的位移-时间关系曲线,如图5所示。
S104,根据多个所述位移-时间曲线确定分离位移速率与恒定载荷的表达式。所述分离位移速率与恒定载荷的表达式为V(τ0)=0.0518τ0 2.062,其中,τ0为恒定载荷,V为分离位移速率。
具体的,对5个载荷水平与2个时间水平的恒定载荷阶段试验结果,其位移-时间曲线的稳定蠕变部分曲线作线性拟合,则拟合结果的斜率代表位移速率。由于经典粘弹性力学认为粘弹性材料的应变速率与应力大小之间呈幂律关系,因此使用MATLAB对不同载荷下的位移速率数据在对数坐标轴上进行线性数值拟合,可得知样条分离位移速率与恒定载荷有如下关系式:V(τ0)=0.0518τ0 2.062。
使用时温等效原理进行力热作用的耦合关系推导,先建立在不同载荷水平与温度水平的试验基础上,试验测得相应的力学状态-时间关系这里A代表某力学状态,如粘弹性材料的蠕变柔量或者松弛模量,aT为时间变换因子,对于温度以及时间的力学状态,可以通过时间变换因子aT=t/t0将其等效为温度T0以及时间t0的力学状态,时间变换因子的对数值为力学函数在对数时间轴上的水平平移量,仅与温度相关,且有lnaT(T)=0和Δλ(T)=aTV0Δt,将力学状态-时间的关系式写作横坐标对数形式,则有:
A(T0,lnt0)=A(T,lnt0-lnaT)
根据这一关系式,可以以25℃的位移λ2为参照量,计算出在其他温度下,相同时长下的位移量。
S105,根据所述载荷与位移的表达式和所述分离位移速率与恒定载荷的表达式确定位移退化量与时间的表达式。所述位移退化量与时间的表达式为λ2=V(τ0)t+f-1(τ0),其中,λ2为位移退化量,V(τ0)为恒定载荷下分离位移速率,f-1(τ0)为的反函数,τ0为恒定载荷,λ为位移。
S106,根据所述位移退化量与时间的表达式,采用退化因子的内聚力模型,得到剩余粘合强度与时间的表达式。所述剩余粘合强度与时间的表达式为τ‘m=D(λ2)·(τm-τp)+τ0,其中,τ′m为剩余粘合强度,D(λ2)为恒定载荷下的退化程度,τm为原粘合强度,τp为预紧载荷,τ0为恒定载荷。
这一剩余粘合强度预测方法与原本描述结构的内聚力模型相比,与试验结果的误差值将会更小,有效性更高。
通过以上建立的剩余粘合强度预测方法,将5N、10N、15N、20N的试验载荷以及50h、100h的持续时长两个参数代入预测模型中计算剩余粘合强度,与试验值比较发现,模型的预测结果误差均在10%以内,因此认为该基于试验数据统计与拟合的预测模型具有有效性。
S107,根据所述剩余粘合强度与时间的表达式,在同一坐标系,以时间为横坐标,分别绘制剩余粘合强度随时间的退化曲线以及输入载荷的时间曲线。
S108,确定两条曲线的交点,所述交点的横坐标为软包电池的密封寿命,如图7所示。
具体的,根据建立的力热耦合作用下的密封边样条强度退化模型,对寿命预测应用作出如下假设:
1)在0~t0的时间内,电池膨胀量对应于等效载荷未到达使样条拉紧的状态,此时粘合区未产生分离。
2)在t0时间后,载荷开始以准静态速率增大,并且载荷-时间曲线为连续曲线,粘合区分离位移也随之增大,剩余粘合强度退化。
3)在tf时刻,载荷大小与相对剩余粘合强度相等。
4)tf时刻后,由于剩余粘合强度小于作用载荷,粘合区分离位移将快速增大,密封边样条快速失效。
5)定义tf时刻为临界失效时间,即密封边样条的密封寿命。
现假定线性增长的载荷持续作用在本研究中的样条上,温度恒定。由于载荷随着时间的增大而逐渐增大,样条的分离位移速率也会随之增大,同时根据玻尔兹曼叠加原理,分离位移时整个载荷作用的累积效果。因此对其进行寿命预测的计算时,分离位移时整个变形历史的积分。使用MATLAB对位移进行迭代计算,得出当前时刻的λ2,再根据τ′m=D(λ2)·(τm-τp)+τ0,对退化因子进行计算。根据热封结构的强度理论,剩余粘合强度是当前损伤状态下的结构可以承受的最大载荷值,因此理论上的临界失效判据为:τ′m=τ0。而在该应用示例中以相对剩余粘合强度随时间的退化曲线与输入载荷的时间曲线交点为判据,此交点便为预测的伪寿命。
本发明还提供了一种软包电池密封寿命的预测系统,如图8所示,预测系统包括:
载荷-位移曲线获取模块1,用于根据原位拉伸力学试验数据得到载荷-位移曲线;所述载荷-位移曲线的横坐标表示位移,所述载荷-位移曲线的纵坐标表示载荷。
拟合模块2,用于采用指数型内聚力模型对所述载荷-位移曲线进行拟合,并对拟合后的载荷-位移进行修正,得到载荷与位移的表达式。
位移-时间曲线获取模块3,用于根据恒定应力加速退化试验数据得到不同载荷下恒定载荷阶段的位移-时间曲线,得到多个位移-时间曲线;所述位移-时间曲线的横坐标表示时间,所述位移-时间曲线的纵坐标表示位移。
分离位移速率与恒定载荷表达式确定模块4,用于根据多个所述位移-时间曲线确定分离位移速率与恒定载荷的表达式。
位移退化量与时间表达式确定模块5,用于根据所述载荷与位移的表达式和所述分离位移速率与恒定载荷的表达式确定位移退化量与时间的表达式。
剩余粘合强度与时间表达式获得模块6,用于根据所述位移退化量与时间的表达式,采用退化因子的内聚力模型,得到剩余粘合强度与时间的表达式。
曲线绘制模块7,用于根据所述剩余粘合强度与时间的表达式,在同一坐标系,以时间为横坐标,分别绘制剩余粘合强度随时间的退化曲线以及输入载荷的时间曲线。
密封寿命确定模块8,用于确定两条曲线的交点,所述交点的横坐标为软包电池的密封寿命。
优选的,所述分离位移速率与恒定载荷的表达式为V(τ0)=0.0518τ0 2.062,其中,τ0为恒定载荷,V为分离位移速率。
优选的,所述剩余粘合强度与时间的表达式为τ′m=D(λ2)·(τm-τp)+τ0,其中,τ′m为剩余粘合强度,D(λ2)为恒定载荷下的退化程度,τm为原粘合强度,τp为预紧载荷,τ0为恒定载荷,λ2为位移退化量。
本发明的优点:
1、对于样条的强度表征不需要具体的材料参数,通过剥离测试的最大载荷值即可标定粘合强度,当软包电池的铝塑膜以及电池密封的工艺发生时,仍然可以使用该方法进行强度表征。
2、通过不改变失效机理的加速退化试验,通过提高载荷水平在短时间内实现了强度退化,弥补了小载荷水平试验时间过长的不足。
3、基于失效机理进行数据分析与多步骤强度退化建模,通过内聚力模型进行第一步骤的位移计算,通过恒定载荷-位移速率关系进行第二步骤的位移计算,通过退化因子进行第三步骤的剩余粘合强度计算,使退化模型同时具有基于退化机理建模与基于数据驱动建模两种建模方法的优点,既有失效物理理论的支撑也有包含数据统计的试验支撑。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种软包电池密封寿命的预测方法,其特征在于,包括:
根据原位拉伸力学试验数据得到载荷-位移曲线;所述载荷-位移曲线的横坐标表示位移,所述载荷-位移曲线的纵坐标表示载荷;
根据恒定应力加速退化试验数据得到不同载荷下恒定载荷阶段的位移-时间曲线,得到多个位移-时间曲线;所述位移-时间曲线的横坐标表示时间,所述位移-时间曲线的纵坐标表示位移;
根据多个所述位移-时间曲线确定分离位移速率与恒定载荷的表达式;
根据所述载荷与位移的表达式和所述分离位移速率与恒定载荷的表达式确定位移退化量与时间的表达式;
根据所述位移退化量与时间的表达式,采用退化因子的内聚力模型,得到剩余粘合强度与时间的表达式;
根据所述剩余粘合强度与时间的表达式,在同一坐标系,以时间为横坐标,分别绘制剩余粘合强度随时间的退化曲线以及输入载荷的时间曲线;
确定两条曲线的交点,所述交点的横坐标为软包电池的密封寿命。
2.根据权利要求1所述的一种软包电池密封寿命的预测方法,其特征在于,所述分离位移速率与恒定载荷的表达式为V(τ0)=0.0518τ0 2.062,其中,τ0为恒定载荷,V为分离位移速率。
5.一种软包电池密封寿命的预测系统,其特征在于,包括:
载荷-位移曲线获取模块,用于根据原位拉伸力学试验数据得到载荷-位移曲线;所述载荷-位移曲线的横坐标表示位移,所述载荷-位移曲线的纵坐标表示载荷;
位移-时间曲线获取模块,用于根据恒定应力加速退化试验数据得到不同载荷下恒定载荷阶段的位移-时间曲线,得到多个位移-时间曲线;所述位移-时间曲线的横坐标表示时间,所述位移-时间曲线的纵坐标表示位移;
分离位移速率与恒定载荷表达式确定模块,用于根据多个所述位移-时间曲线确定分离位移速率与恒定载荷的表达式;
位移退化量与时间表达式确定模块,用于根据所述载荷与位移的表达式和所述分离位移速率与恒定载荷的表达式确定位移退化量与时间的表达式;
剩余粘合强度与时间表达式获得模块,用于根据所述位移退化量与时间的表达式,采用退化因子的内聚力模型,得到剩余粘合强度与时间的表达式;
曲线绘制模块,用于根据所述剩余粘合强度与时间的表达式,在同一坐标系,以时间为横坐标,分别绘制剩余粘合强度随时间的退化曲线以及输入载荷的时间曲线;
密封寿命确定模块,用于确定两条曲线的交点,所述交点的横坐标为软包电池的密封寿命。
6.根据权利要求5所述的一种软包电池密封寿命的预测系统,其特征在于,所述分离位移速率与恒定载荷的表达式为V(τ0)=0.0518τ0 2.062,其中,τ0为恒定载荷,V为分离位移速率。
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2020
- 2020-07-30 CN CN202010749917.7A patent/CN111832192B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN107292025A (zh) * | 2017-06-21 | 2017-10-24 | 北京航空航天大学 | 软包锂离子电池的密封寿命预测方法 |
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Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN111832192A (zh) | 2020-10-27 |
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